بخشی از مقاله
چکیده
استفاده همزمان از انرژیهای تجدید پذیر مانند انرژی زمین گرمایی و انرژی خورشیدی به عنوان محرک سیکلهای ترمودینامیکی ایدهای نسبتا نو بوده که به تازگی مورد توجه محققین قرار گرفته و تا کنون تحقیقات کمی در مورد آن منتشر شده است.
در این تحقیق، به مطالعه پارامتری سیکل رانکین آلی به منظور تولید الکتریسیته و آب گرم، با محرک همزمان انرژی زمین گرمایی و انرژی خورشیدی پرداخته شده و تأثیر تغییر دما و اختلاف دمای پینچ در اواپراتور و تغییر دمای کندانسور بر روی عملکرد سیکل رانکین آلی از منظر انرژی، اگزرژی و اگزرژی- اقتصادی پرداخته شده است.
نتایج تحلیل پارامتری حاکی از آن است که، افزایش دمای اواپراتور تأثیر مثبت بر عملکرد سیکل داشته و موجب افزایش بازده الکتریکی و کاهش بازگشت ناپذیری میگردد همچنین افزایش دمای پینچ و کندانسور تأثیر منفی بر عملکرد سیستم داشته و موجب کاهش بازده الکتریکی و افزایش بازگشت ناپذیری میگردد. همچنین در بحث اقتصادی، افزایش دمای اواپراتور و دمای پینچ، منجر به کاهش نرخ هزینه کلی میگردد و افزایش دمای کندانسور افزایش نرخ هزینه کلی را در پی دارد.
-1 مقدمه
امروزه به دلیل مشکلات زیست محیطی از جمله گرم شدن کره زمین، آلودگی هوا، بارانهای اسیدی، تخریب لایه اوزون و غیره و همچنین جدا از مشکلات زیست محیطی، مشکلات تهیه انرژی و استفاده از آن، منجر به آن گردیده تا انرژی و صرفه جویی در آن به یکی از دغددغه های مهم در سرتاسر جهان تبدیل گردد. با توجه به موارد گفته شده استفاده از منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، انرژی زمین گرمایی، انرژی باد و همچنین انرژی گرمای اتلافی برای تولید الکتریسیته بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
استفاده همزمان از انرژی خورشیدی و زمین گرمایی به عنوان محرک سیکل های ترمودینامیکی، ایده ای نسبتا نو بوده که به تازگی مورد توجه قرار گرفته و تا کنون تحقیقات کمی در مورد آن منتشر شده است. این ایده بر این مبنا استوار است که بتواند نواقص هریک از این منابع حرارتی، در حالتی که به تنهایی مورد استفاده قرار میگیرند را برطرف کند
هزینه تولید الکتریسیته با محرک انرژی خورشیدی نسبت به هزینه تولید الکتریسیته با محرک انرژی زمین گرمایی بسیار بیشتر بوده - Dipippo. 2012 - ، همچنین انرژی خورشیدی در ساعاتی از روز مانند شب ها و روزهایی ابری در دسترس نیست ولی انرژی زمین گرمایی همواره در دسترس میباشد.
با توجه موارد ذکر شده ترکیب انرژی خورشیدی و زمین گرمایی به عنوان محرک سیکلهای تولید همزمان از منظر ترمودینامیکی و اقتصادی مناسب و کارا به نظر میرسد و میتواند معایب مطرح شده را برطرف کند . - Dipippo. 2012 - استفاده همزمان از انرژی زمین گرمایی و خورشیدی به عنوان محرک سیکلهای ترمودینامیکی اولین بار بوسیله لنتز و آلمانزا - lentz et al. 2006 - در سال 2006 مورد بررسی قرار گرفت.
در این تحقیق، سیال زمین گرمایی در پیکرهبندیهای مختلف شامل سیکل تک تبخیره و دو تبخیره مورد استفاده قرار گرفت. در سیکل تک تبخیره، سیال زمین گرمایی پس از عبور از کلکتور خورشیدی سهموی خطی و افزایش دما، به جدا کننده وارد میشود، در جدا کننده سیال به بخار و مایع اشباع تبدیل شده، بخار اشباع به توربین رفته و تولید قدرت میکند و مایع اشباع برای گرمایش مجدد به زمین باز میگردد. اما در سیکل دو تبخیره، سیال زمین گرمایی ابتدا وارد جدا کننده شده، بخار اشباع به توربین شماره 1 رفته و مایع اشباع به منظور افزایش دما به کلکتور میرود و پس از تبدیل شدن به بخار اشباع، به منظور تولید قدرت وارد توربین شماره 2 میگردد.
