Developing and testing a cost effective thermal rock bed storage system.
Date
2017-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: In the concentrating solar power industry, thermal energy storage is an attractive
solution for storing excess energy for the periods with insufficient solar resource. Energy storage in the form of sensible heat is a mature and practical method of storing energy for later use. Current thermal energy storage
technologies are expensive and alternative solutions are needed. The ultimate goal of a more cost effective thermal storage for concentrating solar power is to
decrease the levelized cost of electricity. Other than the potential for capital cost reduction, it is also adding value to concentrating solar power in industry compared to other renewable technologies. With thermal energy storage, a renewable energy electricity production plant can deliver electricity on demand and support the national grid. Thermal energy storage is a well-proven
concept that can meet the need for more cost effective alternatives.
The development of a novel cost effective thermal energy storage for air at 600° C with a unique system layout is covered in this project. This novel thermal energy storage concept has potential to reduce the specific installation
cost per kWh installed. A test facility was constructed in this project for testing the feasibility of a specific concept of a packed bed thermal energy storage.
The packed bed consist of a conical rock pile as a storage medium and air as the heat transfer fluid.
The test facility has a scalable design of a specific concept of a packed rock bed for thermal energy storage system. An inverted thermocline is implemented in this concept where the heat is stored at the bottom of the packed bed.
A cost effective layout is presented, with each component and subsystem optimized to reduce the installation cost of the thermal energy storage test facility.
Design considerations focus on the constructability of the design, ease of assembling the structure on site and selection of the most suitable construction
materials.
Operational strategies are developed to ensure that the outlet temperature, the temperature of the heat transfer fluid trough the fan and also the temperature
distribution through the rock pile do agree with the design specifications of the materials and the equipment used. Thermoclines defining the distribution of the temperature in the packed bed, round-the-clock cycle efficiency and characteristics of an idling storage system are investigated in this project.
Commissioning and experimental testing of various operational strategies are conducted in this project in order to find a suitable operational strategy that
can be used for this specific thermal energy storage that can make it feasible to use on a large scale.
The experimental results with the operation strategies implemented show that the thermal energy storage concept can be used for short term energy
storage with a usable energy recovery efficiency of 60%. The overall performance of the thermal energy storage system indicates that the concept under consideration in this project still needs to be improved to find an improved
solution for a low-cost thermal energy storage that is a viable option to utilize in industry. Current challenges to improve the volume efficiency of the packed bed of rocks and the energy recovery efficiency are identified in this project for future research.
AFRIKAANSE OPSOMMING: In die gekonsentreerende sonkragbedryf is ’n termiese energie stoorstelsel ’n aantreklike oplossing vir die berging van oortollige energie vir die periodes met onvoldoende sonkrag. Energie storing in die vorm van tasbare hitte is ’n gesoute en praktiese metode om energie te stoor vir latere gebruik. Huidige termiese energie stoor tegnologië is duur en alternatiewe oplossings word benodig. Die uiteindelike doel van ’n meer koste-effektiewe termiese energie stoorstelsel vir gekonsentreerende sonkrag is om die gelykmatige koste van elektrisiteit te verminder. Behalwe die potensiaal vir kapitaalkostevermindering voeg dit ook waarde toe tot gekonsentreerende sonkrag in die industrie in vergelyking met ander hernubare tegnologieë. Met ’n termiese energie stoorstelsel kan ’n hernubare energie elektrisiteitsopwekkings aanleg op aanvraag lewer en die nasionale netwerk ondersteun. Termiese energie storing is ’n goed beproefde konsep wat die behoefte aan meer koste-effektiewe alternatiewe kan haal. Die ontwikkeling van ’n nuwe koste-effektiewe termiese energie stoorstelsel vir lug by 600 ° C met ’n unieke stelsel uitleg word in hierdie projek gedek. Hierdie nuwe termiese energie stoorstelsel konsep het die potensiaal om die spesifieke installasiekoste per kWh te verminder. ’n Toetsfasiliteit is in hierdie projek gebou om die uitvoerbaarheid van ’n spesifieke konsep van ’n termiese energie stoorstelsel met vol bed te toets. Die gepakte bed bestaan uit ’n koniese rotsstapel as ’n opbergmedium en lug as die warmte-oordragvloeistof. Die toetsfasiliteit bestaan uit ’n skaalbare ontwerp van ’n spesifieke konsep van ’n gepakte rots bed vir ’n termiese energie stoorstelsel. ’n Omgekeerde emperatuurgradiënt word geïmplementeer in hierdie konsep waar die hitte onder in die gepakte bed gestoor word. ’n Kostedoeltreffende uitleg word aangebied, met elke komponent en substelsel geoptimaliseer om die installasiekoste van die termiese energie stoorstelsel fasiliteit te verminder. Ontwerp oorwegings fokus op die konstruksie van die ontwerp, gemak van die samestelling van die struktuur op die terrein en die keuse van die mees geskikte konstruksiemateriaal. Operasionele strategieë is ontwikkel om te verseker dat die uitlaat temperatuur, die temperatuur van die warmte-oordragvloeistof deur die waaier asook die temperatuurverspreiding deur die rots bed ooreenstem met die ontwerpspesifikasies van die materiaal en die toerusting wat gebruik word. Temperatuurgradiënte wat die verdeling van die temperatuur in die gepakte bed definieer, die siklus doeltreffendheid en karaktereienskappe van ’n ledige bergingstelsel word ondersoek in hierdie projek. In hierdie projek word eksperimentele toetsing van verskeie operasionele strategieë gedoen om ’n geskikte operasionele strategie te vind wat gebruik kan word vir hierdie spesifieke termiese energie berging wat dit op groot skaal moontlik maak. Die eksperimentele resultate verkry deur die geïmplementeerde operasionele strategieë, toon dat die termiese energie berging konsep gebruik kan word vir korttermyn energie berging met ’n bruikbare energie herwinningsdoeltreffendheid van 60%. Die algehele prestasie van die termiese energie bergingstelsel dui daarop dat die konsep wat in hierdie projek oorweeg word, nog verbeter moet word om ’n beter oplossing te vind vir ’n lae-koste termiese energie stoorstelel wat ’n lewensvatbare opsie is om in die bedryf te gebruik. Huidige uitdagings om die volume-doeltreffendheid van die gepakte rots bed te verbeter en die doeltreffendheid van energieherwinning is in hierdie projek vir toekomstige navorsing geïdentifiseer.
