Biyokütle destekli yoğunlaştırılmış güneş enerjili organik rankine çevrimi analizi
Analysis of biomass supported concentrated solar energy organic rankine cycle
Yazar: ALPER BAŞEĞMEZ
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN TOPAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışmasında Ankara çevre koşullarına göre parabolik oluk kollektörlü güneş enerjisi sisteminden sağlanan termal enerji ile 5MWe Kurulu güç üretim kapasitesine sahip bir tesis tasarımı ele alınmıştır. Sistemde güç üretimi için organik Rankine çevrimi kullanılmıştır. Bu sistem için kollektör yansıtıcı yüzey toplam alanı belirlenmesi, sistemde kullanılan ısı eşanjörlerinin tasarımı, kullanılan ısı transfer akışkanı ve organik iş akışkanı kütlesel debilerinin belirlenmesi ve buhar üretimi ile elektrik enerjisi üretimi amaçlanmıştır. Sistemin tasarım değerindeki güç kapasitesinde yıl boyunca çalışması için termal enerji depolama sistemi ve biyokütle destekli yakma sistemi ilave edilerek kullanılması planlanmıştır. Hesaplamalar System Advisor Model programı, Cycle Tempo 5.1 yazılımı ve termodinamik kanunlar kullanılarak yapılmıştır. Sistem için ideal iş akışkanı seçimi yapılmıştır. Güneş enerjisi için Dowtherm J ısı transfer akışkanı kullanılarak 84.803m2 toplam yansıtıcı yüzey alanına ihtiyaç duyulacağı sonucuna ulaşılmıştır. Evaporatör giriş/çıkış sıcaklığı 220℃/130℃ olarak belirlenmiş ve 1680m2 yüzey alanına sahip evaporatör ile 22.262,1kW thermal ısı yükü elde edilmiştir. Isı transfer akışkanının kütlesel debisi 112kg/s olarak bulunmuş, 210℃'de 30bar basınçta ve 43,1kg/s N-pentan organik iş akışkanı ile jeneratörde 5.000kW kurulu güç elde edileceği sonucuna ulaşılmıştır. Reküperatör ile güneş enerjisi kullanımı durumunda elde edilen enerji ve ekserji verimleri sırasıyla %22,2 ve %57,71 olarak belirlenmiştir. Ekserji yıkımının 995,36kW ile en fazla evaporatörde, 62,81kW ile en az pompada açığa çıktığı sonucuna ulaşılmıştır. Reküperatör kulanımı ile türbin çıkışındaki kızgın buhar fazındaki iş akışkanının enerjisinden faydalanarak evaporatör öncesi ön ısıtma yapılmasının sistem performansını artıracağı anlaşılmıştır. Temmuz ve Ağustos aylarında 2 saatlik depolama kapasitesine yetecek kadar enerji elde edildiğinden yaklaşık 2 saat depolama süresi ile 49,9MW ısı kapasitesine ve 641m3 depolama hacmine sahip ergimiş tuz depolama malzemesi ile termal enerji depolama sistemine ihtiyaç duyulacağı belirlenmiştir. Haziran-Ağustos aylarında biyokütle yakma sisteminin diğer aylara göre az devreye gireceği ve yakıt olarak yıllık toplamda yaklaşık 47 bin ton/saat biyokütle miktarına ihtiyaç duyulacağı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this thesis study, the design of solar energy thermal power plant with parabolic trough collector installed power capacity of 5MWe will be established according to the environmental conditions of Ankara in Turkey. Organic Rankine cycle is used for power generation. The aim of this system is to determine the total reflective surface area, to design heat exchangers, to determine mass flow rates of fluids and to produce electricity. To obtain design power capacity all over the year, sensible energy storage and biomass burning system has been integrated in the system. Calculations have been done by using System Advisor Model, Cycle Tempo 5.1 and thermodynamic laws. Working fluid selection has been made. Dowtherm J is selected as a heat transfer fluid for solar energy and 84.803m2 total reflective surface areas are calculated. The evaporator inlet/outlet temperature is determined as 220°C/130°C and a thermal load of 22,262.1kW is obtained with an evaporator having 1680m2 areas. The mass flow rate of the heat transfer fluid is found to be 112kg/s and installed power of 5,000kW power plant at a pressure of 30bar at 210°C with 43.1kg/s of N-pentane working fluid has been designed. With recuperator using solar energy, the energy and exergy efficiencies are obtained 22.2% and 57.71% respectively. The most exergy destruction has been reached 995.36kW in the turbine; the least exergy destruction has been reached 62.81kW in the pump. It has been understood that by using the recuperator, it is possible to utilize the energy of the working fluid in the superheat phase at the outlet of the turbine and increase the system performance. Since in the July and August months 2 hours storage energy is produced, it has been determined that a molten salt storage material with a thermal capacity of 49.9MW and a storage volume of 641m3 for 2 hours, will be required for a thermal energy storage system. In June-August, the biomass burning system will be less active than the other months and as a fuel about 47 thousand tons/hour of biomass will be needed per year has been understood.