THERMODYNAMIC ANALYSIS OF SOLAR OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION SYSTEM

Abstract

ABSTRACT

Ocean thermal energy conversion (OTEC) is a way to use ocean energy to generate electricity by exploiting the temperature difference between the ocean surface and depth. This system, which uses ammonia as the working fluid, generates energy by pumping cold water from a depth of 1000 m and hot water from a depth of 35 m. In order for this system to work efficiently, there must be a temperature difference of at least 20 °C between the surface and depth temperatures. This temperature difference cannot be reached during the cold seasons when the air temperature and solar radiation decrease. Another reason for not being able to reach this temperature difference is that in systems established near shallow sea coasts, sufficient cold water cannot be obtained due to the low depth. Achieving this required temperature difference continuously for a year is possible with the system called solar ocean thermal energy conversion (SOTEC), which uses solar panels. In this research, it is thermodynamically investigated how the inlet temperature of the evaporator used in the SOTEC system is increased by solar panels and thus the amount of energy that can be obtained and the efficiency of the system are increased. The optimum value of the mass flow rate of the working fluid ammonia, which will maximize the efficiency of the system, has been calculated. In this study, thermodynamic calculations were made by using the sea water 2020 temperature values near Alanya, Turkey, as input in the computer package program called TRNSYS. For this 120 kW SOTEC system, it has been calculated that the solar panel surface area to be used should be 5000 m2. It was determined that the optimum ammonia mass flow rate, which maximizes the efficiency of the system, is 1.9 kg/s. The maximum value of the efficiency of the system was calculated as 78%. This value is 1.4 times the OTEC system efficiency. In conclusion, this study shows that the use of solar panels is an effective way to improve system performance.

ÖZET

Okyanus ısıl enerji dönüşümü (OTEC), okyanus yüzeyi ve derinliği arasındaki sıcaklık farkından yararlanarak elektrik üretmek için okyanus enerjisini kullanmanın bir yoludur. Çalışma akışkanı olarak amonyağı kullanan bu sistem, 1000 m derinlikten soğuk su ve 35 m derinlikten sıcak su pompalayarak enerji üretiyor. Bu sistemin verimli çalışabilmesi için yüzey ve derinlik sıcaklıkları arasında en az 20 °C sıcaklık farkı olması gerekir. Bu sıcaklık farkına, hava sıcaklığının ve güneş ışınımının azaldığı soğuk mevsimlerde ulaşılamamaktadır. Bu sıcaklık farkına ulaşamamanın diğer bir nedeni de, sığ deniz kıyılarına yakın yerlerde kurulan sistemlerde, az derinlikten dolayı yeterli soğuklukta suyun elde edilememesidir. Bu gerekli sıcaklık farkının bir yıl boyunca sürekli olarak elde edilebilmesi, güneş panelleri kullanan güneş enerjili okyanus ısıl enerji dönüşümü (SOTEC), adlı sistem ile mümkün olabilmektedir. Bu araştırmada, SOTEC sisteminde kullanılan evaporatörün giriş sıcaklığının, güneş panelleriyle artırılması ve böylece elde edilebilecek enerji miktarının ve sistem veriminin nasıl arttırıldığı termodinamik açıdan incelenmiştir. Sistemin verimini maksimum yapacak, çalışma akışkanı amonyağın kütlesel debisinin optimum değeri hesaplanmıştır. Bu çalışmada, Türkiye Alanya yakınıdaki deniz suyu 2020 sıcaklık değerleri, TRNSYS adlı bilgisayar paket programında girdi olarak kullanılarak termodinamik hesaplamalar yapılmıştır. 120 kW gücündeki bu SOTEC sistemi için, kullanılması gereken güneş panel yüzey alanının 5000 m2 olması gerektiği hesaplanmıştır. Sistemin verimini maksimum yapan optimum amonyak kütlesel debisinin 1,9 kg/s olduğu belirlenmiştir. Sistemin veriminn maksimum değeri, %78 olarak hesaplanmıştır. Bu değer, OTEC sistem veriminin 1,4 katıdır. Sonuç olarak, bu çalışma güneş panellerinin kullanımının sistem performansını iyileştirmede etkili bir yol olduğunu göstermektedir.