فاعلية المحطات الشبه المشتركة الشمسية

د. حسين الربيعي

المعهد العالي للميكانيك والكهرباء / هون

ص. ب. : 61297 ، هون ، الجماهيرية الليبية

 

تم تقديم الورقة البحثية في المؤتمر الدولي الأردني الرابع للهندسة الميكانيكية ( JIMEC2001) ،

نقابة المهندسين الأردنيين ، للفترة 8 : 10 أكتوبر 2001  ، عمان ـ الأردن .

 

ملخص :

      إن الغاية الأساسية من هذه الدراسة هي بحث إمكانية تطوير التصميم الحراري لمحطات إنتاج الطاقة الكهربائية البخارية التقليدية للعمل بنظام شبه مشترك يتم فيه استغلال مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية من نوع القطع المكافئ الأسطواني في تجهيز كمية من الطاقة الحرارية للوحدة التربينية البخارية . وقد تم في البحث دراسة فاعلية تصاميم مختلفة لربط مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية في التصميم الحراري للمحطة البخارية . وبصفة مقياس للفاعلية تم استخدام مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة لإنتاج الطاقة الكهربائية بالشبكة نتيجة لاستخدام مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية . وقد بينت نتائج الدراسة الفاعلية الاقتصادية والبيئية للتصاميم المقترحة . حيث بلغ مقدار التوفير الأدنى في كمية الوقود المستهلكة في الشبكة 177.5 ton/year لكل MW من الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية. وطبقا لذلك فإن مقدار الانخفاض في الطاقة الحرارية وكمية أكاسيد النتروجين المطروحة للوسط

المحيط 0.628 ton/year.MW , 5204 GJ/year.MW  .

 

1 ـ المقدمة :

      تعتبر الطاقة الكهربائية من الركائز الأساسية التي تقوم عليها النهضة العصرية بمختلف أشكالها والشريان الذي يغذي مختلف الأنشطة الاجتماعية والاقتصادية. وقد تركزت في السنوات الأخيرة معظم البحوث العلمية في مجال الطاقة حول وسائل ترشيد استهلاك المصادر التقليدية للطاقة والحفاظ على البيئة من مصادر التلوث  [ 1 , 2 ] . ونتج عن هذا التركيز استنباط وسائل وطرق متعددة لاستغلال المصادر الثانوية للطاقة ومصادر الطاقة الجديدة والمتجددة في إنتاج الطاقة الكهربائية . وتشير نتائج الدراسات الحديثة في مجال الطاقة الشمسية إلى فاعلية استخدام مصفوفات المجمعات الشمسية التركيزية من نوع القطع المكافئ الأسطواني في إنتاج الطاقة الكهربائية والطاقة الحرارية اللازمة لبعض التطبيقات الصناعية

[ 3 ,4 ] . وكذلك بينت نتائج بعض الدراسات السابقة إمكانية زيادة الفاعلية الاقتصادية للمحطات الكهربائية الشمسية عن طريق تحقيق نظام مشترك لاشتغال هذه النوعية من المحطات على طاقة الإشعاع الشمسي والوقود التقليدي [ 2 , 3 ].

      وبناء على ما تقدم ولمواكبة حركة التقدم الصناعي والتطور التقني في مجال إنتاج الطاقة الكهربائية والإيفاء بالمتطلبات المستقبلية لاستهلاك المصادر التقليدية للطاقة والحفاظ على أدنى مستوى من التلوث للوسط المحيط سوف نتطرق في الدراسة الحالية إلى بحث فاعلية تطوير التصميم الحراري لمحطات إنتاج الطاقة الكهربائية البخارية التقليدية للعمل بنظام شيه مشترك يتم فيه استغلال مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية من نوع القطع المكافئ الأسطواني في تجهيز كمية من الطاقة الحرارية للوحدة التربينية البخارية . ومن الطبيعي في هذه الحالة لابد من الأخذ بعين الاعتبار تأثير الخواص والمواصفات التصميمية للوحدة التربينية البخارية والظروف المناخية وطبيعة الطقس في الموقع المدروس على فاعلية التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية .

 

2 ـ التصميم الأساسي للمحطة البخارية :

      يتكون التصميم الأساسي للمحطة البخارية من مرجل بخاري بطاقة إنتاجية ( 338.26 ton/hr  ) ووحدة تربينية بخارية تكثيفية ذات محور واحد وقدرة تصميمية 120 MW . تعمل التربينة البخارية عند خواص ابتدائية للبخار

(To= 535 C ; Po= 128.47 bar   ) ومرحلة واحدة لعملية إعادة تسخين البخار في المرجل ( PRH= 29.87 bar  

 TRH= 535 C ;  ) كما هو موضح في الشكل ( 1 ).

      وتتكون التربينة البخارية من ثلاث اسطوانات ( HPT ; IPT ; LPT ) لتمدد البخار المجهز من المرجل

( TSB= 540 C ; PSB= 137.47 bar  ) وتتضمن ستة نقاط لاستنزاف البخار من هذه الاسطوانات لغرض التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية (  الجدول ( 1 )).

الجدول ( 1 ) خواص البخار عند نقاط الاستنزاف المختلفة من التربينة البخارية.

 

3 ـ التصاميم المدروسة للمحطة الشبه المشتركة الشمسية :

     التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية يتضمن مصفوفة مجمعات شمسية تركيزية من نوع القطع المكافئ الأسطواني إضافة إلى الأجزاء السابقة الذكر في التصميم الأساسي للمحطة البخارية ( الفقرة 2 ). حيث يتم وفقا للتصميم المقترح استغلال مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية في تجهيز كمية من الطاقة الحرارية للوحدة التربينية البخارية عن طريق منظومة التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية . مما يؤدي ذلك إلى هبوط كمية البخار المستنزفة من التربينة لغرض التسخين الاسترجاعي لميه التغذية . ومن ثم انخفاض معدل استهلاك الوقود للمرجل نتيجة لهبوط كمية البخار المجهزة للوحدة التربينية البخارية. حيث تعتمد طريقة عمل التصميم المقترح في النظام الشبه المشترك على الخواص والمواصفات التصميمية للوحدة التربينية البخارية. لذلك تضمن موضوع الدراسة الطرق التالية لاشتغال المحطة في النظام الشبه المشترك :

ـ الطريقة الأولى ( في حالة وجود احتياطي على زيادة معدل تدفق البخار في المراحل الأخيرة من التربينة البخارية وكمية

                     الطاقة الكهربائية المنتجة للمولد ) :

   في هذه الطريقة تعمل الوحدة التربينية البخارية عند معدل التدفق التصميمي لكمية البخار المجهزة من المرجل

 ( Do = con.  ) ويتم داخل التربينة البخارية تمدد كمية البخار الغير مستنزفة لعملية التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية. مما يؤدي ذلك إلى زيادة معدل تدفق البخار إلى المكثف (  DK = var. ) وارتفاع كمية الطاقة الكهربائية المنتجة للتربينة البخارية (   NE = var.  ).

 

الشكل ( 1 ) التصميم الأساسي للمحطة البخارية.

 

ـ الطريقة الثانية ( في حالة عدم وجود احتياطي على زيادة الطاقة الكهربائية للمولد ):

   في هذه الطريقة يتم داخل التربينة البخارية تمدد كمية البخار الغير مستنزفة لعملية التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية

( DK = var.  ) . وبهذه الحالة للحفاظ على كمية ثابته للطاقة الكهربائية المنتجة ( NE = con.   ) للوحدة التربينية البخارية يتم تقليل كمية البخار المجهزة للوحدة التربينية البخارية (  Do = var.    ) . مما يؤدي ذلك إلى هبوط معدل استهلاك الوقود للمرجل .

