ز رابطهی زیر استفاده شده است [12]:

η_atten=0.99321-0.0001176×S_0+1.97×〖10〗^(-8)×S_0^2 (S_0≤1000m)

η_atten=e^(-0.0001106×S_0 ) (S_01000m)
که در آن S_0 فاصلهی مستقیم مرکز هلیوستات تا مرکز رسیور است.
طراحی مزرعهی خورشیدی
طراحی مزرعهی خورشیدی به معنی مشخص کردن مختصات هر کدام از هلیوستات ها است، بطوری که در مجموع مزرعهی خورشیدی بالاترین راندمان ممکن را داشته باشد. بدین منظور ابتدا هلیوستاتها با آرایش شعاعی متناوب در اطراف برج مرکزی قرار داده شده سپس برای هر هلیوستات راندمان کسینوسی، راندمان B&S ، راندمان اتلافات جوی راندمان تمیزی سطح و رانومان بازتابش محاسبه شد. سپس با یک الگوریتم مقایسهای هلیوستات ها با یکدیگر مقایسه شدند و هلیوستاتهای با بالاترین راندمان جهت تامین مقدار شار مورد نظر انتخاب شدند. کد نوشته شده برای این پروژه از توانایی طراحی مزرعهی خورشیدی برای نیروگاههای کوچک و آزمایشی ( از 10 مگاوات حرارتی تا 40 مگاوات حرارتی )، متوسط ( از 40 تا 250 مگاوات حرارتی ) و نیروگاه های بزرگ (تا بیش از 500 مگاوات حرارتی ) بر خوردار است.
در هنگام طراحی مزرعهی خورشیدی دو رویکرد پیش روی طراح قرار دارد:

طراحی بر اساس بیشترین راندمان سالیانه
طراحی بر اساس بیشترین راندمان سالیانه به این شکل انجام میشود که راندمان مزرعهی خورشیدی مطابق [20] برای یک سال محاسبه میشود و این راندمان در الگوریتم مقایسه ای قرار می گیرد و هلیوستاتهایی که بیشترین راندمان در سال را دارند انتخاب میشوند.

طراحی بر اساس بیشترین راندمان در تابستان
در این طراحی اساس، راندمان هلیوستاتها در روز 1 تیر ماه که دارای بیشترین حضور خورشید در روز است، میباشد به این ترتیب که راندمان هلیوستاتها در این روز محاسبه میشود و در الگوریتم مقایسه ای قرار میگیرد و هلیوستاتهایی که بیشترین راندمان را دارند بکار میگیرد.
اکنون سوال اینجاست که از کدام روش طراحی باید استفاده شود؟ قطعا در طول سال آرایش تعیین شده بر اساس بیشترین راندمان سالانه بازده بیشتری دارد اما این موضوع به تنهایی تعیین کنندهی نوع آرایش نیست بلکه عوامل و محدودیتهای دیگری نیز در این زمینه ایفای نقش میکنند که در ادامه به بررسی آنها میپردازیم.
نیروگاههای سایز کوچک (<10 MWel)
برای نیروگاههای سایز کوچک طراحی بر اساس بیشترین راندمان سالیانه پیشنهاد میشود. شکل 2-6 مزرعهی خورشیدی طراحی شده توسط نرم افزار MATLAB برای 48 مگاوات حرارتی و بر اساس بیشترین راندمان سالیانه را نشان میدهد. همانطور که در شکل مشخص است اکثر هلیوستاتها در یک طرف رسیور یعنی در ناحیهی شمالی قرار گرفتهاند و تعدادی اندکی از هلیوستات ها در ناحیهی جنوبی برج قرار گرفته اند. این آرایش جهت استفاده از رسیور حفرهای که در بخش دریافت کنندهی مرکزی توضیح داده شده است، مناسب است. رسیورهای حفرهای به واسطهی ساختارشان تلفات تشعشعی و جابجایی کمتری نسبت به رسیورهای اکسترنال دارند، اما از طرفی رسیور های حفرهای دید محدودی نسبت به مزرعهی خورشیدی دارند، به عبارت دیگر برای استفاده از رسیور حفره ای محدودیتی برای چینش آینهها در مزرعه ی خورشیدی وجود خواهد داشت. همچنین این مزرعهی خورشیدی برای استفاده از رسیور اکسترنال مطلوب نیست چرا که پنلهای جنوبی این نوع رسیور شار قابل توجهی دریافت نخواهند کرد و بازدهی پنل های جنوبی عملا بسیار پایین خواهد بود. اما هلیوستاتهای جنوبی در صورت استفاده از رسیور حفره ای هم عملاً قادر به بازتاب پرتو خورشید به طرف آن نیستند، از این رو در نیروگاههای با سایز کوچک هلیوستاتهای ناحیهی جنوبی را حذف کرده و در ناحیهی شمالی قرار میدهند و به این ترتیب استفاده از رسیور حفرهای میسر میشود هر چند که بر اساس راندمان سالیانه این آرایش دیگر ماکزیمم راندمان ممکن را ندارد. شکل2-7 نشان دهنده طرح یک مزرعهی خورشیدی اصلاح شده جهت استفاده از رسیور حفرهای طراحی شده بر اساس بیشترین راندمان سالیانه را نشان میدهد.

