Analysis of Solar Tower Integrated with sCO2 Brayton Cycle and MEE-TVC Desalination. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (MS Thesis (Amine Kouta g201101670)) Amin_Kouta_-_MS_Thesis_(Final).pdf Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

أصبحت مصادر الطاقة المتجددة في الوقت الحاضر بديل فعال للوقود الأحفوري. الطاقة الشمسية ھي واحدة من التقنيات المستخدمة على نطاق واسع للطاقة المتجددة. لقد جعل التقدم الأخير في تكنولوجيا برج الطاقة الشمسية خيارا جذابا لحصاد الطاقة. تھدف ھذه الدراسة نحو دمج تكنولوجيا برج الطاقة الشمسية مع دورات ثاني أكسيد الكربون (sCO2) لإنتاج الطاقة والنظام البخاري المتعدّد التأثير مع ضغط البخار الحراري (MEE-TVC) لإنتاج مياه التحلية. تتضمن ھذه الدراسة إيجاد تشكيلتين اثنتين على أساس دورتين مختلفتين فوق الحرجة وھي لدورات التجديد وإعادة الضغط (sCO2) وإجراء دراسات حدودية لكل تشكيلة باستخدام برنامج EES. دراسة المتوسط الشھري لكل واحد من أشھر السنة والمتوسط للعام بأكمله موجودة أيضا. أيضاً تتم دراسة تقييم إنتاج الانتروبيا للنظام وكذلك تقدير تكاليف رأس المال و التشغيل. تمّ إجراء ھذه الدراسة على مناطق مختلفة من المملكة العربية السعودية. من تحليل الطاقة، وجد أن أعلى إنتاجية ھي في منطقة ينبع، تليھا خبط الغصن في المركز الثاني، والباقي في ترتيب تنازلي كما يلي، جبل الرغامة، جازان، الخفجي، و الظھران. عدد الھليوستات المستخدمة ھو 2646 . ويستنتج أيضا أن الكفاءة الفعالة هي في المستوى الأعلى عند الحد الأدنى الممكن لجزء الحرارة الذي يدخل دورة sCO2. لمنطقة الظهران، هذه القيمة هي 0.32 لدورة تجديد التوليد المشترك للطاقة و0.34 لدورة إعادة الضغط في الأجزاء من 0.19 و 0.21 على التوالي. من تحليل الإنتروبيا، يمكن استنتاج أن أهم مكونات المساهمة في نظامMEE-TVC هو قاذف البخاربحيث تتراوح النسبة بين 50٪ و 60٪ لعدد من التأثيرات المختلفة. إنتاج الإنتروبيا المحددة للMEE-TVC يتناقص مع تناقص قيمة الجزء، وإنتاج الإنتروبيا المحددة لدورة ال sCO2 يحافظ على قيمة ثابتة لإنتاج الإنتروبيا.تساهم هذه النتيجة في تأكيد نتائج الطاقة المستمدة سابقا، تتمثّل بأعلى كفاءة فعالة في الحد الأدنى لإنتاج الإنتروبيا المحددة لل MEE-TVC و دورة ال sCO2. البرج الشمسي هو أكبر مساهم في إنتاج الإنتروبيا في كل من التشكيلتين بحيث تصل النسبة الى نحو 80٪ من إنتاج الإنتروبيا الكلي، يليه نظام تحليةMEE-TVC، ودورة الطاقة sCO2. إنتاج الإنتروبيا في الخزّانين المستخدمين للتخزين الحراري هي بنسبة متدنّية جدّاً، فهي بنحو 0.3٪ من مجموع التوليد. أما بالنسبة لنتائج التكلفة، فالمناطق التي تتميز بأعلى متوسط للإشعاع الشمسي على مدار العام لديها أدنى قيمة لل LCOE وLCOW. تحقيق منطقة ينبع أدنى تكلفة، تليها خبط الغصن في المركز الثاني، والباقي كما يلي، جبل الرغامة، جازان، الخفجي، والظهران. قيمة الLCOE لينبع في جزء قيمته 0.5 لتجديد وإعادة الضغط لدورات توليد مشتركة للطاقة الشمسية هي 0.0915 $ / كيلوواط ساعة و0.0826 $ / كيلوواط ساعة، على التوالي.

English Abstract

Renewable energy sources have become nowadays an efficient alternative to fossil fuels. Solar energy is one of the widely used renewable energy technologies. Recent advancement in the solar tower technology has made it an attractive choice of energy harvesting. In this study performance analysis is conducted for a solar driven supercritical CO2 (sCO2) Brayton cycles combined with multiple effect evaporation with thermal vapor compression (MEE-TVC) for power and desalinated water production. The study includes finding two configurations based on two different supercritical cycles, namely, the regeneration and recompression sCO2 cycles and performing parametric studies for each. Monthly averaged study for each of the months of the year and the average for the whole year are present as well. The entropy generation evaluation for the system is also studied as well as the capital and operating cost estimation. In this study, a new efficiency equation for the combined power and water production is developed. The study is performed over different regions of Saudi Arabia. From the energy analysis, it is found that the highest productivity is that of the region of Yanbu, followed by Khabt Al-Ghusn in the second place, and the rest are as follows, Jabal Al-Rughamah, Jizan, Al-Khafji, and Dhahran in descending order. The number of heliostats utilized is 2646. It is also deduced that the effective efficiency is the highest at the minimum fraction possible of heat entering the sCO2 cycle. For the area of Dhahran, this value is 0.32 for the regeneration cogeneration cycle and 0.34 for the recompression cycle at a fraction of 0.19 and 0.21, respectively. From the entropy analysis, it can be deduced that the highest contributing component in the MEE-TVC subsystem is the steam jet ejector, which is varying between 50 % and 60 % for different number of effects. The specific entropy generation in the MEE-TVC decreases as the fraction of the input heat to the desalination system decreases; and the specific entropy generation of the sCO2 cycle remains constant entropy generation. The solar tower is the largest contributor to entropy generation in both configurations, reaching almost 80 % from total entropy generation, followed by the MEE-TVC desalination system, and the sCO2 power cycle. The entropy generation in the two tank thermal storage is almost negligible varying around 0.3 % from total generation. The cost results reveal that the regions characterized by the highest average solar irradiation throughout the year have the lowest LCOE and LCOW values. The region achieving the lowest cost is Yanbu, followed by Khabt Al-Ghusn in the second place, and the rest are as follows, Jabal Al-Rughamah, Jizan, Al-Khafji, and Dhahran. The LCOE of Yanbu at a fraction of 0.5 for regeneration and recompression solar cogeneration cycles are 0.0915 $/kWh and 0.0826 $/kWh, respectively.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Al Sulaiman, Fahad
Committee Members:	Yilbas, Bekir and Sahin, Ahmet
Depositing User:	KOUTA AMIN ABDULLAH (g201101670)
Date Deposited:	19 Oct 2015 11:02
Last Modified:	01 Nov 2019 16:31
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139748