2-3-1-4. راندمان تمیزی سطح هلیوستات ηclean29
2-3-1-5. راندمان اتلافات جوی ηatten29
2-3-2. طراحی مزرعهی خورشیدی29
2-3-2-1. نیروگاههای سایز کوچک (<10 MWel)30
2-3-2-2. نیروگاه های سایز متوسط و بزرگ ( >10MWel )32
2-3-2-3. تفسیر چینش هلیوستاتها34
2-4. طراحی رسیور 35
2-4-1. انواع رسیور و خصوصیات آنها :35
2-4-2. اصول حرارتی و ترمودینامیکی برای طراحی رسیور39
2-4-2-1. اتلافات بازتابش:40
2-4-2-2. اتلافات جابجایی40
2-4-2-3. اتلافات تشعشعی:42
2-4-3. روش طراحی42
2-4-3-2. راه حل اول44
2-4-3-3. راه حل دوم48
2-5. طراحی نیروگاه بخار برای نیروگاه خورشیدی48
2-2.سیکل ترکیبی 48
2-5-1. نیروگاه های برج خورشیدی با سیکل مولتن سالت51
2-5-1-1. طراحی HRSG51
2-5-1-2. مدل سازی توربین بخار53
2-5-2. مدل سازی کندانسور و پمپ54
2-6. طراحی سیستم ذخیره ساز56
فصل3 . آنالیز اقتصادی57
3-1. هزینهی سرمایه گذاری57
3-1-1. هزینه های مربوط به زمین[4]57
3-1-2. هزینهی هلیوستات57
3-1-3. هزینهی برج و رسیور61
3-1-4. هزینهی بخش نیروگاهی شامل ذخیره ساز، توربین بخار، ژنراتور و بخش کنترل62
فصل4 . نتیجه گیری و پیشنهادات73
4-1. نتیجه گیری 73
4-2. پیشنهادات 77
مراجع78
فهرست شکل
شکل1-1. میزان کل مصرف گاز سالانهی کشور در سال های مختلف [1]2
شکل1-2. نوسانات قیمت گاز طبیعی بر حسب (Dollars per Thousand Cubic Feet) تا سال 2012 [2]2
شکل1-3. سهم نیروگاههای مختلف در تولید برق ایران در سال 1383 [3]4
شکل1-4. سهم نیروگاههای مختلف در تولید برق ایران در سال 1390 [1]5
شکل1-5. نقشهی شدت تابش خورشید در نقاط مختلف کشور7
شکل1-6. تابش خورشید در نقاط مختلف اروپا و کشور اسپانیا8
شکل1-7. انوع متمرکز کنندههای خورشیدی [4]9
شکل1-8. نمای شماتیکcycles Pressurized air [4]12
شکل1-9. نمای شماتیک cycles Atmospheric air [4]12
شکل1-10. نمای شماتیک Molten salt cycles [4 ]13
شکل1-11. نمای شماتیک نیروگاه تولید بخار به طور مستقیم [4]14
شکل1-12. قسمتی از نتایج [7] در محاسبهی کانتورهای دمایی در یک رسیور15
شکل2-1. نمای شماتیک هلیوستات24
شکل2-2. پدیدهی Blocking & shadowing [15]26
شکل2-3. الگوی radial stagger27
شکل2-4. اثر کسینوسی28
شکل2-5. شماتیکی از زاویههای مهم در طراحی هلیوستاتها [12]29
شکل2-6. طرح مزرعهی خورشیدی برای نیروگاه 48 مگاوات حرارتی طراحی شده توسط نرم افزار MATLAB بر اساس بیشترین راندمان سالیانه.31
شکل2-7. طرح مزرعه ی خورشیدی اصلاح شده برای نیروگاه 48 مگاوات حرارتی طراحی شده توسط نرم افزار MATLAB بر اساس بیشترین راندمان سالیانه.32
شکل2-8. طرح مزرعهی خورشیدی برای نیروگاه 180 مگاوات حرارتی در پیک، طراحی شده توسط نرم افزار MATLAB بر اساس بیشترین راندمان سالیانه.33
شکل2-9. طرح مزرعهی خورشیدی برای نیروگاه 180 مگاوات حرارتی در پیک، طراحی شده توسط نرم افزار MATLAB بر اساس بیشترین راندمان در تابستان.34
شکل2-10. مزرعهی خورشیدی نیروگاه Gemasolar با 120 مگاوات حرارتی[4]35
شکل2-11. Tubular Receiver. سمت چپ رسیور اکسترنال و سمت راست رسیور حفره ای37
شکل2-12. رسیور Falling-film38
شکل2-13. نمای شماتیک از یک رسیور Solid particle38
شکل2-14. شماتیکی از اتلافات حرارتی در رسیور39
شکل2-15. نمایی از تقسیم بندی رسیور به 18 پنل43
شکل2-16. شماتیکی از رسیور سه بعدی44
شکل2-17. شماتیکی از رسیور با جزئیات طراحی به همراه هر پنل [8]44
شکل2-18. شماتیکی از مقاومت حرارتی بین سیال و دیواره46
شکل2-19. شماتیکی از پنلهای طراحی شده47
شکل2-20. نمودار انتقال حررت بر حسب دما49
شکل2-21. تأثیر حرارت اتلافی و نقطه ی پینچ بر روی راندمان و قدرت خروجی49
شکل2-22. دیاگرام دما/ حرارت برای بویلربازیاب تک مرحله ای در فشارهای متفاوت50
شکل2-23. تأثیر فشار بخار زنده بر روی دمای گاز خروجی از بویلر بازیاب50
شکل2-24. تأثیر فشار بخار زنده بر روی اتلاف حرارتی کندانسور51
شکل2-25. شماتیکی از سیستم خنک کاری هوایی[26]55
شکل2-26. شماتیکی از سیستم خنک کار برج تر [26]55
شکل3-1. تاثیر افزایش مساحت و تعداد هلیوستات بر هزینه های تولید [4]58
شکل3-2. سیکل توربین گاز نرخ تنزیل 17%، نرخ افزایش هزینه12% و نرخ افزایش درآمد 12% با احتساب سود ناشی از اسقاط71
شکل3-3. نیروگاه برج خورشیدی نرخ تنزیل 17%، نرخ افزایش هزینه 12% و نرخ افزایش درآمد 12% با احتساب سود ناشی از اسقاط71
شکل3-4. نیروگاه فتوولتاییک نرخ تنزیل 17%، نرخ افزایش هزینه 12% و نرخ افزایش درآمد 12% با احتساب سود ناشی از اسقاط72

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل3-5. مقایسه افزایش هزینهی اولیه با نرخ تنزیل 17%، نرخ افزایش هزینه 12% و نرخ افزایش درآمد 12% با احتساب قیمت سوخت داخلی و سود ناشی از اسقاط72
