فایل زیر شامل

۱- عدد فایل ورد(قابل ویرایش+ فرمول های تایپ شده) مقاله به همراه فایل پی دی اف به تعداد ۱۱ صفحه است

شبيه سازي‌ عملكرد نيروگاه حرارتي‌ خورشيدي‌ شلجمي‌ باز (SOLSAD)

مسعود سلطاني‌ حسيني‌ ـ عليرضا الحاق‌

مركز تحقيقات‌ نيرو ـ بخش‌ مكانيك‌

كلمات‌ كليدي‌: نيروگاه خورشيدي‌، شلجمي‌ باز، كلكتور، شبيه سازي‌

 

چكيده :

از آنجائيكه امروزه توليد برق‌ توسط نيروگاه هاي‌ حرارتي‌ خورشيدي‌ با توجه به مسائل‌ زيست‌ محيطي‌ مورد توجه خاصي‌ قرار گرفته و كشور ما نيز به سبب‌ قرارگيري‌ بر روي‌ كمربند خورشيدي‌ از پتانسيل‌ انرژي‌ خورشيدي‌ مناسبي‌ برخوردار است ‌لذا بررسي‌ دقيق‌ اجزاء سيكل‌ نيروگاه حرارتي‌ خورشيدي‌ جهت‌ بررسي‌ عملكرد و مدلسازي‌ آن‌ ضروري‌ بنظر مي‌رسد.

در اين‌ مقاله نخست‌ اجزاء مختلف‌ سيكل‌ نيروگاههاي‌ شلجمي‌ باز با استفاده از قوانين‌ بقاي‌ جرم‌، انرژي‌ و قانون‌ دوم‌ ترموديناميك‌ مورد تجزيه و تحليل‌ دقيق‌ قرار مي‌گيرد. سپس‌ با استفاده از روابط حاكم‌ بر اجزاء مختلف‌، و بكارگيري‌ برنامه كامپيوتري‌ تهيه شده (SOLSAD) رفتار سيستم‌ بررسي‌ مي‌شود. برنامه مذكور داراي‌ قابليت‌ تغيير كليه پارامترهاي‌ هندسي‌، تابشي‌ و اپتيكي‌ مربوط به گردآورنده هاي‌ خورشيدي‌ مدار اوليه نيروگاه و نيز انتخاب‌ مشخصات‌ سيكل‌ ترموديناميكي‌ و پارامترهاي‌ طراحي‌ كليه اجزاء مي‌باشد. با استفاده از برنامه فوق‌ مشخصات‌ اصلي‌ نيروگاه شلجمي‌ باز از جمله راندمان‌ كلي ‌نيروگاه ، ميدان‌ انرژي‌ قابل‌ توليد در طول‌ سال‌ و تأثير پارامترهاي‌ محيطي‌ بر روي‌ عملكرد نيروگاه مورد تجزيه و تحليل‌ دقيق‌ قرار مي‌گيرد.

 

۱ـ مقدمه

ايران‌ به لحاظ دارا بودن‌ مناطق‌ آفتاب‌ خيز فراوان‌ از قابليت‌ بالايي‌ جهت‌ استفاده از انرژي‌ خورشيدي‌ برخوردار است‌. حدوديك‌ چهارم‌ مساحت‌ كشور را صحرا و كوير با شدت‌ تابش‌ متوسط روزانه ۵ kWh/m2 تشكيل‌ مي‌دهد. چنانچه يك‌ درصد اين ‌مساحت‌ جهت‌ احداث‌ نيروگاههاي‌ خورشيدي‌ مورد استفاده قرار گيرد و راندمان‌ تبديل‌ انرژي‌ خورشيدي‌ به الكتريكي‌ را۱۰ درصد در نظر گرفت‌ پتانسيل‌ توليد برق‌ اين‌ نيروگاهها بيش‌ از ۸ برابر ميزان‌ توليد ناخالص‌ برق‌ نيروگاههاي‌ كشور در سال‌۱۳۷۴ (معادل‌ ۸۵ ميليون‌ مگاوات‌ ساعت‌) برآورد مي‌گردد.

