Μελέτη συστήματος τριπαραγωγής με υπερκρίσιμο CO2 αξιοποιώντας ηλιακή ενέργεια

Γεωργούσης, Νικόλαος; Γεωργούσης, Νικόλαος

dc.contributor.author	Γεωργούσης, Νικόλαος	el
dc.contributor.author	Γεωργούσης, Νικόλαος	en
dc.date.accessioned	2022-04-08T10:22:28Z
dc.date.available	2022-04-08T10:22:28Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55038
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22736
dc.rights	Default License
dc.subject	Πολυπαραγωγή	el
dc.subject	Συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα	el
dc.subject	Παραβολικός ηλιακός συλλέκτης	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Οικονομική ανάλυση	el
dc.title	Μελέτη συστήματος τριπαραγωγής με υπερκρίσιμο CO2 αξιοποιώντας ηλιακή ενέργεια	el
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Investigation of a supercritical CO2 based trigeneration system utilizing solar energy	el
heal.classification	Τριπαραγωγή με ηλιακή ενέργεια	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-09-02
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας μελέτης αποτελεί η ανάλυση συστήματος τριπαραγωγής αξιοποιώντας ηλιακή ενέργεια. Η άμεση ηλιακή ακτινοβολία συλλέγεται από διάταξη συγκεντρωτικών συλλεκτών παράγοντας θερμότητα σε κατάλληλη θερμοκρασία η οποία και αποθηκεύεται. Το σύστημα αποθήκευσης τροφοδοτεί τον κύκλο τριπαραγωγής και συγκεκριμένα τον βασικό εργοπαραγωγό κύκλο που στη συνέχεια απορρίπτει θερμότητα για την περαιτέρω παραγωγή των επιθυμητών ενεργειακών προϊόντων. Ο βασικός εργοπαραγωγός κύκλος παράγει το σημαντικότερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας και έπειτα η απορριπτόμενη θερμότητα χρησιμοποιείται για την παραγωγή ψυκτικής ισχύος και την παραγωγή ωφέλιμης θερμότητας, ωστόσο εξετάζεται και η περαιτέρω παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος από δεύτερο κύκλο χαμηλότερων θερμοκρασιών. Οι εκάστοτε μονάδες μελετώνται θερμοδυναμικά, ενεργειακά και εξεργειακά, και οικονομικά, διερευνώνται ως προς συγκεκριμένους λειτουργικούς στόχους, σημαντικούς για την αξιολόγηση και σύγκριση τους, και βελτιστοποιούνται ως προς αυτούς. Για τα υπολογιστικά μέρη αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν κατάλληλα υπολογιστικά εργαλεία βασισμένα στις θερμοδυναμικές αρχές που διέπουν τα υπόψη συστήματα αλλά και διεθνώς χρησιμοποιούμενα μοντέλα και μεθόδους. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται η τοποθέτηση του σύγχρονου τρόπου ζωής και της κοινωνίας απέναντι στην ενέργεια. Περιγράφεται η ενεργειακή κατάσταση σε παγκόσμιο αλλά και ελληνικό επίπεδο, παρουσιάζονται οι μελλοντικές βλέψεις για την ενεργειακή πορεία, το αντίκτυπο της τρέχουσας ενεργειακής πολιτικής σε περιβαλλοντικό επίπεδο αλλά και κοινωνικό με σκοπό την στροφή προς σενάριο αειφόρους ανάπτυξης. Για την επίτευξη των στόχων αυτών καθίσταται αναγκαία η εκτενέστερη ένταξη και αξιοποίηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, στις οποίες ανήκει και η ηλιακή ενέργεια. Το δεύτερο κεφάλαιο αποτελεί το θεωρητικό θερμοδυναμικό υπόβαθρό των συστημάτων ενεργειακών μετατροπών. Παρουσιάζονται τα θερμοδυναμικά αξιώματα και οι ορισμοί βασικών θερμοδυναμικών μεγεθών που περιγράφουν την λειτουργία θερμοδυναμικών κύκλων. Αναφέρονται κύριοι θερμικοί κύκλοι υγρού (νερού και οργανικών εργαζόμενων μέσων) και αερίου αλλά και ψυκτικοί κύκλοι και αναλύονται ως προς τις αρχές λειτουργίας τους και τις διαφορετικές τροποποιήσεις και κατηγορίες αυτών. Έπειτα, παρατίθεται η λειτουργία συνδυασμένων κύκλων και κύκλων συμπαραγωγής. Τονίζεται η σημασία τους ως προς την αποδοτικότερη αξιοποίηση της ενεργειακής πηγής και σχολιάζονται οι διαφορετικές μονάδες αυτών. Στο τρίτο κεφάλαιο εισάγεται η ηλιακή ενέργεια ως έννοια ανανεώσιμης πηγής ενέργειας. Αναλύονται οι βασικές αρχές της ηλιακής ακτινοβολίας, παρουσιάζονται οι διάφορες εφαρμογές αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας και περιγράφονται οι χρησιμοποιούμενοι ηλιακοί συλλέκτες για την δέσμευση της ηλιακής ακτινοβολίας καθώς και τρόποι αποθήκευσης της ηλιακής ενέργειας. Παρατίθενται τα διάφορα είδη συλλεκτών τονίζοντας τις κατηγορίες των