آشنایی با انواع سیستم های فتوولتاییک و ساخت ماکت آن ها _ جلسه ششم

معرفی انواع نیروگاه های حرارتی و نحوه ساخت کلکتور با دریافت کننده مرکزی

زمان تقریبی مطالعه :

تاریخ : چهارشنبه 1396/09/22 ساعت 09:59

اهداف جلسه : معرفی انواع نیروگاه های حرارتی و نحوه ساخت کلکتور با دریافت کننده مرکزی
وسایل مورد نیاز : تکه های چوب ، تکه آینه های قابل انعطاف ، 72 عدد پیچ خودکار ، تعدادی قوطی فلزی ، دماسنج
1-6_ انواع نیروگاه های خورشیدی :
یکی از منابع انرژی های تجدیدپذیر که در حقیقت مهمترین آنها نیز می باشد انرژی خورشید است. در سالهای اخیر تحقیق و توسعه در زمینه کاربرد سیستم های خورشیدی افزایش یافته و نیروگاههای حرارتی خورشیدی از اصلی ترین کاربردهای انرژی های نو مي باشند كه در سا ل هاي اخير مورد توجه قرار گرفته اند.
تکنولوژی حرارتی خورشیدی به دو دسته دما پایین و دما بالا تقسیم بندی می شود .
تکنولوژی دما پایین شامل کلکتورهایی با بازده حدود 90% که می تواند آب مورد نیاز برای حمام ، شست وشو و ... تامین کند . دما در این نوع تکنولوژی حدود 100 است . مهمترین انواع آنها کلکتورهای صفحه تخت ، لوله خلا ، استخر خورشیدی ، و سیستم ذخیره یکپارچه است .

