Computational fluid dynamics analysis of a thermocline thermal storage unit for solar thermal applications
Computational fluid dynamics analysis of a thermocline thermal storage unit for solar thermal applications
Tarih
2018
Yazarlar
Asaditaheri, Azin
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Enerji Enstitüsü
Özet
World energy consumption increases every year therefore new power plants are
necessary to meet the demand. Among many energy production systems, it is expected
that share of renewable energy in total production is going to grow more than others
due to environmental concerns and achievements at cost reduction. One of the
renewable energy sources is sun and a solar power plant captures the sunlight and
converts it into electricity.
There are several ways to harvest the sun’s energy. Photovoltaic systems use panels to
directly convert sunlight into electricity whereas solar concentrating systems use
mirrors to reflect and focus sunlight on heat collecting component of the system where
heat is transferred to a fluid which is used to generate steam to turn the turbine and
generator to generate electricity as in thermal or nuclear power plants.
Concentrating solar systems has various configurations such as parabolic through,
parabolic dish, and central tower. In parabolic through systems, there are reflector
mirrors and receiver tubes which are located at focal axis of mirrors. Sun rays are
reflected to the receiver tube and heat is transferred to fluid inside the tube. This fluid
is then used with conventional steam generator to produce electricity. In parabolic dish
systems, sun rays are reflected to the center of the dish where receiver is placed. The
heat machine on the receiver that moves with the dish uses Stirling or Brighton cycle
for power conversion. On the other hand, in central tower systems sun rays are
reflected to the receiver at the top of the tower by mirrors around the tower.
Conventional steam generator is used for electricity generation.
The electricity form solar power plant is categorized as intermittent electricity due to
the fact that it cannot be continuously available. As a result, fluctuating demand of
electricity cannot be met therefore solar power plants are considered non-dispatchable.
On the other hand, it is possible to constrain intermittency either with direct electricity
storage for photovoltaic systems or with thermal energy storage for concentrating
systems. In thermal energy storage, some of the heat form the receiver is stored in the
storage unit for later use. Since storing thermal energy is cheaper than storing
electricity itself, the focus is on development of thermal energy storage systems.
Efficient and cost-effective storage is an important tool to increase the share of solar
energy in the electricity market.
There are two options available for thermal energy storage: two-tank storage and
single-tank thermocline storage. In two tank storage, during charge cycle, fluid from
cold tank passes through a heat exchanger if system is indirect or collector field if
system is direct to hot tank and during discharge cycle fluid moves back from hot tank
to cold tank after passing through steam generator. In single-tank thermocline storage,
there is a filler material in the tank as energy storage medium. During charge cycle,
cold fluid moves from the bottom of the tank towards the heat exchanger and returns to the tank from the top as hot fluid and during discharge cycle, hot fluid moves from
the top of the tank towards heat exchanger and returns the tank from the bottom as cold
fluid. Since part of fluid in the two-tank storage system is replaced with a filler material
which is usually cheap, single-tank thermocline storage offers cost-effective energy
storage.
In the scope of this thesis, single-tank thermocline thermal energy storage discharge
cycle analysis with computational fluid dynamics (CFD) was considered because the
literature review showed that focus is generally on the properties of storage tanks and
sensitivity analysis of storage tanks with correlation and formulation.
Therefore, with the CFD analysis stream-lines and velocity and temperature
distribution in the thermocline tank together with the effects of porosity, sphericity and
type of fluid on discharge process were investigated. Seven different heat transfer
fluids having various specific heat capacity values were considered. In order to see the
effect of porosity in the tank, three porosity values were selected. The effect of the
filler material geometry was included by using four different sphericity values.
