REVERSO – Receiver for concentrated Solar power

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502302

Schlüsselwörter (Englisch)

Concentrated Solar Power, Solar Particle Receiver, CSP

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen Konzepts für einen Partikelreceiver zur effizienten Umwandlung von konzentrierter Sonnenenergie. Er besteht aus einem vertikalen Gefäss, in dem Feststoffpartikel gegen einen aufwärts gerichteten Gasstrom fallen und durch die Strahlung mit hohem Energiefluss an der Aussenwand des Gefässes erhitzt werden. Eine solche Anlage kann sowohl für die Erzeugung von Solarstrom als auch für die Herstellung von solaren Brennstoffen verwendet werden. Das System ist auf Kraftwerke industrieller Grösse skalierbar und kann die kritischen Grenzen bestehender Technologien überwinden.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The goal of this project is to develop a novel concept of particle receiver for the efficient conversion of concentrated solar energy. It consists of a vertical vessel in which solid particles fall against upward gas flow and are heated by the high-flux radiation on the vessel’s outer wall. Such apparatus can be used both for generating solar power and for producing solar fuels. The system is scalable to industrial-size power plants and can overcome the critical limitations of existing technologies.

Kurzbeschreibung (Italienisch)

L’obiettivo di questo progetto e’ lo sviluppo di un nuovo ricevitore a particelle per la conversione efficiente dell’energia solare concentrata. Consiste in un tubo verticale in cui particelle solide sono sospese da un flusso di gas e scaldate dalla intensa radia-zione che colpisce la parete esterna del tubo. Puo’ essere usato per la generazione di energia solare e per produrre combustibili. E’ scalabile per impianti di grande scala e puo’ superare le limitazioni delle tecnologie esistenti.

Schlussbericht (Deutsch)

Konzentrierte Solarenergie (CSP, Concentrated Solar Power) ist eine erneuerbare Energietechnologie, bei der die Strahlungsenergie der Sonne genutzt wird, um ein Wärmeträgermedium auf Temperaturen von über 700 °C zu erhitzen. CSP ist eine der wenigen nachhaltigen Alternativen, die das Potenzial haben, fossile Prozesse zu ersetzen, wie sie derzeit in Industrien mit hohem Wärmebedarf zum Einsatz kommen. Der Solarabsorber ist eine der Schlüsselkomponenten, die die Gesamteffizienz eines CSP-basierten Prozesses massgeblich beeinflussen. Ein Wärmeträgermedium, das gasförmig, flüssig oder fest sein kann, wird durch den mit Sonnenlicht bestrahlten Absorber geleitet, wobei es sich erwärmt.

Im Rahmen des Projekts REVERSO wurde ein indirekt bestrahlter Partikel-Solarabsorber entwickelt und untersucht, bei dem keramische Partikel als Wärmeträgermedium eingesetzt werden. Die keramischen Partikel werden dem Absorber zugeführt, wobei ihre Fallgeschwindigkeit durch einen gegenläufigen Luftstrom gezielt verringert wird. Die Möglichkeit, die Fallgeschwindigkeit der Partikel zu variieren, erlaubt es, deren Verweilzeit im Absorber gezielt zu beeinflussen, was wiederum einen direkten Einfluss auf die Auslasstemperatur der Partikel hat. Die Verweilzeit der Partikel stellt einen wichtigen Regelparameter dar, insbesondere im Zusammenhang mit chemischen Reaktionen oder zur Anpassung an eine schwankende Energiezufuhr, etwa durch Wolken oder den Tageszyklus der Sonne. Bereits existierende Partikelabsorber verfügen entweder nicht über die Möglichkeit, die Verweilzeit der Partikel zu regeln, oder sie sind konstruktiv sehr komplex und verbrauchen im Betrieb nicht vernachlässigbare Energiemengen.