گرمایش مستقیم سیال زمین گرمایی در کلکتور، آنطور که در پیکرهبندی لنتز معرفی شد، محاسن و معایبی دارد. از جمله محاسن آن میتوان به کاهش تعداد مبدلهای حرارتی مورد نیاز در سیستم و به تبع آن کاهش قیمت ابتدایی و از معایب آن میتوان به امکان ته-نشین شدن نمکهای موجود در سیال زمین گرمایی در کلکتور اشاره کرد که با توجه به خاصیت خورندگی موجود در این مواد میتواند باعث کاهش عمر و عملکرد نامطلوب کلکتور خورشیدی شود.
در تحقیقی دیگر - Chen et al. 2010 - به بررسی سیکل رانکین آلی و سیکل رانکین آلی فوق بحرانی و همچنین معیارهای انتخاب سیال عامل و تأثیرات خواص سیال عامل بر عملکرد این نوع سیکل پرداختند. آن ها دریافتند که سیالات عامل با چگالی و گرمای نهان بالا دارای عملکرد ترمودینامیکی بهتری هستند و منجر به مقادیر بالای توان خروجی توربین میگردد. همچنین دریافتند سیالات خشک و آیزنتروپیک برای سیکل رانکین آلی مناسبتر میباشند و سیالات با دما و فشار بحرانی پایین گزینه مناسبتری برای سیکل رانکین آلی فوق بحرانی میباشد. علاوه بر این دریافتند که سوپرهیت کردن برای سیالات مرطوب لازم و ضروری میباشد در حالی که این امر برای سیالات خشک میتواند اثر منفی بر بازده سیکل داشته باشد.
آستولفی و همکاران - Astolfi et al. 2011 - سیکل بازیاب فوق بحرانی رانکین آلی را با محرک انرژی زمین گرمایی و انرژی خورشیدی مورد بررسی قرار دادند. در این این تحقیق، سیال زمین گرمایی با دمای 150درجه سلسیوس به منظور گرمایش اولیه و سیال گرم خروجی از کلکتور خورشیدی سهموی خطی به منظور گرمایش مجدد سیال آلی در فشار فوق بحرانی به کار گرفته شدند.
همچنین شبیهسازی ساعت به ساعت به منظور به دست آوردن خروجیهای مورد نظر با استفاده از جزییات شبیهسازی کلکتور خورشیدی انجام گرفت و در نهایت تحلیل اقتصادی به منظور تعیین اضافه هزینه در اثر اضافه کردن کلکتور خورشیدی به مجموعه انجام شد که مقدار هزینه اضافی 145 تا 280 یورو بر مگاوات ساعت با توجه به قیمت کلکتور در زمان انجام تحقیق و بسته به شرایط آب و هوایی مکان مورد بررسی به دست آمد.
گرین هات - - Greenhaut. 2009 پیکرهبندیهای مختلف ترکیبی محرک زمین گرمایی و خورشیدی سیکل رانکین آلی را با یکدیگر و با سیکل رانکین آلی با محرک زمین گرمایی به تنهایی از منظر بازده قانون اول مورد مقایسه قرار داد. نتایج حاکی از آن بود که سیکل رانکین رانکین با محرک ترکیبی زمین گرمایی و خورشیدی بهبود عملکرد در بازه 22.2 تا 37.7 درصد نسبت به سیکل با محرک زمین گرمایی دارد.
قاسمی و همکاران - Ghasemi et al. 2014 - در سال 2014 عملکرد سیکل رانکین آلی با محرک زمین گرمایی به تنهایی و سیکل رانکین آلی با محرک ترکیبی زمین گرمایی و خورشیدی را با یکدیگر مقایسه کردند. نتایج عملکرد سالیانه حاکی از آن بود که سیکل محرک ترکیبی زمین گرمایی و خورشیدی بر حسب تغییر شرایط آب و هوایی بهبود کار خروجی 5.5درصد و بهبود بازده اگزرژی 3.4 درصد نسبت به سیکل با محرک زمین گرمایی را دارا است.
تمپستی و همکاران - Tempesti et al. 2013 - سیکل تولید همزمان کار و حرارت در مقیاس میکرو را با محرک همزمان انرژی زمین گرمایی و خورشیدی از منظر انرژی، اگزرژی و اقتصادی شبیهسازی کردند. در این تحقیق از سیال دما پایین زمین گرمایی به منظور پیش گرمایش سیال آلی ورودی به اواپراتور سیال آلی و از سیال خورشیدی به منظور تبخیر و فوق گرمایش سیال آلی استفاده گردید. نتایج تحلیل ترمو- اقتصادی نشان داد که در میان سیالات مورد بررسی R245fa کمترین هزینه تولید الکتریسیته و کمترین هزینه ابتدایی خریداری تجهیزات را باعث میگردد.