First of all, the geometry of the thermocline tank was determined with literature
review. Then, the mathematical model to perform simulations were defined. The
governing equations of continuity, time dependent momentum, and time dependent
energy are included in openFOAM CFD code. Governing equations include not only
effective conductivity and Forchheimer-Brinkman approximation but also
Bouyssinisq approximation. The grid independence study which guarantees the
independence of results from the mesh size was performed. Later, base input of the
CFD code which includes the model of the reference thermocline tank from literature
was validated by comparing simulation results with experimental data. Finally,
simulations were performed with selected heat transfer fluids for different operating
conditions i.e., porosity and sphericity and their effect on thermocline storage tank
energy deposition and energy generation was discussed.
The simulation results showed that when the fluid has high value of volumetric heat
capacity (VHC), the initial energy stored in the tank increases. In addition, if VHC
value of the fluid is lower than the value for the filler material, initial energy stored in
the tank is mainly stored in the filler material. The percentage of the stored energy in
the solid drops as low as 50% if the fluid has high VHC and tank has high porosity.
Furthermore, for fluids with high values of VHC, when the porosity of the thermocline
tank increases, the amount of energy remained in the tank during discharge cycle
increases. On the other hand, fluids with low values of VHC, higher porosity value
results in lower remaining energy in the tank. On the other hand, temperature profiles
and streamlines of the 6 hours of discharge showed that for low values of porosity,
higher sphericity value prevents mixing of hot and cold fluid and results in better
discharge performance. It is clear from the simulations that discharge behaviour of the
storage tank mainly depends on the relation between the VHC of fluid and solid filler
material, high value of sphericity provides positive effect on discharge performance as
long as porosity is low, and porosity value selection must include fluid and solid VHC
values.
Future studies can be done to increase the efficiency of the tank by improving stream-
line pattern. It is known that when the stream-lines are uniform, mixing of hot and cold
fluid reduces and efficiency of the tank increases. It is possible to reach this goal by
making modifications inside the tank such as creating lanes for the flow. Another
possible area of study can be usage of nano-fluids as heat transfer medium. These studies can be performed efficiently with computational fluid dynamics simulations
which use the experimentally verified mathematical model developed in this study.
