Creep modelling and experiments for Concentrating Solar Power (CSP) receivers

External cylindrical receivers are critical components of solar tower plants. Their lifetime is hindered by creep-fatigue failure, a mechanism affected by stress relaxation, a phenomenon which previous studies attempted to represent through analytical or numerical models. Clip geometry and cooling transients were not explicitly addressed and nocturnal behaviour was assumed not to play a relevant role in cumulative daily trends. This work is meant to fill this gap by describing the comprehensive methodology for a multi-cycle thermo-structural FEM analysis in ANSYS. Creep behaviour is described by Norton-Bailey equation whose parameters are calibrated on experimental data for 800H obtained at Queensland University of Technology (Brisbane, Australia). The proposed methodology is applied to a Gemasolar-like receiver to evaluate stress and strain profiles at two representative nodes (on front and rear sides) of the mid cross section at the tube crown. Global stress relaxation on the last panel-representative tube stabilizes after about 55 cycles, exceeding the 20-30 cycles claimed by earlier FEAs in literature. Modifications (such as a relaxation time of 8.5 h per day) to the analytical methodology for creep damage assessment developed by Laporte-Azcué et al. are proposed in the present study, as their original formulation would underestimate panel lifetime by more than 81% when applied to the findings of this multi-cycle simulation. Fatigue damage is found to be irrelevant with respect to creep, consistently with several other studies. Results also show that residual stresses at the receiver shut-down are not negligible at all and, in presence of relevant yielding effects, seem to promote plastic strain accumulation and stress spikes.

I ricevitori cilindrici esterni sono un componente critico degli impianti a torre solare. La loro vita utile è compromessa dal cedimento a creep-fatica, un meccanismo influenzato dal rilassamento degli sforzi, fenomeno che studi precedenti hanno provato a rappresentare attraverso modelli analitici o numerici. La geometria delle clip ed i transitori relativi al raffreddamento non sono stati dettagliati esplicitamente ed è stato ritenuto che il comportamento notturno non giochi un ruolo di rilievo nei trend accumulati giornalmente. Questo elaborato si prefigge di colmare questo divario descrivendo una metodologia dettagliata per analisi FEM multi-ciclo termo-strutturali in ANSYS. Il comportamento a creep è descritto dall'equazione di Norton-Bailey i cui parametri sono calibrati su dati sperimentali rilevati per l'800H alla Queensland University of Technology (Brisbane, Australia). La metodologia proposta è applicata ad un ricevitore simile a quello di Gemasolar per tracciare i profili di sforzo e deformazione su due nodi rappresentativi (sul fronte e sul retro) della sezione intermedia sul raggio esterno del tubo. Il rilassamento globale degli sforzi sul tubo rappresentativo dell'ultimo pannello si stabilizza dopo circa 55 cicli, più dei 20-30 cicli dichiarati da precedenti analisi FEM in letteratura. Modifiche (come un tempo di rilassamento di 8.5 h al giorno) alla metodologia analitica per il calcolo del danneggiamento a creep sviluppata da Laporte-Azcué et al. sono proposte in questo studio, dal momento che la loro formulazione originaria sottostimerebbe la vita utile del pannello di più dell'81% se applicata ai risultati di questa simulazione multi-ciclo. Il danneggiamento a fatica risulta irrilevante rispetto a quello a creep, coerentemente con molti altri studi. I risultati mostrano inoltre che gli sforzi residui allo shut-down del ricevitore non sono affatto trascurabili e, di fronte ad apprezzabili effetti plastici, sembrano promuovere l'accumulo di deformazione plastica e picchi di sforzo.