شکل4-1. راندمان کسینوسی برای ردیف 21 هلیوستات ها در فاصله ی 266 متری از پایه ی برج مطابق با مختصات خورشید در اول مرداد ماه75
شکل4-2. نمودار راندمان اتلافات جوی در مزرعهی خورشیدی برای دو شرایط آب وهوایی صاف (دید25کیلومتر) و مه آلود(دید 5 کیلومتر)75
شکل4-3. شار دریافتی پنل های دریافت کننده ی مرکزی در روز پانزدهم خرداد در ساعت 12 ظهر خورشیدی76
شکل4-4. نمودار تغییرات دمای سطح و مولتن سالت در دریافت کننده ی مرکزی76
فهرست جداول
جدول1-1. .مصرف گاز طبیعی در بخشهای مختلف به تفکیک نوع مصرف طی سالهای 1384-1390 (میلیون متر مکعب) [1]3
جدول1-2. . درصد مصرف گاز طبیعی در بخشهای مختلف به تفکیک نوع مصرف طی سالهای 1384-1390 (میلیون متر مکعب)[1]3
جدول1-3. مشخصات نیروگاه بخار ایران مرتب شده بر اساس سال بهره برداری [3]5
جدول1-4. مقایسهی مشخصات کلی نیروگاههای CSP [5]10
جدول2-1. شرایط آب و هوایی استانهای دارای پتانسل بالا برای احداث نیروگاه خورشیدی برج مرکزی[13]19
جدول2-2. درصد ترکیبات مولی هوا [16]21
جدول2-3. ضرایب برای محاسبه ی گرمای ویژهی گازهای ایدهآل21
جدول2-4. پارمترهای طراحی بویلربازیاب حرارتی52
جدول3-1. ثابتهای معادلهی هزینههای هلیوستات[4]59
جدول3-2. ثوابت هزینههای غیر مستقیم[4]60
جدول3-3. هزینههای مربوط به سیکل خورشیدی62
جدول3-4. هزینهی سیکل بخار63
جدول3-5. هزینهی احداث نیروگاه خورشیدی برج مرکزی63
جدول3-6. هزینههای پایه ی محاسباتی64
جدول3-7. هزینههای ساخت یک نیروگاه گازی 19 مگاواتی64
جدول3-8. هزینهی ساخت یک نیروگاه PV با 18 مگاوات [28]64
جدول3-9. میزان سود فروش برق برای نیروگاههای مختلف65
جدول3-10. میزان بازگشت سرمایه در نیروگاه گازی با قیمتهای سوخت جهانی66
جدول3-11. میزان بازگشت سرمایه در نیروگاه گازی با قیمتهای سوخت و برق ایران (52 تومان به ازای هر کیلوات ساعت)67
جدول3-12. میزان بازگشت سرمایه برای نیروگاه برج خورشیدی68
جدول3-13. میزان بازگشت سرمایه برای نیروگاه فتوولتاییک69
جدول3-14. مقایسه بین نیروگاه ها با نرخ تنزیل 17%، نرخ افزایش هزینه 12% و نرخ افزایش درآمد 12% با احتساب قیمت سوخت داخلی و سود ناشی از اسقاط (بدون احتساب سود ناشی از صرفه جویی CO2)70
جدول4-1. اطلاعات کلی مزرعهی خورشیدی73
جدول4-2. اطلاعات فیزیکی دریافت کننده مرکزی73
جدول4-3. اطلاعات ترمودینامیکی دریافت کننده مرکزی74
جدول4-4. اطلاعات نیروگاه برج خورشیدی در ایران (شهر اهواز)74
مقدمه
اهمیت و ضرورت انجام طرح
در جهان امروز که مصرف انرژی سیر صعودی دارد و نیاز به انرژی در کشور و جهان رو به افزایش است(شکل1-1)،تغییر رویکرد در تأمین انرژی از منابع تجدیدناپذیر مانند سوختهای فسیلی و هستهای، به منابع تجدیدپذیر یک ضرورت میباشد.
در سالهای اخیر قیمت جهانی سوخت گاز رو به افزایش بوده است( شکل1- 2). این افزایش سوخت با توجه به بحرانهای جهانی اقتصادی در حال نوسان میباشد.
امروزه در یک نگاه سطحی به دلیل وفور و ارزانی منابع تجدیدناپذیر مانند گاز طبیعی در کشور، پرداختن جدی به انرژیهای تجدیدپذیر و سرمایه گذاری در این بخش غیر منطقی به نظر میرسد، اما با بررسی عمیقتر این موضوع و همچنین نگاه به گذشته و آینده متوجه میشویم که اولاً رو به پایان بودن انرژیهای فسیلی یک واقعیت انکار ناشدنی است و در آیندهی نهچندان دور سوختهای فسیلی نمیتوانند تأمین کنندهی نیاز انرژی بشر باشند. پس حرکت به سوی استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر اجتنابناپذیر است و دیر یا زود مجبور خواهیم بود که جایگزینی مناسب برای سوختهای فسیلی پیدا کنیم از این رو باید روند جایگزین کردن انرژیهای فسیلی با منابع انرژیهای پاک و قابل اطمینان هر چه سریعتر آغاز شود. ثانیاً همانطور که اشاره شد همواره در دهههای اخیر بهای سوختهای فسیلی با افزایش میزان تقاضا و با توجه به محدود بودن آنها در حال افزایش بوده و این روند با شدت بیشتر در آینده نیز برقرار خواهد بود(شکل1-1) و این در حالی است که این منابع جزء سرمایههای ملی و تاثیر گذار در زمینههای گوناگون هستند از اینرو مصرف داخلی سوختهای فسیلی به شکل کنونی و با این روند افزایشی به معنای به هدر دادن آنهاست (جدول 1-1). از نگاهی دیگر استفاده از سوختهای فسیلی بحران جدی گرمایش زمین که یک خطر جهانی است و ناشی از افزایش گازهای گلخانهای در جو میباشد را بوجود آورده است. لذا ضرورت تغییر این روند بیش از پیش احساس میشود. مجموعهی این عوامل باعث شده است که کشورهای پیشرفته و حتی کشورهای در حال توسعهی جهان با توجه به شرایط و پتانسیلهای موجود در کشور خود در حال سرمایه گذاری در بخش انرژیهای تجدیدپذیر مانند نیروگاههای خورشیدی، بادی، زمین گرمایی و … میباشند. میتوان مصرف سوخت گاز در کشور را از سال 1384 تا 1390 درجدول 1-1مشاهده نمود.