6-1
تکنولوژی دما بالا بدین صورت است که نور خورشید را یک نقطه جمع می کند که به اصطلاح CSP گفته می شود . در این نوع تکنولوژی دما به بیش از 250 درجه میرسد که وابسته به اندازه سیستم دارد . از جمله کاربردهای آن علاوه بر تامین برق ، استفاده در فرآیندهای شیمیایی مانند تولید H2 است .
در نیروگاه های متمرکز کننده خورشیدی(CSP)، آینه ها نور خورشید را متمرکز نموده و گرمای حاصل از تمرکز پرتوها، آب را به بخار تبدیل کرده تا بوسیله همان سیکل ترمودینامیک سنتی برای تولید برق، بکار رود. بر خلاف سیستم های فتوولتائیک، نیروگاه های متمرکز کننده خورشیدی نیاز به نور مستقیم خورشید (DNI) دارند. لذا در مناطقی مانند شمال آفریقا، خاورمیانه، جنوب غربی ایالات متحده آمریکا و جنوب اروپا که روی کمربند خورشیدی قرار دارند و از DNI بالایی برخوردار هستند، استفاده از این نوع سیستم ها کاربرد پیدا می کند. نیروگا ههای CSP می توانند به منبع ذخیره نیز مجهز گردند تا در زمانی که آسمان ابری است و یا بعد از غروب خورشید نیز تولید داشته باشند. ذخیره حرارتی باعث افزایش ضریب ظرفیت می شود. در مناطق خشک و بایر، CSP ها برای مصارف آب شیرین کن نیز به کار برده می شوند. در سال های گذشته ظرفیت نصب شده CSP به سرعت افزایش یافته است تا سیاستهای کاهش انتشار تحقق یابد. در سال 2012 ظرفیت نصب شده CSP در جهان در حدود 2 گیگاوات بوده و در حدود 20 گیگاوات در دست ساخت و توسعه داشته است، در حالی که CSP هنوز نیاز به سیاست های تشویقی برای تجاری شدن دارد، در این سالها با پیشرفت تکنولوژی و توسعه نیروگاه های بزرگتر با ظرفیتهای 250 - 100 مگاوات، انتظار می رود که هزینه ها به طور قابل ملاحظه ای کاهش یابد و برق تولیدی از CSP ها تا قبل از سال 2020 قابل رقابت با نیروگا ههای زغال سنگی و گاز سوز گردند.
انواع مختلف نیروگاه های CSP شامل ؛ سیستم برج مرکزی و دیش استرلینگ است که هر یک از این موارد در یک سرفصل توضیح داده خواهد شد .
2-6_ نیروگاه خورشیدی با سیستم برج مرکزی (CRS) :
این سیستم شامل مجموعه ای از آینه هایی است(هلیوستات) که هر یک بطور جداگانه انرژی خورشید را متمرکز و به برج دریافت کننده مرکزی منتقل می کنند. انرژی توسط یک مبدل حرارتی که در روی یک برج نصب شده است و گیرنده نامیده می شود جذب می‌شود. در آن جا آب به بخار سوپر هیت تبدیل شده و این بخار توربین ژنراتور را که در پائین برج نصب شده به حرکت در آورده و تولید برق می نماید.
سیال پس از دریافت گرما، یا خود تبدیل به بخار می گردد و در یک سیکل رانکین تولید برق می نماید و یا با انتقال حرارت خود در یک مبدل حرارتی به سیال دیگری. آن سیال را بخار می نماید و برای تولید انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار مید هد. در این نیروگاه ها، تنها تابش مستقیم خورشید قابل استفاده است، زیرا تابش های پراکنده قابل متمرکز کردن نمی باشند. بدین دلیل احداث چنین نیروگاه هایی در مکان هایی که دارای سهم بسیاری از تابش خورشید می باشند، پیشنهاد می گردد.
ضریب تمرکز تابش خورشیدی در این نیروگاه ها بین 100 تا 100000 میباشد و درجه حرارتهایی تا 1000 درجه سانتی گراد دردریافت کننده مرکزی حاصل می گردد. برای افزایش میزان انرژی الکتریکی تولیدی در این نیروگاهها معمولاً یک سیستم ذخیره گرمایی مورد استفاده قرار می گیرد. پیوند یک سیستم پشتیبان با سوخت نفت یا گاز طبیعی به نیروگاه خورشیدی هلیواستانی نیز به عنوان یک راهکار برای تولید مستمر و بدون وقفه برق امکان پذیر است.
از مزایای شیوه تولید دریافت کننده مرکزی می توان مواردی نظیر بازدهی نسبتاً بالای نیروگاه دمای بالای بخار تولید شده پیوند ساده با سیستم پشتیبان سوخت نفت یا گاز طبیعی ، توان تولید بالا، امکان تولید انبوه قطعات خورشیدی مشابه، فرایند ساده کاری و قابلیت تولید همزمان گرما و برق را برشمرد و از معایب آن می توان از اتلافهای انرژی گرمایی، بازدهی نسبتا کم در سیستم های پیوندی با سوخت فسیلی ، نیاز به پایه های بسیار با دوام برای آینه ها، ضرورت نصب سیستم ردیاب خورشیدی و نیاز به آب در پروسه نیروگاهی و نیز برای تمیز کردن آینه ها نام برد. در نیروگاههای هلیواستاتی، تعداد هلیواستاتها می تواند تا چندین هزار نیز برسد. البته به دلیل فاصله بسیار زیاد میان هلیواستاتهای انتهایی نیروگاه و دریافت کننده مرکزی، حداکثر توان نامی چنین نیروگاهی محدود می باشد. جهت ایجاد یک مجموعه نیروگاهی با ظرفیت بالاتر ، می توان چندین واحد نیروگاهی هلیواستاتی را در کنار یکدیگر احداث نمود.

