Optimization and Thermal Performance Analysis of Supercritical Carbon Dioxide Brayton Cycles Driven by Solar Thermal Power Tower Systems

Abstract

في هذه الدراسة تم تحليل أداء برج الطاقة الحرارية الشمسية المركزة مع دورات ثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة. وقد تم تطوير نموذج رياضي لتحقيق أهداف هذه الدراسة. الجزء الأول من النموذج تعامل مع توليد حقل المرايا الأولي على شكل اشعاعي متداخل التكوين. ثم تم اختبار نتائج النموذج الرياضي لتقييم الأداء البصري لحقل المرايا. هناك خمسة معامل التي تشكل الأداء البصري لحقل المرايا مع البرج الشمسي وهي عامل جيب التمام، وعامل التوهين في الغلاف الجوي، و عامل التظليل والعرقلة وعامل الإعتراض وعامل إنعكاسية المرآة. ثم تم استخدام هذه المعامل لإيجاد أقصى قدر ممكن من الأداء البصري السنوي باستخدام طريقة التطور التفاضلي، التي تعتبر خوارزمية تطورية. بلغ المتوسط السنوي الأمثل للكفاءة البصرية للنظام الشمسي 0.5634 باستخدام نتائج التحسين. تم إجراء مقارنة بين مخرجات الطاقة الصافية والكفاءة الحرارية لدورات برايتون الي تعمل بثاني اكسيد الكربون. الدورات التي تم اخيارها هي دورة برايتون التقليدية ودورة برايتون المتجدده و دورة إعادة الضغط ودورة قبل ضغط ودورة توسيع الانقسام. واشارة النتائج إلى أن الدورة التي تحقق أعلى كفاءة حرارية هي دورة إعادة الضغط وكانت في الظهيرة بشهر يونيو حزيران. أداء دورة برايتون المتجددة كان أقل بقليل من دورة إعادة الظغط. ثم بعد ذلك تمت دراسة تفصيلية باستخدام دورة إعادة الضغط بسب اداءها العالي. حيث تم اختيارها واضافة خزان للحرارة المكتسبة من البرج الشمسي و من ثم تحليل هذا النظام متكاملا. تمت دراسة ثلاث حالات كان فيها التخزين الحراري التشغيلي لنطاقات مختلفة من الزمن. أولا عندما كان النظام يعمل فقط لساعات النهار، وثانيا عندما كان التشغيل من شروق الشمس حتى نهاية اليوم في منتصف الليل، وأخيرا عندما كان التشغيل ليوم كامل لمدة 24 ساعة. بالنسبة للحالة عندما يكون صافي انتاج الطاقة موحد ليوم كامل، تم إنتاج 17 ميغاواط في شهر مارس، 22 ميغاواط في شهر يونيو، و 10 ميغاواط في ديسمبر كانون الاول. أبديت ملاحظات مماثلة للحالات الأخرى. أجري هذا التحليل لمدينة الظهران بالمملكة العربية السعودية. وبالإضافة إلى ذلك تم إجراء تحليل الأداء لنظام برج الطاقة الشمسية الحرارية عند دمجه مع دورة إعادة الضغط لستة مواقع مختلفة في المملكة العربية السعودية وإعتبار تغيّر شدة الإشعاع الشمسي لكل مدينة. وكانت المدن المختارة تبوك (شمال) والمدينة المنورة (غرب) والظهران (شرق) والرياض (وسط) وبيشة (جنوب) ونجران (جنوب). في هذه الحالة تم استخدام الوقود الإحفوري عند ضعف التركيز الأشعاعي للأشعة الشمسية ولايوجد خزانات للحرارة المتولدة وتم تحليل اداء النضام خلال ساعات النهار. وكشفت النتائج أن أعلى متوسط للحرارة السنوية التي تم جمعها كان للمدينة المنورة بمقدار 938400 كيلو واط ساعة / يوم، وكان ثاني أعلى معدل لتبوك بمقدار933100 كيلو واط ساعة / يوم. ونتيجة لذلك، كان أقل قدر من التهجين السنوي المتوسط للوقود اللازم 5.82٪ للمدينة المنورة و 6.34٪ لتبوك.