شکل 1-1. میزان کل مصرف گاز سالانهی کشور در سال های مختلف [1]
شکل 1-2. نوسانات قیمت گاز طبیعی بر حسب دلار بر هزار فوت مکعب تا سال 2012 [2]
مصرف گاز طبیعی در بخش های مختلف به تفکیک نوع مصرف طی سالهای 1384-1390 (میلیون متر مکعب) [1]
درصد مصرف گاز طبیعی در بخش های مختلف به تفکیک نوع مصرف طی سالهای 1384-1390 (میلیون متر مکعب)[1]
با توجه به جداول بیان شده میتوان نرخ افزایش مصرف سوخت در نیروگاههای ایران را با توجه به درخواست افزایش تولید برق مشاهده نمود. استفاده از نیروگاههای تجدیدپذیر در شبکهی برق کشور بسیار ناچیز میباشد (شکل1-3). روند پیش رو روندی مطلوبی نخواهد بود و با افزایش تولید گازطبیعی در ایران باز هم نخواهیم توانست شاهد رشد سود ناشی از صادرات باشیم. همچنین فرسوده بودن نیروگاههای کشور در تولید توان موجب افزایش مصرف سوخت شده است در جدول1-3 کارکرد نیروگاههای بخار با عمر بالای 30 سال با رنگ قرمز نشان داده شده است که نزدیک به 62/52 % از نیروگاههای بخار کل کشور را به خود اختصاص دادهاند و نیروگاههای با عمر بین 25 الی 30 سال در این جدول با رنگ زرد مشخص شده است در مجموع نیروگاههای بخار بالای 25 سال کارکرد 42/68% از کل نیروگاههای بخار را تشکیل میدهند که نشان از فرسوده بودن نیروگاههای بخار کل کشور است که این امر موجب بالا رفتن مصرف سوخت نیروگاهها میشود و میزان تولید توان را نیز به واسطهی فرسوده بودن کاهش میدهد.
شکل 1-3. سهم نیروگاه های مختلف در تولید برق ایران در سال 1383 [3]
شکل 1-4. سهم نیروگاه های مختلف در تولید برق ایران در سال 1390 [1]
مشخصات نیروگاه بخار ایران مرتب شده بر اساس سال بهرهبرداری [3]
نام نیروگاهمحل احداثسال بهره برداریتعداد واحدظرفیت هر واحدمجموعراندمان (%)کارخانه سازندهطرشتتهران133845/12507/21آلستومبعثتتهران1346-134735/825/2471/29جنرال الکتریکاسلام آباداصقهان1348
1353
1359-1367
مجموع2
1
2
55/37
120
320
-75
120
640
825
2/36

جی.ای.ئیشهید منتظر قائمکرج52-1350447/15688/6354/34جنرال الکتریکلوشان (شهید بهشتی)گیلان135221202406/36ک.و.یونیونزرندکرمان1352230608/24اسپی باتین یولمشهدمشهد53-13522601209/28اشکودانکا (شهید سلیمی)نکا60-1358444017405/35براون باوریاهواز (رامین)اهواز78-1358632012804/42تکنوبروم اکسپورتبندرعباسبندرعباس64-1359432012800/34جی.ای.ئیشهید منتظریاصفهان78-1363820016007/35تکنوبروم اکسپورتتوسمشهد66-136441506000/35برائن باوریتبریزتبریز68-136523687368/35آلستومشهید رجائیقزوین1371425010005/30میتسوبیشیبیستونکرمانشاه137323206407/36جی.ای.ئیشهید مفتح (غرب)همدان1373425010005/35میتسوبیشیایرانشهرایرانشهر82-13744642567/29اشکوداشازنداراک80-1379432513005/42دی.ای.سیسهندتبریز84-138323256508/34اس.ئی.سی
میزان بالا و ثبات انرژی خورشیدی این منبع انرژی را در حال حاضر به یکی از اصلیترین و مناسبترین انرژیهای تجدیدپذیر جهت استفاده تبدیل کرده است. باید توجه داشت که میزان انرژی تابشی خورشید در تمام نقاط جهان یکسان نیست و استفادهی وسیع از این منبع لایزال مشروط به شدت تابش مناسب انرژی خورشیدی در منطقهی مورد استفاده است. با توجه به موقعیت جغرافیایی و شرایط محیطی، خوشبختانه انرژی خورشید با شدت بالایی در کشور وجود دارد (شکل1-5). و این امر ایران را به یکی از مستعدترین نقاط دنیا برای بهره برداری از انرژی خورشید تبدیل کرده است. البته بهره برداری از انرژی خورشیدی در ایران در حال انجام است، اما این میزان در مقایسه با استفاده از انرژی حاصل از سوختهای فسیلی بسیار ناچیز است. در زمینهی تولید برق در کشور تا کنون از نیروگاههای آیینه سهموی مانند نیروگاه 250 کیلوواتی شیراز و صفحات فتوولتاییک استفاده شده است. این تناسب تولید توان در کشورهایی مانند آلمان که از شدت تابش خورشیدی به مراتب کمتر از ایران برخوردار هستند کاملا متفاوت بوده به گونهای که تا پایان سال 2020، 30% کل برق این کشور از انرژی تجدیدپذیر و عمدتا انرژی خورشیدی تأمین میشود[29] شکل1-5 نقشهی مقدار تابش خورشید در کشور ایران و شکل1-6 میزان تابش خورشید در اروپا را نشان میدهد.
شکل 1-5. نقشهی شدت تابش خورشید در نقاط مختلف کشور
شکل 1-6. تابش خورشید در نقاط مختلف اروپا و کشور اسپانیا
یکی از اصلیترین مشکلات نیروگاههای خورشیدی رایج در کشور ایران (فتوولتاییک و آیینه سهموی) فاکتور ظرفیت پایین آنها است به این معنا که این نیروگاهها قابلیت بالایی در ذخیرهی انرژی خورشید برای استفاده در ساعات نبود خورشید یعنی در طول شب و روزهای ابری و نیمه ابری را ندارند و در خلال ساعات ذکر شده عملاً بلا استفادهاند. این امر باعث شده که با توجه به هزینهی بالای صرف شده، این نیروگاهها بازده ترمودینامیکی و اقتصادی پایینی داشته باشند.
به طور کلی نیروگاههای خورشیدی را میتوان به دو دستهی نیروگاههای حرارتی خورشیدی و همچنین نیروگاههای فتوولتاییک تقسیم بندی کرد. نیروگاههای فتوولتاییک از نظر فنی و اقتصادی تقریباً توسعه یافتهاند. ولی نیروگاههای حرارتی خورشیدی به خصوص در کشور ایران کمتر شناخته شدهاند و کار بر روی آنها به صورت جدی انجام نشده است. لذا در ادامه به معرفی و مقایسهی نیروگاههای حرارتی خورشیدی پرداختهایم.
