کليد واژه: نيروگاه دريافت کننده مرکزي، ميدان هليواستات، زواياي مشخصه، توان حرارتي فهرست مطالبفصل اول - مقدمه1-1 مقدمه21-2 اهميت بکار گيري انرژي هاي پاک و تجديد پذير در ايران21-3 طرح کلي نيروگاه دريافت کننده مرکزي31-4 مروري بر کارهاي گذشته41-4-1 مروري بر کارهاي گذشته در زمينه زواياي بهينه پنل هاي خورشيدي81-5 بيان اهداف9فصل دوم - بيشينه کردن انرژي در کلکتورهاي خورشيدي2-1 مقدمه112-2 مباحث لازم از انرژي خورشيدي112-3 محاسبه شدت تشعشع کل دريافتي روي يک سطح132-4 الگوريتم ژنتيک182-5 داده هاي استفاده شده در مدل هاي تشعشعي192-6 نتايج212-6-1 مقادير بدست آمده براي زواياي بهينه212-6-2 بررسي کمي زواياي شيب بهينه252-6-3 بررسي بيشينه انرژي بدست آمده بر روي سطح شيبدار با استفاده از زاويه شيب بهينه272-6-4 ارائه مدل براي محاسبه زواياي بهينه ماهيانه، فصلي و ساليانه در ايران322-6-5 بررسي زواياي بهينه ساعتي و انرژي رسيده در اين حالت342-6-6 بررسي زاويه بهينه در کلکتورهاي خورشيدي و پانل هاي فوتوولتائيک36فصل سوم - نيروگاه هاي گرمايي - خورشيدي3-1 مقدمه403-2 معرفي اجمالي نيروگاه هاي گرمايي - خورشيدي403- 2- 1 نيروگاه سهموي با تمرکز خطي413-2-2 نيروگاه سهموي با تمرکز نقطه اي413-2-3 نيروگاه دريافت کننده مرکزي يا برج توان خورشيدي413-3 اجزا مختلف يك نيروگاه دريافت کننده مرکزي433-3-1 هليواستاتها433-3-2 ميدان هليواستات463-3-3 اثر زاويه‌اي يا كسينوسي473-3-4 اثر سايه483-3-5 اثر انسداد493-3-6 پراکندگي جوي يا تضعيف شدن503-3-7 اثر منعکس کننده503-3-8 كنترل هليواستاتها503-3-9 دريافت‌كننده523-3-10 سيال حامل حرارت533-3-11 سيستم ذخيره حرارتي543-4 دلايل مفيد بودن نيروگاه هاي خورشيدي در ايران553-5 چشم‌انداز آينده55فصل چهارم - طراحي نيروگاه دريافت کننده مرکزي4-1 مقدمه574-2 محاسبه زواياي مشخصه هليواستات ها574-3 مراحل طراحي ميدان هليواستات در يک نيروگاه دريافت کننده مرکزي604-3-1 يافتن مکان هليواستات ها در يک نيروگاه دريافت کننده مرکزي614-3-2 يافتن ضريب انسداد624-3-3 پيداکردن بازده هليواستات ها674-3- 4 پيداکردن شار حرارتي توليدي توسط ميدان هليواستات ها برروي دريافت کننده مرکزي68فصل پنجم - نتايج حاصل از طراحي نيروگاه دريافت کننده مرکزي5-1 مقدمه715-2 بررسي زواياي شيب و سمت الرأس هليواستات ها در هر لحظه و هر مکان715-3 طراحي چيدمان هليواستات ها در ميدان يک نيروگاه دريافت کننده مرکزي755-3-1 بررسي صحت کد نوشته شده در اين پايان نامه765-3-2 طراحي ميدان هليواستات براي شهر کرمان805-3-3 طراحي ميدان براي نيروگاهي با توان ثابت815-3-4 بررسي تأثير پارامترهاي موثر بر بازده ميدان855-4 بهينه سازي ميدان هليواستات با استفاده از الگوريتم ژنتيک865-5 نتيجه گيري915-6 پيشنهادات93فهرست منابع94مقالات مستخرج از پايان نامه100 فهرست جدول هافصل دومجدول 2-1 مقادير انرژي تشعشعي کل متوسط روزانه در هر ماه روي يک سطح افقي در شهرهاي کرمان، بيرجند، شيراز، يزد، طبس