συγκεντρωτικών που κρίνονται κατάλληλοι για ηλεκτροπαραγωγή, όπως και των αντίστοιχων μεθόδων αποθήκευσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται πλέον η εισαγωγή στις μονάδες που θα εξετασθούν. Ο σκοπός είναι η τριπαραγωγή με ηλιακή ενέργεια. Επιλέχθηκαν συγκεντρωτικοί παραβολικοί συλλέκτες (parabolic through collectors – PTC) και η αποθήκευση της παραγόμενης θερμότητας γίνεται με άμεση ενεργό τρόπο σε ένα δοχείο αποθήκευσης. Το θερμικό ρευστό των συλλεκτών και του δοχείου επιλέχθηκε να είναι τηγμένο άλας (molten salt) λόγο των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων του. Ο βασικός κύκλος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι κύκλος Brayton με υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Η παραγωγή ψύξης πραγματοποιείται με απόρριψη θερμότητας από τον κύκλο Brayton σε ψυκτικό κύκλο με απορρόφηση θερμότητας LiBr-H2O, ενώ η παραγωγή θερμότητας προορίζεται για παραγωγή ζεστού νερού οικιακής χρήσης. Ωστόσο, εναλλακτική μονάδα τριπαραγωγής αποτελεί εκείνη στην οποία εκτός των προαναφερθέντων συστημάτων αξιοποιεί απορριπτόμενη θερμότητα από τον κύκλο Brayton για περαιτέρω παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από οργανικό κύκλο Rankine (Organic Rankine Cycle – ORC) κατάλληλου εργαζόμενου μέσου. Περιγράφονται τα χρησιμοποιούμενα συστήματα, η μοντελοποίηση και οι εξισώσεις επίλυσης τους. Καθορίζονται οι σχεδιαστικές παράμετροι και πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας της λειτουργίας των μονάδων από την μεταβολή αυτών, υπό σταθερές περιβαλλοντικές συνθήκες και βέλτιστη απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας από τους συλλέκτες. Τέλος, διεξάγονται βασικά συμπεράσματα για την λειτουργία των μονάδων που στελεχώνουν την θερμοδυναμική βελτιστοποίηση υπό τις καθορισμένες συνθήκες λειτουργίας. Στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιείται η θερμοδυναμική βελτιστοποίηση των δύο μονάδων (με και χωρίς ORC). Αναλύεται ο καθορισμός των σχεδιαστικών παραμέτρων που, πλέον, χρήζουν βελτιστοποίησης και των στόχων. Οι στόχοι είναι τα θερμοδυναμικά κριτήρια της μεγιστοποίησης του ηλεκτρικού και εξεργειακού βαθμού απόδοσης των μονάδων για τις παρούσες συνθήκες λειτουργίας. Επιπλέον, εισάγονται και τα κόστη των εγκαταστάσεων ώστε το συμπέρασμα που θα διεξαχθεί θερμοδυναμικά να εξετασθεί και οικονομικά. Από το κεφάλαιο αυτό με την θερμοδυναμική βελτιστοποίηση γίνεται κατάληξη σε δύο μονάδες (με και χωρίς ORC) οι οποίες πρόκειται να αναλυθούν σε ετήσια βάση. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το μοντέλο της δυναμικής ετήσιας ανάλυσης των μονάδων με δεδομένα της Αθήνας. Περιγράφονται οι αλγόριθμοι μοντελοποίησης της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας, της θερμοκρασίας περιβάλλοντος, των συλλεκτών και του δοχείου αποθήκευσης με σκοπό την περιγραφή της ετήσιας λειτουργίας. Ωστόσο, παρατίθενται σημαντικά δεδομένα των μονάδων στο σημείο σχεδιασμού σε ετήσια βάση και διαπιστώνεται η ανάγκη περαιτέρω βελτιστοποίησης για τις νέες συνθήκες, δηλαδή την ετήσια λειτουργία. Το έβδομο κεφάλαιο αποτελεί ουσιαστικά και το τελευταίο υπολογιστικό κεφάλαιο. Καθορίζονται οι νέες σχεδιαστικές παράμετροι, όπως και οι νέοι στόχοι που εκτός θερμοδυναμικών κριτηρίων περιέχουν οικονομικά και γενικότερα κριτήρια της λειτουργίας των μονάδων. Αρχικά, αναλύονται τα οικονομικά μοντέλα κοστολόγησης των εγκαταστάσεων και έπειτα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μονάδων. Για την αξιολόγηση των τελευταίων αναπτύχθηκαν κατάλληλα κριτήρια βελτιστοποίησης με τα οποία πραγματοποιήθηκε και η κατάληξη στις τελικές μονάδες οι οποίες και συγκρίνονται. Το όγδοο και τελικό κεφάλαιο δεν αποτελεί τίποτα περισσότερο από τα τελικά συμπεράσματα της παρούσας εργασίας καθώς και προτάσεις για περαιτέρω μελέτη.	el
heal.advisorName	Τζιβανίδης, Χρήστος
heal.committeeMemberName	Ρογδάκης, Εμμανουήλ
heal.committeeMemberName	Κορωνάκη, Ειρήνη
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ηλιακής Τεχνικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	239
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false