نیروگاههای حرارتی خورشیدی
نیروگاههای حرارتی خورشیدی1 (STE) عمدتاًًَ در چهار نوع فنآوری متمرکز کننده انرژی خورشیدی 2(CSP) خلاصه میشوند، در اینجا این چهار نیروگاه و میزان تولید آنها طبق آماری که در سال 2011 در سرتاسر جهان بیان شده است، معرفی شدهاند[4]:
parabolic dish collectors (PDC): نزدیک به 1 مگاوات در حال بهره برداری
linear Fresnel collectors(LFC): نزدیک به 10 مگاوات در حال بهره برداری و 30 مگاوات در دست ساخت
central receiver systems(CRS): نزدیک به 55 مگاوات در حال بهره برداری و 502 مگاوات در دست ساخت
Parabolic trough collectors(PTC): 1630 مگاوات در حال بهره برداری و 2130 مگاوات در دست ساخت.
نیروگاههای PDC وLFC نیاز به یک سیستم ردیابی تک محوری دارند. (شکل 1-7 را ببینید). نسبت تراکم پرتو خورشید در آنها کمتر از 100 برابر باقی میماند و اجازه نمیدهد تا دمای عملکرد آنها بیشتر از 550 [° C] باشد. (جدول 1-4را ببینید). از سوی دیگر، سیستمهای دیشسهموی و برج مرکزی نور خورشید را در یک نقطه متمرکز میکنند که این امر به واسطهی یک سیستم ردیابی دو محوری صورت میپذیرد به همین دلیل آنها میتوانند به تمرکز پرتو خورشید تا 1500 برابر و دمایی تا 1500 درجه سانتیگراد دست یابند و در نتیجه سیستم های دیش سهموی و برج مرکزی با توجه به چرخه کارنو دارای راندمان بیشتری نسبت به نیروگاههای آیینه سهموی و فرنسل هستند.
شکل 1-7. انوع متمرکز کننده های خورشیدی [4]
مقایسهی مشخصات کلی نیروگاههای CSP [5]
نیروگاه CSPآینهسهموی PTCبرج مرکزی CRSفرنسل خطیLFCدیشسهموی PDCکلکتورخورشیدیتمرکز خطیتمرکز نقطهایتمرکز خطیتمرکز نقطهایرسیور
سیکل تولید توانمتحرک
RC,CCثابت
RC,CC,BCمتحرک
RCثابت
RC,SCنسبت تمرکز70-80>1000>60>1300دمای عملکردمتوسطبالانسبتا پایینبالاترینراندمان کنونی15-1616-178-1020-25راندمان پیک14-2023-351830ظرفیتتولید (MW)10-30010-20010-2000.01-0.025فاکتورظرفیت سالیانه25-43 همراه ذخیره55-75همراه ذخیره22-24 بدون ذخیره25-28 بدون ذخیرهوضعیت پیشرفتتکامل یافتهی اقتصادیاقتصادیپروژهی آزمایشیمرحلهی ارزیابی
با توجه به سیستم کارکرد نیروگاههای برج مرکزی و متمرکز کردن پرتوهای خورشید در سطحی کوچک که منجر به ایجاد دمایی در حدود 600 تا بالای 1000 درجه سانتیگراد در سطح رسیور میشود این نیروگاهها قادر به تولید توانهای بالا و همچنین ذخیرهسازی انرژی به میزانی که بتوان به فاکتور ظرفیت بالای 50% دست یافت، میباشند. این میزان از تولید توان در طول سال در میان تمام نیروگاههای خورشیدی منحصر به فرد است و این نیروگاه را قادر میسازد به عنوان یک منبع پاک و قابل اطمینان از لحاظ امنیت انرژی برای تولید توان مطرح شوند. این خصوصیات نیروگاههای مذکور را به جاگزینی مناسب برای نیروگاههای سوخت فسیلی تبدیل کرده است.
معرفی نیروگاه برج مرکزی و سابقهی آن
در دههی 80 میلادی در ایالات متحده محققان روی طرح جدیدی جهت استفاده از انرژی خورشیدی شروع به کار کردند. هدف آنها طراحی نیروگاه حرارتی خورشیدی بود که امروزه به نام نیروگاههای برج مرکزی3 (CRS) معروفاند. عملکرد نیروگاههای برج مرکزی به طور ساده به این شکل است که آینههایی که به هلیوستات4 معروفاند با دنبال کردن خورشید در هر لحظه پرتو خورشید را به سمت رسیور که در بالای برجی واقع است منعکس میکنند این امر باعث بالا رفتن شار ورودی به رسیور و افزایش دمای آن میشود. از گرمای موجود در رسیور برای بالا بردن دمای سیال انتقال حرارت که به رسیور پمپ شده استفاده میشود. سپس از این سیال جهت تولید بخار به منظور تولید توان در توربین مطابق با سیکل رانکین و یا جهت گرم کردن هوا برای استفاده در توربینهای گازی استفاده میشود. تلاش محققان این طرح در نهایت منجر به ساخت اولین نیروگاه خورشیدی به نام Solar One با ظرفیت 10 مگاوات الکتریکی در سال 1980 میلادی شد که در واقع اثبات عملی شدن این طرح نیز با ساخت این نیروگاه صورت پذیرفت. سیال انتقال حرارت مورد استفاده در این پروژه آب و بخار بود که پتانسیل بالای این نیروگاه در تولید برق را محدود میکرد به همین دلیل این نیروگاه بازدهی بسیار پایینی داشت و هزینهی صرف شده را توجیه نمیکرد و در نتیجه از طرف دولت و شرکتهای فعال در زمینهی ساخت نیروگاه مورد استقبال واقع نشد. پس از آن محققان در صدد افزایش بازدهی اقتصادی و ترمودینامیکی طرح برآمدند و در نهایت پروژهی Solar One را ارتقاء داده و آن را Solar Two نامگذاری کرده و در سال 1995 این پروژه را به بهره برداری رساندند. یکی از اصلیترین تغییرات اعمال شده در پروژهی Solar One برای ارتقاء و تبدیل آن به Solar Two استفاده از نوعی نمک مذاب موسوم به مولتن سالت5 بجای آب و بخار به عنوان سیال انتقال حرارت و تغییر دریافت کنندهی مرکزی آن متناسب با این سیال جدید بود. خواص این نمک مذاب اجازه استفاده از نیروگاه در دمای عملکردی بالاتری را میداد که باعث افزایش راندمان آن میشد. در آن سالها علیرغم بازده ترمودینامیکی مناسب این نیروگاه همچنان از نظر هزینه اختلاف زیادی با نیروگاههای گازی، بخار و سیکل ترکیبی داشت و ساخت آنها توجیه اقتصادی نداشت.