و زاهدان20جدول 2-2 مقادير زاويه بهينه شيب سطح براي ماه هاي مختلف سال با استفاده از مدل26جدول 2-3 مقادير زاويه بهينه شيب سطح براي فصول مختلف سال و کل سال با استفاده از مدل27جدول 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 شيراز28جدول 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 يزد28جدول 2-6 معادلات بدست آمده براي ماه هاي مختلف سال براي کشور ايران32جدول 2-7 مقايسه نتايج بدست آمده از معادلات حاضر با معادلات نيجيگرودوف [21]33جدول 2-8 معادلات بدست آمده براي فصول مختلف سال و کل سال براي کشور ايران34جدول 2-9 زواياي بهينه ساعتي براي 1 روز از هر ماه35جدول 2-10 مقادير زاويه شيب بهينه در حالات مختلف با استفاده از مدل37جدول 2-11 انرژي رسيده به سطح شيبدارقرار گرفته در زواياي بهينه مختلف در حالات مختلف37جدول 2-12 انرژي رسيده به سطح شيبدار(%) قرار گرفته در زواياي بهينه مختلف در حالات مختلف در مقايسه با حالت ساليانه38فصل پنجمجدول 5-1 پارامترهاي بکار برده شده در مرجع [2]76جدول 5-2 بازه هاي تعريف شده براي متغير هاي بهينه يابي87جدول 5-3 مقادير بهينه و مقدار بيشينه تابع هدف در الگوريتم ژنتيک89جدول 5-4 تفاوت دو چيدمان بهينه انجام شده در اشکال 5-18 و 5-1991 فهرست شکل هافصل اولشکل 1-1 نمونه اي از يک نيروگاه دريافت کننده مرکزي با چندين برج[1]3شکل 1-2 نمودار ساده اي از نيروگاه دريافت کننده مرکزي [3]4شکل 1-3 نماهايي از نيروگاه سولارتو در امريکا[10]6فصل دومشکل 2-1 نمايي کلي از يک کلکتور خورشيدي11شکل 2-2 زواياي مشخص کننده جهت و وضعيت صفحه و نيز زواياي مشخص کننده موقعت خورشيد [19]12شکل 2-3 زواياي اصلي عرض خغرافيايي، ساعت و ميل [32]13شکل 2-4 الف) نمودار الگوريتم ژنتيک ب) نمودار مربوط به بهينه سازي انرژي رسيده به پانل خورشيدي19شکل 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 کرمان22شکل 2-6 زاويه بهينه سمت الرأس براي روزهاي مختلف سال بر اساس ميانگين ماهيانه مقادير روزانه و ميانگين روزانه شدت تشعشع خورشيدي براي شهر کرج22شکل 2-7 زاويه بهينه شيب سطح براي ماه هاي مختلف سال با استفاده از مدل هاي مختلف براي شهر کرمان23شکل 2-8 زاويه بهينه شيب سطح براي روز هاي مختلف سال با استفاده از مدل هاي مختلف براي شهر کرمان24شکل 2-9 زاويه بهينه شيب سطح براي ماه هاي مختلف سال با استفاده از مدل هاي مختلف براي شهر شيراز24شکل 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 کرمان29شکل 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 کرمان30شکل 2-13 انرژي رسيده به کلکتور B در شهرهاي مختلف ايران30شکل 2-14 نقشه کانتوري انرژي دريافتي کلکتورهاي خورشيدي با زاويه شيب بهينه ماهيانه براي کل سال31شکل 2-15روش بدست آوردن معادله زاويه بهينه مربوط به ماه ژانويه33شکل 2-16 انرژي دريافتي از کلکتور E در مقايسه با کلکتور A36فصل سومشکل 3-1 انواع نيروگاه هاي گرمايي خورشيدي [37]40شکل 3-2 طرح کلي يک