CFD simulation of a small scale solar tower receiver operated with liquid sodium

Solar tower plants are a very promising technology among Concentrating Solar Power (CSP) systems. In order to improve performances, a different Heat Transfer Fluid (HTF) could be employed instead of conventional molten salts used in current state-of-art configurations. Liquid sodium, like all liquid metals, has a huge thermal conductivity, resulting also in very high heat transfer coefficients. Moreover, temperature range is much larger with respect to common Solar Salts. These superior characteristics enable to reduce the size of a solar tower while keeping thermal efficiency and outlet temperature comparable to conventional systems. The small size of both mirrors field and solar receiver would lead to a consistent reduction of investments and maintenance costs and a containment of heat losses, improving overall efficiency. The purpose of this work is to investigate thermal performances of sodium in a small scale solar tower, highlighting strengths and limits of this configuration. Proper mirrors field and tubular receiver have been designed, and a ray-tracing software is then used to obtain a realistic distribution of heat flux on absorbing tubes. OpenFOAM, a CFD software, is used to simulate the flow of sodium inside the receiver. At last, all thermodynamic aspects of the results are analyzed, with particular focus on temperature distribution in both metal tubes and liquid flow, heat transfer coefficients, heat losses and thermal efficiency.

Le torri a concentrazione solare sono una tecnologia molto promettente tra i sistemi CSP (Concentrating Solar Power). Al fine di migliorarne le prestazioni, un differente fluido termovettore potrebbe essere impiegato al posto dei sali fusi utilizzati al momento nella maggioranza delle applicazioni. Il sodio liquido, come tutti i metalli liquidi, presenta un’enorme conduttività termica e, di conseguenza, coefficienti di scambio termico molto alti. Inoltre, può essere impiegato in un range di temperature maggiore rispetto ai sali. Queste caratteristiche superiori rendono possibile la riduzione della taglia di una centrale solare mantenendo efficienze termiche e temperature simili ai sistemi convenzionali. Ridurre le dimensioni del campo solare e del ricevitore porterebbe a una consistente riduzione dei costi di investimento e manutenzione, nonché a un contenimento delle perdite termiche migliorando così l’efficienza. Lo scopo del presente lavoro è analizzare le prestazioni di un ricevitore solare a sodio liquido di piccola taglia, discutendo i punti di forza e i limiti di questa configurazione. Per far questo, sia il campo solare che il ricevitore tubulare sono stati appositamente progettati, e un software di ray-tracing è stato utilizzato per ottenere una distribuzione di flusso termico realistica sui tubi assorbitori. Con OpenFOAM, un programma di CFD, è stato simulato il flusso di sodio all’interno del ricevitore. Infine, i risultati sono stati analizzati con particolare attenzione agli aspetti termodinamici: distribuzione di temperatura nei tubi metallici e nel flusso liquido, coefficienti di scambio termico, perdite di calore e efficienza termica.