در دههی اول قرن 21 جهان با بحران جدی انرژی روبرو شد، قیمت سوخت به شدت افزایش یافت و این روند ادامه پیدا کرد. در این زمان هزینهی نیروگاههای سوخت فسیلی به واسطهی مصرف سوخت بالا بسیار بیشتر شد به همین دلیل نیروگاههای برج مرکزی به واسطهی ظرفیت تولید توان (تا 200 مگاوات) و فاکتور ظرفیت (تا 70 درصد) بالایی که دارند دوباره مورد توجه قرار گرفتند و کشورهای صنعتی دنیا مانند اسپانیا و آمریکا که از نظر شدت تابش، پتانسیل استفاده از این نیروگاهها را دارند شروع به برنامه ریزی برای ساخت این نیروگاهها کردند. در نتیجه اولین نیروگاه خورشیدی با صرفهی اقتصادی با ظرفیت تولید توان 20 مگاوات موسوم به Gemasolar در سال 2011 در اسپانیا ساخته شد و به بهره برداری رسید. ایالات متحدهی آمریکا نیز در اوایل سال 2014 بزرگترین نیروگاه خورشیدی از این نوع تا به امروز با ظرفیت حدوداً 390 مگاوات موسوم به Ivanpah را ساخته و به بهرهبرداری رساند. نیروگاه Crescent dunes نیز با ظرفیت 110 مگاوات حرارتی در ایالات متحده در شرف تکمیل و بهره برداری است.
نیروگاهای برج خورشیدی از لحاظ بهرهبرداری، آرایش آینهها و برج متفاوت هستند. آنها همچنین در تبدیل گرمای متمرکز شده به الکتریسیته متفاوت عمل میکنند. نیروگاههای برج مرکزی بر اساس سیال انتقال حرارت مورد استفاده در آنها در چهار دسته تقسیم بندی میشوند:
pressurized air cycles: به طورکلی نیروگاه Pressurized air دارای یک توربوکمپرسور برای کمپرس هوا میباشد (فشار 5- 6 bar). هوای فشرده شده پس از افزایش دما و وارد شدن آن به یک اتاق احتراق در توربین گاز شروع به تولید توان میکند. در این روش برج خورشیدی به عنوان یک پیش گرم کن هوا مورد استفاده قرار میگیرد که دما را تا 800 الی 900 درجه سانتی گراد گرم میکند این امر باعث کاهش قابل ملاحظهی سوخت مورد نیاز در اتاق احتراق شده و در نهایت میتوان با استفاده از یک سیکل ترکیبی از گرمای موجود در دود خروجی توربین گاز استفاده نمود و با نصب یک بویلربازیاب حرارتی (HRSG) به تولید بخار پرداخت. شماتیکی از این سیکل را می توان در شکل1-8مشاهده نمود. برای جزئیات و نحوهی کار این سیکل می توان به [4] مراجعه نمود.
شکل 1-8. نمای شماتیکcycles Pressurized air [4]
atmospheric air cycle : سیکل Atmospheric air دارای یک چرخهی باز میباشد که در آن هوای محیط از یک برج که دارای محیط متخلخل میباشد عبور داده میشود و دمای آن افزایش مییابد [4]. دمای هوا در این سیکل به 680 الی 950 درجه سانتی گراد افزایش مییابد و برای ذخیره سازی از سنگ و شن استفاده میشود. سپس حدود 45% از هوا بازگردانده شده و دوباره وارد رسیور می شود. شکل1-9 سیکل Atmospheric air را نشان میدهد.
شکل 1-9. نمای شماتیک cycles Atmospheric air [4]
Molten nitrat salt cycles: سیکل همراه مولتن نیترات سالت6 (نمک نیترات مذاب)یک سیکل بسته میباشد که در آن نمک مذاب در دمای 290 درجه سانتی گراد به سمت دریافت کنندهی مرکزی پمپ میشود و دمای آن تا 565 درجه سانتی گراد افزایش مییابد محدودیتهایی که مولتن سالت برای سیکل ایجاد میکند دمای انجماد و دمای فروپاشی و تجزیه شدن آن است که به ترتیب 220 و 600 درجه سانتی گراد میباشد. این سیکل دارای دو مخزن ذخیرهی سرد و گرم میباشد. در این چرخه سیال از مخزن ذخیرهی سرد وارد دریافت کنندهی مرکزی شده و پس از دریافت گرما وارد مخزن ذخیرهی گرم میشود و از آنجا به سیکل بخار میرود. شماتیک این سیکل را میتوان در شکل1-10 مشاهده نمود. نیروگاه برج مرکزی به همراه مخازن ذخیره با توجه به میزان گرمای دریافتی از مزرعهی خورشیدی میتواند ظرفیت تولید توان تا 24 ساعت در شبانه روز در روزهای بلند سال را داشته باشد. البته اخیراً نمکهایی که دارای رنج دمایی 100 الی 700 درجه سانتی گراد میباشد برای استفاده بجای مولتن نیترات سالت در آزمایشگاه در دست بررسی هستند تا بتوان محدودیت بیان شده در مولتن نیترات سالت را تا حد ممکن رفع کرد و میزان تولید توان را افزایش داد.
شکل 1-10. نمای شماتیک Molten salt cycles [4 ]
Direct steam cycles: در سیکل تولید بخار به طور مستقیم (Direct steam cycles) در یک سیکل بسته، بخار وارد دریافت کنندهی مرکزی شده و از آنجا بخار خروجی وارد توربین بخار میشود. که می توان شماتیکی از آن را در شکل زیر مشاهده نمود.
شکل 1-11. نمای شماتیک نیروگاه تولید بخار به طور مشتقیم [4]
کارهای انجام شده
نیکولاس بئرما7 و همکارانش [6] با انتخاب سیالات مختلف در رسیور از نوع هیتک، مولتن سالت و سدیم به بهرهبرداری از رسیور در این شرایط از نقطه نظر دمای خروجی، میزان توان تولیدی و میزان افت فشار پرداخت.
ژیائوپینگ یانگ8 و همکارانش [7] با توجه به یک کار آزمایشگاهی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی به بررسی کانتورهای دمایی در یک رسیور که داخل آن جریان نمک مذاب برقرار بود پرداختند و نتایج این آزمایش نشان داد که توزیع دما در لوله بسیار ناهموار و پیچیده میباشد که میتوان آن را در شکل1-12 مشاهده نمود.
شکل 1-12. قسمتی از نتایج [7] در محاسبه ی کانتورهای دمایی در یک رسیور
رودریگز سانچز9 و همکارانش[8] به بررسی تلفات در رسیور پرداختند که نتایج نشان داد تلفات تشعشعی نسبت به دیگر تلفات سهم قابل توجهی را به خود اختصاص داده است.
خسوس بالسترین10 و آیتور مارزو11 به بررسی اثر اتلافات جوی و تاثیر این پدیده بر راندمان مزرعهی خورشیدی پرداختند و با توجه به شرایط آب و هوا این اتلافات را محاسبه کردند[9].
