بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه با توجه به روند رو به رشد مصرف انرژی در جهان استفاده از روشها و سیستمهای جدید تولید انرژی با بازدهی بالا و آلایندگی پایین در اولویت قرار گرفته است. از طرفی با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران که به لحاظ دریافت انرژی خورشیدی در بین نقاط جهان در بالاترین ردهها قرار دارد، استفاده از این انرژی مورد توجه پژوهشگران زیادی قرار گرفته است.
هدف این تحقیق تحلیل و بررسی یک نیروگاه حرارتی خورشیدی با قابلیت تولید بخار مستقیم از دیدگاه انرژی و اگزرژی میباشد. عملکرد نیروگاه پیشنهادی در موقعیتهای جغرافیایی متفاوت و تحت شرایط کاری مختلف مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد که بیشترین تلفات انرژی در کندانسور سیکل صورت خواهد گرفت. از سوی دیگر بررسیها نشان داد که بیشترین تلفات اگزرژی در کلکتورهای خورشیدی بوده و در دیگر اجزای نیروگاه این تلفات ناچیز است.
.1 مقدمه
از بدو پیدایش اولین حیات در روی زمین انرژی خورشیدی در پدیده فتوسنتز کاربرد داشته است. در پیدایش ساختمان برای گرمایش مسکن خود، انسان از نورخورشید بهره میگرفت. بعدها انسان از اشعه آفتاب برای خشک کردن میوه و سبزی در فضای آزاد و برای تبخیر آب دریا در حوضچه های کم عمق و تولید نمک استفاده نموده است. اولین و شاید تنها استفاده نظامی انرژی خورشیدی توسط ارشمیدس در شهر سیرا یکوز در شرق جزیره سیسیل انجام شد. او موفق شد با متمرکز کردن نور خورشید به وسیله چند آئینه روی بادبان کشتی ها، آنها را به آتش بکشد. استفاده های صنعتی و مدرن انرژی خورشیدی از سالهای 1770 میلادی شروع شد شاید جالب ترین استفاده از خورشید در کشف گاز اکسیژن صورت گرفته باشد. پریستلی در سال 1774توانست نور خورشید را روی ظرف حاوی اکسید جیوه متمرکز نماید و گازی تولید کند که بعدها اکسیژن نامیده شد. آزمایشهای متعددی با استفاده از عدسی ها و تمرکز نور خورشید توسط لاوازیه انجام شد.
در سال 1872 اولین واحد خورشیدی برای نمک زدائی آب دریا در شمال شیلی ساخته شد. از اواخر سالهای 1800 و اوایل سالهای 1900 تعدادی متمرکز کننده خورشیدی جهت دستیابی به دماهای بالا و تولید بخار در فرانسه و آمریکا و مصر ساخته شد که از بخار حاصله برای راه اندازی ماشینهای بخار و آبیاری استفاده میشد. از سالهای 1940 به بعد استفاده از انرژی خورشیدی در تولید آب گرم مصرفی و گرمایش ساختمان ها در آمریکا، روسیه، تاشکند، عشق آباد، استرالیا و سایر کشورها رو به توسعه نهاد .
در سال 1946 در هندوستان کوره هایی که با انرژی خورشیدی کار میکردند ساخته شد. سلول خورشیدی - فتوولتائیک - برای اولین بار در نیمه اول دهه 1950 بدون سر و صدای زیاد وارد بازار شد و با استقبال قابل ملاحظه ای مواجه گشت. در سال 1958 طراحان آمریکایی با تردید در سفینه وانگاردیک یک مبدل حاوی سلولهای خورشیدی هر یک به قدرت 2 میلی وات به عنوان نیروی کمکی به کار بردند ولی با کمال تعجب مشاهده کردند دستگاه رادیویی سفینه که با این مبدل کار میکرد تا 6 سال بطور مداوم پیام رادیویی به زمین مخابره نمود. در سال 1961 برای نخستین بار در ایتالیا از انرژی حرارتی خورشیدی برای تولید الکتریسیته توسط توربین های بخار کوچک استفاده گردید.
