A methodology for the comprehensive analysis of star-shaped receivers for CSP solar towers

As the energy transition is accelerating CSP can play a relevant role, being a renewable and dispatchable source of energy. However, costs are still too high, thus requiring engineering improvements. An innovative receiver design for solar towers, named “Star Receiver”, emerges as a promising solution to overcome the state of the art cylindrical receiver. Panels are arranged as radial fins around a central support, enabling lower radiative and reflective losses together with double-sided irradiated tubes, that increase receiver lifetime and allow to halve the number of tubes decreasing costs. This thesis focuses on the development of a comprehensive analysis for the novel receiver including: optical and thermal performances, a mechanical assessment (receiver pressure drop and creep-fatigue lifetime assessment), wind load verification and economic evaluation. The methodology is then applied to a case study aiming to: i) find the maximum receiver size able to endure the wind load; ii) optimize the star configuration through a parametric procedure based on LCOH minimization; iii) compare the star and the conventional cylindrical receiver. Results show that middle large scale receivers, like that of Crescent Dunes and Gemasolar, can be installed considering an adequate material, like Inconel 740H and Haynes 230 respectively. The optimized star configuration achieves a LCOH equal to 28.21 €/MWh, which is 11.5% lower than that of the cylindrical case.

Con la transizione energetica in forte accelerazione, emergono con rilevanza i sistemi a concentrazione solare, rappresentando al contempo una fonte di energia rinnovabile e dispacciabile. Tuttavia, i costi sono ancora elevati, cosa che rende necessari ulteriori miglioramenti. Fra questi viene proposto un ricevitore innovativo, denominato “Ricevitore a Stella”, che promette di superare le prestazioni del convenzionale ricevitore cilindrico. In esso i pannelli sono arrangiati in modo da costituire delle strutture simili a delle alette, denominate raggi, posti attorno a un supporto centrale. Questo permette di ridurre le perdite riflessive e radiative e avere allo stesso tempo i tubi irradiati su entrambi i lati, permettendo di dimezzarne il numero riducendo i costi. Il presente lavoro di tesi ha l’obiettivo di analizzare nel modo più completo possibile il ricevitore a stella considerando: prestazioni ottiche e termiche; perdite di pressione nel ricevitore e vita utile a creep e fatica; carico del vento; valutazione economica. Tale metodologia è poi applicata a un caso studio, con l’obiettivo di: i) stimare la massima taglia del ricevitore (in termini di potenza termica incidente) in grado di resistere al carico del vento; ii) ottimizzarne la configurazione tramite una procedura di minimizzazione dell’LCOH; iii) confrontarne le prestazioni con il convenzionale ricevitore cilindrico. I risultati mostrano che con il materiale adeguato (Hynes 230 e Inconel 740H) ricevitori di media-grande taglia, come quelli di Gemasolar e Crescent Dunes, sono installabili. La configurazione ottimizzata raggiunge un LCOH di 28.21 €/MWh, 11.5 % minore di quello ottenuto con il ricevitore cilindrico.