Numerical investigation of a sodium packed-bed thermal energy storage

For central receiver concentrating solar power systems, the development of high temperature thermal storage is a crucial aspect. A promising solution is a packed-bed thermal energy storage using sodium as heat transfer fluid. The system is theoretically studied in the present work in order to assess the performances and possible configurations during cycling and standby behaviour. A two-phase, two-dimensional model is formulated and coded in MATLAB. The temperature field in the fluid phase and inside the solid filler particles is solved, as conduction within solid particles is not negligible at the high Biot numbers characteristic of liquid metals. A reference system is defined, for which the performances are evaluated and compared with those achievable using Solar Salt as heat transfer fluid. It is found that the system with sodium reaches slightly higher efficiencies during cyclic operation, however it is penalized during standby periods. A parametric study is conducted, assessing the influence of some major operational and structural parameters on the storage performance. The parameters having the most significant impact are found to be: the tank height or the tank diameter-to-height ratio, the porosity of the packed bed and the diameter of the solid filler particles. As a possible solution to further improve the efficiency of the system and minimize the thermocline degradation during standby, a multi-tank configuration is proposed. The system, consisting of multiple packed beds connected in series, is investigated assessing the performance during cycling and standby. The configuration shows significant enhancement and potential for further development.

Lo sviluppo di possibili sistemi per l'accumulo termico ad alta temperatura è un aspetto cruciale per il futuro degli impianti a concentrazione solare. Una soluzione promettente è l'utilizzo di sodio come fluido termovettore all'interno di un mezzo poroso. Il sistema è analizzato dal punto di vista teorico nel presente elaborato, con il fine di valutarne le prestazioni e possibili configurazioni nelle fasi di ciclo e standby. E' stato formulato e programmato in MATLAB un modello bifase, bidimensionale. Il codice permette la risoluzione del campo di temperatura nella fase liquida ed all'interno delle particelle solide, essendo la conduzione all'interno di esse non trascurabile agli alti numeri di Biot caratteristici dei metalli liquidi. E' definita una configurazione di riferimento, se ne valutano le prestazioni e si comparano i risultati ottenuti con quelli relativi ad un sistema equivalente, operante con Solar Salt come fluido termovettore. Per il sodio si riscontra un'efficienza leggermente superiore durante i cicli operativi, è invece penalizzato durante i periodi di standby. Viene condotto uno studio parametrico, valutando l'influenza dei più rilevanti parametri operativi e strutturali sulle prestazioni di accumulo. I parametri aventi maggior impatto sono risultati essere: l'altezza del serbatoio o il rapporto tra questa e il diametro, la porosità, il diametro delle particelle di solido. Come possibile soluzione per migliorare ulteriormente l'efficienza e limitare la degradazione del termoclino durante lo standby, viene proposta una configurazione a serbatoi multipli collegati in serie, che mostra un rilevante miglioramento delle performance e potenzialità per uno sviluppo futuro.