Enerji tüketimi her yıl artmaktadır ve bu nedenle talebi karşılayacak yeni güç santrallerine ihtiyaç duyulmaktadır. Tüm enerji üretim sistemleri arasında yenilenebilir enerjinin payının çevresel kaygılar ve maliyetlerin azaltılmasındaki başarılar nedeniyle artması beklenmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri güneştir ve güneş santralleri güneş enerjisini elektriğe dönüştüren sistemlerdir. Güneş enerjisini kullanmanın çeşitli yolları vardır. Fotovoltaik paneller ile güneş enerjisini direkt olarak elektriğe çevirmek mümkünken, yoğunlaştırılmış sitemlerde güneş ışığının belirli bir noktaya odaklanarak yansıtılması ile enerjinin ısı taşıyıcı bir akışkana iletilip nükleer ya da termik santrallerdeki gibi buhar çevrimi yolu ile elektrik üretilmesi de mümkündür. Yoğunlaştırılmış güneş sistemleri parabolik oluk, parabolik çanak ve merkezi kule gibi değişik düzenlerde olabilir. Parabolik oluk sistemlerinde odak noktalarının ekseninde içinde akışkan dolaşan alıcı tüplerin bulunduğu yansıtıcı aynalar mevcuttur. Aynaya ulaşan güneş ışınları yansıyarak alıcı tüplerin içindeki akışkanı ısıtırlar. Bu akışkan daha sonra konvansiyonel buhar üreteçleri ile elektrik üretiminde kullanılır. Parabolik çanak sistemlerinde ise çanak eksenine paralel olarak gelen güneş ışınları aynalar tarafından çanak merkezine yansıtılarak buradaki alıcıya ulaştırılır. Toplanan ısı çanak ile birlikte hareket eden alıcıdaki ısı makinası ile Stirling veya Brighton çevrimi için kullanılır. Diğer bir taraftan, merkezi kule sistemlerinde pek çok yansıtıcı ayna güneş ışınlarını merkezi kulenin tepesinde bulunan alıcıya iletirler. Alıcıda ısınan akışkan konvansiyonel buhar üreteçlerinde elektrik üretimi için kullanılır. Güneş santralleri elektriği sürekli olarak üretilemediği için bu elektrik kesintili elektrik olarak kategorize edilir. Bu nedenle, elektrik talebindeki dalgalanmalar karşılanamaz. Diğer bir taraftan, kesintili elektrik üretimi fotovoltaik sistemlerde elektriğin direkt depolanması, yoğunlaştırılmış sistemlerde ise termal enerji depolama ile kısmen engellenebilir. Termal enerji depolamada alıcıdan gelen ısının bir kısmı daha sonra kullanılmak üzere depolanır. Elektriği depolamak termal enerjiyi depolamaktan pahalı olduğu için termal enerji depolama sistemlerine odaklanılmıştır. Verimli ve uygun maliyetli termal enerji depolama güneş enerjisinin elektrik üretim piyasasındaki yerinin arttırılmasında önemli bir unsurdur. Termal enerji depolamada iki yöntem mevcuttur: iki-tank depolama ve tek-tank termoklin depolama. İki-tank depolamada, dolum çevriminde soğuk tanktaki akışkan endirekt sistemlerde ısı değiştiriciden direkt sistemlerde ise kollektör alanından geçerek sıcak tanka, boşaltım çevriminde ise sıcak tanktaki akışkan buhar üretecinden geçtikten sonra soğuk tanka geri döner. Tek-tank termoklin depolamada ise bir tank vardır ve tankın içi katı bir dolgu malzemesi ile doludur. Bu kısım asıl termal depolama ortamıdır. Dolum çevriminde, soğuk akışkan tankın alt kısmından çekilerek ısı değiştiriciye yönlendirilir ve ısınmış olarak tankın üst kısmından tanka geri döner. Boşaltım çevriminde ise sıcak akışkan tankın üst kısmından çekilerek ısı değiştiricisine gidip ısısını kaybederek tanka soğumuş olarak alt kısımdan giriş yapar. İki-tank depolamada kullanılan ve genellikle pahalı olan akışkan nispeten daha ucuz dolgu malzemesi ile değiştirildiğinden, tek-tank termoklin depolama daha ekonomik bir enerji depolama sağlamaktadır. Bu tez kapsamında, hesaplamalı akış dinamiği ile tek-tank termoklin termal enerji depolama sistemi boşaltım döngüsü analiz edilmiştir. Çalışmanın temelini literatürde yapılan çalışmaların daha çok tank özellikleri üzerine ve hassasiyet analizlerinin ise genellikle korelasyonlar ile yapılması