جرمن آگسبرگر12 و همکارش به بررسی تغییرات شار وارد به رسیور در خلال عبور ابر پرداخته اند و راهکاری برای جلوگیری از وارد آمدن تنش حرارتی بیش از حد مجاز به رسیور ارائه کردهاند[10]
چئو ژو13 و همکارانش به آنالیز انرژی و اگزرژی برای نیروگاه برج مرکزی پرداختهاند و به این نتیجه رسیدند که با وجود اینکه بیشترین اتلافات انرژی در سیستم نیروگاهی اتفاق میافتد اما از دیدگاه اگزرژی بیشترین تلفات در بخش دریافت کنندهی مرکزی و به دنبال آن مزرعهی خورشیدی است. [11]
در بررسی چینش آینه ها نیز می توان به کارهای ژودانگ وی14 و همکارانش [12] در دو کار ارائه شده توسط ایشان نحوهی چینش مختلف آینه ها و تآثیر آن ها بر روی پدیدهی موسوم به بلاک و شادو 15را مشاهده نمود.
هدف و روش
مسئلهای که در این پایاننامه دنبال میشود طراحی و آنالیز یک نیروگاه برج خورشیدی بر اساس شرایط آب و هوایی موجود در جنوب غربی ایران (شهر اهواز) میباشد. در نتیجه در ادامه به بیان شرایط آب و هوایی این منطقه از ایران به تفصیل میپردازیم تا با یک دید کلی از این منطقه بتوان شرایط صحیح را بر طراحی نیروگاه اعمال نمود و نتایج نزدیک به واقع را بتوان از این مدل سازی استخراج کرد. شایان ذکر است که اعتبار سنجی این کد که با نرم افزار MATLAB نوشته شده است بر اساس شرایط آب و هوایی اهواز است. سپس طراحی بخشهای مختلف نیروگاه از جمله مزرعهی خورشیدی، دریافت کنندهی مرکزی، بخش نیروگاهی مطابق با سیکل رانکین، مخازن ذخیره و در نهایت آنالیز اقتصادی جهت بررسی عملی کردن این طرح در دستور کار قرار گرفته است.
در زیر میتوان مراحل طراحی اولین نیروگاه برج خورشیدی در ایران را دید:
آرایش بهینهی آینهها بر اساس بیشترین راندمان در مزرعه خورشیدی
گروه بندی آرایش آینهها در مزرعه خورشیدی برای کاهش مساحت اختصاص یافته به آن.
طراحی رسیور
محاسبه ابعاد و شار دریافتی به رسیور
تعیین تعداد لولههای هر پنل و دبی جرمی مورد نیاز بر اساس قیود حاکم بر طراحی و محاسبهی تلفات تشعشعی و جابهجایی
همچنین ملاحظهی عدم افزایش دمای سطح و فیلم مایع در داخل لوله از حد تحمل لوله و سیال و عدم افزایش افت فشار (در مجموع کمتر از 20 بار باشد).
طراحی و مدل سازی سیکل بخار
در نظر گرفتن دی اریتور برای جلوگیری از خوردگی در نیروگاه
.در نظر گرفتن قید کیفیت بخار خروجی از توربین بخار (x>88%- x: کیفیت بخار خروجی از توربین)
طراحی تانک ذخیره سازی
مشخص نمودن ابعاد تانک ذخیره
محاسبه ی مدت زمان ذخیره سازی در طول سال
آنالیز ترمو اقتصادی
محاسبهی هزینهی ساخت بخش های مختلف نیروگاه برج مرکزی به همراه هزینههای تعمیر و نگهداری
. محاسبهی بازگشت سرمایه با احتساب نرخ تنزیل و تورم.
طراحی بخش های مختلف نیروگاه
بررسی شرایط محیطی و آب و هوا
در این بخش از پایاننامه به بررسی شرایط آب و هوایی ایران و مورد مطالعاتی مورد نظر یعنی شهر اهواز پرداخته میشود. با توجه به شکل مربوط به شدت تابش خورشید شکل 1-5 در قسمتهای مختلف ایران مشخص میشود مناطق جنوب شرقی (سیستان و بلوچستان)، حاشیهی خلیج فارس، دریای عمان و نیز مناطق شرقی (خراسان جنوبی) مناطق داخلی فلات ایران مانند استان فارس دارای ظرفیت بالایی از نظر تابش خورشید میباشند.
شکلهای 1-5 و 1-6 نقشهی مقدار تابش خورشید در کشور ایران و اروپا را نشان میدهد. همان طور که بیان شد نیروگاه Gemasolar در اسپانیا طراحی شده است. کشور اسپانیا با دارا بودن تابشی ضعیفتر نسبت به کشور ایران با استفاده از این فناوری توانسته است نزدیک به بیش از 50 مگاوات توان تولید نماید و به بهرهبرداری برساند. همچنین کشورهای حاشیهی دریای مدیترانه توانستهاند با توجه به موقعیت مناسب خود از نقطه نظر تابش سالیانه خورشید با طراحی و نصب این نیروگاه ها به استفاده از نور خورشید بپردازند. این در حالیست که کشور ایران با توجه به بالاتر بودن میانگین تابش سالیانه نسبت به این مناطق جهان هنوز هیچ استفاده از انرژی خورشید به شکل نیروگاههای برج مرکزی که کارآمدترین در زمینهی انرژی خورشیدی میباشند در برنامههای خود ندارد.
مناطق جنوب شرقی ایران، استانهای سیستان و بلوچستان و خراسان جنوبی دارای آب و هوایی گرم و خشک میباشند و در بسیاری از روزهای سال هوایی صاف و آفتابی دارند. همچنین استان فارس با دارا بودن شدت تابش بالای خورشید دارای ظرفیت بالایی برای نصب و راهاندازی نیروگاه برج مرکزی است. همچنان که نیروگاههای آیینه سهموی در این استان در حال بهره برداری میباشند.
حاشیهی خلیج فارس با دارا بودن تعداد بالای روزهای آفتابی و همچنین شدت تابش مناسب یکی از مکانهای دارای پتانسیل برای احداث نیروگاههای خورشیدی در ایران میباشد. برای مثال میتوان به اطلاعات آب و هوایی چهار شهر از استانهای مختلف کشور در جدول زیر اشاره نمود.