6-2
3-6_ اجزاء اصلی نیروگاههای دریافت کننده مرکزی :
الف) هلیواستانها
هلیواستاتها ، آینه های قابل کنترلی هستند که می توانند در تمام ساعات روز خورشید را دنبال کنند وبا زاویه خاصی که هر کدام از آنها با امتداد جهت اشعه خورشید دارند، تشعشع خورشیدی را به سمت دریافت کننده ثابت مرکزی در بالای برج منعکس کنند. این زاویه بستگی به زمان روز، طرز قرارگرفتن، فاصله و موقعیت هر هلیواستات نسبت به دریافت کننده مرکزی دارد.
هلیواستاتها بطور کلی از پنج قسمت عمده که شامل اینه ها، سازه، فونداسیون، سیستم محرک و سیستم کنترل کننده خورشیدی می باشد، تشکیل می گردند.
الف -1) آینه ها:
آینه ها مهمترین بخش هلیواستاتها می باشند، که وظیفه انعکاس پرتوهای خورشید بر روی دریافت کننده مرکزی را بر عهده دارند . برای ساخت آینه باید سطحی در نظر گرفته شود، که بتوان پوشش دهی به وسیله فلزات را بر پشت و یا روی آن انجام داد.جنس این سطح باری آینه هایی که فلز پشت آنها پاشیده می شود، شیشه یا پلیمرهای شفاف و برای آینه هایی که فلز روی آنها پاشیده می شود، پلیمرهای کدر می باشد. آینه های یک هلیواستات به وسیله قاب فلزی روی سازه نگهدرای کننه نصب می شوند و در قاب خود تا حدودی قابل تنظیم می باشند، تا بتوان تقعر کمی به سطح هلیواستات داد.
الف – 2) سازه:
وظیفه سازه ها نگهداری آینه ها می باشد. در ساخت هلیواستاتهای کوچک و متوسط از سازه هایی، که از یک ستون و چند تیر متقاطع تشکیل می شوند، استفاده می شود. این مدل سازه ها دارای قابلیت حرکت بسیار زیاد به منظور ردیابی خورشید توسط آینه ها می باشد. در هلیواستاتهای بزرگ برای نگهداری مجموعه آینه ها از یک ستون اصلی و خرپاهای فضایی استفاده می شود.
الف – 3) فونداسیون:
فونداسیون واسطه نصب هلیواستات به زمین می باشد، که معمولاً از نوع بتونی است و حفره هایی دارد که ستون سازه درون آن قرار می گیرد.
الف – 4) سیستم محرک:
به دلی ضرورت تمرکز نور خورشید بر روی یک نقطه (دریافت کننده مرکزی، ) می بایست حرکت هلیواستاتها در دو جهت افقی و عمودی امکان پذیر باشد. این امر توسط سیستم محرک هلیواستات صورت می پذیرد. علاوه بر لزوم ردیابی خورشید که مهمترین دلیل وجود سیستم حرکتی را ایجاب می نماید.
الف – 5) سیستم کنترل کننده خورشیدی:
برای به دست آوردن بازدهی بهتر در استفاده از انرژی خورشیدی باید هلیواستاتها تا حد امکان با ردیابی صحیح خورشید، بیشترین تشعشعات خورشیدی را به نیروگاه های دریافت کننده مرکزی منعکس نمایند. در نیروگاههای هلیواستاتی که در آنها حرارت های معادل نیروگاههای حرارتی متداول برای تولید الکتریسیته نیاز میباشد، می بایست بدلیل حرکت دورانی زمین به دور خود و به دور خورشید سیستمی ایجاد گردد، تا ردیابی خورشید توسط هلیواستاتها در طول روز امکان پذیر باشد. سیستم های کنترل کننده خورشیدی دارای انواع گوناگون می باشند، که در ذیل برخی از آنها معرفی می گردند.
کنترل مکانیکی :
در این سیستم، یک دیناموموتور متصل به یک گیربکس محاسبه شده، متناسب با سرعت حرکت خورشید موجب حرکت هلیواستاتها در جهت تعقیب خورشید می گردد. در هنگام شروع حرکت در صبح و پایان فعالیت در عصر یک دستگاه کنترل الکترونیکی در نظر گرفته می شود.
کنترل هیدرولیکی :
در این روش کنترلی حرکت هلیواستاتها توسط یک سیلندر هیدرولیکی انجام می پذیرد در طول روز، مقداری روغن که میزان آن محاسبه شده است به داخل سیلندر پمپ می گردد و با فشاری که پمپ در سیلندر ایجاد می کند. هلیواستات در طول روز به آرامی به دنبال خورشید می گردد.
کنترل مرکزی توسط سیستم کامپیوتری:
