مبانی انرژی خورشیدی-حرارتی متمرکز شده

فناوری انرژی خورشیدی-حرارتی متمرکز شده (CSP) (concentrating solar-thermal power) چیست و چگونه کار می کند؟ فناوری‌های CSP از آینه‌ها برای بازتاب و تمرکز نور خورشید بر روی گیرنده استفاده می‌کنند. انرژی حاصل از نور متمرکز خورشید، سیال را تا دمای بالا در گیرنده گرم می کند.

این گرما – که همچنین به عنوان انرژی حرارتی شناخته می شود - می تواند برای چرخاندن یک توربین یا نیرو دادن به موتور برای تولید برق استفاده شود. همچنین می تواند در انواع کاربردهای صنعتی مانند نمک زدایی آب، افزایش بازیافت روغن، فرآوری مواد غذایی، تولید شیمیایی و فرآوری مواد معدنی مورد استفاده قرار گیرد.

نیروگاه‌های انرژی خورشیدی متمرکز شده از آینه‌ها برای متمرکز کردن انرژی خورشید برای به حرکت درآوردن توربین‌های بخار سنتی یا موتورهایی که برق تولید می‌کنند، استفاده می‌کنند. انرژی حرارتی متمرکز در یک چنین نیروگاهی را می توان ذخیره کرد و برای تولید الکتریسیته در زمان نیاز، در روز یا شب استفاده کرد. امروزه، تقریباً 1815 مگاوات (MWac) از نیروگاه های CSP در ایالات متحده در حال فعالیت هستند.

سیستم‌های انرژی خورشیدی-حرارتی متمرکز شده معمولاً برای پروژه‌های در مقیاس شهری استفاده می‌شوند. این کارخانجاتِ CSP در مقیاس کاربردی را می توان به روش های مختلفی پیکربندی کرد. سیستم‌های برج برق، آینه‌ها را در اطراف یک برج مرکزی که به عنوان گیرنده عمل می‌کند قرار می‌دهند. سیستم‌های خطی دارای ردیف‌هایی از آینه‌ها هستند که نور خورشید را روی گیرنده‌های لوله‌ای موازی که در بالای آنها قرار دارند متمرکز می‌کنند.

سیستم های کوچکتر CSP را می توان مستقیماً در جایی که برق مورد نیاز است قرار داد. به عنوان مثال، سیستم های تک دیش/موتور می توانند 5 تا 25 کیلووات برق در هر دیش تولید کنند و در کاربردهای توزیع شده مورد استفاده قرار گیرند.

مبانی سیستم متمرکز کننده خطی مربوط به انرژی خورشیدی-حرارتی متمرکز شده

جمع آوری کننده های خطی انرژی خورشیدی متمرکز شده (CSP) (concentrating solar power) انرژی خورشید را با آینه های بزرگی که نور خورشید را بر روی یک لوله گیرنده خطی منعکس و متمرکز می کنند، جذب می کنند. گیرنده حاوی سیالی است که توسط نور خورشید گرم می شود و سپس برای گرم کردن یک چرخه برق سنتی از آن استفاده می شود که توربینی را می چرخاند که یک ژنراتور را برای تولید برق به حرکت در می آورد. به گونه ای دیگر، بخار می تواند مستقیماً در میدان خورشیدی تولید شود که نیاز به مبدل های حرارتی پرهزینه را از بین می برد.

میدان های جمع کننده متمرکز خطی شامل تعداد زیادی کلکتور (یا جمع آوری کننده) در ردیف های موازی است که معمولاً در جهت شمال-جنوب برای به حداکثر رساندن جمع آوری انرژی سالانه و تابستانی قرار گرفته اند. با یک سیستم ردیابی خورشید تک محور، این پیکربندی آینه ها را قادر می سازد تا خورشید را از شرق به غرب در طول روز ردیابی کنند، که این تضمین می کند که نور خورشید به طور مداوم بر روی لوله های گیرنده منعکس شود.