 

ـ الطريقة الثالثة ( في حالة عدم وجود احتياطي على زيادة معدل تدفق البخار في المراحل الأخيرة من التربينة البخارية ):

   في هذه الطريقة يتم تقليل كمية البخار المجهزة للوحدة التربينية البخارية ( Do = var.  ) بمقدار أكبر من كمية البخار الغير مستنزفة لعملية التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية. وذلك للحفاظ على المعدل التصميمي لتدفق البخار في المرحلة الأخيرة من التربينة البخارية (  DK= con.  ). مما يؤدي ذلك إلى هبوط كمية الطاقة الكهربائية المنتجة ( NE = var. ) للوحدة التربينية البخارية وانخفاض معدل استهلاك الوقود للمرجل .

     مما تقدم يتبين إن فاعلية التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية سوف تعتمد على طريقة ربط مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية في التصميم الحراري للمحطة البخارية . هذا بالإضافة إلى المحددات التقنية لعمل المحطة في النظام الشبه المشترك الشمسي . لذلك تم في الدراسة الحالية اقتراح التصاميم التالية لربط مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية في منظومة التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية :

1.3 ـ التصميم المدروس الأول :

        يتم وفقا للتصميم المقترح ( الشكل (2  ) ) ربط مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية بخزان نزع الهواء والغازات المذابة في مياه التغذية ( D ). وبذلك في حالة وجود الإشعاع الشمسي يتم تجهيز كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية إلى منظومة التسخين الإسترجاعي لمياه التغذية . مما يؤدي ذلك إلى هبوط كمية البخار المستنزفة من التربينة البخارية إلى خزان نزع الهواء والغازات المذابة . ومن ثم إما زيادة الطاقة الكهربائية المنتجة للوحدة التربينية البخارية في حالة الطريقة الأولى لاشتغال المحطة في النظام الشبه المشترك أو انخفاض كمية البخار المجهزة للوحدة التربينية البخارية في حالة الطرق الأخرى لعمل المحطة الشبه المشتركة الشمسية . وبالتالي هبوط كمية الوقود المستهلكة إنتاج الطاقة الكهربائية.

الشكل ( 2 ) التصميم المدروس الأول لربط مصفوفة المجمعات الشمسية في المحطة البخارية .

      وبناء على ما تقدم سوف تعتمد كمية الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية على الطاقة الحرارية المطلوبة لتسخين مياه التغذية والمتكثف الأساسي في خزان نزع الهواء والغازات المذابة وكذلك على المحددات التقنية لطريقة عمل التصميم المقترح للمحطة في النظام الشبه المشترك .

2.3 ـ التصميم المدروس الثاني :

        كما هو معروف عند استخدام عملية إعادة التسخين للبخار في التصميم الحراري للمحطة البخارية تكون أقصى درجة حرارة للبخار المستنزف من التربينة البخارية لغرض التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية هي عند نقطة الاستنزاف الواقعة بعد عملية إعادة التسخين مباشرة .

      وبذلك لتقليل مقدار الفقد في اكسيرجي البخار المستنزف لعملية التسخين الاسترجاعي وزيادة فاعلية التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية تم تطوير التصميم المدروس الأول ( الفقرة 1.3 ). حيث يتم وفقا للتصميم المقترح ( الشكل (  3)) تجهيز كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية للمسخن الحراري الثاني ( FWH2 ). مما يؤدي ذلك إلى هبوط كمية البخار المستنزفة من التربينة البخارية للمسخنات الحرارية الثاني( FWH2 ) والثالث (FWH3  ) وخزان نزع الهواء والغازات المذابة ( D ). وبذلك سوف تعتمد كمية الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية على كمية الطاقة الحرارية اللازمة لتسخين مياه التغذية في المسخن الحراري الثاني هذا بالإضافة إلى المحددات التقنية لطريقة عمل التصميم المقترح في النظام الشبه المشترك .

الشكل (3  ) التصميم المدروس الثاني لربط مصفوفة المجمعات الشمسية في المحطة البخارية.       

