دانلود متن کامل پایان نامه طراحی و کنترل ميدان هليواستات يک نيروگاه دريافت کننده مرکزی و بهينه سازی آن با استفاده از الگوريتم ژنتيک

لینک دانلود

پايان نامه تحصيلی برای دريافت درجه کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانيک گرايش تبديل انرژی

97 صفحه

 

چکيده:

نيروگاه‌هاي خورشيدي دريافت کننده مرکزي از مهمترين انواع نيروگا ه‌هاي گرمايي -خورشيدي هستند که به دليل امکان رسيدن به دماهاي بالا و بازده حرارتي خوب، مورد توجه قرار گرفته اند. در اين نوع نيروگاه‌ها، تعداد زيادي آينه که به آن‌ها هليواستات گفته مي شود و به طور جداگانه کنترل مي شوند، نور خورشيد را منعکس کرده و بر روي يک دريافت کننده مرکزي که در بالاي يک برج مستقر است متمرکز مي نمايند. از آنجا که ميدان هليواستات بخش اعظم هزينه ساخت چنين نيروگاهي را در بر دارد، طراحي بهينه ميدان و در نتيجه بررسي عوامل مؤثر بر آن بسيار مهم مي باشد.  در اين پژوهش، ابتدا زواياي مشخصه پانل‌هاي خورشيدي جهت دريافت بيشترين تشعشع خورشيد در شهرهاي مختلف ايران بدست خواهد آمد. سپس زواياي مشخصه هليواستات‌ها جهت کنترل آنها تعيين خواهد گرديد. در ادامه طراحي ميدان هليواستات براي کرمان براي توان حرارتي ثابت انجام خواهد گرفت و تأثير عوامل مختلف بر عملکرد ميدان هليواستات بررسي خواهد شد. در انتها با استفاده از الگوريتم ژنتيک، پارامترهاي بهينه يابي مشخص شده و مقدار بيشينه تابع هدف که بازده کل ميدان مي باشد محاسبه خواهد شد.

کليد واژه: نيروگاه دريافت کننده مرکزي، ميدان هليواستات، زواياي مشخصه، توان حرارتي

 

 

 

