نیروگاه توربینی خورشیدی (solar turbine power plant)

[P O U R I A]

نیروگاه توربینی خورشیدی (solar turbine power plant) ازانرژی تابشی خورشیدی گرفته شده توسط کلکتورهای گرمایی خورشیدی (solar thermal collectors) استفاده می‌کند. انرژی خورشیدی یک منبع انرژی تجدید پذیر (renewable energy) است. نیروگاه‌های خورشیدی به طور عمده بر اساس سیکل‌های بسته توان عمل می‌کنند: سیکل رانکین (Rankine cycle) برای محدوده دمای پایین و سیکل برایتون (Brayton cycle) برای محدوده دمای بالا. نیروگاه‌های خورشیدی از چند کیلووات تا چند مگاوات انرژی فراهم می‌کنند. محدودیت‌های مرتبط با نیروگاه‌های انرژی خورشیدی مربوط به اندازه، فضا، هزینه سرمایه‌گذاری بالا و نوسانات اجتناب‌ناپذیر در عرضه روزانه انرژی تابشی خورشیدی هستند.

رسیورهای خورشیدی
رسیور یا گیرنده (receiver) حرارت منتقل شده توسط کلکتور را جذب می‌کند. گاهی رسیور در بقیه سیستم یکپارچه است، برای مثال در آب‌گیرهای خورشیدی و کلکتورهای صفحه تخت. رسیور ممکن است ثابت یا قابل حمل باشد.

سه نوع رسیور وجود دارد: خارجی، لوله‌ای، و حفره‌ای.​

 

[P O U R I A]

رسیور‌ خارجی
در رسیورهای خارجی (external receivers) سیال عامل بر روی سطح خارجی یک جسم عمودی فراهم می‌شود.
تلفات عمده به دلایل زیر هستند:

• عدم تمرکز نور
• رسانایی، هم‌رفت و تابش
• بازتاب

نسبت تمرکز و دمای سیال به دست آمده به ترتیب 1000 و 500 درجه سانتی‌گراد هستند.


رسیور‌ حفره‌ای
در رسیورهای حفره‌ای (cavity receivers) شار حرارتی به وسیله دستگاهی همانند شکل زیر وارد می‌شود؛ تمرکزدهنده‌ها شار حرارتی را به سطح تیوب‌های خنک‌کاری درون دستگاه منتقل می‌کنند. انرژی حرارتی از طریق بازتاب داخلی به سایر بخش‌ها (که پرتو مستقیم به آن نمی‌تواند برسد) منتقل می‌شود. با توجه به تعداد لوله‌های خنک‌کاری، اندازه کلی بزرگ است.

 

[P O U R I A]

رسیور‌ تیوبی
رسیورهای تیوبی (tubular receivers) شامل یک ردیف از تیوب‌های دوجداره می‌شوند. لوله‌های خارجی تابش را دریافت می‌کنند در حالی که سیال وارد تیوب داخلی می‌شود و از طریق حلقه بین دو تیوب خارج می‌شود. نسبت تمرکز و بیشینه دمای سیال به دست آمده به ترتیب حدود 1.5 و 200 درجه سانتی‌گراد هستند.

 

[P O U R I A]

سیستم‌های رسیور

سیستم رسیور پراکنده
در سیستم رسیور پراکنده (distributed receiver system) سه کلکتور شار حرارتی را جمع‌آوری می‌کنند و آن را به رسیور انتقال می‌دهند و در آن‌جا سیال خنک‌کاری (coolant) انرژی آن را به مبدل حرارتی (heat exchanger) می‌برد. سیال خنک‌کاری گاهی به عنوان سیال عامل برای تولید برق انجام وظیفه می‌کند.


سیستم رسیور مرکزی
در سیستم رسیور مرکزی (distributed receiver system) کلکتورهای خورشیدی شار حرارتی را به یک رسیور مرکزی انتقال می‌دهد که اندازه بزرگی دارد. انواع رسیورهای خارجی و حفره‌ای را می‌توان برای این منظور استفاده کرد. یک مثال برای آن هلیوستات‌ها (heliostats) هستند.

 

[P O U R I A]

توربین‌های خورشیدی

توربین بخار
توربین‌های بخار (steam turbines) در سیکل رانکین (Rankine cycle) کار می‌کنند. بخار را می‌توان به طور مستقیم از شار حرارتی خورشیدی توسط یک رسیور تولید کرد که نیاز به مبدل حرارتی (heat exchanger) را حذف می‌کند. برخی از نیروگاه‌ها از نمک‌های مذاب برای رسیدن به دماهای بالاتر استفاده می‌کنند که نیاز به بویلر بخار (steam boiler) را حذف می‌کند. مقادیر فشار و دما در نیروگاه‌های خورشیدی به ترتیب 50 تا 100 بار و 400 تا 500 درجه سانتی‌گراد است. هر دو نوع مراحل ضربه‌ای (impulse) و واکنشی (reaction stages) را می‌توان مورد استفاده قرار داد. برای مقادیر کوچک توان، مراحل ضربه‌ای ترجیح داده می‌شوند.


توربین گاز
توربین‌های گاز (gas turbines) در سیکل برایتون (Brayton cycle) کار می‌کنند که در آن با ورودی حدود 500 تا 800 درجه سانتی‌گراد وجود دارند. یک نیروگاه توربین گاز معمولی از یک محفظه احتراق (combustion chamber) استفاده می‌کنند اما در این‌جا محفظه احتراق مبدل حرارتی/رسیور است. البته استفاده از نیروگاه‌های توربین گازی خورشیدی با انرژی حرارتی ذخیره شده کاملا دشوار است، زیرا نیروگاه در محدوده دمای بالا کار می‌کند و ذخیره انرژی گرمایی در این دمای بالا کاملا دشوار است. توربین گاز از مراحل کم‌تری استفاده می‌کند و نیاز به هیترهای آب گرم خوراک و یا کندانسور (condenser) برای خنک‌کاری ندارد.


مزایای نیروگاه‌های توربینی خورشیدی

• یک شکل تجدید پذیر انرژی با سوخت رایگان و فراوان
• بدون ذخیره‌سازی، فرآوری و یا تجهیزات انتقال و تامین سوخت
• یک شکل جای‌گزین برای منابع انرژی نفت/بنزین/ دیزل
• آلودگی محیطی کم‌تر
• می‌تواند در مناطق دور افتاده و یا مکان‌هایی که برای سکونت نامناسب هستند کار کنند

معایب نیروگاه‌های توربینی خورشیدی

• تولید برق قابل اطمینان (وابسته به آب و هوا)
• نیاز به مساحت زیادی برای برپا کردن آن
• هزینه سرمایه بالا
• راندمان کلی کم