Multi Criteria Design Optimization and Control of Community Scale Photovoltaic based Reverse Osmosis Water Desalination System. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF z_Final_PhD_Thesis_Document_W13_64bit_Proof_AKS_V2_Corrections___2dec__Final_V1_Print_FoxitPrint_Submitted_DGS_Final_.pdf Download (11MB) | Preview

Arabic Abstract

إن الحصول على مياه شرب مأمونة ونظيفة يمثل تحديا كبيرا لكثير من المجتمعات التي تتواجد بالقرب من مياه البحر أو موارد المالحة.إن تحلية المياه بالتناضح العكسي المدفوع بالكهروضوئية حل ناجع لهذا النقص الحاد في المياه النظيفة للمجتمعات المحرومة في البلدان النامية. عملية التصميم الأمثل لنظام التناضح العكسي المدفوع بالكهروضئية يشمل تخصصات مختلفة بدءا من جمع الطاقة من الألواح الكهروضوئية، و أمثل عملية تناضح عكسي بحسب الطاقة المتاحة، وخفض صيانة غشاء التناضح العكسي وكذلك قضايا معالجة المياه الصديقة للبيئة. ففي هذه الأطروحة، سيتم التناول بشكل شامل للجوانب التشغيلية المثلى لنظام التناضح العكسي المدفوع بالكهروضئية المصمم لإنتاج المياه المحلاة على نطاق مجتمعي.تم تطوير مجموعة مفصلة من النماذج القائمة على الفيزياء من نظام التناضح العكسي المدفوع بالكهروضئية بأكمله بدقة متناهية لإنجاز هذه المهمة.إن التقنية المطورة لنمذجة نظامي التناضح العكسي و الكهروضوئية (نظام الكهروضوئية المستقل و نظام التناضح العكسي المستقل ونظام التناضح العكسي المدفوع بالكهروضئية المتكامل) قد تم التحقق من صحتها بإستخدام المنشأة التجريبية للتناضح العكسي المدفوع بالكهروضئية في جامعة الملك فهد للبترول والمعادن. الطاقة الكهربائية التي تحصد من الأشعة الشمسية باستخدام الألواح الكهروضوئية عرضة لتكون متغيره ومتقلبة بطبيعتها على مدار اليوم كاملا، بينما عملية التحلية تحتاج كمية محددة من الطاقة لإبقائها في وضع التشغيل لإنتاج التغلغل اللازم.المعايير المختلفة من النظام الكهروضوئي على سبيل المثال، الطاقة القصوى المتاحة ومدتها، واتجاهات زايادة الطاقة وخفضها والمدة الكلية لتوافر الطاقة، تمت دراستها للالألواح الكهروضوئية ذات محور التعقب الثابت و المفرد والمزدوج لمختلف الأيام من جميع الفصول الأربعة من السنة. بالنسبة لتهيئة نظام التناضح العكسي ذات التمريرة الواحدة والمرحلة الواحدة، فقد تم تحديد مجال التصميم التشغيلي لها من خلال النظر في بيانات غشاء التناضح العكسي المقدمة من قبل الشركة المصنعة لها عن القيود التشغيلية للغشاء.هذه القيود هي الحد الأقصى المسموح به لتدفق التخلل ، الحد الأقصى لمعدل تدفق التغذية، ونسبة الإسترداد القصوى وأدنى معدل لتدفق التركيز وذلك لكل تهيئة لمراحل التناضح العكسي.في إطار فضاء التصميم التشغيلي المطور للتناضح العكسي، فإنه يتم سحب خرج خطوط الطاقة للنظام الكهروضوئي التي تتراوح من الحد الأدنى إلى أقصى قدر متاح من الطاقة من مصدر نظام التناضح العكسي المدفوع بالكهروضوئية ليتم تحديد المنطقة التشغيلية المجدية .ضمن مساحة التصميم التشغيلي، فإنه تتم معالجة متغيرات التصميم (معدل تغذية التدفق وضغط النظام) بطريقة ما للحفاظ على التناضح العكسي في منهجية التشغيل الأمثل في حين أخذ مجموعة واسعة من استخدام طاقة النظام الكهروضوئي في الاعتبار.المنهجيات التشغيلية التي تم بحثها هي معدل ثابت لتدفق مياه التغذية، تغذية ثابتة للضغط ، معدل ثابت لتدفق المياه المالحة المتبقية من المياه المحلاة، نسبة ثابتة للشفاء وملوحة ثابتة للتخلل.لكل من هذه المنهجيات، فإنه تم إكتساب إستهلاك الطاقة المحدد (SEC) لوحدة التناضح العكسي على كامل مدى طاقة النظام الكهروضوئي المتاحة.كشف تحليل النتائج أن أقل قيمة لإستهلاك الطاقة المحدد SEC لنظام التناضح العكسي يتحقق من خلال منهجية التغذية بالضغط الثابت إذا كانت طاقة النظام الكهروضوئي المتاحة كافية لدفع مضخة نظام التناضح العكسي.إن منهجية نسبة الاسترداد الثابت مفضلة مع الإرتفاع الطفيف في معدل إستهلاك الطاقة المحدد SEC على منهجية ضغط التغذية الثابت عندما يتم إستخدام النطاق الواسع من طاقة النظام الكهروضوئي المتاحة. ومن بين خيارات تشغيل النظام إما في الضغط الثابت (CP)، أو نسبة الاسترداد الثابتة (CRR)، أو الوضع المدمج (CP + CRR)، فإنه يمكن اختيار أفضل منهجية و أمثل نقاط التهيئة لنظام التناضح العكسي أي (ضغط النظام ومعدل تدفق التغذية لنظام التناضح العكسي ) يتم إحتسابه وفقا للقوة المتاحة من النظام الكهروضوئي لكل من الألواح الكهروضوئية الثابتة والمتعقبة.يتم إرسال هذه القيم إلى عقد التحكم في تدفق التغذية المحلي و عقد التحكم في الضغط كإشارات مرجعية. وحدات التحكم المحلية تستخدم نظام التحكم بالردود لتتبع القيم المرجعية على نحو فعال. لتحقيق عملية تناضح عكسي مدفوع بالكهروضوئية مستدامة وصديقة للبيئة ، فإنه تم توخي التعقيم بالأشعة الشمسة الفوق البنفسجية عند مرحلة قبل المعالجة وكذلك بعد المعالجة أيضا.وسعيا لتحقيق ذلك، فقد تم تصميم وتصنيع مفاعلين فوتوغرافيين للتطهير الشمسي، الأول سلمي الشكل و الثاني مكثِف على شكل قطع مكافئ (PTC)، لإظهار القدرة على تعقيم بكتيريا إي.كولاي. أظهرت النتائج أن التطهير الملائم يتحقق باستخدام أشعة الشمس مع استخدام محفز مساند في كل مفاعل. أظهرت النتائج التجريبية أن 28٪ و 75٪ من تركيز البكتيريا الأولي تم تطهيره في حالة المفاعل السلمي الشكل و المفاعل المكثف على شكل القطع المكافئ PTC ، على التوالي خلال أول 20 دقيقة من التشغيل. ويعزى الاضمحلال السريع في نشاط التطهير الجرثومي في المفاعل المكثف على شكل القطع المكافئ PTC إلى الدفق ذي العزل العالي في الأنبوب ممايؤدي إلى المزيد من نشاط الحفازة الفوتوغرافية

