ورودی برای هر نقطه از کشور میتواند نیروگاه مورد نظر را متناسب با شرایط تحمیل شده طراحی کند.
فشار محیط
یکی از پارامترهایی که در این مدل سازی مورد توجه قرار گرفته است و بیشتر بر روی چگالی هوا تأثیرگذاراست فشار محیط میباشد که در محاسبات بر اساس مدل زیر بیان شده است.

در این رابطه H بر حسب متر و Patm بر حسب bar میباشد.
دمای محیط
یکی دیگر از پارامترهای مورد اهمیت در طراحی رسیور نیروگاه برج خورشیدی دمای هوای محیط است که بر روی تلفات جابجایی تآثیر گذار میباشد. همچنین با تعیین آن میتوان دمای آسمان را برای تلفات تشعشعی به صورت زیر بیان نمود[14] هرچند که این بیان نگاه سطحی به دمای آسمان میباشد و در برخی موارد این دما اختلاف زیادی برای دمای آسمان به وجود میآورد ولی چون این دما در محاسبات مربوط به تلفات تشعشعی به کار میرود و اختلاف بین دمای سطح با آسمان زیاد است و به توان چهار میرسد تأثیر زیادی در محاسبات ندارد و خطای قابل توجهی را به وجود نمیآورد.

میانگین دمای شهر اهواز در سالهای 1951 تا 2011 در ماههای مختلف را میتوان در [13] مشاهده نمود. این اطلاعات نشان میدهد که تلافات جابجایی در طول سال به واسطهی بالا بودن میانگین دمایی نسبت به دیگر شهرهای کشور کمتر میباشد.
شدت تابش خورشید
برای محاسبهی شدت تابش خورشید روشهای مختلفی پیشنهاد شده است. اما دقیقترین راه جهت محاسبهی شدت تابش خورشید استفاده از دادههای پایگاه سنجش تابش محلی در صورت وجود میباشد. اما در این پروژه به استفاده از مدل سادهی ریاضی بسنده میکنیم. مدل استفاده شده جهت بدست آوردن شدت تابش خورشید مدل نسبتا سادهی هاتل16 برای دو حالت هوای صاف و هوای مه آلود میباشد که به صورت زیر است[15].

I=I_0 (a_0+a_1 e^(-k 1/(cosθ_z )) )
که در آن a_0 و a_1 و k ثوابتی برای دو حالت هوای صاف و مه آلود میباشند و zθ بیانگر زاویهی رأس خورشید است که به زمان خورشیدی و عرض جغرافیایی وابسته است.

صاف هوای برای{ █(a_(0=) 0.4237-0.00821(6-A)^[email protected]〖 a〗_(1=) 0.5055+0.00595(6.5-A)^[email protected] k=0.2711+0.01858(2.5-A)^2 )┤

آلود مه هوای برای{█(a_(0=) 0.2538-0.0063(6-A)^[email protected]〖 a〗_(1=) 0.7678+0.0010(6.5-A)^[email protected] k=0.249+0.081(2.5-A)^2 )┤

A در این رابطه ارتفاع محلی بر حسب کیلومتر است. و I0 تابش فرازمینی خورشید است که به ثابت خورشیدی I_sc=1367 w〖.m〗^(-2) و روز(N) وابسته است :

I_0=I_sc [1+0.034cos(360N/365.25)⁡] (w.m^(-2))

N نشان دهندهی روز سال است و N=1 بیانگر اول ژانویه است .
مدل سازی هوای محیط
برای مشخص نمودن پارامترهای ترمودینامیکی هوا نیاز به مدل سازی هوا میباشد در این تجزیه و تحلیل ترکیبات هوا مطابق جدول2-2 در نظر گرفته شده است:
درصد ترکیبات مولی هوا [16]
درصد مولی(%)
ترکیبات هوا
75.67
N2
20.35
O2
3.03
H2O
0.0345
CO2
0.0007
CO
0.0002
SO2
0.00005
H2
0.91455
Others

خواص ترمودینامیکی و فیزیکی هوا
خواص هوا که در محاسبات مربوط به انتقال حرارت مورد استفاده قرار گرفته است متغیر با دما و به صورت زیر مدل سازی شده است.
ظرفیت گرمایی [17]
در فرمول (2-7) واحد بر حسبKj.〖Kmol〗^(-1).K^(-1) میباشد که برای تبدیل به Kj.〖Kg〗^(-1).K^(-1) باید درجرم مولی هر گاز نیز تقسیم شود.

