کاربردهای نیروگاهی انرژي خورشيدي

تأسیساتی که با استفاده از آنها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسیته تبدیل می‌شود نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می‌شود این تأسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده‌های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شوند:
1- نیروگاههایی که گیرنده آنها آینه‌های سهموی ناودانی هستند

2- نیروگاه‌هاییکه گیرنده آنها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه‌های بزرگی بهنام هلیوستات به آن منعکس می‌شود. (دریافت کننده مرکزی)

3 - نیروگاه‌هایی که گیرنده آنها بشقابی سهموی (دیش) می‌باشد

4- دودکش‌های خورشیدی


قبلاز توضیح در خصوص نیروگاه خورشیدی بهتر است شرح مختصری از نحوه کارکرد نیروگاه‌های تولید الکتریسیته داده شود. بهتر است بدانیم در هر نیروگاهی اعم از نیروگاههای آبی، نیروگاههای بخاری و نیروگاههای گازی برای تولیدبرق از ژنراتورهای الکتریکی استفاده می‌شود که با چرخیدن این ژنراتورها برق تولید می‌شود. این ژنراتورهای الکتریکی انرژی دورانی خود را ازدستگاهی بنام توربین تأمین می‌کنند. بدین ترتیب می‌توان گفت که ژنراتورها انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. تأمین کننده انرژی جنبشی ژنراتورها، توربین‌ها هستند توربینها انواع مختلف دارند در نیروگاههای بخاری توربینهایی وجود دارند که بخار با فشار و دمای بسیار بالا وارد آنها شده و موجب به گردش در آمدن پره‌های توربین می‌گردد. در نیروگاه‌های آبی که روی سدها نصب می‌شوند انرژی پتانسیل موجود در آب موجب به گردش در آمدن پره‌های توربین می‌شود.

بدین ترتیب می‌توان گفت در نیروگاههای آبی انرژی پتانسیل آب به انرژی جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می‌شود، درنیروگاههای حرارتی بر اثر سوختن سوختهای فسیلی مانند مازوت، آب موجود درسیستم بسته نیروگاه داخل دیگ بخار (بویلر) به بخار تبدیل می‌شود و بدین ترتیب انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می‌شود درنیروگاههای گازی توربینهایی وجود دارد که بطور مستقیم بر اثر سوختن گاز به حرکت درآمده و ژنراتور را می‌گرداند و انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می‌شود. و اما در نیروگاههای حرارتی خورشیدی وظیفه اصلی بخش‌های خورشیدی تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربینها است یا به عبارت دیگر می‌توان گفت که این نوع نیروگاهها شامل دو قسمت هستند:
سیستم خورشیدی که پرتوهای خورشید را جذب کرده و با استفاده از حرارت جذب شده تولید بخار می‌نماید.
سیستمی موسوم به سیستم سنتی که همانند دیگر نیروگاههای حرارتی بخار تولید شده را توسط توربین و ژنراتور به الکتریسیته تبدیل می‌کند.



1- نیروگاههای حرارتی خورشید از نوع سهموی خطی:

دراین نیروگاهها، از منعکس کننده‌هایی که به صورت سهموی خطی می‌باشند جهت تمرکز پرتوهای خورشید در خط کانونی آنها استفاده می‌شود و گیرنده به صورت لوله‌ای در خط کانونی منعکس کننده‌ها قرار دارد. در داخل این لوله روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتو های خورشید گرم و داغ می‌گردد.

روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب را به بخار به مدارهای مرسوم درنیروگاههای حرارتی انتقال داده می‌شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد.

برای بهره‌گیری بیشتر و افزایش بازدهی لوله دریافت کننده سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب بالایی دارد پوشش می‌دهند و همچنین در محیط اطراف آن لوله شیشه‌ای به صورت لفاف پوشیده می‌شود تا از تلفات گرمایی و افت تشعشعی جلوگیری گردد و نیز از لوله دریافت کننده محافظت بعمل آید.

ضمناً بین این دو لوله خلاء بوجود می‌آوردند برای آنکه پرتوهای تابشی خورشید در تمام طول روز به صورت مستقیم به لوله دریافت کننده برسد.