oluşturmaktadır. Bu nedenle, hesaplamalı akış dinamiği benzeşimleri ile tank içindeki akış hatları ile sıcaklık ve hız dağılımlarını gözlemek mümkündür. Ayrıca boşluk oranı, küresellik faktörü ve farklı akışkanların boşaltım çevrimi üzerindeki etkilerini de incelemek mümkündür. Bu çalışmada yedi akışkan dikkate alınmıştır. Ayrıca, üç farklı boşluk oranı ve dolgu malzemesinin etkilerinin incelenmesi için de dört farklı küresellik faktörü kullanılmıştır. Çalışmada ilk olarak modellenecek termoklin tank literatür taraması sonucu belirlenmiştir. Ardından, benzeşimlerde kullanılacak matematik model oluşturulmuştur. Süreklilik, zamana bağlı momentum ve zamana bağlı enerji korunum denklemleri hesaplamalı akış dinamiği kodu openFOAM’a dâhil edilmiştir. Korunum denklemleri sadece efektif ısıl iletkenlik ve Forchheimer-Brinkman yaklaşımlarını değil Bouyssinisq yaklaşımını da içermektedir. Daha sonra, benzeşim sonuçlarının geometri için oluşturulan kafes sisteminden bağımsız olması sağlanmıştır. Ardından, referans tank için oluşturulan temel girdi verisi benzeşim sonuçları deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmış böylece geometrik ve matematik modellerin düzgün bir biçimde oluşturulduğu doğrulanmıştır. Son olarak, seçilen akışkanların ve çalışma koşullarının (değişik boşluk oranları ve küresellik faktörleri) boşaltım çevrimi üzerindeki etkilerini araştırmak üzere pek çok benzeşim yapılmış ve sonuçlar tartışılmıştır. Benzeşim sonuçlarına göre, yüksek hacimsel ısı kapasitesine (HIK) sahip akışkanlar tank içinde daha fazla ilk enerji depolanmasını sağlamaktadırlar. Bununla birlikte, akışkanın HIK değeri katı dolgu maddesinin HIK değerinden az ise depolanan enerji çoğunlukla katı dolgu maddesinde bulunmaktadır. Katıda depolanan enerji HIK değeri ve boşluk oranı arttıkça %50 seviyelerine kadar düşmektedir. Gözlenen bir diğer olgu da yüksek HIK değerine sahip akışkanlar için boşluk oranı arttıkça boşaltım sonunda tankta kalan enerjinin artmasıdır. Bu durum düşük HIK değerine sahip akışkanlarda ise tam tersidir. Ancak, 6 saatlik boşaltımın zamanla tank içinde neden olduğu sıcaklık dağılımına bakıldığında düşük boşluk oranı için küresellik faktörünün artması sıcak ve soğuk sıvının karışmasını engellemekte ve tank performansını arttırmaktadır. Simülasyon sonuçlarına göre, boşaltım döngüsünün ısıl davranışı çoğunlukla akışkan ve katı dolgu malzemelerinin HIK değerleri arasındaki ilişkiye bağlıdır, düşük boşluk oranı ile yüksek küresellik faktörünün kullanılması tank performansını olumlu yönde etkilemektedir ve tank için belirlenecek olan boşluk oranı ve küresellik faktöründe katı dolgu maddesinin ve akışkanın hacimsel ısı kapasiteleri dikkate alınmalıdır. Bu çalışmanın devamında tank verimini arttırmak için akış hatları üzerinde iyileştirme çalışmaları yapılabilir. Bilindiği üzere akış hatları düzgün olduğunda, soğuk ve sıcak akışkanın karışması azalacak ve tank verimi artacaktır. Bu amaçla tank içinde akış şeritleri oluşturmak gibi bir takım tasarım değişiklikleri yapılabilir. Bir başka muhtemel çalışma alanı da nano-akışkanların ısı transfer sıvısı olarak kullanılması olabilir. Deneysel veriler ile doğrulanan, tezde oluşturulan matematiksel modeli kullanan hesaplamalı akış dinamiği benzeşimleri ile bu tür çalışmalar hızlı bir şekilde yapılabilir.
