Sviluppo del modello termico di un ricevitore solare a torre con fluido termovettore monofase

This thesis has the object of evaluating the solar tower receiver thermal efficiency. A thermal model has been written in Matlab to achieve the aim of this study. First of all, the validation of the model is a necessary step: the outputs are compared with some other results in literature. These should have been reached with the same hypothesis of the model, same geometry of the receiver and especially with homologous boundary conditions (e.g. the radiation flux). Then, the code will be used to evaluate the thermal efficiency of the Gemasolar solar tower power plant. The optimal aiming strategy will be determined by the comparison of seven different design point cases; furthermore, off-design configurations are simulated to investigate the annual variations of some interesting parameters. Natural convective losses are calculated by an analytical and local approach to improve the model’s precision. The wall temperatures of each tube are an interesting and useful parameter: thermal strains and material deformations depends on the strength of the wall temperature. The knowledge of the highest value of this parameter could permit to find the most suitable steel to adopt. Cheaper receiver’s material or smaller dimensions mean lower investment costs and lower cost of electricity. The reasons why this concentrating power plants aren’t still popular, are the excessive costs.

La trattazione seguente è volta alla determinazione del rendimento termico di ricevitori di impianti termodinamici a torre solare. Per far ciò è stato definito un modello di scambio termico, sviluppato come codice Matlab. Dopo aver confrontato i risultati del codice con quelli disponibili in letteratura, il più analoghi possibile per geometrie, flussi termici e condizioni di funzionamento, lo si è applicato al ricevitore dell’impianto Gemasolar. Sono stati indagati i rendimenti al design point secondo diverse di strategie di puntamento, soffermandosi infine sull’off-design del puntamento di ottimo in orari e giorni significativi per una descrizione del funzionamento dell’impianto in un arco di tempo annuale. Sono stati analizzati due aspetti: le perdite per convezione naturale sono state determinate secondo un approccio locale, anziché medio, e la temperatura di parete della superficie di scambio è stata valutata per ogni tubo. Ciò permette una precisa presa di coscienza riguardo alle massime temperature a cui sono sottoposti i materiali. Ad esse sono strettamente legati sforzi termomeccanici statici e, data la natura della forzante termica, dinamici. Questo aspetto potrebbe incoraggiare una ricerca dei materiali con cui realizzare il ricevitore, con l’obiettivo di una riduzione dei costi d’investimento e dell’energia prodotta, i quali rappresentano una delle cause della lenta diffusione di questa tecnologia.