بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحليل ترمواکونوميک نيروگاه هيبريدي فسيلي –خورشيدي
چکيده
با توجه به فراواني منابع انرژي هاي تجديدپذير در کشور ايران . بحران سوخت هاي فسيلي در آينده و با ذکر اين نکته که اکثر نيروگاههاي کشور جهت توليد برق از سوخت هاي فسيلي استفاده مي کنند که يکي از عوامل مهم در انتشار گازهاي گلخانه اي و آلودگي محيط زيست به شمار مي آيد و همچنين بعلت قرار داشتن ايران در منطقه آب و هوايي گرم و خشک و دارا بودن متوسط تابش ٣.٨ تا ٤.٥ کيلووات ساعت بر مترمربع در روز يکي از مناطق مستعد جهان در زمينه انرژي خورشيدي است که دراين مقاله با معرفي يک نيروگاه فسيلي ٥١٢ مگاواتي که داراي سيکل واقعي رانکين مي باشد سعي شده است که قسمتي از گرمايش سيال عامل نيروگاه توسط انرژي خورشيدي تامين گردد که اين امر سبب کاهش مصرف سوخت فسيلي نيروگاه به مقدار ٢ کيلوگرم برثانيه که نتيجه آن کمک به کاهش آلودگي محيط زيست و حذف تعدادي از زيرکش توربين ها و بالا بردن کارايي و راندمان نيروگاه مي گردد. بهمين دليل در ابتدا سيکل رانکين نيروگاه توسط کدنويسي به زبان EES بهينه گرديده و پارامترهاي مهم نيروگاه از جمله تغييرات دبي سيال عامل ، ميزان تغييرات زيرکش ها ، ميزان افزايش توان توليدي توربين ها و ميزان افزايش راندمان نيروگاه مشخص مي گردد.
واژگان کليدي : نيروگاه خورشيدي ، کلکتورهاي سهموي، سيکل رانکين
مقدمه
رشد اقتصادي وتوسعه صنعتي، نيازمندعوامل مختلفي ازجمله انرژي وبهره وري مطلوب وبهينه ازمنابع آن است . ازاين رو استفاده مطلوب از انرژي و برنامه ريزي دراين زمينه ازاولويت ويژه اي برخوردار است . گستردگي نياز به منابع انرژي همواره ازمسائل مهم وتلاش براي دستيابي به منابع تمام نشدني انرژي از آرزوهاي ديرينه انسان بوده است . افزايش روزافزون نياز به انرژي ومحدوديت منابع فسيلي ازيک سو و افزايش آلودگي زيست محيطي ناشي ازسوزاندن اين منابع ازسوي ديگر، باعث اقبال به استفاده از انرژي هاي تجديدپذير از جمله انرژي خورشيدي شده است [١]. ازسوي ديگرمحدود ويا متوقف ساختن صنايع از جمله نيروگاه ها، امکان پذيرنبوده امااعمال سياست هاي زيست محيطي و نگراني از اتمام منابع سوخت هاي فسيلي باعث شده است اقدامات اساسي درزمينه ي پيشگيري وکنترل آلاينده ها و بالابردن سطح کارايي نيروگاه هاصورت گيرد. نقش واهميت منابع مختلف انرژي درتأمين نيازهاي حال وآينده باعث شده دولت هاسرمايه گذاريهاوتحقيقات وسيعي رادرجهت سياستگذاري واجراي برنامه هاي زيربنايي واصولي انجام دهند.تدوين يک استراتژي راهبردي مناسب ، مرکب ازبررسي تمامي پارامترهاي تأثيرگذار درانرژي وتعيين راهکارهاي مناسب جهت تميزتر وکاراتر نمودن انرژي و الگوي بهينه مصرف آن و همچنين تلاش براي افزايش ميزان توليدبرق وکاهش هزينه هاي يک واحد توليد انرژي الکتريکي، دررأس برنامه هاي زير بنايي اکثرکشورهاي جهان قراردارد[٢].
درآغازقرن بيست ويکم باتوجه به مسائل ذکرشده ، نيروگاه جديدي که ارزان ترين منبع الکتريسيته را ارائه ميدهد، نيروگاه سيکل ترکيبي مي باشند که همزمان ميتوانند از دو نوع انرژي استفاده کنند که در اين مقاله به بررسي استفاده همزمان از انرژي خورشيدي و سوخت هاي فسيلي مي باشيم . نيروگاه هاي هيبريدي فسيلي خورشيدي اين امکان را فراهم ميکند که ما در طول روز و هنگامي که حرارت کافي از انرژي خورشيدي را در دسترس داريم جهت گرم کردن سيال عامل بلوک قدرت ، روغن مزرعه خورشيدي و در نهايت توليد برق از اين انرژي بهره کافي را برده و ضمن صرفه جويي در مصرف سوخت هاي فسيلي به ميزان بسيار زيادي در کاهش آلاينده هاي زيست محيطي نيز تأثير گذار باشد.توان نيروگاه سيکل ترکيبي در تابستان به شدت افت مي کند در حالي که در اين فصل ، روز طولاني تر و شدت تابش خورشيد بيشتر است از همين رو در شرايط آب و هوايي گرمسيري استفاده از سيکل ترکيبي – تلفيقي خورشيدي انتخاب مناسبي جهت دستيابي به راندمان بالا و افزايش توان نيروگاه مي باشد.[٣]
معرفي سيکل نيروگاه
در اين نيروگاه از انرژي خورشيدي و زمين گرمايي جهت پيش گرم کردن سيال عامل نيروگاه بخار که آب ميباشد استفاده ميشود جهت شبيه سازي سيکل نيروگاه نيز در اين مقاله ما از نرم افزار EES١ استفاده مي کنيم که اين نرم افزار ميتواند معادلات ديفرانسيل و معادلات مختلط را حل کند، محاسبات بهينه سازي، رگرسيون خطي و غيرخطي، رسم نمودار با دقت بالا و تحليل عدم اطمينان را انجام دهد و حتي انيميشن هاي مهندسي بر پايه محاسبات بسازديک نرم افزارکاربردي درزمينه حل مسائل مهندسي به خصوص مسائل ترموديناميک ، انتقال حرارت وسيالات است . هسته اصلي اين نرم افزاريک حل کننده دستگاه معادلات غيرخطي به روش نيوتن رافسون است که بااضافه نمودن امکانات وتوابع مختلف ، فضايي بسيارکاربرپسندوساده رابراي حل مسائل فراهم نموده است . توابع ترموديناميکي خواص سيالات مختلف درکنارسايرتوابع قدرت زيادي به اين نرم افزارداده است . اين نرم افزارامکان نوشتن توابع رابراي کاربرفراهم ميکندوکاربرميتواندتوابع موردنيازخودرادرمحيط نرم افزار يا با استفاده ازهر زبان برنامه نويسي ديگري ايجادنمايد. [٤] با اين عمل زيرکش توربين هاي فشار بالا و فشار متوسط کاهش و يا حذف ميشود و توان خروجي اين توربين ها افزايش مييابد زيرا آن ميزان از بخار که جهت پيش گرم کردن در گرمکن هاي آب تغذيه فرستاده ميشود حذف ميگردد که هدف از پيش گرم کردن آب نيروگاه در اين پروژه کاهش مصرف سوخت فسيلي نيروگاه ميباشد. در مدل ترموديناميکي نيروگاه هيبريدي فرضيات زير منظور گرديده است .
١.سيستم در حالت پايدار ميباشد.
٢. احتراق به صورت کامل فرض گرديده است واز قانون مخلوط گازهاي ايده آل براي هوا ومحصولات احتراق استفاده شده است .
٣. سوخت فسيلي نيرو گاه متان بوده وگاز ايده آل فرض شده است .
٤. راندمان بويلر ٥٩ درصد بوده واز اتلاف ديگر تجهيزات صرف نظر شده است .
نيروگاه ما از سه قسمت مجزا تشکيل شده است که عبارتند از:
١- بلوک قدرت
٢- مزرعه خورشيدي
٣- چاه زمين گرمايي
سيستم هاي مورداستفاده دربلوک قدرت نيروگاه جهت توليدبرق عبارتندازپمپ هاي تغذيه آب ، مبدل هاي حرارتي، توربين ، مجموعه کندانسور، بويلرکمکي و گرمکن ها همچنين سيستم هايي که درسيکل روغن نيروگاه استفاده ميشوند، عبارتند ازپمپ هاي گردش روغن ، کلکتورهاي سهموي خطي ومبدل هاي حرارتي به جهت توليدبخار مافوق گرم .هدف از اينکه در اين مقاله از انرژي زمين گرمايي نيز استفاده شده است اين است که در شرايط خاص همچون هواي ابري شديد و طول شب که انرژي خورشيدي کافي در دسترس نميباشد با خارج نمودن مزرعه خورشيدي ما ميتوانيم از انرژي زمين گرمايي بهره کافي را ببريم زيرا يکي از مزاياي نيروگاه هاي زمين گرمايي ثابت بودن دماي داخلي زمين در طول روز و شب است به همين علت نوسان چنداني در اين نوع نيروگاه ها رخ نميدهد. هرچند ميتوانيم در شرايطي که ما انرژي خورشيدي کافي در دسترس نداريم با استفاده از تانک هاي ذخيره انرژي خورشيدي را ذخيره نمود و از آن در طول شب بهره برد. ولي به دلايل اقتصادي ما در اين پروژه از آن صرف نظر ميکنيم . در نتايج ارايه شده ذکر اين نکته ضروري است که اين ميزان کاهش در ميزان مصرف سوخت و تغييرات در ساير پارامترهاي نيروگاه فقط در زمان خورشيدي ts مي باشد و در زماني که انرژي خورشيدي به ميزان کافي در دسترس نباشد عملا مزرعه خورشيدي از مدار خارج گشته و صرفا منبع زمين گرمايي به عنوان منبع انرژي جانبي کار خواهد کرد. در اين حالت زيرکش هاي توربين فشار بالا و فشار متوسط جهت جبران کمبود انرژي خورشيدي افزايش مييابند و ميزان سوخت فسيلي نيز در اين حالت افزايش مييابد چرخه اي که ما از آن استفاده ميکنيم چرخه رانکين ميباشد که يک چرخه تبديل گرمابه قدرت (کار)است . اين چرخه از دو فرايند هم فشارو دو فرايند هم آنتروپي تشکيل شده است . آب در بويلرحرارت داده ، به بخار تبديل و توسط توربين که يک ژنراتور را به حرکت در مي آورد را ميچرخاند.
