Thesis (PhD (Mechanical and Mechatronic Engineering))--Stellenbosch University, 2008. / ENGLISH ABSTRACT: The power conversion unit of a large solar chimney power plant converts the fluid power, first into mechanical power, and then into electrical power. In this dissertation a tool is developed to determine the layout and the number of turbines of the solar chimney power conversion unit providing the lowest cost of electricity. First, the history of the solar chimney concept and the related fields of research are presented. Potential features and configurations of the power conversion unit are introduced, and it is shown how the solar chimney power conversion unit compares to those of other applications. An outline of the dissertation is given, and its potential impact is discussed. An analytical turbine model is developed. Several modelling approaches and the performance of single rotor and counter rotating turbine layouts are compared. Preliminary turbine designs are investigated, experimentally and numerically. The main aim of the experimental investigation is to verify the applicability of the loss model used in the analytical turbine model. The aim of the numerical investigation is to evaluate a commercial software package as a tool in context with solar chimney turbines. For each component of the power conversion unit an analytical performance model is introduced. Using these models, the single vertical axis, multiple vertical axis and multiple horizontal axis turbine configurations are compared from an efficiency and energy yield point of view, and the impact of the various losses on the overall performance is highlighted. A detailed cost model for the power conversion unit is also presented. To optimize for cost of electricity this cost model is then linked to the performance models, and the resulting optimization scheme is applied to several plant configurations. It is shown that for a large solar chimney power plant the power conversion unit providing minimal cost of electricity consists of multiple horizontal axis turbines using a single rotor layout including inlet guide vanes. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die drywingsomsettingseenheid van ’n groot sonskoorsteenaanleg sit die vloeidrywing om, eers in meganiese drywing en dan in elektriese drywing. In hierdie proefskrif word ’n gereedskapstuk ontwikkel om die uitleg en aantal turbines van die sonskoorsteen-drywingsomsettingseenheid te bepaal wat die laagste koste van elektrisiteit lewer. Eerstens word die geskiedenis van die sonskoorsteen en verwante navorsingsvelde behandel. Moontlike eienskappe en konfigurasies vir die drywingsomsettingseenheid word voorgestel, en daar word aangetoon hoe die sonskoorsteendrywingsomsettings- eenheid vergelyk met ander toepassings. ’n Raamwerk van die proefskrif word gegee, en die potensiële trefkrag daarvan word bespreek. ’n Analitiese turbine-model word ontwikkel. Verskeie nabootsingsbenaderings en die vertoning van ’n enkelrotor en teenroterende turbine-uitlegte word vergelyk. Voorlopige turbine-ontwerpe word ondersoek, eksperimenteel en numeries. Die hoofdoel van die eksperimentele ondersoek is om die toepaslikheid van die verliesmodel in die analitiese turbine-model te bevestig. Die doel van die numeriese ondersoek is om kommersiële sagteware op te weeg as ’n gereedskapstuk in die konteks van sonskoorsteenturbines. Vir elke onderdeel van die drywingsomsettingseenheid word ’n analitiese model voorgestel. Met gebruik van hierdie modelle word die enkele vertikale-as, die veelvoudige vertikale-as an die veelvoudige horisontale-as turbinekonfigurasies vergelyk vanuit ’n benuttingsgraad- en energie-opbrengsoogpunt,en die uitwerking van die verskillende verliese op die algehele gedrag word uitgewys. ’n Kostemodel in besonderhede word vir die drywingsomsettingseenheid aangebied. Om vir die koste van elektrisiteit te optimeer word hierdie kostemodel dan gekoppel aan die vertoningsmodelle, en die gevolglike optimeringskema word toegepas op verskeie aanlegkonfigurasies. Daar word aangetoon dat vir ’n groot sonskoorsteenaanleg die drywingsomsettingseenheid wat die minimumkoste van elektrisiteit gee, bestaan uit veelvoudige horisontale-as turbines met enkelrotoruitleg en inlaatleilemme. / Centre for Renewable and Sustainable Energy Studies

