إسلاميات - التجارة والزراعة - الطب والصحة - التاريخ والشخصيات - الكمبيوتر والإنترنت - الإعلام والعلاقات العامة
محطة تحلية شمسية متكاملة بالشبكة الكهربائية
وذات إنتاج مشترك لمياه التحلية
د. حسين الربيعيالمعهد العالي للهندسة / هون ـ الجماهيرية الليبية
تم
تقديم الورقة البحثية في المؤتمر الدولي للطاقات المتجددة
والبيئة (
WREEC2006
) ، طرابلس ـ الجماهيرية الليبية ، للفترة من
22 : 24
كانون الثاني
2006
.
ملخص : إن الغاية الأساسية من هذه الدراسة هي بحث فاعلية تطوير التصميم التقليدي لمحطات التحلية من نوع التناضح العكسي إلى محطة شمسية متكاملة بالشبكة الكهربائية ( محطة مشتركة شمسية ) يتم فيها خلال فترة وجود الإشعاع الشمسي تحقيق نظام مشترك لإنتاج جزء من الطاقة الكهربائية اللازمة لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسي والطاقة الحرارية المطلوبة لوحدة تحلية تبخيرية متعددة التأثير ذات درجة الحرارة المنخفضة. مما يؤدي ذلك إلى انخفاض معدل استهلاك الوقود في الشبكة الكهربائية لإنتاج الطاقة الكهربائية ومياه التحلية. وبناء على ما تقدم تم في البحث وباستخدام طريقة النمذجة الرياضية دراسة فاعلية التصميم المقترح للمحطة المشتركة الشمسية . وبصفة مقياس للفاعلية الحرارية والحفاظ على أدنى مستوى من التلوث للوسط المحيط تم اعتماد مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة نتيجة لاستخدام التصميم المقترح مقارنة مع التصميم التقليدي لمحطات التحلية من نوع التناضح العكسي. وقد بينت نتائج الدراسة فاعلية المحطات المشتركة الشمسية. حيث بلغ مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في الشبكة الكهربائية 138.9 ton.fuel /year لكل MW من الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية من نوع القطع المكافئ الأسطواني المستخدمة في المحطة المشتركة الشمسية . وطبقا لذلك فان مقدار الانخفاض في كمية ثاني أوكسيد الكربون 434.9 ton/MW.year واكاسيد النتروجين 0.55 ton/MW.year المطروحة للوسط المحيط. وذلك عندما تكون النسبة السنوية للمشاركة الشمسية في إنتاج الطاقة الكهربائية اللازمة لوحدة التحلية 67.4 % وكفاءة المحطة التعويضية على إنتاج الطاقة الكهربائية في الشبكة 40 %. كما إن مقدار الزيادة في كمية مياه التحلية المنتجة للمحطة 22932.9 ton/MW.year .
الرموز المستخدمة مع الأشكال والرسوم التوضيحية :
1 ـ المقدمة : مع تنامي الوعي العالمي بمخاطر التلوث البيئي الناتج من استعمال مصادر الطاقة التقليدية ( النفط ، الغاز الطبيعي ، الوقود الصلب ) ، ومع الزيادة المستمرة في الحاجة البشرية للطاقة والمياه العذبة وارتفاع احتمالية نضوب مصادر الطاقة التقليدية، أصبح من الضروري الاقتصاد في استهلاك المتوفر من هذه المصادر والبحث عن وسائل وطرق متعددة للإيفاء بالمتطلبات المستقبلية للطاقة والمياه. إن السبيل الأمثل لحل مشكلة المياه وتامين مصادر الطاقة على الأمد البعيد والقريب يكمن في استغلال المصادر الثانوية للطاقة والطاقات الجديدة والمتجددة في إنتاج الطاقة الكهربائية ومياه التحلية [ 1 , 2 ]. وتشير نتائج الدراسات الحديثة في مجال الطاقة وتحلية مياه البحر إلى فاعلية استخدام المحطات الشمسية لإنتاج الطاقة الكهربائية وتحلية مياه البحر [ 4 , 3 ]. وقد بينت نتائج الدراسة السابقة [ 5 ] فاعلية استخدام مصفوفات الألواح الشمسية لإنتاج الطاقة الكهربائية اللازمة لوحدات التحلية من نوع التناضح العكسي. ولكن من المشاكل السلبية لهذه النوعية من محطات التحلية هي انخفاض كفاءة مصفوفات الألواح الشمسية. ومن ثم زيادة المساحة السطحية لهذه المصفوفات بشكل كبير مع ارتفاع إنتاجية وحدة التحلية. مما يؤدي إلى ارتفاع كلفة إنشاء هذه النوعية من محطات التحلية الشمسية. وبناء على ما تقدم لحل المشاكل السلبية السابقة الذكر والإيفاء بالمتطلبات المستقبلية لاستهلاك المياه العذبة والمصادر التقليدية للطاقة وحفظ البيئة من مصادر التلوث سوف نتطرق في الدراسة الحالية إلى بحث فاعلية تطوير التصميم التقليدي لوحدات التحلية من نوع التناضح العكسي إلى محطة تحلية شمسية متكاملة بالشبكة الكهربائية ( محطة مشتركة شمسية ) مخصصة لإنتاج الطاقة الكهربائية ومياه التحلية يتم فيها استغلال مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية لتحقيق نظام مشترك شمسي لاشتغال وحدات التحلية من نوع التناضح العكسي والمتعددة التأثير ذات درجة الحرارة المنخفضة على طاقة الإشعاع الشمسي والشبكة الكهربائية.
