مجله مهندسی مکانیک

مجله مهندسی مکانیک

طراحی میدان هلیوستات برای یک نیروگاه توربین گاز خورشیدی با توان ثابت 3 مگاوات

نوع مقاله : -

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران
2 استاد، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی، خواجه نصیرالدین طوسی، تهران
چکیده
به کارگیری انرژی های تجدیدپذیر از جمله انرژی خورشیدی می تواند جایگزین مناسبی برای کاهش مصرف سوخت های فسیلی باشد. در این پژوهش به بررسی ترکیب توربین گاز و مزرعه خورشیدی دارای دریافت کننده مرکزی، پرداخته شده است. هدف از این پژوهش استفاده از انرژی خورشید برای پیش گرم کردن هوای خروجی از کمپرسور است که بدین ترتیب می ‌توان سوخت کمتری در محفظه احتراق مصرف نمود. ابتدا طراحی میدان هلیوستات انجام شده است. بدین منظور با یک حدس اولیه برای ماکزیمم شعاع قرارگیری هلیوستات ‌ها، محل قرارگیری هر یک از هلیوستات ‌ها در اطراف برج مرکزی تعیین شده است. همچنین برای ردیابی خورشید توسط هر یک از هلیوستا‌ت‌ ها، زوایای قرارگیری آن‌ ها در ساعات مختلف روز محاسبه شده است. از نوآوری ‌های این پژوهش محاسبه تغییرات زاویه قرارگیری هلیوستات‌ ها در طول روز است. به منظور طراحی میدان هلیوستات، یک GUI طراحی شده است که چیدمان هلیوستات ها در مزرعه خورشیدی را تعیین می کند و سپس زوایای هلیوستات ها را به صورت تابعی از مکان آن ها و موقعیت جغرافیایی منطقه برای ساعات مختلف و در هر یک از روزهای سال محاسبه می نماید. در مقاله حاضر با در نظر گرفتن موقعیت جغرافیای چند شهر مختلف و با فرض توان ثابت 1 مگاوات برای مزرعه خورشیدی، طراحی میدان هلیوستات انجام شده است. طبق نتایج حاصل شده شهر یزد پتانسیل خوبی از لحاظ تابش دارد و به تعداد هلیوستات ‌های کمتری در مزرعه خورشیدی نیاز است. در این‌ جا با ترکیب مزرعه خورشیدی طراحی شده در شهر یزد و توربین گاز 3 مگاواتی CENTAUR-40 نشان داده شده است که می ‌توان دمای هوای خروجی از کمپرسور را قبل از ورود به محفظه احتراق حدود %20 افزایش داد و تا %14 در مصرف سوخت صرفه ‌جویی نمود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] P. Sharma, R. Sarma, L. Chandra, R. Shekhar, and P. S. Ghoshdastidar, "Solar tower based aluminum heat treatment system: Part I. Design and evaluation of an open volumetric air receiver," Solar Energy, vol. 111, pp. 135-150, 2015/01/01/ 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.solener.2014.10.035.
 
[2] D. J. Murray, "Small-scale solar central receiver system design and analysis," California Polytechnic State University, 2012, doi: https://doi.org/10.15368/theses.2012.110
 
[3] K. Lovegrove and W. Stein, "Concentrating solar power technology: principles, developments and applications," 2012, doi: https://doi.org/10.1533/9780857096173.
 
[4] M. Schmitz, P. Schwarzbözl, R. Buck, and R. Pitz-Paal, "Assessment of the potential improvement due to multiple apertures in central receiver systems with secondary concentrators," Solar Energy, vol. 80, no. 1, pp. 111-120, 2006/01/01/ 2006, doi: https://doi.org/10.1016/j.solener.2005.02.012.
 
[5] M. M. Gilbert, Renewable and efficient electric power systems. John Wiley & Sons, 2004, doi: https://doi.org/10.1002/0471668826
 
[6] G. J. Kolb, D. J. Alpert, and C. W. Lopez, "Insights from the operation of Solar One and their implications for future central receiver plants," Solar Energy, vol. 47, no. 1, pp. 39-47, 1991/01/01/ 1991, doi: https://doi.org/10.1016/0038-092X(91)90061-Z.
 
[7] H. Derbal-Mokrane, S. Bouaichaoui, N. E. Gharbi, M. Belhamel, and A. Benzaoui, "Modeling and numerical simulation of an Integrated Solar Combined Cycle System in Algeria," Procedia Engineering, vol. 33, pp. 199-208, 2012/01/01/ 2012, doi: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.01.1194.
 
[8] G. Augsburger and D. Favrat, "Modelling of the receiver transient flux distribution due to cloud passages on a solar tower thermal power plant," Solar Energy, vol. 87, pp. 42-52, 2013/01/01/ 2013, doi: https://doi.org/10.1016/j.solener.2012.10.010.
 
[9] W. G. Le Roux, T. Bello-Ochende, and J. P. Meyer, "The efficiency of an open-cavity tubular solar receiver for a small-scale solar thermal Brayton cycle," Energy Conversion and Management, vol. 84, pp. 457-470, 2014/08/01/ 2014, doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.04.048.
 
