Design and performance assessment of conventional and innovative receivers for solar tower plants

This thesis presents a comprehensive set of methodologies and tools to evaluate the performance and costs of various receiver types for solar tower Concentrated Solar Power (CSP) plants. It examines both state-of-the-art technologies, such as external cylindrical and billboard receivers, and innovative concepts, including star-shaped and particle receivers. The developed methods integrate optical, thermal, mechanical, and economic analyses to optimize receiver designs as well as dynamic thermal models to simulate their operation. These methodologies were used to address several case studies. A cylindrical receiver was dynamically simulated on a Crescent Dunes-like solar field, predicting a lifetime significantly longer than required 30 years, with failure driven by creep and negligible fatigue damage accumulation. The dynamic analysis also highlighted the importance of accurate heat transfer fluid mass flow rate control to maximize revenues without jeopardizing receiver durability. Considering the same Crescent Dunes-like solar field, the cylindrical receiver design was optimized by minimizing the levelized cost of heat (LCOH), while accounting for optical and thermal performance, pressure drops, construction and operational costs, and tube mechanical strength. Cylindrical receivers were also compared to innovative star-shaped configurations for a Gemasolar-like solar field. Results showed that when the cylindrical design is replaced with a star-shaped one having the same height, external diameter and design thermal power, the LCOH can be reduced by about 10%. When the heliostats field is tailored on the star-shaped geometry through a more “surrounded” design, and the receiver is optimized through the methodology presented in the thesis, its construction costs can be reduced to less than one-fourth if compared to the cylindrical configuration, collecting around 5% more thermal energy in one year, and leading to a 30% lower LCOH. Considering polar-type solar fields instead, billboard receivers using sodium or solar salts were evaluated against innovative particle receivers, which were simulated through a tailored thermal model implemented in MATLAB. Results revealed that the optimized configuration (i.e., minimum levelized cost of electricity, LCOE) of the falling particle receiver has the lowest overall efficiency, 18.4 %, compared to the overall efficiency of 22.2 % of the sodium billboard receiver, which was the best performing one. However, looking at the economic results, the particle receiver has the lowest LCOE due to the significantly lower receiver and storage costs. For polar solar fields the LCOE was used as KPI instead of the LCOH since heat transfer media with different maximum operating temperatures were compared. These results underline the importance of advanced modeling and optimization tools in improving the understanding of different receiver designs. The findings also offer valuable insights into the trade-offs between state-of-the-art and innovative solutions, helping to clarify the advantages and limitations of novel receivers. The tools developed are poised to support future research and guide industrial decision-making in CSP technology development.

Questa tesi presenta un insieme completo di metodologie e strumenti per valutare le prestazioni e i costi di diverse tipologie di ricevitori per impianti a concentrazione solare (CSP) del tipo a torre. Vengono analizzate sia tecnologie convenzionali, come i ricevitori tubolari cilindrici e piatti (billboard) sia concetti innovativi, tra cui i ricevitori a stella e ricevitori a particelle. I metodi sviluppati integrano analisi ottiche, termiche, meccaniche ed economiche per ottimizzare la progettazione dei ricevitori, oltre a modelli termici dinamici per simularne il funzionamento. Tali metodologie sono state applicate a diversi casi studio. Un ricevitore cilindrico è stato simulato dinamicamente su un campo solare simile a quello dell’impianto Crescent Dunes, prevedendo una vita utile significativamente superiore ai 30 anni richiesti, con rottura determinata da scorrimento viscoso (creep) e un accumulo trascurabile di danno da fatica. L’analisi dinamica ha inoltre evidenziato l’importanza di un controllo accurato della portata di fluido termovettore per massimizzare i ricavi senza compromettere la durabilità del ricevitore. Considerando lo stesso campo solare, la progettazione del ricevitore cilindrico è stata ottimizzata minimizzando il costo livellato del calore (LCOH), tenendo conto delle prestazioni ottiche e termiche, delle perdite di carico, dei costi di costruzione e operativi e della resistenza meccanica dei tubi. I ricevitori cilindrici sono stati poi confrontati con il concetto innovativo di ricevitore a stella, considerando un campo solare simile a quello di Gemasolar. I risultati hanno mostrato che, a parità di altezza, diametro esterno e potenza termica di progetto, il passaggio da una geometria cilindrica a una a stella consente di ridurre l’LCOH di circa il 10%. Quando il campo di eliostati viene adattato alla geometria a stella con un design più circolare, e il ricevitore viene ottimizzato con la metodologia proposta nella tesi, i costi di costruzione possono essere ridotti a meno di un quarto rispetto alla configurazione cilindrica, raccogliendo circa il 5% in più di energia termica in un anno e portando a una riduzione del LCOH del 30%. Per i campi solari di tipo polare, sono stati valutati i ricevitori billboard (raffreddati a sodio o sali fusi) rispetto a ricevitori a particelle innovativi, simulati attraverso un modello termico dedicato sviluppato in MATLAB. I risultati hanno evidenziato che la configurazione ottimizzata (in termini di minimo LCOE, costo livellato dell’elettricità) del ricevitore a particelle in caduta presenta l’efficienza complessiva più bassa (18,4%), rispetto al 22,2% del ricevitore billboard a sodio, che si è rivelato il più performante. Tuttavia, dal punto di vista economico, il ricevitore a particelle ha mostrato il LCOE più basso grazie ai costi significativamente inferiori del ricevitore e dello stoccaggio. Per i campi solari polari, l’LCOE è stato usato come indicatore di performance anziché l’LCOH, poiché sono stati confrontati fluidi termovettori con differenti temperature massime operative. Questi risultati evidenziano l’importanza di strumenti avanzati di modellazione e ottimizzazione per migliorare la comprensione delle diverse soluzioni di ricevitore. Le conclusioni forniscono inoltre indicazioni utili sui compromessi tra tecnologie consolidate e soluzioni innovative, contribuendo a chiarire vantaggi e limiti dei ricevitori di nuova generazione. Gli strumenti sviluppati sono pensati per supportare future attività di ricerca e guidare il processo decisionale industriale nello sviluppo delle tecnologie CSP.