A Comparative Analysis of Solar Parabolic Dish Driven Recompression S-CO2 Brayton Cycles with and without Reheat

Abstract

The current study presents a thermodynamic comparison between two different supercritical carbon dioxide (S-CO2) Brayton cycles integrated with parabolic dish solar system. Recompression S-CO2 Brayton cycles with reheat and without reheat are examined for their net power output, cycle efficiencies as well as integrated system efficiencies. The analyses are conducted by developing a comprehensive mathematical code in Engineering Equation Solver (EES). Parabolic dish system is assessed and optimized on the basis of yearly available data and by using the optimization results, a thorough comparative study based on thermal efficiencies, integrated system efficiencies and work output is carried out. The system comprises of indirect heated Brayton cycle in which fresh water is utilized as a heat transfer fluid in solar collector, whereas, Brayton cycle comprised of S-CO2. The dish system is designed by taking the average annual direct normal irradiance (DNI) 1000 W/m2 approximately and such system is effective for southern part of Pakistan, Cyprus and Spain and many other countries where sun shines almost nine to eleven hours daily and DNI varies from 700 to 1000 W/m2 The outcomes of the research state that the recompression with reheat S-CO2 Brayton cycle has achieved thermal efficiency almost 47.70%, while the other system has nearly 45.02%. The recompression with reheat cycle has an overall energy efficiency of almost 30.37 % however the recompression without reheat system has almost 27.5%. Furthermore, second law integrated efficiency of recompression without reheat system is almost 29.6%, whereas, reheating system has 32.7% overall exergetic efficiency. Reheating has improved efficiency almost 10.5 %. The effect of increase iv in minimum cycle temperature is positive for reheat system and the efficiency tends to be reduced due to the increase in main compressor work for without reheat system. Moreover, the effect of rise in pressure ratio on integrated system performance is similar to that of minimum cycle temperature influence. Exergy destruction rate of collector receiver is approximately 40% which reduces with increase in the inlet temperature of the compressor, whereas, recuperators and pre cooler has more exergy losses than other components. Keywords: Parabolic dish system, S-CO2, Brayton cycle, Energy and Exergy efficiency, Pressure ratio, Net power output, minimum cycle temperature

ÖZ: Mevcut çalışma, parabolik çanak güneş sistemi ile entegre edilmiş iki farklı süper kritik karbon dioksit (S-CO2) Brayton döngüsü arasındaki termodinamik bir karşılaştırmayı sunmaktadır. Tekrar ısıtmalı ve yeniden ısıtmalı rekompresyon S-CO2 Brayton devreleri, net güç çıkışı, çevrim verimliliği ve entegre sistem verimleri açısından incelendi. Analizler, Mühendislik Denklem Çözücü (EES) 'de kapsamlı bir matematiksel kod geliştirerek gerçekleştirildi. Parabolik çanak sistemi, yıllık verilere dayanarak değerlendirdi ve optimize edildi ve optimizasyon sonuçlarını kullanarak, termal verimlilik, entegre sistem verimliliği ve iş çıkışı üzerine kapsamlı bir karşılaştırmalı çalışma yürütüldü. Sistem, güneş kolektöründe taze suyun bir ısı transfer sıvısı olarak kullanıldığı dolaylı ısıtmalı Brayton çevriminden oluşurken Brayton çevrimi S-CO2'den oluşur. Çanak sistemi, yılda yaklaşık ortalama 1000 W / m2'lik yıllık ortalama doğrudan ışınım alarak dizayn edilmiş ve bu sistem, Güney Pakistan, Kıbrıs ve İspanya'nın ve güneşin neredeyse dokuz saat ila on saat aralıklarla parladığı diğer birçok ülkede etkili. Araştırma sonuçlarına göre, S-CO2 Brayton tekrar ısıtma sistemi ile yapılan rekompresyon, yaklaşık% 47.70 oranında termik verimlilik elde ederken diğer sistem yaklaşık% 45.02'ye ulaştı. Yeniden ısıtma çevrimi ile yapılan rekompresyon genel enerji verimliliğine yaklaşık % 30.37 sahiptir, ancak yeniden ısıtma sistemi olmayan rekompresyon yaklaşık % 27.5'tir. Dahası, yeniden ısıtma sistemi olmayan rekompresyonun ikinci yasaya entegre etkinliği yaklaşık% 29.6, buna karşılık yeniden ısıtma sistemi% 32.7'lik ekserjetik etkinliğe sahiptir. Yeniden ısıtma verimliliği neredeyse% 10.5 arttı. Yeniden ısıtma sistemi için minimum çevrim sıcaklığındaki artışın etkisi olumlu olmakla birlikte, yeniden ısıtma sistemi olmadan, ana kompresör çalışmasındaki artışa bağlı olarak verimlilik azalma eğilimi gösterir. Dahası, basınç oranındaki artışın tümleşik sistem performansına etkisi, minimum çevrim sıcaklığının etkisine benzer. Kollektör alıcısının Exergy imha oranı yaklaşık% 40'dır ve kompresör giriş sıcaklığındaki artışla birlikte azalırken, reküpatörler ve ön soğutucu da büyük ekserji kayıplarına sahiptir. Anahtar Kelimeler: Parabolik çanak sistemi, S-CO2, Brayton çevrimi, Enerji ve ekserji verimi, Basınç oranı, Net güç çıkışı, minimum çevrim sıcaklığı.