که میتوان ضرایب a، b، C و d را برای درصد ترکیبات مختلف هوا با توجه به جدول 2-3 تعیین نمود.
ضرایب برای محاسبه ی گرمای ویژ ه ی گازهای ایده آل
ثابت گاز،kj/(k.kg)
بازهی دمایی، k
d
c
b
a
ترکیب
ماده

0.2968
273-1800
-2.873×〖10〗^(-9)
0.8081×〖10〗^(-5)
-0.1571×〖10〗^(-2)
28.90
N_2
Nitrogen
0.2598
273-1800
1.312×〖10〗^(-9)
-0.7155×〖10〗^(-5)
1.520×〖10〗^(-2)
25.48
O_2
Oxygen
0.2968
273-1800
-2.222×〖10〗^(-9)
0.5372×〖10〗^(-5)
-0.1675×〖10〗^(-2)
28.16
CO
Carbon monoxide
0.1889
273-1800
7.469×〖10〗^(-9)
-3.501×〖10〗^(-5)
5.981×〖10〗^(-2)
22.26
〖CO〗_2
Carbon dioxide
0.4615
273-1800
-3.595×〖10〗^(-9)
1.055×〖10〗^(-5)
0.1923×〖10〗^(-2)
32.24
H_2 O
Water vapor
0.2771
273-1500
-4.187×〖10〗^(-9)
0.9747×〖10〗^(-5)
-0.09395×〖10〗^(-2)
29.34
NO
Nitric oxide
0..1807
273-1500
7.87×〖10〗^(-9)
-3.52×〖10〗^(-5)
5.715×〖10〗^(-2)
22.9
NO_2
Nitrogen
Dioxide

ویسکوزیته
ویسکوزیته دارای مدلهای مختلفی است که از آن جمله میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
اختصاص دادن یک تابع بر اساس اطلاعات موجود (Curve Fit)
خطی:

چند جمله ای:

قانون سادرلند17
قانون توانی
در این کار از مدل سادرلند استفاده شده است که با فرض سیال ایده آل به کار میرود.
مدل سادرلند با دو ثابت

در این رابطه:
: وسیکوزیته بر حسب Kg/m.s
T: دما بر حسب کلوین
C1 و C2 : ثوابت این رابطهاند که برای هوا در دماهای میانگین به ترتیب و .
قانون سادرلند با سه ثابت

در این رابطه نیز دما بر حسب کلوین میباشد و S ثابت سادرلند است. برای هوا در دماهای میانگین ثوابت به شرح ذیل بیان میگردد: و T0=273.11 K و S=110.56 K .
قانون توانی
هوا را میتوان به صورت رابطهی زیر نیز مدل کرد که محدودیتی برای دما بر روی آن اعمال نشده است و برای دماهای مختلف معتبر میباشد.

در این رابطه T دمای استاتیکی بر حسب کلوین و واحد ویسکوزیته نیز kg/m.s میباشد.
هدایت حرارتی
برای ضریب هدایت حرارتی مانند ویسکوزیته برای هوا روشهای مشابهی برای مدلسازی موجود است:
اختصاص دادن یک تابع بر اساس اطلاعات موجود (Curve Fit)
خطی:

چند جمله ای:

تئو
ر
ی جنبشی18
با توجه به فرض هوا به عنوان گاز ایدهآل جرم مولکولی مخلوط گاز ایدهآل به صورت زیر محاسبه میشود:

که در رابطه بالا x درصد مولی گاز مورد نظر و M جرم مولکولی آن میباشد.
با این مقدمه میتوان با توجه به تئوری جنبشی هدایت حرارتی هوا را با رابطهی زیر تعیین نمود:

چگالی هوا
با توجه به قانون گازها با فرض ایدهآل بودن هوا که در رنج دمایی کارکرد نیروگاه برج خورشدی فرض قابل قبولی میباشد، میتوان چگالی هوا را به صورت زیر بیان نمود:

در رابطهی فوق، Tبر حسب درجه کلوین، Patm بر حسب Kpa و تابعی از ارتفاع از سطح دریا و ثابت جهانی گازها است که برابر و جرم مولکولی گاز می باشد
برای محاسبهی آنتالپی و آنتروپی هوا، مدل سازی خواص آب و بخار نیز میتوان به [18] مراجعه نمود.
مزرعهی خورشیدی
مزرعهی خورشیدی نامی است که به مجموعهای از سیستمهای بازتابندهی پرتو خورشیدی که با آرایش خاصی حول رسیور یا همان دریافت کنندهی مرکزی واقع میشوند، اتلاق میشود. به هر کدام از سیستمهای بازتابنده، هلیوستات19 گفته میشود. به طور ساده میتوان گفت هلیوستاتها آینههایی هستند که در طول روز انرژی خورشید را که از طریق پرتوهای خورشیدی به آنها میرسد به سمت رسیور منعکس میکنند. هر هلیوستات شامل یک پایه، یک سازهی نگهدارنده، سطح بازتابنده ویک سیستم دنبال کنندهی خورشید است که در طول مدت روز خورشید را دنبال کرده و هلیوستات را در موقیعتی قرار میدهد که پرتو خورشید را به سمت رسیور منعکس کند. شکل 1-2 نشان دهندهی مجموعهی یک هلیوستات است.