شرایط آب و هوایی استانهای دارای پتانسل بالا برای احداث نیروگاه خورشیدی برج مرکزی[13]
استانشهرتعداد روزهای ابریتعداد روزهای نیمه ابریمیانگیندمای سالیانهتعداد روزهای صافخراسان جنوبیقاین29.68214.5253.8سیستان و بلوچستانزاهدان26.786.618.5251.7فارسشیراز35.682.917.8246.5خوزستاناهواز35.968.225.4258.6
در این بررسی و گزارش، اطراف شهر اهواز با توجه به مناسب بودن شدت تابش، بالا بودن تعداد روزهای آفتابی و بالا بودن مصرف انرژی در استان خوزستان انتخاب شده است. هر چند که کد نوشته شده برای طراحی نیروگاه، قابلیت طراحی نیروگاه برای نقاط مختلف کشور را داراست و با گرفتن دادههای ورودی برای هر نقطه از کشور میتواند نیروگاه مورد نظر را متناسب با شرایط تحمیل شده طراحی کند.
فشار محیط
یکی از پارامترهایی که در این مدل سازی مورد توجه قرار گرفته است و بیشتر بر روی چگالی هوا تأثیرگذاراست فشار محیط میباشد که در محاسبات بر اساس مدل زیر بیان شده است.
در این رابطه H بر حسب متر و Patm بر حسب bar میباشد.
دمای محیط
یکی دیگر از پارامترهای مورد اهمیت در طراحی رسیور نیروگاه برج خورشیدی دمای هوای محیط است که بر روی تلفات جابجایی تآثیر گذار میباشد. همچنین با تعیین آن میتوان دمای آسمان را برای تلفات تشعشعی به صورت زیر بیان نمود[14] هرچند که این بیان نگاه سطحی به دمای آسمان میباشد و در برخی موارد این دما اختلاف زیادی برای دمای آسمان به وجود میآورد ولی چون این دما در محاسبات مربوط به تلفات تشعشعی به کار میرود و اختلاف بین دمای سطح با آسمان زیاد است و به توان چهار میرسد تأثیر زیادی در محاسبات ندارد و خطای قابل توجهی را به وجود نمیآورد.
میانگین دمای شهر اهواز در سالهای 1951 تا 2011 در ماههای مختلف را میتوان در [13] مشاهده نمود. این اطلاعات نشان میدهد که تلافات جابجایی در طول سال به واسطهی بالا بودن میانگین دمایی نسبت به دیگر شهرهای کشور کمتر میباشد.
شدت تابش خورشید
برای محاسبهی شدت تابش خورشید روشهای مختلفی پیشنهاد شده است. اما دقیقترین راه جهت محاسبهی شدت تابش خورشید استفاده از دادههای پایگاه سنجش تابش محلی در صورت وجود میباشد. اما در این پروژه به استفاده از مدل سادهی ریاضی بسنده میکنیم. مدل استفاده شده جهت بدست آوردن شدت تابش خورشید مدل نسبتا سادهی هاتل16 برای دو حالت هوای صاف و هوای مه آلود میباشد که به صورت زیر است[15].
I=I_0 (a_0+a_1 e^(-k 1/(cosθ_z )) )که در آن a_0 و a_1 و k ثوابتی برای دو حالت هوای صاف و مه آلود میباشند و zθ بیانگر زاویهی رأس خورشید است که به زمان خورشیدی و عرض جغرافیایی وابسته است.
صاف هوای برای{ █(a_(0=) 0.4237-0.00821(6-A)^2@〖 a〗_(1=) 0.5055+0.00595(6.5-A)^2@ k=0.2711+0.01858(2.5-A)^2 )┤آلود مه هوای برای{█(a_(0=) 0.2538-0.0063(6-A)^2@〖 a〗_(1=) 0.7678+0.0010(6.5-A)^2@ k=0.249+0.081(2.5-A)^2 )┤
A در این رابطه ارتفاع محلی بر حسب کیلومتر است. و I0 تابش فرازمینی خورشید است که به ثابت خورشیدی I_sc=1367 w〖.m〗^(-2) و روز(N) وابسته است :
I_0=I_sc [1+0.034cos(360N/365.25)⁡] (w.m^(-2))
N نشان دهندهی روز سال است و N=1 بیانگر اول ژانویه است .
مدل سازی هوای محیط
برای مشخص نمودن پارامترهای ترمودینامیکی هوا نیاز به مدل سازی هوا میباشد در این تجزیه و تحلیل ترکیبات هوا مطابق جدول2-2 در نظر گرفته شده است:
درصد ترکیبات مولی هوا [16]
درصد مولی(%)ترکیبات هوا75.67N220.35O23.03H2O0.0345CO20.0007CO0.0002SO20.00005H20.91455Others
خواص ترمودینامیکی و فیزیکی هوا
خواص هوا که در محاسبات مربوط به انتقال حرارت مورد استفاده قرار گرفته است متغیر با دما و به صورت زیر مدل سازی شده است.
ظرفیت گرمایی [17]
در فرمول (2-7) واحد بر حسبKj.〖Kmol〗^(-1).K^(-1) میباشد که برای تبدیل به Kj.〖Kg〗^(-1).K^(-1) باید درجرم مولی هر گاز نیز تقسیم شود.
که میتوان ضرایب a، b، C و d را برای درصد ترکیبات مختلف هوا با توجه به جدول 2-3 تعیین نمود.
ضرایب برای محاسبه ی گرمای ویژ ه ی گازهای ایده آل
ثابت گاز،kj/(k.kg)بازهی دمایی، kdcbaترکیبماده0.2968273-1800-2.873×〖10〗^(-9)0.8081×〖10〗^(-5)-0.1571×〖10〗^(-2)28.90N_2Nitrogen0.2598273-18001.312×〖10〗^(-9)-0.7155×〖10〗^(-5)1.520×〖10〗^(-2)25.48O_2Oxygen0.2968273-1800-2.222×〖10〗^(-9)0.5372×〖10〗^(-5)-0.1675×〖10〗^(-2)28.16COCarbon monoxide0.1889273-18007.469×〖10〗^(-9)-3.501×〖10〗^(-5)5.981×〖10〗^(-2)22.26〖CO〗_2Carbon dioxide0.4615273-1800-3.595×〖10〗^(-9)1.055×〖10〗^(-5)0.1923×〖10〗^(-2)32.24H_2 OWater vapor0.2771273-1500-4.187×〖10〗^(-9)0.9747×〖10〗^(-5)-0.09395×〖10〗^(-2)29.34NONitric oxide0..1807273-15007.87×〖10〗^(-9)-3.52×〖10〗^(-5)5.715×〖10〗^(-2)22.9NO_2Nitrogen
Dioxide
ویسکوزیته
ویسکوزیته دارای مدلهای مختلفی است که از آن جمله میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
اختصاص دادن یک تابع بر اساس اطلاعات موجود (Curve Fit)
خطی:
چند جمله ای:
قانون سادرلند17
قانون توانی
در این کار از مدل سادرلند استفاده شده است که با فرض سیال ایده آل به کار میرود.
