چکیده
استخر خورشیدی با گرادیان شوری، میتواند یکی از منابع پایدار و تجدیدپذیر برای تولید توان باشد. در این مقاله، به بررسی جنبههای اقتصادی تولید توان از استخر خورشیدی با استفاده از روش تحلیل اگزرژی پرداختهایم. برای این منظور، ضمن ارائه مدلی از فرآیند تولید توان از استخر خورشیدی به صورت ریاضی و ترمودینامیکی، با فرض مقادیر مشخص برای پارامترهای مؤثر در مسئله و با استفاده از نرمافزار محاسباتی-ترمودینامیکی EES ، تحلیل اگزرژی برای تمام اجزای فرآیند تولید توان از استخر خورشیدی انجام شده و نتایج آن ارائه شده است. نتایج نشان میدهند که بیشترین میزان اتلاف اگزرژی برای اواپراتور و کمترین میزان مربوط به پمپ سیکل رانکین میباشد. در مورد هزینه کل نیز بیشترین میزان مربوط به کندانسور و کمترین میزان برای پمپ سیکل رانکین است. همچنین برای استخری با مساحت ۱۰۰۰۰ m2 مقدار توان خالص تولیدی برابر ۹۷/۶۱ kW و مقدار مجموع کل هزینههای همه اجزای فرآیند تولید توان برابر ۲۹۹/۷۶ $/h به دست آمد.

واژههای کلیدی: استخر خورشیدی، تولید توان، اگزرژی، سیکل رانکین، تحلیل ترمواکونومیکی

۱

-۱ مقدمه

یکی از مهمترین موضوعات مورد مطالعه در حوزه انرژی در بسیاری از کشورها، موضوع آلایندگی منابع انـرژی اسـت. حـال آنکـه، انرژی های تجدیدپذیر علاوه بر تولید انرژی به صورت پاک، منابع پایدار و دائمی برای تولید انرژی به حساب می آیند. سیستم های جدید انرژی در آینده باید متکی به تغییرات ساختاری و بنیادی باشد که در آن منابع انرژی بدون آلایندگی نظیر انرژی خورشیدی مورد استفاده قرار میگیرند. تاکنون راههای مختلفی جهت استفاده از منبع عظیم انرژی خورشیدی مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از این راهها احداث استخر خورشیدی با گرادیان شوری است که می توانـد یکـی از راههـای کارآمـد جهـت ذخیـره سـازی و استفاده از انرژی دائمی خورشید باشد.

استخر خورشیدی دارای ۳ لایه است. لایه بالایی استخر دارای آب کمنمک (% ۵ -۱۰ نمک) و ضخامت کم (۰/۱-۰/۳ m) بوده و درون آن انتقال حرارت به صورت جابجایی طبیعی اتفاق میافتد، لذا آن را لایه جابجایی بالا می نامند. لایه میانی که دارای گرادیان نمک و گرادیان دماست و ضخامت آن بیشتر از لایه بالایی است، انتقال حرارت جابجایی ندارد و آن را لایه غیرجابجایی میانی مینامند. این لایه ضخامت ۱- ۱/۵ m دارد. لایه پایین نیز که ناحیه ذخیره گرماست، غلظت بالایی از نمک (نزدیک به اشباع) داشته و ضخامت حدود ۱- ۲ m و شوری ۱۵-۳۰% را داراست و داخل آن، انتقال حرارت جابجایی وجود دارد، به این لایه، لایه جابجایی پایین می گویند. دمای لایه جابجایی بالا نزدیک دمای محیط بوده ، دمای لایه جابجایی پایین متغیر بین ۸۰ -۱۰۰ °C و دمای لایه غیرجابجایی میانی، به صورت گرادیانی نسبت به عمق، متغیر بوده و دارای دمایی بین دمای لایه های بالا و پایین میباشد(.(Singh et al., 2012; Karakilcik et al., 2006; Tundee et al., 2010; Dah et al., 2005 در شکل (۱) شماتیکی از یک استخر خورشیدی با گرادیان شوری نشان داده شده است.

۲

شکل((۱ شماتیکی از یک استخر خورشیدی با گرادیان شوری

با توجه به اینکه لایه جابجایی پایین استخر خورشیدی دمای نسبتا بالا و انرژی حرارتی زیادی دارد، میتوان از انرژی حرارتی بالای آن برای تولید توان استفاده نمود. برای تولید توان از استخر خورشیدی، از نیروگاه سیکل رانکین آلی دما پایین استفاده میشود که شامل چهار جزء اواپراتور، کندانسور، پمپ و توربین میباشد(.(El-Sebaii et al., 2011 آرایش کلی چنین نیروگاهی در شکل (۲) نشان داده شده است.

تاکنون در مورد استخرهای خورشیدی تحقیقات بسیاری انجام گرفته است. در فلسطین اشغالی، در عین البقعه، در سواحل دریای مرده، یک استخر خورشیدی به مساحت ۶۲۵۰ m2 در سال ۱۹۷۹ میلادی احداث شد. چند سال بعد در سال ۱۹۸۴ میلادی، پس از این تجربه ی موفقیت آمیز، در بیت الحعراوه واقع در دریای مرده یک استخر خورشیدی به مساحت ۲۱۰۰۰۰ m2 ساخته شد. ساخت این استخر خورشیدی در هر مترمربع حدود ۱۸ دلار هزینه داشت. مورد دیگر، پروژه استخر خورشیدی EI Paso است که به وسیله دانشگاه تگزاس آمریکا درسال ۱۹۸۳ پایهگذاری شد. این پروژه از سال ۱۹۸۵ شروع به کار کرده و به طور موفقیت آمیزی نشان داد که گرمای پروسه های صنعتی، تولید برق و آب شیرین را می تواند در جنوب غربی آمریکا با استفاده از تکنولوژی استخر خورشیدی تولید کند(.(Leblanc et al., 2011

۳

شکل((۲ آرایش کلی یک نیروگاه تولید توان استخر خورشیدی

در این مقاله با در نظر گرفتن مقادیر معین برای پارامترهای ورودی مؤثر در مسئله و تعریف مدلی معین از یک استخر خورشیدی، فرآیند تولید توان از استخر خورشیدی را با استفاده از نرمافزار محاسباتی-ترمودینامیکی EES مدلسازی کردهایم. سپس با استفاده از این مدلسازی، تحلیل ترمواکونومیکی تولید توان از استخر خورشیدی را به وسیله تحلیل اگزرژی اجزای مؤثر در فرآیند تولید توان، انجام دادهایم.