فهرست مطالب

فصل اول – مقدمه
1-1 مقدمه 2
1-2 اهميت بکار گيري انرژي‌هاي پاک و تجديد پذير در ايران 2
1-3 طرح کلي نيروگاه دريافت کننده مرکزي 3
1-4 مروري بر کارهاي گذشته 4
1-4-1 مروري بر کارهاي گذشته در زمينه زواياي بهينه پنل‌هاي خورشيدي 8
1-5 بيان اهداف 9
فصل دوم – بيشينه کردن انرژي در کلکتورهاي خورشيدي
2-1 مقدمه 11
2-2 مباحث لازم از انرژي خورشيدي 11
2-3 محاسبه شدت تشعشع کل دريافتي روي يک سطح 13
2-4 الگوريتم ژنتيک 18
2-5 داده‌هاي استفاده شده در مدل‌هاي تشعشعي 19
2-6 نتايج 21
2-6-1 مقادير بدست آمده براي زواياي بهينه 21
2-6-2 بررسي کمي زواياي شيب بهينه 25
2-6-3 بررسي بيشينه انرژي بدست آمده بر روي سطح شيبدار با استفاده از زاويه شيب بهينه 27
2-6-4 ارائه مدل براي محاسبه زواياي بهينه ماهيانه، فصلي و ساليانه در ايران 32
2-6-5 بررسي زواياي بهينه ساعتي و انرژي رسيده در اين حالت 34
2-6-6 بررسي زاويه بهينه در کلکتورهاي خورشيدي و پانل‌هاي فوتوولتائيک 36
فصل سوم – نيروگاه‌هاي گرمايي – خورشيدي
3-1 مقدمه 40
3-2 معرفي اجمالي نيروگاه‌هاي گرمايي – خورشيدي 40
3- 2- 1 نيروگاه سهموي با  تمرکز خطي 41
3-2-2 نيروگاه سهموي با  تمرکز نقطه اي 41
3-2-3 نيروگاه دريافت کننده مرکزي يا برج توان خورشيدي 41
3-3 اجزا مختلف يك نيروگاه دريافت کننده مرکزي 43
3-3-1 هليواستات‌ها 43
3-3-2 ميدان هليواستات 46
3-3-3 اثر زاويه‌اي يا كسينوسي 47
3-3-4 اثر سايه 48
3-3-5 اثر انسداد 49
3-3-6 پراکندگي جوي يا تضعيف شدن 50
3-3-7 اثر منعکس کننده 50
3-3-8 كنترل هليواستات‌ها 50
3-3-9 دريافت‌كننده 52
3-3-10 سيال حامل حرارت 53
3-3-11 سيستم ذخيره حرارتي 54
3-4 دلايل مفيد بودن نيروگاه‌هاي خورشيدي در ايران 55
3-5 چشم‌انداز آينده 55
فصل چهارم – طراحي نيروگاه دريافت کننده مرکزي
4-1 مقدمه 57
4-2  محاسبه زواياي مشخصه هليواستات‌ها 57
4-3 مراحل طراحي ميدان هليواستات در يک نيروگاه دريافت کننده مرکزي 60
4-3-1 يافتن مکان هليواستات‌ها در يک نيروگاه دريافت کننده مرکزي 61
4-3-2  يافتن ضريب انسداد 62
4-3-3  پيداکردن بازده هليواستات‌ها 67
4-3- 4 پيداکردن شار حرارتي توليدي توسط ميدان هليواستات‌ها برروي دريافت کننده مرکزي 68
فصل پنجم – نتايج حاصل از طراحي نيروگاه دريافت کننده مرکزي
5-1 مقدمه 71
5-2 بررسي زواياي شيب و سمت الرأس هليواستات‌ها در هر لحظه و هر مکان 71
5-3  طراحي چيدمان هليواستات‌ها در ميدان يک نيروگاه دريافت کننده مرکزي 75
5-3-1 بررسي صحت کد نوشته شده در اين پايان نامه 76
5-3-2 طراحي ميدان هليواستات براي شهر کرمان 80
5-3-3 طراحي ميدان براي نيروگاهي با توان ثابت 81
5-3-4 بررسي تأثير پارامترهاي موثر بر بازده ميدان 85
5-4 بهينه سازي ميدان هليواستات با استفاده از الگوريتم ژنتيک 86
5-5 نتيجه گيري 91
5-6 پيشنهادات 93
فهرست منابع 94
مقالات مستخرج از پايان نامه 100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست جدول‌ها
فصل دوم
جدول 2-1 مقادير انرژي تشعشعي کل متوسط روزانه در هر ماه روي يک سطح افقي در شهرهاي کرمان، بيرجند، شيراز، يزد، طبس و زاهدان 20
جدول 2-2 مقادير زاويه بهينه شيب سطح براي ماه‌هاي مختلف سال با استفاده از مدل 26
جدول 2-3 مقادير زاويه بهينه شيب سطح براي فصول مختلف سال و کل سال با استفاده از مدل 27
جدول 2-4 انرژي دريافتي از سطح صاف و کلکتورهاي A, B, C, D در کل طول سال و انرژي دريافتي روي سطح شيبدار در مقايسه با سطح افق و همچنين در مقايسه با سطح با زاويه شيب بهينه ساليانه در شهر شيراز 28
جدول 2-5 انرژي دريافتي از سطح صاف و کلکتورهاي A, B, C, D در کل طول سال و انرژي دريافتي روي سطح شيبدار در مقايسه با سطح افق و همچنين در مقايسه با سطح با زاويه شيب بهينه ساليانه در شهر يزد 28
جدول 2-6  معادلات بدست آمده براي ماه‌هاي مختلف سال براي کشور ايران 32
جدول 2-7 مقايسه نتايج بدست آمده از معادلات حاضر با معادلات نيجيگرودوف [21] 33
جدول 2-8  معادلات بدست آمده براي فصول مختلف سال و کل سال براي کشور ايران 34
جدول 2-9 زواياي بهينه ساعتي براي 1 روز از هر ماه 35
جدول 2-10 مقادير زاويه شيب بهينه در حالات مختلف با استفاده از مدل 37
جدول 2-11 انرژي رسيده به سطح شيبدارقرار گرفته در زواياي بهينه مختلف در حالات مختلف 37
جدول 2-12 انرژي رسيده به سطح شيبدار(%) قرار گرفته در زواياي بهينه مختلف در حالات مختلف در مقايسه با حالت ساليانه 38
فصل پنجم
جدول 5-1 پارامترهاي بکار برده شده در مرجع [2] 76
جدول 5-2 بازه‌هاي تعريف شده براي متغير‌هاي بهينه يابي 87
جدول 5-3 مقادير بهينه و مقدار بيشينه تابع هدف در الگوريتم ژنتيک 89
جدول 5-4 تفاوت دو چيدمان بهينه انجام شده در اشکال 5-18 و 5-19 91

 

