Energetic and Exergetic Analyses of a Direct Steam Generation Solar Thermal Power Plant in Cyprus

Abstract

ABSTRACT: In recent decades, the threat of climate change and other environmental impacts of fossil fuels have reinforced interests in alternative and renewable energy sources for producing electricity. In this regard, solar thermal energy can be utilized in existing power generation plants as replacement for the heat produced by means of fossil fuels. The objective of this study is to investigate the energetic and exergetic feasibility of utilizing a solar thermal power plant in Cyprus. The analysis carried out is two-fold. First, the efficiency of each component of an existing steam power plant (Teknecik) is estimated using energy and exergy analyses. The results show that the boiler of this power plant has the highest irreversibility rate due to the combustion process of Fuel oil No.6 that happens in the boiler. In the second step, it is proposed to change the conventional power plant into a direct steam generation solar power plant. In this regard, parabolic trough collectors are used to generate superheated steam at 87 bars and 510˚C. Moreover, the energy and exergetic efficiency of each component of the new design has been estimated and compared with the results that obtained in the first part. The highest exergy losses occurred in the collectors while the receiver subsystem has the maximum energy losses. Furthermore, the average exergy efficiency of the solar field is 24% while the boiler average exergy efficiency is 50%. The outcome clarifies that a DSG power plant has poor energetic and exergetic feasibility due to the high rate of losses. Nevertheless, the exergy analysis shows the cause and the location of the losses which are worthwhile for optimizing and improving the solar field design. This can make the solar thermal power generation competitive with current technologies for producing electricity in large scales.

Keywords: energy, exergy, steam power plant, solar thermal power plant, direct steam generation

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

ÖZ: Son yıllarda iklim değişikliği tehdidi ve diğer çevresel etkiler yüzünden elektrik üretimi için alternatif ve yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi giderek artmıştır. Bu çerçevede, mevcut santrallerde fosil yakıt kullanılarak elde edilen ısı yerine güneş enerjisi kullanılabilmektedir. Bu çalışmanın amacı Kıbrıs’ta güneş enerjisiyle çalışacak bir santralin enerjik ve ekserjetik fizibilitesini araştırmaktır. Çalışmada bu konuda yapılan analiz iki bölümden oluşmaktadır. İlk olarak, enerji ve ekserji analizleri kullanılarak Teknecik’teki mevcut buhar santralinin ayrı ayrı tüm kısımlarının verimliliği saptanmıştır. Sonuçlar bize göstermiştir ki santralda, en yüksek tersınmezlik oranına (6 numaralı fuel-oil yakıtının yanma sürecinden dolayı) buhar kazanında. İkinci olarak, klasik enerji santrali yerine doğrudan buhar üreten güneş santralinin kullanılması önerilmektedir. Bunun için parabolik oluk kollektörleri kullanılarak 87 bar ve 510 santigrat derecelik kızgın buhar meydana getirilmesi gerekmektedir. Ayrıca, yeni tasarımdaki tüm kısımların enerji ve ekserji verimliliği saptanmış ve bunlar ilk kısımda elde edilen sonuçlarla kıyaslanmıştır. En büyük ekserji kayıpları kollektörlerde meydana gelirken maksimum kayıp alıcı altsisteminde gerçekleşmiştir. Ayrıca, güneş tarlasındaki ortalama ekserji verimliliği %24 olurken, kazandaki ortalama ekserji verimliliği %50 olarak gerçekleşmiştir. Bu sonuca göre, yüksek düzeydeki kayıplardan dolayı doğrudan buhar üreten (DSG) bir santralin enerji ve ekserji fizibiliteleri düşüktür. Yine de ekserji analizi bu kayıpların sebebini ve konumunu gösterdiği için güneş tarlası tasarımını optimize etmeye ve geliştirmeye yaramaktadır. Bu da büyük çaplarda elektrik üretimlerinde, güneş enerjisi sistemlerini mevcut teknolojilerle şimdikinden daha rekabet edebilir hale getirebilir.

Anahtar Kelimeler: Enerji, ekserji, buhar santrali, güneş enerjisi santrali, doğrudan buhar üretimi.