تحقیق آنالیز ترمودینامیکی سیکل ترکیبی- تلفیقی نیروگاه خورشیدی یزد

چکیده

توان نیروگاه های سیکل ترکیبی در تابستان به شدت افت می کند، در حالی که در این فصل، روز طولانی تر و شدت تابش خورشید بیشتر است . از همین رو ، در شرایط آب و هوای گرمسیری استفاده از سیکل ترکیبی-تلفیقی خورشیدی، انتخاب مناسبی جهت دستیابی به راندمان بالا و افزایش توان نیروگاه می باشد.

تلفیق انرژی حرارتی خورشیدی با سیکل ترکیبی در نیروگاه یزد که آب و هوای گرمسیری و خشک دارد در مقاله حاضر بررسی شده است. توان نامی سیکل ترکیبی – تلفیقی یزد برابر 474 مگاوات، شامل دو توربین گاز 157 مگاواتی می باشد. دو توربین گاز به کمک دو بویلر بازیاب و مزرعه خورشیدی، بخار مورد نیاز توربین بخار 160 مگاواتی را تأمین می نمایند. مزرعه خورشیدی، متشکل از کلکتورهای سهموی خطی ، به کمک مبدل های حرارتی بخشی از بخار را تأمین می نماید. بخار تولید شده در بخش خورشیدی با بخار فشار بالای بویلر بازیاب تلفیق شده و در بویلر بازیاب سوپرهیت می گردد. با اضافه شدن بخش خورشیدی به سیکل بخار، توان الکتریکی شرایط طراحی 17 مگاوات افزایش می یابد.

سیکل نیروگاه ترکیبی -تلفیقی یزد به منظور آنالیز تاثیر شرایط فصلی شامل تغییرات دما و شدت تابش، بر پارامترهای ترمودینامیکی نیروگاه با نرم افزار Thermoflow شبیه سازی شده است. به علاوه، راندمان نیروگاه یزد در دو حالت وجود بخش خورشیدی و حذف آن از سیکل بخار، بررسی شده است. نتایج، افزایش 15 مگاواتی توان تولیدی نیروگاه در شرایط تابستانی را نشان می دهد.

مقدمه

انرژی خورشیدی یکی از منابع انرژی می باشد که در سال های اخیر بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. هر چند در حال حاضر، هزینه ی تولید برق در نیروگاه های حرارتی خورشیدی 2 تا 4 برابر نیروگاه های حرارتی با سوخت فسیلی رایج است. ولی با توجه پتانسیلی که نیروگاه های حرارتی خورشیدی دارند و با توجه به پیشرفت تکنولوژی در این زمینه، هزینه های تولید برق در این نیروگاه ها تا سال 2020 در حدود 60 % کاهش خواهد یافت ایران با صحراهای وسیع در کمربند خورشیدی واقع شده است و از جمله کشورهایی است که با شدت تابش خورشیدی بالا و داشتن سالانه بیش از 300 روز آفتابی در مناطق جنوبی، موقعیت مناسبی جهت احداث نیروگاه های  حرارتی خورشیدی دارد [ 3 ]. انرژی خورشیدی اگزرژی بسیار بالایی دارد، زیرا از سطح خورشید که معادل جسم سیاهی با دمای 5777 k است، سرچشمه می گیرد. با توجه به چنین اگزرژی، به صورت تئوری می توان از سیکل های ترمودینامیکی حدود 93 % از انرژی خورشیدی را به کار مکانیکی تبدیل کرد. بر اساس علم ترمودینامیک و معادله ی پلانک، تبدیل انرژی خورشیدی به کار مکانیکی یا انرژی آزاد گیبس، با بازدهی سیکل کارنو محدود می شود و در نتیجه برای حصول بیشترین ضریب تبدیل، انرژی باید به سیالی (یا واکنش دهنده ای) با دمای نزدیک به دمای خورشید منتقل شود.

با وجود این که خورشید منبع حرارتی دما بالا و سرچشمه ی انرژی با شدت 63 MW/m است، جو زمین سبب رقیق شدگی بسیار زیاد شار انرژی و دمای اشع ه ها خورشید می شود تا جایی که شدت اشعه های خورشید در زمین کمی بالاتر از  kW/m2 1  محدود می شود. در نتیجه، دمای پایینی، برای سیال سیکل ترمودینامیک فراهم خواهد شد و این دلیل استفاده از متمرکز کننده ها برای ایجاد شار های حرارتی بالاتر انرژی خورشیدی با افت حرارتی کم است. هر ساله خورشید میلیاردها مگا وات ساعت انرژی به زمین گسیل می کند، که معادل 60،000 برابر برق مورد نیاز جهان است. به همین دلیل انرژی خورشیدی در مقابل دیگر انرژی های تجدید پذیر بیشترین پتانسیل را داراست. تخمین زده می شود که تنها در جنوب اروپا، پتانسیل تولید TWh 2000 برق به کمک نیرو گاه حرارتی خورشیدی و در شمال آفریقا فراتر از هر عدد قابل بیان وجود دارد.

شکل 1 - دیاگرام شماتیک سیکل ترکیبی-تلفیقی نیروگاه خورشیدی یزد

طرح بهینه نیروگاه خورشیدی به گونه ای است که سطوح متمرکز کننده کارا (آینه هایی با ضریب انعکاس و تمرکز بالا ( باشد که تابش دریافتی را به خوبی بر روی دریافت کننده متمرکز کند و از سطح دریافت کننده کوچکی برخوردار باشد.