2 ـ التصميم الأساسي لمحطة التحلية من نوع التناضح العكسي:
الشكل (1) محطة التحلية من نوع التناضح العكسي تتضمن مبادل للضغط ( شاحن توربيني ).
مرشحات المعالجة ذات الغشاء الانتقائي ، مبادل ضغط ( شاحن توربيني ) ، ومنظومة المعالجة النهائية لمياه التحلية المنتجة. وبذلك يتم عن طريق الشبكة الكهربائية تجهيز محطة التحلية بالطاقة الكهربائية المطلوبة لإنتاج مياه التحلية . حيث تشكل الطاقة الكهربائية المستهلكة لمضخة رفع ضغط المحلول الملحي الجزء الأساسي من هذه الطاقة . لذلك في التصاميم الحديثة لمحطات تحلية مياه البحر من نوع التناضح العكسي تكون وحدة التحلية مصممة بمرحلتين للضغط ومجهزة بتربينة مائية أو بمبادل للضغط ( شاحن توربيني ) لاسترجاع الطاقة الهيدروليكية للمياه المالحة المستنزفة من مرحلة الضغط العالي ( كما هو مبين في الشكل (1)). مما يؤدي ذلك إلى انخفاض معدل استهلاك الطاقة الكهربائية اللازمة لإنتاج مياه التحلية [ 6 ].
3 ـ التصميم المقترح للمحطة المشتركة الشمسية : بهدف زيادة فاعلية محطات التحلية من نوع التناضح العكسي تم في الدراسة الحالية اقتراح تطوير التصميم الأساسي لهذه المحطات ( الشكل (1)) إلى محطة مشتركة شمسية. حيث يتكون التصميم المقترح للمحطة المشتركة الشمسية ( الشكل( 2 )) من مصفوفة مجمعات شمسية تركيزية من نوع القطع المكافئ الأسطواني ، خزان فصل البخار (SSV)، وحدة تربينية بخارية حرارية من نوع الضغط المقابل ، ووحدة تحلية متعددة التأثير ذات درجة الحرارة المنخفضة هذا بالإضافة إلى الأجزاء السالفة الذكر في التصميم الأساسي لوحدة التحلية (ROU) من نوع التناضح العكسي(الفقرة 2). حيث يتم وفقا للتصميم المقترح استغلال مصفوفة المجمعات الشمسية في تجهيز معدل استهلاك
الشكل ( 2 ) التصميم المقترح للمحطة المشتركة الشمسية .
