Солнечная тепловая электростанция в условиях Ирака Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311.11 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-2-49-52

СОЛНЕЧНАЯ ТЕПЛОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ В УСЛОВИЯХ ИРАКА SOLAR THERMAL POWER PLANT IN CONDITIONS OF IRAQ

© 2015 г. Аль Гези Моафак Касеим Шиа

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 Engi-Российский государственный политехнический университет neering», Platov South-Russian State Polytechnic University (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: prince_king2500@ E-mail: prince_king2500@yahoo.com yahoo.com

Уникальной особенностью солнечной электростанции (СТЭ) является интеграция коллекторов с параболическими желобами и аккумуляция без резервного оборудования, работающего на ископаемом топливе. Горячая среда из коллекторов с параболическими желобами и насыщенный пар используются для получения перегретого пара с температурой 350 °С и давлением 40 бар, чтобы приводить в движение генератор турбины для производства электроэнергии. В данной статье изложены основные особенности коллекторов с параболическими желобами и представлены результаты исследований по моделированию электростанции в климатических условиях г. Багдада (Ирак). Работа реальной солнечной электростанции анализируется с применением математической модели (CFD). Ключевые слова: солнечная; энергия; солнечный коллектор; параболической концентратор; Ирак.

The unique feature of the solar power plant is the integration parabolic trough collectors and accumulation without a fossil fuel backup. The hot fluid from parabolic trough collectors and saturated steam are integrated to produce superheated steam at 350°C, 42 bar to run a turbine-generator to produce electricity. A modeling package has also been developed as a part of the project. This paper outlines the salient features of this package and presents simulation studies of the power plant under the climatic conditions of Baghdad (Iraq). A detailed performance model of the actual solar power plant is created in the simulator using mathematical model (CFD).

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

Мировой спрос на энергию и, в частности экологически чистую энергию, стремительно растет. С ростом спроса на энергию и выделением парникового газа, сбор солнечной энергии на СТЭ рассматривается как один из перспективных вариантов и привлекает к себе широкое внимание. Есть большое количество электростанций, установленных за рубежом [1], экономические аспекты которых подробно исследованы, как описано в литературе [2].

Моделирование солнечной тепловой электростанции позволяет исследовать её характеристики до начала строительства. Результаты моделирования могут быть успешно применены для оптимизации тепловой схемы электростанции, разработки общей стратегии управления и определения процедуры запуска.

Разработанная модель может быть использована для предварительного определения размеров, разработки теплового баланса, моделирования нештатных ситуаций и оценки эффективности отдельных элементов или всей солнечной электростанции. Параметрическое исследование можно выполнить, изменяя такие данные системы как: управляющие переменные, место установки, характеристика работы среды и др.

В процессе данного исследования, оптический и термический анализ теплоносителя поглотителя был проведен методом математического моделирования гидродинамики (CFD): Microsoft® Developer Studio (Fortran95)® и программой Tecplot7.

Ресурс солнечного излучения Ирака в среднем достигает 6,5 - 7,0 кВт-ч/м2 в сутки при работе от 2800 до 3300 ч в год, что обеспечивает повышенное использование энергии по сравнению с Канадой и Россией, где количество солнечных часов не превышает 1000 ч в год. Однако эти страны используют солнечную энергетику более активно.

Возрастающая нестабильность цен на ископаемые топлива привела мир к стремлению использовать бесплатную и, естественно, доступную энергию от Солнца для выработки электроэнергии, и г. Багдад не является исключением. Оценка эффективности работы и моделирование солнечной теплоэлектростанции проводились для условий г. Багдада с местными данными для определения её жизнеспособности. Чтобы лучше понять солнечный ресурс как средство для производства энергии, необходимо изучить активность солнечной радиации.

Коэффициент, учитывающий полезную энергию, извлекаемую коллектором, пропорционален полной энергии, поглощенной им, минус количество потерь в окружающую среду. Он, в свою очередь, зависит от общего коэффициента теплопередачи, эффективности коллектора и от особенностей солнечного потока. Общий коэффициент теплопередачи (ио) может быть рассчитан при условии, что теплопроводность приемника (кг), внутренний и внешний ^о) диаметры известны, наряду с коэффициентом теплопередачи внутри трубки (Ир):

Uo =

иг1 +-

D„

Dl 2к

in

V D у/

Факторы, характеризующие эффективность солнечных коллектора (Е") и расхода (Е"), могут быть определены по уравнениям:

F ' —U^-.

Ul

U -

F " — FR — -

иг +

mCpCR

Do

hfiD

(

Dl- in l Do

V 2kr l Di //

\

F ÂreciverUL F

1 - exp

AreceiverU L F

mCpCR

где т - массовый расход; Ср - удельная теплоемкость жидкости; CR - коэффициент концентрации. Тогда полезная энергия коллектора

Qu — FRAaper

A

S — receiver

A

Ul (Т — Ta )

aper

Выход отработанного ИспаРитель

Горячий жидкий теплоноситель

Рабочая среда

Перегретый пар с расширителем на турбину

Rtotal — Ri + Rwall + Ro —

hA

2л kL

h0A0

где нижние индексы i, o и wall относятся к внутреннему, внешнему теплоносителям и сопротивлению стенки соответственно. Тепловая мощность теплообменника определяется по уравнению

AT

Q • —

R

■ — UHXAAT — UiAi AT — U0A0AT ,

HX II o o

total

где инх - общий коэффициент теплопередачи теплообменника. Тепловые мощности могут быть определены с учётом движений двух теплоносителей, разделенных стенкой [4 - 6].

То

Теплопередача

О

где - поглощенное излучение на единицу площади апертуры коллектора. Повышение температуры, учитывая, что известна полная энергия солнечных излучений, определяется как ДТ = Г (и , и температура

тСр

теплоносителя на выходе: Ту = Ti + ДТ .

Теплообменник (ТБ), с другой стороны, обеспечивает передачу тепла по этапам от «горячего» теплоносителя к «холодному», который подаётся в турбину, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема передачи тепла от горячей к холодной жидкости

Необходимо учитывать конвекцию обоих теплоносителей и теплопередачу через стенку. Это учтено в общем коэффициенте теплопередачи теплообменника, иТБ, который зависит от отдельных сопротивлений конвекции и теплопереноса в трубах и стенках, а также от конструкции теплообменника.

Механизм теплообмена показан на рис. 2.

Тепло от горячей жидкости передается к внутренней стенке за счет конвекции, а затем с помощью конвективной формы передачи к внутреннему теплоносителю [5, 6]. Тепловое сопротивление такого теплообмена может быть описано следующим уравнением:

1 4%) 1

Горячая жидкость

Рис. 2. Ступени передачи тепла от горячей к холодной жидкости

При тепломеханическом расчете теплообменника принимают следующие допущения:

- теплообменник является устройством с установившимся потоком;

- кинетическая и потенциальная энергии изменяются незначительно;

- удельная теплоемкость жидкости принимается как среднее значение в рабочем диапазоне температур;

- предполагается, что теплообменник хорошо изолирован так, что не существует потерь тепла в окружающую среду [5, 6].

Основываясь на этих предположениях и на 1-м законе термодинамики, можно сказать, что тепло от «горячего» теплоносителя будет равно теплу «холодного» источника:

( = тсСра (Тс,оШ ~ Та,1п ) = т-С рк (Тк,т ~ Тк,оШ ) ,

где индексы с и к для холодного и горячего теплоносителя соответственно; С - массовая теплоемкость теплоносителя.

Если выходная температура не указана, то расчёт основывается на коэффициенте эффективности тепло-

(Г ,

передачи е, определяемом как [5]: е = —-—, где (* -

(тах

фактическая средняя теплопередача; (- тах - максимально возможная средняя теплопередача.

Фактический коэффициент теплопередачи может быть определен из энергетического баланса, описанного выше. Максимально возможная средняя теплопередача зависит от максимальной разницы температур, которая может быть достигнута в теплообменнике, ДТтах = Тк,т ~ Тслн .

+

+

+

Отсюда максимальное среднее тепло равно:

Ö* _ С** Л Т • _ *

max — Cmin max ; Cmin — m Cp ,

где С]^1П - минимальный коэффициент массовой

теплоемкости.

Эффективность теплообменника определяется по уравнению

NTU = UAs

UA,

cmin (m' Cp )

В методике расчета теплообменника принят так-

же коэффициент c =

C

C

Для кожухотрубного теплообменника, наиболее часто используемого в СТЭ,

2

1 + c + \/Г+ c

1 + e -

1 - e"

( 2

NTU = -

VT

-ln

+ c

-1 - С-л/ 1 + c2

2 -1 - С + n/T+ c2

V e

Wr

,i ^^турб выход

[Турбина^

Чвыход

процесса. Тепловая эффективность цикла Ренкина может быть определена из отношения произведенной

w q

работы к полной, а именно: цth = = 1 —, где

Чг,

Чг,

- W

turb,out pump.in •

где е - коэффициент излучения.

Для производства электроэнергии наиболее часто используется термодинамический цикл Ренкина (рис. 3). Доказано что цикл Ренкина является идеальным для паровых электростанций [7]. Поскольку все её компоненты (насос, бойлер, турбина и конденсатор) работают в установившемся режиме, цикл может быть проанализирован уравнениями установившегося потока, отнесенного к единице массы водяного пара.

Wnet qin qout Wt

В работе был произведён тепловой анализ СТЭ с использованием программ математическая модель (CFD), Microsoft® Developer Studio (Fortran95)® и программа Tecplot7. Полученные результаты математического моделирование были использованы при определении характеристик 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 [8].

Расчёт системы СТЭ проводился для четырех месяцев (март, июнь, сентябрь, декабрь) с учётом солнечных и дождевых погодных условий. На диаграммах (рис. 4, 5) отражены такие атмосферные условия, как температура, скорость ветра и осадков, а также солнечное излучение для каждого конкретного условия.

