Integration of solar and biomass energies for power production

ÖZETGÜNEŞ VE BİYOKÜTLE ENERJİLERİNİN GÜÇ ÜRETİMİNE YÖNELİK OLARAK ENTEGRASYONUGüneş ve biyokütle enerjileri Türkiye'nin enerji arz çeşitliliği arttırması ve enerji bağımlılığını azaltması göz önüne alındığında büyük bir öneme sahiptir. Bu çalışmada güneş ve biyokütle enerjilerinin birlikte kullanımı entegre güneş kombine çevrim sistemi kullanılarak sağlanmıştır. Bu sistemin yanı sıra farklı santral konfigurasyonları doğal gaz ve iki sentez gazı (LHV =10.3 MJ/kg ve LHV=4.4 MJ/kg) için uygulanmıştır. Sentez gazlarının seçiminde deneysel termal analiz sonuçlarından faydalanılmıştır. Her enerji santrali konfigürasyonu için ilk kanun verimliliği optimize edilmiştir ve sistem verimlilikleri birbiriyle karşılaştırılmıştır. Ayrıca oluşturulan her sistem için ekserji akış şemaları çizilerek sistemlerin termodinamik performansları değerlendirilmiştir. Gaz türbinli elektrik santrali konfigürasyonları her bir yakıt için en düşük verim değerlerine (36.22%, 34.93%, 35.21%) sahiptir. Gaz türbinindeki atık ısının kullanımı ile tek basınçlı kombine çevrim santrali konfigurasyonunda sistem verimi doğalgaz, sentez gazı (LHV =10.3 MJ/kg) ve sentez gazı (LHV =4.4 MJ/kg) için sırasıyla %53.84, %53.4, %48.67’ye kadar arttırılmıştır. Çift basınçlı kombine çevrim santrali uygulamasında ise daha verimli egsoz ısı kullanımı ile %54.77, %54.14, %50.76 sistem verimi değerlerine ulaşılmıştır. Ayrıca yeniden ısıtma uygulaması ile buhar türbini girişinde daha yüksek basınçlar kullanılarak sistem veriminde artış sağlanmış ve sistem verimleri %55.09, %54.44, %50.88 olarak saptanmıştır. Yeniden ısıtma uygulaması yapılan sisteme parabolik oluklu güneş kollektörleri eklenmesi ile entegre güneş kombine çevrim sistemleri oluşturulmuştur. Entegre güneş sisteminin enerji santraline sağladığı ek buhar ile %59.17, %58.29, %55.79’luk sistem verimliliklerine ulaşılmıştır.Farklı yakıtların kullanımı ile meydana gelen en önemli değişimler gaz türbini çevriminde saptanmıştır. Hem gaz türbini sıcaklığı hem de gaz türbini eksoz sıcaklığı sentez gazı (LHV=10.3 MJ/kg) kullanımı ile artmış, sentez gazı (LHV=4.4 MJ/kg) kullanımı ile azalmıştır. Ekserji akış tablolarından faydalanılanarak gaz türbini eksoz sıcaklığı azalışının sadece gaz türbini çevrimi değil aynı zamanda HRSG ve buhar çevriminde olumsuz bir etkisi olduğu saptanmıştır. Entegre güneş kombine çevrim sistemlerinde tüm sistem verimleri doğal gaz için %59.17, sentez gazı (LHV=10.3 MJ/kg) için %58.29 ve sentez gazı (LHV=4.4 MJ/kg) için %55.79 olarak hesaplanmıştır. Bu sonuç yakıtın LHV değerinin sistem verimliliği üzerindeki önemini göstermektedir. Anahtar Kelimeler: güneş enejisi, biyokütle enerjisi, ekserji, kombine çevrim enerji santrali, gazlaştırma, sentez gaz ABSTRACTINTEGRATION OF SOLAR AND BIOMASS ENERGIES FOR POWER PRODUCTIONSolar and biomass energies have significant importance to increase diversity of Turkey’s energy supply and reduce the dependency on energy supply. In this study integration of solar and biomass energies is provided by integrated solar combined cycle systems generation. Beside this configuration various power plant configurations are applied for natural gas and two syngases (LHV=10.3 MJ/kg and LHV=4.4 MJ/kg). Experimental thermal analysis results are used in syngas selection. First law efficiencies are optimized and compared for each system. Also exergy flow diagrams are developed and thermodynamic performances are evaluated.Gas turbine power plant configurations have the lowest efficiency values (36.22%, 34.93%, 35.21%) for each fuel. Efficiencies for natural gas, syngas (LHV=10.3 MJ/kg) and syngas (LHV=4.4 MJ/kg) are increased up to 53.84%, 53.4% and 48.67% respectively by gas turbine exhaust heat utilization in single-pressure combined cycle power plant. In dual-pressure combined cycle power plant application more efficient exhaust heat utilization is provided and so more efficient systems are generated (54.77%, 54.14%, 50.76%). Moreover, by reheating process higher steam turbine inlet pressures are enabled so efficiency increases are provided Efficiencies are determined as 55.09%, 54.44%, 50.88%. Integrated solar combined cycle systems are developed by adding parabolic solar troughs to reheating combined cycle configuration. Integrated solar field enables extra steam which enhances overall system efficiencies 59.17%, 58.29%, 55.79% for three fuels.The most significant variations are determined in gas turbine cycle due to the usage of different fuels. Both gas turbine inlet temperature and gas turbine exhaust temperature increases with the usage of syngas (LHV=10.3 MJ/kg) and decrease with syngas (LHV=4.4 MJ/kg). It’s determined from exergy flow tables gas turbine inlet temperature and gas turbine exhaust temperature reduction has a negative influence not only in gas turbine cycle but also in HRSG and steam cycle. The overall integrated solar combined cycle efficiencies are 59.17% for natural gas, 58.29% syngas (LHV=10.3 MJ/kg) and 55.79% syngas (LHV=4.4 MJ/kg) utilization. This result underlines the importance of fuel LHV in system thermodynamic performance.Key words: solar energy, biomass energy, exergy, combined-cycle power plant, gasification, synga