منابع و ماخذ مقاله انرژی های تجدیدپذیر و انرژی خورشیدی

شکل 1-1 نمونه ای از یک نیروگاه دریافت کننده مرکزی با چندین برج [1]
1-3 طرح کلی نیروگاه دریافت کننده مرکزی
طرح کلی نیروگاه دریافت کننده مرکزی که به آن برج توان خورشیدی نیز گفته می شود، به این صورت می باشد که میدان بزرگی از آینه ها که به نام هلیواستات معروفند، تابش مستقیم خورشید را به سمت یک دریافت کننده که در بالای یک برج بلند قرار دارد منعکس می کنند. در واقع میدان هلیواستات در حکم یک جمع کننده است که تابش مستقیم نور خورشید را به سمت یک دریافت کننده متمرکز می کند. بخشی از دریافت کننده به نام جاذب که دارای ضریب جذب بسیار بالاست، انرژی تابشی را جذب و به حرارت تبدیل می کند. این سیال یا می تواند مستقیما وارد یک سیکل تولید توان شود و یا از طریق یک مبدل حرارتی انرژی خود را به سیال عامل تحویل دهد. سیکل تولید توان نیروگاه می تواند سیکل رانکین با سیال عامل آب باشد و حتی در طرح های جدیدتر می توان از سیکل توربین گازی برایتون یا از سیکل ترکیبی استفاده نمود [2]. شکل 1-2 نمودار ساده ای از نیروگاه دریافت کننده مرکزی همراه با سیکل ترکیبی را نشان می دهد.


Widget not in any sidebars

شکل 1-2 نمودار ساده ای از نیروگاه دریافت کننده مرکزی [3]
1-4 مروری بر کارهای گذشته
نیروگاه های گرمایی- خورشیدی با فناوری تمرکز نوری در آینده نقش مهمی در تولید برق با استفاده از انرژی های تجدیدپذیر بر عهده خواهند داشت ولی هم اکنون تعداد آنها در مقایسه با نیروگاه های سوخت فسیلی کم می باشد [4]. انرژی خورشید در سطح زمین بسیار گسترده است ولی به دلیل دمای پایین تولید کار از آن مشکل می باشد [5]، به همین علت در نیروگاه های حرارتی- خورشیدی برای افزایش دما از فناوری تمرکز نوری استفاده می کنند. متمرکز کردن انرژی خورشید، ابتدا برای مصارف انرژی در مقیاس کوچک 100 وعموماً برای پمپ های آب استفاده می شد. ایده نیروگاه دریافت کننده مرکزی ابتدا در سال 1956 توسط یک دانشمند روس به نام باوم [6] مطرح شد. طرح پیشنهادی او به این صورت بود که تعداد 1300 آینه که بر روی واگن های کوچکی قرار داشتند، نور را بر روی یک دیگ متمرکز می کردند. واگن های کوچک، قادر بودند بر روی چند ریل منحنی شکل در اطراف دیگ حرکت کنند. طبق محاسبات باوم، این مجموعه در هر ساعت قادر به تولید 11 تا 13 تن بخار در فشار 30 اتمسفر و دمای 400 بود [6].
اولین کار اجرایی در این زمینه در سال 1965 توسط فرانسیا در شهر سان ایلاریو ایتالیا انجام گرفت. در این کار مساحت کل آینه های بکار رفته 52 بود. آینه ها به شکل دایره بوده و به صورت مکانیکی باهم ارتباط داشتند. عمل رد گیری خورشید نیز به صورت مکانیکی انجام می گرفت[2].
در سال 1976 یک طراحی مهندسی نسبتاً جامع از یک نیروگاه دریافت کننده مرکزی، توسط ونت هول و هیلدبرند [7] ارائه شد. در طرح آن ها تا 500 تولید توان الکتریکی پیش بینی شده بود. آن ها برای مدل سازی بخش نوری یا گردآور نیروگاه، یک مدل کامپیوتری ارائه کردند. براوردهای اقتصادی آنان قابل رقابت بودن چنین نیروگاهی با نیروگاه های سوخت فسیلی را نشان می داد [5]. در همین سال ریاز [8] هلیواستات های واقع بر روی یک نیم دایره به مرکز پای برج را بررسی کرد. او دو زاویه شیب و سمت را به صورت تابعی از وقت روز و موقعیت هلیواستات روی نیم دایره برای یک عرض جغرافیایی خاص و یک روز خاص از سال بدست آورد [8].
در1977 لیپز و ونت هول [9] روشی برای بهینه سازی یک سیستم دریافت کننده مرکزی ارائه کردند. در این روش، میدان هلیواستات به تعدادی واحد یا سلول تقسیم می شود که هر سلول مجموعه ای از چندین هلیواستات است. به منظور سادگی، برخی از پارامتر های میدان (مثلاً فاصله هلیواستات ها از یکدیگر) برای هر سلول ثابت در نظر گرفته شد. این فرض باعث کمتر شدن حجم محاسبات گردید. لیپز و ونت هول چند نوع آرایش را برای میدان هلیواستات مورد بررسی قرار داده و به این نتیجه رسیدند که آرایش یک در میان عملکرد بهتری نسبت به دیگر آرایش ها خواهد داشت [9].
پس از بحران انرژی در سال 1973 طرح های استفاده از انرژی خورشیدی در مقادیر زیاد رو به افزایش نهاد. نیروگاه 750 یورولیوس در ایتالیا در سال 1981 با هزینه 2/8 میلیون دلار اولین نیروگاه دریافت کننده مرکزی متصل به شبکه بود. بازده خورشیدی به الکتریکی آن 1/8% با سیال عامل آب بود که به حداکثر دمای 512 می رسید. از دیگر نیروگاه های ساخته شده می توان به نیروگاه 10 سولاروان در سال 1982 در آمریکا با بازده خورشیدی به الکتریکی 7/8% و هزینه 141 میلیون دلار اشاره کرد. این نیروگاه که با استفاده از بخار به عنوان سیال حامل حرارت فعال بود، بازسازی شد و نوع سیستم دریافت کننده آن به نمک مذاب تغییر یافت و در آن از یک سیستم ذخیره حرارتی با دو منبع نمک مذاب استفاده شد و پس از آن به نام سولار تو تغییر نام یافت [2]. شکل 1-3 نماهایی از این نیروگاه را نشان می دهد.

شکل 1-3 نماهایی از نیروگاه سولارتو در امریکا [10]
در 1989 کولادو و تورگانو [11] روشی برای محاسبه انرژی سالانه تأمین شده توسط یک میدان هلیواستات ارائه کردند. در روش پیشنهادی آن ها مقدار انرژی با انتگرال گیری از حاصل ضرب دو تابع پیوسته روی میدان بدست می آمد. این دو تابع عبارتند از: انرژی سالانه بر واحد آینه و نسبت مساحت آینه ها بر واحد مساحت زمین. در این کار آرایش هلیواستات ها به صورت شعاعی یک در میان فرض شده بود [11].
در سال 2001 سیلا و الایب [12] روشی هندسی و مدلی ریاضی ارائه کردند که بر مبنای آن هیچ انسدادی در میدان به وجود نیاید. آنها میدان هلیواستات را به چندین ناحیه مشخص تقسیم کردند که بر مبنای آن توانستند استفاده بیشتری از زمین ببرند. روش آنها در عین سادگی در مقایسه با روش سلولی هوشمند از عملکرد بهتری برخوردار است [12].
در سال 2004 چن و همکاران کارایی میدان هلیواستات را مورد بررسی قرار دادند. آن ها از روشی جدید برای دنبال کردن خورشید استفاده کردند و به این ترتیب توانستند هزینه ساخت نیروگاه را کاهش دهند [13].
در سال 2004 دادخواه با استفاده از هندسه برداری روشی را برای محاسبه زوایای مشخصه هلیواستات ها به صورت تابعی از دو متغیر زمان و مکان (نسبت به دریافت کننده) ارائه کرد. نحوه محاسبه برخی پارامترهای مؤثر بر عملکرد میدان هلیواستات از جمله سایه اندازی و انسداد نیز مورد بررسی قرار گرفت [14].
در سال 2009 کولادو [15] روشی را ارائه کرد که بر طبق آن بتوان آرایش و چیدمان هلیواستات ها را در میدان پیدا کرد. روش وی بر مبنای دو پارامتر اصلی بیان شدکه یکی ضریب انسداد معین و دیگری فاصله امن که فاصله بین قطر هلیواستات و قطر مشخصه هر هلیواستات برای ایجاد انسداد معین می باشد. قطر مشخصه نیز قطری است که بر مبنای آن هلیواستات ها در میدان چیده می شوند. او میدانی شامل هزار هلیواستات را برای منطقه آلمریا در اسپانیا طراحی و روش خود را با روش سلولی هوشمند مقایسه کرد [15].
یائو و همکارانش در سال 2009 طراحی یک نیروگاه 1 را در چین انجام دادند که هم اکنون در حال ساخت می باشد. آنها نرم افزار HFDL را برای طراحی میدان ارائه کردند که شبیه سازی میدان را به کمک نرم افزار TRNSYS انجام می داد. همچنین مدلی برای محاسبه میزان توان حرارتی جذب شده در دریافت کننده نیز ارائه کردند [16].
در سال 2010 وی و همکارانش روشی جدید برای طراحی میدان هلیواستات ارائه کردند. آنها فاکتور بازده را بر مبنای حاصل ضرب میانگین بازده کسینوسی سالیانه و میانگین بازده تضعیف شدن تعریف کردند و نشان دادند که نتایج آنها با حالتی که بازده دنبال کردن سالیانه در نظر گرفته می شود نزدیکی زیادی دارد [17].
1-4-1 مروری بر کارهای گذشته در زمینه زوایای بهینه پنل های خورشیدی
برای دریافت بیشترین مقدار انرژی باید سطح پانل تقریبا عمود برجهت تشعشع باشد که این امر با استفاده از دنبال کننده هایی که به طورلحظه ای خورشید را دنبال می کنند امکان پذیر است. اما مشکل اصلی هزینه بالای ساخت این دنبال کننده ها می باشد، به طوری که می توان به جای استفاده از دنبال کننده، زاویه شیب پانل را به صورت روزانه، ماهیانه و یا فصلی تغییر داد. اغلب مطالعات انجام شده دراین زمینه، بر روی زاویه شیب کلکتور های خورشیدی آن هم به صورت ماهیانه صورت گرفته است و بیانگر این مطلب می باشد که زاویه شیب در نیم کره شمالی برای کلکتور های خورشیدی رو به جنوب وابسته به عرض جغرافیایی است. به عنوان مثال لوند [18] زاویه بهینه سالانه را برابر با و دافی و بکمن [19] این زاویه را بصورت بدست آوردند. کویی و ریفات [20] زاویه بهینه را در چندین شهر دنیا محاسبه کردند و مقدارآن را بدست آوردند. در روابط بالا علامت مثبت مربوط به مناطق واقع در نیم کره شمالی و علامت منفی برای مناطق واقع در نیم کره جنوبی می باشد.
نیجی گردوف [21] روابطی برای بدست آوردن زاویه بهینه در ماههای مختلف ارائه کرد که این روابط در کارهای انجام شده در مناطق مختلف جغرافیایی برای سنجش اعتبار مورد استفاده قرار می گیرد. اولگن [22] با استفاده از یک مدل ریاضی زاویه بهینه در شهر ازمیر ترکیه رامحاسبه و زوایای بهینه را برای این شهر در ماه ها و فصول مختلف سال ارائه کرد. مجاهید [23] با استفاده از یک الگوریتم محاسباتی زاویه بهینه را برای عرض های جغرافیایی متفاوت از 10 تا 50 درجه به دست آورد و دریافت که اگر پانل ها در فصول مختلف سال بر اساس زاویه بهینه در فصل مورد نظر تنظیم نشوند تقریباً 10% انرژی تشعشعی از بین می رود. گوفیناتان و همکاران [24] انرژی رسیده به سطح شیب دار را به صورت تابعی از زاویه شیب و زاویه سمت الرأس برای نواحی جنوب آفریقا مورد بررسی قرار دادند. گاندرهان و هپبسلی [25] زوایای بهینه را برای شهر ازمیر ترکیه بدست آوردند و نتایج را با مدل نیجی گردوف مقایسه کردند. آنها پیشنهاد کردند که برای افزایش انرژی بدست آمده پانل ها را هر ماه در زاویه بهینه ماهیانه قرار دهیم. کمال سیکر [26] رابطه ای برای بدست آوردن زاویه شیب ارائه کرده و زوایای بهینه را برای شهرهایی از کشور سوریه بدست آورد. همدی و همکاران [27] نیز زاویه شیب بهینه را برای شهری در مصر بدست آوردند و اثر کمیت های مختلف را نیز بررسی کردند. نتایج آن ها در برخی ماه ها هم خوانی کمی با نتایج آزمایشگاهی نشان می داد. هارتلی و همکاران [28] زوایای بهینه را برای دریافت بیشترین تشعشع خورشید در شهر والنسیای اسپانیا بدست آوردند. عزمی و همکاران [29] برای شهر دارالسلام زوایای بهینه را بدست آوردند که نتایج آنها در مقایسه با نتایج بدست آمده از روابط نیجی گردوف در برخی ماه ها تفاوت قابل ملاحظه ای را نشان می داد. علاوه بر کارهای تجربی و استفاده از مدل های ریاضی، شری و همکاران [30] با استفاده ازیک نرم افزار تجاری زاویه بهینه را برای مناطقی از اردن بدست آوردند. عبدل زاده و همکاران [31] زاویه بهینه شیب را برای شهر کرمان تنها با در نظر گرفتن مقادیر ماهیانه انرژی روی سطح افقی بدست آوردند و دریافتند که بیشترین انرژی تشعشعی دریافتی از خورشید در ماه های مختلف سال در زوایای مختلفی صورت می گیرد که با عرض جغرافیایی برابر نمی باشد، اما چنانچه هدف دریافت بیشترین انرژی تشعشعی سالانه باشد زاویه بهینه شیب پانل به عرض جغرافیایی محل نزدیک می باشد.