Preliminary analysis on tubular fluidized particles receivers for Solar Tower applications

As the energy transition advances, CSP can play a major role as it is a renewable and dispatchable energy source. However, costs are still too high, thus requiring engineering improvements. An innovative way of conceiving the heat transfer fluid for solar towers, based on the fluidization technology of solid particles, emerges as a promising solution to overcome the state of the art of this technology. Solid particles are fluidized and their thermophysical properties allow to enhance the maximum cycle temperature, enabling the possibility to drive supercritical cycles and thus, improve the power generation efficiency. Moreover, solid particles’ cost can be very low compared to the heat transfer fluid currently used. This thesis focuses on the development of a preliminary analysis for the novel heat transfer fluid in solar tower application, including: particles assessment, analysis of models to estimate the internal heat transfer coefficient and thermal performances evaluation. The methodology is then applied to the case study, aiming to find a proper correlation for the heat transfer coefficient and assess its performances. Results show that a maximum thermal efficiency of ~ 80% can be reached, together with a particle outlet temperature up to 750 °C, proving that this technology can be combined with highly efficient thermodynamic cycles. However, some limits must be respected, dictated by the tolerability of the tube material and choking phenomenon, restricting the applicability range of this technology to small-middle scale plants.

Con l’avanzare della transizione energetica, emergono con rilevanza i sistemi a concentrazione solare, in quanto rappresentano al contempo una fonte di energia rinnovabile e dispacciabile. Tuttavia, i costi sono ancora troppo elevati, il che richiede ulteriori miglioramenti. Un innovativo modo di concepire il fluido termovettore, basato sulla tecnologia della fluidizzazione di particelle solide, emerge come una soluzione promettente per superare lo stato dell’arte di questa tecnologia. Le particelle solide vengono quindi fluidificate e le loro proprietà termofisiche permettono di aumentare la temperatura massima del ciclo, offrendo quindi la possibilità di sfruttare cicli supercritici e quindi di migliorare l’efficienza. Inoltre, il costo di queste particelle può essere molto basso rispetto ai fluidi termovettori attualmente utilizzati. Il presente lavoro di tesi ha l’obiettivo di sviluppare un’analisi preliminare di questo nuovo fluido termovettore per l’applicazione in torri solari, che comprende: la valutazione sulla tipologia di particelle, l’analisi di modelli per stimare il coefficiente di scambio convettivo interno e le prestazioni termiche. Tale metodologia è poi applicata al caso studio, con l’obiettivo di trovare una correlazione adeguata e di valutarne prestazioni e limiti. I risultati mostrano che è possibile raggiungere un’efficienza termica massima di circa l’80% ed una temperatura di uscita dal ricevitore delle particelle fino a 750°C, dimostrando che questa tecnologia può essere combinata con cicli termodinamici altamente efficienti. Tuttavia, esistono alcuni limiti che devono essere rispettati, dettati dalla tollerabilità alle alte temperature del materiale dei tubi e dal fenomeno del choking, che ristringono il campo di applicabilità di questa tecnologia a impianti di piccola e media taglia.