الطاقة الحرارية للوحدة التربينية البخارية عن طريق خزان فصل البخار. وبذلك في حالة وجود الإشعاع الشمسي يتم تجهيز كمية البخار المتولدة في خزان فصل البخار إلى التربينة البخارية (ST) عن طريق خط البخار الرئيسي للمحطة. حيث يتمدد البخار داخل هذه التربينة حتى الضغط التصميمي (PT ) لتجهيز البخار لوحدة التحلية المتعددة التأثير ذات درجة الحرارة المنخفضة (LT-MED). وذلك بعد أن يتم استنزاف جزء منه لغرض التسخين الاسترجاعي لمياه التغذية والمتكثف الأساسي في المسخن الحراري (H) وخزان نزع الهواء والغازات المذابة (D). مما يؤدي ذلك إلى ارتفاع معدل استهلاك الطاقة الحرارية للوحدة التربينية البخارية على إنتاج نوعي الطاقة ( الطاقة الكهربائية والطاقة الحرارية اللازمة لوحدة التحلية المتعددة التأثير ) وزيادة كمية مياه التحلية المنتجة للمحطة. هذا إلى جانب إنتاج كمية من الطاقة الكهربائية ومياه التحلية الشمسية في المحطة. ومن ثم انخفاض معدل استهلاك الوقود في الشبكة الكهربائية لإنتاج مياه التحلية. أما في فترة غياب الإشعاع الشمسي فيتم توقيف الجزء البخاري من المحطة عن العمل وتجهيز كمية الطاقة الكهربائية المطلوبة لإنتاج مياه التحلية عن طريق الشبكة الكهربائية كما هو مبين في الشكل ( 2 ).
ومن الجدير بالذكر إن التصميم المدروس لوحدة التحلية المتعددة التأثير ذات درجة الحرارة المنخفضة ( الشكل ( 3 )) يتكون من عدة مبخرات مربوطة بشكل متتابع ويتم تجهيز هذه المبخرات بالمحلول الملحي بشكل متوازي .
الشكل ( 3 ) التصميم المدروس لوحدة التحلية المتعددة التأثير ذات درجة الحرارة المنخفضة.
وتحتوي المبخرات ( التي تشكل تأثيرات وحدة التحلية ) بداخلها على مساحات سطحية تعتبر كمكثف لكمية البخار المجهزة للتأثيرات. حيث يعمل كل مبخر من هذه المبخرات على تكثيف كمية البخار المجهزة من المبخر السابق له . ويعمل المكثف (K) المتكامل بالمبخر الأخير لوحدة التحلية على تكثيف كمية البخار المنتجة في هذا التأثير كما هو مبين في الشكل ( 3 ). ويتم الاستفادة من الطاقة الحرارية للمياه المنتجة في تأثيرات وحدة التحلية في تسخين المحلول الملحي الذي يشكل جزء من مياه التبريد لمكثف وحدة التحلية ، وكذلك يتم استنزاف المحلول الملحي بشكل متتابع من تأثيرات وحدة التحلية وطرحه إلى الوسط المحيط من التأثير الأخير لهذه الوحدة. هذا بالإضافة إلى ما تقدم تم في التصميم المقترح ( الشكل ( 2 )) الأخذ بعين الاعتبار وجود منظومة الاستفادة من الطاقة الحرارية للمياه المستنزفة من خزان فصل البخار: خزان التمدد (FV) ومسخن المياه التعويضية للمحطة (RFWH). وكذلك الاستفادة من مياه التبريد الخارجة من مكثف وحدة التحلية المتعددة التأثير كمياه تغذية لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسي. مما يؤدي ذلك إلى هبوط مقدار الاستهلاك الذاتي للطاقة داخل المحطة . وبناء على ما تقدم سوف تعتمد كمية الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية على معدل استهلاك الطاقة الحرارية التصميمي للوحدة التربينية البخارية وكذلك على المحددات التقنية والمواصفات التشغيلية لوحدة التحلية المتعددة التأثير والتربينة البخارية عند ظروف الحمل الجزئي ( مدى السماحية في هبوط كمية الطاقة الحرارية المجهزة لوحدة التحلية المتعددة التأثير والطاقة الكهربائية المنتجة للتربينة البخارية ومقدار الانخفاض في كفاءة التربينية عند هذه الظروف التشغيلية ).