از این سیستم پرخرج، ولی مطمئن در اغلب نیروگاههای خورشیدی استفاده می شود. در این روش کنترلی برای هر آینه یک برنامه جداگانه به کامپیوتر داده می شود. بدین صورت که موقعیت جغرافیایی آینه (فاصله آن تا برج)، نسبت سایه اندازی هلیواستاتها و روی یکدیگر و بعضی اطلاعات دیگر در اختیار کامپیوتر قرار می گیرد و سپس سیستم کنترل مرکزی برای هر هلیواستات یک برنامه گردشی سالیانه طرح ریزی کند.
ب) دریافت کننده مرکزی
دریافت کننده مرکزی برای جمع کردن، جذب کردن و انتقال بیشترین مقدار انرژی دریافتی، به سیال انتقال دهنده حرارت طراحی می شود. دریافت کننده های مرکزی در بالای برج های بلندی قرار می گیرند و در معرض حداکثر جریانات انرژی تشعشعی که حدوداً بین 300 تا 700 کیلووات بر مترمربع می باشد، قرار دارند. دیواره این دریافت کننده ها از یک سری لوله های موازی که در کنار هم قرار گرفته اند ودر داخل آنها سیالی جریان دارد، تشکیل می شوند. انرژی خورشیدی به سطح خارجی لوله ها تابیده و انرژی جذب شده توسط لوله ها، به سیال داخل آنها منتقل می شود. این لوله ها از قسمت فوقانی مسدود شده اند و در نتیجه انبساط حرارتی در قسمت پایین آنها اتفاق می افتد.
به منظور افزایش مدت زمان بهره برداری از نیروگاه برای تولید انرژی الکتریکی ، دریافت مرکزی علاوه بر تامین انرژی حرارتی مورد نیاز پروسه نیروگاهی، انرژی مازاد خود در طول روز را به منبع ذخیره انرژی حرارتی منتقل می نماید. مجموع توان ورودی به پروسه نیروگاهی و منبع ذخیره در ساعت روز مرجع، ظرفیت حرارتی دریافت کننده را تشکیل می دهد. با تعیین ظرفیت حرراتی دریافت کننده می توان پارامترهای دیگر نیروگاه از قبیل مساحت سطح دریافت کننده، ارتفاع برج و مساحت هلیواستاتها را بدست آورد.
ب – 1) ظرفیت حرارتی دریافت کننده مرکزی :
جهت تعیین ظرفیت حرارتی دریافت کننده، نیاز به اطلاعات مربوط به توان نامی نیروگاه P، بازدهی پروسه نیروگاهی ، بازدهی سیستم انتقال سیال از دریافت کننده به توربین ، ضریب خورشیدی و ضریب اطمینان k می باشد . با در نظر گرفتن ضریب خورشیدی بالا در هنگام طراحی نیروگاه قابلیت ذخیره انرژی گرمایی در مخزن ذخیره بیشتر می گردد و در نتیجه تعداد ساعات کارکرد با تمام ظرفیت نیروگاه در سال افزایش می یابد.
ب-2) پارمتر های موثر در تعیین حد ظرفیت حرارتی دریافت کننده :
پارمترهای بسیاری در تعیین حد ظرفیت حرارتی دریافت کننده مرکزی موثر می باشند، که در ذیل به اختصار در مورد آنها توضیح داده می شود.
طول لوله های دریافت کننده :
یکی از عوامل محدود کننده ظرفیت حرارتی دریافت کننده ، طول لوله های دریافت کننده می باشد، که نمی تواند از حداکثر 30 متر تجاوز نماید. این محدودیت باعث محدود نمودن قابلیت جذب دریافت کننده می گردد و تاثیر بسزایی در تعیین ظرفیت حرارتی دریافت کننده می گذارد.
4-6_ سیال حامل :
با توجه به نوع سیال جاری در دریافت کننده مرکزی، در مجموع چند سیستم تولید برق با فن آوری های مختلف برای استفاده در نیروگاههای خورشیدی هلیواستانی وجود دارند که عبارتند از:
الف) هوا به عنوان سیال دریافت کننده مرکزی:
در این سیستم هوا پس از دریافت گرما در دریافت کننده مرکزی ، می تواند خود به عنوان شاره کارکن مورد استفاده قرار گیرد و با ورود بر فشار خود به توربین گازی و انبساط در آن، توربین را به گردش درآورد و در ژنراتور کوپل شده به توربین تولید برق نماید، همچنین می توان با بازیافت حرارت گاز خروجی از اگزوز توربین گازی، اقدام به تولید بخار و در نهایت تولید برق در یک واحد نیروگاه بخاری نمود.
