مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تحلیل اگزرژی‌اقتصادی یک سیستم تولید توان و گرمایش خورشیدی برای استفاده در دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه ارومیه

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران
چکیده
در این مقاله، مطالعه اگزرژی و هزینه در چهارچوب تحلیل اگزرژی‌اقتصادی استفاده از یک سیستم تولید توان و گرمایش با محرکه اولیه کلکتورهای خورشیدی سهموی برای استفاده در دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه ارومیه به‌عنوان یک مطالعه موردی بررسی شده است. این سیستم ترکیبی از زیرسیستم خورشیدی و سیکل ارگانیک رانکین است. این مطالعه براساس سه حالت تابش خورشیدی کم‌تابش، پرتابش و بدون تابش در طول یک شبانه‌روز شکل گرفته است. در حالت اول شار دریافتی خورشیدی در سطح پایین بوده و ذخیره‌سازی انرژی وجود ندارد. در حالت دوم علاوه بر راه‌اندازی سیکل ارگانیک رانکین توسط کلکتورها، ذخیره‌سازی انرژی نیز صورت می‌گیرد. در حالت سوم فقط از قسمت ذخیره‌ساز انرژی استفاده می‌شود. نکته مهم این مطالعه توجه به نیاز واقعی انرژی یک مکان و تحلیل مطابق با شار تابش متغیر خورشیدی است. با توجه به شرایط اقلیمی حاکم بر ساختمان مورد نظر، مقدار بار گرمایی آن ۱۲۵۳.۲kW محاسبه شده است. همچنین مقدار توان الکتریکی مورد نیاز آن ۱۵۰۰kW است. تحلیل اگزرژی اقتصادی براساس سه پارامتر مهم طراحی که عبارتند از طول روزهای یک سال میلادی، دمای ورودی پمپ ارگانیک رانکین و فشار ورودی توربین ارگانیک رانکین انجام شده است. مطابق با نتایج، در یک روز سرد مقدار هزینه بر واحد اگزرژی در سه حالت تابش خورشیدی ذکرشده به‌ترتیب در حدود GJ/$۱۹، GJ/$۱۶ و GJ/$۲۰ به دست آمده است. همچنین بیشترین نرخ نابودی اگزرژی در کلکتورهای خورشیدی سهموی و اواپراتورهای سیکل ارگانیک رانکین اتفاق می‌افتد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Exergoeconomic Analysis of a Heating and Power Generation Solar System for Using at the Engineering Faculty of Urmia University

نویسندگان English

M. Abdollahi Haghghi
S.M. Pesteei
A. Chitsaz Khoyi
Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, Urmia University, Urmia, Iran
چکیده English

In this paper, a study from the perspective of exergy and cost in the framework of exergoeconomic analysis of a heating and power generation system with parabolic trough solar collectors was carried out as a case study to be used at the engineering faculty of Urmia University. The system consists of a solar subsystem with an Organic Rankine Cycle (ORC). This study is based on three different solar radiation modes during a day, including solar mode, solar and storage mode, and storage mode. In the first mode, the solar flux is at a low level and there is no energy storage. In the second mode, there is energy storage in addition to running the ORC by collectors. In the third mode, only storage tank is used. Paying attention to the actual energy demand of the location and the analysis according to the variable solar radiation are the important points of this study. Due to the weather conditions prevailing on the building, its heating load is 1253.2kW. Also, the electric power required is about 1500kW. Exergoeconomic analysis is based on three important design parameters, including the number of the day through the year, ORC pump input temperature, and ORC turbine inlet pressure examined. The results indicate that in a cold day, the cost per unit of exergy in the three mentioned modes are about 19$/GJ, 16$/GJ, and 20$/GJ, respectively. Also, the highest exergy destruction rate occurs in parabolic trough solar collectors and ORC evaporators.

کلیدواژه‌ها English

Exergoeconomic analysis
Parabolic trough solar collectors
Engineering faculty of Urmia University
Heating generationm
Power generation
Haghighi MA, Pesteei SM. Energy and exergy analysis of flat plate solar collector for three working fluids, under the same conditions. Progress in Solar Energy and Engineering Systems. 2017;1(1):1-9. [Link]
Kalogirou SA. Solar energy engineering: Processes and systems. 2nd Edition. California: Academic Press; 2013. pp. 52-212. [Link]
Duffie JA, Beckman WA. Solar engineering of thermal processes. 4th Edition. Hoboken: John Wiley & Sons; 2013. pp. 20-370. [Link] [DOI:10.1002/9781118671603]
Kalogirou SA. Solar thermal collectors and applications. Progress in Energy And Combustion Science. 2004;30(3):231-395. [Link] [DOI:10.1016/j.pecs.2004.02.001]
Price H, Lupfert E, Kearney D, Zarza E, Cohen G, Gee R, et al. Advances in parabolic trough solar power technology. Journal of Solar Energy Engineering. 2002;124(2):109-125. [Link] [DOI:10.1115/1.1467922]
Besarati SM, Padilla RV, Goswami DY, Stefanakos E. The potential of harnessing solar radiation in Iran: Generating solar maps and viability study of PV power plants. Renewable Energy. 2013;53:193-199. [Link] [DOI:10.1016/j.renene.2012.11.012]
Haghparast Kashani A, Saleh Izadkhast P, Asnaghi A. Mapping of solar energy potential and solar system capacity in Iran. International Journal of Sustainable Energy. 2014;33(4):883-903. [Link] [DOI:10.1080/14786451.2013.784317]
BahadoriNejad M, Mir Hosseini SA. Clearness index for different cities of Iran. Proceedings of the 3th Conference on Conservation in Building, The organ of Optimization of fuel consumption in Iran, Tehran, Iran. Tehran: Civilica; 2003. [Persian] [Link]
9- Marefati M, Mehrpooya M, Behshad Shafii M. Optical and thermal analysis of a parabolic trough solar collector for production of thermal energy in different climates in Iran with comparison between the conventional nanofluids. Journal of Cleaner Production. 2018;175:294-313. [Link] [DOI:10.1016/j.jclepro.2017.12.080]
Eisavi B, Khalilarya Sh, Chitsaz A, Rosen MA. Thermodynamic analysis of a novel combined cooling, heating and power system driven by solar energy. Applied Thermal Engineering. 2018;129:1219-1229. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2017.10.132]
Al-Sulaiman FA, Hamdullahpur F, Dincer I. Performance assessment of a novel system using parabolic trough solar collectors for combined cooling, heating, and power production. Renewable Energy. 2012;48:161-172. [Link] [DOI:10.1016/j.renene.2012.04.034]
Al-Sulaiman FA, Hamdullahpur F, Dincer I, Hamdullahpur F. Exergy modeling of a new solar driven trigeneration system. Solar Energy. 2011;85(9):2228-2243. [Link] [DOI:10.1016/j.solener.2011.06.009]
Al-Sulaiman FA, Dincer I, Hamdullahpur F. Thermoeconomic optimization of three trigeneration systems using organic Rankine cycles: Part I–Formulations. Energy Conversion and Management. 2013;69:199-208. [Link] [DOI:10.1016/j.enconman.2012.12.030]
Al-Sulaiman FA, Dincer I, Hamdullahpur F. Thermoeconomic optimization of three trigeneration systems using organic Rankine cycles: Part II–Applications. Energy conversion and management. 2013;69:209-216. [Link] [DOI:10.1016/j.enconman.2012.12.032]
Zare V, Moalemian A. Parabolic trough solar collectors integrated with a Kalina cycle for high temperature applications: Energy, exergy and economic analyses. Energy Conversion and Management. 2017;151:681-692. [Link] [DOI:10.1016/j.enconman.2017.09.028]
Desai NB, Bandyopadhyay S. Thermo-economic analysis and selection of working fluid for solar organic Rankine cycle. Applied Thermal Engineering. 2016;95:471-481. [Link] [DOI:10.1016/j.applthermaleng.2015.11.018]
Baghernejad A, Yaghoubi M. Exergoeconomic analysis and optimization of an Integrated Solar Combined Cycle System (ISCCS) using genetic algorithm. Energy Conversion and Management. 2011;52(5):2193-2203. [Link] [DOI:10.1016/j.enconman.2010.12.019]
Calise F, d'Accadia MD, Macaluso A, Piacentino A, Vanoli L. Exergetic and exergoeconomic analysis of a novel hybrid solar-geothermal polygeneration system producing energy and water. Energy Conversion and Management. 2016;115:200-220. [Link] [DOI:10.1016/j.enconman.2016.02.029]
Tabatabaee M. Calculation of building's installation. Tehran: Roozbehan; 2003. pp. 51-109. [Persian] [Link]
20- Elsafi AM. Exergy and exergoeconomic analysis of sustainable direct steam generation solar power plants. Energy conversion and Management. 2015;103:338-347. [Link] [DOI:10.1016/j.enconman.2015.06.066]
Cavalcanti EJC. Exergoeconomic and exergoenvironmental analyses of an integrated solar combined cycle system. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017;67:507-519. [Link] [DOI:10.1016/j.rser.2016.09.017]
Akrami E, Chitsaz A, Nami H, Mahmoudi SMS. Energetic and exergoeconomic assessment of a multi-generation energy system based on indirect use of geothermal energy. Energy. 2017;124:625-639. [Link] [DOI:10.1016/j.energy.2017.02.006]