نيروگاه دريافت کننده مرکزي [37]43شکل 3-3 دنبال کردن خورشيد توسط هليواستات ها [14]44شکل 3-4 نماي کلي از يک هليواستات[32]45شکل 3-5 ميدان هليواستات با هليواستات هايي واقع در شمال و جنوب برج [37]47شکل 3-6 اثر کسينوسي در يک ميدان هليواستات [32]48شکل 3-7 سايه اندازي و انسداد در ميدان جمع کننده انرژي خورشيدي [32]49فصل چهارمشکل 4-1 دستگاه مختصات اصلي [14]57شکل 4-2 بردارهاي مورد استفاده جهت يافتن زواياي هليواستات ها [14]58شکل 4-3 ميدان هليواستات با آرايش شعاعي يک در ميان [11]60شکل 4-4 زواياي مشخصه هليواستات به کار برده شده در طراحي ميدان61شکل 4-5 بدست آوردن تصوير نقاط هليواستات جلو بر روي هليواستات عقب [11]62شکل 4-6 نمايي از دواير هليواستات ها داراي قطر مشخصه64شکل 4-7 ميزان انسداد يک هليواستات بر روي هليواستات هاي مقابل [11]65فصل پنجمشکل 5-1 نمودار زاويه شيب بر حسب ساعت روز براي موقعيت هاي مختلف هليواستات :1) نتايج حاصل از اين پايان نامه 2) نتايج مرجع [8]72شکل 5-2 نمودار زاويه سمت الرأس بر حسب ساعت روز براي موقعيت هاي مختلف هليواستات :1) نتايج حاصل از اين پايان نامه 2) نتايج مرجع [8]73شکل 5-3 نمودار زاويه شيب بر حسب ساعت روز براي موقعيت هاي ثابت در شمال و جنوب برج74شکل 5-4 نمودار زاويه سمت بر حسب ساعت روز براي موقعيت هاي ثابت در شمال و جنوب برج74شکل 5-5 نمودار زاويه برخورد بر حسب ساعت روز براي موقعيت هاي ثابت در شمال و جنوب برج75شکل 5-6 چيدمان هليواستات ها در ميدان توسط کولادو و کار حاضر78شکل 5-7 چيدمان هليواستات در ميدان براي شهر کرمان براي نقطه اعتدال بهاري79شکل 5-8 نمونه اي از نيروگاه دريافت کننده مرکزي در نيم کره شمالي [58]80شکل 5-9 چيدمان هليواستات ها در ميدان براي شهر کرمان براي نقطه تحويل تابستاني81شکل 5-10 چيدمان هليواستات با بازده بيش از 90% در ميدان براي شهر کرمان82شکل 5-11 چيدمان هليواستات با بازده بيش از 90% در ميدان در شرايط شهر کرمان83شکل5-12 نمايي ساده از نيروگاه ساخته شده در شهر اسيجا[1] در اسپانيا [57]83شکل 5-13 تاثير ارتفاع برج و طول هليواستات بر بازده ميدان84شکل 5-14 تاثير فاصله امن و ضريب انسداد بر بازده ميدان85شکل 5-15 تاثير نسبت پهنا به ارتفاع بر بازده ميدان86شکل 5-16 هزينه ي ساخت برج دريافت کننده با ارتفاع هاي مختلف [32]88شکل 5-17 نمودار همگرايي بازده کل ميدان در الگوريتم ژنتيک89شکل 5-18 چيدمان هليواستات ها در ميدان بر مبناي مقادير بهينه در نيروگاهی با توان 2090شکل 5-19 چيدمان هليواستات با استفاده از مقادير جدول5-1 در نيروگاهی با توان 2090 فهرست علائمشماره روز در سال ميلاديشاخص صافی هوا مربوط به تشعشع روزانهشاخص صافی هوا مربوط به تشعشع ماهيانهشاخص صافی هوا مربوط به تشعشع ساعتيميانگين ماهيانه مقادير روزانه شدت تشعشع خورشيدي دريافتيميانگين روزانه شدت تشعشع خورشيدي دريافتيميانگين ماهيانه مقادير روزانه شدت تشعشع خورشيدي دريافتي کلمقادير روزانه شدت تشعشع خورشيدي دريافتي کلميانگين ماهيانه مقادير روزانه شدت تشعشع خورشيدي دريافتي مستقيمميانگين ماهيانه مقادير روزانه شدت تشعشع خورشيدي پخشيميانگين روزانه شدت تشعشع خورشيدي پخشيميانگين ماهيانه مقادير روزانه شدت تشعشع خورشيدي انعکاسي اززمينميانگين ماهيانه مقادير روزانه تشعشع خورشيد خارج از جوميانگين روزانه تشعشع خورشيد خارج از جومقادير ساعتي تشعشع خورشيدمقادير ساعتي تشعشع پخشي خورشيدمقادير ساعتي تشعشع مستقيم خورشيدمقادير ساعتي تشعشع خورشيد خارج از جوبردار يکه تابش خورشيدبردار يکه متصل کننده مرکز هليواستات و دريافت کنندهبردار نرمال سطح هليواستاتمختصه x مرکز هليواستاتXمختصه y مرکز هليواستاتYمختصه z مرکز هليواستاتZارتفاع برج دريافت کنندهانرژی تشعشعي در واحد سطح آينهانرژی تشعشعي در واحد سطح عمود بر جهت تابشضريب انسدادفاصله بين رديف هاي هليواستاتهاارتفاع هليواستاتعرض هليواستاتمختصات نقطه اي روي هليواستاتu1,v1مختصات تصوير نقطه ي u1,v1u,vفاصله بين دو نقطه (u,v) و (u1,v1)برداري که مبدا آن مرکز بردار منعکس کننده و پايان آن مرکز هليواستات جلويي مي باشدبردارهاي واحد مشخص کننده جهت هليواستاتاختلاف بين مختصه Z مرکز دو هليواستاتقطر مشخصه هر هليواستاتقطر هر هليواستاتنسبت ارتفاع به عرضعرض سايهطول سايهکوچکترين فاصله شعاعي ممکنشعاع هر ناحيهکوچکترين شعاع ميدانضريب پراکندگي جوي يا تضعيف شدنفاصله هليواستات تا دريافت کنندهضريب اسپيليجمساحت هليواستاتشار حرارتي توليد شده در يک هليواستاتضريب سايه- انسدادشار تشعشع خورشيد بر حسبشدت تابش کل يک هليواستاتشدت تابش حرارتي کل هليواستات هاشدت تابش کل حرارتي جذب شده در دريافت کنندهشدت حرارت تلف شده از طريق انتقال حرارت جابجاييمساحت دريافت کنندهضريب انتقال حرارت ترکيبي جابه جايي آزاد- اجباريضريب انتقال حرارت جابه جايي اجباريضريب انتقال حرارت جابه جايي آزادتوان حرارتي اتلافي از طريق تشعشعمساحت دريچه دريافت کنندهفهرست علائم يونانيزاويه 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 زمينزاويه 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 کنندهبازده در دسترس پذيري ميدانبازده دريافت کنندهبازده تانک ذخيرهتفاوت زواياي سمت الرأس دو بردار وفاصله زاويه هليواستات ها از يکديگربازده هر هليواستاتضريب بازتاب سطحضريب جذب دريافت کنندهضريب صدورفاصله زاويه هليواستات ها از يکديگر1-1 مقدمهدر اين فصل ابتدا به لزوم بکار گيري انرژي هاي 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 انرژي هاي پاک و تجديد پذير در ايراننور 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 نيروگاه هاي سوخت فسيلي تامين مي شود. سهم بسيار بزرگ سوخت هاي 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 سال هاي 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:يادآوري اين نکته بسيار مهم است که استفاده از انرژي هاي تجديد پذير در مقايسه با سوخت هاي 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 انرژي هاي 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 سوخت هاي 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 نيروگاه هاي گرمايي - خورشيدي، تابش خورشيدي به انرژي گرمايي تبديل مي شود تا با استفاده از آن، بخار آب مورد نياز براي به حرکت در آوردن توربين ها توليد شود که به روش تبديل الکتريکي- حرارتي موسوم است. نيروگاه هاي خورشيدي دريافت کننده مرکزي از مهمترين انواع نيروگا ه هاي 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 مرکزيطرح 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 آينه ها که به نام هليواستات[4] معروفند، تابش مستقيم خورشيد را به سمت يک دريافت کننده که در بالاي يک برج بلند قرار دارد منعکس مي کنند. در واقع ميدان هليواستات در حکم يک جمع کننده است که تابش مستقيم نور خورشيد را به سمت يک دريافت کننده متمرکز مي کند. بخشي از دريافت کننده به نام جاذب که داراي ضريب جذب بسيار بالاست، انرژي تابشي را جذب و به حرارت تبديل مي کند. اين سيال يا مي تواند مستقيما وارد يک سيکل توليد توان شود و يا از طريق يک مبدل حرارتي انرژي خود را به سيال عامل تحويل دهد. سيکل توليد توان نيروگاه مي تواند سيکل رانکين با سيال عامل آب باشد و حتي در طرح هاي جديدتر مي توان از سيکل توربين گازي برايتون يا از سيکل ترکيبي استفاده نمود [2]. شکل 1-2 نمودار ساده اي از نيروگاه دريافت کننده مرکزي همراه با سيکل ترکيبي را نشان مي دهد.شکل 1-2 نمودار ساده اي از نيروگاه دريافت کننده مرکزي [3]1-4 مروري بر کارهاي گذشتهنيروگاه هاي گرمايي- خورشيدي با فناوري تمرکز نوري در آينده نقش مهمي در توليد برق با استفاده از انرژي هاي تجديدپذير بر عهده خواهند داشت ولي هم اکنون تعداد آنها در مقايسه با نيروگاه هاي سوخت فسيلي کم مي باشد [4]. انرژي خورشيد در سطح زمين بسيار گسترده است ولي به دليل دماي پايين توليد کار از آن مشکل مي باشد [5]، به همين علت در نيروگاه هاي حرارتي- خورشيدي براي افزايش دما از فناوري تمرکز نوري استفاده مي کنند. متمرکز کردن انرژي خورشيد، ابتدا براي مصارف انرژي در مقياس کوچک 100 وعموماً براي پمپ هاي آب استفاده مي شد. ايده نيروگاه دريافت کننده مرکزي ابتدا در سال 1956 توسط يک دانشمند روس به نام باوم [6] مطرح شد. طرح پيشنهادي او به اين صورت بود که تعداد 1300 آينه که بر روي واگن هاي کوچکي قرار داشتند، نور را بر روي يک ديگ متمرکز مي کردند. واگن هاي کوچک، قادر بودند بر روي چند ريل منحني شکل در اطراف ديگ حرکت کنند. طبق محاسبات باوم، اين مجموعه در هر ساعت قادر به توليد 11 تا 13 تن بخار در فشار 30 اتمسفر و دماي 400 بود [6].اولين کار اجرايي در اين زمينه در سال 1965 توسط فرانسيا در شهر سان ايلاريو ايتاليا انجام گرفت. در اين کار مساحت کل آينه هاي بکار رفته 52 بود. آينه ها به شکل دايره بوده و به صورت مکانيکي باهم ارتباط داشتند. عمل رد گيري خورشيد نيز به صورت مکانيکي انجام مي گرفت[2].