Научная статья на тему 'Оценка производительности и определение характеристик солнечной тепловой электростанции в условиях Ирака'

Оценка производительности и определение характеристик солнечной тепловой электростанции в условиях Ирака Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
120
24
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СОЛНЕЧНАЯ / SOLAR / ЭНЕРГИЯ / ENERGY / СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР / SOLAR COLLECTOR / ПАРАБОЛИЧЕСКИЙ КОНЦЕНТРАТОР / PARABOLIC CONCENTRATOR / ИРАК / IRAQ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ефимов Николай Николаевич, Аль Гези Моафак Касеим Шиа

Представлена математическая модель (CFD), которая была разработана для оценки производительности и характеристик солнечных тепловых электростанций в г. Багдаде (Ирак) с параболическим концентратором (ПК) как вариантом солнечного коллектора. Существует несколько дорогостоящих и сложных коммерческих программ, которые выполняют эту задачу, но эти инструменты направлены на выполнение начальных оценок жизнеспособности и технической осуществимости таких типов систем в плане выходной температуры от коллекторного поля и производства выходной мощности. Здесь учитываются местные данные солнечного излучения и атмосферные условия, а также сбор данных и других параметров.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Ефимов Николай Николаевич, Аль Гези Моафак Касеим Шиа

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

PERFORMANCE EVALUATION AND CHARACTERIZATION OF SOLAR THERMAL POWER PLANTS IRAQ UNDER

This paper presents a mathematical model (CFD) that has been developed for the performance evaluation and simulation of Solar Power Generating or Solar Thermal Power Plants in Baghdad with the Compound Parabolic Concentrator as the solar collector of choice. There are several costly and sophisticated commercial software programs that perform this task but, this tool is aimed at performing initial evaluations of the viability and technical feasibility of these types of systems in terms of outlet temperature from the collector field and power output produced. It takes into consideration local solar radiation data and atmospheric conditions, as well as collector data and other parameters that can be adjusted by the user.

Текст научной работы на тему «Оценка производительности и определение характеристик солнечной тепловой электростанции в условиях Ирака»

ЭНЕРГЕТИКА POWER ENGINEERING

УДК 621.311.11 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-3-45-49

ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ В УСЛОВИЯХ ИРАКА

PERFORMANCE EVALUATION AND CHARACTERIZATION OF SOLAR THERMAL POWER PLANTS IRAQ UNDER

© 2015 г. Н.Н. Ефимов, Аль Гези Моафак Касеим Шиа

Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, профессор, Efmov Nikolay Nikolayevich - Doctor of Technical Sciences,

зав. кафедрой «Тепловые электрические станции и тепло- professor, head of department «Thermal power stations and

техника», Южно-Российский государственный политехниче- heat transfer engineering», Platov South-Russian State Poly-

ский университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочер- technic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635)

касск, Россия. Тел. (8635) 25 52 18. E-mail: efimov@novoch.ru 25 52 18. E-mail: efimov@novoch.ru

Аль Гези Моафак Касеим Шиа - аспирант, кафедра «Теп- Al-Ghezi Moafaq Kaseim Shiea - post-graduate student, de-

ловые электрические станции и теплотехника», Южно- partment «Thermal power stations and heat transfer engineer-

Российский государственный политехнический университет ing», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI),

(НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Novocherkassk, Russia. E-mail: prince_king2500@yahoo.com E-mail: prince_king2500@yahoo. com

Представлена математическая модель (CFD), которая была разработана для оценки производительности и характеристик солнечных тепловых электростанций в г. Багдаде (Ирак) с параболическим концентратором (ПК) как вариантом солнечного коллектора. Существует несколько дорогостоящих и сложных коммерческих программ, которые выполняют эту задачу, но эти инструменты направлены на выполнение начальных оценок жизнеспособности и технической осуществимости таких типов систем в плане выходной температуры от коллекторного поля и производства выходной мощности. Здесь учитываются местные данные солнечного излучения и атмосферные условия, а также сбор данных и других параметров.

