Please use this identifier to cite or link to this item: http://cmuir.cmu.ac.th/jspui/handle/6653943832/73577
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorTanongkiat Kiatsiriroat-
dc.contributor.advisorAttakorn Asanakham-
dc.contributor.advisorThoranis Deethayat-
dc.contributor.authorRithy Kongen_US
dc.date.accessioned2022-07-08T10:18:33Z-
dc.date.available2022-07-08T10:18:33Z-
dc.date.issued2021-03-
dc.identifier.urihttp://cmuir.cmu.ac.th/jspui/handle/6653943832/73577-
dc.description.abstractThis study proposed a new technique of solar photovoltaic-cascade heat pump assisted ORC (PV-HP-ORC) system integration from combined cooling, heat and power (CCHP). The typical power outputs of the R245fa-ORC were 7 and 20kWe at 40oC-ORC condensing temperature. The application of the heat pump was to reduce the ORCcondensing temperature (40 to 30oC) for a higher ORC power output by cooling down the condenser-cooling water temperature and to generate heat in terms of hot water (80- 90oC). This meant that some/whole part of heat rejected at the ORC condenser served as the cooling load of the heat pump. Some part of the generated heat was used for assisting the ORC boiler by preheating ORC heat source water condensate after it supplied heat to the ORC evaporator. Therefore, the boiler biomass consumption could be saved. In addition, the other part of heat (hot water) could also be used for other thermal applications such as drying processes. Due to that the heat pump consumed electrical energy, a set of PV modules, each of 320Wp, was integrated to save electricity transmitted from the grid of the power plant. Moreover, from the annual exergy generated by the system due to ORC generated power output and heat pump generated heat, system investment cost, and system energy saving, the unit costs of exergy (UCEs) of the system were determined based on exergy-costing method and GHG CO2 emission of the system was also defined. As mentioned above, the new technique of HP-ORC system was proposed, and the results of the system performances and economic and environmental assessments were obtained. The ORC thermal and exergy efficiencies increased around 15 and 16.5% when the ORC condensing temperature was reduced by 10oC under the heat pump assistance. In addition, the overall HP-ORC system thermal and exergy efficiencies also increased from 7.25 to 50.5% and from 7.25 to 12.21%, respectively. From the annual generated exergy and total investment costs of the systems, ORC and HP-ORC, the unit costs of exergy (UCEs) were determined. The cassava biomass gave the highest UCEs while the palm fruit bunch gave the lowest UCEs of the systems. The bigger system with 20kWORC also gave the lower UCEs compared to those of the system with 7kW-ORC. At 40oC ORC-condensing temperature, the UCEs of the bigger system were 8.47 and 4.91Baht/kWh, respectively, with cassava and palm fruit bunch compared to 9.11 and 6.5Baht/kWh of the small system. The UCEs of the HP-ORC could be reduced to lower than the UCEmarket due to that the system could generate heat and higher power output as the ORC condensing temperature was reduced. The UCEs of the HP-ORC dropped below the market price (4Baht/kWhe) when the ORC condensing temperatures were equal or below 37 and 38oC for the systemwith 7 and 20kW-ORC, respectively. The suitable lowest ORC condensing temperature to be reduced was 33oC and the payback periods were, respectively, 6.69 and 6.35 years with palm fruit bunch biomass. The total daily CO2 emissions were also increasing from 