4 ـ طريقة دراسة فاعلية التصميم المدروس للمحطة المشتركة الشمسية : إن اختيار التصميم المناسب للمحطات المشتركة الشمسية ( الفقرة 3 ) بشكل مبدئي لابد أن يكون على أساس الفاعلية الحرارية القصوى لعملية إنتاج الطاقة الكهربائية ومياه التحلية. وبصفة مقياس للفاعلية الحرارية والحفاظ على أدنى مستوى من التلوث للوسط المحيط لهذه النوعية من المحطات تم في الدراسة الحالية اعتماد مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة في التصميم المدروس مقارنة مع التصميم التقليدي لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسي ومحطة تعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية في الشبكة. وبذلك فإن العلاقة الرياضية التي تعبر عن مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في عملية المقارنة هذه هي :
حيث : Nfp , NE ـ كمية الطاقة الكهربائية المنتجة للتربينة البخارية وكمية الطاقة الكهربائية المستهلكة في مضخة التغذية للمحطة المشتركة الشمسية على الترتيب (MW). Qcv ـ القيمة الحرارية للوقود النوعي المستخدم في الدراسة ( Qcv = 40756 kJ/kg ). ηST ـ كفاءة المحطة التعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية في الشبكة. ηTR ـ كفاءة نقل الطاقة الكهربائية في الشبكة. (Ddw)N ـ كمية مياه التحلية المنتجة لوحدة التحلية المتعددة التأثير ذات درجة الحرارة المنخفضة ( ton/hr ). NMED , NRO ـ معدل استهلاك الطاقة الكهربائية النوعي لإنتاج مياه التحلية في التصميم التقليدي لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسي ووحدة التحلية المتعددة التأثير ذات درجة الحرارة المنخفضة على الترتيب (MW.hr/ton). وبذلك فإن البديل المناسب هو الذي يعطي أقصى قيمة لتكامل المعادلة ( 1 ) على مدار السنة.
ولإجراء هذه الدراسة تم استخدام طريقة النمذجة الرياضية. حيث تم كتابة خوارزمية النموذج الرياضي للتصميم المقترح بما يتوافق مع الطبيعة التقنية والفيزيائية للتصميم المدروس وطريقة عمل المحطة المشتركة الشمسية وطبقا للطرق المعتمدة والمستخدمة لإجراء هذه النوعية من الحسابات وهي [11 , 10 , 9 , 8 , 7 ]:
ومن الجدير بالذكر تم في الدراسة لحساب كمية الإشعاع الشمسي على سطح الأرض اعتماد طبيعة الطقس والظروف المناخية لموقع المحطة عند زاوية خط عرض32.78 deg. . وكذلك تم استخدام الخواص التصميمية المعتمدة في الدراسة [ 12 ] للمجمعات الشمسية التركيزية.
5 ـ نتائج دراسة فاعلية التصميم المدروس للمحطة المشتركة الشمسية : تعتمد فاعلية التصميم المقترح للمحطة المشتركة الشمسية على الطاقة التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية وكذلك على المواصفات التصميمية وطريقة عمل التصميم المقترح في النظام المشترك الشمسي . وقد بينت نتائج دراسة فاعلية التصميم المقترح للمحطة ( الشكل ( 4 )) ارتفاع مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة ( DBST ) مع زيادة الوقت الظاهري في الفترة الصباحية (LAT< 12 hr ) إلى أن يصل إلى القيمة القصوى عند منتصف النهار حسب الوقت الظاهري ( LAT= 12 hr ). والسبب في ذلك هو زيادة كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية (QSC ، الشكل ( 4)) كنتيجة لارتفاع كمية الإشعاع الشمسي التي تسقط على سطح مصفوفة المجمعات الشمسية وزيادة كفاءة هذه المصفوفة ( ETSC ، الشكل ( 4)). ومن ثم ارتفاع كفاءة المحطة على إنتاج نوعي الطاقة ( ETST ، الشكل ( 4 )) كنتيجة لزيادة كمية الطاقة الكهربائية الشمسية المنتجة للتربينة البخارية ( وطبقا لذلك كمية الطاقة الكهربائية المجهزة للشبكة الكهربائية ( NE ، الشكل ( 4)) ) وارتفاع كمية الطاقة الحرارية الشمسية المجهزة لوحدة التحلية المتعددة التأثير. ومن ثم زيادة كمية مياه التحلية المنتجة للمحطة ( Ddw ، الشكل ( 4 )) . وبالتالي هبوط معدل استهلاك الوقود في الشبكة الكهربائية على إنتاج الطاقة الكهربائية ومياه التحلية. بعد ذلك كما هو مبين في الشكل ( 4 ) تبدأ قيمة مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في الانخفاض مع زيادة الوقت الظاهري. وذلك بسبب هبوط كمية الإشعاع الشمسي المباشر التي تسقط على سطح مصفوفة المجمعات الشمسية وانخفاض كفاءة هذه المصفوفة. مما يؤدي ذلك إلى هبوط كفاءة المحطة على إنتاج نوعي الطاقة نتيجة لانخفاض كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية. ومن ثم هبوط كمية الطاقة الكهربائية الشمسية ( NE ، الشكل ( 4 )) المجهزة للشبكة الكهربائية وانخفاض مقدار الزيادة بكمية مياه التحلية المنتجة للمحطة ( Ddw ، الشكل ( 4)).