در بررسی عملکرد سیکلهای ترمودینامیکی استفاده از روشهایی که اصول ترمودینامیکی را با اصول اقتصادی ترکیب می-کنند روبه افزایش است. این ترکیب، اساس و پایه شاخه جدیدی به اسم اگزرژی-اقتصادی را تشکیل میدهد که هزینه متناظر با تخریب و اتلاف اگزرژی را در اجزا مختلف سیکلهای ترمودینامیکی مشخص میکند. از جمله تحقیقات انجام شده در این شاخه، - - Ahmadi & Dincer 2011 به مدل سازی ترمودینامیکی و اگزرژی- اقتصادی به همراه بهینه سازی چند هدفه، توربین گاز نیروگاه پرداختند.
توابع هدف آنها در این مطالعه شامل بازده اگزرژی چرخه و همچنین نرخ هزینه کل نیروگاه که شامل هزینه سرمایه گذاری، تخریب اگزرژی و زیست محیطی میشد. به منظور بهینه سازی از الگوریتم ژنتیک مورد استفاده قرار گرفت و همجنین به منظور صحت سنجی نتایج با نیروگاه توربین گاز شهید سلیمی واقع در ایران مقایسه گردید.
نتایج حاصل از بهینه سازی در مقایسه با داده های کارکرد مورد مطالعه نشان داد که انتخاب داده های بهینه سازی منجر به کاهش 50.50% اثرات زیست محیطی میگردد و همچنین، انتخاب مجموعه ای از پارمتراهای بهینه سازی طراحی موجب افزایش%33.56 بازده اگزرژی میگردد. همچنین دریافتند افزایش بازده آیزنتروپیک کمپرسور و افزایش دمای ورودی توربین منجر به افزایش بازده اگزرژی کل میگردد در حالی که این افزایش در ابتدا موجب کاهش نرخ هزینه کل و در ادامه موجب افزایش آن میگردد. علاوه بر این دریافتند افزایش بازده آیزنتروپیک توربین موجب بهبود هر دو تابع هدف می-گردد به این معنا که این پارامتر منجر به تضاد در بین توابع هدف نمیگردد.
الامام و دنسر - El-Emam & Dincer 2013 - یک سیکل رانکین آلی با محرک انرژی زمین گرمایی را از دیدگاه بازده انرژی و اگزرژی و اگزرژی- اقتصادی مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق ابتدا تغییر پارامترهای اساسی مانند دما و فشار ورودی توربین بر روی عملکرد سیستم مورد بررسی قرار گرفته و سپس بهینهسازی تک هدفه برای کمینه کردن نسبت مساحت مبدلهای حرارتی پوسته و صفحه بخش بر کار خروجی سیکل انجام گردید که مقادیر بازده انرژی و اگزرژی 16.37 و 48.8 درصد برای حالت بهینه در رنج دمای محرک زمین گرمایی 78.49 تا 116.2 درجه سلسیوس بدست آمد.
- - Khaljani et al. 2015 به مطالعه جامعی بر روی چرخه تولید همزمان حرارت و توان از دیدگاه ترمودینامیکی و اگزرژی - اقتصادی پرداختند. تابع هدف آنها در این تحقیق شامل بازده قانون اول و دوم و نرخ هزینه نهایی میباشد. آنها دریافتند که مقدار فاکتور اگزرژی - اقتصادی برای کل چرخه نشان میدهد که 10.59% هزینههای سیستم، مربوط به هزینههای سرمایه گذاری میباشد، که این امر بیانگر این مورد است که هزینهی تخریب اگزرژی بیشتر از هزینه-های سرمایه گذاری میباشد و به منظور بهبود عملکرد سیستم، هزینه تخریب اگزرژی را کاهش داد
همچنین به این نتیجه رسیدند که بالاترین نرخ تخریب اگزرژی در محفظه احتراق رخ میدهد و همچنین پمپ سیکل رانکین آلی کمترین مقدار تخریب اگزرژی را دارا است. بازیاب حرارتی مولد بخار و توربین گازی به ترتیب دارای بیشترین نرخ هزینه نهایی می باشند، بنابراین مهمترین اجزا از دیدگاه اگزرژی- اقتصادی محسوب میشوند، همچنین تجزیه و تحلیل پارامتری نشان میدهد افزایش نسبت فشار کمپرسور و بازده آیزنتروپیک در کمپرسور هوا عملکرد ترمودینامیکی سیستم را بهبود میبخشد با این حال نرخ هزینه نهایی سیستم با افزایش این پارمترها افزایش مییابد همچنین افزایش دمای خروجی پیش گرم کن از نظر ترمودینامیکی و اگزرژی- اقتصادی برای سیستم مفید میباشد.