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل‌ها

فصل اول
شکل 1-1 نمونه اي از يک نيروگاه دريافت کننده مرکزي با چندين برج [1] 3
شکل 1-2 نمودار ساده اي  از نيروگاه دريافت کننده مرکزي [3] 4
شکل 1-3 نماهايي از نيروگاه سولارتو در امريکا [10] 6
فصل دوم
شکل 2-1 نمايي کلي از يک کلکتور خورشيدي 11
شکل 2-2 زواياي مشخص کننده جهت و وضعيت صفحه و نيز زواياي مشخص کننده موقعت خورشيد [19] 12
شکل 2-3 زواياي اصلي عرض خغرافيايي، ساعت و ميل [32] 13
شکل 2-4 الف) نمودار الگوريتم ژنتيک ب) نمودار مربوط به بهينه سازي انرژي رسيده به پانل خورشيدي 19
شکل 2-5 زاويه بهينه سمت الرأس براي روزها ي مختلف سال بر اساس ميانگين ماهيانه مقادير روزانه و ميانگين روزانه شدت تشعشع خورشيدي براي شهر کرمان 22
شکل 2-6 زاويه بهينه سمت الرأس براي روزهاي مختلف سال بر اساس ميانگين ماهيانه مقادير روزانه و ميانگين روزانه شدت تشعشع خورشيدي براي شهر کرج 22
شکل 2-7 زاويه بهينه شيب سطح براي ماه‌هاي مختلف سال با استفاده از مدل‌هاي مختلف براي شهر کرمان 23
شکل 2-8  زاويه بهينه شيب سطح براي روز‌هاي مختلف سال با استفاده از مدل‌هاي مختلف براي شهر کرمان 24
شکل 2-9 زاويه بهينه شيب سطح براي ماه‌هاي مختلف سال با استفاده از مدل‌هاي مختلف براي شهر شيراز 24
شکل 2-11 مقادير انرژي تشعشعي کل متوسط روزانه رسيده به يک سطح شيب دار بر حسب زواياي سمت الرأس مختلف براي زواياي مختلف شيب در ماه سپتامبر براي شهر کرمان 29
شکل 2-12 مقادير انرژي تشعشعي کل متوسط روزانه رسيده به سطح شيب دار بر حسب زواياي سمت الرأس مختلف براي چندين زاويه شيب در ماه ژانويه براي شهر کرمان 30
شکل 2-13 انرژي رسيده به کلکتور B در شهرهاي مختلف ايران 30
شکل 2-14 نقشه کانتوري انرژي دريافتي کلکتورهاي خورشيدي با زاويه شيب بهينه ماهيانه براي کل سال 31
شکل 2-15روش بدست آوردن معادله زاويه بهينه مربوط به ماه ژانويه 33
شکل 2-16 انرژي دريافتي از کلکتور E در مقايسه با کلکتور A 36
فصل سوم
شکل 3-1 انواع نيروگاه‌هاي گرمايي خورشيدي [37] 40
شکل 3-2 طرح کلي يک نيروگاه دريافت کننده مرکزي [37] 43
شکل 3-3 دنبال کردن خورشيد توسط هليواستات‌ها [14] 44
شکل 3-4 نماي کلي از يک هليواستات [32] 45
شکل 3-5 ميدان هليواستات با هليواستات‌هايي واقع در شمال و جنوب برج [37] 47
شکل 3-6 اثر کسينوسي در يک ميدان هليواستات [32] 48
شکل 3-7 سايه اندازي و انسداد در ميدان جمع کننده انرژي خورشيدي [32] 49
فصل چهارم
شکل 4-1 دستگاه مختصات اصلي [14] 57
شکل 4-2  بردارهاي مورد استفاده جهت يافتن زواياي هليواستات‌ها [14] 58
شکل 4-3 ميدان هليواستات با آرايش شعاعي يک در ميان [11] 60
شکل 4-4 زواياي مشخصه هليواستات به کار برده شده در طراحي ميدان 61
شکل 4-5 بدست آوردن تصوير نقاط هليواستات جلو بر روي هليواستات عقب [11] 62
شکل 4-6 نمايي از دواير هليواستات ‌ها داراي قطر مشخصه 64
شکل 4-7 ميزان انسداد يک هليواستات بر روي هليواستات‌هاي مقابل [11] 65
فصل پنجم
شکل 5-1 نمودار زاويه شيب بر حسب ساعت روز براي موقعيت‌هاي مختلف هليواستات :1) نتايج حاصل از اين پايان نامه 2) نتايج مرجع [8] 72
شکل 5-2 نمودار زاويه سمت الرأس بر حسب ساعت روز براي موقعيت‌هاي مختلف هليواستات :1) نتايج حاصل از اين پايان نامه 2) نتايج مرجع [8] 73
شکل 5-3 نمودار زاويه شيب بر حسب ساعت روز براي موقعيت‌هاي ثابت در شمال و جنوب برج 74
شکل 5-4 نمودار زاويه سمت بر حسب ساعت روز براي موقعيت‌هاي ثابت در شمال و جنوب برج 74
شکل 5-5 نمودار زاويه برخورد بر حسب ساعت روز براي موقعيت‌هاي ثابت در شمال و جنوب برج 75
شکل 5-6 چيدمان هليواستات‌ها در ميدان توسط کولادو و کار حاضر 78
شکل 5-7  چيدمان هليواستات در ميدان براي شهر کرمان براي نقطه اعتدال بهاري 79
شکل 5-8 نمونه اي از نيروگاه دريافت کننده مرکزي در نيم کره شمالي [58] 80
شکل 5-9  چيدمان هليواستات‌ها در ميدان براي شهر کرمان براي نقطه تحويل تابستاني 81
شکل 5-10 چيدمان هليواستات با بازده بيش از 90% در ميدان براي شهر کرمان 82
شکل 5-11 چيدمان هليواستات با بازده بيش از 90% در ميدان در شرايط شهر کرمان 83
شکل5-12 نمايي ساده از نيروگاه ساخته شده در شهر اسيجا[1] در اسپانيا [57] 83
شکل 5-13 تاثير ارتفاع برج و طول هليواستات بر بازده ميدان 84
شکل 5-14 تاثير فاصله امن و ضريب انسداد بر بازده ميدان 85
شکل 5-15 تاثير نسبت پهنا به ارتفاع بر بازده ميدان 86
شکل 5-16 هزينه ي ساخت برج دريافت کننده با ارتفاع‌هاي مختلف [32] 88
شکل 5-17 نمودار همگرايي بازده کل ميدان در الگوريتم ژنتيک 89
شکل 5-18 چيدمان هليواستات‌ها در ميدان بر مبناي مقادير بهينه در نيروگاهی با توان  20 90
شکل 5-19 چيدمان هليواستات با استفاده از مقادير جدول5-1 در نيروگاهی با توان  20 90

 

 

 

 

 