مدل سادرلند با دو ثابت
در این رابطه:
: وسیکوزیته بر حسب Kg/m.s
T: دما بر حسب کلوین
C1 و C2 : ثوابت این رابطهاند که برای هوا در دماهای میانگین به ترتیب و .
قانون سادرلند با سه ثابت
در این رابطه نیز دما بر حسب کلوین میباشد و S ثابت سادرلند است. برای هوا در دماهای میانگین ثوابت به شرح ذیل بیان میگردد: و T0=273.11 K و S=110.56 K .
قانون توانی
هوا را میتوان به صورت رابطهی زیر نیز مدل کرد که محدودیتی برای دما بر روی آن اعمال نشده است و برای دماهای مختلف معتبر میباشد.
در این رابطه T دمای استاتیکی بر حسب کلوین و واحد ویسکوزیته نیز kg/m.s میباشد.
هدایت حرارتی
برای ضریب هدایت حرارتی مانند ویسکوزیته برای هوا روشهای مشابهی برای مدلسازی موجود است:
اختصاص دادن یک تابع بر اساس اطلاعات موجود (Curve Fit)
خطی:
چند جمله ای:
تئوری جنبشی18
با توجه به فرض هوا به عنوان گاز ایدهآل جرم مولکولی مخلوط گاز ایدهآل به صورت زیر محاسبه میشود:
که در رابطه بالا x درصد مولی گاز مورد نظر و M جرم مولکولی آن میباشد.
با این مقدمه میتوان با توجه به تئوری جنبشی هدایت حرارتی هوا را با رابطهی زیر تعیین نمود:
چگالی هوا
با توجه به قانون گازها با فرض ایدهآل بودن هوا که در رنج دمایی کارکرد نیروگاه برج خورشدی فرض قابل قبولی میباشد، میتوان چگالی هوا را به صورت زیر بیان نمود:
در رابطهی فوق، Tبر حسب درجه کلوین، Patm بر حسب Kpa و تابعی از ارتفاع از سطح دریا و ثابت جهانی گازها است که برابر و جرم مولکولی گاز می باشد
برای محاسبهی آنتالپی و آنتروپی هوا، مدل سازی خواص آب و بخار نیز میتوان به [18] مراجعه نمود.
مزرعهی خورشیدی
مزرعهی خورشیدی نامی است که به مجموعهای از سیستمهای بازتابندهی پرتو خورشیدی که با آرایش خاصی حول رسیور یا همان دریافت کنندهی مرکزی واقع میشوند، اتلاق میشود. به هر کدام از سیستمهای بازتابنده، هلیوستات19 گفته میشود. به طور ساده میتوان گفت هلیوستاتها آینههایی هستند که در طول روز انرژی خورشید را که از طریق پرتوهای خورشیدی به آنها میرسد به سمت رسیور منعکس میکنند. هر هلیوستات شامل یک پایه، یک سازهی نگهدارنده، سطح بازتابنده ویک سیستم دنبال کنندهی خورشید است که در طول مدت روز خورشید را دنبال کرده و هلیوستات را در موقیعتی قرار میدهد که پرتو خورشید را به سمت رسیور منعکس کند. شکل 1-2 نشان دهندهی مجموعهی یک هلیوستات است.
شکل 2-1. نمای شماتیک هلیوستات
طراحی مزرعهی خورشیدی یکی از مهمترین بخشهای طراحی یک نیروگاه خورشیدی است زیرا سهم قابل توجهی ( 40%-50%) از هزینهی ساخت نیروگاه خورشیدی را به خود اختصاص میدهد ( برای نیروگاه Gemasolar در اسپانیا هزینهی ساخت مزرعهی خورشیدی 41% کل هزینهی ساخت نیروگاه شد.) و نسبت به سایر نیروگاههای خورشیدی دارای پیچیدگیهای بیشتری است. از آنجا که یکی از بزرگترین موانع جهت به مرحلهی عمل رساندن طرح نیروگاه خورشیدی هزینهی گزاف ساخت آن است تلاش در کاهش هزینهی ساخت و اقتصادی کردن آن از اولویتهای محققان این حوزه میباشد. از اینرو در طراحی مزرعهی خورشیدی تلاش بر آن است که با چینش مناسب آیینهها بتوان با حداقل تعداد هلیوستات و با در نظر گرفتن محدودیت در مساحت زمین در نظر گرفته شده برای نیروگاه میزان شار مورد نظر برای رسیور را فراهم کرد و این به معنی افزایش راندمان مزرعهی خورشیدی و کاهش تعداد هلیوستاتها تا حد ممکن است. یکی دیگر از راههای کاهش هزینه، کاهش تعداد هلیوستاتها است برای این منظور میتوان ابعاد هلیوستاتها را افزایش داد که این امر باعث میشود سطح بازتابندهی مورد نیاز توسط تعداد کمتری از هلوستاتها تامین شود. اما از طرفی افزایش ابعاد هلیوستات باعث افزایش نیرو و گشتاور ناشی از باد وارد به سازهی هلیوستات میگردد که این امر خود مقاوم سازی سازه، پایه و ساختار هلیوستات را طلب میکند و در نتیجه باعث افزایش هزینههای ساخت هلیوستات میگردد که در فصل3 به آن پرداخته شده است.
راندمان مزرعهی خورشیدی
راندمان مزرعه ی خورشیدی را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:
η_field=q_(from sun)/q_(to rec” 20″ ) مجموع کل گرمای دریافتی از خورشید) 〖(q〗_(from sun) (t) تابعی از شدت تابش خورشیدI(t) و مساحت کل سطوح بازتابندهی مزرعهی خورشیدی21A_ref میباشد.
q_(from sun) (t)=I(t)×A_refI(t) بیانگر شدت تابش خورشید بر حسب (〖W.m〗^(-2) ) است و به زمان و مکان جغرافیایی وابسته است. برای طراحی مزرعهی خورشیدی استفاده از پایگاه دادهی محلی برای محاسبهی دقیقتر شدت تابش خورشید توصیه میشود که البته در این پایان نامه مطابق مدل ذکر شده در فصل دوم شدت تابش محاسبه شده است.
شار گرمایی دریافتی رسیور که از بازتاب پرتوهای خورشیدی توسط مزرعهی خورشیدی حاصل میشود همواره کمتر از شار گرمایی دریافتی هلیوستات هاست. پدیدههایی که موجب این اختلاف و کاهش راندمان مزرعهی خورشیدی میشوند را به صورت راندمانهای که در گرمای دریافتی خورشید ضرب میشوند نشان میدهند:
q_(to rec)=q_(from sun) η_(B&S) η_cosine η_ref η_clean η_attenدر ادامه به معرفی و نحوهی تاثیر عوامل کاهش راندمان مزرعهی خورشیدی پرداختهایم.

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید