A transient simulation for a novel solar-geothermal cogeneration system with a selection of heat transfer fluids using thermodynamics analysis and ANN intelligent (AI) modeling

• DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2023.120698
• Publication Date: 2023-06-02T02:28:23Z
• Authors: Ehsanolah Assareh; Siamak Hoseinzadeh; Neha Agarwal; Mostafa Delpisheh; Ali Dezhdar; Masoud Feyzi; Qiliang Wang; Davide Astiaso Ga...; Ehsan Gholamian; Mehdi Hosseinzadeh; Maryam Ghodrat; Moonyong Lee
• Keywords: Nuclear engineering; FOS: Mechanical engineering; Photovoltaic/Thermal Hybrid Technology; Organic Rankine cycle; Parabolic trough; Environmental science; Engineering; Waste Heat Recovery; Exergy efficiency; Solar energy; Exergy; Stochastic Thermodynamics and Fluctuation Theorems; Solar Thermal Collectors; Rankine cycle; Waste management; Cogeneration; Waste Heat Recovery for Power Generation and Cogeneration; Energy; exergoeconomic; geothermal energy; heat transfer fluid; parabolic trough solar collector; solar energy; Renewable Energy, Sustainability and the Environment; Working fluid; Mechanical Engineering; Physics; Statistical and Nonlinear Physics; Power (physics); Mechanical engineering; Photovoltaic Efficiency; Physics and Astronomy; Heat exchanger; Electrical engineering; Physical Sciences; Solar Thermal Energy Technologies; Process engineering; Thermodynamics; Waste heat

Hoy en día, debido a la reducción de los recursos fósiles y, por otro lado, a la alta contaminación ambiental de estos recursos, es necesario prestar atención a los recursos alternativos, incluidos los recursos limpios y renovables disponibles. En este estudio, se combinan fuentes de energía solar y geotérmica, generando electricidad, refrigeración, agua dulce e hidrógeno, junto con la selección de un fluido de transferencia de calor adecuado para colectores solares de cilindro parabólico. Este sistema consta de colectores solares cilindroparabólicos, un ciclo Rankine de vapor, un ciclo Rankine de vapor con un ciclo Rankine orgánico, un electrolizador de membrana de intercambio de protones y una unidad de desalinización por ósmosis inversa. Para analizar el rendimiento de los colectores solares, se seleccionan los fluidos de transferencia de calor Therminol 59, Marlotherm SH, Syltherm 800 y Therminol VP1. La intensidad de la radiación solar, el caudal másico del colector solar, la eficiencia de la turbina y la bomba, la temperatura del punto de pinzamiento del evaporador y la temperatura de entrada de la turbina del ciclo orgánico de Rankine se investigaron como parámetros de diseño que afectan el rendimiento del sistema. La maximización de la eficiencia energética y la reducción de la tasa de costos se seleccionaron como dos funciones objetivas y se determinaron utilizando un algoritmo genético de clasificación multiobjetivo (NSGA-II). Los resultados mostraron que Therminol 59 tiene la mayor eficiencia energética y potencia neta en comparación con otros fluidos de transferencia de calor. Asimismo, el sistema propuesto produce 1140 kW de electricidad en el estado óptimo, y en el mejor estado, tiene una eficiencia energética del 32,39% y un coste de 36,32 $/GJ.<br/>Today, due to the reduction of fossil resources and on the other hand the high environmental pollution of these resources, it is necessary to pay attention to alternative resources, including clean and available renewable resources. In this study, solar and geothermal energy sources are combined, generating electricity, cooling, freshwater, and hydrogen, along with selecting a suitable heat transfer fluid for parabolic trough solar collectors. This system consists of parabolic trough solar collectors, a steam Rankine cycle, a steam Rankine cycle with an organic Rankine cycle, a proton exchange membrane electrolyzer, and a reverse osmosis desalination unit. To analyze the performance of solar collectors, Therminol 59, Marlotherm SH, Syltherm 800, and Therminol VP1 heat transfer fluids are selected. Solar radiation intensity, solar collector mass flow rate, turbine and pump efficiency, evaporator pinch-point temperature, and organic Rankine cycle turbine inlet temperature were investigated as design parameters affecting system performance. Maximizing energy efficiency and reducing cost rate were selected as two objective functions and determined using a multi-objective sorting genetic algorithm (NSGA-II). The results showed that Therminol 59 has the highest energy efficiency and net power output compared to other heat transfer fluids. Also, the proposed system produces 1140 kW of electricity in the optimal state, and in the best state, it has an energy efficiency of 32.39% and a cost of 36.32 $/GJ.<br/>Aujourd'hui, en raison de la réduction des ressources fossiles et d'autre part de la forte pollution environnementale de ces ressources, il est nécessaire de prêter attention aux ressources alternatives, y compris les ressources renouvelables propres et disponibles. Dans cette étude, les sources d'énergie solaire et géothermique sont combinées, générant de l'électricité, du refroidissement, de l'eau douce et de l'hydrogène, ainsi que la sélection d'un fluide de transfert de chaleur approprié pour les capteurs solaires paraboliques. Ce système se compose de capteurs solaires à auges paraboliques, d'un cycle de Rankine à vapeur, d'un cycle de Rankine à vapeur avec un cycle de Rankine organique, d'un électrolyseur à membrane échangeuse de protons et d'une unité de dessalement par osmose inverse. Pour analyser les performances des capteurs solaires, les fluides de transfert de chaleur Therminol 59, Marlotherm SH, Syltherm 800 et Therminol VP1 sont sélectionnés. L'intensité du rayonnement solaire, le débit massique du capteur solaire, l'efficacité de la turbine et de la pompe, la température du point de pincement de l'évaporateur et la température d'entrée de la turbine à cycle organique de Rankine ont été étudiés en tant que paramètres de conception affectant les performances du système. La maximisation de l'efficacité énergétique et la réduction du taux de coût ont été sélectionnées comme deux fonctions objectives et déterminées à l'aide d'un algorithme génétique de tri multi-objectif (NSGA-II). Les résultats ont montré que le Therminol 59 a l'efficacité énergétique et la puissance nette les plus élevées par rapport aux autres fluides de transfert de chaleur. En outre, le système proposé produit 1140 kW d'électricité dans l'état optimal, et dans le meilleur état, il a une efficacité énergétique de 32,39% et un coût de 36,32 $ / GJ.<br/>اليوم، بسبب انخفاض الموارد الأحفورية ومن ناحية أخرى التلوث البيئي المرتفع لهذه الموارد، من الضروري الانتباه إلى الموارد البديلة، بما في ذلك الموارد المتجددة النظيفة والمتاحة. في هذه الدراسة، يتم الجمع بين مصادر الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية، لتوليد الكهرباء والتبريد والمياه العذبة والهيدروجين، إلى جانب اختيار سائل نقل حرارة مناسب لمجمعات الطاقة الشمسية ذات القطع المكافئ. يتكون هذا النظام من مجمعات شمسية أحواض مكافئة، ودورة رانكين للبخار، ودورة رانكين للبخار مع دورة رانكين عضوية، ومحلل كهربائي لغشاء تبادل البروتونات، ووحدة تحلية المياه بالتناضح العكسي. لتحليل أداء مجمعات الطاقة الشمسية، يتم اختيار سوائل نقل الحرارة Therminol 59 و Marlotherm SH و Syltherm 800 و Therminol VP1. تم التحقيق في كثافة الإشعاع الشمسي، ومعدل تدفق كتلة المجمع الشمسي، وكفاءة التوربينات والمضخة، ودرجة حرارة نقطة ضغط المبخر، ودرجة حرارة مدخل توربين دورة رانكين العضوية كمعلمات تصميم تؤثر على أداء النظام. تم اختيار تعظيم كفاءة الطاقة وتقليل معدل التكلفة كوظيفتين موضوعيتين وتم تحديدهما باستخدام خوارزمية جينية متعددة الأهداف للفرز (NSGA - II). أظهرت النتائج أن Therminol 59 يتمتع بأعلى كفاءة في استخدام الطاقة وصافي خرج للطاقة مقارنة بسوائل نقل الحرارة الأخرى. كما أن النظام المقترح ينتج 1140 كيلو واط من الكهرباء في الحالة المثلى، وفي أفضل الحالات، تبلغ كفاءة الطاقة 32.39 ٪ وتكلفة 36.32 دولار/جيجا جول.<br/>