CFD modelling of a high flux solar receiver using liquid sodium

Concentrated solar power represents the most efficient programmable technology capable of exploiting solar power, offering hence a new path for world’s energy production to abandon fossil fuels dependance and to reduce CO2 production. Among the most promising improvements under investigation for this tech it is possible to identify the employment of liquid sodium as heat transfer fluid for receivers, a liquid metal possessing standing out heat transfer characteristics perfectly suiting modern CSP technologies and capable of leading to the design of more compact and efficient receivers. This work is intended to perform a CFD simulation based on the example brought by Vast Solar’s Jemalon plant employing the OpenFOAM software. The workflow will include the dimensioning and creation of a CAD model for the billboard receiver, followed by the creation of a mesh act to simulate not only the sodium flowing through the system, but also the metallic components and the air region surrounding the receiver, to better inquire about heat losses characteristics. A non uniform heat source obtained through the SolTrace program will be applied to the system with the intention of simulating the conditions the receiver is subject to during local summer solstice, so that the program can extrapolate the case specific velocity and temperature field distibutions through a properly set RANS simulation. Given the simulation results the work concludes with the analysis of the so obtained datas, computation of efficiencies and validification of physical consistency and feasibility, with room for possible impovements to the geometries of the analyzed receiver.

L'energia solare a concentrazione rappresenta la tecnologia programmabile più efficiente in grado di sfruttare l'energia solare, offrendo quindi una nuova via per la produzione energetica mondiale per abbandonare la dipendenza dai combustibili fossili e ridurre la produzione di CO2. Tra i miglioramenti più promettenti oggetto di studio per questa tecnologia è possibile individuare l'impiego del sodio liquido come fluido termovettore per ricevitori, un metallo liquido dotato di eccellenti caratteristiche di scambio termico perfettamente adatte alle moderne tecnologie CSP ed in grado di portare alla progettazione di più ricevitori compatti ed efficienti. Questo lavoro ha lo scopo di eseguire una simulazione CFD basata sull'esempio portato dall'impianto Jemalon di Vast Solar utilizzando il software OpenFOAM. Il flusso di lavoro includerà il dimensionamento e la creazione di un modello CAD per il ricevitore piano, seguito dalla creazione di una mesh atta a simulare non solo il sodio che scorre attraverso il sistema, ma anche le componenti metalliche e la regione d'aria che circonda il ricevitore , così da approfondire le caratteristiche delle dispersioni termiche. Una fonte di calore non uniforme ottenuta tramite il programma SolTrace verrà applicata al sistema con l'intento di simulare le condizioni a cui è soggetto il ricevitore durante il solstizio d'estate locale, in modo tale che il programma possa estrapolare le distribuzioni di campo di velocità e temperatura specifiche del caso attraverso una simulazione RANS opportunamente impostata. Ottenuti i risultati della simulazione il lavoro si conclude con l'analisi dei dati, il calcolo delle efficienze e la validazione della coerenza e fattibilità fisica, con spazio per eventuali miglioramenti alle geometrie del ricevitore analizzato.