English Abstract

Access to safe, clean drinking water is a major challenge to many communities which reside near the seawater or brackish water resource. PV driven RO water desalination is a viable solution to this acute shortage of clean water for underserved communities in developing countries. The optimal design process of PVRO system encompasses different disciplines starting from energy harvesting from PV panels, optimal RO process operation under available energy, reduced RO membrane maintenance and environmental friendly water treatment issues. In this thesis, optimal operational aspects of a designed community scale PVRO system are comprehensively discussed. A detailed set of physics based models of whole PVRO system are meticulously developed and solved to accomplish this task. This developed PV and RO system modeling technique (independent PV and RO, and integrated PVRO) is validated using the KFUPM experimental PVRO facility. Electrical energy harvested from the solar radiation using PV panels is prone to be variable and fluctuating in nature throughout the whole day, but on the other hand desalination process needs certain amount of energy to keep it in operating state for the permeate production. The different parameters of PV system e.g. maximum available power and its duration, power increasing and decreasing trends and total duration of power availability were studied for fixed, single and double axis tracked PV panels for different extreme days of all four seasons of the year. For a single stage single pass RO configuration, its operational design space was determined by considering the RO membrane data provided by its manufacturer as membrane operational constraints. These constraints are the maximum allowable permeate flux, maximum feed flow rate, maximum recovery ratio and minimum concentrate flow rate for specific RO stage configuration. Within the developed RO operational design space, PV output power (ranging from minimum to maximum available power from PV source) lines are drawn to determine the feasible operational region of PVRO system. Within the operational design space, design variables (feed flow rate and system pressure) are manipulated in such a way to keep the RO at optimum operation methodology while taking the wide range of PV power utilization into consideration. The investigated operational methodologies are constant feed water flow rate, constant feed pressure, constant retentate flow rate, constant recovery ratio and constant permeate salinity. For each of this methodology specific energy consumption (SEC) of RO unit over the whole range of available PV power was acquired. The analysis of the results revealed that least SEC of the RO system is achieved by constant feed pressure methodology if the available PV power is sufficient enough to drive the RO pump. Constant Recovery Ratio methodology is preferable with slightly higher SEC than constant feed pressure methodology’s SEC when the broad range of PV available power is to be utilized. Among the possibilities of running the system either at constant pressure (CP), constant recovery ratio (CRR), or combined mode (CP + CRR), the best methodology can be selected and the optimal set points for the RO system i.e. (RO system pressure and feed flow rate) are computed according to the available PV power for the fixed and tracked PV panels. These values are sent to the local feed flow control and pressure control loops as reference signals. The local controllers make use of feedback control system to track the reference values effectively. To attain the sustainable and environment friendly PVRO operation, solar UV disinfection at pretreatment and at post treatment is also envisaged. In pursuit of this, two solar disinfection photo reactors, stair case and parabolic trough concentrator (PTC) were designed, fabricated and demonstrated for disinfection of E.Coli bacteria. The results revealed that adequate disinfection is attained using sunlight with the use of supported catalyst in both reactors. Experimental results revealed that 28% and 75% of the initial bacterial concentration is disinfected in stair case and PTC photo reactor, respectively during the first 20 minutes of operation. The fast decay in bacterial disinfection activity in PTC is attributed due to the high insolation flux at the tube leading to more photo catalytic activity.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Systems Civil Engineering > Water and Environmental Engineering Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Sheikh, Anwar Khalil
Committee Co-Advisor:	Elshafei, Moustafa Elshafei Ahmed
Committee Members:	Gandhidasan, Palanichamy and Al Qahtani, Hussain Mohammad and Gondal, Mohammad Ashraf
Depositing User:	AHMAD NASEER (g200902630)
Date Deposited:	05 Mar 2015 12:21
Last Modified:	01 Nov 2019 15:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139483