A receiver thermal model for system level analysis of falling particle solar tower plants

Falling particle receivers are one of the most promising new generation solar tower technologies. They have the advantage of being directly heated, thus not exposing metallic parts to the sun rays and being able to achieve very high temperatures (>1000 °C) without degradation. Goal of this work is the development of a thermal model able to describe the behavior of a falling particle receiver under different operating conditions, to provide the value of its thermal efficiency within reasonable computational time so the model can be applied in optimization of solar tower plants on system level. Thermal model was developed starting from models described in literature and upgrading them with various features to describe more in detail the heat transfer phenomena occurring during receiver operation. Obtained model was validated against both experimental and CFD data, after which it was employed in a case study with the goal of optimizing the receiver size for a given solar field and performing off-design and annual energy yield analysis. Results showed that the adoption of multiple stages increases performances compared to the regular free falling particle receiver both under nominal and off-design conditions. Meanwhile, an economic analysis carried out assessing the value of levelized cost of heat (LCOH) pointed out that it is more convenient to adopt two smaller solar fields compared to a single bigger one, by considering same nominal thermal input power.

Una delle tecnologie più promettenti della nuova generazione di centrali a concentrazione solare a torre è quella dei ricevitori a caduta di particelle. Questo poiché portano dei vantaggi come la possibilità di avere scambio termico diretto, non esponendo perciò parti metalliche ai raggi solari, e la possibilità di raggiugere temperature molto alte (>1000 °C) senza degradamento delle particelle. L’obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di un modello termico in grado di descrivere il comportamento di un ricevitore a caduta di particelle in diverse condizioni operative, al fine di ottenere il valore di rendimento termico con un tempo computazionale tale per cui il modello possa essere utilizzato per l’ottimizzazione di impianti solari a torre. Il modello termico è stato sviluppato partendo da un altro modello descritto in letteratura, migliorandolo sotto diversi aspetti per fare in modo che descrivi più nel dettaglio i fenomeni di scambio termico all’interno del ricevitore e il comportamento delle particelle. Il modello ottenuto è poi stato validato attraverso sia dati sperimentali sia dati derivanti da un modello più complesso basato sulla fluido-dinamica computazionale, per poi essere utilizzato per un caso di studio con l’obiettivo di ottimizzare le dimensioni del ricevitore per un dato campo solare, analizzare le prestazioni in condizioni di fuori progetto e procedere con un’analisi energetica annuale. I risultati mostrano che l’adozione di più stadi migliora le prestazioni rispetto ad una caduta libera di particelle sia in condizioni nominali sia di fuori progetto. Infine, un’analisi economica è stata condotta per stimare il valore del “levelized cost of heat” (LCOH) dell’impianto al fine di capire se l’adozione di due campi solari più piccoli rispetto che un singolo campo solare che fornisca lo stesso input termico nominale al ricevitore, sia di maggiore convenienza.