بخشی از مقاله
چکیده
دو مشکل اساسی بحران آب و بحران انرژی روز به روز زندگی انسانها را تهدید میکنند. در گذشته با استفاده از سوختهای فسیلی و منابع آبهای سطحی این دو بحران را حل نموده ولی امروزه با کاهش منابع آبهای سطحی و نیاز به استفاده از آبهایی با قابلیت استحصال مشکل و کیفیت نامناسب که خود نیاز به استفاده از یک منبع انرژی دارند، انسانها را به سمت جایگزینی انرژیهای تجدیدپذیر بمنظور استفاده در شیرینسازی آب سوق میدهند. در این مقاله از کلکتورهای بشقابکی خورشیدی به منظور تأمین حرارت یک نیروگاه بخار با توان تولیدی خالص1063 MW استفاده شده است. به منظور جلوگیری از اتلاف حرارتی در کندانسور نیروگاه بخار، بخش اعظمی از حرارت دفع شده به سیستم آب شیرین حرارتی چند مرحلهای داده میشود. این سیستم آب شیرین کن با جذب 2571 MW حرارت اتلافی از نیروگاه بخار، به میزان 8321 kg/s آب شیرین تولید میکند.
این ساختار یکپارچه به ترتیب دارای بازده الکتریکی کل به میزان %28.84 و بازده گرمایی کل به میزان %97.18 میباشند. از آنالیز اگزرژی بمنظور بررسی قانون دوم ترمودینامیک و کیفیت ساختار یکپارچه استفاده شده است. بازده اگزرژی کل ساختار یکپارچه %52.23 میباشد، همچنین بیشترین میزان سهم تخریب اگزرژی تجهیزات به ترتیب مربوط به مبدل های حرارتی به میزان %46.83 و کلکتورها به میزان %40.93 میباشد. جهت شبیهسازی ساختار یکپارچه با توجه به اطلاعات ورودی آب و هوایی موقعیت مورد مطالعه شهر بندرعباس، از محیطهای شبیهساز هایسیس، ترنسیس و نرمافزار مطلب استفاده شده است. در ادامه با آنالیز حساسیت شاخصهای مهم ساختار یکپارچه، راهکارهای مناسب جهت بهبود مدلسازی و تعیین مقدار پارامترها تصمیمگیریهای لازم انجام میشود.
واژگان کلیدی: کلکتورهای خورشیدی، نیروگاه بخار تولید توان، آب شیرین حرارتی چند مرحلهای، آنالیز اگزرژی، آنالیز حساسیت
.1 پیشینه تحقیق
آب یکی از مهمترین نیازهای حیاتی بشر است. با وجود اینکه سه چهارم سطح زمین را آب پوشانده است، اما تنها %3 از آبهای روزی زمین شیرین و مابقی را آبهای شور دریا و اقیانوسها تشکیل میدهند. از این %3 نیز %77 به صورت یخهای قطبی، %22 به صورت آبهای زیر زمینی و تنها %1 آن رودخانهها و دریاچهها میباشد. از میان روشهای مختلف تولید آب شیرین، سیستمهای آب شیرینکن با روشهای منتهی به تبخیر و چگالش آب رایجتر و پرکاربردتر است .[1] آریانفر و همکاران به تحلیل انرژی، اگزرژی، اقتصادی و زیست محیطی یک چرخه رانکین آلی خورشیدی جهت تولید همزمان توان و حرارت پرداختند. در این مطالعه، جهت تأمین انرژی اولیه از انرژی خورشیدی و گاز طبیعی استفاده شده است .[2] قربانی و همکارانش یک ساختار یکپارچه هیبرید کلکتورهای صفحه تخت جهت تأمین انرژی حرارتی مورد نیاز، سیکل کالینا جهت تولید توان و آب شیرین کن چندمرحلهای جهت تولید آب شیرین را توسعه دادند.