شکل 2-6. طرح مزرعه ی خورشیدی برای نیروگاه 48 مگاوات حرارتی طراحی شده توسط نرم افزار MATLAB بر اساس بیشترین راندمان سالیانه.

شکل 2-7. طرح مزرعه ی خورشیدی اصلاح شده برای نیروگاه 48 مگاوات حرارتی طراحی شده توسط نرم افزار MATLAB بر اساس بیشترین راندمان سالیانه.
نیروگاه های سایز متوسط و بزرگ ( >10MWel )
برای نیروگاههای سایز متوسط و بزرگ مانند مزرعهی طراحی شده در این پروژه، طراحی بر اساس بیشترین راندمان در تابستان استفاده شده است. اگرچه طراحی بر این اساس، راندمان سالیانه را نسبت به طراحی بر اساس بیشترین راندمان سالیانه کاهش میدهد اما محدودیتهایی ما را مجبور به استفاده از این نوع طراحی میکنند. از طرفی مزیتهایی نیز برای طراحی بر اساس بیشترین راندمان در تابستان وجود دارد. در ادامه به دلایل استفاده از طراحی بر اساس بیشترین راندمان در تابستان و برتری و ضعفهای آن نسبت به طراحی با بیشترین راندمان سالیانه میپردازیم:
در ابتدا این نکته قابل ذکر است که برای نیروگاه های متوسط و بزرگ به واسطهی آرایش مزرعهی خورشیدی از رسیور اکسترنال استفاده میشود. عوامل اصلی که باعث استفاده از روش طراحی نیروگاه بر اساس بیشترین راندمان در تابستان شد عبارتند از: محدودیت در تحمل شار توسط پنلهای رسیور و افزایش میزان مصرف انرژی درماههای تابستان نسبت به سایر ماهها در خوزستان. از دیگر فواید طراحی بر اساس بیشترین راندمان در تابس
ت
ان نسبت به راندمان سالیانه، کمتر شدن مساحت زمین مورد نیاز برای مزرعهی خورشیدی و کاهش هزینه در این بخش است.
طبق [8] ماکزیمم شار قابل تحمل توسط رسیور اکسترنال به همراه نمک مذاب 1MW.m^(-2) محاسبه شده است. مطابق شکل2-8 برای یک نیروگاه با 180MWth در طراحی با بیشترین راندمان سالیانه اکثر هلیوستاتها در ناحیهی شمالی واقع میشوند این امر باعث رسیدن شار در پنلهای شمالی به میزان آستانهی تحمل پنل و حتی بیشتر، و در نتیجه آسیب رسیدن به رسیور میشود از طرفی پنلهای ناحیهی جنوبی همچنان شار بسیار کمتری دریافت میکنند. اما با توجه به شکل2-9 میبینیم که این مشکل در طراحی جدید (طراحی بر اساس بیشترین راندمان در تابستان ) برطرف شده و مزرعهی خورشیدی حالت متقارن تری نسبت به قبل اتخاذ کرده است. در این حالت شار در پنلهای شمالی کمتر و در پنلهای جنوبی بیشتر شده است.

شکل 2-8. طرح مزرعه ی خورشیدی برای نیروگاه 180 مگاوات حرارتی در پیک، طراحی شده توسط نرم افزار MATLAB بر اساس بیشترین راندمان سالیانه.

شکل 2-9. طرح مزرعهی خورشیدی برای نیروگاه 180 مگاوات حرارتی در پیک، طراحی شده توسط نرم افزار MATLAB بر اساس بیشترین راندمان در تابستان.
تفسیر چینش هلیوستاتها
با توجه به مختصات زمین نسبت به خورشید و هندسهی حرکت نسبی خورشید نسبت به زمین، در نیمکرهی شمالی همیشه خورشید در نیمصفحهی جنوبی نسبت به برج و رسیور در آسمان دیده میشود و این امر باعث افزایش راندمان کسینوسی هلیوستاتهای ناحیهی شمالی مزرعهی خورشیدی نسبت به ناحیهی جنوبی میشود، به همین دلیل است که هلیوستاتهای بیشتری در ناحیهی شمالی نصب میشوند. مطابق شکل 2-7 برای نیروگاههایی با سایز کوچک هلیوستاتها را فقط در ناحیهی شمالی قرار میدهند چرا که اساساً راندمان کسینوسی ناحیهی شمالی بیشتر از ناحیهی جنوبی است و این راندمان بیشترین نقش را در طراحی ایفا میکند.اما هنگامی که نیروگاه با شار حرارتی مورد نیاز بالاتری مد نظر باشد تعداد هلیوستاتها و ردیف چینش آنها افزایش پیدا میکند در این حالت فاصلهی هلیوستاتهای ردیف های آخری از رسیور زیاد شده و تاثیر راندمان اتلافات جوی قابل ملاحظه میشود. در این شرایط راندمان هلیوستاتهای ناحیه ی جنوبی به واسطهی فاصلهی کمتر از رسیور، بیشتر از راندمان ردیفهای آخر هلیوستاتهای ناحیهی شمالی میشود. در نتیجه استفاده از هلیوستاتهای ناحیهی جنوبی در این حالت توجیه پذیر شده و باعث افزایش راندمان مزرعهی خورشیدی میشود.
نکتهی دیگری که در شکل2-9 قابل تامل است افزایش فاصلهی شعاعی و محوری هلیوستاتها همزمان با افزایش فاصلهی آنها نسبت به رسیور است. این راهکار برای جلوگیری از رخداد پدیدهی بلاک و شادو میباشد. از طرفی حفظ حالت رادیال استگر برای مزرعهی خورشیدی باعث افزایش بیش از حد نیاز فاصلهی بین هلیوستاتها برای پدیدهی بلاک و شادو میشود. از این رو برای جلوگیری از این امر از چندین حلقهی مستقل با آرایش رادیال استگر استفاده شده است. شکل 2-10 طرح نیروگاه جماسولار که در سال 2011 در اسپانیا راه اندازی شد را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود کلیات این طرح مشابه مزرعهی طراحی شده توسط نرمافزار MATLAB در این پروژه میباشد.

شکل2-10. مزرعهی خورشیدی نیروگاه Gemasolar با 120 مگاوات حرارتی[4]