در نيروگاههاي‌ حرارتي‌ خورشيدي‌ از تابش‌ خورشيد براي‌ گرمايش‌ يك‌ سيال‌ واسطه استفاده و سپس‌ با استفاده ازيكسري‌ مبدلهاي‌ حرارتي‌، انرژي‌ حرارتي‌ جذب‌ شده به سيال‌ عامل‌ واحد قدرت‌ منتقل‌ مي‌شود. نهايتاً از سيال‌ عامل‌ براي‌بكار انداختن‌ توربوژنراتور و توليد برق‌ استفاده مي‌گردد. در حال‌ حاضر تكنولوژي‌ جديد توليد مستقيم‌ بخار كه امكان‌ حذف‌ سيال‌ واسطه و مبدلها را فراهم‌ مي‌كند در مرحله بررسي‌ و آزمايش‌ است‌.

تكنولوژي‌ توليد برق‌ از انرژي‌ حرارتي‌ خورشيد مشابه تكنولوژي‌ توليد برق‌ از سوخت‌ فسيلي‌ است‌ با اين‌ تفاوت‌ كه بجاي‌احتراق‌ سوخت‌ فسيلي‌ از انرژي‌ تابشي‌ خورشيد براي‌ تأمين‌ حرارت‌ استفاده مي‌شود. بدليل‌ نياز به درجه حرارت‌ بالا (حدود۴۰۰ درجه سانتيگراد) براي‌ توليد برق‌ مي‌بايست‌ از سيستم‌هاي‌ متمركز كننده خورشيدي‌ استفاده شود. متداولترين‌ سيستم ‌متمركز كننده مورد استفاده در نيروگاههاي‌ حرارتي‌ خورشيدي‌ استفاده از گردآورنده هاي‌ شلجمي‌ باز است‌ (شكل‌ ۱). در بخش‌ خورشيدي‌ اين‌ نيروگاه آينه هاي‌ شلجمي‌ باز در طول‌ يك‌ محور خورشيد را تعقيب‌ نموده و انرژي‌ را بر روي‌ يك‌ لوله جذب‌ كننده كه در روي‌ خط كانوني‌ قرار گرفته متمركز مي‌نمايند. معمولا نسبت‌ تمركز بين‌ ۲۰ الي‌ ۱۰۰ بوده و درجه حرارت ‌بهره برداري‌ حداكثر تا ۴۰۰ درجه سانتيگراد قابل‌ دستيابي‌ است‌. در نيروگاههاي‌ موجود معمولا از روغن‌ حرارتي‌ بعنوان‌سيال‌ عامل‌ انتقال‌ حرارت‌ استفاده مي‌شود. اين‌ سيال‌ پس‌ از عبور از داخل‌ لوله هاي‌ جذب‌ كننده و دريافت‌ انرژي‌ حرارتي‌ به ‌واحد قدرت‌ منتقل‌ مي‌گردد.

سيكل‌ بخار رانكين‌ و سيكل‌ تركيبي‌ مناسبترين‌ سيكلهاي‌ ترموديناميكي‌ جهت‌ استفاده در نيروگاه شلجمي‌ باز مي‌باشند كه انرژي‌ حرارتي‌ حاصل‌ از مزرعه خورشيدي‌ را به انرژي‌ مكانيكي‌ تبديل‌ مي‌كنند. بكارگيري‌ سيستم‌ ذخيره سازي‌ حرارتي‌ براي‌ اين‌ نيروگاه ها بدليل‌ هزينه بالا و محدوديت‌ دمايي‌ روغن‌هاي‌ حرارتي‌ گسترش‌ زيادي‌ پيدا نكرده و تنها در واحدهاي‌كوچك‌ (تا ۱۵ مگاوات‌) مورد استفاده قرار گرفته است‌. براي‌ ظرفيتهاي‌ كمتر از ۳۰ مگاوات‌ بكارگيري‌ سيكل‌ رانكين‌ با بويلر فسيلي‌ كمكي‌ در مدار ثانويه نيروگاه مناسبترين‌ طرح‌ مي‌باشد. زيرا اينرسي‌حرارتي‌ مزرعه خورشيدي‌ نسبتاً پائين‌ بوده و قابليت‌ عكس‌ العمل‌ سريع‌ در برابر تغييرات‌ شديد تابش‌ خورشيد را دارد. درصورتيكه براي‌ ظرفيتهاي‌ بالاتر بعلت‌ افزايش‌ اينرسي‌ حرارتي‌ مزرعه خورشيدي‌ استفاده از هيتر فسيلي‌ روغن‌ در مدار اوليه نيروگاه مناسب‌تر است‌. ميزان‌ استفاده از سوخت‌ فسيلي‌ بستگي‌ كامل‌ به استراتژي‌ بهره برداري‌ از اين‌ نيروگاهها دارد و مي‌تواند ۲۵ الي‌ ۵۰ درصد كل‌ انرژي‌ حرارتي‌ مورد نياز سيكل‌ حرارتي‌ را تأمين‌ كند.

 

۲ـ روش‌ مدلسازي‌

در نيروگاه حرارتي‌ خورشيدي‌ انرژي‌ مورد نياز سيكل‌ قدرت‌ مي‌بايست‌ توسط كلكتورهايي‌ كه در داخل‌ مزرعه خورشيدي‌ باآرايش‌ خاصي‌ قرار گرفته اند تأمين‌ شود. بر اين‌ اساس‌ با توجه به ميزان‌ توان‌ حرارتي‌ مورد نياز  و درجه حرارت‌هاي‌ ورودي‌ و خروجي‌ مزرعه ، كل‌ دبي‌ جرمي‌ روغن‌ از رابطه زير تعيين‌ مي‌شود:

(۱)

ظرفيت‌ حرارتي‌ روغن‌ به ازاي‌ دماي‌ متوسط آن‌ مي‌باشد. از طرفي‌ براي‌ يك‌ متمركز كننده با عرض‌ دهانه اوليه W ميتوان ‌قطر لوله جاذب‌ را با در نظر گرفتن‌ پارامترهاي‌ اپتيكي‌ محاسبه نمود. سپس‌ با توجه به سرعت‌ متوسط سيال‌ (حدود ۲ تا ۴ متربر ثانيه ) دبي‌ جرمي‌ هر لوپ‌  و در نتيجه تعداد آنها را طوري‌ تعيين‌ نمود كه راندمان جمع‌آوري انرژي تابشي بهينه شود. همچنين با توجه به مشخصات متمركز كننده و محاسبات سايه اندازي ميتوان ابعاد مزرعه خورشيدي، نحوه آرايش كلكتورها و ميزان افت فشار سيال در داخل مزرعه را طوري تعيين نمود كه قدرت پمپاژ روغن‌ كمتر از حدود يك‌درصد توان‌ حرارتي‌ خروجي‌ مزرعه باشد[۱]. نهايتاً راندمان‌ كلكتورهاي‌ محاسبه و با مقدار مورد نظر مقايسه مي‌شود و درصورت‌ نياز اصلاحات‌ لازم‌ بر روي‌ سرعت‌ سيال‌ و يا طول‌ لوپ‌ صورت‌ مي‌گيرد. شكل‌ (۲) روند تعيين‌ مشخصات‌ كلكتورهاو مزرعه خورشيدي‌ را نشان‌ ميدهد.

عرض‌ دهانه متمركز كننده مي‌تواند، در حدود ۲ تا ۸ متر انتخاب‌ شود. هر چه عرض‌ دهانه متمركز كننده كمتر باشد به سازه هاي‌ حمايت‌ كننده و اسكلت‌ فلزي‌ كوچكتري‌ نياز است‌ زيرا ممان‌ خمشي‌ ناشي‌ از نيروي‌ باد كمتر مي‌گردد. لذا تعيين‌نسبت‌ طول‌ به عرض‌ متمركز كننده جهت‌ دستيابي‌ به انرژي‌ حرارتي‌ مورد نياز مي‌بايست‌ از نظر فني‌ و اقتصادي‌ مورد بررسي‌قرار گيرد.يكي‌ ديگر از پارامترهاي‌ طراحي‌ متمركز كننده ، زاويه لبه  مي‌باشد، زاويه لبه زاويه اي‌ است‌ كه محور آينه باخط واصل‌ بين‌ لبه آينه با كانون‌ آينه مي‌سازد. تحت‌ زاويه لبه ۱۲۰o متوسط فاصله بين‌ سطح‌ آينه و لوله جاذب‌ حداقل‌ است‌ولي‌ بخاطر ملاحظات‌ اقتصادي‌ عملا حد قابل‌ قبول‌ زاويه ۸۰o تا ۹۰o است‌ [۱].