این ساختار یکپارچه قابلیت تولید همزمان توان به میزان 1869 kW، تأمین گرمایش به میزان 65194 kW و تولید آب شیرین به میزانkg/s 83.22 برای مجتمعهای مسکونی را دارد. نتایج نشان میدهد که ساختار یکپارچه توسعه داده شده دارای بازده حرارتی کلی به میزان 44.64% و بازده اگزرژی کلی %90.04 میباشد .[3] شکیب و همکارانش یک آبشیرینکن چند مرحلهای کوپل با واحد سیکل ترکیبی شامل بویلر بازیاب حرارت را توسعه دادند. بعد از شبیهسازی و آنالیز اقتصادی واحد آبشیرینکن، بویلر بازیاب حرارت و چرخه بخار، تأثیر پارامترهای عملکردی سیستم نظیر سطوح فشار عملکردی، دمای گاز ورودی به بویلر بازیاب، دماهای پینچ برای سطوح فشار و غیره بر روی بازده اگزرژی کل، نرخ تولید قدرت و آب شیرین بررسی شدهاند. به عنوان یکی از نتایج، توان توربین بخار با افزایش فشار عملکردی سطح فشار قوی، تا یک مقدار ماکزیمم افزایش، و بعد از آن کاهش مییابد.
در ادامه با استفاده از الگوریتم ژنتیک تک هدفه و دو هدفه به بهینهسازی انرژی و اقتصادی ساختار یکپارچه پرداخته اند 4]، .[5 مهرپویا و همکارانش یک ساختار یکپارچه تولید همزمان پیل سوختی اکسید جامد، چیلر جذبی LiBr-H2O و سیکل تولید توان رانکین توسعه دادند. در ساختار یکپارچه به ترتیب بازده الکتریکی کل به میزان %48.73 و بازده حرارتی کل به میزان %79.49 میباشد. به منظور تأمین حرارت ساختار یکپارچه از 50 کلکتور سولار دیش هر کدام با مساحت 12.56 m2 و بویلر کمکی استفاده شده است. نسبت انرژی خورشیدی به کار گرفته جهت تأمین حرارت تأمین کننده کل ساختار یکپارچه برابر %24.2 میباشد .[6] اشوری و همکارانش یک سیکل کالینا با منبع گرمایی کلکتورهای خورشیدی بشقابکی توسعه دادند. از یک تانک ذخیره حرارتی جهت ذخیرهسازی انرژی استفاده استفاده میشود. نسبت انرژی خورشیدی به کار گرفته جهت تأمین حرارت تأمین کننده کل ساختار یکپارچه در این مقاله برابر %69 میباشد.
در ساختار یکپارچه به ترتیب بازده اگزرژی الکتریکی کل به میزان %5.24 و بازده اگزرژی حرارتی کل به میزان %62 میباشد .[7] محمدی و همکارانش [8] از کلکتورهای بشقابکی حرارتی به منظور پیشگرمایش هوای ورودی به محفظه احتراق و تولید توان در میکروتوربینها استفاده نمودند. این سیستم یکپارچه توانایی تولید توان 228 kWh داشته و به میزان 152 kWh توان مصرف میکند. این ساختار یکپارچه به ترتیب بازده حرارتی کل به میزان %76.47 و بازده اگزرژی کل به میزان %53.36 میباشد. بازده اگزرژی کل این سیستم یکپارچه نسبت به مقاله ژاوو و وانگ [9] با بازده اگزرژی به میزان %46 و نسبت به مقاله ژاوو و دای [10] به میزان %48.47 بیشتر میباشد. احمدی و همکارانش از کلکتورهای خورشیدی به منظور تأمین حرارت نیروگاه بخار اصفهان در ایران استفاده نمودند.
به منظور پیشگرمایش آب ورودی به بویلر بازیاب از 7 سناریو متفاوت استفاده شده است، که در سناریو جایگزینی کلکتور خورشیدی به جای تمام بویلرهای سطح فشار بالا به ترتیب بازده انرژی به میزان %45 و بازده اگزرژی به میزان %43.91 افزایش مییابد .[11] آشوری و همکارانش از کلکتورهای خورشیدی، بویلر کمکی و تانک ذخیره حرارت به منظور تأمین حرارت سیکل رانکین استفاده نمودند. از آنالیز انرژی، اگزرژی و اگزرژواکونومیک جهت تحلیل این ساختار یکپارچه استفاده شده است. این ساختار یکپارچه با بازده الکتریکی %22.7 توانایی تولید 2.66 میلیون دلار تولید در سال را دارد .[12] ملکی و همکارانش یک ساختار تولید همزمان آب شیرین و توان با استفاده از سیستم فوتولتایک، توربین بادی، پیل سوختی و آب شیرینکن توسعه دادند. آنها با استفاده از روش آنالیز اقتصادی و بهینهسازی سیستم به اصلاح ساختار یکپارچه پرداختند.