Ключевые слова: солнечная; энергия; солнечный коллектор; параболический концентратор; Ирак.

This paper presents a mathematical model (CFD) that has been developed for the performance evaluation and simulation of Solar Power Generating or Solar Thermal Power Plants in Baghdad with the Compound Parabolic Concentrator as the solar collector of choice. There are several costly and sophisticated commercial software programs that perform this task but, this tool is aimed at performing initial evaluations of the viability and technical feasibility of these types of systems in terms of outlet temperature from the collector field and power output produced. It takes into consideration local solar radiation data and atmospheric conditions, as well as collector data and other parameters that can be adjusted by the user.

Keywords: solar; energy; solar collector; parabolic concentrator; Iraq.

Возрастающая нестабильность цен на ископае- ний для максимального солнечного излучения. Эта мо-

мые топлива привела мир к стремлению использовать дель показывает поведение системы в тропических ре-

бесплатную и, естественно, доступную энергию от гионах с учетом солнечной изменчивости в течение дня. Солнца для выработки электроэнергии, и город Ба- Использование параболического концентратора

гдад не является исключением. оказывается полезным благодаря его характеристи-

Оценка эффективности и моделирование солнеч- кам. Город Багдад лежит в зоне, где солнечная энер-

ной теплоэлектростанции проводилась для условий гия очень изменчива, в основном, за счет таких атмо-

Багдада с солнечными локальными данными для оп- сферных явлений, как облака, водяной пар и пылевые

ределения жизнеспособности предлагаемого проекта. частицы [3]. Тот факт, что концентратор может при-

Как можно видеть в литературе [1, 2], некоторые ис- нимать рассеянную солнечную энергию, значительно

следования по моделированию были проведены для повышает общую эффективность. параболических желобов с помощью дорогостоящих Для данного исследования оптический и терми-

программных комплексов и прототипов систем измере- ческий анализ ПК и поглотителя был проведен мето-

дом математического моделирования гидродинамики (CFD): Microsoft® Developer Studio (Fortran95)® и программа Tecplot7. Полученные результаты были использованы в созданной модели. Теплоносителем, использовавшемся при анализе, являлся расплав соли. Он предпочтителен перед типовым теплоносителем VP-1®, потому что обеспечивает несколько преимуществ: аккумуляцию промежуточной тепловой энергии, химическую стабильность, способность достигать более высоких рабочих температур [4]. В таблице представлены исходные данные для анализа и математического моделирования.

Данные, используемые в модели системы СТЭ

Переменные Значение

Внутренний диаметр резервуара Di, м 0,115

Внешний диаметр резервуара Do, м 0,125

Эмиттанс резервуара ег 0,31

Эмиттанс коллектора ес 0,88

Длина L, м 1

Скорость ветра V, м/с 3

Температура неба Т!1ку, °С 2

Температура воздуха Та, °С 10

Ширина коллектора Хсо11, м 1,524

Длина коллектора Lc, м 12

Температура жидкости, входящей в поглотитель, Т0, °С 140

Массовый расход на коллектор тсо11, кг/с 2

Удельная теплоемкость (вода) Ср„а,ег, кДж/(кг°С) 4,18

Конвективный коэффициент ветра Вт/(м2°С) 300

Массовый расход на коллектор тсо11, кг/с 2

Чтобы лучше понять солнечный ресурс как средство для производства энергии, необходимо изучить несколько солнечных характеристик. Зная эти характеристики, мы обеспечиваем основу для понимания, использования и прогнозирования данных солнечного излучения [3]. Важно признать, что существует два распространенных метода, которые характеризуют солнечное излучение: солнечная радиация или излучение и солнечная инсоляция. Солнечное излучение является мгновенной плотностью мощности, измеряемой в единицах кВт/м2, а солнечная инсоляция - это общее количество солнечной энергии, полученной в конкретном месте в течение определенного периода времени, измеряемой в кВтч/м2 в день или МДж/м2 в день.

