بخشی از مقاله
چکیده
به دلیل رو به پایان بودن سوخت های فسیلی، به کارگیری انرژی های نو و پاک همچون انرژی خورشیدی به منظور تولید برق برای بشر اهمیت یافته است. نیروگاه های تمرکزی خورشیدی بر اساس کالکتورهای سهموی ناودانی توسعه یافتهترین و پرکاربردترین نوع نیروگاه های خورشیدی هستند که در سراسر دنیا به کار گرفته شدهاند. سایزینگ بهینه مولفه های اصلی نیروگاه خورشیدی به منظور فعالیت پایدار آن از جمله اهداف محققین این حوزه است. مقاله حاضر به ارائه الگوریتمی جدید برای طراحی بهینه نیروگاه خورشیدی تمرکزی شامل ذخیره سازی گرما میپردازد . کمینه سازی هزینه تراز یافته انرژی - LCOE - به عنوان تابع هدف در نظر گرفته شده و مساحت میدان خورشیدی، ظرفیت بخش ذخیره سازی انرژی و ظرفیت بخش تولید توان، پارامترهای طراحی را تشکیل میدهند.
همچنین در این تحقیق بهینه سازی به کمک الگوریتم ژنتیک صورت میپذیرد . روش پیشنهادی روی تعدادی از شهرهای ایران اجرا میشود و این شهرها از نظر پتانسیل احداث نیروگاه مقایسه میشوند.نتایج بیانگر این است که به منظور احداث نیروگاهی 50 مگاواتی، شهر یزد با هزینه ترازیافته انرژی 18/12 بهترین شرایط را دارد و بعد از آن شهرهای اصفهان و شیراز با مقدار تابع هدف 19/12 و 20/59 قرار میگیرند. همچنین تحلیل و مقایسه حساسیت تابع هدف به هر یک از متغیرهای طراحی مورد بررسی قرار میگیرد. این بررسی نشان دهنده حساسیت بیشتر تابع هدف به ترتیب به تغییرات ظرفیت بخش تولید توان، مساحت میدان خورشیدی و ظرفیت ذخیره سازی است.
واژههای کلیدی: نیروگاه سهموی ناودانی، طراحی بهینه، الگوریتم ژنتیک، هزینه ترازیافته انرژی
-1مقدمه
امروزه نیاز به انرژی های پاک و ارزان و پایدار با توجه به کم شدن میزان ذخایر سوخت های فسیلی برای بشر بسیار اهمیت یافته است. همچنین تامین نیازهای انرژی بشر برای نسل های آینده به چالشی منجر شده که لزوم استفاده از انرژی های نو را دو چندان کرده است. در میان انواع گوناگون انرژی های نو، انرژی خورشیدی به دلیل میزان فراوانی آن اهمیت زیادی دارد . انرژی دریافتی خورشید توسط زمین در طول یک ساعت بیشتر از کل نیاز مصرفی بشر در طول یک سال است درحالی که اکنون میزان برق تولیدی از انرژی خورشیدی تنها میزان ناچیزی از برق مورد نیاز جهان را تامین میکند.[1]
کاربرد انرژی خورشیدی شامل کاربردهای غیرنیروگاهی و نیروگاهی میشود. از کاربردهای غیرنیروگاهی میتوان به کاربردهای تهویه مطبوع ، آب گرمکن های خورشیدی ، آب شیرین کن های خورشیدی و کوره های خورشیدی اشاره کرد. کاربرد نیروگاهی انرژی خورشیدی را عموما میتوان به دو دسته عمده فتوولتاییک و انرژی خورشیدی تمرکزی تقسیم بندی کرد . در نوع اول انرژی خورشید توسط سلولهای خورشیدی با اثر فتوولاتیک مستقیما تبدیل به برق میشوند درحالی که در نوع دوم انرژی خورشید با متدهای گوناگون دریافت شده و در سیکل تولید برق قرار میگیرد.
