Off-design performance of micro-scale solar Brayton cycle

Abstract

A novel methodology to design a micro-scale, solar-only Brayton cycle and assess its on- and off-design performance is presented. The method is applied to generate and assess six thermodynamic layouts over a range of solar irradiation levels. All plants have the same on-design requirements to create a baseline to compare their off-design performance. PyCycle, a thermodynamic cycle modeling library to model jet engine performance, is revised to transform the jet engine performance modeling to solar thermal plant performance modeling and used to create a volumetric receiver component. Initially, a gradient-based receiver design methodology is proposed. Even, gradient calculation is the longest step in this methodology and compared to the design of experiment study, 77% fewer designs are iterated in gradient-based optimization. The final result is 6% more efficient receiver design compared to 62% efficient, the best design of experiment result. For an efficient receiver design process, surrogate model algorithms are tested, and using the design of experiment results as training data and surrogate-based design optimizations are performed. Then a response surface surrogate model of the receiver is selected for design optimization to maximize the component-level efficiency. Because of the surrogate simplicity, the optimization process was completed with fewer designs in a shorter time and reached a better objective than the gradient-based optimization of the base model. For the plant design phase, the compressor and turbine maps are scaled for the balance of the plant. Off-design efficiency, mass flow rate, operation range, turbomachinery maps, and maximum power output are presented. Since the methodology can be adapted to all plant sizes, the results are normalized to on-design condition. The outcome of this study demonstrates the impact of the thermodynamic configuration on off-design performance and provides a methodology to design plants that are more robust across a range of solar irradiation levels and can be operated in a more flexible manner. For given design conditions in thesis, the solar radiation operation envelope can be extended 5%, with 6% less mass flow, and operates more efficiently than the benchmark case over 85% of the operating regime.

Bu tezde, mikro ölçekli, yalnızca güneş enerjili olan bir Brayton çevrimi tasarlamak ve tasarım noktası ve dışındaki performansını değerlendirmek için yeni bir yöntem sunulmaktadır. Yöntem ile belirli bir aralıktaki güneş ışınımı seviyesi içinde, altı farklı termodinamik tasarım oluşturmak ve değerlendirmek için uygulanır. Tüm santral tasarımları, tasarım dışı performanslarını karşılaştırmak için bir temel oluşturmak üzere aynı tasarım gereksinimlerine sahiptir. Jet motoru performansını modellemek için bir termodinamik çevrim modelleme kütüphanesi olan PyCycle, jet motoru performans modellemesini, güneş termik santral performans modellemesine dönüştürmek için revize edilmiş ve hacimsel bir alıcı bileşeni oluşturmak için kullanılmıştır. İlk olarak, türev tabanlı bir alıcı tasarım metodolojisi önerilmiştir. Türev hesaplaması bu metodolojideki en uzun adım olmasına rağmen ve deney tasarımı methodu ile karşılaştırıldığında, türev tabanlı optimizasyonda %77 daha az tasarım tekrarlanmıştır. Nihai sonuç, deney tasarımı methodu sonucunun en iyi tasarımı olan %62 verimliliğe göre %6 daha verimli alıcı tasarımıdır. Verimli bir alıcı tasarım süreci için, vekil modelleme algoritmaları test edilmiştir ve deney tasarımı methodu sonuçları öğrenme verisi olarak kullanılmış ve vekil tabanlı tasarım optimizasyonları yapılmıştır. Sonrasında, bileşen düzeyinde verimliliği en üst düzeye çıkaracak tasarım optimizasyonu için alıcının bir yanıt yüzey vekil modeli seçilmiştir. Vekilin basitliği nedeniyle, optimizasyon süreci daha az tasarımla daha kısa sürede tamamlanmıştır ve temel modelin türev tabanlı optimizasyonuna göre daha iyi bir noktaya ulaşmıştır. Santral tasarım aşamasında kompresör ve türbin haritaları santralin bilançosuna göre ölçeklendirilmiştir. Tasarım dışı verimlilik, kütle akış hızı, çalışma aralığı, turbo makine haritaları ve maksimum güç çıkışı sunulmuştur. Metodoloji farklı santral boyutlarına da uyarlanabildiğinden, sonuçlar tasarım noktasına göre oranlanarak gösterilmiştir. Bu çalışmanın sonucu, termodinamik konfigürasyonun tasarım dışı performans üzerindeki etkisini gösterir ve belirli bir aralıktaki güneş ışınımı seviyesinde daha gürbüz ve esnek bir şekilde çalıştırılabilen santral tasarlamak için bir yöntem önerir. Tezde kullanılan tasarım koşullarında, güneş ışınımı çalışma zarfı %6 daha az kütle akışıyla %5 genişletildiği gösterilmiş ve çalışma aralığının %85'i üzerinde daha verimli çalıştırılmıştır.