Technical feasibility analysis and thermo-mechanical modelling of a high-temperature solar receiver and a shell and tube heat exchanger for next-generation CSP plants

As the pursuit of lower LCOE intensifies for concentrated solar power (CSP) plants, the need for exploring new technologies becomes more pressing. This study focuses on the design of two key components of a CSP plant: the solar receiver and the particle-to-sCO2 heat exchanger. A literature review of high-temperature receivers has been conducted and free-falling particle receivers (FFPRs) have been identified as a promising technology for next-generation CSP plants. A FFPRs model from literature has been implemented and validated. In particular, the study aims to optimize the heat exchanger's performance by implementing a particle heat transfer coefficient model, which has not been thoroughly evaluated and fully presented in existing literature. Furthermore, the study analyzes and compares sCO2 with a new fluid mixture to achieve higher performances, evaluated through the overall heat transfer coefficient, and compactness of the heat exchanger. With the aid of simulation tools and computational models, the proposed design strategies offer a promising pathway for achieving the ambitious LCOE target, reducing the heat exchanger dimension and optimizing the efficiency of the solar tower, evaluating a three-receiver configuration. The study places a particular emphasis on the particle-to-sCO2 heat exchanger, which is a critical component for achieving higher efficiency and lower costs in CSP power plants. The novel design approach and the incorporation of the heat transfer coefficient in the model could significantly improve the performance of the heat exchanger coupled with a free-falling particle receiver and drive the CSP technology to new heights. Overall, this work represents a first step towards developing sustainable and cost-effective energy solutions by improving the design of CSP power plants.

Con l'intensificarsi della ricerca di un LCOE sempre più basso per impianti a concentrazione solare (CSP), diventa sempre più urgente esplorare e lavorare su nuove tecnologie. Questo articolo si concentra sulla progettazione e modellazione di due componenti chiave in un impianto CSP: il ricevitore solare e lo scambiatore di calore particle-to-sCO2. Lo studio mira ad ottimizzare le prestazioni dello scambiatore di calore implementando un modello per il coefficiente di scambio termico delle particelle, che non è stato ancora valutato accuratamente presentato nella letteratura esistente all’interno dei modelli per gli scambiatori di calore già esistenti. Inoltre, l'efficacia della sCO2 viene confrontata con una nuova miscela di fluidi per ottenere prestazioni più elevate, valutate attraverso il coefficiente di scambio termico complessivo e la compattezza dello scambiatore di calore. Utilizzando strumenti di simulazione e modelli computazionali, le strategie di design proposte offrono un percorso promettente per raggiungere l'ambizioso obiettivo di LCOE, riducendo la dimensione dello scambiatore di calore e ottimizzando l'efficienza della torre solare, attraverso la valutazione di una configurazione a tre ricevitori in cima alla torre solare. In particolare, viene posta enfasi sullo scambiatore di calore particelle-sCO2, componente critico per ottenere una maggiore efficienza e costi più bassi nelle centrali CSP. L'approccio di progettazione innovativo e l'implementazione del coefficiente di scambio termico nel modello potrebbero migliorare significativamente le prestazioni dello scambiatore di calore accoppiato con un ricevitore free-falling-particle e spingere la tecnologia CSP verso nuove vette. In sintesi, questo lavoro rappresenta un primo passo verso lo sviluppo di soluzioni energetiche sostenibili ed economiche, migliorando la progettazione delle centrali CSP.