الشكل ( 4 ) علاقة مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة (DBST) ، كفاءة مصفوفة المجمعات الشمسية (ETSC)، كفاءة المحطة على إنتاج نوعي الطاقة (ETST)، كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية (QSC)، كمية الطاقة الكهربائية المجهزة للشبكة الكهربائية(NE ) ، ومقدار الزيادة بكمية مياه التحلية المنتجة(Ddw ) مع الوقت الظاهري (LAT) في الموقع المدروس للمحطة المشتركة الشمسية.
ويلاحظ من الشكل ( 4) زيادة كفاءة مصفوفة المجمعات الشمسية ( ETSC ) في الفترة الصباحية لاشتغال مصفوفة المجمعات الشمسية وانخفاضها في الفترة المسائية. والسبب في ذلك يمكن تفسيره إلى زيادة كمية الإشعاع الشمسي الممتص وهبوط كمية الفقد الحراري للوسط المحيط ( نتيجة لارتفاع قيمة معامل نقل الحرارة على السطح الداخلي لجدار الأنبوب الماص للإشعاع وكذلك درجة حرارة الوسط المحيط ) في الفترة الصباحية . ومن ثم زيادة كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية بمقدار أكبر من الارتفاع في كمية الإشعاع الشمسي التي تسقط على سطح مصفوفة المجمعات الشمسية. أما في الفترة المسائية فإن مقدار الانخفاض في كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية أكبر من الهبوط في كمية الإشعاع الشمسي الممتص. وقد تم دراسة فاعلية التصميم المقترح للمحطة المشتركة الشمسية على مدار السنة. حيث يبين الشكل (5 ) مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة لإنتاج الطاقة الكهربائية ومياه التحلية خلال الشهر ( DBM ) وكمية الطاقة الكهربائية المجهزة للشبكة الكهربائية ( NEM ) وكذلك مقدار الزيادة بكمية مياه التحلية ( DDWM ) المنتجة للمحطة عند الأشهر المختلفة من السنة. ويلاحظ من الشكل ( 5 ) ارتفاع مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة ( DBM ) خلال فصل الصيف ( الأشهر8 : 4 ) مقارنة مع فصل الشتاء ( الأشهر 12 , 11 , 2 , 1). والسبب في ذلك يمكن تفسيره إلى تعامد الشمس في الموقع المدروس (FAI= 32.78 deg ) على نصف الكرة الأرضية الشمالي خلال فصل الصيف. هذا إلى جانب ذلك فأن نظام التحكم المستخدم في توجيه مصفوفة المجمعات الشمسية فيه محور
الشكل ( 5 ) مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة خلال الشهر ( DBM ) ، كمية الطاقة الكهربائية الشمسية ( NEM )، ومقدار الزيادة في كمية مياه التحلية المنتجة ( DDWM ) خلال الشهر للمحطة المشتركة الشمسية عند الأشهر المختلفة من السنة.
بؤرة مركز الأشعة عبارة عن خط أفقي ممدود من الشمال إلى الجنوب . مما يؤدي ذلك إلى ارتفاع كمية الإشعاع الشمسي المباشر التي تسقط بصورة عمودية على سطح مستوي فتحة مركز الأشعة خلال هذه الفترة. وبالتالي زيادة كمية الطاقة الكهربائية الشمسية ومياه التحلية المنتجة للمحطة. وكذلك يلاحظ من الشكل ( 5 ) زيادة كمية الطاقة الكهربائية الشمسية ( NEM ) ومقدار الزيادة في كمية مياه التحلية المنتجة ( DDWM ) خلال الشهر للمحطة عند فصل الصيف ( الأشهر8 : 4 ) مقارنة مع فصل الشتاء الأشهر 12 , 11 , 2 , 1). وذلك بسبب ارتفاع عدد ساعات عمل المحطة في النظام المشترك لإنتاج الطاقة الكهربائية ومياه التحلية خلال فصل الصيف. كنتيجة لزيادة طول النهار بالموقع المدروس عند هذه الفترة من السنة. ومن ثم عدد ساعات سطوع الشمس خلال اليوم. وكذلك يبين الشكل (5 ) إن زيادة النسبة السنوية للمشاركة الشمسية SRY من 67.4 % إلى 95 % تؤدي إلى ارتفاع مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة خلال الشهر بنسبة41.3 % . وذلك بسبب زيادة كمية الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية بنسبة 40.5 % . مما يؤدي ذلك إلى ارتفاع كمية الطاقة الكهربائية الشمسية ( NEM ) ومقدار الزيادة في كمية مياه التحلية المنتجة ( DWM ) خلال الشهر للمحطة. ومن ثم انخفاض معدل استهلاك الوقود لإنتاج الطاقة الكهربائية ومياه التحلية في الشبكة الكهربائية. حيث يلاحظ من الشكل ( 6 ) عند تصميم المحطة بنسبة سنوية للمشاركة الشمسية SRY= 95 % فإن كمية الطاقة الكهربائية المنتجة خلال اليوم ( NED2 ) للمحطة في فصل الصيف ( الأشهر 8 , 7 , 6 , 5 , 4 ) أكبر من معدل استهلاك هذه الطاقة خلال اليوم (NRD) لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسي. وهذا يعني إن التصميم المقترح للمحطة عند فصل الصيف يوفر إمكانية للمشاركة في تغطية جزء من حمل الزيادة الموسمية لاستهلاك المياه العذبة والطاقة الكهربائية في الشبكة وبشكل خاص خلال ساعات النهار. هذا إلى جانب ثبوت معدل استهلاك الطاقة الكهربائية للمحطة خلال ساعات الليل وعلى مدار السنة. مما يؤدي إلى استغلال فائض الطاقة الكهربائية المنتجة في الشبكة خلال ساعات الليل وكذلك ارتفاع كفاءة إنتاج الطاقة الكهربائية في الشبكة عند هذه الفترة. أما خلال فصل الشتاء وبسبب انخفاض معدل استهلاك المياه العذبة فيمكن في هذه الحالة خلال ساعات النهار توقيف وحدة التحلية من نوع التناضح العكسي عن العمل وتجهيز الطاقة الكهربائية المنتجة للمركز الكهروحراري إلى الشبكة وتغطية جزء من حمل استهلاك المياه العذبة عن طريق كمية مياه التحلية المنتجة لوحدة التحلية المتعددة التأثير ذات درجة الحرارة المنخفضة.
الشكل ( 6 ) معدل استهلاك الطاقة الكهربائية (NRD) لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسي وكمية الطاقة الكهربائية الشمسية المنتجة (NED) خلال اليوم المخصص من الشهر عند قيم مختلفة للنسبة السنوية للمشاركة الشمسية (RSY) في تغطية معدل استهلاك الطاقة الكهربائية لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسي المستخدمة في التصميم المقترح للمحطة المشتركة الشمسية.
ولدراسة تأثير كفاءة المحطة التعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية في الشبكة ( EST ) على فاعلية التصميم المقترح للمحطة ( الفقرة 3 ) تم إجراء تكامل على مدار السنة لمقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة من العلاقة ( 1 ). وقد بينت نتائج الدراسة ( الشكل ( 7 )) فاعلية التصميم المقترح للمحطة. حيث بلغ مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة خلال السنة DBY=122.6 ton fuel/year لكلMW من الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية. وذلك عند كفاءة للمحطة التعويضية على إنتاج الطاقة الكهربائية في الشبكةEST= 0.4 ومعدل استهلاك الطاقة الكهربائية النوعي لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسي NRO= 3 kW.hr/ton . وطبقا لذلك فإن مقدار الانخفاض في كمية أكاسيد النتروجين 0.43 ton/year.MW وثاني أوكسيد الكربون 383.9 ton/year.MW المطروحة للوسط المحيط. وكذلك يلاحظ من الشكل ( 7 ) ارتفاع كفاءة المحطة التعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية منEST= 0.4 إلى EST= 0.55 يؤدي إلى هبوط مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة والمؤشرات البيئية السالفة الذكر بنسبة 27.2 % . وذلك بسبب انخفاض معدل استهلاك الوقود على إنتاج الطاقة الكهربائية ومياه التحلية في الشبكة الكهربائية. كما إن ارتفاع معدل استهلاك الطاقة الكهربائية النوعي لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسي من NRO = 3 kW.hr/ton إلى NRO = 6 kW.hr/ton يؤدي إلى انخفاض النسبة السنوية للمشاركة الشمسية (SRY) في تغطية حمل استهلاك الطاقة الكهربائية لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسيى بنسبة 50.2 % ( نتيجة لارتفاع معدل استهلاك الطاقة الكهربائية لهذه الوحدة وثبوت الطاقة التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية) وزيادة مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة والمؤشرات البيئية السالفة الذكر بنسبة 13.4 % ( نتيجة لارتفاع معدل استهلاك الوقود في الشبكة الكهربائية لإنتاج مياه التحلية عن طريق المحطة التعويضية).