فهرست علائم

شماره روز در سال ميلادي
شاخص صافی هوا مربوط به تشعشع روزانه
شاخص صافی هوا مربوط به تشعشع ماهيانه
شاخص صافی هوا مربوط به تشعشع ساعتي
ميانگين ماهيانه مقادير روزانه شدت تشعشع خورشيدي دريافتي
ميانگين روزانه شدت تشعشع خورشيدي دريافتي
ميانگين ماهيانه مقادير روزانه شدت تشعشع خورشيدي دريافتي کل
مقادير روزانه شدت تشعشع خورشيدي دريافتي کل
ميانگين ماهيانه مقادير روزانه شدت تشعشع خورشيدي دريافتي مستقيم
ميانگين ماهيانه مقادير روزانه شدت تشعشع خورشيدي پخشي
ميانگين روزانه شدت تشعشع خورشيدي پخشي
ميانگين ماهيانه مقادير روزانه شدت تشعشع خورشيدي انعکاسي اززمين
ميانگين ماهيانه مقادير روزانه تشعشع خورشيد خارج از جو
ميانگين روزانه تشعشع خورشيد خارج از جو
مقادير ساعتي تشعشع خورشيد
مقادير ساعتي تشعشع پخشي خورشيد
مقادير ساعتي تشعشع مستقيم خورشيد
مقادير ساعتي تشعشع خورشيد خارج از جو
بردار يکه تابش خورشيد
بردار يکه متصل کننده مرکز هليواستات و دريافت کننده
بردار نرمال سطح هليواستات
مختصه x  مرکز هليواستات X
مختصه y  مرکز هليواستات Y
مختصه z  مرکز هليواستات Z
ارتفاع برج دريافت کننده
انرژی تشعشعي در واحد سطح آينه
انرژی تشعشعي در واحد سطح عمود بر جهت تابش
ضريب انسداد
فاصله بين رديف‌هاي هليواستات‌ها
ارتفاع هليواستات
عرض هليواستات
مختصات نقطه اي روي هليواستات u1,v1
مختصات تصوير نقطه ي u1,v1 u,v
فاصله بين دو نقطه (u,v) و (u1,v1)
برداري که مبدا آن مرکز بردار منعکس کننده و پايان آن مرکز هليواستات جلويي مي باشد
بردارهاي واحد مشخص کننده جهت هليواستات
اختلاف بين مختصه Z  مرکز دو هليواستات
قطر مشخصه هر هليواستات
قطر هر هليواستات
نسبت ارتفاع به عرض
عرض سايه
طول سايه
کوچکترين فاصله شعاعي ممکن
شعاع هر ناحيه
کوچکترين شعاع ميدان
ضريب پراکندگي جوي يا تضعيف شدن
فاصله هليواستات تا دريافت کننده
ضريب اسپيليج
مساحت هليواستات
شار حرارتي توليد شده در يک هليواستات
ضريب سايه- انسداد
شار تشعشع خورشيد بر حسب
شدت تابش کل يک هليواستات
شدت تابش حرارتي کل هليواستات‌ها
شدت تابش کل حرارتي جذب شده در دريافت کننده
شدت حرارت تلف شده از طريق انتقال حرارت جابجايي
مساحت دريافت کننده
ضريب انتقال حرارت ترکيبي جابه جايي آزاد- اجباري
ضريب انتقال حرارت جابه جايي اجباري
ضريب انتقال حرارت جابه جايي آزاد
توان حرارتي اتلافي از طريق تشعشع
مساحت دريچه دريافت کننده
فهرست علائم يوناني
زاويه شيب (°)
زاويه شيب روزانه (°)
زاويه شيب ماهيانه (°)
زاويه شيب فصلي (°)
زاويه شيب ساليانه (°)
زاويه سمت الراس (°)
زاويه سمت الراس بهينه (°)
زاويه سمت الرأس خورشيد (°)
زاويه ارتفاع خورشيد (°)
زاويه سمت خورشيد (°)
زاويه عرض جغرافيايي (°)
زاويه ساعت (°)
زاويه ميل (°)
زاويه ساعتي غروب خورشيد (ميل خورشيد) (°)
زاويه طلوع خورشيد (ميل خورشيد) (°)
زاويه غروب خورشيد (ميل خورشيد) (°)
ضريب انعکاس زمين
زاويه برخورد اشعه خورشيد با سطح (°)
زاويه برخورد اشعه خورشيد با سطح صاف (°)
زاويه ي تابش (°)
زاويه ي بازتابش (°)
زاويه برخورد (°)
زاويه ارتفاع (°)
انحراف معيار شکل خورشيد بر روي صفحه دريافت کننده
بازده در دسترس پذيري ميدان
بازده دريافت کننده
بازده تانک ذخيره
تفاوت زواياي سمت الرأس دو بردار  و
فاصله زاويه هليواستات‌ها از يکديگر
بازده هر هليواستات
ضريب بازتاب سطح
ضريب جذب دريافت کننده
ضريب صدور
فاصله زاويه هليواستات‌ها از يکديگر


 

دانلود متن کامل در

full-thesis-download.ir

 

فصل اول

 

 

 

 

مقدمه

 

 

1-1 مقدمه

در اين فصل ابتدا به لزوم بکار گيري انرژي‌هاي تجديد پذير با توجه به شرايط کشورمان ايران مي پردازيم. سپس طرح کلي يک نيروگاه دريافت کننده مرکزي معرفي خواهد شد. در ادامه به معرفي کارهاي تحقيقي و اجرايي گذشته مي پردازيم و در انتها اهداف اين پروژه معرفي خواهد شد.