در این نیروگاهها یک سیستم ردیاب خورشید نیز وجود دارد که بوسیله آن آینه‌های شلجمی دائماً خورشید را دنبال می‌کنند و پرتوهای آن را روی لوله دریافت کننده متمرکز می‌نمایند.

تغییرات تابش خورشید در این نیروگاهها توسط منبع ذخیره و گرمکن سوخت فسیلی جبران می‌شوند. در چند کشور نظیر ایالات متحده آمریکا – اسپانیا – مصر – مکزیک –هند و مراکش از نیروگاه‌های سهموی خطی استفاده شده‌ است که این نیروگاه هایا در مرحله ساخت و یا در مرحله بهره‌برداری قرار دارند. در ایران نیزتحقیقات و مطالعاتی در زمینه این نیروگاهها انجام شده و پروژه یک نیروگاه تحقیقاتی با ظرفیت ۳۵۰ کیلووات توسط سازمان انرژیهای نو ایران در شیراز درحال انجام می‌باشد .

کلیه مراحل مطالعاتی، طراحی و ساخت این نیروگاه‌ به طور کامل توسط مختصصین و مهندسان ایرانی انجام می‌پذیرد.

بدیهی است که با افزایش ظرفیت فنی و علمی که در اثر اجرای پروژه نیروگاه خورشیدی شیراز عايد محققین مجرب ایرانی می‌شود ایران در زمره محدود کشورهای سازنده نیروگاه‌های خورشید از نو ع متمرکز کننده‌های سهموی خطی قرار خواهند گرفت.

2- نیروگاههای حرارتی از نوع دریافت کننده مرکزی:

دراین نیروگاه‌ها پرتوهای خورشیدی توسط مزرعه‌ای متشکل از تعداد زیادی آینهمنعکس کننده بنام هلیوستات بر روی یک دریافت کننده که در بالای برج نسبتاًبلندی استقرار یافته‌است متمرکز می‌گردد. در نتیجه روی محل تمرکز پرتوهاانرژی گرمایی زیادی بدست می‌آید که این انرژی بوسیله سیال عامل که داخلدریافت کننده در حرکت است، جذب می‌شود و بوسیله مبدل حرارتی به سیستم آب وبخار مرسوم در نیروگاه‌های سنتی منتقل شده و بخار فوق گرم در فشار و دمایطراحی شده برای استفاده در توربین ژنراتور تولید می‌گردد.

این سیالعامل در مبدلهای حرارتی در کنار آب قرار گرفته و موجب تبدیل آن به بخار بافشار و حرارت بالا می‌گردد. در برخی از سیستم‌ها سیال عامل آب است ومستقیماً در داخل دریافت کننده به بخار تبدیل می‌شود.

برای استفادهدائمی از این نوع نیروگاه‌ در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد مثلاًساعات ابری یا شبها از سیستم‌های ذخیره کننده حرارت و یا احیاناً ازتجهیزات پشتیبانی که ممکن است از سوخت فسیلی استفاده کنند جهت ایجاد بخاربرای تولید برق کمک گرفته می‌شود.

مطالعات و تحقیقات در زمینهفناوری و سیستمهای این نیروگاه‌ها ادامه دارد و آزمایشگاهها و مؤسساتمتعددی در سراسر دنیا در این زمینه فعالیت می‌کنند.

مطالعات ساختاولین نیروگاه خورشیدی ایران از نوع دریافت کننده مرکزی توسط سازمانانرژیهای نو ایران و با کمک شرکتهای مشاور و سازنده داخلی با ظرفیت یکمگاوات و سیال عامل آب و بخار در طالقان جریان دارد. کلیه مطالعات اولیه وپتانسیل سنجی و طراحی نیروگاه به انجام رسیده و یک نمونه هلیوستات نیزساخته شده‌است.

