ADVANCED HELIOSTAT ELECTRICAL DRIVE SYSTEM FOR CONCENTRATED SOLAR POWER TOWER

ADVANCED HELIOSTAT ELECTRICAL DRIVE SYSTEM FOR CONCENTRATED SOLAR POWER TOWER. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
ADVANCED HELIOSTAT ELECTRICAL DRIVE SYSTEM FOR CONCENTRATED SOLAR POWER TOWER (Waleed M. A. Hamanah).pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 21 December 2022.

Download (11MB)

Arabic Abstract

انتشرت في الآونة الأخيرة الطاقة المتجددة والتي تعتبر مصدرًا حيويًا لتوليد الكهرباء هادفةً إلى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المتولدة من الوقود الأحفوري. الطاقة الشمسية المركزة هي تقنية متنامية حيث يتم فيها تجميع أشعة الشمس لتخزين الحرارة ومن ثم توليد الطاقة الكهربائية. وأحد هذه التكنولوجيا هو برج الطاقة الشمسية. والذي يهدف إلى جمع أشعة الشمس مباشرة على مجمع مركزي باستخدام آلاف المرايا العاكسة. تم في هذه الرسالة تقديم العديد من البحوث والمراجعات الأدبية في تطوير تقنيات التحكم لتحسين دقة التتبع وأداء برج الطاقة الشمسية. ومع ذلك تم إصدار القليل من الاعمال المتعلقة بتطوير دقة التتبع وأداء المحرك. وتم تصنيف أكثر من 200 ورقة علمية ومناقشتها لتوضيح التطورات الاخيرة والثغرات البحثية في كلا من تحكم المرايا العاكسة وتطوير محركاتها الكهربائية. تقدم هذه الأطروحة نظامًا متقدمًا وفعالًا وذا كفاءة عالية من حيث التكلفة لتشغيل المرايا لمحطة توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية. يتم عرض ومناقشة ومقارنة المحركات الكهربائية المختلفة ومحولات الطاقة الإلكترونية المستخدمة لوحدات المرايا. كذلك يتم مناقشة مزايا وعيوب أنظمة القيادة الكهربائية المختلفة. ووفقا للأدبيات السابقة, فما تزال أنظمة الطاقة الشمسية المركزة القائمة على برج الطاقة الشمسية تواجه مشاكل في التكلفة العالية وانخفاض كفاءة الطاقة المتولدة. تحقيقًا لهذه الغاية، أولاً، يُقترح جهاز استشعار ردود الفعل المحلية غير المكلف للمظلات الشمسية التي تشكل حقل المجمع لحل التناقض الرئيسي في محطات برج الطاقة الشمسية. يتم تقديم نموذج أولي صغير الحجم للمرايا ومناقشته وتحليله باستخدام التتبع ثنائي المحور للتحقيق من الأداء في الظهران ، المملكة العربية السعودية كموقع واعد في منطقة الخليج العربي. كذلك يتم تقديم نموذج متكامل لنظام تحكم المرايا باستخدام مستشعر غير مكلف. يتم تطوير نموذج رياضي متكامل مع نظام محرك المرايا ، بما في ذلك نماذج الطاقة الشمسية ، والبرج ، المرايا. يتم تطبيق وتقييم نموذج محاكاة ماتلاب للنظام المقترح. يتم تنفيذ واختبار وتقييم نموذج أولي تجريبي للمرايا الشمسية ثنائية المحور. في ظروف تشغيل مختلفة. أيضا يتم إجراء دراسة مقارنة بين نتائج المحاكاة والنتائج التجريبية لتقييم دقة نظام محرك ووحدة التحكم المقترحة والتحقق من صحة النموذج المتكامل المطور. حيث تظهر كل من النتائج دقة أجهزة التتبع ثنائية المحور في متابعة أشعة الشمس على مدار العام. ثانيًا ، يقترح محولات متقدمة لنموذج أولي التجريبي حيث تصمم وتطبق على أساس أشباه موصلات متقدمة. يتم إجراء الدراسة بينما تقوم المحولات بتغذية المشغلين الخطيين للمرايا. تم تصميم وتنفيذ محول تقليدي مماثل يعتمد على أشباه الموصلات القديمة للمقارنة مع المحولات المقترحة. وتحت ظروف تحميل مختلفة بترددات تشغيل مختلفة، يتم تقييم الخسارة بين المحولات المقترحة. حيث تم ملاحظة أن المحولات المقترحة أكثر كفاءة وملاءمة تحت درجات الحرارة العالية. من أجل التحقق من كفاءة المحولات المقترحة، يتم تقييمها عند مستوى طاقة عالي (1100 واط). يتم تقييم المحولات عن طريق حساب فقد الطاقة لكل من المحولات مقارنة بالمحولات التقليدية.