[10] B. Belgasim, O. Behar, M. Abdunnabi, and F. Mohamed, "Modeling and simulation of a large-scale hybrid solar gas turbine with pressurized air receiver," in 2020 11th International Renewable Energy Congress (IREC), 29-31 Oct. 2020 2020, pp. 1-5, doi: 10.1109/IREC48820.2020.9310395.
 
[11] O. A. Alawi et al., "Nanofluids for flat plate solar collectors: Fundamentals and applications," Journal of Cleaner Production, vol. 291, p. 125725, 2021/04/01/ 2021, doi:
 https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125725.
 
[12] A. A. Ani, "Hybrid Solar Gas Turbine Plant for the Conditions of Australia," in 2023 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), 29 Sept.-1 Oct. 2023 2023, pp. 39-43, doi: 10.1109/UralCon59258.2023.10291070.
 
[13] M. C. Cameretti, A. Cappiello, R. De Robbio, and R. Tuccillo, "Solar-assisted micro gas turbine with humid air or steam-injected option," Energy, vol. 270, p. 126783, 2023/05/01/ 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.126783.
 
[14] M. Badri and M. H. Saidi, "Transient simulation of an integrated solar gas turbine equipped with hydrogen energy storage and hydrogen-fueled combustion chamber for continuous power supply," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 103, pp. 349-364, 2025/02/17/ 2025, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.01.133.
 
[15] F. M. F. Siala and M. E. Elayeb, "Mathematical formulation of a graphical method for a no-blocking heliostat field layout," Renewable Energy, vol. 23, no. 1, pp. 77-92, 2001/05/01/ 2001, doi: https://doi.org/10.1016/S0960-1481(00)00159-2.
 
[16] F. J. Collado and J. A. Turégano, "Calculation of the annual thermal energy supplied by a defined heliostat field," Solar Energy, vol. 42, no. 2, pp. 149-165, 1989/01/01/ 1989, doi: https://doi.org/10.1016/0038-092X(89)90142-4.
 
[17] Y. Zhou and Y. Zhao, "Heliostat Field Layout Design for Solar Tower Power Plant Based on GPU," IFAC Proceedings Volumes, vol. 47, no. 3, pp. 4953-4958, 2014/01/01/ 2014, doi: https://doi.org/10.3182/20140824-6-ZA-1003.01581.
 
[18] S. A. Klein, "Calculation of monthly average insolation on tilted surfaces," Solar Energy, vol. 19, no. 4, pp. 325-329, 1977/01/01/ 1977, doi: https://doi.org/10.1016/0038-092X(77)90001-9.
 
[19] P. Talebizade, "Design and control of heliostat fields of a central receiver power plant and it’s genetic algorithm optimization," Master, Mechanical Department, Shahid bahonar university, Kerman, Iran, 2001, url:
 https://elmnet.ir/doc/10763648-15911
 
[20] S. A. Mousavi Maleki, H. Hizam, and C. Gomes, "Estimation of hourly, daily and monthly global solar radiation on inclined surfaces: Models re-visited," Energies, vol. 10, no. 1, p. 134, 2017, doi: https://doi.org/10.3390/en10010134.
 
[21] K. E. Holbert and D. Srinivasan, "Solar energy calculations," in Handbook of Renewable Energy Technology & Systems: World Scientific, 2022, pp. 181-200, doi:
 https://doi.org/10.1142/9789814289078_0008
 
[22] D. G. Erbs, S. A. Klein, and J. A. Duffie, "Estimation of the diffuse radiation fraction for hourly, daily and monthly-average global radiation," Solar Energy, vol. 28, no. 4, pp. 293-302, 1982/01/01/ 1982, doi: https://doi.org/10.1016/0038-092X(82)90302-4.
 
[23] T. R. Ayodele and A. S. O. Ogunjuyigbe, "Prediction of monthly average global solar radiation based on statistical distribution of clearness index," Energy, vol. 90, pp. 1733-1742, 2015/10/01/ 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.06.137.
 
[24] J. A. Duffie and W. A. Beckman, Solar engineering of thermal processes. John Wiley & Sons, 2013, doi: https://doi.org/10.1002/9781118671603
 
[25] L. Xu, W. Stein, J.-S. Kim, Y. C. S. Too, M. Guo, and Z. Wang, "Transient numerical model for the thermal performance of the solar receiver," Applied Thermal Engineering, vol. 141, pp. 1035-1047, 2018/08/01/ 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.05.112.
 
[26] C.-J. Winter, R. L. Sizmann, and L. L. Vant-Hull, Solar power plants: fundamentals, technology, systems, economics. Springer Science & Business Media, 2012, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-642-61245-9
 
[27] "CENTAUR 40, Gas Turbine Product." https://etn.global/gas-turbine-products/centaur-40 (accessed.
 
دوره 34، شماره 6 - شماره پیاپی 165
بهمن و اسفند 1404
صفحه 38-56

  • تاریخ دریافت 09 تیر 1404
  • تاریخ بازنگری 30 مرداد 1404
  • تاریخ پذیرش 28 آبان 1404