طراحی رسیور
انواع رسیور و خصوصیات آنها :
رسیور در واقع گیرندهای است که حجم عظیمی از تابش خورشید را دریافت و آن را تبدیل به انرژی گرمایی میکند و به سیالی که به عنوان سیال انتقال حرارت مورد استفاده قرار میگیرد منتقل میکند. انواع مختلفی از رسیور برای نیروگاههای خورشیدی طراحی شده است که در 3 دستهی کلی تقسیم بندی شدهاند[21]. این تقسیم بندی شامل:
رسیور با سیال گاز
رسیورهای Volumetric air : رسیورهای Volumetric air از سال 1980 تا کنون در حال تکامل بودهاند و بطور کلی از ساختار متخلخل استفاده میکنند. این ساختار توسط شار وارد از طرف مرزعه خورشیدی گرم شده و سپس هوا از درون ساختار متخلخل عبور داده میشود و به دمایی بین 800 تا 1500 درجهی سانتیگراد متناسب با جنس و ساختار رسیور ( فلز ، سرامیک و … ) میرسد. سپس از هوا برای تولید بخار فوق اشباع به منظور استفاده در سیکل رانکین و یا استفاده برای سیستم های ذخیره و یا بطور مستقیم در توربین گاز استفاده میشود.
رسیور های Small particle air : در طراحی این نوع رسیور ذرات زیر میکرونی کربن در هوا با فشار خاصی نگه داشته میشود و توسط نور متمزکر شدهی خورشید در یک رسیور حفرهای گرم میشود و از این طریق گرما به هوای فشرده شده منتقل شده و در سیکل برایتون مورد استفاده قرار میگیرد.
رسیورهای Tubular gas : این رسیورها برای استفاده در سیکل برایتون طراحی میشوند و مشابه لولههای مورد استفاده در نیروگاههای آیینه سهموی هستند با این تفاوت که از گاز بجای سیال در آنها استفاده میشود. به دلیل ضریب انتقال حرارت پایین آنها نسبت به سیال این امکان فراهم میشود که از شار حرارتی بیشتری در رسیور استفاده شود. از معایب این نوع از رسیور هزینهی گزاف ساخت آن است.
رسیور با سیال مایع:
2-1 رسیورهای Tubular liquid: مطالعهی رسیورهای Tubular liquid از سال 1970 آغاز شد و برای اولین بار در نیروگاهSolar One در سال 1980 مورد استفاده قرار گرفت. این رسیورها شامل آرایشی از لولههای جدار نازک هستند که شار متمرکز شده را دریافت کرده و از طریق انتقال حرارت جابجایی آن را به سیال درون خود منتقل میکنند. دمای عملکرد این رسیورها به دلیل استفاده از نمک نیترا
ت مذاب تا به امروز زیر 600 درجه سانتیگراد بوده است، اما امکان افزایش این دما به واسطهی استفاده از سیالاتی همچون سدیم مایع و نمک فلوراید تا 750 درجهی سانتیگراد نیز وجود دارد. این رسیورها هم اکنون در مرحلهی آزمایش قرار دارند.
طراحی این دست رسیورها به شدت به سیال انتقال حرارت وابسته است. تا کنون بخار و نمک نیترات مذاب مورد استفاده قرار گرفته است. از آب در پروژههایSolar One ، PS10 و PS20 استفاده شده است. برای سیستمهایی که با سیکل بخار کار میکنند فشار بخار ورودی معمولا 9-13 مگاپاسکال میباشد. یکی از موانع استفاده از آب و بخار، فشار بسیار بالای مورد نیاز برای حالت فوق اشباع در دماهای بالای 650 درجه میباشد. مذاب نمک نیترات برای اولین بار در پروژهی Solar Two مورد استفاده قرار گرفت و توانایی دریافت تا بیش از 850kW/m2 که تقریبا سه برابر شار مجاز در پروژه Solar One بود را داشت. یکی دیگر از فواید مذاب نمک نیترات ظرفیت حرارتی بالا و مناسب بودن آن برای استفاده بعنوان سیال ذخیره ساز و در نتیجه عدم نیاز به مبدل حرارتی بین رسیور و سیستم ذخیره میباشد. از معایب نمک نیترات مذاب میتوان به دمای انجماد بالا (C°230 ) و دمای فروپاشی (C° 600) آن اشاره کرد که محدودیتهایی را در طراحی تحمیل میکند، اشاره کرد. انواع رسیورهای Tubular liquid در شکل 2-11 نشان داده شده است. انتخاب بین رسیور حفرهای و اکسترنال همانطور که در بخش مزرعه خورشیدی توضیح داده شد به ابعاد نیروگاه و طراحی برای راندمانهای مختلف وابسته است.

