Modelling and Optimization of a Organic Rankine Cycle

Abstract

For å overvinne det økende energibehovet og problemene assosiert med konvensjonelle metoder for energigenerering, må bærekraftige og effektive metoder utvikles. En av løsningene på problemet er sol-drevene organiske Rankine-sykluser (SORC). På grunn av solens periodevise natur, benyttes termisk lagring av energi i de fleste solenergianlegg. Den lagrede energien frigjøres vanligvis i timer med høy etterspørsel, som resulterer i kraftsykluser som opererer med varierende levert effekt. I et forsøk på å øke virkningsgraden, kunne isteden det termiske lageret bli brukt til å levere stabil effekt gjennom hele dagen.

Denne oppgaven foreslår en modell av en SORC som benytter seg av termisk lagring for å levere konstant effekt. Modellen består av en parabolsk solfanger (PTC) med et to-tank direkte, følbart lager. En varmeoverføringsvæske (HTF) brukes til å overføre varme mellom solfangeren og den organiske Rankine-syklusen (ORC), via lagringstankene. Gjennom simuleringsbasert optimering ved bruk av Matlab og HYSYS, ble de best mulige arbeidsforholdene for høyest mulig effekt funnet for forskjellige scenarier. En grunnleggende ORC og en regenererende ORC ble utviklet til modellen, og forskjellene ble undersøkt.

Ved å senke de minste tilnærmingstemperaturene i varmevekslerne, ble høyere effektivitet oppnådd. Utslaget var større for den regenererende ORC-en sammenlignet med den grunnleggende konfigurasjonen. Imidlertid øker den introduserte regeneratoren massestrømmen av HTF betraktelig.

Effektene av å bruke forskjellige organiske arbeidsmedier ble også undersøkt. Ethylbenzen viste seg å være det beste alternativet for den regenererende ORC-en. For den grunnleggende ORC-en fungerte imidlertid toluen best. Funn indikerer, spesielt for den regenererende ORC-en, at effektivitetene øker med økende molar masse.

Systemets ytelse er hovedsakelig avhengig av effektivitetene til ORC-en og solfangeren. Resultatene av optimaliseringen antyder imidlertid at ORC-effektiviteten er den mest kritiske for å oppnå maksimal effekt.

To overcome the increasing energy demand and the problems associated with conventional methods of energy generation, sustainable and efficient methods must be developed. One of the solutions to the problem is solar-powered organic Rankine cycles (SORCs). Due to solar intermittency, most solar power plants incorporate thermal storage of energy. The stored energy is usually released in hours of high demand, resulting in power cycles operating with varying power outputs. In an attempt to increase the efficiency, the thermal storage could instead be used to distribute the power throughout the day evenly.

This thesis proposes a model of a SORC incorporating thermal storage to deliver constant power output. The model consists of a parabolic trough collector (PTC) with a twotank direct sensible storage. A heat transfer fluid (HTF) is used to transfer heat between the collector and the organic Rankine cycle (ORC), via the storage tanks. Through simulationbased optimization using Matlab and HYSYS, the optimal operating conditions for the highest constant net power output of the model was found for different cases. A basic and a recuperative configuration of the ORC was developed for the model, and their differences investigated.

By lowering the minimum approach temperatures in the heat exchangers, higher efficiencies were obtained. The impact of this was greater for the recuperative ORC compared to the basic configuration. However, the introduction of the recuperator increases the mass flow rates of the HTF significantly.

The effects of different organic working fluids were also investigated. Ethylbenzene proved to be the best alternative for the recuperative ORC. For the basic ORC, however, toluene performed the best. Findings indicate that especially for the recuperative ORC, efficiencies increase with increasing molar mass.

The performance of the system is mainly dependent on the efficiencies of the ORC and the solar collector. The results of the optimization, however, suggests that the ORC efficiency is the most critical for achieving maximum power output.