1-2 اهميت بکار گيري انرژي‌هاي پاک و تجديد پذير در ايران

نور خورشيد باعث رشد همه ي گياهان شده و آب تازه براي گياهان وبقاي انسان توليد مي کند. بعلاوه به عنوان منبع گرمازا در زندگي مردم هزاره اول مؤثر بوده و آزمايشات جدي براي استفاده از آن براي توليد انرژي، در قرن هجدهم شروع شد که رايج ترين کاربرد آن گرم کردن منازل مي باشد. شار حرارتي در مناطق مختلف زمين بسته به موقعيت جغرافيايي، شرايط آب و هوايي منطقه، ساعات آفتابي و … مقادير مختلفي مي باشد. در حال حاضر حدود 90%  الکتريسيته توليدي در کشور توسط نيروگاه‌هاي سوخت فسيلي تامين مي شود. سهم بسيار بزرگ سوخت‌هاي فسيلي در توليد توان الکتريکي در ايران عامل بروز مشکلاتي از جمله آلودگي محيط زيست و همچنين کاهش ظرفيت صادرات نفت و گاز کشور شده است. از طرفي افزايش مصرف انرژي جهان در سال‌هاي آتي ناشي از افزايش رشد جمعيت ، ميل به رفاه و افزايش توليد ناخالص سرانه در جهان است که پيش بيني مي شود تا سال 2020 به حدود 7000دلار يعني تقريبا 75% بيش از سال 1890 باشد.  انتظار مي رود با مصرف اين ميزان انرژي، ميزان انتشار دي اکسيد کربن از 9/5 گيگا تن در سال 1890 به 4/8 گيگاتن در سال 2020 برسد. گازهاي آلاينده ديگر را بايد به اين ميزان اضافه کرد. مطالعات و تجربيات نشان مي دهد که دو راه حل اصلي براي تعديل اين مشکل وجود دارد:

  1. افزايش بازده و صرفه جويي در مصرف انرژي
  2. افزايش سهم انرژي‌هاي تجديد پذير در ترکيب انرژي جهان

يادآوري اين نکته بسيار مهم است که استفاده از انرژي‌هاي تجديد پذير در مقايسه با سوخت‌هاي فسيلي هر چند از هزينه بهره برداري بسيار اندک برخوردار است، لکن هزينه سرمايه گذاري بسيار بالاتر  و حتي چندين برابر خواهد داشت. همين موانع سبب شده که در حال حاضر سهم انرژي‌هاي نو کمتر از 2% و در 2020 حدود 4% از کل انرژي مصرفي جهان پيش بيني شود.  با توجه به اين گونه مشکلات و همچنين رو به اتمام بودن منابع سوخت‌هاي فسيلي، اهميت و لزوم کار سازمان يافته جهت جايگزين نمودن منابع انرژي پاک و تجديد پذير، مشخص مي گردد. يکي از منابع تجديد پذير و در عين حال در دسترس با ظرفيت بالا در ايران انرژي خورشيدي مي باشد. در نيروگاه‌هاي گرمايي –  خورشيدي، تابش خورشيدي به انرژي گرمايي تبديل مي شود تا با استفاده از آن، بخار آب مورد نياز براي به حرکت در آوردن توربين‌ها توليد شود که به روش تبديل الکتريکي- حرارتي موسوم است. نيروگاه‌هاي خورشيدي دريافت کننده مرکزي از مهمترين انواع نيروگا ه‌هاي گرمايي – خورشيدي هستند که به دليل امکان رسيدن به دماهاي بالا و بازده حرارتي خوب، مورد توجه قرار گرفته اند که در ادامه به توضيح مختصري در مورد اين نيروگاه مي پردازيم. شکل 1-1 نمونه اي از يک نيروگاه به همراه چندين برج دريافت کننده را نشان مي دهد که در حال ساخت در کشور استراليا مي باشد وقرار است تا سال 2013 بهره برداري شود.

شکل 1-1 نمونه اي از يک نيروگاه دريافت کننده مرکزي با چندين برج [1]

1-3 طرح کلي نيروگاه دريافت کننده مرکزي

طرح کلي نيروگاه دريافت کننده مرکزي[2]  که به آن برج توان[3] خورشيدي نيز گفته مي شود، به اين صورت مي باشد که ميدان بزرگي از آينه‌ها که به نام هليواستات[4]  معروفند، تابش مستقيم خورشيد را

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

دانلود متن کامل در

full-thesis-download.ir

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5-5 نتيجه گيري

نيروگاه دريافت کننده مرکزي از مهمترين انواع نيروگاه‌هاي گرمايي – خورشيدي مي باشد که به دليل بازده حرارتي و نسبت تمرکز بالا مورد توجه زيادي قرار دارد. با توجه به اين نکته که ميدان هليواستات در اين نيروگاه بيش از 50% هزينه نيروگاه را شامل مي شود، لذا بررسي عوامل مؤثر بر عملکرد ميدان هليواستات و همچنين طراحي بهينه آن از اهميت خاصي برخوردار است. در اين پروژه مشخص گرديد که زواياي بهينه کلکتورهاي خورشيدي با هليواستات‌ها متفاوت مي باشد، بدين صورت که کلکتورهاي خورشيدي همواره مي بايستي عمود بر جهت تابش خورشيد باشند اين در حالي است که زاويه هليواستات‌ها بايد به گونه اي باشد که در هر لحظه اشعه بازتابيده شده از هليواستات را به سمت دريافت کننده متمرکز نمايد.