Enerji tüketimi her yıl artmaktadır ve bu nedenle talebi karşılayacak yeni güç santrallerine ihtiyaç duyulmaktadır. Tüm enerji üretim sistemleri arasında yenilenebilir enerjinin payının çevresel kaygılar ve maliyetlerin azaltılmasındaki başarılar nedeniyle artması beklenmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri güneştir ve güneş santralleri güneş enerjisini elektriğe dönüştüren sistemlerdir. Güneş enerjisini kullanmanın çeşitli yolları vardır. Fotovoltaik paneller ile güneş enerjisini direkt olarak elektriğe çevirmek mümkünken, yoğunlaştırılmış sitemlerde güneş ışığının belirli bir noktaya odaklanarak yansıtılması ile enerjinin ısı taşıyıcı bir akışkana iletilip nükleer ya da termik santrallerdeki gibi buhar çevrimi yolu ile elektrik üretilmesi de mümkündür. Yoğunlaştırılmış güneş sistemleri parabolik oluk, parabolik çanak ve merkezi kule gibi değişik düzenlerde olabilir. Parabolik oluk sistemlerinde odak noktalarının ekseninde içinde akışkan dolaşan alıcı tüplerin bulunduğu yansıtıcı aynalar mevcuttur. Aynaya ulaşan güneş ışınları yansıyarak alıcı tüplerin içindeki akışkanı ısıtırlar. Bu akışkan daha sonra konvansiyonel buhar üreteçleri ile elektrik üretiminde kullanılır. Parabolik çanak sistemlerinde ise çanak eksenine paralel olarak gelen güneş ışınları aynalar tarafından çanak merkezine yansıtılarak buradaki alıcıya ulaştırılır. Toplanan ısı çanak ile birlikte hareket eden alıcıdaki ısı makinası ile Stirling veya Brighton çevrimi için kullanılır. Diğer bir taraftan, merkezi kule sistemlerinde pek çok yansıtıcı ayna güneş ışınlarını merkezi kulenin tepesinde bulunan alıcıya iletirler. Alıcıda ısınan akışkan konvansiyonel buhar üreteçlerinde elektrik üretimi için kullanılır. Güneş santralleri elektriği sürekli olarak üretilemediği için bu elektrik kesintili elektrik olarak kategorize edilir. Bu nedenle, elektrik talebindeki dalgalanmalar karşılanamaz. Diğer bir taraftan, kesintili elektrik üretimi fotovoltaik sistemlerde elektriğin direkt depolanması, yoğunlaştırılmış sistemlerde ise termal enerji depolama ile kısmen engellenebilir. Termal enerji depolamada alıcıdan gelen ısının bir kısmı daha sonra kullanılmak üzere depolanır. Elektriği depolamak termal enerjiyi depolamaktan pahalı olduğu için termal enerji depolama sistemlerine odaklanılmıştır. Verimli ve uygun maliyetli termal enerji depolama güneş enerjisinin elektrik üretim piyasasındaki yerinin arttırılmasında önemli bir unsurdur. Termal enerji depolamada iki yöntem mevcuttur: iki-tank depolama ve tek-tank termoklin depolama. İki-tank depolamada, dolum çevriminde soğuk tanktaki akışkan endirekt sistemlerde ısı değiştiriciden direkt sistemlerde ise kollektör alanından geçerek sıcak tanka, boşaltım çevriminde ise sıcak tanktaki akışkan buhar üretecinden geçtikten sonra soğuk tanka geri döner. Tek-tank termoklin depolamada ise bir tank vardır ve tankın içi katı bir dolgu malzemesi ile doludur. Bu kısım asıl termal depolama ortamıdır. Dolum çevriminde, soğuk akışkan tankın alt kısmından çekilerek ısı değiştiriciye yönlendirilir ve ısınmış olarak tankın üst kısmından tanka geri döner. Boşaltım çevriminde ise sıcak akışkan tankın üst kısmından çekilerek ısı değiştiricisine gidip ısısını kaybederek tanka soğumuş olarak alt kısımdan giriş yapar. İki-tank depolamada kullanılan ve genellikle pahalı olan akışkan nispeten daha ucuz dolgu malzemesi ile değiştirildiğinden, tek-tank termoklin depolama daha ekonomik bir enerji depolama sağlamaktadır. Bu tez kapsamında, hesaplamalı akış dinamiği ile tek-tank termoklin termal enerji depolama sistemi boşaltım döngüsü analiz edilmiştir. Çalışmanın temelini literatürde