دریافت کننده، مبدل حرارتی تابشی-همرفتی است که ضریب  جذب بالا و ضریب انعکاس کوچک دارد و تا آن جایی که ممکن است شبیه جسم سیاه عمل می کند. به علاوه دریافت کننده ی ایده آل باید اتلافات حرارتی هدایتی و همرفتی کمی داشته باشد. در نیروگاه های حرارتی خورشیدی، انرژی خورشیدی به سیال عامل منتقل می شود و سیال را به دمایی  بالا می رساند، تا بتواند سیکل حرارتی را به کار بیندازد .

المان های نیروگاه حرارتی خورشیدی م ی توانند آینه های سهموی خطی، منعکس کننده های خطی فرنل، سیستم دریافت کننده ی مرکزی یا بشقاب های سهموی باشند . این المان ها  معمولاً برای شدت تابش عمودی 800-900 W/m2  طراحی می شوند. تابش عمودی دریافتی، بسته به مکان جغرافیایی بین 1600 تا kWh/m2a تغییر می یابد و با چنین شدت تابشی المان های حرارتی سالیانه 2000 تا 3500 ساعت تحت بار کامل کار می کنند.

نیروگاه های خورشیدی در مقابل نیروگاه های با سوخت فسیلی، تولید CO2 ندارند و با محیط زیست کاملاً سازگارند و انرژی سبز محسوب می شوند. هر مگاوات انرژی که توسط این نیروگاهها تولید می شود، در مقایسه با سیکل ترکیبی از تولید 688 تن و در مقایسه با سیکل بخار با سوخت زغال سنگ از تولید 1360 تن دی اکسید کربن جلوگیری می کند و به علاوه بیشتر مواد مصرف شده در ساخت این نیروگاهها قابل بازیابی هستند طور کلی، چهار گونه متمرکز کننده ی خورشیدی در مقیاس آزمایشگاهی و صنعتی وجود دارد : کلکتورهای سهموی خطی 2، سیستم منعکس کننده ی خطی فرنل 3، برج نیرو 4 یا سیستم دریافت کننده ی مرکزی 5 و سیستم دیش/موتوری 6. تمام نیروگاه های پایلوت که در شرایط واقعی کار می کنند، از هندسه ی سهموی با آینه های بزرگ بهره می برند. کلکتورهای سهموی و فرنل متمرکز کننده های دو بعدی هستند، که اشعه های دریافتی خورشید بر روی خط کانونی متمرکز می شوند و آینه ها، خورشید را در یک محور ردیابی می کنند. این نوع سیستم ها قادرند اشعه های خورشید را 20 تا 80 برابر متمرکز کنند و سیال جاذب حرارت را در شرایط حاضر تا حدود دمای   oC 400 برسانند؛ و قادرند واحد تبدیل قدرتی در حدود 200 تا 300MW  را به کار اندازند بنابراین، این دو نوع سیستم نماینده های بسیار مناسبی برای تولید قدرت با سیکل بخار رانکین هستند. برج های مرکزی به لحاظ اپتیکی کمی پیچیده تر است، زیرا دریافت کننده در بالای برجی واقع شده است و اشعه های خورشید به وسیله ی آینه هایی با آرایش سهموی بر روی دریافت کننده متمرکز می گردد، که این مجموع ه ی آینه ها، مزرعه ی هلیوستات خوانده می شوند. با این سه نوع متمرکز کننده، سیال های مختلفی از جمله: بخار اشباع، بخار سوپرهیت، نمک مذاب، هوای در فشار اتمسفر، هوای فشار بالا و روغن را می توان به کار برد.

تشریح سیکل ترمودینامیکی

نیروگاه حرارتی تلفیقی خورشیدی -ترکیبی یزد در 35 کیلومتری شمال غربی شهر یزد با مختصات جغرافیایی 54°02' E ;  31°56'N واقع شده است. ارتفاع سایت نیروگاه از سطح دریا حدود 1230 m  است. شماتیک سیکل ترمودینامیکی این نیروگاه در نشان داده شده است. این نیروگاه دارای دو توربین گاز با ظرفیت نامی 157 MW از نوع V94.2 و یک توربین بخار با ظرفیت نامی 160 MW Siemence-E Series است توربین بخار شامل دو قسمت فشار بالا و فشار پایین است که خصوصیات طراحی سیکل آب/بخار در جدول 1 ارائه شده است.

جدول 1 - مشخصات طراحی سیکل آب/بخار نیروگاه یزد

هر یک از بویلر بازیاب نیروگاه یزد جهت افزایش توان سیکل بخار به مشعل های کمکی مجهز شده است، که خصوصیات این مشعل ها در جدول 2 ارائه شده است. بر طبق این جدول بیشترین مقدار توان حرارتی مشع لها از 72.1 MW و یا بیشترین دبی سوخت از 0.7  kg/s نباید تجاوز نماید.

جدول 2 - شرایط طراحی مشعل کمکی بویلر بازیاب

مزرعه ی خورشیدی از متمرکز کننده های سهموی خطی ساخته خواهد شد که در راستای شمالی-جنوبی واقع  می شوند و خورشید را در راستای شرقی-غربی دنبال خواهند کرد. مزرعه ی خورشیدی از طریق دو دسته مبدل حرارتی، انرژی حرارتی خود را با آب/بخار سیکل توربین بخار مبادله می نماید. هر دسته از مبدل ها شامل یک پیش گرمکن و یک اواپراتور است و هر دسته مبدل به یکی از بویلرهای بازیاب متصل می شود. هم اواپراتور و هم پیش گ رمکن خورشیدی، مبدل های پوسته-لوله هستند که آب از سمت پوسته و روغن از سمت لوله ها جریان دارد و مشخصات هر کدام از جریان ها در جدول 3 آمده است. بخار مزرعه ی خورشیدی در شرایط طراحی، توان تولید 17MWe  (برابر 48MWth) را دارد