تصميم وتحليل أداء توربين معجَّل بالطاقة الشمسية الحرارية على مستوى الأرض لتوليد طاقة مدمجة
DOI:
https://doi.org/10.51646/jsesd.v15i1.1018الكلمات المفتاحية:
Solar thermal energy; GSTAT system; buoyancy-driven flow; thermal storage; turbine power; CFD analysis; renewable energy.الملخص
تتناول هذه الدراسة تحليل نظام التوربين المعجَّل بالطاقة الشمسية الحرارية على مستوى الأرض ، وهو تقنية جديدة في مجال الطاقة الشمسية الحرارية تُلغي الحاجة إلى الهياكل العالية للمداخن مع الحفاظ على كفاءة عالية في تحويل الطاقة. يشتمل النظام على مجمّع رئيسي بقطر 244 م، ومجمّع ثانوي بقطر 117 م، وتوربين أفقي بطول 10 م، وطبقة تخزين حراري من الحصى المكسر بسماكة 5 م. يعتمد النموذج الرياضي على معادلات نافييه–ستوكس، ومعادلات الطاقة باستخدام تقريب بوسينسق، إضافة إلى نموذج الاضطراب .k-ε تحت إشعاع شمسي قدره 1000 واط/م²، يصل النظام إلى درجة حرارة سطح أرضي تبلغ 420 كلفن (ارتفاع 112 كلفن)، مما يؤدي إلى تسريع تدفق الهواء من سرعة ابتدائية 1 م/ث إلى 14 م/ث عند التوربين. توفر طبقة التخزين من الحصى المكسر كفاءة تجميع تصل إلى 89.73% وتُمكّن من استمرار التشغيل بعد ساعات الذروة الشمسية. تؤكد تحليلات CFD وجود انتقالات سلسة للسرعة وتدرجات حرارية مثالية في جميع أنحاء النظام. يبلغ صافي القدرة الكهربائية المنتَجة 163.35 كيلوواط، مع أخذ كفاءة التوربين (85%) والمولد (92%) والخسائر الإجمالية للنظام (95%) في الاعتبار. أسفر التحليل الاقتصادي عن تكلفة مستوى الطاقة (LCOE) تتراوح بين 0.22–0.33 دولار/ك.و.س، وهي منافسة لتكاليف الأبراج الشمسية التقليدية (0.15–0.30 دولار/ك.و.س) مع توفير انخفاض في تعقيد البناء ومتطلبات استخدام الأرض .يُظهر نظام GSTAT إمكانات واعدة خاصة لتوليد الطاقة الموزعة في الحالات التي تكون فيها الهياكل العالية غير عملية، مما يوفّر بديلاً قابلًا للتوسع عن الأبراج الشمسية ذات الدفع الحراري التقليدية.
التنزيلات
المقاييس
المراجع
Schlaich Jr, Bergermann R, Schiel W, Weinrebe G. Design of commercial solar updraft tower systems—utilization of solar induced convective flows for power generation. J Sol Energy Eng 127(1), 117 (2005).
Haaf W. Solar chimneys: part ii: preliminary test results from the Manzanares pilot plant. Int J Sustain Energy 2(2), 141–61 (1984).
Schlaich J, Robinson M, Schubert FW. The solar chimney: electricity from the sun. Germany: Axel Menges Geislingen (1995).
Haaf W, Friedrich K, Mayr G, Schlaich J. Solar chimneys part I: principle and construction of the pilot plant in Manzanares. Int J Sol Energy 2(1), 3–20 (1983).
Zhou X, Yang J, Xiao B, Hou G. Experimental study of temperature field in a solar chimney power setup. Appl Therm Eng 27(11–12), 2044–50 (2007).
Mebarki A, Sekhri A, Assassi A, Hanafi A, Marir B. CFD analysis of solar chimney power plant: finding a relationship between model minimization and its performance for use in urban areas. Energy Rep 8, 500–513 (2022).
Biswas N, Kumar Mandal D, Manna NK, Cemal Benim A. Novel stair-shaped ground absorber for performance enhancement of solar chimney power plant. Appl Therm Eng 227, 120466 (2023).