سیستم های خطی ممکن است دارای ذخیره سازی حرارتی باشند. در این سیستم‌ها، میدان کلکتور بزرگتر از اندازه معمول است تا برای گرم کردن یک سیستم ذخیره ‌سازی انرژی در طول روز مورد استفاده قرار گیرد، به گونه ای که از بخار اضافی تولید شده توسط آن می‌توان برای تولید برق در عصر یا در هوای ابری استفاده کرد. این نیروگاه‌ها را می‌توان به‌عنوان هیبرید نیز طراحی کرد، به این معنی که در آنها از سوخت فسیلی برای تکمیل خروجی خورشید در دوره‌های کم تابش خورشیدی استفاده می‌کنند. در چنین طرحی از هیتر گاز طبیعی یا دیگ بخار/گرم کن گاز-بخار استفاده می شود. در آینده، سیستم های خطی ممکن است با نیروگاه های گاز طبیعی و زغال سنگ سیکل ترکیبی موجود یا جدید ادغام شوند.

سیستم‌های سهموی

متداول ترین سیستم CSP در ایالات متحده یک متمرکز کننده خطی است که از کلکتورهای سهموی استفاده می کند. در چنین سیستمی، لوله گیرنده در امتداد خط کانونی هر بازتابنده سهمی شکل قرار می گیرد. لوله به ساختار آینه ثابت می شود و سیال انتقال حرارت از میان و خارج از میدان آینه های خورشیدی جریان می یابد تا جایی که برای ایجاد بخار از آن استفاده شود (یا در مورد گیرنده آب/بخار، مستقیماً به توربین فرستاده شود).

سیستم‌های فرود سهموی از آینه‌های منحنی برای متمرکز کردن انرژی خورشید بر روی یک لوله گیرنده استفاده می‌کنند که از مرکز یک تغار یا فرورفتگی پایین تر است. در لوله گیرنده، یک سیال انتقال حرارت با دمای بالا (مانند روغن مصنوعی) انرژی خورشید را جذب می کند و به دمای 750 درجه فارنهایت یا بالاتر می رسد و از یک مبدل حرارتی عبور می کند تا آب را گرم کند و بخار تولید کند. بخار یک سیستم قدرت توربین بخار معمولی را برای تولید برق به حرکت در می آورد. یک میدان کلکتور خورشیدی معمولی شامل صدها ردیف موازی از فرورفتگی هاست که به صورت یک سری حلقه‌ها به هم متصل شده‌اند، که در یک محور شمالی-جنوبی قرار می‌گیرند تا فرورفتگی‌ها بتوانند خورشید را از شرق به غرب دنبال کنند. ماژول های جمع کننده مجزا معمولاً 15-20 فوت ارتفاع و 300-450 فوت طول دارند.

سیستم های بازتاب دهنده فرنل خطی

دومین فناوری متمرکز کننده خطی، سیستم بازتابنده خطی فرنل است. آینه های مسطح یا کمی خمیده که بر روی ردیاب ها روی زمین نصب شده اند، به گونه ای پیکربندی شده اند که نور خورشید را به یک لوله گیرنده ثابت در فضای بالای آینه ها منعکس کنند. گاهی اوقات یک آینه سهموی کوچک در بالای گیرنده اضافه می شود تا نور خورشید را بیشتر متمرکز کند.

بازتابنده خطی فشرده فرنل از اصول سیستم های آینه خمیده استفاده می کند، اما با ردیف های موازی طولانی از آینه های تخت ارزان قیمت. این بازتابنده‌های مدولار، انرژی خورشید را روی گیرنده‌های مرتفعی متمرکز می‌کنند که از سیستم لوله‌هایی تشکیل شده‌اند که آب از طریق آن جریان می‌یابد. نور متمرکز خورشید، آب را به جوش می‌آورد و بخار پرفشاری برای استفاده مستقیم در تولید برق و کاربردهای بخار صنعتی تولید می‌کند.