" 10

Ä

£ 9

« 8

и [2 о

С

«

I 2

л О

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Месяц

Рис. 4. Среднемесячный поток излучения для г. Багдада

550 500 "s 450 |

400 ~!ТН" рТН' р/ Н "РТН" р \Н ТГТН "Р ТГ! 350

н

m

Рис. 3. Схема цикла Ренкина

Бойлер и конденсатор не потребляют и не производят работу. Работа насоса и турбины предполагается изоэнтропийной. Тогда можно получить следующие зависимости сохранения энергии [5]: насос

Wpump,in = h2 - h1 = v(P2 - Pl); бойлер = h3 - h2 ;

турбина Wturb,out = h3 - h4 ; конденсатор 4out = h4 - h1 ,

где w - работа, подведенная (in) или произведенная (out) насосом или турбиной; h - энтальпия в каждой точке цикла; q - входная (in) и выходная (out) энергия

й ft

300 250

<? 200 Щ

(3 150 о

° 100 50 0

6 8 10 12 14 16 18 20 Время, ч

Рис. 5. Солнечная радиация в дневное время

ь =

2

1

£

7

6

5

4

3

Данные, используемые для моделирования системы СТЭ

Переменные Значения

Внутренний диаметр резервуара Д, м 0,115

Внешний диаметр резервуара Д, м 0,125

Толщина резервуара хг, м 0,005

Рабочая температура Т, °С 350

Эмиттанс резервуара ег 0,31

Эмиттанс коллектора ес 0,88

Теплопроводность стекла k 1,4

Наружный диаметр стеклянной крышки do, м 0,148

Толщина стекла х^ мм 4

Внутренний диаметр стеклянной крышки di, м 0,14

Длина L, м 1

Скорость ветра V, м/с 3

Температура неба Т5ку, °С 2

Температура воздуха Та, °С 10

Теплопроводность стали ^, Вт/(м°С) 16

Ширина коллектора Хсо11, м 1,524

Длина коллектора Lc, м 12

Требуемая выходная мощность Wtul.ь¡out, МВт 10

Рабочая температура турбины ТШгЬ, °С 400

Рабочее давление турбины РШгЬ, кПа 4000

Массовый расход турбины т'игЬ , кг/с 14

Температура жидкости, входящей в поглотитель То, ° С 140

Массовый расход на коллектор т'сМ, кг/с 2

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

Удельная теплоемкость (соль) Срсо1, кДж/(кг °С) 1,56

Конвективный коэффициент ветра ha, Вт/(м2 °С) 300

Массовый расход на коллектор т'сМ, кг/с 2

Используя эти данные, работу системы можно наблюдать путем оценки результатов, полученных от построенной имитационной модели. Некоторые параметры системы принимались постоянными: массовый

расход воды и пара, количество коллекторов, массовый расход теплоносителя в коллекторах, температура входящего теплоносителя, температура и давление водяного конденсата и рабочее давление перед турбиной. Эти параметры тщательно контролируются в СТЭ, что обеспечивается средствами системы управления.

Входные параметры СТЭ (турбины, емкости для хранения и теплообменника, используемые для моделирования) приведены в таблице. Суточное моделирование работы солнечной электростанции, основанное на использовании среднемесячной почасовой прямой радиации, было выполнено для определения суточного изменения притока тепла в коллекторах и выходной мощности электростанции.

Литература

1. Fernandez-Garcia A, Zarza E, Valenzuela L, Perez M. Parabolic-trough solar collectors and their applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2010. 14: 1695-1721.

2. Krishnamurthy P, Mishra S, Banerjee R. An analysis of costs of parabolic trough technology in India. Energy Policy 2012; 48: 407-19.

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

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

5. Qengel Y.A. Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer, McGraw-Hill, 1997.

6. Qengel Y.A., Turner R.H. & Cimbala J.M. Fundamentals of Thermal Fluid Sciences, Mc Graw-Hill, 2008.

7. Drbal L.F. Power Plant Engineering - Black&Veatch, Klu-wer Academic Publishers, 2001.

8. Kearney D., Kelly B., Herrmann U., Cable R., Mahoney R., Price H., Nava P., Potrovitza N. Overview on use of a Molten Salt HTF in a Trough Solar Field, NREL Parabolic Trough Thermal Energy Storage Workshop, 2003.

References

1. Fernandez-Garcia A, Zarza E, Valenzuela L, Perez M. Parabolic-trough solar collectors and their applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14, pp. 1695-1721.

2. Krishnamurthy P, Mishra S, Banerjee R. An analysis of costs of parabolic trough technology in India. Energy Policy, 2012, 48, pp. 407-19.

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

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

5. Qengel, Y.A., Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer, McGraw-Hill, 1997.

6. Qengel, Y.A., Turner, R.H. & Cimbala, J.M., Fundamentals of Thermal Fluid Sciences, Mc Graw-Hill, 2008.

7. Drbal, L.F., Power Plant Engineering - Black&Veatch, Kluwer Academic Publishers, 2001.

8. Kearney, D., Kelly, B., Herrmann, U., Cable, R., Mahoney, R., Price, H., Nava, P., Potrovitza, N., Overview on use of a Molten Salt HTF in a Trough Solar Field, NREL Parabolic Trough Thermal Energy Storage Workshop, 2003.

Поступила в редакцию 9 декабря 2014 г.