yapılan çalışmaların daha çok tank özellikleri üzerine ve hassasiyet analizlerinin ise genellikle korelasyonlar ile yapılması oluşturmaktadır. Bu nedenle, hesaplamalı akış dinamiği benzeşimleri ile tank içindeki akış hatları ile sıcaklık ve hız dağılımlarını gözlemek mümkündür. Ayrıca boşluk oranı, küresellik faktörü ve farklı akışkanların boşaltım çevrimi üzerindeki etkilerini de incelemek mümkündür. Bu çalışmada yedi akışkan dikkate alınmıştır. Ayrıca, üç farklı boşluk oranı ve dolgu malzemesinin etkilerinin incelenmesi için de dört farklı küresellik faktörü kullanılmıştır. Çalışmada ilk olarak modellenecek termoklin tank literatür taraması sonucu belirlenmiştir. Ardından, benzeşimlerde kullanılacak matematik model oluşturulmuştur. Süreklilik, zamana bağlı momentum ve zamana bağlı enerji korunum denklemleri hesaplamalı akış dinamiği kodu openFOAM’a dâhil edilmiştir. Korunum denklemleri sadece efektif ısıl iletkenlik ve Forchheimer-Brinkman yaklaşımlarını değil Bouyssinisq yaklaşımını da içermektedir. Daha sonra, benzeşim sonuçlarının geometri için oluşturulan kafes sisteminden bağımsız olması sağlanmıştır. Ardından, referans tank için oluşturulan temel girdi verisi benzeşim sonuçları deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmış böylece geometrik ve matematik modellerin düzgün bir biçimde oluşturulduğu doğrulanmıştır. Son olarak, seçilen akışkanların ve çalışma koşullarının (değişik boşluk oranları ve küresellik faktörleri) boşaltım çevrimi üzerindeki etkilerini araştırmak üzere pek çok benzeşim yapılmış ve sonuçlar tartışılmıştır. Benzeşim sonuçlarına göre, yüksek hacimsel ısı kapasitesine (HIK) sahip akışkanlar tank içinde daha fazla ilk enerji depolanmasını sağlamaktadırlar. Bununla birlikte, akışkanın HIK değeri katı dolgu maddesinin HIK değerinden az ise depolanan enerji çoğunlukla katı dolgu maddesinde bulunmaktadır. Katıda depolanan enerji HIK değeri ve boşluk oranı arttıkça %50 seviyelerine kadar düşmektedir. Gözlenen bir diğer olgu da yüksek HIK değerine sahip akışkanlar için boşluk oranı arttıkça boşaltım sonunda tankta kalan enerjinin artmasıdır. Bu durum düşük HIK değerine sahip akışkanlarda ise tam tersidir. Ancak, 6 saatlik boşaltımın zamanla tank içinde neden olduğu sıcaklık dağılımına bakıldığında düşük boşluk oranı için küresellik faktörünün artması sıcak ve soğuk sıvının karışmasını engellemekte ve tank performansını arttırmaktadır. Simülasyon sonuçlarına göre, boşaltım döngüsünün ısıl davranışı çoğunlukla akışkan ve katı dolgu malzemelerinin HIK değerleri arasındaki ilişkiye bağlıdır, düşük boşluk oranı ile yüksek küresellik faktörünün kullanılması tank performansını olumlu yönde etkilemektedir ve tank için belirlenecek olan boşluk oranı ve küresellik faktöründe katı dolgu maddesinin ve akışkanın hacimsel ısı kapasiteleri dikkate alınmalıdır. Bu çalışmanın devamında tank verimini arttırmak için akış hatları üzerinde iyileştirme çalışmaları yapılabilir. Bilindiği üzere akış hatları düzgün olduğunda, soğuk ve sıcak akışkanın karışması azalacak ve tank verimi artacaktır. Bu amaçla tank içinde akış şeritleri oluşturmak gibi bir takım tasarım değişiklikleri yapılabilir. Bir başka muhtemel çalışma alanı da nano-akışkanların ısı transfer sıvısı olarak kullanılması olabilir. Deneysel veriler ile doğrulanan, tezde oluşturulan matematiksel modeli kullanan hesaplamalı akış dinamiği benzeşimleri ile bu tür çalışmalar hızlı bir şekilde yapılabilir.
Açıklama
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Energy Institute, 2018
Anahtar kelimeler
Güneş,
Solar,
Güneş manyetik alanları,
Solar magnetic fields,
Solar thermal energy,
Güneş gücü santralleri