بارلف و همکاران، به بررسی انواع نیروگاه های خورشیدی پرداخته اند.[1]
هرمن و همکاران دلایل استفاده از سیستم ذخیره سازی ، انواع ذخیره سازی و روش های آن را بررسی کرده اند[2] و همچنین انواع ذخیره سازی توسط کابزا و همکاران و گیل و همکاران مورد تحقیق قرار گرفته است3]و. [4 انواع کالکتور های تجاری توسط فرناندز -گارسیا بررسی شده است[5] و همچنین کاشنینگ و همکاران نیز روشی را جهت تعیین اندازه بهینه مزرعه خورشیدی بر اساس تاثیر تابش نرمال مستقیم ارائه کرده اند.[6] مونتس و همکاران به بهینه سازی ضریب خورشیدی4F3 پرداخته اند[7] و همچنین در مقاله ای دیگر بهینه سازی عملکرد نیروگاه را با نگاه به ضریب خورشیدی مورد مطالعه قرار داده اند.[8]
کارنی و همکاران نیز مدل پیشنهادی خود را برای سیستم پایپینگ نیروگاه ارائه کرده اند.[9] همچنین پادیلا در رساله دکتری خود روشی ساده به منظور طراحی نیروگاه خورشیدی از دیدگاه های ترمودینامیک و انتقال حرارت و معادلات مربوطه را بیان میکند[10] و مونتس نیز در رساله دکتری خود نیز به بررسی ترمودینامیکی و انتقال حرارتی نیروگاه تولید مستقیم بخار مبتنی بر نیروگاه خورشیدی میپردازد.[11]تیمیلسینا راهکارها و موانع اقتصادی در توسعه نیروگاه های سهموی ناودانی را ارائه کرده و عوامل مشوق جهت سرمایه گذاری در نیروگاه های خورشیدی را نیز بررسی کرده است[12] و آژانس بین المللی انرژی های نو هزینه های عملکردی و سرمایه گذاری نیروگاه خورشیدی را ارائه کرده است.[13]هدف از مقاله حاضر پیشنهاد یک الگوریتم طراحی بهینه نیروگاه خورشیدی تمرکزی با متغیرهای طراحی متشکل از میدان کالکتور، ظرفیت بخش ذخیره ساز و ظرفیت بخش تولید توان است. همچنین الگوریتم پیشنهادی روی شهرهای مختلف ایران اعمال شده و در نهایت بررسی و تحلیل نتایج صورت گرفته است.
-2 اجزای نیروگاه خورشیدی تمرکزی
هر نیروگاه انرژی خورشیدی متمرکز از سه قسمت اصلی تشکیل میشود. این سه قسمت میدان خورشیدی5F4، واحد ذخیره انرژی گرمایی65F و بخش تولید توان7F6 هستند. نمای شماتیک یک نیروگاه خورشیدی تمرکزی سهموی ناودانی در شکل 1 نشان داده شده است.نیروگاه های تمرکزی خورشیدی از نوع سهموی ناودانی از میدان کالکتوری تشکیل میگردد که شامل تک کالکتورهای به هم پیوسته میباشد. روی خط کانونی هر واحد از کالکتورها گیرنده را عبور میدهند که سیال جاذب گرما در آن جریان دارد. در این تحقیق کالکتورهای مورد استفاده، کالکتورهای تجاری LS-2 و LS-3 است.
جبران شرایط ناپایدار آب و هوایی همچون ابری شدن هوا، تامین انرژی لازم برای تولید برق در ساعات پیک مصرف که تعرفه برق بالاتر است و تقاضا نیز بیشتر است و تامین انرژی لازم برای فعالیت نیروگاه در شب لزوم استفاده از واحد ذخیره سازی انرژی گرمایی را روشن می سازد. روش ذخیره سازی استفاده شده در این تحقیق سیستم ذخیره سازی دو تانکه غیر مستقیم است.سیال جاذب گرما - روغن - با سیال عامل - آب - وارد یک مبدل حرارتی - بویلر - میشوند، گرمای روغن باعث گرم شدن آب و در نتیجه تبدیل شدن آب به بخار سوپرهیت میشود . بخار سوپرهیت به تیغههای توربین برخورد میکند و باعث چرخش آنها میگردد که نتیجه تولید برق است که وارد خطوط برق8F7 میگردد.
-3تعریف مسئله
-1-3 متغیرهای طراحی
سه متغیر طراحی مهم و اساسی به منظور بهینه سازی طراحی نیروگاه خورشیدی تمرکزی، مساحت کل کالکتورها - ASF - ، مقدار ظرفیت گرمایی ذخیره سازی - - CTES و مقدار توان نامی بلوک قدرت - - C BOP هستند.
-2-3 تابع هدف
به منظور پایین بردن هزینه های نگهداری و نصب باید بین بزرگی یک میدان خورشیدی و امکان تولید بالای برق تعادلی برقرار باشد. بدین منظور از تابع هدفی به نام LCOE یا هزینه تراز شده انرژی استفاده میشود. مفهوم بهینه سازی میدان خورشیدی در حضور سیستم ذخیره سازی در کمینه بودن مقدار LCOE است.LCOE حاصل تقسیم هزینه های سالیانه به توان تولیدی سالیانه است. مقدار LCOE به صرفه بودن احداث نیروگاه را بررسی میکند. رابطه - 1 - بیانگر نوع ساده شده LCOE است.