بخار پس از عبور از توربين ، در کندانسور تقطير شده و براي حرارت دادن مجدد توسط پمپ به بويلر باز گردانده ميشود. اين سيکل به عنوان سيکل رانکين شناخته ميشود.
شکل ١- نيروگاه هيبريدي
تحليل ترموديناميکي نيروگاه هيبريدي
نيروگاه هاي هيبريدي از ترکيب دو منبع مختلف انرژي در يک نيروگاه بهره ميبرند با اين کار راندمان نسبت به حالتي که فقط از يک منبع استفاده ميشود بالاتر ميرود که يک نمونه از اين نيروگاه ها، نيروگاه فسيلي – خورشيدي است در اين حالت قسمتي از سوخت فسيلي نيروگاه توسط انرژي خورشيدي جايگزين ميشود(حالت کاهش سوخت ) و يا اينکه انرژي خورشيدي در توليد توان به قسمت فسيلي کمک ميکند (حالت کمکي) در حالت مود کمکي سوخت فسيلي نيروگاه ثابت در نظر گرفته ميشود و گرماي اعمال شده به نيروگاه در اثر انرژي خورشيدي باعث افزايش در توليد انرژي برق ميگردد و در حالت مود کاهش سوخت ميزان کاهش مصرف سوخت به صورت زير تعريف ميگردد:
که در رابطه فوق °mf سوخت فسيلي در حالتيکه نيروگاه از انرژي خورشيدي بهره نميگيرد و mf سوخت فسيلي است که نيروگاه در حالت خورشيدي مصرف ميکند(حالت هيبريدي). ميزان کاهش مصرف سوخت را ميتوان به صورت ميزان برق توليدي در اثر انرژي خورشيدي معادل نمود (Pel.Sol) در اين حالت فاکتور تبديل K را معرفي مي کنيم که فاکتور تبديل معادل ناميده ميشود.
که QSOL ميزان انرژي گرمايي دريافتي از خورشيد است
در رابطه فوق نسبت خروجي برق در حالتي که نيروگاه فقط از انرژي فسيلي بهره ميبرد ميباشد. برق خالص توليدي ناشي از انرژي خورشيدي به صورت زير تعريف ميشود:
از رابطه فوق ميتوان ميزان برق توليدي ناشي از انرژي خورشيدي در طول سال را محاسبه نمود. در جدول (١) ميزان کاهش در مصرف انرژي فسيلي در اثر اعمال انرژي خورشيدي (به صورت گرمايش درصدي از آب نيروگاه ) و ميزان برق توليدي و انرژي به دست آمده از انرژي خورشيدي را نشان ميدهد. در اين نيروگاه چون از مزرعه خورشيدي جهت پيش گرمايش آب نيروگاه استفاده ميشود حداقل هزينه ها بايد در نظر گرفته شود؛ لذا هر اندازه مزرعه کوچکتر باشد هزينه نگهداري و تعميرات و هزينه تمام شده مزرعه با حفظ کارايي مورد نظر حفظ خواهد شد.
لازم به ذکر است علي رغم آزادي عمل نسبي در ميزان پيش گرمايش آب نيروگاه توسط انرژي زمين گرمايي در پيش گرمايش توسط مزرعه خورشيدي اين آزادي عمل را نداريم چون که مزرعه خورشيدي در ابتدا طراحي ميشود و قابل تغيير نيست با اين وجود در جدول ١ تغييرات پارامترهاي نيروگاه بر اساس تغييرات متنوع در ميزان پيش گرمايش آب نيروگاه توسط دو منبع زمين گرمايي و خورشيدي نشان داده شده است . اما در شرايط خاص (هواي ابري، باد و...) که ميزان انرژي خورشيدي دريافتي توسط لوله جاذب به ميزان قابل توجهي کاهش پيدا مي کند. با کاهش دبي جرمي ورودي به مزرعه ميتوان از کاهش کيفيت گرمايش
