Solid particle-based thermal energy storage for concentrated solar power systems. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Solid particle-based thermal energy storage for concentrated solar power systems.pdf Restricted to Repository staff only until 29 May 2026. Download (13MB)

Arabic Abstract

في هذه الدراسة، تم بحث جوانب الأداء التقنية والرئيسية لأنظمة الطاقة الشمسية المركزة من الجيل الثالث (Gen 3)، مع التركيز على تخزي الطاقة الحرارية (TES). أولًا، تم اختيار مادة جسيمات صلبة مثالية لتطبيقات تخزين الطاقة الحرارية عالية الحرارة باستخدام عملية التسلسل الهرمي التحليلي (AHP)، مع تحسينها بتقنية تحسين سرب الجسيمات (PSO) لتحسين اتساق القرارات. كما تم تقييم خمسة أنوتع من الجسيمات الصلبة، بما في ذلك رمل السيليكا، ورمل الصحراء، وCARBO HSP، وكربيد السيليكون، والرماد ، وفقًا لتسعة معايير. احتل كربيد السيليكون المرتبة الأولى (25.09%)، يليه CARBO HSP (22.77%)، ثم رمل الصحراء (21.75%). بعد ذلك، تم تحسين أداء عزل تخزين الطاقة الحرارية من خلال دمج نترات الليثيوم (LiNO3) كمادة متغيرة الطور (PCM) داخل جدار خزان تخزين الطاقة الحرارية. أظهرت نتائج المحاكاة أن تكامل PCM قلل من تدفق الحرارة الخارجي (فقدان الحرارة) بنسبة 10٪ وزاد من الطاقة المعادة إلى TES (الطاقة المستردة) بنسبة 31.5٪. ومع ذلك، عندما تم وضع طبقة PCM بعيدًا جدًا عن مصدر الحرارة أو بسمك زائد، لم تخضع المادة لتغيير الطور بالكامل أثناء دورات الشحن والتفريغ مما قلل من فعالية تخزين الحرارة واستعادتها. بعد هذه التحسينات، تم تقييم الجدوى التقنية والاقتصادية لنظام 150 ميجاوات كهربائية من الجيل الثالث CSP باستخدام نماذج الشبكة العصبية الاصطناعية (ANN) المدربة على بيانات المحاكاة الاصطناعية من SAM. تنبأت هذه النماذج بالأداء الحراري على مستوى النظام وناتج الكهرباء. أظهر تكوين الجيل الثالث الأمثل زيادة بنسبة 34.4٪ في شحن TES السنوي وزيادة بنسبة 19.5٪ في إجمالي إنتاج الكهرباء. بالإضافة إلى ذلك، حدد التحسين القائم على تقنية PSO سعة تخزين طاقة حرارية مثالية تبلغ 6,208 ميجاوات ساعة لنظام الطاقة الشمسية المركزة من الجيل الثالث، وهي أكبر بمقدار 1.42 مرة من حجم الطاقة الحرارية الحرارية الأصلي المحدد في SAM (3,576 ميجاوات ساعة). توفر هذه النتائج مجتمعةً إطارًا عمليًا قائمًا على البيانات لتحسين أداء أنظمة الطاقة الشمسية المركزة من الجيل الثالث من خلال اختيار المواد بناءً على تحليل AHP-PSO، واستراتيجيات العزل المتقدمة باستخدام تقييم PCM، والنمذجة التنبؤية للأداء والحجم الاقتصادي.

English Abstract

In this study, key technical and performance aspects of third-generation (Gen 3) concentrated solar power (CSP) systems were investigated, with a focus on thermal energy storage (TES). First, an optimal solid particle material was selected for high-temperature TES applications using the Analytic Hierarchy Process (AHP), enhanced by Particle Swarm Optimization (PSO) to improve decision consistency. Five candidates including silica sand, desert sand, CARBO HSP, silicon carbide, and fly ash were evaluated against nine criteria. Silicon carbide ranked highest (25.09%), followed by CARBO HSP (22.77%) and desert sand (21.75%). Next, TES insulation performance was enhanced through the integration of lithium nitrate (LiNO3) as a phase change material (PCM) within the TES tank wall. Simulation results showed that PCM integration reduced outward heat flux (heat loss) by 10% and increased energy returned to the TES (recovered energy) by 31.5%. However, when the PCM layer was placed too far from the heat source or with excessive thickness, the material did not fully undergo phase change during charging and discharging cycles. This incomplete transition reduced the effectiveness of heat storage and recovery. After these optimizations, the techno-economic feasibility of a 150 MWe Gen 3 CSP system was evaluated using artificial neural network (ANN) models trained on the synthetic simulation data from SAM. These models predicted system-level thermal performance and electricity output. The optimized Gen 3 configuration demonstrated a 34.4% increase in annual TES charging and a 19.5% increase in gross electricity output. In addition, PSO-based optimization identified an ideal TES capacity of 6,208 MWht for the Gen 3 CSP system, which is 1.42 times larger than the original TES size defined in SAM (3,576 MWht). Together, these findings provide a practical and data-driven framework for optimizing Gen 3 CSP systems through material selection material selection based on AHP-PSO analysis, advanced insulation strategies using PCM evaluation, and predictive modeling for performance and economic sizing.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Afaque, Shams
Committee Members:	Mokheimer, Esmail M.A. and Elsamadony, Mohamed
Depositing User:	ALI AMIRI (g202213860)
Date Deposited:	29 May 2025 10:34
Last Modified:	29 May 2025 10:34
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143490