جهت تأمین تولیدهیدروژن در این ساختار یکپارچه از الکترولایزر و جهت تولید آب شیرین از آب شیرینکن RO استقاده نمودند .[13] خوشگفتارمنش و همکارانش به آنالیز ترمواکونومیک چندهدفه یک نیروگاه بخار تولید توان با آب شیرینکن MSF پرداخته اند. جهت تأمین حرارت این نیروگاه 3000 MW از سوخت اتمی استفاده شده است. از آنالیز پینچ و اگزرژی جهت اصلاح شبکه مبدل استفاده نمودند .[14] پنگ و همکارانش دو ساختار یکپارچه نیروگاه بخار تولید توان با سوخت تأمین کننده حرارت ورودی خورشیدی- زغالسوز را توسعه دادند، آنالیز اگزرژی دو ساختار یکپارچه نشان میدهد که به ترتیب سهم تخریب اگزرژی کلکتورهای خورشیدی نسبت به سایز تجهیزات به میزان 62.81% و %64.84 میباشد .[15]
بلمبرگ و همکارانش به آنالیز اگزرژواکونومیک دو سیکل بخار تولید توان F-Class با بازده الکتریکی 58.7% و H-Class با بازده الکتریکی %60 پرداختند.آنالیز اگزرژی این دو ساختار یکپارچه نشان میدهد که به ترتیب بازده اگزرژی سیکل بخار تولید توان F-Class به میزان %56 و برای سیکل بخار تولید توان H-Class به میزان %58.3 میباشد .[16] انصاری و همکارانش یک ساختار یکپارچه نیروگاه بخار تولید توان با آب شیرین کن MED توسعه دادند. سوخت ورودی تأمینکننده حرارت بویلر این نیروگاه تولید توان 1000 MW از نوع اتمی میباشد. این ساختار یکپارچه قابلیت تولید آب شیرین به میزان 24000 ton/day را دارد، همچنین برای این آب شیرین کن 7 مرحلهای میزان GOR برابر 8.81 میباشد .[17]
مراتی و همکارانش چند ساختار یکپارچه تولید توان و حرارت از گازیسازی نفت سنگینٌ برای استفاده در پیل سوختی و آب شیرینکن ارائه دادند. از آنالیز حساسیت، آنالیز اگزرژی و آنالیز اقتصادی برای ارزیابی این ساختار یکپارچه توسعه داده شده استفاده نمودند 18]، .[19 در این مقاله یک ساختار یکپارچه سیکل تولید توان با حرارت تأمینکننده ورودی کلکتورهای بشقابکی خورشیدی توسعه داده شده است. بخشی اعظمی از حرارت دفع شده در کندانسور که باید در دمای بالا خنک گردد و مشکلات محیط زیستی فراوانی را بدنبال دارد، جهت شیرینسازی آب دریا با روش آب شیرینکن حرارتی چند مرحلهای استفاده میشود.
.2 توضیح فرآیند
شکل 1 دیاگرام بلوکی ساختار یکپارچه تولید توان و حرارت از یک نیروگاه خورشیدی را نمایش میدهد. جهت شبیهسازی سیستم کلکتورهای بشقابکی خورشیدی از زبان برنامه نویسی مطلب و نرم افزار ترنسیس و جهت شبیهسازی سیستم نیروگاه بخار - آب شیرینکن از شبیهساز هایسیس و زبان برنامه نویسی مطلب استفاده شده است. اطلاعات آب و هوایی مورد نظر در این مقاله مربوط به شهر بندرعباس در کشور ایران بوده که توسط نرم افزار ترنسیس استخراج میگردد.