Im Verlauf des Projekts wurde der Absorber im Labormassstab konstruiert, gefertigt und hinsichtlich seiner Strömungs- sowie Wärmeübertragungseigenschaften untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Absorber sicher betrieben werden kann und dass der Luftstrom die gemittelte Auslasstemperatur der Partikel, die thermische Effizienz sowie den lokalen Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Wand und Partikeln erhöht. Bisher konnten Temperaturen von bis zu 795 °C mit einer thermischen Effizienz von 31 % erreicht werden. Es wird angenommen, dass eine hochskalierte Version des Absorbers Partikeltemperaturen von über 1000 °C liefern kann. Messungen des Geschwindigkeitsfeldes der Partikel bei Raumtemperatur zeigten, dass die Fallgeschwindigkeit der Partikel in Abhängigkeit von der zugeführten Luftmenge abnimmt. Um besser zu verstehen, inwieweit der Luftstrom als Regelparameter für die Verweilzeit der Partikel im Absorber genutzt werden kann, sind weitere Untersuchungen bei höheren Temperaturen erforderlich. Eine Simulation des neuartigen Absorbers wird derzeit entwickelt und zukünftig mit den experimentellen Daten verglichen. Diese Simulation kann dazu beitragen, das Design der nächsten Generation des Partikelabsorbers weiter zu optimieren. Das Projekt REVERSO konnte zeigen, dass das neue Absorber-Konzept sicher betrieben werden kann und hat den Nachweis erbracht, dass der Luftstrom die thermische Leistungsfähigkeit des Absorbers signifikant verbessert.

Für die Fortsetzung der Arbeiten am Partikelabsorber ist es entscheidend, Partikelauslasstemperaturen von 1000 °C zu erreichen und gleichzeitig thermische Wirkungsgrade von über 50 % nachzuweisen. Eine hochskalierte Version des Absorbers ist eine Möglichkeit, den Nachteil des derzeit sehr hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses zu verringern. Es könnte jedoch auch sinnvoll sein, das Design so anzupassen, dass eine direkte Bestrahlung der Partikel möglich wird und der Wärmeübergangswiderstand zwischen Rohrwand und Partikeln entfällt.

Schlussbericht (Englisch)

Concentrated solar power (CSP) is a renewable energy technology that converts the radiative energy provided by the sun into high-temperature heat by raising the temperature of a heat transfer medium (HTM) to 700?C and above. Therefore, it is one of the few sustainable alternatives that has the potential to replace fossil burners that are currently used in processes that demand high-temperature heat. One of the key components that significantly influences the overall efficiency of a process operated with CSP is the solar receiver. It is here that the radiative energy from the sun is transferred to the heat transfer medium, which can be gaseous, liquid or solid.

The project REVERSO was launched to design and investigate an indirectly irradiated particle solar receiver, in which ceramic particles are used as the HTM. The ceramic particles are supplied to the receiver and their fall speed decreased by setting a counter-current air flow. Having a means to control the fall speed of the particles allows to influence the residence time of the particles inside the receiver, which has a direct influence on the particle outlet temperature. The particle residence time is a desirable control parameter when it comes to the conversion of chemical reactions or adapting to a changing energy supply to the receiver due to solar intermittency (e.g.: course of the sun, clouds). Already existing solar particle receivers either lack the ability to control the residence time of the particles in the receiver, or they are rather complex and consume considerable amounts of energy during operation.

Throughout the REVERSO project, the counter-current particle-air receiver was designed, manufactured on a laboratory scale and its fluid dynamics and thermal performance were investigated. It could be shown that such a receiver can be safely operated and that the presence of the air flow increases the average particle outlet temperature, the thermal efficiency as well as the local wall-to-particles heat transfer coefficient compared to scenarios without air. So far, temperatures of up to 795 °C with a thermal efficiency of 31 % were achieved and it is believed that a scaled up version of the receiver is able to deliver outlet temperatures exceeding 1000 °C. Velocity field measurements of the particle phase at room temperature revealed that the falling velocity of the particles decreases as a function of the amount of air supplied to the system. However, in order to better understand how well the counter-current air flow can be used as a control parameter for the residence time of the particles in the receiver, further investigations at higher temperatures are required. A simulation of the novel receiver is currently being developed and will be compared with the experimental data. This simulation can be used to further refine the design for the next generation of the particle receiver. The REVERSO project was intended to show whether such a new type of particle receiver can be operated safely and proofed that the presence of the counter-current air flow increases its thermal performance.

If the work on the particle receiver is to be continue, it is crucial to achieve particle outlet temperatures of 1000 °C and to show that this is possible while realizing thermal efficiencies of over 50%. Increasing the size of the receiver is one way to reduce the disadvantage? of the currently very high surface-to-volume ratio, but it may also be worth adapting the design so that direct irradiation of the particles is possible and eliminate the heat transfer resistance from the tube to the particles.

