بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی عملکرد و کاربرد ترکیبی سیکل رانکین آلی در سیستم های خورشیدی
چکیده
در سیستم های خورشیدی عدم امکان دسترسی مستمر به انرژی و استفاده بهینه از انرژی دریافتی از پارامترها و مشکلات اساسی می باشد. لذا سیکل رانکین آلی به علت پتانسیل بالای آن در بازده تبدیل انرژی در محدوده دماهای پایین با در نظر گرفتن کاهش مصرف سوخت های فسیلی و کاهش مشکلات زیست محیطی، انتخاب مناسبی جهت استفاده در سیستم های خورشیدی می باشد. در این مقاله ضمن معرفی و مدلسازی سیکل رانکین آلی به بررسی تأثیر پارامترهای مهم از جمله انتخاب نوع سیال عامل و دمای کارکرد بر عملکرد سیکل رانکین آلی پرداخته که نتایج نشان می دهند سیالات R245fa و n-Pentane در محدوده دماهای پایین از جمله کاربردهای خورشیدی گزینه های مناسبی می باشند. در ادامه با در نظر گرفتن معضل کمبود آب شیرین و کاهش مصرف سوخت، با ارائه دو طرح کاربردی ترکیبی از سیستم های خورشیدی و سیکل رانکین آلی، زمینه و امکان بهره برداری از آنها بررسی شده است.
واژگان کلیدی: انرژی خورشیدی، سیکل رانکین آلی، سیستم ترکیبی، آب شیرین کن ترکیبی
-1 مقدمه
با توجه به اینکه تقاضای انرژی در سطح جهان به سرعت در حال افزایش است و سوخت های فسیلیدر آینده بسیار نزدیک عملا0 پاسـخ گـوی ایـن افزایش تقاضا نیستند، طی 20 سال گذشته استفاده کارآمد از منابع انرژی با دمای پایین مانند انرژی زمین گرمایی، گازهای خروجی از سیستم تـوربین گاز، احتراق بیومس/زیست توده1، اتلاف گرما در فرایندهای صنعتی مختلف و انرژی خورشیدی بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند و تحقیقات در مورد آنهـا بیش از پیش اهمیت یافته است. اما چرخه ی رانکین آلی و سیستم تولید توان از طریق ترکیب همزمان، عملی ترین روش ها برای دستیابی به بازده بـالا در تبدیل انرژی حرارتی در محدوده دماهای پایینبه ا3شکال مفیدتری از انرژی هستند که محدود کاربرد آن در جدول 1 بیان شده است. اثبات شده کـه بوسیله سیکل رانکین آلی، که در آن از مایع آلی به جای آب به عنوان سیال عامل استفاده می شود. در کاربردهای دمای پایین می توانـد مزایـای زیـادی را به جای فرایند رانکین بخار بهمراه داشته باشد 2]و.[1 در این راستا در این مقاله هدف ترکیب سیستم های خورشیدی و سیکل رانکین آلی مـی باشـد. اما کلکتورهای خورشیدی و ذخیره سازی انرژی حرارتی دو پارامتر اصلی در کاربردهای حرارتی خورشیدی هستند. یـک کلکتـور خورشـیدی کـه نـوعی مبدل انرژی است، در کاربردهای حرارتی خورشیدی انرژی تابشی خورشید را جذب و بصورت انرژی حرارتی به سیال عامل منتقل می کنـد. کلکتورهـای خورشیدی باید عملکرد بهینه ای داشته باشند تا انرژی تابشی دریافتی را تا جایی که ممکن است جذب کنند. پس از جمع آوری انرژی حرارتـی توسـط کلکتورها، به دلیل ماهیت انرژی خورشیدی باید به طور مؤثر و بهینه استفاده شود و این مهم همواره مورد بررسی محققان این انرژی می باشد.
جدول :1 محدوده کاربرد سیکل رانکین آلی برای منابع مختلف حرارتی
در سال های اخیر، ORC2 به یک رشته ی تحقیقاتی مهیج تبدیل شده است و برای تبدیل گرما به کار مفید یا الکتریسیته، فنـاوری نویدبخشـی بـه نظر می رسد. همانطور که در جدول 1 مشاهده می شود منبع انرژی گرمایی می تواند منشأهای مختلفی از جمله تابش خورشیدی، احتراق زیست تـوده، انرژی زمین گرمایی یا اتلاف گرما از کارخانه ها داشته باشد. برخلاف چرخه قدرت بخار که در آن بخار گاز3، سیال عامل است، در سـیکل رانکـین آلـی از مبرد4 یا هیدروکربن ها استفاده می کند. ارزیابی ترمو- اکونمومیک سیستم رانکین آلی به شدت به خواص ترمودینامیکی سیال عامل بستگی دارد و یـک انتخاب نامناسب می تواند به بازده پایین منجر شود .[3] بنابراین، مبانی نظری و کاربردهای عملی برای ترکیب فنـاوری هـای کلکتورهـای خورشـیدی و سیکل رانکین آلی بررسی و مورد بحث قرار می گیرند.
