A CONCEPTUAL DESIGN FOR A TOWER TYPE CONCENTRATING SOLAR POWER PLANT NEAR HAMBANTOTA A dissertation submitted to the Department of Electrical Engineering, University of Moratuwa in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science By NABR WIJAYAWARDHANA Supervised by: Eng. WDAS Wijayapala Eng. DG Rienzie Fernando. Department of Electrical Engineering University of Moratuwa Sri Lanka 2010 94552 Abstract In this study the basics of a central receiver type solar thermal power plant including a thermal storage are studied. Further, the technical feasibility of a central receiver type solar thermal power plant near Hambantota is investigated. The requirement of a power plant and the size of the plant are determined. The availability of solar resources in the area and the best area to locate a solar thermal power plant is also studied. The other required resources such as water, lands, proximity to transmission lines are taken into consideration. Further the impact on the environment and the possible measures to mitigate such impacts are examined. In addition, the technical features of a central receiver type power plant are studied and a conceptual design for such a power plant has been developed. In the conceptual design, the total required number of heliostats or reflectors, the heliostat field layout, the receiver size, the thermal storage size and the tower height have been determined. Finally, the economic feasibility of the plant is checked considering the available soft loan facilities which can be obtained from international development banks such as Global Environmental Facility (GEF), World Bank and Japan International Cooperation Agency (JICA). The economic benefits from the Carbon credit program have also been taken into account. Finally, it is concluded that certain cost reductions and economic conditions are required for the project to be viable. D E C L A R A T I O N T h e w o r k s u b m i t t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n i s t h e r e s u l t o r m y O \ \ n i n v e s t i g a t i o n . c : \ c c p t w h e r e o t h e n \ i s e ~tatcd. I t h a s n o t a l r e a d ) b e e n a c c e p t e d f o r a n y d e g r e e . a p d i s a l s o n o t b e i n g c o n c u r r e n t ! ) s u b m i t t e d f o r a n ) o t h e r d e g r e e . / · · · - . . . . ~- _ _ . - - - - ' ' j N A B R W i j a y m \ a r d h a n a D a t e : 2 8 1 1 1 J a n u a n 2 0 1 0 W e e n d o r s e t h e d e c l a r a t i o n b y t h e c a n d i d a t e . l l ~ · \ v - \ , ' - < . _ . . \ E n g . W D A S W i J a : a p a l a S e n i o r L e c t u r e r U n i v e r s i t y o f M o r a t U \ \ a ( /~------­ ~ - . - " - , r ---~~ng. D G R i c t v i c I c r n a n d o M a n a g i n g D i r e c t o r A m i t h i P o w e r C o n s u l t a n t s ( P v t ) L t d D G , - , 1 E\~NAN · . _ ~ i ~: A C K N O W L E D G E M E N T S l h i s w o r k h a s b e e n c a r r i e d o u t a t t h e D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g . U n i v e r s i t y o f M o r a t u v v a . F o r e m o s t . l \ V o u l d l i k e t o e x p r e s s m y s i n c e r e g r a t i t u d e t o m y a d v i s o r F n g . W D A S W i j a y a p a l a . S e n i o r l , c c t u r c r . U n i v e r s i t y o f : ' v 1 o r a t m \ a f o r t h e c o n t i n u o u s s u p p o r t o f m y M . S c . s t u d y a n d r e s e a r c h . f o r h i s p a t i e n c e . c o m n 1 - e n t s a n d i m m e n s e k m m l c d g c . I l i s g u i d a n c e h e l p e d m e i n a l l t h e t i m e o f r e s e a r c h a n d w r i t i n g o f t h i s d i s s e r t a t i o n . c o u l d n o t h a v e i m a g i n e d h a v i n g a b e t t e r a d v i s o r a n d a m e n t o r f o r m y M . S c . s t u d y . I t a k e t h i s o p p o r t u n i t y t o e x t e n d m y e a r n e s t t h a n k s t o l ; n g . D G R i c n z i c F e r n a n d o . M a n a g i n g D i r e c t o r . A m i t h i P o w e r C o n s u l t a n t s ( P v t ) L t d . v \ h o e n l i g h t e n e d m e t h e f i r s t g l a n c e o f r e s e a r c h a n d m o t i v a t e d m e . \ \ h c n c \ c r I d i s c u s s e d t e c h n i c a l i s s u e s e n c o u r a g i n g m e t o c a r r y o u t t h i s p r o j e c t s u c c e s s f u l l y . M y s i n c e r e t h a n k s a l s o g o t o E n g . S B o g a h m v a t t c . P r o j e c t D i r e c t o r . L i g h t i n g S r i L a n k a I l a m b a n t o t a P r o j e c t . C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d f o r h i s e n c o u r a g e m e n t a n d l e a d i n g m e w o r k i n g o n d i v e r s e e x c i t i n g p r o j e c t \ \ o r k s . I t h a n k m y f c l l O \ v c o l l e a g u e R o s h a n f o r t h e s l e e p l e s s n i g h t s w e w e r e w o r k i n g t o g e t h e r b e f o r e d e a d l i n e s . a n d f o r a l l t h e f u n \ \ C h a d i n t h e l a s t t w o y e a r s . A l s o l t h a n k m v f r i e n d s P r a s a n n a . D i n c s h a n d S a r a t h . A n d I l i k e t o r e m i n d m y b r o t h e r s . C h a t h u r a a n d S a c h i n t h a . I n p a r t i c u l a r . I a m g r a t d u l t o m y f i a n c e e S a s h i f o r h e r l o v e a n d c o n t i n u o u s e n c o u r a g e m e n t . L a s t b u t n o t t h e l e a s t . I \ \ o u l d l i k e t o t h a n k m y L 1 m i l y : m y p a r e n t s W i j a y a w a r d h a n a a n d A r i y a w a t h i e . f o r b r i n g i n g m e u p a n d s u p p o r t i n g m e s p i r i t u a l l y t h r o u g h o u t m y l i t e . l l l C O N T E N T S D e c l a r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A b s t r a c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 A c k n o \ \ l c d g e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m C o n t e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 v L i s t o f F i g u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v 1 l j s t o f T a b l e s . . . . . . . . . . . · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · : . . - · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · v 1 1 L i s t o f A b b r e v i a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v m 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 1 B a c k g r o u n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . 2 1 . 3 2 3 3 . 1 4 4 . 1 4 . 2 4 . 3 4 . 4 4 . 5 4 . 6 5 5 . 1 5 . 2 5 . 3 O b j e c t i \ e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S c o p e o r \ \ o r k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P r o b l e m S t a t e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c r e c h n o l o g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S o l a r T h e r m a l P m \ e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 . , . ) 5 5 3 . 1 . 1 P o \ \ e r I 0 \ \ e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 . 1 . 2 P a r a b o l i c T r o u g h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3 . 1 . 3 D i s h 1 l · : n g i n e S y s t e m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 S i t e S e l e c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A v a i l a b i l i t \ o f S o l a r R e s o u r c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A v a i l a b i l i t ) o f s u i t a b l e L a n d s ( T o p o g r a p h y ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A \ · a i l a b i l i t ) ( ) 1 · \ V a t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P r o x i m i t \ t o A \ a i l a b l e l ' r a n s m i s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I m p a c t o n l · : m i r o n m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . O t h e r C o n s i d e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o n c e p t u a l D e s i g n o f t h e P l a n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D e t e r m i n a t i o n o f t h e S i z e o r t h e P l a n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T h e M e t h o d o l o g y o r C o n c e p t u a l D e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D e s i g n ( ' a l c u l a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 9 0 9 1 1 1 2 1 2 1 3 1 3 1 4 1 4 1 5 1 5 5 . 3 . 1 . D e s i g n o r l l c l i o s t a t s I · i e l d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 l V 6 6 . 1 6 . 2 6 . 3 7 7 . 1 7 . 2 7 . 3 7 . 4 8 5 . 3 . 2 . D e s i g n o r t h e l l c l i o s t a t F i e l d L a y o u t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . 3 . 2 . 1 . C o s i n e r ! T c c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . 3 . 2 . 2 . S h a d m \ i n g & B l o c k i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . 3 . 2 . : 1 . R c t l c c t a n c c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.:1.2.~. ; \ t m o s p h c r i c t r a n s m i t t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . : 1 . 2 . 5 . h e l d L a y o u t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . : 1 . 2 . 6 . l m \ c r ! I e i g h t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . : 1 . 2 . 7 . A t m o s p h e r i c T r a n s m i t t a n c e ' i n T a n a m a l w i l a S i t e . . . . 5 . 3 . : 1 D e s i g n o f t h e R e c e i v e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . 3 . 4 D e s i g n o f t h e S t o r a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . : 1 . 5 T h e r m a l P e r f o r m a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E n v i t · o n m c n t a l l n t p a c t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I m p a c t o n L m i r o n m e n t i n G e n e r a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M i n i m i z a t i o n o f T . a n d l J s c I m p a c t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D i s p l a c e m e n t o f C 0 2 • : \ 0 , a n d S 0 2 J · : m i s s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E c o n o m i c E v a l u a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o s t h t i m a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F s t i m a t i o n o f A n n u a l F n e r g y O u t p u t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . h a l u a t i o n o f I ~conomic F e a s i b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S c n s i t i \ i t y A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( " o n c l u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 1 8 2 1 ' 1 ' 1 . : . . . . : . . . 2 2 , . , L _ ) 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 3 . , . , . ) _ ) 3 4 3 5 3 6 3 6 3 8 3 9 4 2 4 5 R e f e r e n c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 A p p e n d i x A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 A p p e n d i x B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 A p p e n d i x ( : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 A p p e n d i x f ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 v L i s t o f F i g u r e s F i g u r e C h a p t e r 3 F i g u r e 3 . 1 F i g u r e 3 . 2 C h a p t e r . t F i g u r e 4 . 1 F i g u r e 4 . 2 F i g u r e 4 . 3 / \ s c h e m a t i c d i a g r a m o r s o l a r t h e r m a l p o w e r p l a n t . . . . . . . . . . . . . . . i \ s i m p l e d i a g r a m o f a ] l O \ \ e r t o w e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ . i \ ] T \ r h c l i o m e t e r i n a s i t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M o n t h ! ) a \ e r a g e D N I a t l l a m h a n t o t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I h e a r e a h a \ i n g a n n u a l D N I 4 . 5 - 5 k W h / m 2 / d a y P a g e 6 7 0 9 1 0 a n d t h e s e l e c t e d s i t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 C h a p t e r 5 F i g u r e 5 . 1 F i g u r e 5 . 2 F i g u r e 5 . 3 F i g u r e 5 . 4 F i g u r e 5 . 5 F i g u r e 5 . 6 F i g u r e 5 . 7 F i g u r e 5 . 8 F i g u r e 5 . 9 ; \ s i m p l e s c h e m a t i c d i a g r a m o f a p o w e r t m v e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o s i n e c i T e c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ! \ / . i m u t h A n g l e ; \ a n d A l t i t u d e u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o s i n e e ! T i c i e n c y a t T a n a m a ] v , i l a s i t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ! \ \ e r a g e m o n t h l y \ i s i h i l i t y a t l l a m b a n t o t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R a d i a l S t a g g e r p a t t e r n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R a d i a l a n d c l / . i m u t h a l s p a c i n g V s . D i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . l . o c a l h e l i o s t a t f i e l d d e n s i t v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D " \ 1 P r o f i l e o f i \ p r i l o f l l a m b a n t o t a i n W h / m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 1 9 2 0 2 1 ' ) ' 1 L j 2 4 2 6 2 6 2 7 F i g u r e 5 . 1 0 R a n g e o f o p t i m u m r e c e i \ e r t < m e r h e i g h t s f o r s y s t e m s \ \ i t h d i f f e r e n t ] X m e r I C \ e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 F i g u r e 5 . 1 1 A t m o s p h e r i c l ' r a n s m i t t a n c e a t T a n a m a h v i l a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 C h a p t e r 6 F i g u r e 6 . 1 ; \ S p a c e f o r ( ' u l t i v a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 C h a p t e r 7 F i g u r e 7 . 1 1 \ m e r I O \ \ e r C o s t s i n P e r c e n t a g e s f o r l o n g t e r m e s t i m a t i o n 3 8 \ ' I L i s t o f T a f J f c s T a b l e C h a p t e r 5 T a b l e 5 . 1 T a b l e 5 . 2 T a b l e 5 . 3 C h : 1 p t e r 7 T a b l e 7 . 1 T a b l e 7 . 2 T a b l e 7 . 3 T a b l e 7 . 4 r a b l e 7 . 5 T a b l e 7 . 6 T a b l e 7 . 7 T a b l e 7 . 8 [ ' a b l e 7 . 9 T a b l e 7 . 1 0 T a b l e 7 . 1 1 T a b l e 7 . 1 2 P a g e l l c l i o s t a t s l a y o u t d e s i g n r e s u l t s / ( ) ) ' t O \ \ c r h e i g h t o f 1 8 0 m . . . . 2 5 D i s t a n c e t o r u r t h c s t l i n e o r h c l i o s t a t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 ! h e · r a l i o h c i \ \ C c n P e a k / ) \ ' ! o f a d a ) t n _ : \ 1 c r a g c D N ! o f a d a ) ' ) 7 ~I M i d t e r m C o s t I : s t i m a t i o n s o n a n a m a h v i l a 5 0 l \ ! I W P o v \ e r T o w e r 3 6 I . o n g t e r m C o s t h t i m a t i o n s o f l a n a m a l w i l a 5 0 M W P o w e r T o w e r 3 7 I n p u t P a r a m e l L ' r s f o r I · . c o n o m i c L v a l u a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . h n a l R e s u l t s o r L c o n o m i c L v a l u a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 \ l i c r I a : \ : \ c t l . q u i t y C a s h F l m \ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I.('()[~ \ · s . C a p a c i t ) · l · a c t < J r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ! . C O L \ s . R e a l D i s c o u n t R a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ! C O l \ S . M i n i m u m R e q u i r e d ! R f L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L C O I · ' \ S . , \ \ a i l a b i l i t \ o r C a r b o n C r e d i t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L C O I · . \ S . I . o a n T e r m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I . C O l : \ S . ; \ \ a i l a b i l i t \ o r B O I s t a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I . C O L \ s . P P . \ e s c a l a t i o n r a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 4 1 4 2 4 2 4 3 4 " ' 1 , ) 4 3 4 4 4 4 4 4 V I I L i s t o f A b b r e v i a t i o n s T e r m D e f i n i t i o n o r · C l a r i f i c a t i o n A D B A s i a n I k \ c l o p m c n t B a n k B O I B o a r d o f l m c s t m c n t C P V C o n c e n t r a t i n g P h o t o \ o l t a i c _ . C S P C o n c e n t r a t i n g S o l a r P o \ \ C r C S T C o n c c n t r a t i n g S o l a r T h e r m a l D N I D i r e c t N o r m a l l r r a d i a n c c G F F ( ! l o b a l l · m i r o n m c n t a l F u n d I I T F ! ! c a t I r a n s ! C r l · l u i d I P P I n d e p e n d e n t P m \ c r P r o d u c e r I R R I n t c r n a l R a t e o ! ' R e t u r n J I C A J a p a n I n t e r n a t i o n a l C o o p e r a t i o n A g e n c y k . l K i l o J u l e s k \ V e K i l o W a t t s ( e l e c t r i c a l e n e r g y ) k W h K i l o \ \ a t t ! l o u r s k W t K i l o \ V a t t s ( t h e r m a l e n e r g y ) L C O E I , e \ c l i ; : c d C o s t o f L n e r g y L F R I . i n c a r F r e s n e l R c l 1 c c t o r 1 1 1 m e t e r s M J f ' v 1 c g a J o u l e s M V A M e g a V o l t A m p e r e s M W h ! ' v l c g a W a t t I l o u r s N R E L N a t i o n a l R e n e \ \ a b l e I · . n c r g y I . a b o r a t o r y P P A P o \ \ c r P u r c h a s e 1 \ g r c c m c n t P V P h o t O \ o l t a i e U S D t ; n i t c d S t a t e s D o l l a r s o c C e l s i u s V l l l . . . . . . C h a p t e r 0 1 I N T R O D U C T I O N 1 . 1 . B a c k g r o u n d T h e r e a r e m a n y a l t e r n a t i v e e n e r g y s o u r c e s o t l } e r t h a n f o s s i l f u e l s . T h e d e c i s i o n o f w h a t t y p e o f e n e r g y s o u r c e s h o u l d b e u t i l i z e d i n e a c h c a s e m u s t b e m a d e o n t h e b a s i s o f e c o n o m i c , e n v i r o n m e n t a l , a n d s a f e t y c o n s i d e r a t i o n s . B e c a u s e o f t h e d e s i r a b l e e n v i r o n m e n t a l a n d s a f e t y a s p e c t s , i t i s w i d e l y b e l i e v e d t h a t t h e s o l a r e n e r g y s h o u l d b e u t i l i z e d i n s t e a d o f o t h e r a l t e r n a t i v e e n e r g y f o r m s . S o l a r e n e r g y c a n b e u t i l i z e d s u s t a i n a b l y w i t h o u t h a r m i n g t h e e n v i r o n m e n t . I t i s n o w g e n e r a l l y b e l i e v e d i n t h e w o r l d t h a t r e n e w a b l e e n e r g y t e c h n o l o g i e s c a n m e e t m u c h o f t h e g r o w i n g d e m a n d a t p r i c e s t h a t a r e e q u a l o r l o w e r t h a n t h o s e u s u a l l y f o r e c a s t f o r c o n v e n t i o n a l e n e r g y . B y t h e m i d d l e o f t h e 2 1 s t c e n t u r y , r e n e w a b l e s o u r c e s o f e n e r g y c o u l d a c c o u n t f o r t h r e e f i f t h s o f t h e w o r l d ' s e l e c t r i c i t y m a r k e t a n d t w o f i f t h s o f t h e m a r k e t f o r f u e l s u s e d d i r e c t l y [ 1 ] . M o r e o v e r , m a k i n g a t r a n s i t i o n t o a r e n e w a b l e e n e r g y - i n t e n s i v e e c o n o m y w o u l d p r o v i d e e n v i r o n m e n t a l a n d o t h e r b e n e f i t s n o t m e a s u r e d i n s t a n d a r d e c o n o m i c t e r m s . I t i s e n v i s a g e d t h a t b y 2 0 5 0 t h e g l o b a l c a r b o n d i o x i d e ( C 0 2 ) e m i s s i o n s w o u l d b e r e d u c e d t o 7 5 % o f t h e i r 1 9 8 5 l e v e l s , p r o v i d e d t h e e n e r g y e f f i c i e n c y a n d r e n e w a b l e s a r e w i d e l y a d o p t e d [ 1 J . I n a d d i t i o n , s u c h b e n e f i t s c o u l d b e a c h i e v e d a t n o a d d i t i o n a l c o s t , b e c a u s e r e n e w a b l e e n e r g y i s e x p e c t e d t o b e c o m p e t i t i v e w i t h c o n v e n t i o n a l e n e r g y . I n S r i L a n k a t o o . a b r o a d p r o l o n g e d d i s c u s s i o n h a s e x i s t e d f o r a t l e a s t t h r e e d e c a d e s r e g a r d i n g r e n e w a b l c s . M i n i / m i c r o h y d r o s , s o l a r P V s y s t e m s a n d w i n d t u r b i n e s h a v e b e e n i n S r i L a n k a f o r a c e r t a i n p e r i o d o f t i m e . H o w e v e r t h e p o s s i b i l i t y o f l a r g e s c a l e s o l a r t h e r m a l p o w e r p l a n t s h a s n o t b e e n c o n s i d e r e d . T h e r e a r e r e a s o n s f o r t h a t . T h e f i r s t i s t h a t t h e m o s t o f t h e s e t e c h n o l o g i e s a r e n o t m a t u r e e n o u g h a n d n o t w i d e l y a v a i l a b l e . T h e s e c o n d i s t h a t t h e a s s o c i a t e d c a p i t a l c o s t a n d t h e p e r u n i t e n e r g y c o s t a r e a l s o h i g h e r . . . . . H o w e v e r , t h e c u r r e n t s i t u a t i o n i n t h e w o r l d c o m p e l s u s t o i n c l u d e t h e s e t e c h n o l o g i e s i n t o o u r f u t u r e e n e r g y m i x b e c a u s e o f f o l l o w i n g r e a s o n s . T h e f i r s t i s t h e u n c e r t a i n t y o f o i l p r i c e s . T h i s w a s e x p e r i e n c e d i n 2 0 0 8 a n d t h e c o u n t r y s u f l e r e d f r o m t h e v o l a t i l i t y . T h e c o s t o f o i l i n c r e a s e d t o u n p r e c e d e n t e d l e v e l s i n n o t i m e , g i v i n g n o s p a c e t o b r e a t h e t o d e v e l o p i n g e c o n o m i e s l i k e S r i L a n k a . T h e s e c o n d i s a s d e s c r i b e d a b o v e ; t h e c o s t o f s o l a r t h e r m a l t e c h n o l o g i e s w i l l c o n t i n u e t o d e c r e a s e a n d w i l l b e c o m p e t i t i v e w i t h o t h e r c o n v e n t i o n a l t e c h n o l o g i e s i n t h e n c a r f u t u r e , s a y b y 2 0 2 0 . T h e t h i r d i s t h e e n e r g y s e c u r i t y . l t i s s a i d t h a t t h e w o r l d i s r e g i o n a l i z i j l g i n t o r e g i o n s s u c h a s E u r o p e , C h i n a , U n i t e d S t a t e s e t c . T h e r e m a y b e g e o - p o l i t i c a l c o l d w a r s a m o n g t h e s e c o u n t r i e s o r r e g i o n s . I f w e c a n s e c u r e o u r e n e r g y s u p p l y w i t h a v a i l a b l e r e s o u r c e s a s m u c h a s p o s s i b l e , o u r e c o n o m y w i l l n o t b e s u s c e p t i b l e t o e x t e r n a l f a c t o r s t o t h e e x t e n t w e e x p e r i e n c e d i n t h e p a s t . F u r t h e r i t w i l l b e a b l e t o h a r v e s t t h e b e n e f i t s o f c a r b o n c r e d i t p r o g r a m w h i l e s u p p o r t i n g t h e s t r u g g l e a g a i n s t g l o b a l w a r m i n g . 1 . 2 . T h e O b j e c t i v e T o s t u d y a n d d e v e l o p a c o n c e p t u a l d e s i g n f o r a c e n t r a l r e c e i v e r t y p e c o n c e n t r a t i n g s o l a r p o w e r p l a n t n e a r H a m b a n t o t a , a n d e x a m i n e t h e e c o n o m i c v i a b i l i t y o f t h e p r o j e c t . 1 . 3 . S c o p e o f w o r k T h e s c o p e o f t h e w o r k o f t h i s s t u d y i s g i v e n b e l o w , • I n t h i s s t u d y , t h e b e s t a v a i l a b l e s i t e h a v i n g r i c h s o l a r r e s o u r c e s n e a r H a m b a n t o t a a r e a t o b u i l d a c e n t r a l r e c e i v e r t y p e c o n c e n t r a t i n g s o l a r p o w e r p l a n t ( p o w e r t o w e r ) w i l l b e a s s e s s e d . • T h e s t u d y w i l l j u s t i f y , g i v i n g r e a s o n s , t h e s u i t a b i l i t y o f a p o w e r t o w e r n e a r • • • H a m b a n t o t a a r e a . T h e i m p a c t o f p l a n t o n t h e e n v i r o n m e n t a n d p o s s i b l e m i t i g a t i o n t e c h n i q u e s w i l l b e d i s c u s s e d . T h e c a p a c i t y o f t h e p l a n t a n d i t s c o m p o n e n t s w i l l b e e s t i m a t e d . T h e s t u d y w i l l i n c l u d e h e l i o s t a t s f i e l d d e s i g n , r e c e i v e r d e s i g n a n d t h e r m a l s t o r a g e c a l c u l a t i o n s . E c o n o m i c a n a l y s i s w i t h a s e n s i t i v i t y a n a l y s i s w i l l b e i n c o r p o r a t e d t o t h e s t u d y a n d t h e e c o n o m i c f e a s i b i l i t y o f t h e p l a n t w i l l a l s o b e d i s c u s s e d . 2 . . . . C h a p t e r 0 2 P R O B L E M S T A T E M E N T T h e p o s s i b i l i t y o f l a r g e s c a l e s o l a r t h e r m a l p o w e r p l a n t s i n S r i L a n k a h a s n e v e r b e e n s t u d i e d . T h e r e a r e t w o r e a s o n s b e h i n d t h i s ; t h e h i g h c o s t o f u n i t o f e n e r g y p r o d u c e d a n d n o v e l t y o f l a r g e s c a l e s o l a r t h e r m a l p o w e r t e c h n o l o g y c o m p a r e d t o c o n v e n t i o n a l t e c h n o l o g i e s . I I o w e v e r n o w , l a r g e s c a l e s o l a r t h e r m a l p o w e r p l a n t s a r e b e i n g c o m m e r c i a l l y o p e r a t e d i n 2 0 0 9 . T w o c e n t r a l r e c e i v e r t y p e s o l a r t h e r m a l p o w e r p l a n t s , 1 1 M W a n d 2 0 M W a r e b e i n g o p e r a t e d i n S p a i n . T h e r e f o r e s o l a r t h e r m a l p o w e r p l a n t s w i l l b e w i d e l y a v a i l a b l e i n t h e w o r l d i n a f e w y e a r s . l t i s f o r e c a s t t h a t l a r g e s c a l e s o l a r t h e r m a l p o w e r n o t o n l y w i l l b e c o m e e c o n o m i c a l b u t w i l l a l s o b e c o m p e t i t i v e w i t h c o n v e n t i o n a l p o w e r . T h e r e f o r e e v e n i f i t i s n o t t e c h n i c a l l y o r e c o n o m i c a l l y v i a b l e t o c o n s t r u c t l a r g e s c a l e s o l a r t h e r m a l p o w e r p l a n t s i n S r i L a n k a t o d a y , t h e p o s s i b i l i t y o f s o l a r t h e r m a l p o w e r i n t h e f u t u r e r e q u i r e s t o b e s t u d i e d . F u r t h e r s o l a r t h e r m a l p o w e r i s a 1 0 0 % g r e e n t e c h n o l o g y . S u c h t e c h n o l o g y c a n c l a i m 0 . 0 1 5 t o 0 . 0 3 U S D f o r a k W h t h r o u g h t h e C a r b o n c r e d i t p r o g r a m w h i c h w i l l r e d u c e t h e c o s t o f a k W h p r o d u c e d . I n t h i s s t u d y t h e b a s i c s o f a c e n t r a l r e c e i v e r t y p e s o l a r t h e r m a l p o w e r p l a n t i n c l u d i n g t h e r m a l s t o r a g e w i l l b e s t u d i e d . F u r t h e r , t h e t e c h n i c a l f e a s i b i l i t y o f a c e n t r a l r e c e i v e r t y p e s o l a r t h e r m a l p o w e r p l a n t n e a r H a m b a n t o t a w i l l b e s t u d i e d . T h e r e q u i r e m e n t o f a p o w e r p l a n t a n d t h e s i z e o f t h e p l a n t w i l l b e d e t e r m i n e d . T h e a v a i l a b i l i t y o f s o l a r r e s o u r c e s i n t h e a r e a a n d t h e b e s t a r e a t o l o c a t e a s o l a r t h e r m a l p o w e r p l a n t w i l l b e s t u d i e d . T h e r e q u i r e d o t h e r r e s o u r c e s l i k e w a t e r r e s o u r c e s , l a n d s , p r o x i m i t y t o t r a n s m i s s i o n l i n e s s h a l l a l s o b e s t u d i e d . F u r t h e r t h e i m p a c t o n t h e e n v i r o n m e n t a n d t h e p o s s i b l e m e a s u r e s t o m i t i g a t e s u c h i m p a c t s w i l l b e e x a m i n e d . T h e t e c h n i c a l f e a t u r e s o f a c e n t r a l r e c e i v e r t y p e p o w e r p l a n t w i l l b e f u r t h e r s t u d i e d a n d a c o n c e p t u a l d e s i g n o f s u c h p o w e r p l a n t w i l l b e d e v e l o p e d . I n t h e c o n c e p t u a l 3 ~ d e s i g n t h e t o t a l r e q u i r e d n u m b e r h e l i o s t a t s o r r e f 1 e c t o r s , t h e h e l i o s t a t f i l e d l a y o u t , t h e r e c e i v e r s i z e , t h e t h e r m a l s t o r a g e s i z e a n d t h e t o w e r h e i g h t w i l l b e c a l c u l a t e d . F i n a l l y t h e e c o n o m i c f e a s i b i l i t y o f t h e p l a n t w i l l b e d e t e r m i n e d c o n s i d e r i n g t h e a v a i l a b l e s o f t l o a n f a c i l i t i e s w h i c h c a n b e o b t a i n e d f r o m a n i n t e r n a t i o n a l d e v e l o p m e n t b a n k s s u c h a s G E F a n d W o r l d B a n k . T h e e c o n o m i c b e n e f i t s o f C a r b o n c r e d i t p r o g r a m w i l l a l s o b e t a k e n i n t o a c c o u n t . _ . . 4 . . . C h a p t e r 0 3 T E C H N O L O G Y 3 . 1 . S o l a r T h e r m a l P o w e r T h e c o n c e n t r a t i n g s o l a r p o w e r ( C S P ) t e c h n o l o g i e s c a n b e d i v i d e d i n t o t w o g e n e r a l c a t e g o r i e s . T h e t i r s t i s C o n c e n t r a t i n g S o l a r T h e r m a l ( C S T ) , w h i c h i n c l u d e s t h o s e c o n c e n t r a t i n g t h e s u n · s e n e r g y o n a t h e r m a l c o n d u c t o r a n d t h e n u s i n g t h a t h e a t t o m o v e a n e n g i n e o r a t u r b i n e . The~e u s u a l l y t a k e t h e f o r m o f a l a r g e p o w e r p l a n t a n d c a n c o n c e n t r a t e u s i n g m i r r o r s i n a l i n e o r a r o u n d a p o i n t . T h e m i r r o r a r r a y c a n b e c o n c a v e o r t 1 a t - c o n c e n t r a t i n g f r o m 8 0 s u n s f o r t h e l i n e a r a r r a y s ( i n c l u d i n g t r o u g h s y s t e m s a n d L i n e a r F r e s n e l R e f l e c t o r s y s t e m s ( L F R ) ) t o o v e r 1 5 0 0 s u n s o n t h e p o i n t a r r a y s ( i n c l u d i n g t o w e r a n d d i s h - e n g i n e s y s t e m s ) , w i t h c o r r e s p o n d i n g t e m p e r a t u r e s a n d v a r i a t i o n s o f t e c h n o l o g y c o m p o n e n t s t o c o n v e r t t h e h e a t i n t o u s e f u l e l e c t r i c i t y . B e c a u s e t h e y g e n e r a t e h e a t , C S T s y s t e m s h a v e r e l a t i v e l y m o r e c o s t s i n t h e o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e v e r s u s P V s y s t e m s , b u t c r e a t e t h e a d v a n t a g e o f p o t e n t i a l l y s t o r i n g t h e h e a t o r u s i n g i t i n a h y b r i d c o n f i g u r a t i o n t o m a k e t h e p o w e r d i s p a t c h a b l e ; a s i g n i f i c a n t a d v a n t a g e i n i n t e g r a t i n g t h e p o w e r i n t o m a i n e l e c t r i c a l g r i d . B e c a u s e t r o u g h a n d p o w e r t o w e r s y s t e m s c o l l e c t h e a t t o d r i v e c e n t r a l t u r b i n e - g e n e r a t o r s , t h e y a r e b e s t s u i t e d f o r l a r g e - s c a l e p l a n t s : 5 0 M W o r l a r g e r . T r o u g h a n d t o w e r p l a n t s , w i t h t h e i r l a r g e c e n t r a l t u r b i n e g e n e r a t o r s a n d b a l a n c e o f p l a n t e q u i p m e n t , c a n t a k e a d v a n t a g e o f e c o n o m i c s o f s c a l e f o r c o s t r e d u c t i o n , a s c o s t p e r k W g o e s d o w n w i t h i n c r e a s e d s i z e [ 2 ] . A l t e r n a t i v e l y , C o n c e n t r a t i n g P h o t o v o l t a i c ( C P V ) t e c h n o l o g i e s c o n c e n t r a t e t h e s u n ' s e n e r g y d i r e c t l y o n t o h i g h e f f i c i e n c y P V m a t e r i a l s t o d i r e c t l y c r e a t e e l e c t r i c i t y . T h e s e t e c h n o l o g i e s u s c b o t h m i r r o r s a n d l e n s e s a n d c a n b e d e p l o y e d i n c o n f i g u r a t i o n s t h a t r a n g e f r o m l a r g e s y s t e m s t o m e d i u m s y s t e m s [ 2 j . 5 • C o l l e c t o r ' ~·--1 I O p t i o n a l / . . . . - - + - - - - - - , t h e r m a l e n e r g y s t o r a g e ' > B o i l e r < ' > l L @ _ _ j P u m p P u m p H e a t e n g m e R e j e c t h e a t _ . F i g u r e 3 . 1 : A s c h e m a t i c d i a g r a m o f s o l a r t h e r m a l p o w e r p l a n t 3 . 1 . 1 . P o w e r T o w e r s ( C e n t r a l R e c e i v e r S y s t e m s ) P o w e r t o v v e r s o r c e n t r a l r e c e i v e r s y s t e m s u s e t h o u s a n d s o f i n d i v i d u a l s u n - t r a c k i n g m i r r o r s , c a l l e d h e l i o s t a t s , t o r e f l e c t s o l a r e n e r g y o n t o a r e c e i v e r l o c a t e d a t o p a t a l l t o w e r . T h e r e c e i v e r c o l l e c t s t h e s u n ' s h e a t i n a h e a t t r a n s f e r f l u i d ( e g . m o l t e n s a l t ) t h a t t l o w s t h r o u g h t h e r e c e i v e r . T h i s i s t h e n p a s s e d o p t i o n a l l y t o s t o r a g e a n d f i n a l l y t o a p o w e r c o n v e r s i o n s y s t e m , w h i c h c o n v e r t s t h e t h e r m a l e n e r g y i n t o e l e c t r i c i t y a n d s u p p l i e s i t t o t h e g r i d . T h e r e f o r e , a c e n t r a l r e c e i v e r s y s t e m i s c o m p o s e d o f f i v e m a i n c o m p o n e n t s : h e l i o s t a t s , i n c l u d i n g t h e i r t r a c k i n g s y s t e m ; r e c e i v e r ; h e a t t r a n s p o r t a n d e x c h a n g e ; t h e r m a l s t o r a g e ; a n d c o n t r o l s [ 3 ] . I n m a n y s o l a r p o w e r s t u d i e s , i t h a s b e e n o b s e r v e d t h a t t h e c o l l e c t o r r e p r e s e n t s t h e l a r g e s t c o s t i n t h e s y s t e m ; t h e r e f o r e , a n e f f i c i e n t e n g i n e i s j u s t i f i e d t o o b t a i n m a x i m u m u s e f u l c o n v e r s i o n o f t h e c o l l e c t e d e n e r g y . T h e p o w e r t o w e r p l a n t s a r e q u i t e l a r g e , g e n e r a l l y 1 0 M W e o r m o r e , w h i l e t h e o p t i m u m s i z e s l i e b e t w e e n 5 0 - 4 0 0 M W . I t i s e s t i m a t e d t h a t p o w e r t o w e r s c o u l d g e n e r a t e e l e c t r i c i t y a t a r o u n d U S $ 0 . 0 5 5 / k W h b y 2 0 2 0 [ 4 1 . T h e s a l t ' s h e a t e n e r g y i s u s e d t o m a k e s t e a m t o g e n e r a t e e l e c t r i c i t y i n a c o n v e n t i o n a l s t e a m g e n e r a t o r , l o c a t e d a t t h e b o t t o m o f t h e t o w e r . T h e s t o r a g e s y s t e m r e t a i n s h e a t e f f i c i e n t l y , s o i t c a n b e s t o r e d f o r h o u r s o r e v e n d a y s b e f o r e b e i n g u s e d t o g e n e r a t e e l e c t r i c i t y . T h e s t o r a g e m e d i u m c a n b e s t e a m , m o l t e n s a l t , l i q u i d s o d i u m e t c . 6 . . C D ·.:'v-~_'v-_ 0,~ ~ H e b o s t a t F i e l d 0 C l l ! f l t r a l R K " e i v e c - , ; . • ' ' " r - - - - - 1 C o . l d S a l t T h . e . · r m . J I t = l t o T k l f~ _ . . . . . . . -. ...,..,.~1 S l u m 0 F i g u r e 3 . 2 : A s i m p l e d i a g r a m o f a p o w e r t o w e r T h e h e l i o s t a t s r e f l e c t s o l a r r a d i a t i o n t o t h e r e c e i v e r a t t h e d e s i r e d f l u x d e n s i t y a t m i n i m a l c o s t . A v a r i e t y o f r e c e i v e r s h a p e s h a v e b e e n c o n s i d e r e d , i n c l u d i n g c y l i n d r i c a l r e c e i v e r s a n d c a v i t y r e c e i v e r s . T h e o p t i m u m s h a p e o f t h e r e c e i v e r i s a f u n c t i o n o f r a d i a t i o n i n t e r c e p t e d a n d a b s o r b e d t h e r m a l l o s s e s , c o s t , a n d d e s i g n o f t h e h e l i o s t a t f i e l d . F o r a l a r g e h e l i o s t a t f i e l d , a c y l i n d r i c a l r e c e i v e r i s b e s t s u i t e d t o b e u s e d w i t h R a n k i n e c y c l e e n g i n e s . A n o t h e r p o s s i b i l i t y i s t o u s e B r a y t o n c y c l e t u r b i n e s , w h i c h r e q u i r e h i g h e r t e m p e r a t u r e s ( o f a b o u t 1 0 0 0 ° C ) f o r t h e i r o p e r a t i o n ; i n t h i s c a s e , c a v i t y r e c e i v e r s w i t h l a r g e r t o w e r h e i g h t t o h e l i o s t a t t i e l d a r e a r a t i o s a r e m o r e s u i t a b l e [ 5 ] . 3 . 1 . 2 . P a r a b o l i c T r o u g h s A p a r a b o l i c t r o u g h s o l a r c o l l e c t o r i s d e s i g n e d t o c o n c e n t r a t e t h e s u n ' s r a y s v r a p a r a b o l i c c u r v e d s o l a r r c 1 1 e c t o r s o n t o a h e a t a b s o r b e r e l e m e n t - a " r e c e i v e r " - l o c a t e d i n t h e o p t i c a l f o c a l l i n e o f t h e c o l l e c t o r . T h e s o l a r c o l l e c t o r s t r a c k t h e s u n c o n t i n u o u s l y . T h e k e y c o m p o n e n t s o f a p a r a b o l i c t r o u g h p o w e r p l a n t a r e m i r r o r s , r e c e i v e r s a n d t u r b i n e t e c h n o l o g y . T h e r e c e i v e r c o n s i s t s o f a s p e c i a l l y c o a t e d a b s o r b e r t u b e w h i c h i s e m b e d d e d i n a n e v a c u a t e d g l a s s e n v e l o p e . T h e a b s o r b e d s o l a r r a d i a t i o n w a r m s u p t h e h e a t t r a n s f e r f l u i d f 1 o w i n g t h r o u g h t h e a b s o r b e r t u b e t o a l m o s t 4 0 0 ° C . T h i s i s c o n d u c t e d a l o n g a h e a t e x c h a n g e r i n w h i c h s t e a m i s p r o d u c e d , w h i c h t h e n g e n e r a t e s p o w e r i n t h e t u r b i n e s . T h e o u t p u t o f t h e p o w e r p l a n t i s b e t w e e n 2 5 M W a n d 2 0 0 M W o f e l e c t r i c i t y , a t i t s p e a k . D u e t o t h e p r e s e n c e o f t h e s t o r a g e s y s t e m s , t h e p l a n t c a n k e e p w o r k i n g a t a c o n s t a n t l o a d [ 5 J . 7 . . . 3 . 1 . 3 . D i s h / E n g i n e S y s t e m s I n s o l a r d i s h / e n g i n e s y s t e m s , p a r a b o l i c d i s h e s c a p t u r e t h e s o l a r r a d i a t i o n a n d t r a n s f e r i t t o a S t i r l i n g e n g i n e - a n e n g i n e w h i c h u s e s e x t e r n a l h e a t s o u r c e s t o e x p a n d a n d c o n t r a c t a t 1 u i d - p l a c e d i n t h e f o c u s o f t h e p a r a b o l i c d i s h . T h i s a p p r o a c h i s p a r t i c u l a r l y s u i t e d f o r d e c e n t r a l i z e d e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n [ 5 ] . . . . 8 C h a p t e r 0 4 S I T E S E L E C T I O N 4 . 1 . A v a i l a b i l i t y o f S o l a r R e s o u r c e s S r i L a n k a l i e s w i t h i n t h e e q u a t o r i a l b e l t , a r e g i 6 n w h e r e s u b s t a n t i a l s o l a r r e s o u r c e s e x i s t t h r o u g h o u t m u c h o f t h e y e a r . A c c o r d i n g l y e n e r g y e q u i v a l e n t t o 4.5~6.0 k W h / m 2 / d a y i s a v a i l a b l e a c r o s s t h e c o u n t r y w h i c h i n v i t e s m a n y s o l a r a p p l i c a t i o n s [ 6 ] . H o w e v e r f o r C S P t y p e p l a n t s , c o n t i n u o u s a v a i l a b i l i t y o f D i r e c t N o r m a l I r r a d i a n c e o f 5 k W h / m 2 / d a y i s r e q u i r e d f o r i t s s u c c e s s f u l o p e r a t i o n w i t h c u r r e n t l y a v a i l a b l e t e c h n o l o g i e s [ 4 ] . D i r e c t N o r m a l I r r a d i a n c e ( D N I ) i s m e a s u r e d u s i n g e q u i p m e n t c a l l e d p y r h e l i o m e t e r . H o w e v e r m e a s u r e m e n t o f D N I h a s n o t b e e n d o n e i n w e a t h e r s t a t i o n s i n S r i L a n k a [ 6 ] . F i g u r e 4 . 1 : A p y r h e l i o m e t e r i n a s i t e A n a s s e s s m e n t o f s o l a r r e s o u r c e s i n S r i L a n k a a n d M a l d i v e s w a s d o n e b y D . R e n n e , R . G e o r g e , B . M a r i o n a n d D . H c i m i l l e r f r o m N a t i o n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b o r a t o r y o f U n i t e d S t a t e s D e p a r t m e n t o f E n e r g y a n d C . G u e y m a r d f r o m S o l a r C o n s u l t i n g S e r v i c e s i n 2 0 0 3 . T h e D N I w a s e s t i m a t e d u s i n g a m o d e l u t i l i z i n g a v a i l a b l e s o l a r r e s o u r c e s a n d c l o u d c o v e r d a t a b a s e s o b t a i n e d f r o m n i n e w e a t h e r s t a t i o n s . 9 A c c o r d i n g l y . t h e m a x i m u m D N I i s a v a i l a b l e j u s t 3 5 k m a b o v e H a m b a n t o t a a r e a h a v i n g A v e r a g e A n n u a l D N I 4.5~5 k . W h / m 2 / d a y . T h e s i z e o f t h e a r e a h a v i n g m a x i m u m D N I i s m o r e t h a n 1 5 0 0 k m 2 . I l o w e v c r t h e s o l a r r e s o u r c e d a t a g i v e n i n t h e r e p o r t h a s 4 0 k m r e s o l u t i o n o n l y . T h e s e d a t a c a n b e v i e w e d u s i n g t h e G e o s p a t i a l T o o l k i t ( G s T ) d e v e l o p e d b y N R E L , w h i c h i s a m a p - b a s e d s o f t w a r e a p p l i c a t i o n t h a t - " C a n b e u s e d f o r d e c i s i o n m a k i n g a n d p o l i c y a n a l y s i s i n a d d i t i o n t o p l a n n i n g f o r f u t u r e w i n d e n e r g y p r o j e c t s . T h e G s T a p p l i c a t i o n u t i l i z e s G e o g r a p h i c a l I n f o r m a t i o n S y s t e m s ( G I S ) t o d e v e l o p c o m m o n s c e n a r i o s t o e v a l u a t e p o t e n t i a l l o c a t i o n s f o r s o l a r o r w i n d e n e r g y p l a n t s . M u c h s o p h i s t i c a t e d s o u r c e s t o o b t a i n w e a t h e r d a t a a r e S W E R A R e n e w a b l e E n e r g y R e s o u r c e E x p l o r e r ( R E R E X ) w h i c h i s a w e b b a s e d t o o l a n d E n e r g y P l u s p r o g r a m d a t a b a s e w h e r e d a t a c a n b e d o w n l o a d e d i n · * . e p w ' f o r m a t w h i c h c a n b e v i e w e d w i t h D V i e w s o f t w a r e [ 7 ] . H o w e v e r d i g i t a l w e a t h e r d a t a i s n o t a v a i l a b l e f o r t h e s e l e c t e d a r e a . T h e n e a r e s t p l a c e t o s e l e c t e d a r e a h a v i n g d i g i t a l w e a t h e r d a t a i s H a m b a n t o t a . M o n t h l y D N I a v e r a g e v a l u e s o f l l a m b a n t o t a v i e w e d b y D V i e w , i s s h o w n i n f i g u r e 4 . 2 . 2 4 0 , - - - - - - - - - - - - j 2 2 o i c ~ 2 0 0 ' C ~ ~ 1 & 0 " z ' t ; § 1 6 0 / 140 ~~J-a-n--+-~F-cb~.--~~f~,,-d-r--r--.,~p-r--~~t.l~a-y--T-~Ju_n _ _ - T _ _ ~J-ul~-r~A~u-g--~~S-e-D--4-~0~ct~-T~f~lo-,---r~G~e-c--~ F i g u r e 4 . 2 : M o n t h l y a v e r a g e D N I a t H a m b a n t o t a H e n c e t h e a r e a , 3 5 k m a b o v e H a m b a n t o t a w h i c h i s t h e b e s t f o r a C S P p o w e r p l a n t a c c o r d i n g t o t h e a b o v e r e p o r t , w a s s e l e c t e d . T h e m a p i n d i c a t i n g t h i s a r e a i s s h o w n i n f i g u r e 4 . 3 . 1 0 4 . 2 . A v a i l a b i l i t y o f S u i t a b l e L a n d s ( T o p o g r a p h y ) T h e l a n d s w h i c h h a v e h i g h e s t D N I c o n s i s t o f b o t h s u i t a b l e a n d u n s u i t a b l e a r e a s f o r a C S P p o w e r p l a n t . T h e s l o p e o f t h e t e r r a i n s h o u l d n o t b e m o r e t h a n 5 ° f o r a T o w e r t y p e C S P p o w e r p l a n t [ 3 J . T h e l a n d s h o u l d b e r e l a t i v e l y f r e e f r o m v a r i a t i o n s o f e l e v a t i o n a n d s h o u l d b e t 1 a t a s m u c h a s p o s s i b l e . A n d t h e l a n d s s h o u l d n o t b e c o m m e r c i a l l y v a l u a b l e o r a g r i c u l t u r a l l y i m p o r t a n t l a n d s . I f t h e l a n d s a r e o w n e d b y p e o p l e , t h e c o s t o f a c q u i s i t i o n w i l l b e h i g h . . : A t y p i c a l C S P p l a n t r e q u i r e s a b o u t 2 t o 4 0 h a o f l a n d p e r M W o f i n s t a l l e d c a p a c i t y , d e p e n d i n g o n t h e p l a n t ' s u s a g e o f h e a t s t o r a g e f a c i l i t y . T h e s i z e o f t h e c o l l e c t o r f i e l d f o r s u c h p l a n t p a r t i c u l a r l y o n e d e s i g n e d t o p r o v i d e h e a t - s t o r a g e , i s e n o r m o u s . F o r e x a m p l e , a z e r o s t o r a g e C S P p l a n t r e q u i r e s 2 t o 2 . 5 h a o f l a n d p e r M W o f i n s t a l l e d c a p a c i t y , w h i c h i n c r e a s e s t o 3 . 2 5 h a p e r M W f o r a 6 h o u r s t o r a g e p l a n t . F o r m o d u l a r t y p e C S P t o w e r t y p e p l a n t w i t h o u t s t o r a g e t h e l a n d r e q u i r e m e n t w i l l b e 1 . 6 h a p e r M W [ 3 ] . S o i f t h e p l a n t s i z e i s 5 0 M W , t h e l a n d r e q u i r e m e n t w i l l b e 1 2 1 h a w i t h o u t a t h e r m a l s t o r a g e . F o r 1 6 h o u r s t o r a g e t h i s c a n b e i n c r e a s e d t o 3 4 0 h a [ 4 ] . T h e t e r r a i n o f t h e s e l e c t e d a r e a w a s s t u d i e d u s i n g G o o g l e E a r t h ™ s o f t w a r e . H i g h r e s o l u t i o n s a t e l l i t e i m a g e s o f t h e a r e a w e r e a v a i l a b l e . A c c o r d i n g l y a s i t e n e a r T a n a m a l w i l a a r e a w a s s e l e c t e d f o r f u r t h e r s t u d i e s c o n s i d e r i n g s e v e r a l f a c t o r s d e s c r i b e d b e l o w . T h e s l o p e o f t h e t e r r a i n w a s s t u d i e d u s i n g w e b b a s e d s o f t w a r e t o o l c a l l e d " H e y w h a t s T h a t P a t h P r o t i l e r T M " , s o C t w a r e s u p p o r t e d b y G o o g l e M a p s ™ w h i c h g i v e s t h e g r o u n d p r o f i l e f r o m o n e p o i n t t o a n o t h e r . T h e t e r r a i n o f t h e s e l e c t e d s i t e h a v e t h e r e q u i r e d s l o p e , h o w e v e r l e v e l i n g o f t h e l a n d m a y h a v e t o b e d o n e a s t h e l a n d ' s s u r f a c e i s n o t u n i f o r m . 1 1 . " ' ' ; . . ~' ' f - , . . . r . · . , . , , . . . . • ' ' , W e ! I t e m . . . \ + - \ . • -~--. ' , t . _ ' · · \ , _ _ . ~· \ ( \ ''-~-' · - ! O • • ! " S a b a ! c 1 g ' a 1 n u w q _ _ _ . . . ' , " " t - . , • ' . : - . \ ~ S o u t h e r n ~., • . . . . \ . , " ' - . . . . . . . , · · : ! . . . . . . . . _ _ / - " · . . . . . t -~ ! -~· • , _ ' 4 . . . . . . . . . . . . . U v a ' 3 • / j j i / I J , . . . . i · - " \ ~) "~'. I , . . / / . . ,f"_,~, . / _ , . , . . / - : / . . _ _ _ S e l e c t e d S i t e / H a m b a n t o t a F i g u r e 4 . 3 : T h e a r e a h a v i n g a n n u a l D N I 4.5~5 k W h / m 2 / d a y a n d t h e s e l e c t e d s i t e T h e l a n d u s e w a s s t u d i e d u s i n g G e o s p a t i a l T o o l k i t . T h e l a n d v a l u e o f t h e a r e a i s m u c h l e s s c o m p a r e d w i t h o t h e r a r e a s i n t h e i s l a n d . 4 . 3 . A v a i l a b i l i t y o f W a t e r A v a i l a b i l i t y o f w a t e r i s a l s o a c r i t i c a l f a c t o r a s C S P p l a n t s n e e d c o n t i n u o u s s u p p l y o f w a t e r f o r s t e a m g e n e r a t i o n , c o o l i n g a n d c l e a n i n g o f s o l a r m i r r o r s . A c c o r d i n g t o a r e s e a r c h b y C h r i s t o p h e r A v e r y d o n e i n 2 0 0 7 , a C S P g e n e r a t i n g f a c i l i t y c a n b e e x p e c t e d t o c o n s u m e a p p r o x i m a t e l y 9 , 0 0 0 m 3 o f w a t e r , p e r y e a r p e r M W [ 8 ] . T h e s e l e c t e d s i t e i s 5 k m n e a r t o a s m a l l r i v e r c a l l e d " K u d a O y a " . T h e i n i t i a l b r a n c h o f " M a l a l a O y a " i s a l s o a t s a m e d i s t a n c e . H o w e v e r t h e a m o u n t o f w a t e r w h i c h c a n b e o b t a i n e d f r o m " K u d a O y a " o r " M a l a l a O y a " t h r o u g h o u t t h e y e a r s h a l l b e s t u d i e d f u r t h e r a n d i t i s n o t i n t h e s c o p e o f t h i s s t u d y . 4 . 4 . P r o x i m i t y t o A v a i l a b l e T r a n s m i s s i o n A s t h e t r a n s m i t t i n g e l e c t r i c i t y g e n e r a t e d b y t h e C S P p l a n t t o t h e G r i d i n v o l v e s i n v e s t m e n t , t h e l e n g t h o f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e f r o m C S P p l a n t t o G r i d i s a l s o a c r i t i c a l f a c t o r . F u r t h e r w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e l e n g t h , t h e p o w e r l o s s e s w i l l 1 2 a l s o b e i n c r e a s e d . T h e d i s t a n c e f r o m s e l e c t e d s i t e t o H a m b a n t o t a a n d E m b i l i p i t i y a G r i d S u b s t a t i o n s a r e a p p r o x i m a t e l y 3 3 k m a n d 3 0 k m r e s p e c t i v e l y . 4 . 5 . I m p a c t o n t h e E n v i r o n m e n t O p e r a t i o n a l l y , t h e f u n c t i o n i n g o f C S P p l a n t s i s s i m i l a r t o t h e w o r k i n g o f t r a d i t i o n a l s t e a m t u r b i n e s u s e d t o m a k e s t e a m f o r p o w e r g e n e r a t i o n o t h e r t h a n t h e h u g e l a n d r e q u i r e m e n t . . . . . A s t h e a b o v e s e l e c t e d l a n d s f o r t h e p l a n t a r e m o s t l y a g r i c u l t u r a l l a n d s [ 9 ] , t h e l o s s o f l a n d s f o r a g r i c u l t u r e c a n b e a p r o b l e m . H o w e v e r , a s t h e h e l i o s t a t s h a v e a c o n s i d e r a b l e h e i g h t , a c u l t i v a t i o n w h i c h h a s l o w h e i g h t c a n b e d o n e i n t h e h e l i o s t a t s f i e l d . B u t , a c c e s s s h a l l b e k e p t f o r c l e a n i n g v e h i c l e o f m i r r o r s . T h i s m a t t e r w i l l b e d e s c r i b e d i n d e t a i l s i n c h a p t e r 6 o f t h i s r e p o r t . T h e r e g i o n a l f l o r a a n d f a u n a w i l l n o t b e a f f e c t e d a s h a r m f u l s u b s t a n c e s a r e n o t d i s c h a r g e d . H o w e v e r a n e l e c t r i c f e n c e w i l l b e n e e d e d t o o b s t r u c t a n y i n t r u s i o n o f w i l d e l e p h a n t s . S i n c e m o s t o f t h e l a n d s a r e n o t a g r i c u l t u r a l o r f o r e s t s , c l e a r i n g o f l a n d w i l l n o t h a v e a c o n s i d e r a b l e i m p a c t o n t h e e n v i r o n m e n t . H o w e v e r p r o b l e m s a s s o c i a t e d w i t h a c q u i r i n g l a n d s a n d r e s e t t l e m e n t c a n b e a r i s e n . 4 . 6 . O t h e r C o n s i d e r a t i o n s P r o p o s a l s h a v e b e e n m a d e t o c o n s t r u c t a n a i r p o r t o f U d a m a t t a l a , H a m b a n t o t a w h i c h i s s i t u a t e d b e l o w t h e s e l e c t e d a r e a . H o w e v e r a i r p l a n e s w i l l n o t b e a f f e c t e d b y t h e r e f l e c t o r s , b e c a u s e t h e r e t 1 e c t o r s a r e d e s i g n e d t o r e f l e c t s u n r a y s e x a c t l y t o t h e t o w e r t o p . H e n c e a d i s t u r b a n c e w i l l n o t o c c u r t o a i r p l a n e s o r p i l o t s b y t h e r e f l e c t e d s u n r a y s . 1 3 . . C h a p t e r 0 5 C O N C E P T U A L D E S I G N O F T H E P L A N T 5 . 1 . D e t e r m i n a t i o n o f t h e S i z e o f t h e P l a n t T h e H a m b a n t o t a a r e a i s b e i n g s u b j e c t e d t o U . ! 1 p r e c e d e n t e d d e v e l o p m e n t w i t h t h e a r r i v a l o f a n e v v s e a p o r t . I t i s e x p e c t e d n e w c o m m e r c i a l a n d i n d u s t r i a l d e v e l o p m e n t w i l l t a k e p l a c e . T h e f u t u r e e l e c t r i c i t y d e m a n d d u e t o e x p e c t e d d e v e l o p m e n t i n H a m b a n t o t a a r e a i n t h e n e x t 1 5 y-~ars a s s e s s e d b y C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d i s g i v e n b e l o w . i . H a m b a n t o t a H a r b o r P r o j e c t i i . E n h a n c e m e n t o r e x i s t i n g I n d u s t r i a l P a r k ( B O I ) , M i r i j j a w i l a i i i . S a l t r e l a t e d P r o j e c t s ( 8 0 1 ) , M i r i j j a v v i l a i v . O i l r e f i n e r y , M i r i j j a w i l a v . S p e c i a l E c o n o m i c Z o n e a t M e e g a h a j a n d u r a v 1 . E l e c t r i c i t y S u p p l y t o H a m b a n t o t a N e w T o w n v i i . E n h a n c e m e n t o f E l e c t r i c i t y n e e d s o f E x i s t i n g T o w n C e n t r e v i i i . A i r p o r t , U d a m a t t a l a T o t a l p r e d i c t e d l o a d i s 7 5 M Y i \ b y 2 0 2 0 . - 2 0 M V A - 1 0 M V A - 1 M V A - 5 M V A - 2 0 M V A - 1 0 M V A - 4 M V A - 5 M V A W i t h c o m p a r i s o n a n d s t u d y o r t h e d i f f e r e n t s o l a r t e c h n o l o g i e s a n d d i t T e r e n t s o l a r p l a n t s o p e r a t i n g p r e s e n t l y i n t h e w o r l d , i t i s u n d e r s t o o d t h a t 2 0 M W t o w e r t y p e C S P p o w e r p l a n t s a r e b e i n g o p e r a t e d s u c c e s s f u l l y [ 5 ] . N e x t s t a g e i s t h e c o m m e r c i a l l e v e l d e v e l o p m e n t o f 5 0 l v l v V t o w e r t y p e C S P p o v v e r p l a n t s . I t i s e x p e c t e d t h a t t h i s w i l l b e a c h i e v e d a t l e a s t b y t h e y e a r 2 0 1 3 . T h e r e f o r e i t c a n b e e x p e c t e d t h a t 5 0 M W p l a n t s v v i l l b e d e v e l o p e d t o i t s o p t i m u m l e v e l i n 2 0 2 0 . I t i s e x p e c t e d 2 0 0 M W p l a n t s w i l l a p p e a r a t l e a s t i n 2 0 2 0 l 4 J . T h e r e f o r e b y t h e y e a r 2 0 2 0 c e n t r a l r e c e i v e r t y p e C S P p o w e r p l a n t s w i l l m a t u r e e n o u g h a n d w i l l p l a y c o m f o r t a b l y i n t h e m a r k e t . 1 4 • H e n c e c o n s i d e r i n g a l l a b o v e f a c t s i t i s d e c i d e d t o s p e c i f y a S O M W t o w e r t y p e C S P p o w e r p l a n t . 5 . 2 . T h e M e t h o d o l o g y o f C o n c e p t u a l D e s i g n T h e d e s i g n i n g o f t h e p l a n t \ V a s s t a r t e d f r o m t h e e l e c t r i c a l o u t p u t o f t h e p l a n t . F r o m t h e r e o n w a r d s . e f f i c i e n c y v a l u e s a n d / o r l o s s e s o f m a j o r c o m p o n e n t s w e r e u s e d t o d e t e r m i n e t h e e n e r g y t 1 o w o f t h e p l a n t . D e t e r m i n a t i o n o f v a l u e s o f s o m e p a r a m e t e r s _ . w a s d o n e a c c o r d i n g t o a v a i l a b l e l i t e r a t u r e . D e s i g n e q u a t i o n s u s e d i n t h i s c h a p t e r e x c e p t 5 . 1 0 w e r e o b t a i n e d f r o m " ' P o w e r f r o m t h e S u n ' ' b y W i l l i a m B . S t i n e a n d M i c h a e l G e y e r . 2 0 0 I . M o r e o v e r . a s p r e a d s h e e t m o d e l d e v e l o p e d b y N a t i o n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b o r a t o r y ( N R E L ) , U n i t e d S t a t e s D e p a r t m e n t o f E n e r g y . w h i c h c a n b e u s e d f o r a n a l y z i n g a n d c o m p a r i n g p o w e r s y s t e m c o s t s a n d p e r f o r m a n c e o f s o l a r t e c h n o l o g i e s , w a s a l s o u s e d f o r e c o n o m i c e v a l u a t i o n . 5 . 3 . P l a n t F e a t u r e s a n d D e s i g n C a l c u l a t i o n s T h e p l a n t i s a c e n t r a l r e c e i v e r t y p e s o l a r t h e r m a l p l a n t w i t h m o l t e n s a l t s t o r a g e . A s i m p l e s c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e p l a n t i s g i v e n i n f i g u r e 5 . 1 . T h e n o m i n a l e l e c t r i c a l p o w e r o u t p u t o f t h e p b n t i s 5 0 : V I W . T h e s t e a m g e n e r a t o r . t h e c o n d e n s e r , t h e t u r b i n e a n d t h e g e n e r a t o r a r e c o n s i d e r e d a s o n e u n i t f o r t h e e a s e o f c a l c u l a t i o n s . A l l t h e e f f i c i e n c y v a l u e s u n l e s s o t h e n v i s e s t a t e d a r e o b t a i n e d f r o m " A s s e s s m e n t o f P a r a b o l i c T r o u g h a n d P o \ v e r T o w e r S o l a r T e c h n o l o g y C o s t a n d P e r f o r m a n c e F o r e c a s t s " b y S a r g e n t & L u n d y L L C C o n s u l t i n g G r o u p . C h i c a g o f o r N R E L i n 2 0 0 3 . T h e v a l u e s o b t a i n e d a r e t h o s e f o r e c a s t e d f o r 2 0 2 0 . T h e e l e c t r i c a l e f f i c i e n c y ( t u r b i n e - g e n e r a t o r ) = 4 2 . 8 0 % T h e r m a l S t o r a g e E f f i c i e n c y = 9 9 . 5 0 % P i p i n g e f f i c i e n c y = = 9 9 . 9 0 % P a r a s i t i c ( A u x . p c m c r ) c r t i c i e n c y = 9 0 . 0 0 % P l a n t - w i d e a v a i l a b i l i t y = 9 4 . 0 0 % : . T h e r m a l t o e l e c t r i c c t ' i i c i c n c y c = 4 2 . 8 0 % x 9 9 . 9 0 % x 9 0 . 0 0 < Y o x 9 4 . 0 0 % x 9 9 . 5 0 % - = - 3 5 . 9 9 ° ; ; ) 1 5 T h e r a t e o f h e a t e n e r g y t h a t s h o u l d b e p r o v i d e d b y t h e r e c e i v e r t o s t e a m g e n e r a t o r t o p r o d u c e 5 0 M \ V e l e c t r i c a l p o w e r o u t p u t c a n b e c a l c u l a t e d a s , = 5 0 M W / 3 5 . 9 9 < Y o = 1 3 8 . 9 2 M W ~ " " . . - . · - - ' ~ ( _ . . ~ . . . . • - i t ~ l l . l - c e h e r " ' ' " ' \ , . . . ~· r o w e r i - 1 i l Stot"'::~t: 1 ~ C o l d S a l t l l i t ' J i l l S \ : 1 1 ~~- - S a l t . . . . . , . S t e a m 1 F i g u r e 5 . 1 : i \ s i m p l e s c h e m a t i c d i a g r a m o f a p o w e r t o w e r w i t h a m o l t e n s a l t s t o r a g e I n a t y p i c a l i n s t a l l a t i o n , s o l a r e n e r g y c o l l e c t i o n o c c u r s a t a r a t e t h a t e x c e e d s t h e m a x i m u m r e q u i r e d t o p r o v i d e s t e a m t o t h e t u r b i n e . C o n s e q u e n t l y , t h e t h e r m a l s t o r a g e s y s t e m c a n b e c h a r g e d a t t h e s a m e t i m e t h a t t h e p l a n t i s p r o d u c i n g p o w e r a t f u l l c a p a c i t y . T h e r a t i o o f t h e r e c e i v e r ' s d e s i g n t h e r m a l o u t p u t t o t h e p o w e r b l o c k ' s d e s i g n t h e r m a l i n p u t i s c a l l e d s o l a r m u l t i p l e [ 1 0 ] . T h i s v a l u e s h a l l b e d e t e r m i n e d b y t h e h o u r l y s o l a r r e s o u r c e p a t t e r n . H o v v c \ · e r . s i n c e w e d o n o t h a v e h o u r l y w e a t h e r d a t a o f T a n a m a h v i l a a n d s i n c e i t r e q u i r e s s o p h i s t i c a t e d a n a l y s i s t e c h n i q u e s , a n a v e r a g e v a l u e i s t a k e n f o r c a l c u l a t i o n s . R e c e i v e r ' s D e s i g n T h e r m a l O u t p u t S a l a r M u l t i p l e = - - - - - - - - = - - - - - - _ _ : - P o w e r B l o c k ' s D e s i g n T h e r m a l I n p u t ( 5 . 0 1 ) 1 6 S o l a r m u l t i p l e P o w e r t o t h e s t o r a g e T o t a l r e c e i v e r o u t p u t R e c e i v e r E f f i c i e n c y f 4 j T o t a l R e c e i v e r i n p u t C o l l e c t o r F i e l d E f f i c i e n c y [ 4 ] T o t a l S o l a r i n s o l a t i o n o n h d i o s t a t s 5 . 3 . 1 . D e s i g n o f H c l i o s t a t s F i e l d = 1 . 4 = ( 1 . 4 - l ) x 1 3 8 . 9 2 M W = 5 5 . 5 6 8 M W = 1 3 8 . 9 2 + 5 5 . 5 6 8 M W = 1 9 4 . 4 8 8 M W = 8 ( } 9 0 % = 1 9 4 . 4 9 7 0 . 8 0 9 M W = 2 . : + 0 . 4 0 5 M W = 5 6 . 5 0 % = 2 4 0 . 4 0 5 7 0 . 5 6 5 M W = 4 2 5 . 4 9 M W T h e r e f 1 e c t i n g e l e m e n t o f a h e l i o s t a t i s t y p i c a l l y a t h i n . b a c k s u r f a c e , l o w - i r o n g l a s s m i r r o r . T h i s h e l i o s t a t i s c o m p o s e d o f s e v e r a l m i r r o r m o d u l e p a n e l s r a t h e r t h a n a s i n g l e l a r g e m i r r o r . A p e r f e c t l y t l a t h e l i o s t a t w o u l d p r o d u c e a n i m a g e o n t h e r e c e i v e r ; t h e s i z e o f t h e h d i o s t a t i n c r e a s e s b y a p p r o x i m a t e l y 0 . 5 d e g r e e o f ' · s u n - s p r e a d " ' [ 1 0 ] . T h e t h i n g l a s s m i r r o r s a r c s u p p o r t e d b y a s u b s t r a t e b a c k i n g t o f o r m a s l i g h t l y c o n c a v e m i r r o r s u r b c e . I n d i v i d u a l p a n e l s o n t h e h e l i o s t a t a r e a l s o i n c l i n e d t o w a r d s a p o i n t o n t h e r e c e i v e r . T h i s p r o d u c e s a h i g h e r t 1 u x d e n s i t y a t t h e a i m p o i n t . T h e h e l i o s t a t f o c a l l e n g t h i s a p p r o x i m a t e l y e q u a l t o t h e d i s t a n c e f r o m t h e r e c e i v e r t o t h e f u r t h e s t h e l i o s t a t . S u b s e q u e n t " " t u n i n g . . o f t h e c l o s e r m i r r o r s i s p o s s i b l e [ 1 0 ] . T h e m o s t c r i t i c a l e n v i r o n m e n t a l d e s i g n c r i t e r i o n o f a h e l i o s t a t d e s i g n i s t h e w i n d s p e e d . T y p i c a l r e q u i r e m e n t s m a y b e f o r t h e h e l i o s t a t t o m e e t i t s o p e r a t i n g r e q u i r e m e n t s i n a 1 2 m / s w i n d . t o s u r v i v e a 2 2 m / s w i n d . a n d t o c o n t i n u e t o o p e r a t e o r m o v e t o t h e s t o w p o s i t i o n i n a . f ( ) m : s v v i n d r 1 0 j . A c c o r d i n g t o a v a i l a b l e d i g i t a l w e a t h e r d a t a o b t a i n e d f r o m t h e E n e r g y P l u s p r o g r a m f o r H a m b a n t o t a t h e a v e r a g e d a i l y w i n d s p e e d o f H a m b a n t o t a i s l e s s t h a n 2 0 m / s . T h e w i n d s p e e d h a s e x c e e d e d 4 0 m / s s p e e d t w i c e d u r i n g a y e a r . A s \ \ i n d s p e e d o f T a n a m a l w i l a a r e a h a s l o w e r t h a n t h a t o f 1 7 H a m b a n t o t a i t c a n b e c o n s i d e r e d t h e w i n d c o n d i t i o n s i n T a n a m a l w i l a a r e a i s s u i t a b l e f o r a v a i l a b l e h e l i o s t a t d e s i g n s . A n n u a l A v e r a g e D N I a t T a n a m a l w i l a [ 6 1 = 5 k W h / m 2 / d a y N u m b e r o f h o u r s w h i c h s u n l i g h t i s r e c e i v e d ~-- 1 2 h r s A v e r a g c i n s o l a t i o n . • 5 X 3 6 0 0 c - ( 1 2 X 3 6 0 0 ) - · O . . . J - 1 6 7 k W / m 2 R e q u i r e d F i e l d A r e a ( l k l i o s t a t s - r e t 1 e c t i v c ) • • . . J . 2 S . 5 0 M W - . - 0 . 4 1 6 7 k W / m 2 = 1 . 0 2 1 . 0 9 4 m 2 R a t i o o f R c t 1 c c t i v e A r e a t o H c l i o s t a t P r o t i l e = 9 7 % A r e a o f a h c l i o s t a t J A I = 1 - + 8 m 2 : . R e q u i r e d n u m b e r o f h e l i o s t a t s . , 7 = 1 . 0 2 1 . 0 9 - . J . m~ - c - ( 1 4 8 m - x 9 7 % ) • - " 7 . 1 1 3 N o s . 5 . 3 . 2 . D e s i g n o f t h e I l c l i o s t a t F i e l d L a y o u t O p t i m u m p o s i t i o n i n g o f h c l i o s t a t s r e l a t i v e t o t h e r e c e i v e r i s a c o m p l i c a t e d p r o b l e m , i n w h i c h c o s t s a n d h c l i o s t a t ' " l o s s ' " m e c h a n i s m s a r c t h e v a r i a b l e s . T h e c o l l e c t o r t i e l d e f t i c i e n c y o r l o s s h a p p e n s d u e t o n u m b e r o r r e a s o n s . T h e y a r e c o s i n e e f f e c t , s h a d o w i n g , b l o c k i n g . r e t 1 e c t a n c e a n d a t m o s p h e r i c a t t e n u a t i o n [ . . J . ] , [ 1 0 ] . : . F i e l d e r t i c i c n c y [ 1 0 J , f l f t e l d = f l c o s · f l s h a d o w · f l b l o c / c f i r e f l e c t i o n - f l a t t e n u a t i o n ( 5 . 0 2 ) 5 . 3 . 2 . 1 . C o s i n e E f f e c t T h e m a j o r t~1ctor d e t e r m i n i n g a n o p t i m u m h e l i o s t a t f i e l d l a y o u t i s t h e c o s m e · · e f f i c i e n c y " o f t h e h c l i o s t a t . T h i s c f l i c i c n c y d e p e n d s o n b o t h t h e s u n ' s p o s i t i o n a n d t h e l o c a t i o n o r t h e i n d i v i d u a l h c l i o s t a t r e l a t i v e t o t h e r e c e i v e r . T h e h e l i o s t a t i s p o s i t i o n e d b y t h e t r a c k i n g m e c h a n i s m s o t h a t i t s s u r f a c e n o r m a l c a n b i s e c t t h e a n g l e b e t \ v e e n t h e s u n · s r a y s a n d a l i n e f r o m t h e h e l i o s t a t t o t h e t o w e r . T h e e f f e c t i v e r e f l e c t i o n a r e a o f t h e h e l i o s t a t i s r e d u c e d b y t h e c o s i n e o f o n e - h a l f o f t h i s a n g l e [ 1 O J . T h i s m a y b e \ i s u a l i z e d b y c o n s i d e r i n g h c l i o s t a t s a t t w o p o s i t i o n s i n a f i e l d a s s h o w n o n F i g u r e 5 . 2 . I I e l i o s t a t · A ' h a s a s m a l l c o s i n e l o s s s i n c e i t s s u r f a c e n o r m a l i s a l m o s t p o i n t i n g t o w a r d t h e r e c e i v c r . I ! c l i o s t a t · B ' h a s a l a r g e r c o s i n e l o s s b e c a u s e o f t h e 1 8 p o s i t i o n i t m u s t a s s u m e i n o r d e r t o r e i k c t t h e s u n ' s r a y s o n t o t h e r e c e i v e r . N o t e t h a t t h e m o s t e f f i c i e n t h c l i o s t a t s a r e l o c a t e d o p p o s i t e t h e s u n . \ \ I , r . . ' " - - . " ' · . / \ - - . : , . 1 - ~·';----/<'>---... / I ' , : f u ' f l ' t H e n c e , , . • _ ; , l ; f ' " a · , · ' : ) ( 1 1 ! i ,'~: • ( · ' n~)f · . l l • i i ' - . . . . . ' ' . c i / / ' ""-~~ _ , . , . . - - · " ' · . , I I - L - · · · - i ) 1 . I~ '~ I , . . . , 4 - - H.:I:<-:~LH /~ l c · · • ' · ' • < : , < . - ; : . ' · ' 1 f . . . . . '~ . . . , / / ~ ''~· _ , ; ~~ A I_.""~ I ' x , . ; _ ~- J £ J - - - - - - - - . · - - - - ~-· . . · . N~J . . ~h t ( ) 1 • 1 " - ' < i ' : . . . . , ···~=~ ! . 1 - - , / / I J • t r , . . . : l c , " ' r ' / / 1 1 ' " - ' · · • J I / j • · · · - - . . . . / . i ; I • • . , , L / ! . . . . • ' ( i / " " ' ' " ' L i h : l , , y , L ! t A F i g u r e 5 . 2 : C o s i n e e f f e c t C o s i n e l o s s = C o s e i T o c a l c u l a t i o n o f C o s f ) , c a n b e d o n e b y f o l l m v i n g e q u a t i o n [ 1 0 ] , ( Z 0 - Z 1 ) S i n o c - e 1 C o s o c S i n A - n 1 C o s o c C o s A C o s 2 8 =~~~~------~------------~--------- 1 [ ( Z 0 - Z 1 ) 2 + e { + n f ] l J z ( 5 . 0 3 ) w h e r e a a n d , 1 a r c t h e s u n ' s a l t i t u d e a n d a z i m u t h a n g l e s , r e s p e c t i v e l y , a n d z , e , a n d n a r e t h e o r t h o g o n a l c o o r d i n a t e s f r o m a p o i n t o n t h e t o w e r a t t h e h e i g h t o f t h e h e l i o s t a t m i r r o r s a s d e p i c t e d i n F i g u r e 5 . 3 . 9~552 1 9 ! /I~ I - I i t f I t . I t ' I I l l l , ; t l I '~ ; · \ ~ . • I ) [ ) . ! ; \ - - . . - · - u < n n 1 ! 1 ; ! ~~~·lru~.,t.~r . - " · ' -;.,....._~r • • r~tl ,.~·· - ' • . . ~ ' , f ' - : : F i g u r e 5 . 3 : A~:imuth A n g l e . I a n d A l t i t u d e a A p p r o x i m a t e a n n u a l a v e r a g e e f f i c i e n c y v a l u e s o f t h e m a r e g i v e n b e l o w . A c c o r d i n g l y h c l i o s t a t s o p p o s i t e t h e s u n a r c t h e m o s t e f f i c i e n t T h i s i s w h y m o s t o f t h e h e l i o s t a t s i n a t y p i c a l h c l i o s t a t f i e l d w i l l b e n o r t h o f t h e t o w e r i f t h e p o w e r p l a n t i s s i t u a t e d o n t h e n o r t h e r n h e m i s p h e r e o f t h e g l o b e . I n t h e m o r n i n g , h e l i o s t a t s w e s t o f t h e t o w e r w i l l h m e a h i g h e t T i c i e n c y a n d t h o s e o f e a s t o f t h e t o w e r , a p o o r e r e f f i c i e n c y . T h e o p p o s i t e o c c u r s i n t h e a f t e r n o o n , g i v i n g t h e e a s t a n d w e s t f i e l d s a n a v e r a g e e f f i c i e n c y i n b e t w e e n t h e h i g h a n d t h e l o w . T h e c o s i n e c ! T i c i e n c y c o n t o u r s p l o t t e d b y M a t l a b p r o g r a m a t T a n a m a l w i l a s i t e ( L o n g i t u d e : 8 1 ° , L a t i t u d e : 6 . 5 ° ) o n 1 2 . 0 0 n o o n o n 2 0 t h M a r c h w h i c h i s t h e t i m e h a v i n g m a x i m u m a l t i t u d e a n g l e o f 8 0 . 4 1 6 ° a n d a z i m u t h a n g l e o f 1 8 1 . 1 o t o t h e s u n i s g i v e n i n f i g u r e 5 . 4 . T h e a z i m u t h a n g l e a n d a l t i t u d e a n g l e w e r e c a l c u l a t e d u s i n g e q u a t i o n s g i v e n i n A p p e n d i x C . T h e M a t l a b c o d e i s g i v e n i n A p p e n d i x B . T o w e r h e i g h t a n d h e i g h t t o t h e h e l i o s t a t m i r r o r a r e t a k e n a s 1 7 0 m a n d 7 m . 2 0 - - - - - - · - r - - - . ---~-,-~--------------.--- ~ r~, 3 ! c u o t O l l ~~ ~ l O l l c ~ ~· ~ - - ·~~ , \ · - . l E . l i U , , - v u u l - , c < : · · 0 ( ' j '0~ 0 r : l r - ' _ . . . . . . . . [ / ) / ' " \ . : o u - - 1 0 ) ( ) ' l 0 t r J l l ~- · J } ' S r T f ; D i s t a n c e ( m ) - - - - - - - - - - - _ L _ _ J _ - - - - - . _ L - _ _ _ _ _ . _ _ 1 _ _ : m . . , 1 _ 1 1 ] 1 . 1 C l _ , l L u 2 [ 0 4 J G G O J c O O I D C O F i g u r e 5 . 4 : C o s i n e e f f i c i e n c y a t T a n a m a l w i l a s i t e a t 1 2 . 0 0 n o o n o n 2 0 t h M a r c h A n n u a l a v e r a g e c o s i n e e f f i c i e n c y o f a t y p i c a l p o w e r t o w e r i s a b o u t 2 3 . 4 0 % [ 1 0 ] . H o w e v e r t h e a n n u a l a v e r a g e c o s i n e e f f i c i e n c y m a p i s d i f f e r e n t f r o m t h a t o f a p a r t i c u l a r t i m e . 5 . 3 . 2 . 2 . S h a d o w i n g & B l o c k i n g A c c o r d i n g t o t h e a r r a n g e m e n t o f h e l i o s t a t s t h e p r o b l e m o f o n e c o l l e c t o r c a s t i n g a s h a d o w o n a n a d j a c e n t c o l l e c t o r c a n h a p p e n a n d t h e r e b y t h e e n e r g y o u t p u t o f t h e s h a d e d c o l l e c t o r c a n b e r e d u c e d . I n c e n t r a l r e c e i v e r s y s t e m s , t h e r e a r e t w o s u c h i n t e r a c t i o n p r o c e s s e s t h a t r e d u c e t h e a m o u n t o f e n e r g y r e a c h i n g t h e r e c e i v e r . T h e s e a r c s h a d o w i n g a n d b l o c k i n g b y a d j a c e n t h c l i o s t a t s . S h a d o w i n g o c c u r s a t l o w s u n a n g l e s \ v h e n a h e l i o s t a t c a s t s i t s s h a d o w o n a h e l i o s t a t l o c a t e d b e h i n d i t . T h e r c t ' o r c , a l l t h e i n c i d e n t s o l a r f l u x d o e s n ' t r e a c h t h e r e f l e c t o r . B l o c k i n g o c c u r s \ V h e n a h e l i o s t a t i n f r o n t o f ' a n o t h e r h e l i o s t a t b l o c k s t h e r e f l e c t e d f l u x o n i t s w a y t o t h e r e c e i v e r . B l o c k i n g c a n b e o b s e r v e d i n a h e l i o s t a t t l e l d b y n o t i n g r e f l e c t e d l i g h t o n t h e b a c k s o f ' h c l i o s t a t s [ 1 0 ] . 2 1 T h e s o l a r e n e r g y l o s s c a u s e d b y s h a d o w i n g a n d b l o c k i n g i n a p a r t i c u l a r f i e l d l a y o u t i s a f u n c t i o n o f t h e h e l i o s t a t s p a c i n g . t o w e r h e i g h t . a n d s u n a n g l e . O p t i m u m f i e l d l a y o u t s a r c m a d e b y u s e o f e x t e n s i v e c o m p u t e r a n a l y s i s . A n n u a l a v e r a g e s h a d o w i n g & b l o c k i n g l o s s i s a b o u t 5 . 6 0 % [ 1 0 ] . 5 . 3 . 2 . 3 . R e f l e c t a n c e . : R e f 1 e c t a n c e i s t h e m i r r o r r e i l e c t i v i t y o f t h e h c l i o s t a t s , t h e p e r c e n t a g e o f i n c i d e n t s o l a r e n e r g y r e t 1 e c t e d t o r e c e i v e r . A n n u a l a v e r a _ Q e r e f l e c t a n c e l o s s i s a b o u t J 0 % \ v h i c h m e a n s 9 0 % o f t h e i n c i d e n t 5 o ) a r e n e r g y o n h e l i o s t a t s i s r e f l e c t e d b a c k t o r e c e i v e r [ 6 ] . [ 1 0 ] . 5 . 3 . 2 . - t . A t m o s p h c r i c T r a n s m i t t a n c e W h e n t h e n u m b e r o f h e l i o s t a t s i n c r e a s e s w i t h t h e s c a l i n g u p o f t h e p l a n t , t h e d i s t a n c e t o f a r e n d o f t h e f i e l d s h o u l d b e i n c r e a s e d . O n e m a j o r l i m i t a t i o n o n t h e d i s t a n c e , t h a t i s , h c l i o s t a t p l a c e d a v v a y f r o m t h e t o v v c r m a y c a u s e a t t e n u a t i o n o f t h e r e t 1 e c t e d b e a m a s i t t r a v e l s f r o m t h e h e l i o s t a t t o t h e r e c e i v e r . A t m o s p h e r i c t r a n s m i t t a n c e h a s b e e n a p p r o x i m a t e d f o r a c l e a r d a y ( 2 3 k m v i s i b i l i t y ) a n d a h a z y d a y ( 5 k m v i s i b i l i t y ) . F o r a c l e a r d a y w i t h 2 3 k m v i s i b i l i t y , t h e a t m o s p h e r i c t r a n s m i t t a n c e i s g i v e n b y f o l l o v v i n g e q u a t i o n [ ! O J . T a = 0 . 9 9 3 2 6 - 0 . 1 0 4 6 S + 0 . 0 1 7 S 2 - 0 . 0 0 2 8 4 5 S 3 ( 5 . 0 4 ) W h e r e , S i s t h e s l a n t r a n g e f r o m h e l i o s t a t t o r e c e i v e r i n k i l o m e t e r s . F o r a h a z y d a y w i t h o n l y 5 k m v i s i b i l i t y . t h e a t m o s p h e r i c t r a n s m i t t a n c e i s g i v e n b y f o l l o w i n g e q u a t i o n [ 1 0 ] . T a = 0 . 9 8 7 0 7 - 0 . 2 7 4 8 S + 0 . 0 3 3 9 4 S 2 ( 5 . 0 5 ) 2 2 j 20~------------------------------------------------------------~ 2 8 2 6 : : g ~2~­ : s · ; ; ; > . : 2 2 \ 2 0 18+-~----~~~--~~~--~~----r-~--~--~--~--~~-T--~---T--~---r--~~-r~~--~~~--~ J a : n F e b i . L . i r . : . p r ! , 1 d y J u n J u ! A J g S e p O c t N D ' i C - e c F i g u r e 5 . 5 : A v e r a g e m o n t h l y v i s i b i l i t y a t H a m b a n t o t a A n n u a l a v e r a g e a t m o s p h e r i c a t t e n u a t i o n o f a c e n t r a l r e c e i v e r t y p e p o w e r p l a n t i s a b o u t 6 % [ 1 0 J . H o w e v e r t h i s v a l u e i s d e p e n d e n t o n t h e c l i m a t e o f t h e a r e a i n w h i c h t h e p l a n t i s l o c a t e d . T h e a v e r a g e m o n t h l y v i s i b i l i t y i n k i l o m e t e r a t H a m b a n t o t a h a s h i g h e r v a l u e s w h i c h a r c m o r e t h a n 2 0 k m [ 7 ] . T h i s i s a v e r y g o o d c l i m a t i c c o n d i t i o n f o r a c e n t r a l r e c e i v e r t y p e p o w e r p l a n t . 5 . 3 . 2 . 5 . F i e l d L a y o u t M o s t c o m m o n l y a c c e p t e d p a t t e r n t o a r r a n g e h e l i o s t a t s i s t h e r a d i a l s t a g g e r p a t t e r n a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 6 . T h i s a r r a n g e m e n t m i n i m i z e s l a n d u s a g e a s w e l l a s s h a d o w i n g a n d b l o c k i n g l o s s e s . T h e h e l i o s t a t s a r e t i g h t l y p a c k e d n e a r t h e t o w e r b u t m u s t b e s u f f i c i e n t l y s e p a r a t e d f r o m e a c h o t h e r t o p r e v e n t m e c h a n i c a l i n t e r f e r e n c e . F o r h e l i o s t a t s l o c a t e d f a r t h e r f r o m t h e t o v v c r . t h e s p a c i n g i n c r e a s e s i n o r d e r t o m i n i m i z e b l o c k i n g o f t h e r c t l e c t e d b e a m s . A d d i t i o n a l h e l i o s t a t s a r e a d d e d w h e n s p a c i n g b e c o m e s t o o g r e a t . A n d a s a r e s u l t a n e w s t a g g e r p a t t e r n i s e s t a b l i s h e d . H e l i o s t a t p a c k i n g d e n s i t y i s t h e r a t i o o f m i r r o r a r e a t o f i e l d a r e a . T h e a v e r a g e h e l i o s t a t p a c k i n g d e n s i t y i s t y p i c a l l y i n t h e r a n g e o f 0 . 2 0 t o 0 . 2 5 [ l O J . ' ) " ' _ . ) H e l i o s t a t p o s i t i o n s \ I \ \ I I \ \ I I \ I I \\i~ ~'<