در ضمن می توان با انتقال حرارت هوای گرم در یک مبدل حرارتی به شاره کارکن آب، دریک چرخه رانکین تولیدبرق نمود. نمونه چنین نیروگاهی ، نیروگاه 10 مگاواتی PS10 واقع در 15 کیلومتری غرب شهر سویل اسپانیا می باشد. شکل (5-2) دیاگرام نیروگاه هلیواستانی باسیکل هوا PS10 را نمایش می دهد. در این نیروگاه 981 هلیو استات که هر کدام دارای 91متر مربع مساحت هستند، در یک میدان شمالی نور خورشید را به سمت یک دریافت کننده مرکزی که دارای ظرفیت حرارتی معادل 55مگاوات و سطح 172 متر مربع می باشد و در بالای برجی به ارتفاع 90 متر قرار گرفته است، منعکس می نمایند. این نیروگاه دارای یک مخزن ذخیره حرارتی با قابلیت ذخیره انرژی گرمایی معادل 33 مگاوات ساعت نیز می باشد، تا در مواقع ابری بودن هوا و یا در شب ها، انرژی گرمایی مورد نیاز پروسه نیروگاهی را فراهم آورد.
ب) آب به عنوان سیال دریافت کننده مرکزی:
در این سیستم، آب تحت فشار حدود 100 بار و درجه حرارت 500 درجه سانتیگراد در دریافت کننده مرکزی تبدیل به بخار داغ می گردد. بخار داغ به صورت مستقیم در توربین ، که پایین برج نصب شده است، مورد استفاده قرار می گیرد و برق تولید می شود.مازاد انرژی حرارتی بخار داغ را می توان در یک سیستم ذخیره حرارت برای مصارف بعدی ذخیره کرد، بدین ترتیب که حرارت بخار در تانکی پر از شن و سنگ به لوله های روغن مخصوص حرارتی انتقال و در آنها ذخیره می شود، تا نیروگاه بتواند در ساعت ابری و شبها به کار خود ادامه دهد. درضمن سیستم ذخیره حرارت می تواند مقداری حرارت برای قسمت های داخلی نیروگاه فراهم کند، تا راه اندازی مجدد دستگاهها سریعتر انجام شود.
پ) سدیم به عنوان سیال دریافت کننده مرکزی :
در این سیستم، سدیم مایع تا حدود 620 درجه سانتیگراد دردریافت کننده مرکزی گرم می شود و گرمای آن دریک مبدل حرارتی به شاره کارکن آب انتقال می یابد و شاره کارکن دریک چرخه رانکین تولید برق می نماید. قسمتی از انرژی حرارتی سدیم مایع را می توان در یک سیستم ذخیره حرارت برای مصارف بعدی ذخیره نمود.
ت) نمک نیترات به عنوان سیال دریافت کننده مرکزی:
دراین سیستم ها از نمک نیترات مذاب به عنوان سیال انتقال حرارت در دریافت کننده مرکزی استفاده می شود. نمک نیترات دارای نقطه ذوب در حدود 320 درجه سانتیگراد می باشد و نسبت به مایعات، نظیر آب و روغن، حرارت بیشتری را در خود نگه می دارد. در این نوع نیروگاهها که به عنوان مثال می توان از نیروگاه Solar -2 نام برد، نمک تا حدود 566 درجه سانتی گراد داغ می گردد. پس از اینکه حرارت نمک برای فوق گرم کردن بخار در مبدل حرارتی گرفته شد، نمک با دمای حدود 288 درجه سانتیگراد دریک مخزن ذخیره می گردد تا در مواقع مناسب به برج مرکزی فرستاده شود. استفاده از نمک نیترات دارای این مزیت می باشد، که نمک را می توان به صورت داغ در یک مخزن ذخیره کرد و در مواقع نیاز از حرارت آن استفاده نمود. نمک داغ می تواند حرارت خود را تا 13 ساعت حفظ نماید.
5-6_ نیروگاه خورشیدی بسازید !
یک تکه چوب را به مربعی 36 سانتی متری برش دهید . سپس به مربع های 6 در6 تقسیم کنید . سپس به فاصله 1 سانتی متر از کنار هر مربع یک خط بکشید (همانند شکل زیر) .

6-3
حال لازم است تا سوراخ هایی را برای قرار دادن پیچ و آینه ها ایجاد کنیم . محل این سوراخ ها در شکل زیر نشان داده شده است . این شکل یک مربع 6 سانتی است که پس از رسم خط به فاصله 1 سانتی متری بدین صورت می باشد .

6-4
برای هر مربع این کار را انجام دهید که در نهایت 72 سوراخ خواهید داشت . سپس پیچ ها را درون سوراخ ها نصب کنید .

6-5
اکنون آینه ها را در اندازه 6 سانتی متری برش بزنید و آنها را با چسب به پیچ ها بچسبانید . مانند شکل زیر .

6-6
زمانی که تمام آینه ها چسبانده شد ، بر روی هر آینه یک تکه کاغذ که بتوان جدا کرد بچشسبانید .
اکنون کلکتور را روبروی خورشید قرار دهید و سعی کنید با کندن کاغذها و همچنان تغییر زاویه آینه ها نور را در یک محل متمرکز کنید . اکنون قوطی فلزی را از آب پر کرده و نور را بر روی آن متمرکز کنید . سپس تغییرات دمای آب را در زمان های مختلف اندازه بگیرید .