Numerical study of the effects of geometric parameters on performance of solar chimney power plants

Abstract

The aim of the study is to get the best and the most efficient design of Solar Chimney Power Plant (SCPP) considering different chimney and collector parameters. SCPP is one of the most promising applications of solar energy because of the high reliability of the system in addition to the low cost of long-term energy production and low maintenance needs. Because of the reasons above, it has been a focus for researchers to increase efficiency of such systems. Solar chimney power plant is a thermal system containing three basic components; the solar collector, the solar chimney and the wind turbine. SCPP has basic working principles which are the effect of greenhouse, chimney drag and conversion to kinetic energy. The air below the semi-transparent collector (glass) is heated up by the solar radiation which is coming from the top of the collector surface. The heated air moves by buoyancy force to the center of the collector where the turbine is located. The heated air leads to a flow through the turbine and drives the turbine which rotates a generator and electric energy is obtained from that rotation. In this study, a 2-D computational fluid dynamics (CFD) analysis for the entire system of solar chimney power plant is done by using commercial program ANSYS 18.2. After verifying the CFD results of the numerical model with the results of the experimental work and obtaining almost identical results, the main parameters like the height of tower, the diameter of the tower, the tower configuration, the diameter of the collector, the height of collector and the inclination angle of the collector which can effect on performance of SCPP has been changed and the influence of varying these parameters on the effectiveness and performance of the solar chimney system is studied. It is found through this study that all of the chimney and the collector parameters which are mentioned above have a direct impact on the effectiveness and performance of SCPP. Depending on the numerical results, it is found that the height and the diameter of the tower is considered as the most effective parameters which can affect largely on the value of the output power of SCPP and the height and diameter of chimney equal to 3.5 m and 25 cm are the best values considering the performance of the chimney. Also results shows that the diverging chimney configuration is the best tower geometry that can be utilized and it can improve and increase the performance of SCPP largely. The numerical findings shows that the increase of solar collector diameter leads to increasing the output power and the best value for the diameter of the collector is 400 cm (the maximum value). Furthermore, it is concluded that the height and inclination angle of the solar collector has an important effect on the output power and the best design for solar collector parameters is 6 cm height of the solar collector with 0 degree for the inclination angle of the solar collector.

Bu çalışmanın öncelikli amacı, farklı baca ve kolektör parametreleri kullanarak güneş bacası güç santrali için en uygun ve en iyi tasarımı elde edebilmektir. Güneş bacası güç santrali güneş enerji uygulamaları arasında oldukça gelecek vadeden bir uygulamadır. Bunun sebebi, sistemin güvenilir, ucuz, uzun dönemli enerji üretebilen ve düşük onarım maliyetli olmasıdır. Bu sebeplerden ötürü, araştırmacılar güneş bacası sistemlerinin verimini artıracak çalışmalar yapmaktadırlar. Güneş bacası santralleri güneş kolektörü, baca ve rüzgar tribününden oluşmaktadır. Güneş bacası santrallerinin çalışma prensibi oldukça basittir. Çoğunlukla camdan yapılmış kolektörün altında bulunan hava, güneşten gelen radyasyonla ısınan soğurucu tarafından ısıtılır ve yoğunluğu azalan hava kaldırma kuvveti etkisi ile yukarı bacaya doğru ilerler. Baca boyunca ilerlerken tam merkezde bulunan türbini çevirir ve jeneratöre bağlı olan bu tribün sayesinde elektrik üretilir. Bu çalışmada güneş bacası santralinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri, ANSYS 18.2 ticari yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Hazırlanan nümerik modelin deneysel sonuçlarla doğrulanmasından sonra, baca yüksekliği ve çapı, kolektör yüksekliği, çapı ve eğim açısı ve farklı baca geometrileri gibi parametreler değiştirilerek, bu parametrelerin güneş bacası santralinin performansı üzerinde yaptığı etkiler araştırılmıştır. Yukarıdaki paragrafta bahsi geçen tüm parametrelerin güneş bacası santralinin güç ve verimi üzerinde doğrudan etkileri olduğu doğrulanmıştır. Nümerik sonuçlar incelendiğinde görülmektedir ki, en büyük etkiyi yapan parametreler bacanın boyu ve çapıdır ve yapılan simülasyonlarda en iyi performans 3.5 m baca boyu ve 25 cm baca çapında elde edilmiştir. Ayrıca sonuçlar en verimli baca geometrisinin ıraksayan baca olduğu ve bunun bacanın gücünü oldukça fazla oranda artırdığını göstermektedir. Numerik bulgularla doğrulanmaktadır ki, solar kolektör çapının artması elde edilen gücü artırmaktadır ve yapılan simülasyonlarda en iyi performans 400 cm olan en büyük çapta elde edilmiştir. Kolektör parametreleri göz önünde bulundurulduğunda en iyi konfigürasyon 6 cm kolektör yüksekliği ve 0 derece kolektör eğim açısı ile elde edilmiştir.