با بحران انرژی سال 1973 و خطر اتمام سوختهای فسیلی و آلایندگیهای ناشی از کاربرد این نوع سوختها در
نیروگاههای حرارتی از یک طرف و آلایندگی و هزینههای بالای نیروگاههای اتمی کشورهای جهان را به سمت و سوی استفاده از منابع جدیدی از انرژیهای تجدیدپذیر سوق میدهند. در این میان بهره گیری از انرژی خورشیدی یکی از راه کارهای امیدوار کنندهای است که استفاده از آن مورد توجه پژوهشگران زیادی قرار گرفته است.
یکی از برگزیدهترین روشهای تولید برق از انرژی خورشیدی، احداث نیروگاه های حرارتی خورشیدی با بهره گیری از کلکتورهای سهموی خطی میباشد. نیروگاهای مذکور عمدتاً به دو دسته مستقیم و غیر مستقیم دسته بندی میشوند. در نیروگاههای مستقیم از یک سیال عامل و در نوع غیرمستقیم از دو سیال عامل مختلف در سیکل تولید توان استفاده می-گردد.
در نیروگاههای مستقیم سیال عامل به صورت مستقیم توسط انرژی حرارتی خورشیدی گرم میگردد. سیال عامل میتواند بخار آب یا هر نوع مبرد دیگر باشد. در نیروگاههای غیر مستقیم ابتدا در مزرعه خورشیدی روغن حرارتی که به عنوان سیال عامل ثانویه استفاده میشود، توسط گرمای خورشید به دمایی در حدود 300 تا 400 درجه سانتی گراد رسانده میشود. سپس این روغن گرمای خود را در یک مبدل حرارتی به بخار که سیال عامل اصلی در سیکل قدرت میباشد، منتقل مینماید. در ادامه چرخش پرههای توربین توسط جریان بخار سبب تولید برق در نیروگاه میگردد.
تولید بخار مستقیم در کلکتورهای سهموی خطی اولین بار در اوایل دهه 1980 به وسیله مورفی و پندرسون و در سال 1982 مورد مطالعه قرار گرفت. اما تحقیقات جدی بر روی این سیستم در سال 1988 و هنگامی آغاز شد که موسسه لوز این تکنولوژی را به عنوان فن آوری جدید خود در نیروگاه های آینده مطرح ساخت.
متاسفانه به دلیل مشکلاتی که برای این موسسه به وجود آمد تحقیقات به عمل آمده به نتیجه مشخصی نرسید ولی به دنبال آن چند شرکت در اروپا موضوع را پیگیری نمودند. با جایگزینی روغن حرارتی با آب، دمای بخار می تواند تا بیش از 400 درجه سانتی گراد افزایش یابد که این نتیجه حذف مرحله انتقال حرارت از روغن به سیال سیکل قدرت میباشد. هم چنین آب آلاینده محیط زیست و قابل اشتعال نیست و این دو از مسائل مهم در هنگام بروز نشتی و یا شکستن اتصالات هستند.
گرچه فن آوری تولید مستقیم بخار در لوله های افقی هنوز با مشکلات فنی متعددی مواجه است، ولی تحقیقات آزمایشگاهی بسیاری در چند سال گذشته انجام شده و تعدادی دیگر نیز برای اجراء ضمن پروژه های در دست، طرح ریزی شده اند که پیامد آن ایجاد سوالات فنی متعددی بود که در طیف آزمایشگاهی قابل بررسی نبودند. بر این اساس یک نمونه واقعی که درآن بتوان به آسانی فرآیند را در هنگام عمل بررسی نمود در مکان خورشیدی آلمریا در کشور اسپانیا نصب شده است.
