Numerical modelling of convective heat losses of a real scale cavity receiver used in solar thermal power towers

Using cavity receivers in the solar thermal towers as a solution to reduce the radiation losses from receiver was always a point of interest in the CSP (concentrating solar power) researches. Although the radiative losses could be reduced significantly by cavity receivers, the convective heat losses remain as a crucial factor on the efficiency of the receiver and overall system. However, the influence of wind on these losses has not been studied sufficiently for large scale commercial cavity receivers. In the present study, the influence of wind with Reynolds numbers in the range of Re = 2.82×〖10〗^6 - 1.07×〖10〗^7 on a cavity receiver with inclination of ϕ=60° and a Grashof Number of Gr=1.85×〖10〗^13 has been investigated and analyzed numerically. This study has tried to investigate convective heat losses from a real scale cavity receiver with the nominal thermal power of 75 MW_th. Results of this study shows that the convective heat loses in this scale and inclination level is highly related to forced convection induced by wind and can significantly affects the efficiency of the receiver. The results show an almost linear relation between the convective heat losses and wind velocity. Shrinkage of the stagnation zone has been observed with all wind velocities and stagnation zone become smaller with higher wind speeds. As the convective heat losses in the stagnation zone are very small, the shrinkage of the stable stagnation zone and consequently a bigger convective zone with lower temperature and natural and forced convective flows in it, has been recognized as the main reason for the increase of the convective heat losses from the cavity.

Negli studi relativi ai concentratori solari, l’utilizzo di ricevitori a cavità per la produzione di energia tramite impianti a torre di energia solare è sempre risultato essere un tema rilevante al fine di ridurre la componente di irraggiamento delle perdite. Sebbene queste perdite possano essere ridotte significativamente tramite l’impiego di ricevitori a cavità, la componente convettiva rimane un fattore cruciale per l’efficienza del ricevitore e, di conseguenza, dell’intero sistema. Tuttavia, l’impatto dei fenomeni ventosi relativo a queste perdite per le tipologie di ricevitori presenti sul mercato non è stato oggetto di approfondite ricerche. In questo studio sono stati analizzati gli effetti del vento utilizzando numeri di Reynolds tra Re = 2.82×〖10〗^6 - 1.07×〖10〗^7 su un ricevitore con inclinazione pari a ϕ=60° rispetto all’orizzonte e numero di Grashof uguale a Gr=1.85×〖10〗^13. Questa analisi ha avuto come obbiettivo quello di studiare il comportamento delle perdite per convezione provenienti da un ricevitore a cavità di dimensioni reali avente una potenza nominale pari a 75 MW_th. I risultati riportano che le perdite per convezione e l’inclinazione del ricevitore sono strettamente dipendenti dalla convezione forzata prodotta dal vento e possono incidere significativamente sull’efficienza del ricevitore. Inoltre, è stato dimostrato come la dipendenza tra le perdite convettive e la velocità del vento sia quasi lineare. E’ stato stimato che, all’aumentare della velocità del vento, la zona di stagnazione diminuisce. Poiché le perdite convettive nell’intorno della zona di stagnazione sono molto contenute, il restringimento della zona di stagnazione stabile, che comporta un aumento della zona convettiva del ricevitore caratterizzata da temperature minori ed un flusso a convezione sia naturale che forzata, è stato riconosciuto essere la causa principale dell’aumento di perdite per convezione dal ricevitore.