Analysis of cylindrical tower receivers subjected to concentrated solar irradiation and cooled with supercritical CO2

Abstract

A presente tese avalia o uso de dióxido de carbono em estado supercrítico (s-CO2) como fluido de transferência de calor em receptores solares cilíndricos aplicados em centrais de energia solar concentrada (CSP). O objetivo central é otimizar o desempenho desses receptores em diferentes condições operacionais, abordando comportamentos em regime permanente, pseudo-transiente e transiente. No primeiro estudo, é proposto um modelo termo-hidráulico para o receptor cilíndrico operando em regime permanente, no qual a transferência de calor por condução nas paredes do receptor é modelada utilizando uma formulação híbrida, que combina um modelo unidimensional para o escoamento do fluido e um modelo bidimensional para a condução térmica baseado no Método dos Elementos Finitos (FEM, Finite Element Method). O modelo numérico combina uma formulação híbrida que integra uma rotina de simulação para o balanço de energia com um software comercial para a transferência de calor. O estudo analisa a eficiência do receptor em função do número de painéis, tubos por painel, vazão mássica do s-CO2 e o aspecto geométrico do receptor. Além disso, são consideradas duas condições de radiação: uma de fluxo de calor uniformemente distribuído e outra baseada em dados meteorológicos locais, como o Ano Meteorológico Típico (TMY, Typical Meteorological Year). Os resultados mostram que a eficiência do receptor é influenciada pelo número de painéis e pela vazão, com um valor máximo de eficiência térmica determinado por um conflito entre as perdas por radiação e por bombeamento do s-CO2. O segundo estudo enfoca na simulação e otimização do comportamento pseudo-transiente de um receptor cilíndrico exposto a um fluxo de calor solar concentrado variável espacialmente. Utilizando condições meteorológicas típicas de Sevilha, Espanha ? escolhida pela ampla disponibilidade de dados, baixa incidência de nuvens e presença de usinas CSP ? o modelo simula as condições térmicas e hidráulicas do receptor, visando maximizar o seu desempenho. Através da variação das condições de entrada e saída do fluido, foi possível aumentar a eficiência em até 3%. Além disso, o estudo identificou que o número de painéis e a distribuição de vazão do s-CO2 entre os lados simétricos do receptor são fatores críticos para um desempenho otimizado. Por fim, o terceiro estudo trata do comportamento transiente do receptor, investigando cenários como o aquecimento inicial ao nascer do sol (start-up), o impacto da obstrução da radiação solar por nuvens, variações na espessura das paredes dos tubos e mudanças na velocidade do vento. Os resultados indicam que, embora a velocidade do vento tenha pouco efeito no desempenho do receptor, a espessura das paredes dos tubos influencia significativamente o comportamento transiente, com tubos mais espessos apresentando transientes mais longos. Além disso, mostrou-se que o bloqueio parcial da radiação solar por nuvens exige um controle ativo da vazão do fluido de trabalho para manter a temperatura de saída desejada. Esses estudos contribuem para o avanço do entendimento e da otimização de receptores solares operando com s-CO2, proporcionando estratégias para melhorar a eficiência térmica e hidráulica em condições tanto estáveis quanto transitórias.

Abstract: This thesis explores the use of supercritical carbon dioxide (s-CO2) as a heat transfer fluid in cylindrical solar receivers applied in concentrated solar power (CSP) plants. The main goal is to optimize the performance of these receivers under various operational conditions, addressing steady-state, pseudo-transient, and transient behaviors. The first study proposes a steady-state thermal-hydraulic model for a cylindrical receiver, on which heat conduction through the receiver walls is modeled using a hybrid approach. This model combines a 1-D formulation for the fluid flow and a 2-D model for thermal conduction based on the Finite Element Method (FEM). The hybrid model combines an in-house energy balance routine with commercial software for heat transfer. The analysis examines the thermal efficiency of the receiver as a function of the number of panels, tubes per panel, s-CO2 mass flow rate, and receiver geometric aspect ratio. Two radiation boundary conditions are considered: a uniformly distributed heat flux and a spatially distributed flux based on local meteorological data, using the Typical Meteorological Year (TMY). Results show that the receiver performance is sensitive to the number of panels and mass flow rate, with an optimal design emerging from the trade-off between radiation losses and pumping power. The second study focuses on simulating and optimizing the pseudo-transient behavior of a cylindrical receiver under spatially varying concentrated solar heat flux. Using meteorological data from Seville, Spain ? selected for its extensive data availability, low cloud incidence, and presence of CSP plants ? the model aims to maximize the receiver?s thermal-hydraulic efficiency. Adjusting the inlet and outlet port locations of the s-CO2 led to a 3% increase in efficiency, and the study identified that the number of panels and the asymmetric mass flow distribution are critical factors for optimal performance. Finally, the third study investigates the transient behavior of the receiver, assessing start-up conditions at sunrise, the impact of cloud-induced radiation blockage, variations in tube wall thickness, and changes in wind speed. Results indicate that wind speed has a minor effect, but the tube wall thickness significantly affects transient responses, with thicker tubes leading to more prolonged transients. The study also highlights the need for active s-CO2 mass flow control during partial cloud coverage to maintain desired outlet temperatures. These studies contribute to the advancement of solar receiver technology using s-CO2, offering strategies to improve efficiency under both stable and dynamic conditions.