بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به آنکه نیروگاههای خورشیدی جایگزین مناسبی در برابر سوختهای فسیلی هستند و به شدت مورد توجه محققان در سالهای اخیر قرار گرفتهاند. در این تحقیق سیکل یک نیروگاه خورشیدی که دارای کلکتورهای سهموی شکل است بررسی شده است. تحلیل قانون اول و دوم ترمودینامیک در این پروژه به کار گرفته شده است. ابتدا به بیان قانون اول یا همان قانون بقای انرژی اشاره شده و سپس قانون دوم مورد توجه قرار گرفته که هدف اصلی در این پروژه نیز تحلیل قانون دوم و مفاهیم اگزرژی و برگشت ناپذیری می باشد. در انتها با استفاده از نرم افزار EES تحلیل سیکل انجام شده و همچنین تاثیر تغییر پارامترهای مختلف بر سیستم مورد بررسی قرار می گیرد. پارامترهایی که مورد بررسی قرار گرفته اند شامل: نرخ بازگشت ناپذیری و بازده اگزرژی بوده است. ملاحظه شد با افزایش فشار ورودی توربین و شدت تابش میزان بازده قانون دوم افزایش و نرخ بازگشت ناپذیری کاهش می یابد.
-1 مقدمه
در اثر سوختن مواد فسیلی گازهای سمی وارد هوا شده و تنفس انسان را با مشکل مواجه می سازد. همچنین محیط زیست را آلوده کرده و از طرف دیگر، تراکم این گازها در جو زمین مانع خروج گرما از اطراف زمین می شود و باعث افزایش دمای هوا و تغییرات گسترده آب و هوایی در زمین می گردد که اثر گلخانه ای1نامیده می شود. چنان چه افزایش دمای هوا مطابق روند فعلی ادامه یابد، بازگرداندن آن به وضعیت سابق تقریبا غیرممکن خواهد بود. بهترین راه حلی که اکثر دانشمندان پیشنهاد کرده اند، متوقف کردن روند رو به رشد این گازهای مضر است.
نیروگاه های خورشیدی وسایل و دستگاه هایی هستند که نور را به الکتریسیته تبدیل و برای استفاده در منازل، مکان های اداری، ساختمان ها، خیابان ها و غیره به کار می روند. نیروگاههای خورشیدی که انرژی خورشید را به برق تبدیل میکنند امید است در آینده با مزایای قاطعی که در برابر نیروگاههای فسیلی و اتمی دارند به خصوص اینکه سازگار با محیط زیست میباشند، مشکل برق بخصوص در دوران اتمام ذخائر نفت و گاز را حل نمایند. تاسیس و به کارگیری نیروگاههای خورشیدی آیندهای پر ثمر و زمینهای گسترده را برای کمک به خودکفایی و قطع وابستگی کشور به صادرات نفت فراهم خواهد کرد.
تحقیق های بسیار مفید و قابل تحسین در زمینه نیروگاه های خورشیدی و تحلیل آن ها انجام شده که شایسته است به بعضی از آن ها اشاره شود. فهاد ای. السلیمان [1] در تحقیقش به بررسی تاثیر تغییر پارامترهای مختلف در سیکل نیروگاه خورشیدی بر روی عملکرد آن از منظر انرژی پرداخته و با تغییر پارامترها در قسمت های مختلف سیکل، تاثیر آن ها را روی بازده اگزرژی و نرخ برگشت ناپذیری برررسی نموده است. ای.فرناندز و همکاران[2] به بیان کاربرد کلکتورهای سهموی خورشیدی و تولید دمایی بیش از 400 درجه سلیسیوس خصوصا در سیکل های توان بخار پرداخته اند. یا لینگ و همکارانش[3] به شبیه سازی کلکتورهای خورشیدی سهموی به همراه سیکل آلی رانکین پرداخته و مقایسه داده های شبیه سازی با نتایج آزمایش را نیز ارائه کرده اند.
اسماعیل ام.ای. مخیمر و همکارانش[4] با تحلیل عملکرد کلکتورهای سهموی در دهران عربستان سعودی به موارد مفیدی در رابطه باسایز کلکتورها رسیده اند. همچنین مطالعات ادواردو زارزا و همکارانش[5] در رابطه با کلکتورهای خورشیدی در داده های مربوط به کلکتور در این پروژه بسیار مورد توجه بوده و استفاده شده است. فهاد ای. السلیمان[6] به تحلیل سایز و تحلیل انرژی در کلکتور های سهموی پرداخته و مشاهده کرد با افزایش فشار ورودی توربین بازده افزایش و تعداد ردیف های کلکتور کاهش می یابد به طوری که با افزایش فشار از 8 مگاپاسکال به 15 مگاپاسکال تعداد ردیف های کلکتور از 500 ردیف به 470 ردیف کاهش می یابد.
