CO2 ile çalışan güneş enerjisi destekli güç üretim sisteminin performansının incelenmesi ve optimizasyonu
Investigation and optimization of the performance of a solar assisted power generation system working with CO2
Yazar: SERPİL ÇELİK TOKER
Danışman: PROF. DR. ÖNDER KIZILKAN
Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Makine mühendisliği = Mechanical engineering

Özet:
Bu çalışmada CO2 ile çalışan güneş enerjisi destekli bir güç üretim sisteminin performansı incelenerek optimizasyonu yapılmıştır. Bu amaçla, ilk olarak vakum tüplü U-borulu güneş kollektörünün dinamik matematiksel modellemesi bilgisayar programı yardımıyla yapılmıştır. Matematiksel modelleme, literatürdeki deneysel bir çalışma ile karşılaştırılarak teorik ve deneysel çalışma arasında hata %6.3 olarak hesaplanmıştır. Daha sonra vakum tüplü U-borulu güneş kollektörünün Isparta şartlarında analizi yapılarak akışkan sıcaklığının 250 ºC'ye kadar yükselebildiği tespit edilmiştir. Tezin takip eden bölümünde, kollektörlerden elde edilen termal enerjinin CO2 ile çalışan bir güç üretim sistemi için kullanılması amaçlanmıştır. Bu nedenle, literatürde yer alan CO2 ile çalışan farklı transkritik Rankine ve süperkritik Brayton çevrimlerinin performansı incelenerek karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda düşük ve orta sıcaklık uygulamaları için en uygun çevrimin ara soğutmalı yeniden ısıtmalı süperkritik Brayton çevrimi olduğu belirlenmiştir. Belirlenen çevrimin kararlı durum ve dinamik şartlarda termodinamik, eksergo-ekonomik, eksergo-çevresel analizleri ile çok amaçlı optimizasyonu yapılmıştır. Analiz sonuçlarına göre güneş kolektörüne gelen güneş enerjisi yıllık 17 696.8 kWh,  akışkana transfer edilen ısı enerjisi 4800 kWh ve kollektörün ortalama enerji verimi ise %27.12 olarak hesaplanmıştır. Elde edilen veriler ışığında, güç üretim sisteminden üretilen yıllık enerji miktarı 547.03 kWh ve sistemin yıllık enerji ve ekserji verimleri %3.09 ve %3.31 olarak tespit edilmiştir. Dinamik koşullarda, ekserji verimi ve toplam maliyete göre yapılan çok amaçlı optimizasyon sonuçlarına göre optimum kollektör sayısı 20 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca, akışkanın kollektörden çıkış sıcaklığı 165 ºC, üretilen net güç 0.311 kW, çevrimin toplam sermaye maliyeti 31 529 $ ve sistemin sürdürülebilirlik indeksi 1.042 olarak bulunmuştur.

Abstract:
In this study, the performance of the solar energy-based power generation system working with CO2 was investigated, and multi-objective optimization was carried out. For this aim, the dynamic mathematical modeling of the evacuated U-tube solar collector was performed at first using computer software. The results of the modeling were compared with an experimental research in the literature, and the deviation between the theoretical and experimental study was found to be 6.3%. Afterward, the performance analysis of the solar collector was carried out using the meteorological data of Isparta. From the analysis, it was determined that the fluid temperature could reach around 250 ºC. The thermal energy absorbed by solar collectors was assumed to be used for driving the CO2-based power cycle. In this regard, the performances of different CO2-based transcritical Rankine and supercritical Brayton cycles were examined to determine the best cycle suitable for the solar thermal process. According to the comparative analyses, the best performance was obtained for the supercritical Brayton cycle with intercooling and reheating for low and mid-temperature applications. In the last part, thermodynamic, exergo-economic and exergo-environmental analyses of the determined cycle have been conducted under steady state and dynamic conditions followed by optimization. According to the results, the annual solar energy falls on the solar collector was determined to be 17 696.8 kWh, the absorbed heat energy by the working fluid circulating in the collectors was calculated as 4 800 kWh, while the average energy efficiency of the collector was 27.12%. Considering the analyses, the annual power generation by the supercritical cycle was found to be 547.03 kWh, while the average energy and exergy efficiencies of the solar energy-based system were calculated as 3.09% and 3.31%, respectively. For the transient conditions, the optimum number of collectors was found to be 20 according to the results of optimization. In addition, the exit temperature of the fluid from the collector was estimated as 165 ºC, the net power produced was 0.311 kW, the total capital cost of the cycle was 31 529 $, and the sustainability index of the system was 1.042 with respect to the optimization results.