Pradhan S, Chakraborty R, Mandal DK, Barman A, Bose P. Design and performance analysis of solar chimney power plant (SCPP): a review. Sustain Energy Technol Assess 47, 101411 (2021).
Krumar Mandal D, Pradhan S, Chakraborty R, Barman A, Biswas N. Experimental investigation of a solar chimney power plant and its numerical verification of thermo-physical flow parameters for performance enhancement. Sustain Energy Technol Assess 50, 101786 (2022).
Haaf W. Solar chimneys: part ii: preliminary test results from the Manzanares pilot plant. Int J Sustain Energy 2(2), 141–161 (1984).
Haaf W, Friedrich K, Mayr G, Schlaich J. Solar chimneys part I: principle and construction of the pilot plant in Manzanares. Int J Sol Energy 2(1), 3–20 (1983).
Cuce E, Cuce PM, Sen H. A thorough performance assessment of solar chimney power plants: case study for Manzanares. Clean Eng Technol 1, 100026 (2020).
Esmail MFC, Mekhail T. Investigations of the instantaneous performance of a solar chimney power plant installed in Aswan using IoT. IET Renew Power Gener 13(12), 2261–2266 (2019).
Esmail MFC, A-Elmagid WM, Mekhail T, Al-Helal IM, Shady MR. A numerical comparative study of axial flow turbines for solar chimney power plant. Energy 238, 121728 (2021).
Yapıcı EÖ, Ayli E, Nsaif O. Numerical investigation on the performance of a small scale solar chimney power plant for different geometrical parameters. J Clean Prod 276, 122908 (2020).
Toghraie D, Karami A, Afrand M, Karimipour A. Effects of geometric parameters on the performance of solar chimney power plants. Energy 162, 1052–1061 (2018).
Hassan A, Ali M, Waqas A. Numerical investigation on performance of solar chimney power plant by varying collector slope and chimney diverging angle. Energy 142, 411–425 (2018).
Esmail MFC, Khodary A, Mekhail T, Hares E. Effect of wind speed over the chimney on the updraft velocity of a solar chimney power plant: an experimental study. Case Stud Therm Eng 37, 102265 (2022).
Ikhlef K, Larbi S, Üçgül İ. Experimental study of different thermal storage system effects on the performance of a small prototype solar chimney power plant. Renew Energy 200, 516–526 (2022).
Al-Azawiey SS, Hassan SB. Heat absorption properties of ground material for solar chimney power plants. Int J Energy Prod Manag 1(4), 403–418 (2016).
Hurtado FJ, Kaiser AS, Zamora B. Evaluation of the influence of soil thermal inertia on the performance of a solar chimney power plant. Energy 47(1), 213–224 (2012).
Yaswanthkumar A, Chandramohan VP. Numerical analysis of flow parameters on solar updraft tower (SUT) with and without thermal energy storage (TES) system. J Therm Anal Calor 136(1), 331–343 (2019).
Hurtado FJ, Kaiser AS, Zamora B. Evaluation of the influence of soil thermal inertia on the performance of a solar chimney power plant. Energy 47(1), 213–224 (2012).
Mamgain S, Das S, Sharma M, Shukla AK. Thermo-economic investigation of the hybrid wind supercharging solar chimney power generation system. In: Engineering Materials for Efficient Energy Storage and Conversion. IGI Global, 455–488 (2024).
Ikhlef K, Larbi S, Üçgül İ. Experimental study of different thermal storage system effects on the performance of a small prototype solar chimney power plant. Renew Energy 200, 516–526 (2022).
Cuce E, Saxena A, Cuce PM, Sen H, Eroglu H, Selvanathan SP, Sudhakar K, Hasanuzzaman M. Performance assessment of solar chimney power plants with natural thermal energy storage materials on ground: CFD analysis with experimental validation. Int J Low-Carbon Technol 17, 752–759 (2022).
Pradhan S, Chakraborty R, Mandal DK, Barman A, Bose P. Design and performance analysis of solar chimney power plant (SCPP): a review. Sustain Energy Technol Assess 47, 101411 (2021).
التنزيلات
منشور
كيفية الاقتباس
إصدار
القسم
الرخصة
الحقوق الفكرية (c) 2026 Ali Sellami, Benlahcene Djaouida
هذا العمل مرخص بموجب Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