575.1 to 971.7kg.CO2 eq./day and from 1564.2 to 2696.7kg.CO2 eq./day, respectively, for the system with 7 and 20kW-ORC when the ORC condensing temperature was reduced from 40 to 30oC. In contrast, the CO2 emission factors were decreasing from 4.11 to 0.46kgCO2 eq./kWh and 3.91 to 0.45kgCO2 eq./kWh as the ORC condensing temperature was reduced from 40 to 30oC. Therefore, the bigger system also possessed the better environmental performance. The heat-to-power energy ratio of the HP-ORC system was also given corresponding to the reduced ORC condensing temperature. From this ratio, the capacity of the heat pump could be designed and the UCE and the payback period of the combined HP-ORC system could be determined. Furthermore, with a set of the PV modules, the UCEs and the amount of CO2 emission of the PV-HP-ORC were lower compared to those of the HP-ORC. The UCEs of the HP-ORC with palm fruit biomass were reduced from 6.5 and 4.91Baht/kWh to 2.51 and 2.48Baht/kWh, respectively, for the system with 7 and 20kW-ORC when the ORC condensing temperature was reduced from 40 to 30oC. With 60 PV modules, the UCE values of the PV-HP-ORC dropped from 6.5 and 4.91Baht/kWh to 2.43 and 2.45Baht/kWh. With lower UCEs, the payback periods of the PV-HP-ORC were also slightly shorter with specific number of PVs at ORC condensing temperature range of 37- 40oC. Below 37oC, the payback periods increased due to higher costs of PVs and inverter then the integration of PVs was not good. Similarly, the integration of the PVs reduced the CO2 emission of the system. With 50 PV modules, the CO2 emission factors dropped 0.43 and 0.44kgCO2 eq./kWh, respectively, for the system with 7 and 20kW-ORC at the condensing temperature of 30oC. It could be noticed that without PV the system with 20kW-ORC environmentally performed better than the small one due to less CO2 emission factor. The opposite result was found when specific number of PVs was integrated due to less heat pump electricity consumption of the small system. Sensitive analysis of the system UCEs with affecting parameters such as prices of palm fruit bunch biomass and PVs, daily operating time, discount rate, and stack gas waste heat recovery was also performed in the last section of the study.en_US
dc.language.isoenen_US
dc.publisherChiang Mai : Graduate School, Chiang Mai Universityen_US
dc.titlePerformance improvement of organic rankine cycle for power generation by photovoltaic-assisted heat pumpen_US
dc.title.alternativeการปรับปรุงสมรรถนะของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์สำหรับการผลิตไฟฟ้าด้วยปั๊มความร้อนและโฟโตโวลตาอิกส์ช่วยen_US
dc.typeThesis-
thailis.controlvocab.lcshElectric power production-
thailis.controlvocab.lcshHeat pumps-
thailis.controlvocab.lcshPhotovoltaic power generation-
thailis.controlvocab.lcshPhotovoltaic power systems-
thesis.degreedoctoralen_US
thesis.description.thaiAbstractในงานวิจัยนี้ได้นำเสนอเทคนิคใหม่สาหรับวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์สาหรับการผลิตไฟฟ้า ด้วยโฟโตวอลตาอิกส์เสริมปั๊มความร้อนแบบคาสเคด โดยทำงานร่วมทั้งความเย็น ความร้อนและ กาลัง กาลังของ R245fa-ORC ขนาด 7 และ 20 kWe ที่อุณหภูมิควบแน่น 40°C ปั๊มความร้อน ประยุกต์ใช้ในการลดอุณหภูมิควบแน่น ORC จาก 40°C ลงมาที่ 30°C โดยการลดอุณหภูมิน้ำเย็นที่ เครื่องควบแน่นเพื่อให้ได้กำลังจาก ORC ที่สูงขึ้นอีกทั้งยังผลิตความร้อนในรูปแบบของน้ำร้อน (80- 90°C) ซึ่งหมายถึงความร้อนบางส่วน/ทั้งหมดที่ถูกขับออกมาจากเครื่องควบแน่น ORC ถูกนำไปใช้ เป็นภาระการทำความเย็นของปั๊มความร้อน และความร้อนบางส่วนจะช่วยในการอุ่นน้ำในหม้อไอน้า