На поверхности Земли излучение может быть классифицировано как прямое, рассеянное, так и суммарное. Лучевое, или прямое, излучение относится к излучению, полученному от солнца, без рассеивания

атмосферой. Рассеянное излучение является тем, направление которого было изменено рассеиванием в атмосфере по причине облаков, водяного пара, деревьев и т.д. Необходимо принимать во внимание виды излучения, которые солнечная тепловая система может эффективно собирать, и данные о её доступности. Параболические подвижные желоба, например, могут использовать только прямое облучение при непрерывном отслеживании желобами положения солнца, в то время как параболические неподвижные желоба могут собирать как лучевое, так и рассеянное излучение без необходимости непрерывного отслеживания.

Солнечная электростанция (СТЭ) работает подобно обычной тепловой электростанции, но использует солнечную энергию вместо ископаемого топлива в качестве источника тепла для производства пара. Даже при том, что она бесплатна, солнечная энергия имеет два примечательных недостатка: не везде имеется достаточная плотность энергии и не везде она доступна [5]. Есть несколько различных способов, по которым СТЭ могут быть спроектированы, построены и эксплуатируемы. Рис. 1 представляет схему параболической СТЭ. Типичная СТЭ (с линейной геометрией) содержит следующие компоненты: массив коллекторов и систему слежения за солнцем (если необходимо), поглотитель, своего рода жидкий теплоноситель (ЖД), оборудование механизма теплопередачи, такое как теплообменник, конденсатор и т.д. [6, 7].

Рис. 1. Схема параболический солнечной тепловой электростанции

Параболический концентратор был разработан проф. Роландом Винстоном в 1966 г. на основе его исследований в области оптики без визуализации (non-imaging). Он использовал тот факт, что когда парабола наклонена под углом, не равном направлению пучка излучения, лучи больше не концентрируются на его фокусе; они отражаются вместо этого в область выше и ниже фокуса, как можно видеть на рис. 2 б [8, 9].

Если половина параболы отражает выше фокуса, она отбрасывается и заменяется параболой аналогичной формы, отражающей ниже фокуса, в результате

имеем: концентратор, который отражает все входящие лучи под любым углом между фокальными линиями двух параболических сегментов. Базовая форма показана на рис. 2 в. Угол, который оси парабол А и Б составляют с осью ПК, определяет приемный угол 9.

Ось параболы А

/V

Ось параболы Б

Парабола Б Фокус

площади выходной апертуры А закона термодинамики:

receiver?

на базе 2-го

A

CR = - Per

ref

(п)г = ^(1 + sin0,56) X

cos 0,56

+ ln

(l + sin0,56)(1 + cos0,56)

sin2 0,56 sin0,56(cos 0,56 + ^/2(1 + sin 0,56))

V2cos0,56

3

(1 + sin 0,56) 2

(1 - sin0,56 (1 + 2sin0,56) 2sin2 0,56 '

Парабола А Фокус

'*■ -. параболы А .-*"* - "^параболы Б ..

Усеченная часть "С Уценим часть

параболы А Открытый параболы Б

приемник

в

Рис. 2. Парабола, захватывающая солнечное излучение параллельно ее оси (а), не параллельно ее оси (б) и базовая форма ПК (в)

Поскольку плотность солнечного излучения, падающего на поверхность Земли, довольно низкая, единственным средством его сбора для выработки электроэнергии является концентрация. Коэффициент концентрации (CR) коллектора может быть определен как отношение площади входной апертуры Аарег к

После изучения всех соответствующих факторов, которые касаются оптического исполнения коллектора ПК, его поглощенное излучение на единицу площади апертуры коллектора S можно оценить как [3]:

S = РсРСа r%r (ib,CPC +1 d,СРС ) CR; 1ъ,срс = fib cos0,56;

Id,СРС = CRR для (ß+0,50) < 90 '

Areceiver sin0,56

где пггу - показатель преломления, который можно приближенно считать равным 1 для такой среды, как воздух [8].

Оптические характеристики ПК зависят от того, входит ли падающее солнечное излучение внутрь приемного полуугла, как описано выше. Оптическая эффективность ПК может быть найдена путем вычисления среднего числа отражений <п>и которое претерпевает излучение между входной апертурой и поглотителем (или выходной апертурой), в зависимости от конкретного случая. Среднее количество отражений можно получить, изучив излучение, которое поступает в коллектор, проходя между поглотителем, отражается от стенок и выходит за пределы приемного угла или возвращается из ПК без поглощения. Алгебраическими преобразованиями отношение приводится к среднему числу отражений, которое, как можно видеть, зависит только от приемного угла 9, деленного на два (или приемного полуугла) [8]:

0,51d + cos PJ для (Р+0,50) > 90 o;

(Р - 0,56) < tan-1 (tan 6 z cos y s) < (P + 0,5),

где pCPC - коэффициент отражения ПК; ar -коэффициент проницаемости для приемника; тг - коэффициент поглощения для приемника; 1 - коэффициент коррекции угла падения; F - функция управления. Она имеет значение 1, если пучок излучения падает на ПК, и ноль, если это не так. р - это угол наклона оси ПК от зенита.

Тепловые потери, связанные с коллекторной системой (СТЭ), обусловлены конвекцией и излучением от приемника к окружающей среде и теплопроводностью от приемника на несущие конструкции, которой часто пренебрегают. Представим откачанный цилиндрический резервуар со стеклянной крышкой, в котором отсутствуют потери.

Коэффициент потерь может быть рассчитан по следующему уравнению [3]:

loss

- = hw (Tr - Ta) + ест(Тг4 - Tsl) + Ucond (Tr - Ta) =

= (hw + hr + Ucond )(Tr - Ta ) = UL (Tr - Ta );

Qloss

Ar.

(1)

Ul =

A (T - T )

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

receiver У r a /

где Qloss - тепловые потери; Аг<сс,,^,,г - площадь резервуара; Т - температура; h - коэффициент конвективной теплопередачи; с - постоянная Стефана-Больц-мана, равна 5,67-Ш-8 Вт/(м2-К4); е - коэффициент излучения.

Нижние индексы (г) и (а) указывают на резервуар и окружающую среду соответственно.

X

Таким образом, для получения иЬ все другие элементы уравнения (1) должны быть известны. Даф-фи [3] представил итерационный способ получения Qloss. Он утверждает, что для коллектора определенной длины передача тепла от резервуара (Тг) к внутренней стороне крышки (ТС1) через крышку (Тсо), а затем в окружающую среду (Та и Тку) задается следующими соотношениями:

Q _ 2л keffL (T T ) + * DrLo(Tr4 - Tc4 ) QioSS _—F;— (Tr-Tci)+"

ln(Dc- )

D/

Qktos

1 1 -e„ D

+

ес D,

(-¿T )

2nkcL

ïloss D

ln(-^ ) D

(T ■ - T ) •

У ci co' '

(2)

(3)

(4)

^ = ™БсоЬК (ТС1 - Та ) + ^^БсоЬ^(Тсо - Т^у )

где Б - диаметр; Ь - длина.

Нижние индексы с1, со представляют собой внутреннюю и внешнюю сторону крышки соответственно. Если кольцевое пространство является вакуумом, то к^ ~ 0. Процедура решения предыдущих уравнений итерационным методом осуществляется посредством вычисления ТСо, затем рассчитывается Qloss по (4) и, подставляя это значение в (3), вычисляют Тс1. Затем по (2) проверяют предполагаемое Тсо, сравнивая рассчитанные Qloss по (4) и (2). Внешний конвективный коэффициент рассчитывается путем одновременного решения следующих уравнений [3]:

Ь Б

№ = 0^е°,6 =п-и-

k

где k - теплопроводность; Re - число Рейнольдса, рассчитанное по формуле:

Re _

pVD

где Ср - удельная теплоемкость; k - теплопроводность.

В работе был произведён тепловой анализ СТЭ с использованием программы математической модели CFD, основанной на методе конечных разностей (FDM), полученные результаты были использованы при моделировании солнечной электростанции. В качестве теплоносителя используется расплавленная соль, которая обеспечивает ряд таких преимуществ, как: химическая стабильность, возможность достижения более высоких рабочих температур и возможность использования ее как среды для аккумуляции тепловой энергии [4].

Расчетный анализ системы СТЭ проведен для четырех месяцев (март, июнь, сентябрь, декабрь) с учётом солнечных и дождевых погодных условий. В следующих диаграммах (рис. 3 - 5) были отражены такие атмосферные условия, как температура, скорость ветра и осадки, а также солнечное излучение для каждого конкретного условия.

р - плотность среды; V - скорость ветра; д - динамическая вязкость жидкости.

Хотя свойства жидкости меняются с изменением температуры, всегда желательно работать со средним коэффициентом теплопередачи, в зависимости от ожидаемого температурного диапазона в системе. Следующие уравнения помогут определить коэффициент теплопередачи жидкости, предполагая турбулентные условия потока при числе Рейнольдса > 220° [1°].

№ к

где d - диаметр трубы; Ми - число Нуссельта, которое может быть вычислено из следующего соотношения:

Ми = 0,025Re°,79Pr°,42 р ,

принимаем р = 1,023, число Прандтля (Рг) определяется по формуле:

Н- Ср

12 14 16

Время, ч

Рис. 3. Ежемесячный средний почасовой коэффициент усиления тепла в коллекторных полях

о4 Й

[2 S

m

3

и о

H

г-'t ■ —4 —f + 4 ■■4 -4---i- 4- 4— t —i—i- 5 - — ! — : Mil —-i— £ 1= ir- h-h"

; ! T —f—i -f— r - - —j - —i— - i- -r h"

Г L ; ; _ T 1 I* 4 ¡¿LU: 4- -T H" j 1 _l 1 - ¡1 L ;r £ r;; u

L ■ _ L i. 4-4-_ .. J i —j r-'i — z .L "h Li

_ .L . _ j- j. j. -i — - -So— - ■L. !_..

- Ь ■ - f + 4-—f- -i - ■ - — —i ч-тч, - -1- h

--Е- ■ - 4- + 4 —1 ■ -( z — —i _4._.|_. _ ¿z iz

= — Öfz:'z: 2

— j- • - 4 4 4-4- H - ■ z — -i Z ■Z ^4—

- г ■ 4 T 4 4 4- - i — -i q:=:;=. - ]- i- -jVj—

- - -

L - L i. a J 4— - _ -! - 1- i

L X- i 1 i - __j „.L.L. JL_ ,L -U-t-

с : : r: i 1 :□: i :z ZI i iz:ii Z )Z :c

г Î i 1 i i - i ■i -i --

Pr _-

k

(14)

о юо гоо зоо 4оо

Средняя температура выше окружающей, °С

Рис. 4. Влияние средней температуры выше температуры окружающей среды на тепловую эффективность коллектора

е

r

Рис. 5. Влияние средней температуры выше температуры окружающей среды в тепловых потерях

Используя эти данные, производительность системы можно наблюдать путем оценки результатов, полученных от построенной имитационной модели. С помощью модели можно определить: солнечное излучение, температуру выходящего из области коллекторов и соответствующую выходную мощность системы. Важно признать, что некоторые параметры системы считались постоянными: массовый расход воды и пара, количество коллекторов, массовый расход теплоносителя на ряд, температура входящего теплоносителя. Эти параметры тщательно контролируются в СТЭ, что обеспечивается средствами системы управления.

Производительность и мощность СТЭ зависит от погодных условий. В солнечную погоду СТЭ производит максимум энергии. При изменении погоды (дождливый сезон) СТЭ работает в переходном режиме. При колебании погодных условий в течение 5 - 10 мин, СТЭ за счёт инерции может не почувствовать этих переходных процессов. Если же солнечные переходные процессы длятся продолжительное время, например

час или два (декабрь 2013), то производительность системы значительно снижается, однако если солнечные переходные процессы происходят более длительное время (в периоды дождей), производимая системой мощность падает почти до нуля.

Некоторые аспекты были изучены, но не были включены в имитационную модель для упрощения, так как в большинстве случаев ими можно пренебречь, например: потери в трубопроводах системы, оптические потери солнечных коллекторов и др.

Имитационная модель была успешно проверена при использовании данных для установки SEGS VI, представленных в [4].

Литература

1. Eck M. & Hirsch T. Dynamics and control of parabolic trough collector loops with direct steam generation // Solar Energy. 2007. Vol. 81. pp. 268 - 279.

2. Hou H.J., Wang Z.F, Wang R.Z. & Wang P.M. A new method for the measurement of solar collector time constant // Renewable Energy. 2005. Vol. 30. P. 855 - 865.

3. Duffie J. & Beckman W. Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons, 2006.

4. Kearney D., Kelly B., Herrmann U., Cable R., Pacheco J., Mahoney R., Price H., Blake D., Nava P., & Potrovitza N. Engineering Aspects of a Molten Salt Heat Transfer Fluid in a Trough Solar Field // Energy. 2004. Vol. 29. P. 861 - 870.

5. Stine W.B. & Harrigan R.W. Solar Energy Systems Design. John Wiley & Sons, 1985.

6. Kennedy C., Terwilliger K. & Warrick A. Optical Durability of Candidate Solar Reflector Materials // Journal of Solar Energy Engineering. 2004. Vol. 127. P. 262 - 269.

7. Kim Y. & Seo T. Thermal performances comparisons of the glass evacuated tube solar collectors with shapes of absorber tube // Renewable Energy. 2007. Vol. 32. P. 772 - 795.

8. Rabl A. Optical and Thermal Properties of Compound Parabolic Concentrators // Solar Energy. 1976. Vol. 18. P. 497 -511.

9. Rabl A. Solar Concentrators with Maximal Concentration for Cylindrical Absorbers // Applied Optics. 1976. Vol. 15. P. 1871 - 1873.

10. Incropera F. & DeWitt D. Intr. to Heat Transfer, Wiley & Sons, 2002.

References

1. Eck, M. & Hirsch, T. Dynamics and control of parabolic trough collector loops with direct steam generation, Solar Energy, 2007, vol. 81, pp. 268-279.

2. Hou, H.J., Wang, Z.F, Wang, R.Z. & Wang, P.M., A new method for the measurement of solar collector time constant, Renewable Energy, 2005, vol. 30, pp. 855-865.

3. Duffie, J. & Beckman, W. Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley & Sons, 2006.

4. Kearney, D., Kelly, B., Herrmann, U., Cable, R., Pacheco, J., Mahoney, R., Price, H., Blake, D., Nava, P., & Potrovitza, N., Engineering Aspects of a Molten Salt Heat Transfer Fluid in a Trough Solar Field, Energy, 2004, vol. 29, pp. 861-870.

5. Stine, W.B. & Harrigan, R.W., Solar Energy Systems Design, John Wiley & Sons, 1985.

6. Kennedy, C.,Terwilliger, K. & Warrick, A., Optical Durability of Candidate Solar Reflector Materials, Journal of Solar Energy Engineering, 2004, vol. 127, pp. 262-269.

7. Kim, Y. & Seo, T., Thermal performances comparisons of the glass evacuated tube solar collectors with shapes of absorber tube, Renewable Energy, 2007, vol. 32, pp. 772-795.

8. Rabl, A., Optical and Thermal Properties of Compound Parabolic Concentrators, Solar Energy, 1976, vol. 18, pp. 497-511.

9. Rabl, A., Solar Concentrators with Maximal Concentration for Cylindrical Absorbers, Applied Optics, 1976, vol. 15, pp. 18711873.

10. Incropera, F. & DeWitt, D.; Intr. to Heat Transfer, Wiley & Sons, 2002.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Поступила в редакцию 9 декабря 2014 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.