Thesis (PhD (Mechanical and Mechatronic Engineering))-- University of Stellenbosch, 2007. / ENGLISH ABSTRACT: The dissertation builds on previous research (Pretorius, 2004) and investigates the optimization and control of a large-scale solar chimney power plant. Performance results are based on a reference location near Sishen in South Africa and a so-called reference solar chimney power plant, with a 5000 m collector diameter and a 1000 m high, 210 m diameter chimney. The numerical simulation model is refined and used to perform a sensitivity analysis on the most prominent operating and technical plant specifications. Thermo-economically optimal plant configurations are established from simulation results and calculations according to an approximate plant cost model. The effects of ambient wind, temperature lapse rates and nocturnal temperature inversions on plant performance are examined. Various new technologies are investigated for the purpose of controlling plant output according to specific demand patterns. The incorporation of vegetation under the collector roof of the plant and the influence thereof on plant performance is also explored. Results indicate that, through the modification of the collector roof reflectance, collector roof emissivity, ground surface absorptivity or ground surface emissivity, major improvements on plant performance are possible. Introducing thermal insulation or double glazing of the collector roof also facilitates substantial enhancements on plant yield. Simulations predict a notable sensitivity to the ground surface absorptivity value, while variable atmospheric temperature lapse rates and windy ambient conditions may impair plant performance significantly. Furthermore, sand is found to be unsuitable as plant ground type and thermoeconomically optimal solar chimney plant dimensions are determined to be generally larger than plant dimensions employed in previous studies. Good dynamic control of solar chimney power output is established, suggesting that a solar chimney power plant can be implemented as a base or peak load electricity generating facility. Lastly, results predict that vegetation, when provided with sufficient water, will be able to survive under the collector roof but the inclusion of vegetation will however cause major reductions in plant performance. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die proefskrif bou op vorige navorsing (Pretorius, 2004) en ondersoek die optimering en beheer van 'n grootskaalse sonskoorsteen-kragstasie. Uitsetresultate word baseer op 'n verwysingsligging naby Sishen in Suid-Afrika en 'n sogenaamde verwysingskragstasie, met 'n kollektor deursnee van 5000 m en 'n 1000 m hoë, 210 m deursnee skoorsteen. Die numeriese rekenaarmodel is verbeter en gebruik vir die uitvoering van 'n sensitiwiteits-analise op die belangrikste bedryfs- en tegniese kragstasie spesifikasies. Termo-ekonomiese optimale aanlegkonfigurasies is bepaal volgens die uitsetresultate van die rekenaarmodel en benaderde aanleg-kosteberekeninge volgens 'n eenvoudige kostemodel. Die invloed van wind, atmosferiese temperatuur gradiënte en nagtelike temperatuur inversies op kragstasie uitset word beskou. Verskeie nuwe tegnologië word ondersoek met die doel om aanleg uitset te kan beheer volgens spesifieke elektrisiteit aanvraagspatrone. Die inkorporasie van plantegroei onder die kollektordak, en die invloed daarvan op kragstasie uitset, word ook beskou. Bevindings dui aan dat, deur die wysiging van die kollektordak refleksie, kollektordak emissiwiteit, grondoppervlak absorptiwiteit of grondoppervlak emissiwiteit, groot verbeterings op aanleg uitset moontlik is. Die implementering van termiese isolasie of 'n dubbelglaslaag vir die kollektordak veroorsaak ook 'n beduidende verheffing in kragstasie uitset. Simulasies voorspel 'n merkbare sensitiwiteit teenoor die grondoppervlak absorptiwiteitswaarde, terwyl veranderlike atmosferiese temperatuur daaltempos en winderige omgewingstoestande aanleg uitset beduidend mag belemmer. Verder is bevind dat sand ongeskik is as aanleg grond tipe en dat termo-ekonomiese optimale sonskoorsteen-kragstasie dimensies in die algemeen groter is as die aanvaarde aanlegdimensies van vorige studies. Goeie dinamiese beheer van sonskoorsteen-kragstasie uitset is bevestig, wat suggereer dat die sonskoorsteenkragstasie as 'n basis of pieklas elektrisiteitopwekkings-aanleg ingespan kan word. Ten laaste voorspel resultate dat plantegroei, mits dit voorsien word van genoegsame water, sal kan oorleef onder die kollektordak maar dat die inkorporasie van plantegroei die aanleg uitset beduidend sal benadeel. / Sponsored by the Centre for Renewable and Sustainable Energy Studies