طی دو دهه گذشته تکنولوژی استفاده از متمرکز کنندههای خورشیدی سهموی پیشرفتهای قابل ملاحظهای داشته است. از سال 1983 تا 1993 تعداد 9 نیروگاه خورشیدی با ظرفیتهای مختلف با حداکثر 80 مگاوات وجمعاً در حدود 354 مگاوات در آمریکا نصب گردیده که در حال کار میباشند. این مقدار الکتریسیتهمجموعاً بیش از 80 درصد برق خورشیدی تولید شده در دنیا را شامل میشود. در حال حاضر هزینه تولید الکتریسیته با استفاده از سوخت فسیلی در نیروگاههای بزرگ کمتر از هزینه مربوط به سیستم خورشیدی است، ولی پیش بینی میشود بعد از سال 2000 نفوذ نیروگاههای خورشیدی در بازار شروع شده و در حدود سال2020 بتوانند با نیروگاههای فسیلی تولید برق در بازار رقابت کنند. از آنجاییکه این نیروگاهها عملکرد خوبی از خود نشان دادند تلاش زیادی برای کاهش قیمت و افزایش بازده آنها انجام شده است.
میزان تابش انرژی خورشیدی در نقاط مختلف جهان متغیر بوده و درکمربند زمین بیشترین مقدار را دارا میباشد. کشور ایران در بین مدارهای 25 تا 40 درجه عرض شمالی قرار گرفته است و در منطقهای واقع شده که به لحاظ دریافت انرژی خورشیدی در بین نقاط جهان در بالاترین ردهها قرار دارد. مطالعات نشان میدهد که استفاده از تجهیزات خورشیدی در ایران مناسب بوده و میتواند بخشی از انرژی مورد نیاز کشور را تأمین نماید. در ایران روزانه بطور متوسط 5/5 کیلووات ساعت انرژی خورشیدی بر هر متر مربع از سطح زمین میتابد و 300 روز آفتابی در 90 درصد مساحت آن وجود دارد. میزان کل تابش خورشید در طول روز برای ایران تقریبا برابر با 9 ,000,000 ,000 مگاوات ساعت میباشد. بررسیها نشان میدهد که اگر تنها از یک درصد مساحت ایران برای جذب انرژی خورشیدی استفاده شده و راندمان سیستم دریافت انرژی تنها 10 درصد باشد، میتوان روزانه 9,000,000 مگاوات ساعت انرژی از خورشید دریافت کرد.
در این تحقیق یک نیروگاه حرارتی خورشیدی مستقیم با ظرفیت 5 مگاوات مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. که یکی از مزایای این روش تولید مستقیم بخار در مزرعه خورشیدی و حذف مبدل حرارتی و سیال عامل ثانویه میباشد. این امر نه تنها چشم اندازی روشن در جهت نزدیک شدن به الگوهای اقتصادی ارائه میکند، بلکه با استفاده از این روش میتوان به دماهای بالاتری برای سیال عامل نیروگاه دست یافت که اقدامی در جهت افزایش بازده نیروگاه میباشد. هدف عمده این تحقیق تحلیل و بررسی یک نیروگاه حرارتی خورشیدی با قابلیت تولید بخار مستقیم از دیدگاه انرژی و اگزرژی میباشد. عملکرد نیروگاه پیشنهادی در موقعیتهای جغرافیایی متفاوت ایران و تحت شرایط کاری مختلف مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است.
2. معرفی نیروگاه حرارتی خورشیدی تولید بخار مستقیم
نیروگاه حرارتی خورشیدی تولید بخار مستقیم که در این تحقیق بررسی شده است شامل یک مجموعه کلکتور خورشیدی سهمیوار میباشد که برای تولید بخار مستقیم مورد استفاده قرار میگیرد. بخار تولید شده جهت کاربرد در یک سیکل قدرت رانکین بخار مورد استفاده قرار میگیرد. در واقع در این نیروگاه بویلر حرارتی حذف و به جای آن از کلکتورهای خورشیدی استفاده شده است. شماتیک نیروگاه تحلیل شده در شکل 1 و شماتیک یک کلکتور سهموی خطی در شکل 2 نشان داده شده است.
