THERMO-ENVIRONMENTAL ANALYSIS OF A NOVEL SOLAR AND BIOMASS-BASED MULTI-GENERATION SYSTEM EQUIPPED WITH NANOFLUID-BASED COMPOUND PARABOLIC COLLECTORS

Abstract

ABSTRACT

In recent decades, the supply of various types of energy has become the predominant application of distributed generation systems. The depletion of fossil fuels, rising electricity prices, climate change and a significant increase in energy demand are the main reasons for this trend. Solar, geothermal, wind and biomass energy technologies are among the emerging sciences due to their availability, low cost, and environmental impact during operation.

The current thesis proposes a novel multi-generation system, which is integrated with compound parabolic collectors and a biomass combustor. Besides thermodynamic and environmental analyzing the comprehensive system in a steady state, the feasibility of using nanofluids as an absorption fluid in the solar cycle and its effect on the overall performance of the mentioned system was studied. The multi-generation system is generally designed for generating electricity, cooling/heating, freshwater, drying, hot water, and hydrogen with the help of six subsystems, including a double stage refrigeration system, an organic Rankine cycle, a steam Rankine cycle, a dryer, a proton exchange membrane electrolyzer, and a multistage flash distillation system. Two types of nanoparticles (Graphene, Silver), which have various high-quality properties when used within the ethylene glycol, were chosen as heat transfer fluids in the solar cycle. The performance parameters of the base case thermodynamic analysis and some of the variable parameters were calculated and their effect on system performance was determined.

According to the results, the system performance actually improved when nanofluids were used as working fluids in the solar collector. It was found that the graphene nanoparticles were the most effective. The overall energy/exergy efficiencies were recorded for the multi-generation system, respectively, 34.72% and 20.73% when a base fluid was used. The overall efficiencies increased to 35.6% and 21.15% when graphene-ethylene glycol nanofluid was used. The highest exergy destruction rates of 15.42 MW and 9.14 MW were obtained for the steam and organic Rankine cycle subsystems, respectively. The freshwater production by the desalination subsystem was 37.93 kg/s and hydrogen production by PEM electrolyzer was 44.77 kg/h. The environmental impact assessment gave a strong impetus to switch to multi-generational systems as CO2 emissions decreased from 1123 kg/MWh using the single-generation system to 364 kg/MWh using the multi-generation system. According to the analyses, spike in solar irradiation, ambient temperature, output temperature of biomass combustor, nanofluids’ concentration, ORC working fluid, air-biomass flow rate, and inlet pressure of both Rankine cycles turbines positively affected the overall system performance.

ÖZET

Son yıllarda çeşitli enerji türlerinin temini dağıtılmış üretim sistemlerinin baskın uygulaması haline gelmiştir. Fosil yakıtların tükenmesi, artan elektrik fiyatları, iklim değişikliği ve enerji talebindeki önemli artış bu eğilimin ana nedenlerindendir. Güneş, jeotermal, rüzgar ve biyokütle enerjisi teknolojileri kullanılabilirlikleri, düşük maliyetleri ve işletme sırasındaki çevresel etkileri nedeniyle ortaya çıkan bilimler arasındadır.

Bu tez çalışması, bileşik parabolik kollektörler ve bir biyokütle yakıcı ile entegre edilmiş multi jenerasyon yeni bir sistem önermektedir. Sistemin kararlı durumda termodinamik ve çevresel analizinin yanı sıra nanoakışkanların güneş enerjisi çevriminde absorpsiyon sıvısı olarak kullanılmasının uygulanabilirliği ve sistemin genel performansı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Tasarlanan multi jenerasyon sistemi; elektrik, soğutma/ısıtma, tatlı su, kurutma, sıcak su ve hidrojen üretmek için; çift kademeli soğutma sistemi, organik Rankine çevrimi (ORC), buhar Rankine çevrimi, kurutucu, proton değişim membran elektrolizörü ve çok aşamalı bir flaş damıtma sisteminden oluşmaktadır. Güneş enerjisi çevriminde, ısı transfer akışkanı olarak etilen glikol içerisinde kullanıldığında üstün özelliklere sahip olan iki tip nanopartikül (Grafen ve Gümüş) seçilmiştir. Sistem performansı üzerine temel termodinamik analizi ve bazı değişken parametrelerinin etkisi belirlenmiştir.

Sonuçlara göre, güneş kollektöründe çalışma sıvıları olarak nanoakışkanlar kullanıldığında sistem performansı arttırdığı ve burada grafen nanoparçacıklarının en etkili olduğu bulunmuştur. Multi jenerasyon sisteminde baz akışkan kullanıldığında genel enerji/ekserji verimlilikleri sırasıyla %34.72 ve %20.73 olarak bulunmuştur. Grafen-etilen glikol nanoakışkan kullanıldığında genel verimlilik %35.6 ve %21.15’e yükselmiştir. En yüksek ekserji yıkımı sırasıyla 15,42 MW ve 9,14 MW ile buhar ve organik Rankine çevrimi alt sistemleri için elde edilmiştir. Damıtma ile tatlı su üretimi 37.93 kg/s ve PEM elektrolizörü tarafından hidrojen üretimi 44.77 kg/s’dir. Tek jenerasyon sistemi kullanıldığında CO2 emisyonları 1123 kg/MWh’den, multi jenerasyon sistemi kullanıldığında 364 kg/MWh’e düştüğü için çevresel etki değerlendirmesi multi jenerasyon sistemlere geçiş için güçlü bir ivme kazandırmıştır. Analizlere göre güneş ışınımı, ortam sıcaklığı, biyokütle yanma odasının çıkış sıcaklığı, nanoakışkanların konsantrasyonu, ORC çalışma sıvısı, hava-biyokütle akış hızı ve her iki Rankine çevrimi türbininin giriş basıncı genel sistem performansını olumlu yönde etkilemiştir.