3- نیروگاه‌های حرارتی از نوع بشقابی:

يك نوع مدولي از گرآورنده ها تحت عنوان بشقاب سهموي يك سطح فضايي است كه از دوران يك سهمي بوجود مي آيد و كانون آن يك نقطه است. براي اينكه چنين سيستمي كاملا موثر باشد لازم است كه اين گردآورنده تمام مدت بطرف خورشيد نشانه گيري شود و در نتيجه به مكانيسم ردگيري دو محوري نياز دارد. انرژي حرارتي را مي توان با كمك يك سيال مناسب در ناحيه كانوني جمع‌ آوري كرد و اين انرژي را يا به يك سيكل ترمو ديناميكي جدا از گردآورنده منتقل نمود و يا اينكه در يك موتور كوچك ( در حدود Kwe 25 كه در پشت نقطه كانوني سوار مي شود،‌بكار برد. موتورهاي استرلينگ نيز براي اين كاربرد تحت توسعه بوده اند و موتورهاي رانكين و برايتون هم براي اين كاربرد ارزيابي شده اند. نمونه هاي كامل اين سيستم هاي گردآوري – الكتريكي ساخته و آزمايش شده اند . تركيب گردآورنده – استرلينگ با راندمان تبديل نور خورشيد به برق از قرار تقريبا 30% درتحت شرايط واقعي ساخته و آزمايش شده اند. به R&D بيشتر در زمينه موتور استرالنيگ، مبدل هاي حرارتي كانوني و سطوح بازتابنده ارزان قيمت نياز هست تا بتوان كارآئي دراز مدت و توجيه اقتصادي سيستم را افزايش داد.

دريافت كننده مركزي، معادل يك بشقابك بزرگ سهموي است. مجموعه اي از آينه هائي كه هر يك بطور جداگانه انرژي خورشيد را منعكس و متمركز مي كنند هليوستات ناميده مي شوند. انرژي توسط يك مبدل حرارتي كه در روي يك برج نصب شده است و گيرنده ناميده مي ود جذب مي شود. يك كامپيوتر هر يك از هليوستات ها را طوري كنترل مي نمايد كه زاويه بين خورشيد و گيرنده راهميشه نصف مي كند. اندازه و درجه حرارت اين سيستم ها به آساني با بويلر هاي بخار صنعتي و نيروگاهي قابل قياس هستند. اين سيستم ها تا معادلMwe 200 با ضريب ظرفيت ساليانه 50% و با دستگاههاي توليد قدرت معمولي قابل استفاده هستند. يك نيروگاه نمونه Mwe10 كه از بخار / آب بعنوان سيال ناقل حرارت استفاده مي كند ساخته و آزمايش شده است و چندين تاسيسات كوچكتر ديگر هم ساخته شده اند. اجزاء نمونه براي سيستم هاي نسل دوم كه بر پايه نمك مذاب نيترات پتاسيم / سديم بعنوان سيال ناقل حرارت بنا شده اند نيز ساخته و آزمايش شده اند. R&Dدر زمينه گيرنده هاي پيشرفته و جنس مواد ذخيره و همچنين سطوح بازتابنده ادامه دارد. طرحي براي گنجاندن تكنولوژي نسل دوم ( نمك ) در يك نيروگاه نمونه با ظرفيت Mwe 10 درحال حاضر در دست است.

4- دودکش‌های خورشیدی:
روش دیگر برای تولیدالکتریسیته از انرژی خورشید استفاده از برج نیرو یا دودکش‌های خورشیدیمی‌باشد در این سیستم از خاصیت دودکش‌ها استفاده می‌شود به این صورت که بااستفاده از یک برج بلند به ارتفاع حدود ۲۰۰ متر و تعداد زیادی گرمخانه‌های خورشیدی که در اطراف آن است هوای گرمی که بوسیله انرژی خورشیدیدر یک گرمخانه تولید می‌شود و به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه‌هاقرار دارد، هدایت می‌شود.

این هوای گرم بعلت ارتفاع زیاد برج باسرعت زیاد صعود کرده و با عث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برجنصب شده‌است می‌گردد و بوسیله این ژنراتور برق تولید می‌شود هم اکنون یکنمونه از این سیستم در ۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید احداث گردیده که ارتفاعبرج آن به ۲۰۰ متر می‌رسد. يك نمونه Kwe 100 در اسپانيا ساخته شده است.