جهت‌ مدلسازي‌ سيكل‌ ترموديناميكي‌ نيروگاه از روش‌ مدولار استفاده شده است‌. در اين‌ روش‌، هر يك‌ از اجزاء سيكل‌ بعنوان‌ يك‌ مدول‌ در نظر گرفته شده و سپس‌ روابط مربوط به موازنه جرم‌ و انرژي‌ براي‌ سيالهاي‌ ورودي‌ و خروجي‌ آن‌ منفك ‌از ساير اجراء بصورت‌ پارامتريك‌ نوشته شده حل‌ مي‌گردد, همچنين‌ جهت‌ محاسبه خواص‌ ترموديناميكي‌ آب‌ از روابط مربوط به جداول‌ آب‌ و بخار(IFC) استفاده شده است‌. با استفاده از اين‌ روش‌ مي‌توان‌ سيكل‌ ترموديناميكي‌ نيروگاه خورشيدي‌ رامدلسازي‌ نمود و با ادغام‌ آن‌ با برنامه مدلسازي‌ مزرعه خورشيدي‌ عملكرد كل‌ نيروگاه را در شرايط كاركرد مختلف‌ از جمله راندمان‌ كلي‌ نيروگاه ، ميزان‌ انرژي‌ قابل‌ توليد و تأثير پارامترهاي‌ محيطي‌ و شدت‌ تابش‌ را مورد تجزيه و تحليل‌ قرار داد.

با توجه به اينكه نيروگاههاي‌ خورشيدي‌ براي‌ مناطق‌ كويري‌ و خشك‌ جنوب‌ مركزي‌ كشور توصيه مي‌گردند [۲]، در اين‌ برنامه سيستم‌ خنك‌كن‌ نيروگاه از نوع‌ خشك‌ غير مستقيم‌ (هلر) انتخاب‌ و مورد بررسي‌ قرار گرفته است‌ زيرا علاوه بر پائين‌ بودن‌ميزان‌ آب‌ مصرفي‌، توان‌ الكتريكي‌ مورد نياز آن‌ نيز كم‌ مي‌باشد. در برنامه كامپيوتري‌ تهيه شده بر اساس‌ خصوصيات‌ سيستم‌ هلرو روابط تجربي‌ كه از شركت‌ ECI در دست‌ مي‌باشد كليه محاسبات‌ حرارتي‌ بر اساس‌ روش‌ -NTU صورت‌ گرفته و عملكرد يك‌ ستون‌ حرارتي‌ سيستم‌ هلر به صورت‌ دقيق‌ محاسبه مي‌شود و بر اساس‌ نتايج‌ حاصله و روابط مربوط به افت ‌فشار، كليه مشخصات‌ سيستم‌ خنك‌كن‌ از جمله قطر پايه ، دهانه ، ارتفاع‌ برج‌ و تعداد دلتاهاي‌ مورد نياز و قدرت‌ پمپ‌ سيركولاسيون‌ تعيين‌ مي‌گردد.

 

۳ـ معادلات‌ حاكم‌

راندمان‌ نوري‌ يك‌ متمركز كننده شلجمي‌ باز را مي‌توان‌ به صورت‌ زير محاسبه نمود:

(۲)

در رابطه فوق  ضريب‌ انعكاس‌ آينه ،  ضريب‌ دريافت‌ جذب‌ كننده ،  ضريب‌ عبور دهي‌ لوله شيشه اي‌ (پوشش‌ جذب‌كننده )، Fs ضريب‌ سايه اندازي‌، Fa ميزان‌ در دسترس‌ بودن‌ مزرعه خورشيدي‌، F1 ضريب‌ تأثير محدوديتهاي‌ كاري‌ متمركزكننده  زاويه بين‌ محور سهمي‌ و امتداد پرتوهاي‌ خورشيد مي‌باشد. كليه پارامترهاي‌ فوق‌ به جز  جزو مشخصات‌گردآورنده و مستقل‌ از محل‌ قرارگيري‌ آن‌ است‌. جهت‌ محاسبه  براي‌ دو آرايش‌ شمالي‌ ـ جنوبي‌ و شرقي‌ ـ غربي‌ مي‌توان‌ به ترتيب‌ از معادلات‌ زير استفاده نمود.