Optimization and Thermal Performance Analysis of Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycles Driven by Solar Thermal Power Tower Systems. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_final_combined_12thMarch.pdf Download (15MB) | Preview

Arabic Abstract

في هذه الدراسة تم تحليل أداء برج الطاقة الحرارية الشمسية المركزة مع دورات ثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة. وقد تم تطوير نموذج رياضي لتحقيق أهداف هذه الدراسة. الجزء الأول من النموذج تعامل مع توليد حقل المرايا الأولي على شكل اشعاعي متداخل التكوين. ثم تم اختبار نتائج النموذج الرياضي لتقييم الأداء البصري لحقل المرايا. هناك خمسة معامل التي تشكل الأداء البصري لحقل المرايا مع البرج الشمسي وهي عامل جيب التمام، وعامل التوهين في الغلاف الجوي، و عامل التظليل والعرقلة وعامل الإعتراض وعامل إنعكاسية المرآة. ثم تم استخدام هذه المعامل لإيجاد أقصى قدر ممكن من الأداء البصري السنوي باستخدام طريقة التطور التفاضلي، التي تعتبر خوارزمية تطورية. بلغ المتوسط السنوي الأمثل للكفاءة البصرية للنظام الشمسي 0.5634 باستخدام نتائج التحسين. تم إجراء مقارنة بين مخرجات الطاقة الصافية والكفاءة الحرارية لدورات برايتون الي تعمل بثاني اكسيد الكربون. الدورات التي تم اخيارها هي دورة برايتون التقليدية ودورة برايتون المتجدده و دورة إعادة الضغط ودورة قبل ضغط ودورة توسيع الانقسام. واشارة النتائج إلى أن الدورة التي تحقق أعلى كفاءة حرارية هي دورة إعادة الضغط وكانت في الظهيرة بشهر يونيو حزيران. أداء دورة برايتون المتجددة كان أقل بقليل من دورة إعادة الظغط. ثم بعد ذلك تمت دراسة تفصيلية باستخدام دورة إعادة الضغط بسب اداءها العالي. حيث تم اختيارها واضافة خزان للحرارة المكتسبة من البرج الشمسي و من ثم تحليل هذا النظام متكاملا. تمت دراسة ثلاث حالات كان فيها التخزين الحراري التشغيلي لنطاقات مختلفة من الزمن. أولا عندما كان النظام يعمل فقط لساعات النهار، وثانيا عندما كان التشغيل من شروق الشمس حتى نهاية اليوم في منتصف الليل، وأخيرا عندما كان التشغيل ليوم كامل لمدة 24 ساعة. بالنسبة للحالة عندما يكون صافي انتاج الطاقة موحد ليوم كامل، تم إنتاج 17 ميغاواط في شهر مارس، 22 ميغاواط في شهر يونيو، و 10 ميغاواط في ديسمبر كانون الاول. أبديت ملاحظات مماثلة للحالات الأخرى. أجري هذا التحليل لمدينة الظهران بالمملكة العربية السعودية. وبالإضافة إلى ذلك تم إجراء تحليل الأداء لنظام برج الطاقة الشمسية الحرارية عند دمجه مع دورة إعادة الضغط لستة مواقع مختلفة في المملكة العربية السعودية وإعتبار تغيّر شدة الإشعاع الشمسي لكل مدينة. وكانت المدن المختارة تبوك (شمال) والمدينة المنورة (غرب) والظهران (شرق) والرياض (وسط) وبيشة (جنوب) ونجران (جنوب). في هذه الحالة تم استخدام الوقود الإحفوري عند ضعف التركيز الأشعاعي للأشعة الشمسية ولايوجد خزانات للحرارة المتولدة وتم تحليل اداء النضام خلال ساعات النهار. وكشفت النتائج أن أعلى متوسط للحرارة السنوية التي تم جمعها كان للمدينة المنورة بمقدار 938400 كيلو واط ساعة / يوم، وكان ثاني أعلى معدل لتبوك بمقدار933100 كيلو واط ساعة / يوم. ونتيجة لذلك، كان أقل قدر من التهجين السنوي المتوسط للوقود اللازم 5.82٪ للمدينة المنورة و 6.34٪ لتبوك.

English Abstract

In this study, thermodynamic analysis of a solar thermal power tower integrated with supercritical CO2 cycles is presented. A mathematical model was developed to achieve the objectives of the present study. The first part of the model deals with generating a preliminary heliostat field in a conventional radial staggered configuration. The heliostat field is then tested for its optical performance. There are five parameters which constitute the optical performance of a solar tower, namely the cosine factor, the atmospheric attenuation factor, the shadowing and blocking factor, the intercept factor and the mirror reflectivity. The generated field is then optimized against the above mentioned parameters by changing the heliostat positions to attain the maximum possible annual optical performance using differential evolution, which is an evolutionary algorithm. The optimized heliostat field has an insolation weighted annually averaged efficiency of 0.5634. Using the results of the optimization, comparison of net power outputs and thermal efficiencies of different Brayton cycles was performed. The Brayton cycles analyzed were simple Brayton cycle, regenerative Brayton cycle, recompression Brayton cycle, pre-compression Brayton cycle, and split expansion Brayton cycle. The results indicate that the highest thermal efficiency is achieved using recompression Brayton cycle on June noontime. The regenerative Brayton cycle, although simpler in configuration also shows comparable performance. Furthermore, the recompression Brayton cycles was selected to be integrated with solar tower through two tank molten salt thermal storage; as it achieves the highest efficiency. Three cases were studied in which the thermal storage was operational for different ranges of time. Firstly, when it was operational only for daylight hours, secondly when it was operational from sunrise till the end of the day, and lastly when it was operational for the whole day. For the case when the net power output is uniform for the whole day, 17 MW is produced in March, 22 MW in June, and 10 MW in December. Similar observations were made for the other cases. This analysis was carried out for Dhahran, Saudi Arabia. In addition, a complete thermodynamic analysis of a solar thermal tower system when integrated with a sCO2 recompression Brayton cycle was performed for six different locations in Saudi Arabia considering the local solar irradiation intensity for each location. The selected cities were Tabouk (North), Madinah (West), Dhahran (East), Riyadh (Central), Bishah (South), and Najran (South). The findings revealed that the highest annual average heat collected was for Madinah, 938,400 kWh/day, and the second highest was for Tabouk, 933,100 kWh/day. Consequently, the least amount of annual average fuel hybridization required was 5.82% for Madinah and 6.34% for Tabouk during daytime hours.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Physics Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Al-Sulaiman, Fahad A.
Committee Members:	Mokheimer, Esmail M. A and Bahaidarah, Haitham M. S.
Depositing User:	MAIMOON ATIF (g201204360)
Date Deposited:	22 Mar 2015 12:07
Last Modified:	01 Nov 2019 15:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139496