بخشی از مقاله
خلاصه:
از آنجا که انرژی خورشیدی منبع انرژی تجدید پذیر و بی پایان میباشد، توجه زیادی را به عنوان جایگزین سوختهای معمول برای تأمین برق جلب کرده ا ست. در این را ستا، نیروگاههای متمرکز خور شیدی به طور معمول طراحی و برر سی میشوند. در این مقاله، تجزیه و تحلیل انرژی و اگزرژی کل سیستم نیروگاه خورشیدی با ترکیب سیکل رانکین برا ی دست یابی به بهترین عملکرد اقت صادی و بازده انرژی کل سی ستم انجام شده ا ست. همچنین از دو روش کنترلی دمای خروجی جمع کننده ثابت و دیگری دبی جرمی نمک مذاب ثابت استفاده شده است و تأثیر تغییر پارامترهای متعددی ازجمله: سرعت باد، دمای محیط در تابشهای خورشیدی مستقیم مختلف، دمای ورودی جمع کننده، دبی جرمی نمک مذاب، دمای ورودی توربین و فشارهای نقاط مختلف در سیکل رانکین بر پارامترهای عملکردی مانند کارخالص خروجی، بازده انرژی و اگزرژی کل سی ستم، نرخ هزینه سرمایه گذاری و قیمت کل مح صولات برر سی شدهاند. نتایج ن شان می دهد که حداکثر تلفات اگزرژی در سیستم جمع کننده اتفاق میافتد که مقدار آن 168/19 MW میباشد. بازده انرژی و اگزرژی جمع کننده و کل سی ستم را میتوان با افزایش تابش خور شیدی م ستقیم و پارامترهای ذکر شده افزایش داد اما افزایش بهره وریها با مقادیر تابش خورشیدی مستقیم و سایر پارامترها متفاوت است. بیشترین بازده انرژی و اگزرژی برای شرایط اولیه در تابش خورشیدی 900 W/m2 به ترتیب % 7/25 و % 7/64 بدست آمده است.
-1 مقدمه
تو سعه شگرف علم و فن آوری در جهان امروز ظاهراً آ سایش و رفاه زندگی ب شر را موجب شده ا ست، لیکن با تو سعه صنعتی مانند افزایش تعداد وسایل نقلیه و افزایش تجهیزات خانگی به رشد قابل توجهی در تقاضای انرژی منجر شده است. این ر شد تقا ضا به طور عمده تو سط ا ستفاده از منابع انرژی ف سیلی پو شش داده شداند. متأ سفانه، این منابع انرژی نه تنها عمر محدودی دارند، بلکه در طول عملیات، گازهای آلی یا مایع را نیز آزاد میکنند که سمی و خطرناک هستند. در واقع استفاده از هیدروکربنها یک مقدار بسیار مهم از CO2 را در جو منتشر میکند که موجب آلودگی محیط زی ست و تغییرات گ سترده آب و هوا در زمین می شود .[1] در این میان فن آوریهای خور شیدی در د ست برر سی ا ست و فن آوریهای خورشیدی متمرکز 1 - CST - دارای بیشترین پتانسیل برای تولید انرژی الکتریکی تجاری است و توانایی تولید بخار در دمای بالا برای تولید توان در سیکل رانکین معمولی را نشان میدهند .[2]
اخیراً مقالات بسیار محدودی در مورد تجزیه و تحلیل اگزرژی و ارزیابی عملکرد نیروگاه حرارتی خورشیدی تحریر شدهاند که میتواند بینشهایی را که تنها از طریق تجزیه و تحلیل انرژی در دسترس نیست ارائه دهد. تهرانی و همکاران [3] یک مدل حرارتی تو سعه داده شده و مورد تأیید قرار گرفته را که منا سب برای تجزیه و تحلیل عملکرد نقاط طراحی و غیر طراحی جمع کنندههای حفره نمک مذاب در هر دو حالت پایدار و شرایط گذرا ا ست، انجام دادند. در این مطالعه، دو روش کنترل - جریان جمع کننده ثابت 2 - FF - و دمای خروجی جمع کننده ثابت - 3 - FT - برای عملکرد غیر طراحی آنها در هر دو حالت عملیات غیر طراحی - ذخیره سازی و غیر ذخیره سازی - مورد بررسی قرار گرفت. ژانگ و همکاران [4] آزمایش تجربی عملکرد حرارتی یک جمع کننده حفره نمکی مذاب را در شرایط گذرا - به عنوان مثال، DNI4 متغیر بر جمع کننده - مورد بررسی قرار دادند. آنها دریافتند که بازده انرژی جمع کننده به شدت تحت تأثیر قدرت ورودی است. آنها همچنین اظهار دا شتند که قدرت ورودی نزدیک تر به ارزش طراحی ا ست، و کمتر کارایی لحظهای تغییر میکند. وی هان وهمکاران [5] افزایش کارایی نیروگاه خور شیدی با تلفیق پارابولیک سهموی برج را انجام دادند. بر ا ساس نتایج