شکل 2-11. سمت چپ رسیور اکسترنال و سمت راست رسیور حفره ای

2-2 رسیور های Falling-film: در این نوع رسیورها از نیروی جاذبه برای به جریان درآوردن سیال بر روی یک سطح مایل استفاده میکنند و به سیال بطور مستقیم یا غیر مستقیم تابش صورت میگیرد این طراحی توان مورد نیاز برای پمپ در رسیور را کاهش میدهد. جذب مستقیم تابش در این نوع از رسیور باعث کاهش مقاومت حرارتی در این فرآیند میشود. این رسیورها در مرحلهی آزمایش قرار دارند و انتظار میرود دمای خروجی آنها بیشتر از رسیورهای Tubular liquid باشد. (شکل2-12)

شکل 2-12. رسیور Falling-film

رسیورهای Solid particle:
ایدهی رسیورهای Solid particle در سال 1980 برای اولین بار به منظور بالا بردن دمای خروجی تا 1000 درجهی سانتی گراد ارائه شد. طرز کار این رسیورها به این شکل است که در آنها ذرات ریز سرامیک در یک رسیور حفرهای به جریان در میآید و بطور مستقیم توسط تابش متمرکز خورشید گرما داده میشود. سپس این ذرات در یک تانک ذخیره قرار داده میشوند و گرمای آن به سیال انتقال حرارت داده میشود و به این ترتیب تولید توان صورت میپذیرد. این رسیورها در مقایسه با رسیورهای مایع محدودیت شار دریافتی ندارند. تا کنون تحقیقات بر روی این رسیورها در جریان است و هنوز در عرصهی عمل از آنها استفاده نشده است (شکل2-13).

شکل 2-13. نمای شماتیک از یک رسیور Solid particle

در نیروگاههای متعارف، عنصر دریافت گرما دیگ بخار است که در آن حرارت توسط سوزاندن زغال سنگ، نفت یا گاز به آب داده میشود، از این رو میزان شار در این نیروگاهها به راحتی قابل کنترل است اما در رسیورهای اکسترنال خورشیدی توزیع حرارت به صورت یکنواخت نمیباشد، نتایج نشان دهندهی یک توزیع گاوسی از انرژی در رسیور میباشد. اگر همه اشعه خورشید در یک نقطه هدف متمرکز شود استفاده از انرژی خورشید بسیار سودمندتر خواهد بود و میتوان بهرهبری مناسبتری از انرژی خورشید در مقیاس کوچکتر را فراهم آورد، این در حالی است که محدودیتی از حداکثر چگالی شار مجاز در رسیورها وجود دارد، که البته میتوان این توزیع شار را با توجه به تعیین تعداد هیلیوستاتها کنترل نمود. از طرفی استفاده بیشتر از انرژی خورشیدی باعث افزایش مساحت آینهها مورد نیاز برای رهگیری شار میشود. بنابراین، بهینه سازی گیرنده یک چالش مهندسی است که در تقابل بین دریافت و بهرهوری بیشتر از انرژی خورشیدی میباشد و از طرف دیگر در تقابل با حداکثر شار تحمل لولهها در رسیور است.
با توجه به معرفی خصوصیات انواع رسیور برای این پروژه به طراحی رسیور External Tubular Receiver به همراه مذاب نمک نیترات پرداختیم. در ادامه فرآیند طراحی تشریح شده است.
اصول حرارتی و ترمودینامیکی برای طراحی رسیور
در بهینه سازی متمرکز کردن انرژی خورشیدی، تلفات نقش کلیدی را ایفا میکنند که بر روی اندازه و در نهایت میزان هزینهی طراحی رسیور تأثیر گذار میباشد. شرایطی که از طرف سیال داخل رسیور به آن دیکته میشود حداکثر جریان مجاز را تعریف میکند. در این قسمت به بیان روابط مربوط به تلافات که به طور کلی در شکل2-14. نشان داده شده است، پرداخته میشود. شمای عمومی برای مدل سازی فرآیند انتقال حرارت در رسیورها به شرح ذیل میباشد:

شکل 2-14. شماتیکی از اتلافات حرارتی در رسیور

اتلافات بازتابش:
از آنجا که زاویهی برخورد با رسیور معمولا زیر 60 درجه میباشد بازتاب از رسیورهای با جذب مستقیم ناچیز است و نمیتواند به طور کلی مورد بحث قرار گیرد.
اتلافات جابجایی
محاسبات مربوط به انتقال حرارت جابجایی دارای دو ترم میباشد یک ترم مربوط به انتقال حرارت جابجایی آزاد و دیگر مربوط به جابجایی اجباری که با توجه به سرعت باد تعیین میشود.
با توجه به مرجع [8] و شرایط بیان شده برای بازهی رینولدز تا 17000 و پرانتل 1

پاسخی بگذارید

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