English Abstract

Recently, renewable energy has been considered a vital source for electricity generation to reduce the carbon dioxide emissions acquired from fossil fuels. Concentrated solar power (CSP) is a growing technology that collects solar energy from sunbeams. One of the efficient CSP topologies is the solar power tower (SPT), which aims to collect the direct sunbeams on a central collector using thousands of reflecting mirrors, called heliostats. Many literature reviews have presented the development of control techniques to improve tracking accuracy and SPT performance. However, on the component level, little work has been issued. Different SPT drives are reviewed and introduced, and more than 200 papers have been classified and discussed to allocate the development and the research gaps in SPT drives. This dissertation presents an advanced and cost-effective heliostat drive system for the SPT generation plant. The different electrical motors and their power electronic converters used for heliostat units are presented, discussed, and compared. The advantages and the drawbacks of the various electrical drive systems are presented and discussed. CSP systems based on SPT still face high costs and low energy efficiency. The competitiveness of SPT plants over conventional ones unmoved has to be improved. To this end, firstly, an inexpensive local feedback sensor of the heliostats which form the collector field is proposed to solve the principal contradiction in SPT plants. A small-sized heliostat prototype is presented, discussed, and analyzed using the azimuth-elevation dual-axis tracking to investigate the SPT's performance in Dhahran, KSA, as a promising location in the Gulf region. An integrated model for the heliostat drive system is presented using an inexpensive position sensor. The integrated system's mathematical model has been developed with the heliostat drive system, including the solar, tower, and heliostat models. The MATLAB simulation model for the proposed integrated drive system is applied and evaluated. An experimental prototype for a dual-axis heliostat is implemented. The prototype is tested and evaluated at different operating conditions. A comparative study between simulation and experimental results is conducted to assess the proposed controller drive system's accuracy and validate the developed integrated model. Both simulation and experimental results show the dual-axis trackers' accuracy to follow the sunbeams along the year. Secondly, advanced class-E DC/DC converters based on wide bandgap (WBG) discrete are proposed for the drive SPT heliostat prototype. The study is performed while the converters feed the two heliostat linear actuators. The experimental hardware setup for the proposed converters is built, tested, and verified. An identical conventional converter based on Si-IGBT semiconductors is designed and implemented to compare the proposed converters. A loss evaluation between converters' results is presented as verification under different load conditions with various operating frequencies. The results observed that the WBG converters are more efficient and suitable under high temperatures. In order to validate the evaluated proposed converters' efficiency at a high-power level, an analysis for the converters' supplying a high rating DC machine (1100W) is included. The converters are evaluated utilizing power losses calculation for both the converters compared to the conventional one.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Systems
Electrical
Department: College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor: Abido, M.A.
Committee Members: Alsulaiman, Fahad and Muqaibel, Ali Hussein and Habiballah, Ibrahim Omar
Depositing User: HAMANAH WA MOHAMMED ABDO (g201105910)
Date Deposited: 22 Dec 2021 11:56
Last Modified: 22 Dec 2021 11:56
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141995