Performance assessment of conventional and innovative receivers for solar tower plants

The optimization of solar tower receivers design and its maintenance requires tailored models to estimate its performance and degradation through optical and thermal analyses. The first goal of this study is to develop a numerical model for the steady-state thermal analysis of cylindrical external receivers. The model, which is implemented in MATLAB®, includes all receiver tubes, which are discretized along both the axial and circumferential directions. The number of control volumes can be varied allowing performance assessment with coarser or finer discretization resolutions. The model has been verified by comparison with CFD simulations present in the literature, showing good results in terms of heat fluxes, heat transfer fluid and tubes temperature predictions. Furthermore, a preliminary methodology aimed at comparing optical performances of innovative configurations and conventional cylindrical external receivers is proposed. Five novel star receivers and six fin-like receivers are investigated, providing both optical efficiencies and heat flux maps. This performance assessment demonstrates that finned structures can significantly enhance the optical efficiency thanks to the increased light-trapping effect, which is further emphasized with the increasing number of fins.

L’ottimizzazione della progettazione e della manutenzione dei ricevitori a torre solare richiede modelli personalizzati per stimarne le prestazioni e il degrado attraverso analisi ottiche e termiche. Il primo obiettivo di questo studio è sviluppare un modello numerico per l’analisi termica allo stato stazionario di ricevitori esterni cilindrici. Il modello, implementato in MATLAB®, comprende tutti i tubi del ricevitore, discretizzati lungo le direzioni assiale e circonferenziale. Il numero di volumi di controllo può essere variato per consentire la valutazione delle prestazioni con risoluzioni di discretizzazione più o meno grandi. Il modello è stato verificato attraverso il confronto con le simulazioni CFD presenti in letteratura, mostrando buoni risultati in termini di flussi di calore, e di previsioni di temperatura dei tubi e del fluido termovettore. Inoltre, è stata proposta una metodologia preliminare volta a confrontare le prestazioni ottiche di configurazioni innovative e di ricevitori esterni cilindrici convenzionali. Sono stati analizzati cinque ricevitori a stella e sei ricevitori ad alette, fornendo sia le efficienze ottiche sia le mappe di flusso termico. Questa valutazione delle prestazioni dimostra che le strutture alettate possono migliorare significativamente l’efficienza ottica grazie all’aumento dell’effetto di intrappolamento della luce, che viene ulteriormente enfatizzato con l’aumento del numero di alette.