شکل 2-1. نمای شماتیک هلیوستات
طراحی مزرعهی خورشیدی یکی از مهمترین بخشهای طراحی یک نیروگاه خورشیدی است زیرا سهم قابل توجهی ( 40%-50%) از هزینهی ساخت نیروگاه خورشیدی را به خود اختصاص میدهد ( برای نیروگاه Gemasolar در اسپانیا هزینهی ساخت مزرعهی خورشیدی 41% کل هزینهی ساخت نیروگاه شد.) و نسبت به سایر نیروگاههای خورشیدی دارای پیچیدگیهای بیشتری است. از آنجا که یکی از بزرگترین موانع جهت به مرحلهی عمل رساندن طرح نیروگاه خورشیدی هزینهی گزاف ساخت آن است تلاش در کاهش هزینهی ساخت و اقتصادی کردن آن از اولویتهای محققان این حوزه میباشد. از اینرو در طراحی مزرعهی خورشیدی تلاش بر آن است که با چینش مناسب آیینهها بتوان با حداقل تعداد هلیوستات و با در نظر گرفتن محدودیت در مساحت زمین در نظر گرفته شده برای نیروگاه میزان شار مورد نظر برای رسیور را فراهم کرد و این به معنی افزایش راندمان مزرعهی خورشیدی و کاهش تعداد هلیوستاتها تا حد ممکن است. یکی دیگر از راههای کاهش هزینه، کاهش تعداد هلیوستاتها است برای این منظور میتوان ابعاد هلیوستاتها را افزایش داد که این امر باعث میشود سطح بازتابندهی مورد نیاز توسط تعداد کمتری از هلوستاتها تامین شود. اما از طرفی افزایش ابعاد هلیوستات باعث افزایش نیرو و گشتاور ناشی از باد وارد به سازهی هلیوستات میگردد که این امر خود مقاوم سازی سازه، پایه و ساختار هلیوستات را طلب میکند و در نتیجه باعث افزایش هزینههای ساخت هلیوستات میگردد که در فصل3 به آن پرداخته شده است.
راندمان مزرعهی خورشیدی
راندمان مزرعه ی خورشیدی را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

η_field=q_(from sun)/q_(to rec” 20″ )
مجموع کل گرمای دریافتی از خورشید) 〖(q〗_(from sun) (t) تابعی از شدت تابش خورشیدI(t) و مساحت کل سطوح بازتابندهی مزرعهی خورشیدی21A_ref میباشد.

q_(from sun) (t)=I(t)×A_ref
I(t) بیانگر شدت تابش خورشید بر حسب (〖W.m〗^(-2) ) است و به زمان و مکان جغرافیایی وابسته است. برای طراحی مزرعهی خورشیدی استفاده از پایگاه دادهی محلی برای محاسبهی دقیقتر شدت تابش خورشید توصیه میشود که البته در این پایان نامه مطابق مدل ذکر شده در فصل دوم شدت تابش محاسبه شده است.
شار گرمایی دریافتی رسیور که از بازتاب پرتوهای خورشیدی توسط مزرعهی خورشیدی حاصل میشود همواره کمتر از شار گرمایی دریافتی هلیوستات هاست. پدیدههایی که موجب این اختلاف و کاهش راندمان مزرعهی خورشیدی میشوند را به صورت راندمانهای که در گرمای دریافتی خورشید ضرب میشوند نشان میدهند:

q_(to rec)=q_(from sun) η_(B&S) η_cosine η_ref η_clean η_atten
در ادامه به معرفی و نحوهی تاثیر عوامل کاهش راندمان مزرعهی خورشیدی پرداختهایم.

بلاک و شادو

پدیدهی بلاک و شادو در واقع بیانگر تاثیر هلیوستاتهای مجاور بر یکدیگر میباشد و اثر آن هنگامی که خورشید به افق نزدیک است یعنی قبل از غروب و بعد از طلوع خورشید بیشتر است. پدیدهی بلاک به این معناست که هلیوستات یا بخشی از آن، اصطلاحاً قادر به دیدن خورشید باشد اما رسیور را نبیند یعنی هلیوستات توسط هلیوستاتی که بین آن و رسیور قرار گرفته بلاک شود. پدیدهی شادو زمانی اتفاق میافتد که اصطلاحا هلیوستات یا بخشی از آن قادر به دیدن خورشید نباشد یعنی خط مستقیم هلیوستات و خورشید توسط یکی از هلیوستاتهای مجاور قطع شده باشد.