نتايج حاصل از بررسي زواياي بهينه کلکتور‌هاي خورشيدي نشان داد که:

 

  • محاسبه مقادير مربوط به انرژي نشان داد که انرژي تشعشعي بدست آمده روي سطح شيبدار برحسب زواياي بهينه روزانه نسبت به ماهيانه، فصلي و ساليانه بيشتر مي باشد، اما استفاده از دنبال کننده که روزانه خورشيدرادنبال کند به دليل تفاوت ناچيز انرژي کسب شده در حالت روزانه و ماهيانه مقرون به صرفه نمي‌باشد. اين درحالي است که مقاديرانرژي دريافتي بر اساس زواياي بهينه ماهيانه  با فصلي و ساليانه تفاوت قابل ملاحظه اي دارد. لذا مي‌توان زاويه را به صورت ماهيانه تغيير داد تا انرژي بيشتري نسبت به زاويه بهينه ساليانه دريافت کرد و در عين حال از هزينه‌هاي مربوط به دنبال کننده روزانه نيز اجتناب ورزيد.
  • بررسي زواياي بهينه ساعتي نشان داد که اولا زاويه سمت الراس بهينه ساعتي بر خلاف زاويه سمت الرأس روزانه يا ماهيانه صفر نمي باشد. همچنين انرژي دريافتي در اين حالت تفاوت قابل ملاحظه اي با حالتي که در آن کلکتور‌هاي خورشيدي بر طبق زواياي بهينه روزانه تنظيم شود دارا مي باشد.
  • بررسي زواياي بهينه کلکتور‌هاي خورشيدي و پانل‌هاي فوتوولتائيک نشان داد که زاويه بهينه بيشتر بر مبناي تابش مستقيم خورشيد تنظيم مي شود. اين درحالي است که انرژي دريافتي مربوط به تابش پخشي و انعکاسي زمين نيز بسيار چشم گير مي باشد.

 

با استفاده از نتايج حاصل براي طراحي ميدان در اين پروژه استنتاج مي شود که:

 

  • در نيمکره شمالي ميانگين زاويه برخورد در شمال برج کمتر از جنوب است. بنابراين براي حصول عملکرد بهتر بايد همه يا بيشتر هليواستات‌ها را در شمال برج مستقر نمود.
  • ارتفاع برج موجب افزايش بازده کسينوسي و همچنين کاهش بازده پراکندگي جوي مي شود. بنابراين افزايش ارتفاع تا جايي که اثر کسينوسي اثر غالب باشد باعث بهبود عملکرد ميدان مي شود.
  • هليواستات‌ها براي اينکه بيشترين بازده را داشته باشند بايد به صورت مربعي ساخته شوند.
  • بهينه سازي ميدان توسط الگوريتم ژنتيک نشان داد که در صورت طراحی ميدان با استفاده از مقادير بهينه بدست آمده در اين پايان نامه، می‌توان مساحت کل هليواستات‌ها و همچنين مساحت ميدان را به شدت کاهش داد در حالی که همان بازده و توان در ميدان حاصل شود.

 

5-6 پيشنهادات

  1. بررسي و آناليز اقتصادي ميدان هليواستات و بهينه سازي دو هدفه ميدان جهت داشتن بيشترين بازده ميدان و کمترين هزينه
  2. شبيه سازي کامل نيروگاه دريافت کننده مرکزي شامل بخش حرارتي و بخش مکانيکي نيروگاه
  3. مقايسه انواع مختلف نيروگاه‌هاي گرمايي – خورشيدي از لحاظ کارايي و هم از لحاظ اقتصادي

 

 

 

 

 

فهرست منابع

[1] New Technologies in Spain, Technology review, published by MIT, http://www.technologyreview.com/spain.

[2] Mills, D. R., 2001, Solar Energy, the state of the art, ISES position papers, Chapter 11, Editted by Jeffrey Gordon.

[3] Solar Thermal power plants, Technology Fundamentals, published in Renewable Energy World 06/2003 pp. 109-113, http://www. volkequaschning. de/articles/ fundamentals2 /index.php.

[4] Sizmann, R., Winter, C. J., Sizmann, R. L., and Vant Hull, L. L. Solar radiation conversion, Solar power plants, Springer-Verlag, Berlin, 1991, pp. 17-83.

[5] Miller, F. J., and Koenigsdorff, R. W. Thermal modeling of a small-particle solar central receiver. Journal of solar energy engineering, 2000, 122:7-23.

[6] Baum, V. A., Aparasi, R. R., and Garf, B. A. High power solar installation. Solar Energy, 1957, 1: 6-12.

[7] Vant-Hall, L. L., and Hildebrandt, A. F. Solar thermal power system based on optical transmission. Solar Energy, 1976, 18: 31-39.

[8] Riaz, M. R. A Theory of Concentrators of Solar Energy on a Central Receiver for Electric Power Generation. ASME Journal of Engineering for Power, 1976, 98: 375-384.

[9] Lipps, F. J., and Vant-Hall, L. L., A cell wise method for the optimization of large central receiver systems. Solar Energy, 1977, 20: 505-516.

[10] Romero, M., Romero, M., Pacheco J. E. An Update on Solar Central Receiver Systems, Projects, and Technologies. ASME Journal of Solar Energy Engineering, 2002, 124: 98-108.

[11] Collado, F. J., and Turegano, J. A. Calculation of the annual thermal energy supplied by a defined heliostat field. Solar Energy, 1989, 42: 149-165.

[12] Siala, F. M. F., and Elayeb, M. E. Mathematical formulation of a graphical method for a no-blocking heliostat field layout.  Renewable Energy, 2001, 23: 77–92.

[13] Chen, Y. T., Kribus,  A., Lim, B. H., Lim, C. S., Chong, K. K., Karni, J., Buck, R., Pfahl, A., Bligh, T. P. Comparison of Two Sun Tracking Methods in the Application of a Heliostat Field. ASME, 2004, 126.

[14] رضا دادخواه، مطالعه عملکرد ميدان هليواستات در يک نيروگاه خورشيدي دريافت کننده مرکزي، پايان نامه کارشناسي ارشد مکانيک، دانشگاه شهيد باهنر کرمان، 1383.