- 2 طرح و شبیه سازی سیکل رانکین آلی
سیکل رانکین آلی (ORC) به جز در مایع محرک توربین که مایع آلی با جرم مولکولی بالا است، شبیه چرخه ی یک توربین بخـار معمـولی مـی باشد. در این سیکل انتخاب بهینه سیال عامل امکان بهره برداری مؤثر از منابع گرمایی بـا دمـای پـایین را جهـت تولیـد طیـف گسـترده از تـوان هـای خروجی ( از چند کیلو وات تا دو مگاوات توان برقی در هر واحد ) الکتریسیته فراهم می کند. سیال عامل آلی با استفاده از منبع حرارت در تبخیر کننـده، تبخیر می شود. بخار مایع آلی در توربین گسترش می یابد و سپس با استفاده از جریان آب در یک مبدل حرارتی پوسته و لولـه متـراکم مـی شـود و خروجی چگالنده به تبخیر کننده پمپ می شود در نتیجه یک چرخه ی ترمودینامیکی بسته ایجاد می شود. منابع گرمایش و سرمایش به طـور مسـتقیم با سیال عامل و توربین در تماس نیستند. در شکل((1 شماتیک کلی سیکل رانکین آلی آورده شده است.
-1,2 مدلسازی سیکل رانکین آلی
بطور کلی الگوریتم مدلسازی واحد ORC، بصورت زیر است:
که در آن Q گرمای در دسترس برای سیستم بازیابی گرما و بازده سیستم بازیاب حرارت است. مقادیر فشار تبخیر کننده و فشار چگالنده در چرخه ی رانکین با در نظر گرفتن بازده ایزنتروپیک برای توربین و پمپ انتخاب می شوند. بازده واحد ORC بوسیله معادله زیر بدست می آید:
در جاییکه wp کار مورد نیاز پمپ، Wt کار تولیدی در توربین و Qe انتقال حرارت مورد نیاز در تبخیر کننده است.
کار مورد نیاز پمپ Wp بصورت زیر محاسبه می شود:
wp,s کار مورد نیاز پمپ در حالت ایزنتروپیک، p بازده ایزنتروپیک پمپ، h2,s آنتالپی خروجی پمپ در حالت ایزنتروپیک، h1 آنتـالپی ورودی پمـپ در حالت مایع اشباع و h2 آنتالپی سیال عامل خروجی از پمپ می باشد. کار خروجی توربین بصورت زیر محاسبه می شود:
در جاییکه wt,s کار خروجی ایزنتروپیک توربین، بازده ایزنتروپیک توربین، h4,s آنتالپی سـیال عامـل خروجـی در تـوربین ایزنتروپیـک،h3 آنتـالپی ورودی سیال عامل و h4 آنتالپی خروجی سیال عامل از /*توربین می باشند. انتقال حرارت مورد نیاز در تبخیر کننده بصورت زیر محاسبه می شود:
در جاییکه h2 و h3 آنتالپی سیال عامل در ورودی و خروجی از تبخیرکننده هستند. درحالیکه مقادیر کار و انتقال حرارت تغییر نمی کنند بازده ثابت می ماند و میزان دبی جرمی سیال عامل برای جذب کل گرمای موجود در تبخیرکننده تنظیم می شود، به طوری که:
در جاییکه m دبی جرمی سیال عامل در یک ساعت است.
پس انرژی الکتریکی خالص تولیدی در ORC را می توان بصورت زیر محاسبه کرد:
در جاییکه بازده ژنراتور الکتریکی مورد استفاده است.
-3 انتخاب سیال عامل
بطور کلی در سیکل هایی که در محدوده دماهای پایین کار می کنند خصوصـیات ترمودینـامیکی سـیال عامـل بـه شـدت بـر روی بـازده سـیکل تأثیرگذار است. به همین دلیل انتخاب بهینه سیال عامل در سیکل رانکین آلی از پارامترهای اساسی محسوب و در سال های اخیر تحقیقـات چشـمگیری در این خصوص انجام شده که مراجع 5]؛[4 از این جمله می باشند. در جدول2 تعدادی از مهمترین سیال هـای عامـل مـورد اسـتفاده در سـیکل هـای رانکین آلی آورده شده اند.