 

3.3 ـ التصميم المدروس الثالث :                                                                                                               ت                                تتميز بعض تصاميم المحطات البخارية التقليدية بارتفاع عدد المسخنات الحرارية المستخدمة في منظومة التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية . مما يؤدي ذلك إلى هبوط كمية الطاقة الحرارية اللازمة لتسخين مياه التغذية والمتكثف الأساسي في المسخن الحراري . لذلك وبهدف زيادة فاعلية التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية في حالة هبوط كمية الطاقة الحرارية التصميمية للمسخن الحراري وعند وجود احتياطي كبير على زيادة معدل تدفق البخار في المراحل الأخيرة من التربينة البخارية تم تعديل التصميم المدروس الثاني ( الفقرة 2.3 ). حيث يتم وفقا للتصميم المقترح ( الشكل (  4)) تجهيز السائل الناقل للحرارة بعد خروجه من مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية إلى خزان نزع الهواء والغازات المذابة وكذلك لمنظومة التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية ذات الضغط العالي مع الأخذ بعين الاعتبار مقدار الفقد في إكسيرجي البخار المستنزف لهذه المنظومة . مما يؤدي في حالة التصميم المدروس ( الشكل (4  )) إلى هبوط كمية البخار المستنزفة من التربينة البخارية للتسخين الاسترجاعي في المسخن الحراري الثاني ( FWH2  ) وخزان نزع الهواء والغازات المذابة ( D ) هذا بالإضافة إلى المسخن الحراري الثالث (FWH3   ). وبذلك سوف تعتمد كمية الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية على الطاقة الحرارية اللازمة للتسخين الاسترجاعي في المسخن الحراري الثاني وخزان نزع الهواء والغازات المذابة.

الشكل ( 4 ) التصميم المدروس الثالث لربط مصفوفة المجمعات الشمسية في المحطة البخارية .

 

4 ـ طريقة دراسة فاعلية التصاميم المقترحة :

      لدراسة فاعلية استخدام مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية من نوع القطع المكافئ الأسطواني في التصميم الحراري للمحطات البخارية التقليدية يتطلب الأمر حساب عدة بدائل مختلفة للتصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية تتميز عن بعضها بتغير التصميم المدروس لربط مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية في التصميم الحراري للوحدة التربينية البخارية وطريقة عمل المحطة في النظام الشبه المشترك . وبصفة مقياس للفاعلية الاقتصادية والحفاظ على أدنى مستوى من التلوث للوسط المحيط تم في الدراسة اعتماد مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة لإنتاج الطاقة الكهربائية بالشبكة نتيجة لاستخدام مصفوفة المجمعات الشمسية في التصميم الحراري للمحطة البخارية . وبذلك يمكن أن يعبر عن مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة لإنتاج الطاقة الكهربائية بالعلاقة التالية :

حيث :

 BSB , ( BSB )oـ معدل استهلاك الوقود للمرجل في التصميم الأساسي للمحطة البخارية والتصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية على الترتيب ( ton/hr  ).

 ESTـ كفاءة المحطة التعويضية إنتاج الطاقة الكهربائية .

 Qcvـ القيمة الحرارية للوقود النوعي (  kJ/kg  ).

 DNEـ مقدار التغير في كمية الطاقة الكهربائية المنتجة للوحدة التربينية البخارية نتيجة لاستخدام مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية ( MW  ) ، ويحسب من العلاقة التالية :

 NE , ( NE )oـ الطاقة الكهربائية المنتجة للوحدة التربينية البخارية في التصميم الأساسي للمحطة البخارية والتصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية على الترتيب (  MW ).

    وبذلك فان البديل المناسب هو الذي يعطي أقصى قيمة لتكامل المعادلة ( 1 ) على مدار السنة . ولإجراء هذه الدراسة تم استخدام طريقة النمذجة الرياضية. حيث تم كتابة خوارزمية النموذج الرياضي للتصميم المقترح للمحطة بما يتوافق مع الطبيعة التقنية والفيزيائية للتصاميم المدروسة وطريقة عمل المحطة في النظام الشبه المشترك الشمسي وطبقا للطرق المعتمدة والمستخدمة لإجراء هذه النوعية من الحسابات وهي :

ـ طريقة حساب التصميم الحراري للمحطات البخارية [ 5 ] .

ـ طريقة السماء الصافية لتقدير كمية الإشعاع الشمسي على سطح الأرض [ 6 ] .

ـ طريقة حساب التصميم الحراري والمواصفات التصميمية للمجمعات الشمسية التركيزية من نوع القطع المكافئ الأسطواني [ 7 ] .

   ومن الجدير بالذكر تم في الدراسة لحساب كمية الإشعاع الشمسي على سطح الأرض اعتماد طبيعة الطقس والظروف المناخية لموقع المحطة عند زاوية خط عرض  32.78 deg. [  2 ] . وكذلك تم استخدام الخواص التصميمية المعتمدة في الدراسة [ 4 ] للمجمعات الشمسية التركيزية.

 

5 ـ نتائج دراسة فاعلية المحطة الشبه المشتركة الشمسية :

      

     تعتمد فاعلية التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية بشكل أساسي على الخواص والمواصفات التصميمية للوحدة التربينية البخارية . لذلك تم إجراء دراسة لبحث تأثير طريقة اشتغال التصميم المقترح في النظام الشبه المشترك الشمسي ( الفقرة 3 ) على مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة من العلاقة ( 1 ) وتحديد فاعلية التصاميم المدروسة لربط مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية في التصميم الحراري للمحطة البخارية . وقد بينت نتائج الدراسة على التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية في حالة التصميم المدروس الأول ارتفاع مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة ( DBST ) مع زيادة الوقت الظاهري (LAT  ) في الفترة الصباحية ( الشكل ( 5 )) إلى أن يصل إلى القيمة القصوى عند منتصف النهار (  LAT= 12 hr ) حسب الوقت الظاهري . والسبب في ذلك هو زيادة كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية ( QSC ) كنتيجة لارتفاع كمية الإشعاع الشمسي التي تسقط على سطح مصفوفة المجمعات الشمسية وزيادة كفاءة هذه المصفوفة ( ETA ). ومن ثم هبوط كمية البخار المستنزفة من التربينة البخارية لخزان نزع الهواء والغازات المذابة . وبالتالي ارتفاع مقدار الزيادة في كمية الطاقة الكهربائية المنتجة للوحدة التربينية البخارية ( DNE ) وفقا للطريقة الأولى لاشتغال التصميم المقترح في النظام الشبه المشترك الشمسي . بعد ذلك كما هو مبين في الشكل ( 5 ) تبدأ قيمة مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة في الانخفاض مع زيادة الوقت الظاهري . وذلك بسبب هبوط كمية الإشعاع الشمسي المباشر التي تسقط على سطح مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية وانخفاض كفاءة هذه المصفوفة. مما يؤدي ذلك إلى هبوط مقدار الزيادة في كمية الطاقة الكهربائية المنتجة للوحدة التربينية البخارية

نتيجة لانخفاض كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية .

 

                                                                                                    

الشكل ( 5 ) علاقة المواصفات التصميمية للمحطة الشبه المشتركة الشمسية مع الوقت الظاهري

في حالة التصميم المدروس الأول والطريقة الأولى لاشتغال المحطة.

 

      ويلاحظ من الشكل ( 5 ) زيادة كفاءة مصفوفة المجمعات الشمسية في الفترة الصباحية ( LAT < 12 hr ) لاشتغال مصفوفة المجمعات الشمسية وانخفاضها في الفترة المسائية ( LAT > 12 hr  ). والسبب في ذلك يمكن تفسيره إلى زيادة كمية الإشعاع الشمسي الممتص وارتفاع درجة حرارة الوسط المحيط في الفترة الصباحية. ومن ثم زيادة كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية بمقدار أكبر من الارتفاع في كمية الفقد الحراري للوسط المحيط . أما في الفترة المسائية فان مقدار الانخفاض في كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية أكبر من الهبوط في كمية الفقد الحراري للوسط المحيط.

      وقد تم دراسة تأثير التصميم المدروس الثاني ( الفقرة 2.3 ) والثالث ( الفقرة 3.3 ) على فاعلية التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية. حيث يلاحظ من الشكل ( 6 ) ارتفاع مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة

 ( DBST ) ومقدار الزيادة في كمية الطاقة الكهربائية المنتجة ( DNE ) مقارنة مع التصميم المدروس الأول ( الشكل

( 5 )). وذلك بسبب زيادة كمية الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية (  QSA3 = 21 MW

QSA2 = 14 MW ; ) وهبوط مقدار الفقد في اكسيرجي البخار المستنزف للتسخين الاسترجاعي لمياه التغذية وبشكل خاص في المسخن الحراري الثاني لمياه التغذية ومن ثم ارتفاع مقدار الشغل الذي ينجزه البخار ( الغير مستنزف لعملية التسخين الاسترجاعي ) داخل التربينة البخارية.

الشكل ( 6 ) علاقة المواصفات التصميمية للمحطة الشبه المشتركة الشمسية مع الوقت الظاهري

في حالة التصاميم المدروسة الثاني والثالث والطريقة الأولى لاشتغال المحطة .

 

      وكذلك يبين الشكل ( 6 ) ارتفاع فاعلية التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية مع زيادة كمية الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية. لذلك سوف يتم في نتائج الدراسة الحالية التركيز على التصميم المقترح الثالث. وبذلك تم دراسة تأثير استخدام الطريقة الثاني لاشتغال التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية على مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة ( DBST ). حيث يلاحظ من الشكل ( 7 ) مقارنة مع الشكل (6  ) هنالك تطابق في علاقة مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة مع الوقت الظاهري. ولكن في هذه الحالة زيادة كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية تؤدي إلى ارتفاع مقدار الزيادة بمعدل تدفق البخار في المرحلة الأخيرة من التربينة البخارية ( DDK ) ومقدار الهبوط في كمية البخار المجهزة للوحدة التربينية البخارية ( DDO  ). ومن ثم انخفاض معدل استهلاك الوقود للمرجل نتيجة لهبوط كمية البخار المنتجة للمرجل في النظام الشبه المشترك الشمسي. وكذلك يبين الشكل ( 7 ) هنالك انخفاض بسيط بمقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة مقارنة مع الشكل ( 6 ).

الشكل ( 7 ) علاقة المواصفات التصميمية للمحطة الشبه المشتركة الشمسية مع الوقت الظاهري

في حالة التصميم المدروس الثالث والطريقة الثانية لاشتغال المحطة.

 

والسبب في ذلك يرجع إلى الفرق البسيط بين كفاءة المحطة التعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية وكفاءة التصميم الأساسي للمحطةالبخارية ( ( EST )o = 0.395  ). ويلاحظ من الشكل ( 7  ) إن مقدار الهبوط في كمية البخار المجهزة للوحدة التربينية البخارية أكبر من مقدار الزيادة في معدل تدفق البخار في المرحلة الأخيرة من التربينة البخارية. وذلك بسبب ارتفاع أكسيرجي البخار المستنزف لعملية التسخين الاسترجاعي في المسخنات الحرارية التي تؤثر عليها كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية طبقا للتصميم المدروس الثالث ( الفقرة 3.3  ).

      وقد تم دراسة تأثير استخدام الطريقة الثالثة لاشتغال التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية على مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة خلال الشهر ( DBM  ) عند قيم مختلفة لكفاءة المحطة التعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية ( EST  ) . حيث يلاحظ من الشكل ( 8  ) ارتفاع مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة خلال الشهر في فصل الصيف ( الأشهر 5 , 6 , 7 , 8 )  مقارنة مع فصل الشتاء ( الأشهر 11 , 12 , 1 , 2  ). والسبب في ذلك يمكن تفسيره إلى زيادة كمية الإشعاع الشمسي المباشر التي تسقط على سطح مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية خلال فصل الصيف مقارنة مع فصل الشتاء نتيجة لطبيعة نظام التحكم المستخدم في توجيه مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية ( حركة مركز الأشعة حول محور واحد ممدود بصورة أفقية من الشمال إلى الجنوب ) هذا إلى جانب تعامد الشمس على نصف الكرة الأرضية الشمالي خلال فصل الصيف وطبيعة الطقس في الموقع المدروس ( زاوية خط عرض 32.78 deg. ). ومن ثم ارتفاع كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية. وبالتالي زيادة مقدار الهبوط في كمية البخار المجهزة للوحدة التربينية البخارية. مما يؤدي إلى ارتفاع مقدار الهبوط في الطاقة الكهربائية المنتجة للوحدة التربينية البخارية خلال الشهر ( DNM ) ومعدل استهلاك الوقود للمرجل. وكذلك يلاحظ من الشكل ( 8 ) ارتفاع مقدار التوفير في

الشكل ( 8 ) علاقة مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة ( DBM ) ومقدار الهبوط في الطاقة

 الكهربائية المنتجة ( DNM   ) خلال الشهر للمحطة الشبه المشتركة الشمسية وللأشهر المختلفة

من السنة في حالة الطريقة الثالثة لاشتغال المحطة.

 

كمية الوقود المستهلكة خلال الشهر مع زيادة كفاءة المحطة التعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية . وذلك بسبب انخفاض معدل استهلاك الوقود على إنتاج الطاقة الكهربائية في المحطة التعويضية مقارنة مع التصميم الأساسي للمحطة . وقد تم إجراء تكامل على مدار السنة لمقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة من العلاقة ( 1 ) ولجميع الطرق المدروسة لاشتغال التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية عند قيم مختلفة لكفاءة المحطة التعويضية. حيث يلاحظ من الشكل ( 9 ) فاعلية استخدام الطريقة الأولى لاشتغال التصميم المقترح للمحطة الشبه المشتركة الشمسية عندما تكون كفاءة التصميم

الأساسي للمحطة البخارية ( ( EST )o = 0.395 ) أكبر من كفاءة المحطة التعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية. حيث بلغ مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة DBY = 5338.3 ton/year عند قيمة لكفاءة المحطة التعويضية EST = 0.35 . وطبقا لذلك مقدار الانخفاض في الطاقة الحرارية 156470 GJ/year وكمية اكاسيد النتروجين 18.89 ton/year المطروحة للوسط المحيط . أما إذا كانت كفاءة المحطة التعويضية أكبر من كفاءة التصميم الأساسي للمحطة البخارية في هذه الحالة يبين الشكل ( 9  ) فاعلية الطريقة الثالثة لاشتغال المحطة في النظام الشبه المشترك الشمسي . حيث بلغ مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة DBY = 5757.6 ton/year عند قيمة لكفاءة المحطة التعويضية EST = 0.5 . وطبقا لذلك فان مقدار الانخفاض في الطاقة الحرارية 168760 GJ/year وكمية اكاسيد النتروجين 20.37 ton/year المطروحة للوسط المحيط.

 

الشكل ( 9  ) علاقة مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة خلال السنة (  DBY  ) للمحطة الشبه

المشتركة الشمسية مع كفاءة المحطة التعويضية (  EST  ) في حالة الطرق المختلفة لاشتغال المحطة .

 

  6ـ خلاصة النتائج والتوصيات :

      نتائج دراسة فاعلية المحطة الشبه المشتركة الشمسية تشير إلى :

 1.6ـ فاعلية استخدام مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية من نوع القطع المكافئ الأسطواني في تجهيز كمية من الطاقة الحرارية للوحدة التربينية البخارية عن طريق منظومة التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية. حيث بلغ مقدار التوفير الأدنى في كمية الوقود المستهلكة لإنتاج الطاقة الكهربائية 177.5 ton/year لكل MW من الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية وطبقا لذلك مقدار الانخفاض في الطاقة الحرارية وكمية اكاسيد النتروجين المطروحة للوسط المحيط  0.628 ton/year.MW , 5204 GJ/year.MW .

 2.6ـ تعتمد فاعلية المحطة الشبه المشتركة الشمسية بشكل أساسي على الخواص والمواصفات التصميمية للوحدة التربينية البخارية.

 3.6ـ زيادة كفاءة المحطة التعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية بمقدار 25 %  عن كفاءة التصميم الأساسي للمحطة البخارية تؤدي إلى ارتفاع مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة خلال السنة بنسبة 22 %  في حالة الحفاظ على معدل ثابت لتدفق البخار في المرحلة الأخيرة من التربينة البخارية ، وهبوط مقدار التوفير هذا بنسبة 20 %  في حالة زيادة كمية الطاقة الكهربائية المنتجة للوحدة التربينية البخارية.

4.6 ـ ضرورة إجراء دراسة اقتصادية ـ حرارية لتحديد الخواص والمواصفات التصميمية المثالية لمصفوفة المجمعات الشمسية التي تعطي أقصى فاعلية اقتصادية ممكنة للتصميم المقترح .

 

* الرموز المستخدمة مع الجدول والرسوم التوضيحية :

 SB ـ المرجل البخاري.

 HPT , IPT , LPTـ اسطوانة الضغط المنخفض والمتوسط والمرتفع للتربينة البخارية .

 FWHiـ مسخن مياه التغذية أو المتكثف الأساسي رقم ( i ).

 D, Kـ المكثف وخزان نزع الهواء والغازات المذابة.

 KP , FPـ مضخة مياه التغذية والمتكثف الأساسي على الترتيب .

 RFWHـ مسخن المياه التعويضية للمحطة .

 Diـ كمية البخار المستنزفة من التربينة البخارية لمسخن مياه التغذية رقم ( i ).

 DSCA , DFWـ معدل تدفق مياه التغذية للمرجل ولمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية .

 H , P , Tـ درجة الحرارة والضغط والانثالبي النوعي للبخار على الترتيب .

 FAIـ زاوية خط العرض للموقع المدروس .

 ALP , EPـ معامل انبعاثية وامتصاصية السطح الماص للإشعاع في المجمع الشمسي على الترتيب .

 Lsc , Wscـ عرض وطول فتحة مركز الأشعة للمجمع الشمسي التركيزي على الترتيب .

 Nscـ عدد الصفوف المتوازية في مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية.

 Mscـ عدد المجمعات الشمسية المربوطة على التوالي في الصف الواحد من المصفوفة .

 Qscـ كمية الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية.

 ESBـ كفاءة المرجل في التصميم الأساسي للمحطة البخارية.

 ESTـ كفاءة المحطة التعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية .

 Qcvـ القيمة الحرارية للوقود النوعي .

 

 

المصادر المستخدمة ( REFRENCES   )

1. RICARDO RIVERO & ROBERTO DEL RIO ( 2000 )

     An Advanced Technology Strategy for Energy and The Environment /

     Strategic Planing for Energy and The Environment Journal ( USA ) , Vol. 19 ,

      No. 3 ,  pp. 9 : 24 , Winter 2000 .

2. HUSSAIN A. A. ( 1998 )

     The Economical Effectiveness of Using The Modern Technology to Solve

     Energy and Environmental Problems / The Third Workshop on Energy and

     Environment , IEF , 20 : 21 October 1998 , Tripoli , LIBYA.

 

 

3. HENNECKE K. ( 1999 )

     Integration of Solar Energy Into Industrial Cogeneration System /

     POWER-GEN 99 Conference in Frankfurt , GERMANY , 1 : 3 June , 1999 .

4. LIPPKE F. ( 1996 )

    Direct Steam Generation in Solar Power Plant : Numerical Investigation

    of Transient and Control of a Once – Trough System / Journal of Solar Energy

    Engineering ( USA ), Vol. 118 , pp. 9 : 14 , February 1996 .

5. RYZKIN V.EA. ( 1997 )

     Thermal Power Stations / Moscow – USSR , Energy Press. , 328 pp. .

6. MOUSTAFA M. ELSAYED & JAFFER A. SABBAGH ( 1984 )

    Design of Solar Thermal System / King  Abdulaziz University ,

    JEDDAH – 22441 , SAUDIA ARABIA.

7. SUKHATME S.P. ( 1984 )

     Solar Energy Principle of Thermal Collection and Storage /

     Indian Institute of Technology , Bombay , INDIA .