شبیه سازی، بازده حرارتی سی ستم ادغام شده می تواند به % 24/7 بر سد، که 1/7در صد ن سبت به نیروگاه بدون پارابولیک بالاتر ا ست. هزینه تولید برق سیستم جدید میتواند 4% در مقایسه با نیروگاههای بدون پارابولیک یا برجهای صنعتی کاهش یابد. نتایج به دست آمده در این تحقیق، یک رویکرد جدید برای استفاده از انرژ ی خورشیدی را به صورت مؤثر و اقتصادی ارائه میدهد. لی و همکاران [ 6] نشان دادهاند که به غیر از سه روش متعارف انتقال حرارت، بیشترین تلفات جمع کنندههای حفره با تلفات انعکاسی مطابقت دارد که می تواند به 50% کل تلفات منجر شود. یانگ و همکاران [7] نشان دادند که میانگین عدد ناسلت در داخل لوله مارپیچ در جمع کننده حدود 3 برابر بیشتر از لوله صاف بود. همچنین آنها نشان دادند که تلفات حرارتی جمع کننده نمک مذاب با لوله مارپیچ پایینتر از یک سطح صاف است. مونتس و همکاران [8] اثر چندگانه خور ش یدی را بر عملکرد سالانه نیروگاههای حرارتی خور شیدی با تولید م ستقیم بخار برر سی کردند. و همچنین تجزیه و تحلیل حرارتی و اقتصادی در کار خود را مورد بررسی قرار دادهاند.
در این مقاله تحلیل نیروگاه جمع کنندهی مرکزی 5 - CRS - برر سی شده ا ست که از دو شرایط کنترل جریان جرمی نمک مذاب ثابت و دمای ثابت خروجی جمع کننده - دمای ورودی6HTF به سیکل رانکین یا سوپرهیتر - مورد ا ستفاده قرار گرفته است. در این تحقیق ابتدا با توجه به قانون اول و دوم ترمودینامیک، تحلیل انرژی و اگزرژی کل سیستم جهت بدست آمدن بازدههای انرژی و اگزرژی و خروجی کار خالص کل انجام شده است و به دنبال آن تلفات اگزرژی7 تک تک اجزاء مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین تأثیر پارامترهای ک ارکردی سیستم از جمله: سرعت باد، دمای ورودی جمع کننده یا دمای خروجیHTF سیکل رانکین، دمای ورودی توربین اول و فشارهای ورودی و خروجی توربینها در DNI و دبیهای جرمی مختلف بر روی بازده انرژی و اگزرژی سیکل مورد بحث قرار گرفته است. همچنین در انتها تحلیل اقتصادی کل سی ستم و تغییرات قیمت مح صولات - توان تولیدی - بر ا ساس همان پارامترهای فوق برر سی و نتایج آن ارائه شده ا ست. تحلیلهای انجام گرفته در این مقاله با استفاده از نرم افزارEES1 شبیه سازی و نوشته شده است.
-2 توصیف سیکل
نیروگاه جمع کننده ی مرکزی - CRS - از چهار جزء اصلی تشکیل شده که عبارتند از: هلیوستاتها2، جمع کننده مرکزی3، ذخیره سازی انرژی حرارتی4 و چرخه قدرت - سیکل رانکین - . شماتیک کلی از یه برج نیروگاه انرژی خورشیدی در شکل 1 م شاهده می شود. بعد از اینکه نور خور شید به آینههای با ابعاد بزرگ که هلیو ستات نامیده می شود میتابد و این پرتو نورها توسط هلیوستاتها به جمع کننده مرکزی که در بالای برج مرکزی قرار دارد منعکس میشوند. هلیوستاتها بطور جداگانه انرژی خورشیدی را به سمت جمع کننده مرکزی هدایت میکنند. آنها درمدت زمانی که نورخور شید میتابد انرژی آن را روی جمع کننده متمرکز میکنند. درون جمع کننده از نمک مذاب به عنوان سیال انتقال حرارت استفاده شده است که در دماهای بس یار بالا کار میکند. بعد از اینکه انرژی گرمایی را از جمع کننده بوسیله سیال نمک مذاب دریافت شد، مقداری از این انرژی توسط مخزن ذخیره گرما ذخیره سازی شده تا در موارد لازم و زمانهایی که انرژی خورشیدی وجود ندارد از آن استفاده شود و مقدار باقیمانده ی انرژی گرما را به چرخه قدرت از طریق مبدل های حرارتی یا بازیاب 5 - HRSG - منتقل میکند و این انرژی توسط سیکل رانکین به توان تبدیل میشود. سیکل رانکین موجود در شکل 1 از پیش گرمکن، بویلر وسوپرهیتر جهت افزایش مطلوب دمای ورودی توربین، 3 توربین در فشارهای کاری مختلف، 3 پمپ، کندانسور، 2 آب گرم کن تغذیه باز و برج خنک کن6 تشکیل شده است.