Main findings («Take-Home Messages»)

• A laboratory-scale particle receiver, in which submillimeter particles fall against an upward airflow, was designed, realized and tested for high-temperature operation, leveraging a high-flux solar simulator that mimics solar concentrating systems. The objective was to increase the amount of heat absorbed by the particles by extending their residence time in the radiated section.
• Imaging of the particle transport in a transparent replica of the receiver confirmed that the counter-current airflow induces a significant deceleration of the particle phase. At low particle mass flow rates, the flow promotes a homogenized particle concentration across the channel width, while clustering ensues at higher particle mass flow rates.
• In presence of the counter-current airflow, the particle outlet temperature, thermal efficiency, and wall-to-particle heat transfer coefficient were increased compared to the case without airflow. The limited range of parameters accessible in the laboratory, however, did not allow the identification of a clear trend with increasing airflow or the presence of an optimum.
• The receiver’s performance appeared comparable with other particle-in-tube concepts, while offering operational simplicity. Although the current study did not reach the target outlet temperature of 1000^?C, the high operating temperatures achieved in the cavity indicated the potential for applicability of the novel concept, which shall be tested in scaled-up installations.

Zugehörige Dokumente

• Final Report [PDF] 3'773 kB

Schlussbericht (Französisch)

L'énergie solaire concentrée (CSP, Concentrated Solar Power) est une technologie d'énergie renouvelable qui utilise l'énergie rayonnante du soleil pour chauffer un fluide caloporteur à des températures supérieures à 700 °C. La CSP est l'une des rares alternatives durables susceptibles de remplacer les processus fossiles actuellement utilisés dans les industries à forte demande thermique. L'absorbeur solaire est l'un des composants clés qui influencent de manière significative l'efficacité globale d'un processus basé sur la CSP. Un fluide caloporteur, qui peut être gazeux, liquide ou solide, est acheminé à travers l'absorbeur exposé au rayonnement solaire, où il est chauffé.

Dans le cadre du projet REVERSO, un absorbeur solaire à particules à irradiation indirecte a été développé et étudié, dans lequel des particules céramiques sont utilisées comme fluide caloporteur. Les particules céramiques sont acheminées vers l'absorbeur, leur vitesse de chute étant réduite de manière ciblée par un flux d'air à contre-courant. La possibilité de varier la vitesse de chute des particules permet d'influencer de manière ciblée leur temps de séjour dans l'absorbeur, ce qui a à son tour une influence directe sur la température de sortie des particules. Le temps de séjour des particules est un paramètre de régulation important, notamment en relation avec les réactions chimiques ou pour s'adapter à un apport énergétique variable, par exemple en raison des nuages ou du cycle quotidien du soleil. Les absorbeurs de particules existants n'offrent pas la possibilité de réguler le temps de séjour des particules ou sont de conception très complexe et consomment des quantités d'énergie non négligeables pendant leur fonctionnement.

Au cours du projet, l'absorbeur a été conçu et fabriqué à l'échelle du laboratoire, puis testé en termes de propriétés d'écoulement et de transfert de chaleur. Il a été démontré que l'absorbeur peut fonctionner en toute sécurité et que le flux d'air augmente la température moyenne de sortie des particules, l'efficacité thermique et le coefficient de transfert thermique local entre la paroi et les particules. Jusqu'à présent, des températures allant jusqu'à 795 °C ont pu être atteintes avec une efficacité thermique de 31 %. On suppose qu'une version à grande échelle de l'absorbeur peut fournir des températures de particules supérieures à 1000 °C. Les mesures du champ de vitesse des particules à température ambiante ont montré que la vitesse de chute des particules diminue en fonction de la quantité d'air fournie. Afin de mieux comprendre dans quelle mesure le débit d'air peut être utilisé comme paramètre de régulation du temps de séjour des particules dans l'absorbeur, des études supplémentaires à des températures plus élevées sont nécessaires. Une simulation du nouvel absorbeur est actuellement en cours de développement et sera comparée à l'avenir aux données expérimentales. Cette simulation peut contribuer à optimiser davantage la conception de la prochaine génération d'absorbeurs de particules. Le projet REVERSO a montré que le nouveau concept d'absorbeur peut être exploité en toute sécurité et a prouvé que le flux d'air améliore considérablement les performances thermiques de l'absorbeur.

Pour poursuivre les travaux sur l'absorbeur de particules, il est essentiel d'atteindre des températures de sortie des particules de 1 000 °C tout en démontrant des rendements thermiques supérieurs à 50 %. Une version à grande échelle de l'absorbeur est un moyen de réduire l'inconvénient du rapport surface/volume actuellement très élevé. Cependant, il pourrait également être judicieux d'adapter la conception de manière à permettre un rayonnement direct des particules et à éliminer la résistance au transfert de chaleur entre la paroi du tube et les particules