نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از متمرکز کننده سهموی خطی (قسمت دوم)

• 

نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از متمرکز کننده سهموی خطی (قسمت دوم)

چرخه‌ی بخار رنکین

نیروگاه‌های ذغال سنگی و هسته‌ای رایج، نیروگاه‌های بخاری می‌باشند و همچنین در اینجا، CSP سهموی خطی و گاهی تکنولوژی‌های برج‌های قدرت (Power Tower) که به زودی در اکوگیک معرفی خواهد شد، بر اساس نیروگاه‌های بخاری می‌باشند. این چرخه‌های توان، گرما را به کار تبدیل می‌کنند(به شکل توجه شود).

 در واقع نیروگاه، انرژی گرمایی با کیفیت بالا از بویلر یا در اینجا توسط مزرعه‌ی خورشیدی را مورد استفاده قرار می‌دهد و پس از تولید الکتریسیته، گرما با کیفیت پایین را به چگالنده و سیستم خنک کننده می‌فرستد. سیستم خنک کننده با دمای محیط و توسط هیت سینک یا روش‌های دیگر، عملیات خنک کردن را انجام می‌دهد. بیشترین بازده تبدیل که توسط چرخه‌ی گرمایی متداول حاصل می‌گردد (بازده Carnot) متناسب است با یک منهای نسبت دمای مطلق هیت‌سینک به گرمای مطلق منبع گرما:

معادله‌ی فوق نشان می‌دهد که با افزایش اختلاف بین دو دما، بازده افزایش می‌یابد و همچنین به ازای دماهای پایین هیت‌سینک، بازده بالاتری از نیروگاه حاصل خواهد شد. حول فرمول فوق، مطالعات زیادی در مورد تکنولوژی CSP صورت می‌گیرد، مثلاً تغییر HTF برای دست‌یابی به دماهای بالا.

سیستم‌های خنک کننده

نیروگاه‌های بخاری رایج، آن‌هایی که بر اساس چرخه‌ی رنکین کار می‌کنند نیاز به یک پس زننده‌ی گرما به خارج چگالنده نیاز دارند. دو گزینه قابل انتخاب است، یکی با هوا و آب می‌باشد، و دیگری سیستم هایبرید است که از خنک‌کاری مرطوب در دماهای بالای محیط بهره می‌جوید.

خنک کردن مرطوب

خنک کردن مرطوب نوعی خنک کردن است که با برج خنک‌کننده در ارتباط است. برج خنک کننده وسیله‌ای است برای کاهش دما توسط استخراج گرما از آب و انتقال آن به محیط. با توجه به شکل می‌توان دریافت که برج خنک‌کننده بر اساس تبخیر آب عمل می‌کند به طوری که مقداری از آب بخار شده و همراه با گرما، به هوای اتمسفر منتقل می‌شود.

دو نوع اصلی برج خنک کننده وجود دارد، طبیعی (natural draft) و مکانیکی (mechanical draft). نوع اول، با اختلاف دمای بین محیط اطراف و داخل برج عمل می‌کند، هوای گرم‌تر با چگالی کم‌تر به سمت بالا حرکت کرده و هوای تازه‌ی خنک از پایین برج به داخل آن مکش می‌شود. ارتفاع برج بتونی مذکور به ۲۰۰ متر می‌رسد که در شکل زیر، مدل آن را مشاهده می‌فرمایید:

نوع مکانیکی که از فن‌های بزرگ برای گردش هوا کمک می‌گیرد، با اسپری کردن آب در هوا، عملکرد خنک‌کننده را بهبود می‌بخشد. این سیستم ها اکثراً برای وظایف گرمایی بزرگ به کار می‌روند تا علیرغم هزینه‌ی بالای ساخت، منجر به کاهش هزینه‌های عملیاتی شوند. باید به این نکته اشاره کرد که تکنولوژی‌ها و طرح‌های بسیاری باید به کار روند و ما در اینجا به بررسی این سیستم ها نمی‌پردازیم. با این حال کسانی که اطلاعات مفیدی در مورد این تکنولوژی‌ها دارند، می‌توانند اطلاعات خود را از طریق فرم تماس با من در میان بگذارند تا مطالبشان را با دیگر خوانندگان به اشتراک بگذارم.

خنک کردن خشک

در این نوع خنک کردن به آب نیازی نیست، بنابراین در هر مکانی که آب کم‌یاب باشد قابل استفاده است و همچنین از نظر اقتصادی، در مکان‌های سرد مقرون به صرفه‌تر است زیرا بخار به راحتی می‌تواند متراکم شود و از طریق لوله‌های پرّه دار خنک شوند که خود لوله‌ها نیز از طریق هوا خنک می‌شوند. نرخ انتقال حرارت تابعی از سطح تماس پره‌ها و سرعت جریان هوا است. شکل زیر، تصویری از خنک‌کننده‌های خشک را نشان می‌دهد.

خنک کردن هایبرید

از آنجا که نیروگاه‌هایی که با جریان هوا خنک می‌شوند دارای مشکل کاهش کارایی در روزهای گرم می‌باشند، باید به دنبال روش جایگزین برای خنک کردن در روزهای گرم تابستان بود.

روشی که نسبت به هر دوی خنک کردن‌های گرم و سرد برتری دارد، همگام سازی بین هر دو روش مذکور است. در هوای سرد، خنک کردن با هوا اتخاذ می‌شود و در تابستان که دمای هوای محیط بالا است، از روش خنک کردن مرطوب استفاده می‌شود. واضح است که این سیستم هم هزینه‌ی ACC را به دنبال دارد و هم هزینه‌ی WCC، پس شاید استفاده از این روش در برخی از مکان‌ها مقرون به صرفه نباشد.

مکان‌های مناسب برای CSP

شکل زیر نشان دهنده‌ی مکان‌های مساعد برای نیروگاه‌های CSP می‌باشد. قسمت‌های نارنجی، بهترین مکان‌ها می‌باشند. همانطور مشاهده می‌کنید، ایران یکی از مساعدترین کشورها برای راه اندازی نیروگاه‌های سهومی خطی می‌باشد.

  

در ادامه عکس های بیشتری از نیروگاه آنداسول را مشاهده خواهید فرمود. همچنین دعوت می کنم از مطلب بزرگ ترین نیروگاه خورشیدی سهموی خطی دنیا که هفته قبل در ابوظبی امارات افتتاح شد نیز دیدن فرمایید.

برگرفته از سایت:

http://ecogeek.ir/1392/01/solar-parabolic-through-part2/

نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از متمرکز کننده سهموی خطی (قسمت اول)

• 

نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از متمرکز کننده سهموی خطی (قسمت اول)

معرفی سیستم:

در حال حاضر تکنولوژی نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از متمرکز کننده‌ی سهومی خطی، قابل توجه‌ترین روش در بین روش‌های حرارتی-برقی برای تولید انرژی تجدیدپذیر می‌باشد. این تکنولوژی برای اولین بار از سال ۱۹۸۴ در صحرای مجاو کالیفرنیای آمریکا به کار گرفته شد ولی بعدها- هم به صورت خورشیدی و هم به صورت هیبرید- در کشورهایی مانند اسپانیا، مصر، مراکش و عمارات به کار گرفته شد. این نیروگاه‌ها که بر اساس ویژگی‌های آب و هوای روزانه کار می‌کنند، حدود ۱۴ تا ۸۰ مگاوات برق تولید می‌کنند.

بررسی اجمالی نیروگاه:

شکل زیر نشان دهنده‌ی روندی است که اکثر نیروگاه‌های حرارتی برقی امروزی بر اساس آن کار می‌کنند. یک کلکتور خطی سهموی، یک آینه‌ی ساده‌ی سهمی شکل است که اشعه‌ی خورشید را از محور طبیعی‌اش به محور خودش منحرف می‌کند (مانند شکل). مقطع آینه، یک منحنی سهمی شکل است و علت نام گذاری آن به خاطر همین موضوع است. شعاع انحنای این آینه‌ها حدود ۱ تا ۴ برابر فاصله کانونی است و نسبت تمرکز متداول، چیزی حدود ۸۰ می‌باشد ولی با استفاده از مقیاس‌های بزرگ‌تر، این مقدار می‌تواند بیشتر نیز باشد. این آینه‌ی سهمی شکل در امتداد محوری کشیده شده است که در واقع، خط کانون سهمی است. در محل محور مذکور یک کلکتور نصب می‌گردد که لوله‌ی جاذب نام دارد. آینه‌ها و لوله‌ها روی یک سازه‌ی فولادی نصب می‌گردند تا محکم در جای خود قرار گیرند (به شکل توجه شود). این سازه هر روز خورشید را از شرق به غرب دنبال می‌کنند تا این اطمینان حاصل شود که پرتوهای خورشید به دریافت کننده‌ی خطی می‌تابد.

مایع داخل لوله‌ی جاذب که به اختصار HTF نامیده شده است– معمولاً روغن ترکیب- گرم می‌شود، بنابراین، انرژی ذخیره شده از طریق گردش این مایع به مبدل حرارتی تخلیه می‌شود. انرژی تخلیه شده به آب موجود در یک چرخه‌ی بخار (رنکین) معمولی داده می‌شود که به این روند، تولید بخار غیرمستقیم گویند که دو مرحله‌ای است. یک روش دیگر نیز وجود دارد که روش تک مرحله‌ای است و در آن، مستقیماً از آب استفاده می‌شود(DSG).

نکات مثبت این تکنولوژی واضح است، مثلاً می‌توان در مواقعی که نور خورشید در دسترس نیست، از انرژی ذخیره شده بهره جست.

در روزهای گرم و طولانی تابستان، یک نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از متمرکز کننده سهموی می تواند حدود ۱۰ تا ۱۲ ساعت با توان نامی خود کار می‌کند. البته سعی بر این است که نیروگاه‌های جدید به صورت هیبرید ساخته شوند تا از یک میدان فسیلی به عنوان منبع پشتیبان در زمان‌های عدم تابش نور خورشید کافی، استفاده کنند.

در اینجا قصد داریم به بررسی یک نیروگاه با قابلیت ذخیره‌ی انرژی برای ۷.۵ ساعت و ظرفیت تولید ۵۰ مگاوات برق بپردازیم، یعنی چیزی شبیه به نیروگاه آنداسول در اسپانیا که اولین نیروگاه سهموی خطی در اروپا و اولین نیروگاه با سیستم ذخیره سازی در دنیا می‌باشد. شکل زیر بیانگر نیروگاه مورد مطالعه می‌باشد. در این شکل، نیروگاه شامل سه جزء اصلی است: مزرعه‌ی خورشیدی، سیستم ذخیره سازی و بلوک قدرت. این سه جزء از طریق دو مبدل حرارتی با یکدیگر ادغام می‌شوند. یک سیال حامل (HTF) در مرکز کلکتورها واقع در مزرعه‌ی خورشیدی گرم می‌شود. این مایع در چند مبدل حرارتی گردانده می‌شود تا بخاری با فشار بالا تولید کند. سپس همان طور که ذکر شد، بخار وارد چرخه‌ی رنکین شده تا توربین‌های رایج را تحریک کند. بخار با انرژی تخلیه شده به مایع تبدیل شده و برای گرم شدن مجدد آماده می‌شود.

وقتی توان گرمایی مزرعه‌ی خورشیدی به الزامات بلوک توان رسید، ذخیره انرژی گرمایی (سیستم غیر مستقیم با دو تانک) شارژ می‌شود. مازاد گرما، از طریق یک مبدل گرما به نمک مذاب منتقل می‌شود. نمک مذاب گرم شده، در تانک نمک گرم ذخیره می‌شود. تخلیه‌ی نمک از تانک گرم برای گرم کردن مجدد HTF در همان مبدل گرما رخ می‌دهد با این تفاوت که وقتی مزرعه‌ی خورشیدی میزان توان کافی برای تولید بخار را ندارد، جریان انتقال گرمای نمک در مبدل به صورت عکس می‌باشد.

مزرعه خورشیدی

عضو اصلی در مزرعه‌ی خورشیدی، کلکتور می‌باشد. کلکتور SKAL-ET150 با سیستم دنبال کننده‌ی مداوم را می‌توان به عنوان نمونه‌ای بارز نام برد. برخی از مشخصات کلکتورهای در جدول زیر آورده شده است:

سیستم ذخیره

سیستم ذخیره شامل تانک‌های گرم و خنک می‌باشد. محتوای این تانک‌ها، نمک نیترات مذاب (۶۰% NaNO3 + 40% KNO3 ) می‌باشد. سیستم ذخیره‌ی نیروگاه آنداسول توانایی تأمین توان نامی برای ۷.۵ ساعت را دارد. اطلاعات دقیق این سیستم به همراه عکس آن در ادامه آورده شده است:

• دمای تانک خنک: ۲۹۲ درجه سانتی‌گراد
• دمای تانک گرم: ۳۸۶ درجه سانتی‌گراد
• دبی: ۹۴۸ کیلوگرم بر ثانیه
• ارتفاع ۱۴ متر و قطر ۳۸ متر

بلوک قدرت

انرژی گرمایی از طریق سیال HTF به قسمت ژنراتورهای قدرت منتقل می‌شود. قسمت ژنراتور شامل سیستمی با چرخه‌ی رنکین است. به دلیل پایداری حرارتی HTF، بیشینه دمای بخار در چرخه‌ی توان نزدیک ۳۷۰ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌باشد.

نوع توربین بخار، شامل یک توربین منفرد و شش استخراج کننده‌ی بخار می‌باشد. در اینجا برای نمونه به توربین SST-700 زیمنس اشاره می‌کنیم که پارامترهای آن در زیر لیست شده‌اند:

•  ظرفیت نرمال ۵۰.۰ مگاوات
• بازده تبدیل ۳۸%
• شرایط ورودی توربین ۱۰۰بار ۳۷۰ درجه‌ی سانتی‌گراد، بازگرمای ۱۶.۵ بار ۳۷۰ درجه‌ی سانتی‌گراد
• جریان بخار نامی ۵۹ کیلوگرم بر ثانیه
• طراحی فشار ۰.۰۸ بار

برج خنک کننده، آبی که برای متراکم کردن بخار خارج شده از توربین استفاده می‌شود را خنک می‌کند که در بخش‌های بعدی، با این سیستم بیشتر آشنا خواهید شد.

برگرفته از سایت:

http://ecogeek.ir/1391/12/solar-parabolic-through-part1/

نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از بشقاب سهموی (قسمت دوم)

• 

نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از بشقاب سهموی (قسمت دوم)

موتورها

موتور در یک سیستم بشقاب/موتور، طی رفتاری شبیه به موتورهای احتراق داخلی رایج چهار زمانه، گرما را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. انرژی مکانیکی از طریق یک ژنراتور یا مبدل، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. تعدادی چرخه‌ی ترمودینامیکی و سیال‌های عملگر برای سیستم‌های بشقاب/موتور در نظر گرفته شده است از جمله چرخه‌ی رنکین که از آب یا یک سیال عمل کننده‌ی آلی استفاده می‌کند؛ برایتون با چرخه‌ی باز یا بسته و چرخه‌ی استرلینگ. چرخه‌های ترمودینامیک عجیب و غریب دیگر و تغییرات چرخه‌‌های مذکور نیز در نظر گرفته شده‌اند. موتورهای احتراق که عموماً موفق بوده‌اند، از چرخه‌های استرلینگ و برایتون باز (توربین گازی) استفاده کرده‌اند. استفاده از چرخه‌ی موتورهای وسایل نقلیه‌ی Otto و دیزل عملی نیست زیرا یکپارچه سازی آن‌ها با متمرکز کننده‌های خورشیدی بسیار دشوار است. گرما همچنین می‌تواند توسط سوزاننده‌ی گاز تکمیلی فراهم شود تا عملکرد در هوای ابری یا در هنگام شب نیز ممکن شود. خروجی الکتریسیته در نمونه‌های اولیه‌ی سیستم‌های بشقاب/موتور کنونی حدود ۲۵ kWe برای سیستم‌های بشقاب/استرلینگ و حدود ۳۰ kWe برای سیستم‌های برایتون است. سیستم‌های کوچک‌تر با خروجی ۵ تا ۱۰kWe نیز توسعه داده شده‌اند.

چرخه‌ی استرلینگ:

موتورهایی با چرخه‌ی استرلینگ که در سیستم‌های خورشیدی بشقاب/استرلینگ استفاده می‌شوند، موتورهایی با دمای بالا و فشار بالا هستند که از بیرون گرم می‌شوند و از گاز عملگر هلیوم یا هیدروژن استفاده می‌کنند. دماهای گاز عملگر حدود ۷۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد با فشار ۲۰Mpa می‌باشند که در موتورهای استرلینگ مدرن با کارایی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. در چرخه‌ی استرلینگ، گاز عملگر طی روندهای دما-ثابت و حجم-ثابت، متناوباً گرم و یا خنک می‌شود. موتورهای استرلینگ معمولاً با یک “باز تولیدکننده‌” (regenerator) با قابلیت افزایش بازده همکاری می‌کنند که طی روند خنک کردن حجم-ثابت، گرما را جذب می‌کند و این گرما را حین گرم شدن گاز در حجم-ثابت، جایگزین می‌کند. شکل زیر نشان دهنده‌ی چهار روند پایه‌ی چرخه‌ی موتور استرلینگ می‌باشد.

تعدادی ساختار مکانیکی وجود دارد که این روندهای حجم-ثابت و دما-ثابت را بکار می‌گیرد که اکثر آن‌ها شامل استفاده از پیستون‌ها و سیلندرها می‌باشند. برخی از آن‌ها از یک جایگزین کننده استفاده می‌کنند (displacer، پیستونی که گاز عملگر را بدون تغییر حجم، جایگزین می‌کند) تا گاز عملگر را از ناحیه‌ی داغ به ناحیه‌ی سرد موتور، به عقب و جلو حرکت دهد. برای اکثر طراحی‌های موتور، توان توسط یک میل‌لنگ گردنده، به طور جنبشی استخراج می‌شود. ساختار پیستون آزاد، یک مورد استثنا است که در آن، پیستون‌ها توسط میل لنگ یا دیگر مکانیزم‌ها مقید نمی‌شوند. آن‌ها روی فنرها به جلو و عقب حرکت می‌کنند و توان، توسط مبدل خطی یا پمپ از پیستون توان استخراج می‌شود. تعدادی مرجع قابل دسترس وجود دارد که اصول ماشین‌های استرلینگ را بیان می‌کنند. بهترین موتورهای استرلینگ برای تبدیل گرما به الکتریسیته، دارای بازده حدود ۴۰ درصد می‌باشند[۶-۸].  موتورهای استرلینگ کاندیداهای خوبی برای سیستم‌های بشقاب/موتور می‌باشند زیرا گرمای خارجی موتور، آن‌ها را با شار خورشید متمرکز شده تطبیق می‌دهد و بازده آن‌ها در حد قابل قبولی است.

در حال حاضر رقابت بین موتورهای استرلینگ حرکتی (kinematic) برای استفاده در سیستم خورشیدی موتور/بشقاب  بین موارد  زیر می‌باشد:

SOLO 161 11-kWe

Kockums4-95 25-kWe

Stirling General Motors STM 4-120 25-kWe

در حال حاضر هیچ موتور استرلینگ پیستون آزادی برای کاربرد در سیستم بشقاب/موتور توسعه داده نشده است. موتورهایی که برای استفاده در کاربردهای خورشیدی در نظر گرفته شده‌اند، در واقع برای کاربردهای دیگری ساخته شده‌اند. در مسیر بهره‌برداری از تکنولوژی سیستم خورشیدی بشقاب/موتور، تجاری سازی موفق هرکدام از موتورهای مذکور می‌تواند سدها و موانع را حذف کند. موتور SOLO برای اولین بار در آلمان کاربرد خود را پیدا کرد؛ Kockums در حال توسعه‌ی یک نسخه‌ی بزرگ از موتور ۴-۹۵ برای نیرومحرکه‌ی زیردریایی به سفارش نیروی دریایی سوئد است، DTM4-120 توسط جنرال موتورز و برای نسل بعدی خودروها (هیبرید) توسعه داده شده است.

چرخه‌ی برایتون:

موتور برایتون که موتور جت، توربین احتراق یا توربین گازی نیز نامیده می‌شود، یک موتور احتراق داخلی است که با کنترل احتراق سوخت، توان تولید می‌کند. در موتور برایتون شبیه به Otta و موتورهایی با چرخه‌ی دیزلی، هوا فشرده، سوخت افزوده، و ترکیب موجود سوخته می‌شود. در یک سیستم بشقاب/برایتون گرمای خورشید با سوخت جایگزین می‌شود یا به آن ضمیمه می‌شود. گاز گرم حاصل، منبسط شده و برای تولید توان مورد استفاده قرار می‌گیرد. در توربین گازی، سوختن به طور مداوم رخ می‌دهد و گاز منبسط شده برای گردش توربین و مبدل استفاده می‌شود. مانند موتور استرلینگ ،بهبود اتلاف گرما کلید دست‌یابی به بازده بالا می‌باشد. بنابراین، گرمای خارج شده از توربین برای گرمای مجدد هوای متراکم کننده (کمپرسور) استفاده می‌شود. موتورهایی با بازیافت گرما، دارای دمای ورودی ۸۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌باشند. بازده گرما-به-الکتریسیته پیش‌بینی شده برای موتورهای برایتون در کاربردهای بشقاب/برایتون، به بیش از ۳۰درصد می‌رسد[۹,۱۰].

تجهیزات کمکی

مبدل: وسیله‌ی تبدیل کننده‌ی انرژی مکانیکی به الکتریسیته که در سیستم خورشیدی بشقاب/موتور استفاده می‌شود بستگی به موتور و کاربرد سیستم دارد. ژنراتورهای القایی مورد استفاده روی موتورهای استرلینگ حرکتی به یک شبکه‌ی برق متصل می‌شود. ژنراتورهای القایی با شبکه همگام سازی (سنکرون) می‌شوند و می‌توانند توان یک یا سه فاز ۲۳۰ یا ۴۶۰ ولت تولید کنند. بازده ژنراتورهای القایی حدود ۹۴ درصد می‌باشد. ممکن است خروجی ژنراتورها یکسو شود (برق DC) و سپس مجدداً تبدیل به توان AC شود تا  عدم تطابق در سرعت بین خروجی موتور-در نتیجه برق تولید شده توسط ژنراتور- و شبکه‌ی برق رفع گردد. مثلاً خروجی توربین گازی با سرعت بالا، یک توان با فرکانس بسیار بالا در مبدل را به دنبال دارد که ابتدا توسط یک یکسو کننده به برق DC تبدیل شده و سپس به برق تک یا سه فاز با فرکانس ۶۰ یا ۵۰ هرتز (استاندارد شبکه‌های برق) تبدیل می‌شود.

سیستم خنک‌کننده:

موتورهای حرارتی نیاز دارند تا گرمای خود را به محیط منتقل کنند. موتورهای استرلینگ از یک رادیاتور برای انتقال گرمای اضافه به اتمسفر استفاده می‌کنند. توان پارازیتی نیازمند عملکرد یک فن و پمپ سیستم خنک کننده‌ی استرلینگ دارد.

کنترل کننده‌ها:

عملیات خودمختار توسط استفاده از ریزپردازنده‌ها که روی بشقاب نصب می‌گردند، امکان پذیر می‌شود. بشقاب، به کمک پردازنده‌ی مذکور می‌تواند مسیر حرکت خورشیدی را دنبال کند. برخی از سیستم‌های خورشیدی از یک کنترل کننده‌ی مجزا برای کنترل موتور استفاده می‌کنند. برای پروژه‌های بزرگ، از کنترل کننده‌ی مرکزی SCADA=System Control and Data Acquisition استفاده می‌شود.

برگرفته از سایت :

http://ecogeek.ir/1392/01/solar-dish-engine-part-2/

نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از بشقاب سهموی (قسمت اول)

• 

نیروگاه‌های خورشیدی با استفاده از بشقاب سهموی (قسمت اول)

توصیف سیستم:

سیستم‌های بشقاب/موتور، انرژی گرمایی در اشعه‌ی خورشید را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند و سپس انرژی الکتریکی تولید می‌شود. این روند، بسیار شبیه به روندی است که طی آن، از طریق احتراق سوخت‌های فسیلی، الکتریسیته تولید می‌شود. همان‌طور که در شکل مشاهده می‌شود، سیستم‌های بشقاب/موتور از یک آرایه‌ی آینه برای بازتاب و تمرکز اشعه‌ی خورشید ورودی بر روی یک کلکتور ساخته شده است تا از این طریق، گرمای کافی برای تبدیل کارآمد گرما به کار فراهم شود. این موضوع مستلزم این است که بشقاب، خورشید را طی دو محور دنبال کند. اشعه‌ی خورشید متمرکز شده توسط دریافت کننده (رسیور) جذب شده و به یک موتور منتقل می‌شود.

سیستم‌های بشقاب/موتور توسط بازده بالا، پیمانه‌ای بودن، عملکرد مستقل و قابلیت هیبرید شدن ذاتی (قابلیت عملکرد بر اساس انرژی خورشیدی و سوخت‌های فسیلی یا هردو) تقسیم بندی می‌شوند. در بین تمامی تکنولوژی‌های خورشیدی، سیستم‌های بشقاب/موتور بالاترین بازده تبدیل خورشید-به-الکتریسیته را از خود نشان داده‌اند (۲۹.۴%) و بنابراین بالاترین پتانسیل برای تبدیل شدن به ارزان‌ترین منبع انرژی تجدیدپذیر را دارند. پیمانه‌ای بودن سیستم‌های بشقاب/موتور این امکان را فراهم می‌کند که به طور مستقل برای کاربردهای از راه دور یا به طور دسته جمعی برای شبکه‌های کوچک (برق روستا) مستقر شوند. سیستم‌های بشقاب/موتور همچنین می‌توانند با یک سوخت فسیلی هیبرید شوند تا به طور بی وقفه توان تولید کنند. این تکنولوژی در مرحله‌ی توسعه‌ی مهندسی به سر می‌برد و همچنان چالش‌های فنی در رابطه با اجزاء خورشیدی و توانایی تجاری سازی یک موتور منحصراً برای کاربرد خورشیدی وجود دارد.

متمرکز کننده‌ها

سیستم‌های بشقاب/موتور از کلکتورهای متمرکز کننده‌ی خورشیدی استفاده می‌کنند که خورشید را در دو محور دنبال می‌کنند. یک سطح بازتاب کننده- پلاستیک یا شیشه‌ی متالیزه شده- اشعه‌ی خورشیدی ورودی را به یک ناحیه‌ی کوچک به نام کانون بازتاب می‌کند. سایز متمرکز کننده برای سیستم‌های بشقاب/موتور توسط موتور تعیین می‌شود. با یک بیشینه تابش خورشید اسمی ۱۰۰۰ w/m2، یک متمرکز کننده‌ی سیستم بشقاب/موتور ۲۵kWe دارای قطری حدود ۱۰ متر می‌باشد.

متمرکز کننده‌ها از یک سطح بازتاب کننده‌ی آلومینیومی یا نقره بهره می‌برند که توسط شیشه یا پلاستیک پوشیده شده است. اکثر سطوح بازتاب کننده‌ی بادوام از نوع آینه‌های نقره/شیشه می‌باشند، شبیه به آینه‌های دکوری در خانه‌ها. تلاش‌ها برای توسعه‌ی فیلم‌های پلیمری بازتاب کننده، دارای موفقیت‌های قابل قبولی نبوده‌اند. به دلیل اینکه متمرکز کننده‌های بشقابی دارای فاصله‌ی کانونی کمی هستند، باید از آینه‌های نسبتاً نازکی برای تطبیق با منحنی‌های لازم استفاده شوند. علاوه بر این، شیشه با یک محتوای آهن کم برای بهبود بازتاب، مطلوب می‌باشد. مطابق با ضخامت محتوای آهن، آینه‌های خورشیدی نقره‌ای دارای مقادیر بازده خورشیدی حدود ۹۰ تا ۹۴ درصد می‌باشند.

حالت متمرکز کننده‌ی ایده‌آل، شبیه به یک سطحی است که در اثر گردش جسم سهمی به دور خود تشکیل می‌شود. متمرکز کننده‌های خورشیدی، این حالت را با چندین آینه با حالت شبه کروی با یک ساختار اتکای خرپا حفظ می‌کنند (به شکل توجه شود). یک نوآوری در طراحی متمرکز کننده‌ی خورشیدی، استفاده از غشاهای ساختاری است که در آن‌، یک غشای بازتاب کننده در طول یک حلقه کشیده شده است و یک غشای ثانویه برای پوشش فضای باقی مانده استفاده می‌شود. این فضای مذکور تحت یک خلاء جزئی قرار می‌گیرد و به موجب آن، یک حالت شبه کروی به خود می‌گیرد. شکل زیر بیانگر یک سیستم بشقاب/موتور با طرح مذکور است. نسبت بازتاب به عنوان میانگین شار خورشیدی در روزنه‌ی دریافت کننده تقسیم بر تابش نرمال نور خورشید در محیط تعریف می‌شود که معمولاً بیش از ۲۰۰۰ می‌باشد. نسبت‌های بریدگی (Intercept fractions) به عنوان نسبت شار بازتاب شده خورشید که در روزنه‌ی دریافت کننده عبور می‌کند معمولاً ۹۵ درصد می‌باشد.

دنبال کردن خورشید در دو محور به یکی از این دو راه انجام می‌گیرد: (۱) دنبال کردن زاویه-ارتفاع (azimuth-elevation) و (۲) دنبال کردن قطبی. در روش اول، کلکتور روی صفحه‌ای موازی صفحه‌ی زمین (azimuth) و صفحه‌ی دیگر، عمود بر زمین (elevation) می‌چرخد. این، منجر به چرخش‌های افقی و عمودی کلکتور می‌شود. نرخ چرخش‌ها در طول روز تغییر می‌کنند ولی می‌توانند به راحتی محاسبه شوند. اکثر سیستم‌های بشقاب/موتور بزرگ از این روش استفاده می‌کنند. در روش دنبال کردن قطبی، کلکتور حول یک محور موازی محور گردش زمین می‌چرخد. کلکتور با یک نرخ ۱۵ درجه در ساعت می‌چرخد تا با گردش زمین همگام شود. محور دیگر گردش، محور انحراف، عمود بر محور گردش قطبی می‌باشد. گردش حول این محور به آهستگی رخ می‌دهد و در طول سال، مثبت یا منفی رادیکال ۲۳ درجه تغییر می‌کند. اکثر سیستم‌های بشقاب/موتور کوچک از این روش استفاده می‌کنند.

دریافت کننده‌ها (رسیور)

دریافت کننده، انرژی بازتاب شده توسط متمرکز کننده را جذب می‌کند و آن را به سیال موتور منتقل می‌کند. سطح جذب کننده معمولاً پشت کانون متمرکز کننده قرار می‌گیرد. یک روزنه روی کانون قرار می‌گیرد تا از تشعشع و تلفات انتقال گرمای جلوگیری کند. هر موتور دارای یک سطح برای خود می‌باشد. دریافت کننده‌های موتور استرلینگ باید به طور کارآمد انرژی خورشیدی را به یک گاز در حال نوسان با فشار بالا-معمولاً گاز هلیوم یا هیدروژن- برساند. در گیرنده‌های برایتون (Brayton receivers) جریان مذکور ثابت است ولی در فشارهای نسبتاً پایین.

دو نوع متداول دریافت کننده‌ی استرلینگ وجود دارد، دریافت کننده با نور مستقیم (direct-illumination receivers) یا به اختصار، DIR و دریافت کننده‌های غیر مستقیم که از مایع منتقل کننده‌ی گرمای تکمیلی استفاده می‌کند. دریافت کننده‌های استرلینگ اول، لوله‌های گرم کننده‌ی موتور استرلینگ را برای جذب شار خورشید متمرکز شده تعدیل می‌کند. به دلیل ظرفیت بالای انتقال گرما توسط هیدروژن یا هلیوم، دریافت کننده‌های غیر مستقیم قادر به جذب شارهای خورشید در سطوح بالا هستند (حدود ۷۵ W/cm2). با این حال ایجاد تعادل در دماهای بین سیلندرهای یک موتور استرلینگ با چند سیلندر، یک دغدغه‌ی پیچیده است.

دریافت کننده‌های مایع-فلز با لوله‌های حرارتی به حل این مشکل کمک می‌کنند. در یک دریافت کننده با لوله‌ی حرارتی، فلز سدیم مایع روی سطح جذب کننده‌ی دریافت کننده بخار می‌شود و روی لوله‌های حرارتی موتور استرلینگ متراکم می‌شود. این منجر به یک دمای واحد روی لوله‌های گرم کننده می‌شود و بنابراین، دماهای کاری بالاتری را برای موتور با یک ماده‌ی مشخص فراهم می‌کند و نهایتاً، بازده بالاتری را به دنبال خواهد داشت. دریافت کننده‌های استرلینگ به طور معمول دارای بازده ۹۰ درصد در انتقال انرژی از متمرکز کننده به موتور می‌باشند.

دریافت کننده‌های خورشیدی برای سیستم‌های بشقاب/برایتون، کمتر توسعه داده شده‌اند. علاوه بر این، ضرایب انتقال حرارت هوای نسبتاً کم فشار همراه با نیاز به کاهش فشار در ساخت دریافت کننده کاهش می‌یابد و این مسائل، طراحی دریافت کننده را بسیار دشوار می‌کند. رایج‌ترین دریافت کننده‌ی برایتونی که مورد استفاده قرار گرفته است، جذب حجمی (volumetric absorption) است که در آن، اشعه‌ی خورشید متمرکز شده از یک سیلیس ذوب شده (کوارتز) عبور داده می‌شود و توسط یک شبکه‌ی متخلخل جذب می‌شود. این رویکرد، به طور قابل توجهی ناحیه‌ی بیشتری نسبت به انتقال دهنده‌های رایج برای انتقال حرارت فراهم می‌کند. دریافت کننده‌های برایتون حجمی از ساختارهای فوم سرامیکی با سلول باز و شانه عسلی استفاده می‌کنند که به طور موفقی ظاهر شده‌اند ولی فقط برای عملکرد کوتاه مدت (۱۰ ساعت). زمان تست توسط قابل دسترس بودن موتور برایتون محدود می‌شود. طراحی های دیگری نیز توسعه داده شده‌اند. بازده دریافت کننده‌های برایتون بیش از ۸۰ درصد می‌باشد[۴,۵].

برگرفته از سایت:

http://ecogeek.ir/category/training/solar-energy-training/solar-thermal-power-plant/

Save Save Save