Dynamic modelling of a novel particle receiver for CSP solar tower plants

Climate change and global warming are some of the most challenging problems that humankind had ever faced during the species’ existence. In this panorama, solar energy is one of the promising ways to help the energy transition towards a more sustainable world. One of the possible ways to exploit solar radiation is through the Concentrated Solar Power (CSP) plant and, in particular, the solar tower application. The Traksol project, proposed and planned by the Solar-Institut Jülich, aims to develop and test a new type of particle receiver. Its principle of operation is the base for a new structure that is inserted between the two main clusters of the direct and indirect particle heating receivers. Indeed, it employs vertical tubes with high transmissivity through which particles slide down due to the gravity force. The solar beams, concentrated by mirrors in the heliostat fields, irradiate the enclosures and the absorber material that is heated up during its descent. This work focuses on the modelling in Dymola of this new particle receiver and a related simplified cycle of particles to study its performance. In particular, two kinds of models with different levels of detail are implemented and investigated following the V-model method. The first one is subjected only to vertical discretization and the second one is affected not only to the vertical but also to a tangential discretization. Moreover, a pair of receiver designs are considered and analyzed: one is related to the test bench conditions and the second suggests a configuration for a real scale application. Furthermore, the simulation activity concerning the constructed models and receivers’ designs is conducted. It is performed through the employment of both a simplified and more complex set of inputs that reproduce the external radiation. The results yield that the constructed models are reliable and trustworthy enough to produce interesting initial forecasts for the laboratory bench test. Furthermore, the initial proposed realistic design shows possible future enhancements for this promising technology.

Il cambiamento climatico e il riscaldamento globale sono fra i problemi più gravosi che l’umanità abbia mai dovuto affrontare durante l’esistenza della sua specie. In questo panorama, l' energia solare è una via promettente per aiutare la transizione energetica verso un mondo più sostenibile. Uno dei possibili modi per sfruttare la radiazione solare è attraverso gli impianti di potenza a concentrazione solare e, in particolare, l’applicazione a torre solare. Il progetto Traksol, proposto e strutturato dal Solar-Institut Jülich, si ripropone di sviluppare e collaudare un nuovo tipo di ricevitore a particolato. Il suo principio di funzionamento è la base per una nuova struttura che si inserisce tra i due gruppi di ricevitori a particolato riscaldato direttamente e indirettamente. Infatti, impiega dei tubi verticali con alta trasmissività attraverso cui il particolato scivola verso il basso per la forza di gravità. I raggi solari, concentrati dagli specchi del campo eliostatico, irradiano la struttura e il materiale di assorbimento, il quale viene riscaldato durate la sua discesa. Questo elaborato propone la modellizzazione su Dymola di questo nuovo ricevitore a particolato e il relativo e semplificato ciclo delle particelle per studiare le sue prestazioni. In particolare, sono stati realizzati e studiati due tipi di modelli con livello di dettaglio differente seguendo la procedura con modello a V. Il primo è soggetto soltanto ad una discretizzazione verticale e il secondo è sottoposto ad una discretizzazione non solo verticale ma anche tangenziale. Inoltre, è stata considerata e analizzata una coppia di configurazioni per il ricevitore: una è relativa alle condizioni del banco prova e la seconda suggerisce una struttura per l’applicazione a scala reale. Il passo successivo consiste nell’attività di simulazione riguardante i modelli e le configurazioni dei ricevitori costruiti. Questa è stata realizzata attraverso l’uso di input semplificati e più complessi che riproducono la radiazione esterna. I risultati mostrano che i modelli costruiti sono affidabili e attendibili, abbastanza da produrre interessanti previsioni iniziali per il futuro banco prova da laboratorio. Oltretutto, la proposta e iniziale configurazione realistica mostra possibili futuri potenziamenti per questa promettente tecnologia.