شکل2-2. پدیدهی بلاک و شادو [15]

به دلیل تغییر موقعیت غیر تکراری خورشید در طول روز و سال و همچنین حرکت سه بعدی هلیوستاتها محاسبهی دقیق فاصلهی بین هلیوستاتها برای به حداقل رساندن اثر بلاک و شادو کار بسیار دشواری است و تا کنون الگوهای تقریبی اندکی برای این هدف ارائه شده است. یکی از الگوهای مناسب برای نیروگاههای متوسط و بزرگ (MW10) الگوی رادیال استگر میباشد که در آن هلیوستاتها با الگوی متناوب و به صورت شعاعی نسبت به مرکز که برج
در آن قرار دارد چیده میشوند. شکل 2-3 نمای شماتیک از الگوی رادیال استگر را نشان میدهد.

شکل2-3. الگوی رادیال استگر
که در آن ∆R فاصله بین دو هلیوستات متوالی در راستای شعاع و ∆A فاصلهی کمانی دو هلیوستات متوالی در یک شعاع میباشد[19]

∆R=(1.14424cotθ_L-1.0935+3.0684θ_L-1.1256θ_L^2 )HM

∆A=(1.7491+0.6396θ_L+0.02873/(θ_L-0.04902))WM 2r/(2r-HM.∆R) (1-(HM.∆R)/(2r.THT))^(-1)
در روابط بالا θ_L بیانگر زاویهی خط مستقیم بین مرکز هلیوستات و مرکز رسیور با سطح افق ،HM ارتفاع هلیوستات، WM عرض هلیوستات ، r فاصلهی پایهی هلیوستات تا پایهی برج و THT ارتفاع مرکز رسیور میباشد.

اثر کسینوسی22
اثرکسینوسی بیشترین اتلافات در مزرعهی خورشیدی را باعث میشود و مهمترین نقش را در تعیین محل نصب هلیوستاتها ایفا میکند که به مکان خورشید و هر هلیوستات وابسته است.کسینوس زاویهی بین بردار نرمال بر هلیوستات و زاویهی پرتو تابش شدهی خورشید بر هلیوستات بیان کنندهی سطح بازتاب موثر هر هلیوستات است. همانطور که در شکل 2-4 مشاهده میشود زاویهی صفر به معنی برابر بودن سطح واقعی و سطح موثر می باشد و در این حالت راندمان کسینوسی برابر یک است. هر چه این زاویه بزرگتر باشد میزان سطح موثر و راندمان کسینوسی کاهش مییابد. راندمان کسینوسی برای هر هلیوستات را میتوان از رابطهی زیر بدست آورد[12].

η_cosine=√2/2 [sin α cosλ-cos(θ_H-A) cos⁡〖α sinλ+1〗 ]^(1/2)

شکل2-4. اثر کسینوسی

که در آن α زاویهی ارتفاع خورشید23، Aزاویهی تصویر خورشید با جهت جنوب، λ زاویهی بین پرتو بازتاب شده از هلیوستات با خط عمود از مرکز هلیوستات و θ_H زاویهی هلیوستات از جهت جنوب نسبت به رسیور میباشد. شکل 2-5 این زوایا را نشان میدهد[12].

شکل2-5. شماتیکی از زاویه های مهم در طراحی هلیوستات ها [12]
راندمان بازتابش η_ref
سطوح بازتابندهی هلیوستاتها به دلیل خطا در ساخت هیچگاه ایدهآل نیستند به این معنی که تمام پرتوهای تابش شده را به سمت رسیور هدایت نمیکنند و بخشی از آن به فضای اطراف رسیور بازتاب میشود و به هدر میرود. راندمان بازتابش درصد پرتوهای بازتاب شده به سمت رسیور را نشان میدهد که در این پروژه آن را 0.93 در نظر گرفته ایم که عددی است که از نیروگاه Solar One و Solar Two گرفته شده است. پیشرفت تکنولوژی در ساخت این صفحات امروزه باعث افزایش این راندمان تا 0.95 شده است.

راندمان تمیزی سطح هلیوستات η_clean
وجود ذرات گرد و غبار بر روی سطح هلیوستات یکی دیگر از عوامل کاهش راندمان یک هلیوستات است. برای جلوگیری از این اتلافات باید طبق برنامهای منظم سطوح هلیوستاتها را تمیز کرد. η_clean در این پروژه 0.98 در نظر گرفته شده است که با این راندمان در پروژهی PS10 برابر است .

راندمان اتلافات جوی η_atten
وجود جو و ذرات معلق در هوا همواره بخشی از انرژی موجود در پرتوهای بازتاب شده از هلیوستات به سمت رسیور را تلف میکند. این پدیده اتلافات جوی نام دارد و به شرایط آب و هوایی (صاف، همراه با گردو غبار ، مهآلود و …) و فاصلهی هلیوستات با رسیور وابسته است. برای محاسبهی اتلافات جوی ا

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *