No F-14-AAA- ا ناليز اگزرژي كلكتور سهموي خطي در يك نيروگاه خورشيدي مهدي قلي نژاد مختار بيدي دانشكده مكانيك و انرژي دانشگاه شهيد بهشتي تهران ايران چكيده استفاده از انرژي خورشيدي با توجه به محدوديت سوختهاي فسيلي و تقاضاي جهاني براي كاهش ا لاينده هاي زيست محيطي در حال افزايش است در اين تحقيق ا ناليز اگزرژي سيكل نيروگاه بخار به همراه مزرعه خورشيدي مجهز به كلكتور سهموي براي تعيين شرايط بهينه عملكردي ا ن انجام شده است به اين منظور سيكل بخار و مزرعه خورشيدي مدل سازي شده و سپس ا ناليز اگزرژي در مولفه هاي مختلف سيستم انجام شده است براي تعيين شرايط بهينه كاركرد كلكتور سهموي مزرعه خورشيدي به طول متر طراحي شده است و سپس براي شرايط تابش و دبي سيال عامل مشخص ميزان تاثير دماي سيال عامل بر بازده اگزرژي و بازده حرارتي مشخص شد نتايج نشان مي دهد افزايش دماي سيال حرارتي در مزرعه خورشيدي باعث كاهش بازده حرارتي و اگزرژي شده و اين كاهش در تابش هاي كم بيشتر نيز مي شود در نتيجه دماي سيال عامل بايد تا حد امكان كه فرايند اجازه مي دهد پايين نگه داشته شود از طرف ديگر افزايش دماي بخار وردي به توربين بخار موجب افزايش راندمان چرخه بخار مي شود براي افزايش دماي بخار بايد دماي سيال حرارتي افزايش يابد درنتيجه مي توان نقطه بهينه اي براي دماي سيال حرارتي مزرعه خورشيدي تعيين كرد واژه هاي كليدي اگزرژي روغن حرارتي نيروگاه خورشيدي كلكتور سهموي ا ناليز مقدمه ۱ انرژي خورشيد كه بر روي سطح تابيده مي شود 1 برابر انرژي مورد نياز جهان است ] 1] انرژي خورشيدي يك انرژي پاك و بدون توليد گاز گلخانه اي است به طوري كه درصورت استفاده از تكنولوژي متمركز كننده خورشيدي تا سال از توليد 154 ميليون تون گاز ORR جلوگيري مي شود فقط يك نيروگاه MW 5 از نوع كلكتور سهموي سالانه از مصرف 3 ميليون ليتر سوخت فسيلي و توليد 9 تون [] ORR جلوگيري مي كند استفاده از انرژي خورشيد در اينده نزديك رو به افزايش مي باشد بنابراين نياز است تا عملكرد نيروگاه هايي كه از انرژي خورشي دي استفاده ميكنند بهبود يابد ] 3] كلكتور سهموي خورشيدي يكي از پركاربرد ترين تكنولوژي هاي خورشيدي است كه در نيروگاه هاي بزرگ از سال 198 در كاليفرنيا استفاده مي شود [3] كلكتور سهموي براي توليد توان و ساير كاربرد هاي نيروگاهي با دماي كاركرد حداكثر 4 گزينه بسيار مناسبي مي باشد ] 4] مشكل اصلي در كاركرد كالكتور سهموي دريافت و انتقال حرارت با كمترين تلفات است براي تعيين شرايط عملكرد بهينه كلكتور نياز به بررسي ميزان بازده و كارايي ا ن است اناليز اگزرژي در كنار ا ناليز انرژي يك روش مفيد براي بررسي كارايي كلكتور سهموي مي باشد [5] اندازه گيري هاي زيادي بر روي كلتور صفحه تخت انجام شده و نتايج ا نها مورد نقد و بررسي قرار گرفته است كوارليك و لس ] 6] بر روي دبي بهينه كلتور خورشيدي دما پايين كار كرده اند اربچ [7] و وين [8] استراتژي بهينه و شبه بهينه اي را براي دبي سيال عامل و ساير پارامتر هاي يك سيستم كلكتور سهموي اراي ه كرده اند بجان ] 9 و 1 ] اناليز قانون دوم و اگزرژي را براي كلتور سهموي در شرايط زماني متغير مطالعه كرده است اناليز اگزرژي براي كلكتور صفحه تخت تحت شرايط عملكرد مختلف توسط فوزيوارا [11] كار [1] سلتيل و سوكولو [13] سوزوكي و همكاران [14] ارايه شده است
در توليد توان حرارتي متمركز كننده خورشيدي نور خورشيد را بر روي يك سطح كوچك متمركز مي كند در نتيجه حرارت باغث بالا رفتن دماي زياد شده و مي توان از اين دماي بالا براي توليد توان استفاده كرد در نتيجه براي تكنولوژي اي دما بالا بايد از متمركز كننده هاي خورشيدي (سهموي خطي دريافت كننده مركزي و ديش سهموي) استفاده كرد ] 15] سينگ و كواشيك [16] اناليز اگزرژي بر روي يك نيروگاه سهموي خطي 35 MW در هند انجام داده اند نتايج حاصل از كار ا نها نشان مي دهد كه بيشتر تلفات اگزرژي سيستم كلكتور سهموي مربوط به مبدل دما بالا مي باشد و اين در حالي است كه ميزان تلفات اگزرژي در يك مبدل دما پايين بسيار كم مي باشد اگزرژي مقدار كيفي انرژي مي باشد و چنانچه از دست برود ديگر نمي توان ا ن را بازيابي كرد ا نها همچنين چندين تكنولوژي براي كاهش تلفات و افزايش بازدهي يك واحد ارايه كرده اند باكس و همكاران ] 17] بازدهي كلكتروسهموي خطي (P) را به عنوان تابعي از شار حرارت ورودي قطر لوله شدت تابش خورشيدي و اندازه روزنه كلكتور سهموي بيان كرده اند ۳ مدل سيكل بخار به همراه مزرعه خورشيدي استفاده از كلكتور سهموي براي پيش گرم كردن سيال ورودي به بويلر نيروگاه بخار مي تواند باعث بهبهود كارايي سيكل شود سيكل بخار مور مطالعه در اين پژوهش شامل يك توربين 4 مگاواتي به همراه دوپيش گرمكن بسته و يك پيشگرمكن باز مي باشد شكل 1 بصورت شماتيك نيروگاه خورشيدي مورد مطالعه را نشان مي دهد براي استفاده از حرارت مزرعه خورشيدي HRSG طراحي شده است كه دماي اپروچ ) (roch درجه سانتي گراد و دماي پينچ ) (nch 1 درجه سانتي گراد براي ا ن در نطر گرفته شده است در اين تحقيق مدل حرارتي كلتور سهموي توسط نرم افزار متلب (MALAB) شبيه سازي شده است نتايج حاصل از ا ن با داده هاي تجربي حاصل از نيروگاه هاي [18] SGS اعتبار سنجي و نتايج به دست ا مده نشان دهنده تطابق خوب با اين نتايج مي باشد همچنين يك موازنه اگزرژي نيز بر روي سيستم كلكتور سهموي انجام شده است اين اناليز اثرات دماي ورودي دبي جرمي سيال عامل تابش خورشيدي و سرعت باد را بر روي بازده حرارتي و اگزرژي نشان مي دهد شكل 1: شماتيك سيكل بخار به همراه مزرعه خورشيدي ۴ ا ناليز اگزرژي ا ناليز اگزرژي براي مدل دريافت كننده نشان داده شده در شكل توسط معادلات 1 تا 3 قابل محاسبه مي باشد [19] ۲ مدل دريافت كننده (1) مدل دريافت كننده (شكل ) شامل يك مجموعه مولفههاي دريافت كننده حرارت از فولاد ضد زنگ و همچنين پوشش از جنش فولاد مي باشد كه ضريب جذب تابش بالا و ضريب گسيل پاييني دارد لوله فولادي يك پوشش شيشه اي دارد كه تلفات تابشي را كم مي كند تابش خورشيد تابيده شده به سطح پوشش به وسيله رسانش در راستاي پوشش عبور كرده و توسط همرفت و تابش به سطح دريافت كننده مي رسد حرارت دريافت شده توسط رسانش و همرفت به سيال عامل منتقل مي شود مقداري از حرارت رسيده به كلتور در اتصالات تلف مي شود شكل : مدل حرارتي و مقاومت گرمايي براي يك برش از دريافت كننده كلكتور سهموي
η x = gn sr η = x m ( ) d + ν ( P P ) ( ) d I Aψ ( 7) ( 8) qj = 1 Q j j V f = h h + ( s s ) + gz ۴۱ اگزرژي ورودي اگزرژي ورودي شامل اگزرژي كه از سيال عامل مي ا يد و اگزرژي ناشي () (3) از تابش خورشيد مي باشد اگزرژي كلي ورودي عبارت است از: ( ) ν ( ) = m d + P Po V + + I A ψ b 4 ψ = 1 3 1 + 3 s s 4 ( ) d كه s برابر دماي جسم س ايه خورش دي است (6) اگزرژي خروجي شامل اگزرژي ناشي از اختلاف دماي خروجي و دماي مرجع و همچنين اگزرژي جنبشي مي باشد كه مقدار تخر يب ا نتروپي از ا ن = ( ) + ( ) m d ν P Po gn V + = m ( ) d + ν ( P P ) ( ) d ( ) d (3) (4) كم مي شود در معادلات بالا بيانگر ميزان اگزرژي ناشي از جريان سيال عامل و ميزان اگزرژي دريافت شده توسط كلكتور ناشي از تابش مستقيم (5) (6) gn خورشيد مي باشد كه اين اگزرژي از افزايش دماي سيال عامل و همچنين افت اگزرژي مكانيكي ناشي ازجريان اصطكاكي تشكيل شده است ميزان بازده اگزرژي به صورت ميزان اگزرژي دريافتي به كل اگزرژي ناشي از تابش خورشيد تعريف مي شود معادله اخير ميزان تلفات و تخريب اگزرژي را كه براي تعيين محل و دليل تلفات مورد نياز است نشان نمي دهد تلفات اگزرژي شامل تلفات انتقال حرارت به محيط بوده در حالي كه تخريب اگزرژي به دليل بازگشت ناگذيري هاي داخلي صورت مي گيرد براي حالت پايا معادله 8 به صورت زير بازنويسي مي شود: d + loss η = 1 x I A ψ ۴۱ تلفات اگزرژي: تلفات اگزرژي شامل تلفات اپتيكي و تلفات ناشي از دريافت كننده با loss = loss, ot + loss, q loss, ot = (1 η )I Aψ o b (9) محيط مي باشد [15] تلفات اپتيكي از رابطه زير به دست مي ا يد: η o بازده اپتيكي كلكتور مي باشد تلفات اگزرژي ناشي از انتقال حرارت o loss, q Q loss, = o d (1) (11) از لوله جاذب به محيط عبارت است از: براي تعيين عملكرد هر يك از اجزاي واحد نيروگاه بخار جزء مربوطه (1) به صورت حجم كنترل در نظر گرفته مي شود معادلات اگزرزي مربوط به سيكل بخار توسط معدلات زير به دست مي ايد: 3
P x W = W Q Q = 1 D = S gn (13) (14) (15) در معادلات فوق كلوين بوده و زير نويس هاي باشد Ė D بيانگر تخريب اگزرژي و و دما در مقياس o نشان گر جريان ورودي و محيط مي نتايج ۵ مطالعه پارمتري بر روي كلكتور سهموي خطي مشخصات فيزيكي كلكتور در جدول 1 ا مده است LS- انجام شده است جدول 1: مشخصات فيزيكي كلكتور LS- بر گرفته از [1] پارامتر عرض روزنه[ m ] فاصله كانوني [m] طول هر ماژول [m] قطر بيروني دريافت كننده [m] قطر دروني دريافت كننده [m] قطر پوشش [m] مقدار شكل 3: ميزان بازده حرارتي و اگزرژي براي كلكتور سهموي با تابش 5 براي دبي جريان سيال عامل 4 3 و kg/s 5 W/m با افزايش دما ميزان بازده اگزرژي و حرارتي در تابش هاي كم به شدت افت مي كند به طوري كه در شكل 3 مشاهده مي شود بازده اگزرژي در دماي 1 درجه سانتي گراد تقريبا % 6 بوده و در دماي 5 درجه به % 5 مي رسد و بازده حرارتي با شيب كمتري از مقدار % 45 در دماي 1 درجه به ميزان % 5 در دماي 5 درجه نزول مي كند با افزايش ميزان تابش كاهش شيب افت بازده حراتي كاهش چشمگيري دارد همانطور كه در شكل 4 مشاهده مي شود ميزان بازده از مقدار %65 در دماي 1 درجه به %55 در دماي 3 درجه مي رسد ولي ميزان افت بازده اگزرژي شيب بيشتري دارد 576 171 1 7 55 1 مزرعه خورشيدي براي موقعيت جغرافيايي قشم ) 356N) و به طول متر طراحي شده است براي ميزان تابش هاي مختلف بازده حرارتي و بازده اگزرژي مقايسه شده است در نمودار هاي 3 و 4 ميزان بازده حرارتي و اگزرژي سيستم براي دماي مختلف سيال عامل رسم شده است در صورتي كه سيستم در دماهاي پايين كار كند ميزان بازده اگزري بالا مي باشد و در صورتي كه تابش ورودي كم ( w/mp ميزان بازده اگزري از بازده حرارتي بيشتر بوده و با باشد (5 افزايش تابش بازده حرارتي افزايش مي يابد و بازده اگزرژي كم مي شود با افزايش تابش از 5 به 1 w/mp P ميزان بازده حرارتي تقريبا % افزايش پيدا مي كند ولي ميزان بازده اگزرژي كاهش زيادي ندارد و تقريبا 5 تا % 1 كاهش پيدا مي كند همچنين مشاهده مي شود كه دبي سيال عامل بيشتر داراي بازده حرارتي و اگزرژي بيشتري مي باشد 4
مي زان شكل 4: بازده حرارتي و اگزرژي براي كلكتور سهموي با تابش 5 W/m براي د يب جر اين سيلا عامل 4 3 و kg/s 5 شكل 6: نرخ توليد اگزرژي در قسمت هاي مختلف سيكل بخار مي زان شكل 5: بازده حرارتي و اگزرژي براي كلكتور سهموي با تابش 1 W/m براي د يب جر اين سيلا عامل 4 3 و kg/s 5 ميزان توليد و تخريب اگزرژي در اجزاء سيكل بخار در شكل هاي 6 و 7 ا ورده شده است با توجه به شكل 6 ميزان توليد اگزرژي در كندانسور بيشترين مقدار بوده و همچنين با توجه به شكل 7 مي توان مشاهده كرد كه تبيشترين تخريب اگزرژي در پيش گرمكن باز رخ مي دهد توربين داراي نرخ توليد اگزرژي قابل ملاحطه اي است و اين در حالي است كه ميزان تخريب اگزرژي در ان كم مي باشد از لحاظ اگزرژي بيشترين ميزان هدر رفت انرژي در پيش گرمكن ها و مخصوصا نوع باز رخ مي دهد و در مرحله بعد كندانسور داراي تخريب اگزرژي بالا مي باشد ولي از ا نجا كه توليد اگزرژي در كندانسور زياد مي باشد مي توان از اين تخريب صرف نطر كرد در حالت كلي ميزان تخريب اگزرژي در پيشگرمكن ها مخصوصا نوع باز بسيار زياد مي باشد بنابراين تاحد امكان بايد از افزايش تعداد پي گرمكن جلوگيري شود براي بررسي تاثير دبي سيال عامل و دماي ا ن بر روي ميزان توليد اگزرژي براي سيا عامل در دماي 1 درجه سانتي گراد ميزان توليد اگزرزي در دبي هاي مختلف محاسبه شده است (شكل 8 ) 5
شكل 7: نرخ تخريب اگزرژي در قسمت ه يا مختلف ك سيل بخار شكل 9: تغيير ميزان توليد اگزرژي با دبي سيال عامل در دماهاي مختلف سيال عامل علي رغم عدم تاثير دبي بر توليد اگزرزي مشاهده مي شود كه افزايش دما به شدت بر روي ميزان توليد اگزرژي تاثير گذاشته و با افزايش دما ميزان توليد اگزرژي كم مي شود نتيجه گيري در اين تحقيق ا ناليز اگزرژي سيكل نيروگاه بخار به همراه مزرعه خورشيدي مجهز به كلكتور سهموي براي تعيين شرايط بهينه عملكردي ا ن انجام شد به اين منظور سيكل بخار و مزرعه خورشيدي مدل سازي شده و سپس ا ناليز اگزرژي در مولفه هاي مختلف سيستم انجام شد شكل 8: تغيير ميزان توليد اگزرژي با دبي سيال عامل براي دماي سيال عامل 1 درجه سانتي گراد با توجه به شكل 8 دريافته مي شود كه با افزايش دبي سيال عامل ميزان توليد اگزرژي كم مي شود براي بررسي تاثيرا دما بر توليد اگزرزي ميزان توليد اگزرژي در دبي هاي مختلف سيال عامل براي گستره دمايي 1 تا 3 رسم شده است (شكل 9 ) نتايج نشان داد كه بازده حرارتي و اگزرژي نسبت به دما ي سال عامل ورودي و همچنين تابش ورودي بسيار تاثير پذير مي باشند با افزايش دماي سيال عامل و كاهش تابش ورودي ميزان بازده حرارتي و اگزرژي به شدت افت پيدا مي كند در نتيجه براي استفاده بهينه از كلكتور سهموي بايد دماي سيال عاما تاحد ممكن پايين بيايد همچنين نتايج حاصل از توليد اگزرژي در سيكل بخار نيز اين موضوع را تاييد مي كند اين موضوع در مكان هايي كه تابش ا ن كمتر است اهميت بيشتري پيدا مي كند همچنين دبي سيال عامل نيز مي تواندباعث كاهش و يا افزايش در ميزان بازده كلكتور بشود به طوري كه افزايش دبي از 3 به 5 مي تواند در شرايطي بازده را تا % 1 نيز افزايش بدهد ولي افزايش سيال عامل در توليد اگزرژي اثر نامطلوب داشته و همچنين باعث افزايش هزينه هاي كلي سيكل و هزينه هاي مربوط به تعمير و 6
نگهداري ا ن مي شود در نتيجه براي تعيين مقدار بهينه نياز به بررسي و اناليز اقتصادي سيسم مي باشد تا با مقايسه نتايج حاصله با نتايج مربوط به بازده عملكردي و اگزرژي مقدار مناسب اتخاذ شود [1] H Prc, Lüfrt, D Krny, Zrz, G ohn, R G, R Mhony, Advncs n rbolc trough solr owr tchnology, Journl of Solr nrgy ngnrng, rnsctons of th ASM 14 () () 19 15 منابع [1] ZkYılmzoglu M, Durmz A, Bkr D Solr rowrng of Som-A thrml owr lnt nrgy onvrs Mng 1;64:3 7 [] Stoddrd L, Abcuns J, O onnll R conomc, nrgy, nd nvronmntl bnfts of concntrtng solr owr n lforn, Ntonl Rnwbl nrgy Lbortory, subcontrct rort NRL/SR- 55-3991, Arl 6 [3] H Y-Lng, M Dn-Hu, o Wn-Qun, Yng W-W, Lu Hu- LngSmulton of th rbolc trough solr nrgy gnrton systm wth orgnc Rnkn cycl Al nrgy 1;97:63 41 [4] A Frnándz-Grcí, Zrz, L Vlnzul, M Pérz, Prbolctrough solr collctors nd thr lctons, Rnwbl nd Sustnbl nrgy Rvws 14 (7) (1) 1695 171 [5] Prkd xrgy nlyss nd rmtrc study of concntrtng ty solr collctors Intrntonl Journl of hrml Scncs 46 (7) 134 131 [6] M Kovrk, PF Lss, Otml control of flow n low tmrtur solr ht collctors, Solr nrgy 18 (1976) 431 435 [7] DR Frrs, JL Mls, HS Murry, nrgy consrvton by dtv control for solr htd buldng, n: Proc I Int onfrnc on ybrntcs nd Socty, 1977 [8] A Orbch, R Fschl, PR Hrczfld, S Konyk Jr, Otml nd subotml control strtgs nd snstvty study for solr lqud collctor systms, n: Proc ISS, Atlnt, USA, 1979 [9] RWnn, BWnn, Otml control of mss flow rt n flt lt solr collctors, ASM J Solr nrgy ngrg 13 (1981) 113 1 [1] A Bjn, DW Krny, F Krth, Scond lw nlyss nd synthss of solr collctor systms, ASM J Solr nrgy ngrg 13 (1981) 3 8 [11] A Bjn, xtrcton of xrgy from solr collctors undr tm-vryng condtons, Int J Ht Flud Flow 3 (198) 67 7 [1] M Fuzwr, xrgy nlyss for th rformnc of solr collctors, ASM J Solr nrgy ngrg 15 (1983) 163 168 [13] Sltl, M Sokolov, Otml control of mult comonnt solr collctor systm, Solr nrgy 34 (1985) 463 473 [14] A Suzuk, H Okmur, I Oshd, Alcton of xrgy conct to th nlyss of otmum ortng condtons of solr ht collctors, n: Proc ASM Solr nrgy onfrnc, Anhm, lforn, USA,1986 [15] JA Duff,WA Bckmn, Solr ngnrng of hrml Procsss, John Wly & Sons, Nw York, 1991 [16] N Sngh, S Kushk, chnology ssssmnt nd conomc vluton Solr thrml owr systms: A stt of rt, Rort, ntr for nrgy Studs, Indn Insttut of chnology, Dlh, Ind, 1993 [17] G Bkos, I Ionnds, NF sgs, I Sftls, Dsgn otmzton nd convrson-ffcncy dtrmnton of ln-focus rbolc-trough solr collctor (P), Ald nrgy 68 (1) 43 5 [18] V Dudly, G Kolb, M Slon, D Krny, SGS LS Solr ollctor- st Rsults, Rort of Snd Ntonl Lbortors, SAN94-1884, 1994 [19] M J Morn, H N Shro, Fundmntls of ngnrng hrmodynmcs, Studnt Problm St Sulmnt, 5th dton, Wly, 4 [] A Suzuk, Gnrl thory of xrgy-blnc nlyss nd lcton to solr collctors, nrgy 13 ()(1988) 153 16 7