Acil durum bölgeleri için güneş enerjili seyyar soğutma sistemlerinin termoekonomik analizi

Abstract

Bu çalışmada, ~11 kW soğutma yüküne sahip Evergreen 20` soğuk depo konteynerinin şebeke dışı ya da acil durum bölgelerinde medikal malzemelerin muhafazasi için, soğutma yükünün fotovoltaik (PV) panel ile karşılanması düşünülmüştür. Soğutma yükü sadece gündüz ve tüm gün karşılanmak üzere üç sistem için modelleme yapılmış olup, soğutucu olarak hava soğutmalı sistem göz önüne alınmıştır. I. sistemde sadece soğutucu sistem ve PV panel grubu çifti üzerine çalışılmıştır. II. ve III. sistemlerde enerji depolama ile tüm gün çalışma öngörülmüştür. II. sistemde elektrolizör, hidrojen tankı ve yakıt hücresi enerji depolama sistemi olarak, III. sistemde ise motor-pompa, rezervuar ve türbin jeneratör üniteleri (hidrolik enerji depolama) I. Sisteme adapte edilmiştir. Tüm konfigürasyonlar için hesaplamalar EES (Engineering Equation Solver) programı yardımıyla yapılmıştır. Buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminde R152a, R134a, R600a, R12, R22, R410a, R1234yf, R290 soğutucu akışkanları karşılaştırmalı olarak kullanılmıştır. Her üç sistem için referans sıcaklığı, basınç oranı, evaporatör sıcaklığı, güneş ışınım şiddeti değişimi, PV panel alanı etkileri araştırılmış olup, ekserji ve enerji verimleri, soğutma tesir katsayıları (COPen - COPex) ifadeleri performans göstergeleri olarak incelenmiştir. Aynı zamanda sistem için gerekli bileşenlerin ekonomik analizi termodinamik analiz sonuçları baz alınarak değerlendirilmiştir. Analiz sonuçlarında referans alınan sistemin enerjetik ve ekserjetik COP değerleri sırasıyla 1.34 ve 0.42 olarak hesaplanmış, gerekli PV panel alanı 15 m2' elde edilmiştir. Hidrojen depolama opsiyonu göz önüne anlıdığında 10 saatlik güneşlenme varsayımı ile 2.269 kg H2 depolama ihtiyacına karşılık, gerekli PV panel alanı 104 m2 olarak hesaplanmış, karşılık gelen enerjetik ve ekserjetik COP değerleri sırasıyla 0.21 ve 0.018 bulunmuştur. Bu sistem için performans hesaplamalarında üretilen H2 gece kullanılacağı için enerji çıktısı olarak düşünülmemiştir. Hidrolik enerji depolama sistemi %58 verimle çalışabilmekte, ve yüksek enerji dönüşüm perfomansı sayesinde gerekli panel alanı 44 m2'ye kadar düşmektedir. Enerji depolama için ihtiyaç olan rezervuar alanları, çalışılan sistemin seyyarlığı göz önüne alındığında makul görülmemektedir. Komponent maliyetleri göz önüne alındığında I. sistem yaklaşık 10840$ iken, H2 depolamalı sistem maliyeti 58738$ ve hidrolik depolamalı sistem maliyeti 220000$'dır. Artan PV panel alanına bağlı olarak panel maliyeti toplam maliyet üzerinde kayda değer bir etki göstermektedir. Suriye'nin Halep kenti için de bir örnek model çalışması yapılmıştır.

This thesis study aimes to compensate the power requirement of an Evergreen brand portable container rated as ~11 kW using solar photovoltaic (PV) panels in order to conserve medical supplies at off-grid and emergency areas. Three systems are considered and modeled by taking energy storage into account by using a vapor compression refrigeration (VCR) system. The first system integrates only the VCR and the PV systems, while the second system uses H2 storage by electrolysis of water and production of electricity using the produced H2 from electrolysis, leading to overcoming of intermittent nature of solar energy availability. The third system uses the pump-hydro energy storage with a pump-turbine couple adapted to lower and upper reservoirs. All configurations are modeled and analysed using the Engineering Equation solver (EES) softewatre package. For an optimized VCR unit, many refrigerants such as R152a, R134a, R600a, R12, R22, R410a, R1234yf, R290 are comparativeley taken into account. Parametric studies are conducted using reference temperature, VCR pressure ratio, evaporator temperature, solar irradiation, solar PV area parameters; energy and exergy assessments, as well as energetic and exergetic COP (coefficient of perormance) evaluations are conducted. Additionally, thermodynamic analysis results are used to make a rough cost estimation of considered configurations.Analysis results indicate that the reference system presents energetic and exergetic COP values of 1.34 and 0.42, respectively with a required solar panel area of 15 m2.Considering the H2 storage option, with the assumption of 10 hours of sunbathing, 2.269 kg H2 storage is required, and the necessary PV panel area to run this system is around 104 m2. The energetic and exergetic COP values result in 0.21 and 0.018, respectively. Produced H2 from this system is not taken into account as an energy output since this agent is used as an input for the system at night time. The hydro-pump storage unit itself shows 58% efficiency which is significantly higher than that of the H2 storage, bringing down the required PV panel area down to 44 m2. It is also absorved that the required reservoir volumes for water storage are too high that may jeopardize the portability of the considered system. Component costs are taken into account to make a rough estimate on system costs. The system with no energy storage costs $ 10840, while the systems with H2 and hydro-pump storage are $ 58738, and $ 220000, respectively. Increasing PV area has a significant effect on overall system costs. A case study is also considered for the city of Aleppo in Syria as an emergency region.