مبانی انرژی خورشیدی- حرارتی متمرکز شده مربوط به سیستم برج برق

در سیستم‌های انرژی خورشیدی متمرکز شده مربوط به برج‌ برق، تعداد زیادی آینه مسطح و ردیاب خورشید، معروف به هلیواستات (یا خورتاب)، نور خورشید را بر روی گیرنده‌ای در بالای یک برج بلند متمرکز می‌کنند. از یک سیال انتقال حرارت که در گیرنده گرم می شود برای گرم کردن سیال در حال کار استفاده می شود که به نوبه خود در یک ژنراتور توربین معمولی برای تولید برق از آن استفاده می شود. برخی از دکل های برق از آب/بخار به عنوان سیال انتقال حرارت استفاده می کنند. طرح های پیشرفته دیگر شامل آزمایش با نمک های مذاب با دمای بالا یا ذرات شن مانند برای به حداکثر رساندن دمای چرخه قدرت است.

در واقع سیستم‌های برج برق از یک سیستم گیرنده مرکزی استفاده می‌کنند که دمای عملیاتی بالاتر و در نتیجه راندمان بیشتر را ممکن می‌سازد. آینه‌های کنترل‌شده توسط کامپیوتر (به نام هلیواستات) خورشید را در امتداد دو محور دنبال می‌کنند و انرژی خورشیدی را روی گیرنده‌ای در بالای برج مرتفع متمرکز می‌کنند. انرژی متمرکز برای گرم کردن سیال انتقال (بیش از 1000 درجه فارنهایت) برای تولید بخار و راه اندازی یک مولد برق مرکزی استفاده می شود. ذخیره انرژی را می توان به راحتی و به طور مؤثر در این پروژه ها گنجاند و امکان تولید برق 24 ساعته را فراهم کرد.

سیستم تولید برق خورشیدی Ivanpah (ایوانپا) بزرگترین نیروگاه حرارتی خورشیدی متمرکز در ایالات متحده است که در صحرای موهاوی کالیفرنیا واقع شده است، این نیروگاه قادر به تولید 392 مگاوات برق با استفاده از 173500 هلیواستات است که هر کدام دارای دو آینه است که نور خورشید را بر روی سه نیروگاه خورشیدی متمرکز می کند.

به غیر از ایالات متحده، اسپانیا دارای چندین سیستم برج برق است. Planta Solar 10 و Planta Solar 20 سیستم های آب/بخار به ترتیب با ظرفیت های 11 و 20 مگاوات هستند. Gemasolar که قبلا با نام Solar Tres شناخته می شد، نزدیک به 20 مگاوات برق تولید می کند و از ذخیره حرارتی نمک مذاب استفاده می کند.

اصول اولیه انرژی خورشیدی- حرارتی متمرکز شده مربوط به سیستم دیش/موتور

سیستم‌های دیش/موتور از ظرف‌های سهموی آینه‌ای برای هدایت و تمرکز نور خورشید بر روی موتور مرکزی که برق تولید می‌کند، استفاده می‌کنند. سیستم دیش/موتور یک فناوری انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) است که مقادیر کمتری الکتریسیته نسبت به سایر فناوری‌های CSP تولید می‌کند - معمولاً در محدوده 3 تا 25 کیلووات - اما برای استفاده مدولار مفید است. دو بخش اصلی این سیستم، متمرکز کننده خورشیدی و واحد تبدیل نیرو هستند.

آینه ها بر روی سطح بشقاب سهموی توزیع می شوند تا نور خورشید را بر روی گیرنده ای که در نقطه کانونی ثابت است، متمرکز کنند. برخلاف سایر فناوری‌های CSP که از بخار برای ایجاد الکتریسیته از طریق توربین استفاده می‌کنند، یک سیستم دیش موتور از سیالی کاری مانند هیدروژن استفاده می‌کند که تا دمای 1200 درجه فارنهایت در گیرنده گرم می‌شود تا موتور را به حرکت درآورد. هر دیش در امتداد دو محور برای ردیابی خورشید می چرخد.

متمرکز کننده خورشیدی

متمرکز کننده خورشیدی یا ظرف، انرژی خورشیدی را که مستقیماً از خورشید می آید جمع آوری می کند. پرتوی حاصل از نور متمرکز خورشید به یک گیرنده حرارتی منعکس می شود که گرمای خورشید را جمع آوری می کند. این ظرف بر روی ساختاری نصب شده است که خورشید را به طور مداوم در طول روز دنبال می کند تا بیشترین درصد ممکن نور خورشید را به گیرنده حرارتی منعکس کند.

واحد تبدیل توان

واحد تبدیل توان شامل گیرنده حرارتی و موتور/ژنراتور است. گیرنده حرارتی رابط بین دیش و موتور/ژنراتور است. پرتوهای متمرکز انرژی خورشیدی را جذب می کند، انرژی را به گرما تبدیل می کند و گرما را به موتور/ژنراتور منتقل می نماید. یک گیرنده حرارتی می‌تواند مجموعه‌ای از لوله‌ها با سیال خنک‌کننده (معمولاً هیدروژن یا هلیوم) باشد که معمولاً مدیوم انتقال حرارت و همچنین سیالِ کاری برای موتور است. گیرنده های حرارتی متناوب لوله هایی حرارتی هستند که در آنها جوشیدن و متراکم شدن یک سیال میانی، گرما را به موتور منتقل می کند.

سیستم موتور/ژنراتور زیرسیستمی است که گرما را از گیرنده حرارتی می گیرد و از آن برای تولید فرایند تبدیل انرژی حرارتی به الکتریکی استفاده می کند. رایج ترین نوع موتور حرارتی مورد استفاده در سیستم های دیش/موتور موتور استرلینگ است. موتور استرلینگ از سیال گرم شده برای حرکت پیستون ها و ایجاد نیروی مکانیکی استفاده می کند. کار مکانیکی، به شکل چرخش میل لنگ موتور، یک ژنراتور را به حرکت در می‌آورد و توان الکتریکی را تولید می کند.

مبانی انرژی خورشیدی-حرارتی متمرکز شده مربوط به سیستم ذخیره‌سازی حرارتی

یکی از چالش های پیش روی استفاده گسترده از انرژی خورشیدی، کاهش یا قطع تولید انرژی در هنگام غروب خورشید یا مسدود شدن آفتاب توسط ابرها است. ذخیره انرژی حرارتی راه حلی قابل اجرا برای این چالش فراهم می کند.

در یک سیستم انرژی خورشیدی متمرکز شده (CSP)( concentrating solar power)، پرتوهای خورشید به یک گیرنده منعکس می‌شوند، که گرمایی ایجاد می‌کند که برای تولید الکتریسیته استفاده می‌شود که می‌تواند بلافاصله استفاده شود یا برای استفاده بعدی ذخیره شود. این، سیستم‌های CSP را قادر می‌سازد تا گزینه‌هایی انعطاف‌پذیر یا قابل ارسال برای تأمین انرژی پاک و تجدیدپذیر باشند.

چندین فناوری ذخیره انرژی حرارتی معقول از سال 1985 آزمایش و اجرا شده است. این فناوری ها شامل سیستم مستقیم دو مخزن، سیستم غیر مستقیم دو مخزن و سیستم ترموکلاین تک مخزن می شوند.

سیستم مستقیم دو مخزن

انرژی حرارتی خورشید در این سیستم در همان سیالی که برای جمع آوری آن استفاده می شود ذخیره می شود. سیال در دو مخزن - یکی در دمای بالا و دیگری در دمای پایین ذخیره می شود. سیال از مخزن با دمای پایین از میان کلکتور یا گیرنده خورشیدی جریان می یابد، جایی که انرژی خورشیدی آن را تا دمای بالا گرم می کند، و سپس برای ذخیره به مخزن با دمای بالا جریان می یابد. سیال از مخزن با دمای بالا از طریق یک مبدل حرارتی جریان می یابد و در آنجا بخار برای تولید برق تولید می کند. سیال در دمای پایین از مبدل حرارتی خارج شده و به مخزن دمای پایین باز می گردد.

از ذخیره سازی مستقیم دو مخزن در نیروگاه های سهموی اولیه (مانند ایستگاه ا تولید برق خورشیدی) و در برج برق سولار دو در کالیفرنیا استفاده شد. کارخانجات ناوه‌ای از روغن معدنی به عنوان مایع انتقال حرارت و ذخیره سازی استفاده می کردند. سولار دو از نمک مذاب استفاده می کرد.

سیستم غیر مستقیم دو مخزن

سیستم‌های غیرمستقیم دو مخزن مانند سیستم‌های مستقیم دو مخزن عمل می‌کنند، با این تفاوت که در آنها از سیالات متفاوت به عنوان سیال‌های انتقال و ذخیره حرارت استفاده می‌شوند. از این سیستم در کارخانجاتی استفاده می شود که در آنها سیال انتقال حرارت بسیار گران است یا برای استفاده به عنوان سیال ذخیره مناسب نیست.

سیال ذخیره از مخزن دمای پایین از طریق یک مبدل حرارتی اضافی جریان می یابد، جایی که توسط مایع انتقال حرارت با دمای بالا گرم می شود. سپس سیال ذخیره با دمای بالا به مخزن ذخیره با دمای بالا باز می گردد. سیال در دمای پایین از این مبدل حرارتی خارج می شود و به کلکتور یا گیرنده خورشیدی باز می گردد و در آنجا دو باره تا دمای بالا گرم می شود. مایع ذخیره از مخزن با دمای بالا برای تولید بخار به روشی مشابه سیستم مستقیم دو مخزن استفاده می شود. سیستم غیرمستقیم به یک مبدل حرارتی اضافی نیاز دارد که هزینه سیستم را افزایش می دهد.

این سیستم در بسیاری از نیروگاه های سهموی در اسپانیا مورد استفاده قرار خواهد گرفت و همچنین برای چندین نیروگاه سهموی ایالات متحده پیشنهاد شده است. کارخانجات از روغن آلی به عنوان مایع انتقال حرارت و از نمک مذاب به عنوان مایع ذخیره استفاده می کنند.

سیستم ترموکلاین تک مخزن

سیستم‌های ترموکلاین تک مخزن انرژی حرارتی را در یک محیط جامد - معمولاً ماسه سیلیسی - که در یک مخزن قرار دارد ذخیره می‌کنند. در هر زمانی در حین کار، بخشی از محیط در دمای بالا و بخشی در دمای پایین است. مناطق گرم و سرد با یک گرادیان دما یا ترموکلاین از هم جدا می شوند. سیال انتقال حرارت با دمای بالا به بالای ترموکلاین جریان می یابد و در دمای پایین از پایین خارج می شود. این فرآیند ترموکلاین را به سمت پایین حرکت می دهد و انرژی حرارتی را برای ذخیره سازی به سیستم اضافه می کند. معکوس کردن جریان، ترموکلاین را به سمت بالا حرکت می دهد و انرژی حرارتی را از سیستم برای تولید بخار و برق حذف می کند. اثرات شناوری باعث لایه بندی حرارتی سیال در داخل مخزن می شود که به تثبیت و حفظ ترموکلاین کمک می کند.
سیستم های کوچکتر CSP را می توان مستقیماً در جایی که برق مورد نیاز است قرار داد. به عنوان مثال، سیستم های تک دیش/موتور می توانند 5 تا 25 کیلووات برق در هر دیش تولید کنند و در کاربردهای توزیع شده مورد استفاده قرار گیرند.استفاده از یک محیط ذخیره سازی جامد و نیازمند به تنها یک مخزن، هزینه این سیستم را نسبت به سیستم های دو مخزن کاهش می دهد. این سیستم در برج برق Solar One خود را نشان داد، جایی که از بخار به عنوان مایع انتقال حرارت و از روغن معدنی به عنوان مایع ذخیره استفاده می شد.

مناطق پرتابش خورشیدی - برای تمرکز انرژی خورشید، نباید خیلی پراکنده باشد. این با شدت طبیعی مستقیم انرژی خورشید اندازه گیری می شود.

منبع: دفتر فناوری‌های انرژی خورشیدی وزارت نیرو