ที่ควบแน่นกลับมาหลังจากที่ให้ความร้อนแก่เครื่องทาระเหยของ ORC แล้ว ด้วยเทคนิคดังกล่าวจะ ช่วยลดการใช้ชีวมวลที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงในหม้อไอน้ำลงได้ นอกจากนั้นความร้อนที่เหลือ (น้ำร้อน) ยัง สามารถประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์ความร้อนอื่นๆได้ เช่น กระบวนการอบแห้งและเนื่องจากปั๊มความร้อน มีการใช้พลังงานไฟฟ้า จึงมีการใช้ระบบโซลาร์เซลล์โมดูล (โมดูลละ 320 Wp) ร่วมกับพลังงานไฟฟ้า จากสายส่ง อีกทั้งระบบยังมีการผลิตเอ็กเซอร์จีเนื่องจาก ORC ผลิตกำลังไฟฟ้าและปั๊มความร้อน จึงได้ มีการวิเคราะห์ต้นทุนของเอ็กเซอร์จี (UCEs) ของระบบด้วยการวิเคราะห์เศรษฐศาสตร์อุณหภาพรวม ถึงการปล่อย CO2 ของระบบอีกด้วย จากที่กล่าวมาข้างต้น งานวิจัยนี้ได้นำเสนอ HP-ORC ซึ่งเป็นเทคนิคใหม่ โดยได้ดำเนินการหา สมรรถนะ, การวิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์และการประเมินทางสิ่งแวดล้อม สาหรับประสิทธิภาพทางความร้อนและเอก็ เซอร์จี ORC เพิ่มขึ้น 15 และ 16.5% ตามลำดับ เมื่อ ใช้ปั๊มความร้อนช่วยลดอุณหภูมิควบแน่น ORC ลง 10°C นอกจากนี้ประสิทธิภาพรวมทางความร้อน และเอก็ เซอร์จี HP-ORC ยังเพิ่มขึ้นจาก 7.25 เป็น 50.5% และจาก 7.25 เป็น 12.21% ตามลำดับ จากเอ็ก เซอร์จีและการลงทุนรวมของระบบ ORC และ HP-ORC ชีวมวลมันสาปะหลังให้ต้นทุนเอ็กเซอร์จี (UCEs) สูงที่สุดขณะที่ทะลายปาล์มมี UCEs ต่ำที่สุด โดย ORC 20kW ให้ UCEs ต่ำกว่า ORC 7kW ที่ อุณหภูมิควบแน่น ORC 40°C UCEs ของ ORC 20kW และ 7 kW ที่ใช้ชีวมวลมันสาปะหลังและทะลาย ปาล์มมีค่าเท่ากับ 8.47 และ 4.91 บาท/kWh และ 9.11 และ 6.5 บาท/kWh ตามลำดับ UCEs ของ HP-ORC สามารถลดลงจนมีค่าต่ำกว่า UCE ในท้องตลาด (4 บาท/kWh) เนื่องจาก ระบบสามารถผลิตทั้งความร้อนและให้กำลังไฟฟ้าที่สูงกว่าที่อุณหภูมิควบแน่น ORC ต่ำกว่า 37 และ 38°C สำหรับ ORC ขนาด 7 และ 20kW ตามลำดับ อุณหภูมิควบแน่นต่ำสุดที่เหมาะสมสำหรับ ORC คือ 33°C ซึ่งจะให้ระยะเวลาคืนทุน 6.69 และ 6.35 ปี ตามลำดับเมื่อใช้ทะลายปาล์มเป็นเชื้อเพลิง การ ปล่อย CO2 รายวันของ ORC ขนาด 7 และ 20kW จะเพิ่มขึ้นจาก 575.1 เป็น 971.7 kg.CO2 eq./วัน และ จาก 1564.2 เป็น 2696.7 kg.CO2 eq./day ตามลำดับ ในทางกลับกัน ค่าสัมประสิทธ์ิการปล่อย CO2 ลดลงจาก 4.11 เป็น 0.46 kgCO2 eq./kWh และจาก 3.91 เป็น 0.45 kgCO2 eq./kWh เมื่อลดอุณหภูมิ ควบแน่น ORC จาก 40 เป็น 30°C ซึ่งจะเห็นว่า ระบบขนาดใหญ่ขึ้นจะมีสมรรถนะทางสิ่งแวดล้อมที่ ดีกว่า นอกจากนี้ยังมีการหาสัดส่วนความร้อนต่อกำลังของระบบ HP-ORC โดยสามารถนำสัดส่วนนี้ ไปใช้ในการออกแบบหาขนาดของปั๊มความร้อน, UCE และระยะเวลาคืนทุนของระบบร่วม HP-ORC ได้อีกด้วย เมื่อนาระบบ HP-ORC เชื่อมกับระบบ PV พบว่า UCEs และการปล่อย CO2 ของระบบ PV-HPORC ต่ำกว่า HP-ORC, UCE ของ HP-ORC ขนาด 7 และ 20kW ที่ใช้ทะลายปาล์มลดลงจาก 6.5 เหลือ 2.51 บาท/kWh และจาก 4.91 เหลือ 2.48 บาท/kWh ตามลำดับ เมื่อลดอุณหภูมิควบแน่น ORC จาก 40 เป็น 30°C ที่โมดูลโฟโตวอลเตอิกส์ 60 โมดูล UCE ของระบบ PV-HP-ORC ลดลงจาก 6.5 เหลือ 2.43 บาท/kWh และจาก 4.91 เหลือ 2.45 บาท/kWh ตามลำดับ โดยระยะเวลาคืนทุนจะสั้นลงเมื่อ UCE มีค่า ต่ำที่อุณหภูมิควบแน่น ORC ในช่วง 37-40°C แต่ถ้าอุณหภูมิควบแน่นต่ำกว่า 37°C ระยะเวลาคืนทุน จะนานข้นึ เนื่องจากราคาโมดูลโฟโตวอลเตอิกส์และอินเวอร์เตอร์ที่เพิ่มขึ้น จะทำให้การเชื่อมต่อกับ ระบบ PV นั้นไม่เหมาะสม อย่างไรก็ตามการเชื่อมกับระบบ PV จะช่วยลดการปล่อย CO2 โดยที่ จำนวนโมดูลโฟโตวอลเตอิกส์ 50 โมดูล PV-HP-ORC ขนาด 7 และ 20kW สัมประสิทธ์ิการปล่อย CO2 ลดลงเหลือ 0.43 และ 0.44 kgCO2.eq./kWh และในส่วนสุดท้ายของการศึกษา ได้ทำการวิเคราะห์ความไวของระบบที่มีผลต่อ UCE โดย พิจารณาพารามิเตอร์ดังนี้ ราคาของทะลายปาล์มและโมดูลโฟโตวอลเตอิกส์, ระยะเวลาทำงานในแต่ ละวัน, อัตราดอกเบี้ยและปริมาณการดึงความร้อนทิ้งกลับมาจากปล่องไอเสียen_US
Appears in Collections:ENG: Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
610651014 RITHY KONG.pdf4.79 MBAdobe PDFView/Open    Request a copy


Items in CMUIR are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.