در مطالعهایی دیگر جورگن درچ و همکاران[7] به عملکرد و اقتصادی بودن سیکل های ترکیبی خورشیدی پرداخته اند، با مقایسه ی عملکرد نیروگاه خورشیدی سیکل ترکیبی1 با نیروگاه خورشیدی تولید الکتریکی2 به این نتیجه رسیدند سیکل ترکیبی عملکرد بهتری دارد. لی جینگ و همکارانش[8] با تغییر مساحت به دمای بهینه برای ماکسیمم بازده در سیکل آلی بخار دست یافته اند. هی و همکارانش[3] سه سیال عامل آلی R113، R123 و پنتا در نظر گرفتند و دریافتند که پنتا بهترین عملکرد را دارد. نافی و شرف[9] برای تحلیل ترمودینامیکی برای نیروگاه تولید توان انجام دادند و آن ها چهار مبرد: دکان، نونان، اکتان و تولوئن را امتحان کرده و مشاهده نمودند که مبرد تولوئن بهترین انتخاب بین سایر مبردها می باشد.
فهاد ای. السلیمان[1] با تحلیل یک نیروگاه خورشیدی که در آن سیکل اول سیکل رانکین در قسمت فوقانی و پایین آن سیکل آلی به کار رفته بود، هفت مبرد برای سیکل آلی در نظر گرفت که شامل: R134a، R152a، R290، R407c، R600، R600a و آمونیاک بودند و مشاهده کرد که سیال R134a بهترین بازده اگزرژی را داراست که مقدار آن 26 درصد بود، R600a با داشتن بازده 20 درصد کمترین بازده اگزرژی را در بین این مبرد ها دارا بود. در مطالعه ایی که او انجام داد متوجه شد منبع اصلی تخریب اگزرژی کلکتورهای خورشیدی می باشند که بیش از 50 درصد اگزرژی ورودی و یا به عبارت دیگر بیش از 70 درصد کل برگشت ناپذیری توسط این کلکتور ها تخریب می شوند. به علاوه، بیش از 13 درصد اگزرژی ورودی توسط اواپراتور تخریب می شود.
-2 مدلسازی و معادلات حاکم
طرح شماتیکی سیستم نیروگاه خورشیدی مورد بررسی در این پروژه در شکل 1 نشان داده شده است.[1]
شکل :1 سیکل رانکین یک نیروگاه خورشیدی
ابتدا سیال تراکم پذیر روغن Thermonil-VP1 از کلکتور های خورشیدی عبور کرده و با جذب گرما به دمای 390 درجه سیلیسوس می رسد. این سیال با دادن گرمای خود به آبی که از پمپ سیکل بخار آمده باعث بخار شدن آب در اواپراتور می شود. پس از خروج بخار از اواپراتور وارد توربین بخار شده و با از دست دادن فشارش و انجام کار باعث به کار افتادن ژنراتور برق شده و می توان از آن برای تولید برق استفاده کرد. بخاری که فشارش را در توربین از دست داده حالا وارد کندانسور شده و به کمک آب خنک کاری خنک شده و دچار تغییر فاز می شود. حال سیال وارد پمپ شده، فشارش افزایش یافته وسیکل تکرار می شود.
علت انتخاب روغن Thermonil-VP1 به عنوان سیال در گردش در قسمت کلکتور ها این بوده که این سیال مزایای زیر را دارد:[10]
- 1 بالاترین پایداری حرارتی در میان سیالات انتقال حرارت آلی.
- 2 ویسکوزیته پایین که باعث می شود در هوای سرد از مشکلات عملیاتی جلوگیری کند. - 3 قابل حل یا تعویض با سایر سیالات مشابه.
- 4 کنترل دقیق دما برای شبیه سازی سیکل فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:
➢ سیال در سیکل رانکین سیال آب می باشد.
➢ کار تولیدی در توربین 50 مگا وات می باشد.
➢ سیستم در حالت پایا کار می کند.
➢ از تمامی افت فشارها به غیر افت فشار توربین و افزایش فشار پمپ صرف نظر شده است.
➢ بازده آیزونتروپیک توربین 85% می باشد.[1]
➢ توربین و پمپ آدیاباتیک می باشند.
➢ دما و فشار محیط به ترتیب 298,15 درجه کلوین و 101,3 کیلوپاسکال در نظر گرفته شده است.[1]
➢ دما و فشار بخار در ورودی توربین به ترتیب 580 درجه کلوین و 12000 کیلوپاسکال داده شده اند.[1]