[15] Collado, F. J. Preliminary design of surrounding heliostat fields, Renewable Energy, 2009, 34: 1359–1363.

[16] Yao, Z., Wang, Z., Lu, Z., Wei, X. Modeling and simulation of the pioneer 1 MW solar thermal central receiver system in China. Renewable Energy, 2009, 34: 2437–2446.

[17] Wei, X., Lu, Z., Wang, Z., Yu, W., Zhang, H., Yao, Z. A new method for the design of the heliostat field layout for solar tower power plant. Renewable Energy, 2010, 35 (9): 1970-1975.

[18] Lunde, P.J. Solar Thermal Engineering, John Wiley and Sons, Inc., New York, NY, 1980.

[19] Duffie, J.A., and Beckman, W.A. Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley and Sons, Inc., New York, NY, 1982.

[20] QIU, G., and RIFFAT, S. B. Optimum tilt angle of solar collectors and its impact on performance. International Journal of Ambient Energy, 2003, 24: 13-20.

[21] Nijegorodov, N., Devan, K.R.S., and Jain, P.K. Atmospheric transmittance models and an analytical method to predict the optimum slope on an absorber plate. Renewable Energy, 1997, 4: 525-530.

[22] Ulgen, K. Optimum tilt angle for solar collectors. EnergySources, Part A: Recoveryy, Utilization and Environmental Effects, 2006, 28: 1171-1180.

[23] Abdulaziz, M. Optimum tilt angle for solar collection systems. International Journal of Solar Energy, 1994, 14: 191-202.

[24] Gopinathan, K.K., Maliehe, N.B., and Mpholo, M.I. Study on the intercepted insulation as a function of slope and azimuth of the surface. Energy, 2007, 32: 213–220.

[25] Gunerhan, H., and Hepbasli, A. Determination of the optimum tilt angle of solar collectors for building applications, Building and Environment, 2007, 42: 779–783.

[26] Skeiker, K. Optimum tilt angle and orientation for solar collectors in Syria, Energy Conversion and Management, 2009, 50: 2439–2448.

[27] Elminir, H. K., Ghitas, A. E., El-Hussainy, F., Hamid, R., Beheary, M. M., and Abdel-Moneim, K. M. Optimum solar flat-plate collector slope: Case study for Helwan, Egypt. Energy Conversion and Management, 2006, 47: 624–637.

[28] Hartley, L. E., Martinez-Lozano, J. A., Utrillas, M. P., Tena, F., and Pedro, R. The optimization of the angle of inclination of a solar collector to maximize the incident solar radiation, Renewable Energy, 1999, 6: 180-298.

[29] Azmi, M., Yakup, M., and Malik, A.Q. Optimum tilt angle and orientation for solar collector in Brunei Darussalam, Renewable Energy, 24: 223–234.

[30] Shariah, A., Al-Akhras, M.A., and Al-Omari, I.A., Optimizing the tilt angle of solar collectors, Renewable Energy, 2002, 12: 587.598.

[31] مرتضي عبدل‌زاده، سعيد جعفري، محمد رهنما و مهران عامري “تعيين زاويه بهينه پانل­هاي خورشيدي ثابت براي دريافت بيشترين انرژي تشعشعي در شهر کرمان”، نشريه يبن المللي علوم مهندسي دانشگاه علم و صنعت ايران، جلد 19، شماره 10- ب، سال 1387، صفحه 91- 98.

[32] William, Stine, B., and Geyer, M. Power from the Sun, Retrieved December 18, 2009.

[33] Liu, B. Y. H., and Jordan, R. C. Daily insulation on surfaces tilted towards the equator. Q7, Trans. ASHRAE, 1979, 526–541.

[34] Klein, S. A. Calculation of monthly average insulation on tilted surfaces, Solar Energy, 1981, 10: 72-77.

[35] Klein, S. A., and Theilacker, J. C. An algorithm for calculating monthly average radiation on inclined surface. ASME, J. Solar Energy Eng. 1981, 1: 103-270.

[35] Goldberg, D.E. Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning. Reading, MA: Addison-Wesley, 1989.

[36] Haupt, R. L. and Haupt, S. E. Practical Genetic Algorithm, John Wiley and Sons, Inc., New York, 2004.

[37] Liberali, R., and Finat, A. G., Concentrating Solar Power From research to implementation, Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 2007, 40 pp. ISBN 978-92-79-05355-9.

[38] Kolb, G. J., Jones, S. A., and Donnelly, M. W. Heliostat cost reduction study, SAND, 2007-3293, http://www.prod.sandia.gov/cgi-bin/techlib / access control.pl / 2007 /073293.

[39] Quaschning, V. Technical And Economical System Comparison of Photovoltaic and Concentrating Solar Thermal Power systems Depending on Annual Global Irradiation, Solar Energy, 2004, 77: 171-178.

[40] Chen, Y. T., and Kribus, A. Comparison of Two Sun Tracking Methods in the Application of a Heliostat Feild, Transacations of ASME, 2004, 126: 638-644.

[41] Welford, W. T., and Winston, R. The Optics of Nonimaging Concentrators. Academic Press, Newyork, 1987.

[42] Bannerot, R. B. and Laurence, C. L. A design method for optimizing collector systems for small solar central receivers. ASME J. Solar Energy Engineeing, 1980, 102: 240-247.

[43] Vittitoe, C. N. and Biggs, F. A user’s guide to Helios: a computer program for modeling the optical behavior of reflecting solar concentrators. Part 3, 1981.

[44] Ramos, F. and Muri, M. A. Optimization of a central receiver solar electric power plant code: ASPOC program. Programa technologic GAST,ASINEL, 1984.

[45] IER (JEN). I Curso sobre aprovechamiento solar termico en alta temperature. Almeria (1985).

[46] Hennet, J. C. Evaluation et conception de champs of heliostats focalisants. Toulouse, 1982.

[47] Falcone, P. K. A handbook for solar central receiver design. SAND86-8009. Albuquerque; 1986.

[48] Vittitoe, C. N. and Biggs, F., Terrestrial propagation loss, paper presented at the American section, international solar energy society Meeting, August 1978, Denver, Colorado.

[49] Collado, F. J. Quick evaluation of the annual heliostat field efficiency. Solar Energy, 2008, 82: 379–384.

[50] Pacheco, J.E., Reilly, H.E., Kolb, G.J., Tyner, C.E. Summary of the Solar Two: Test and Evaluation Program. Alburquerque (NM), SANDIA Labs: SAND2000-0372C, 2000.

[51] Siebers, D. L., and Kraabel J. S. Estimating convective energy losses from solar central receivers. SAND84-8717. Sandia National Laboratories; April 1984.

[52] Jacobs, H. Receiver losses: results of tests. Draft report. Sandia National Laboratories, 1985.

[53] EU-Energy. Concentrating solar power: from research to implementation. Available from: http://ec.europa.eu/energy/res/publications/index_en.htm; 2007

[54] DLR. European concentrated solar thermal road-mapping (ECOSTAR). EU funded study SES6-CT-2003–502578; 2005.

[55] Kistler, B. L. A user’s manual for DELSOL3: a computer code for calculating the optical performance and optimal system design for solar thermal central receiver plants. SAND86-8018. Albuquerque; 1986.

[56] New Technologies in Spain, Technology review, published by MIT, http://www.technologyreview.com/spain.

[57] Liberali, R., and Finat, A. G. Concentrating Solar Power From research to implementation, Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 2007, 40 pp. ISBN 978-92-79-05355-9.

[58] Romero, M., Romero, M., Pacheco J. E. An Update on Solar Central Receiver Systems, Projects, and Technologies. Journal of Solar Energy Engineering, 124: 98, 108.

[59] Sterns Roger Engineering Company, Tower cost data for central receiver studies, Sandia National Labs Report SAND78-8185, 1979.

 

 

 

فهرست مقالات مستخرج از پايان نامه
P. Talebizadeh, M. Abdolzadeh, M. A. Mehrabian, Determination of optimum slope angles of solar collectors based on new correlations, Energy Sources, Part A, 33:1567–1580, 2011.
P. Talebizadeh, M. Abdolzadeh, M. A. Mehrabian (2010) Determination of the optimum slope and surface azimuth angles using genetic algorithm, submitted in Energy and Buildings, Accepted with minor revision.
P. Talebizadeh, M. Abdolzadeh, M. A. Mehrabian, Investigation of the Different Components of Solar Radiation in Order to Calculate the Optimum Solar Angles and the Energy Gain Using Genetic Algorithm, ASME, 5th International Conference on Energy Sustainability (ESFuelCell2011), Washington DC, August 7-10, 2011. Accepted.
P. Talebizadeh, M. A. Mehrabian, M. Abdolzadeh, Preliminary Design of a Surrounding Heliostat Field for a Central Receiver Solar Power Plant, the  10th International Conference on Sustainable Energy Technologies (SET), September  2011  in  Kumburgaz, İstanbul,  Türkiye, Accepted.
پويان طالبي زاده، رضا دادخواه آسمان، مظفرعلي مهرابيان ، مرتضي عبدل‌زاده، تعيين زواياي مشخصه و بررسي اثر کسينوسي در يک ميدان هليواستات در يک نيروگاه دريافت کننده مرکزي، نوزدهمين همايش سالانه مهندسي مکانيک ايران، ISME2011، ايران، بيرجند، دانشگاه بيرجند، 20 لغايت 22 ارديبهشت 1390
P. Talebizadeh, M. A. Mehrabian, M. Abdolzadeh, M. A. Azmi, Comparison of Energy Gain of a Solar Collector under Different Conditions of Optimum Slope Angle Using Genetic Algorithm , 19th Annual Conference on Mechanical Engineering-ISME2011, 10-12 May, 2011, The University of Birjand, Birjand, Iran, Accepted.

 

 

 

 

Abstract

 

Central receiver solar power plant (CRSPP) is one of the most important solar-thermal power plants that attracts the highest attention because of good thermal efficiency and the possibility to reach the fluid to high temperature values. In CRSPP, the heliostats reflect the sunrays to the receiver and concentrate the power of sun onto it. Since the surrounding heliostat field has a significant cost contribution in CRSPP (almost 50% of the total is assigned to the heliostat field), therefore the design and control of the heliostat field are very important. In this paper, the characteristic angles of solar collectors are first determined for receiving maximum solar energy gain. Then, the characteristic angles of heliostats are calculated in order to control the field. The heliostat field is designed for Kerman, Iran for a given input power. The influence of the effective parameters is investigated and the optimum values of the effective parameters are then determined using Genetic algorithm for maximizing the total efficiency of the field.

Keywords: Central receiver, Heliostat field, Optimization, Input power, Genetic algorithm

 

[1] Ecija

[2] Central receiver

[3] Power tower

[4] Heliostat

پیام بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

fifty seven + = 61