AFRIKAANSE OPSOMMING: In die gekonsentreerende sonkragbedryf is ’n termiese energie stoorstelsel ’n aantreklike oplossing vir die berging van oortollige energie vir die periodes met onvoldoende sonkrag. Energie storing in die vorm van tasbare hitte is ’n gesoute en praktiese metode om energie te stoor vir latere gebruik. Huidige termiese energie stoor tegnologië is duur en alternatiewe oplossings word benodig. Die uiteindelike doel van ’n meer koste-effektiewe termiese energie stoorstelsel vir gekonsentreerende sonkrag is om die gelykmatige koste van elektrisiteit te verminder. Behalwe die potensiaal vir kapitaalkostevermindering voeg dit ook waarde toe tot gekonsentreerende sonkrag in die industrie in vergelyking met ander hernubare tegnologieë. Met ’n termiese energie stoorstelsel kan ’n hernubare energie elektrisiteitsopwekkings aanleg op aanvraag lewer en die nasionale netwerk ondersteun. Termiese energie storing is ’n goed beproefde konsep wat die behoefte aan meer koste-effektiewe alternatiewe kan haal. Die ontwikkeling van ’n nuwe koste-effektiewe termiese energie stoorstelsel vir lug by 600 ° C met ’n unieke stelsel uitleg word in hierdie projek gedek. Hierdie nuwe termiese energie stoorstelsel konsep het die potensiaal om die spesifieke installasiekoste per kWh te verminder. ’n Toetsfasiliteit is in hierdie projek gebou om die uitvoerbaarheid van ’n spesifieke konsep van ’n termiese energie stoorstelsel met vol bed te toets. Die gepakte bed bestaan uit ’n koniese rotsstapel as ’n opbergmedium en lug as die warmte-oordragvloeistof. Die toetsfasiliteit bestaan uit ’n skaalbare ontwerp van ’n spesifieke konsep van ’n gepakte rots bed vir ’n termiese energie stoorstelsel. ’n Omgekeerde emperatuurgradiënt word geïmplementeer in hierdie konsep waar die hitte onder in die gepakte bed gestoor word. ’n Kostedoeltreffende uitleg word aangebied, met elke komponent en substelsel geoptimaliseer om die installasiekoste van die termiese energie stoorstelsel fasiliteit te verminder. Ontwerp oorwegings fokus op die konstruksie van die ontwerp, gemak van die samestelling van die struktuur op die terrein en die keuse van die mees geskikte konstruksiemateriaal. Operasionele strategieë is ontwikkel om te verseker dat die uitlaat temperatuur, die temperatuur van die warmte-oordragvloeistof deur die waaier asook die temperatuurverspreiding deur die rots bed ooreenstem met die ontwerpspesifikasies van die materiaal en die toerusting wat gebruik word. Temperatuurgradiënte wat die verdeling van die temperatuur in die gepakte bed definieer, die siklus doeltreffendheid en karaktereienskappe van ’n ledige bergingstelsel word ondersoek in hierdie projek. In hierdie projek word eksperimentele toetsing van verskeie operasionele strategieë gedoen om ’n geskikte operasionele strategie te vind wat gebruik kan word vir hierdie spesifieke termiese energie berging wat dit op groot skaal moontlik maak. Die eksperimentele resultate verkry deur die geïmplementeerde operasionele strategieë, toon dat die termiese energie berging konsep gebruik kan word vir korttermyn energie berging met ’n bruikbare energie herwinningsdoeltreffendheid van 60%. Die algehele prestasie van die termiese energie bergingstelsel dui daarop dat die konsep wat in hierdie projek oorweeg word, nog verbeter moet word om ’n beter oplossing te vind vir ’n lae-koste termiese energie stoorstelel wat ’n lewensvatbare opsie is om in die bedryf te gebruik. Huidige uitdagings om die volume-doeltreffendheid van die gepakte rots bed te verbeter en die doeltreffendheid van energieherwinning is in hierdie projek vir toekomstige navorsing geïdentifiseer.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2017.
Keywords
Thermal energy storage, Solar power plants, Thermoclines, UCTD