الشكل ( 7 ) علاقة مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة خلال السنة ( DBY ) لتصميم المحطة المقترح مع كفاءة المحطة التعويضية (EST) لإنتاج الطاقة الكهربائية في الشبكة عند قيم مختلفة لمعدل استهلاك الطاقة الكهربائية النوعي لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسي (NRO).
وقد تم دراسة تأثير الضغط الابتدائي للبخار قبل التربينة البخارية (PO ) على المؤشرات الحرارية والبيئية النوعية لتصميم المحطة المقترح. حيث يلاحظ من الشكل ( 8 ) عند ثبوت المساحة التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية فإن زيادة الضغط الابتدائي للبخار تؤدي إلى ارتفاع مقدار التوفير النوعي في كمية الوقود المستهلكة خلال السنة (DBY). وذلك بسبب زيادة كمية الطاقة الكهربائية الشمسية المنتجة خلال السنة (NEY) للمحطة ( نتيجة لارتفاع مقدار الهبوط في طاقة البخار داخل التربينة البخارية) . ومن ثم ارتفاع النسبة السنوية للمشاركة الشمسية (SRY) في تغطية حمل استهلاك الطاقة الكهربائية لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسي. ومن جهة أخرى إن زيادة الضغط الابتدائي للبخار تؤدي إلى هبوط مقدار الزيادة في كمية مياه التحلية المنتجة للمحطة خلال السنة (DWY). والسبب في ذلك يمكن تفسيره إلى انخفاض كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية وهبوط خواص البخار في نهاية إجراء التمدد داخل التربينة. مما يؤدي ذلك إلى انخفاض كمية الطاقة الحرارية المجهزة لوحدة التحلية المتعددة التأثير.
الشكل (8 ) علاقة النسبة السنوية للمشاركة الشمسية ( SRY ) ،مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة (DBY )،كمية الطاقة الكهربائية الشمسية المنتجة ( NEY )، ومقدار الزيادة في كمية مياه التحلية المنتجة ( DWY ) خلال السنة مع الضغط الابتدائي للبخار قبل التربينة البخارية (PO ).
وقد تم دراسة تأثير ضغط البخار المجهز لوحدة التحلية (PT ) المتعددة التأثير ذات درجة الحرارة المنخفضة وطبقا لذلك عدد تأثيرات ( NM ) هذه الوحدة على فاعلية المحطة المشتركة الشمسية. حيث يلاحظ من الشكل ( 9 ) زيادة ضغط البخار المجهز لوحدة التحلية تؤدي إلى ارتفاع بسيط بمقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة خلال السنة ( DBY ). والسبب في ذلك يمكن تفسيره إلى هبوط كمية الطاقة الكهربائية المنتجة خلال السنة ( NEY ) للمحطة. كنتيجة لانخفاض مقدار الشغل النوعي المنجز للبخار داخل التربينة البخارية وثبوت الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية( QSCA ). وكذلك يبين الشكل ( 9 ) ارتفاع كمية مياه التحلية المنتجة خلال السنة(DWY ) للمحطة عن طريق وحدة التحلية المتعددة التأثير مع زيادة ضغط البخار المجهز لهذه الوحدة. والسبب في ذلك يعود إلى ارتفاع كمية الطاقة الحرارية المجهزة لوحدة التحلية وزيادة عدد التأثيرات ( NM ) هذه الوحدة . مما يؤدي إلى ارتفاع مقدار الاسترجاع بالطاقة الحرارية المجهزة لوحدة التحلية. ومن ثم ارتفاع معامل الأداء لهذه الوحدة.
الشكل ( 9 ) علاقة مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة خلال السنة (DBY )، كمية الطاقة الكهربائية الشمسية المنتجة خلال السنة (NEY ) ، ومقدار الزيادة السنوي في كمية مياه التحلية الشمسية ( DWY ) المنتجة للمحطة المشتركة الشمسية مع ضغط البخار ( PT ) المجهز لوحدة التحلية المتعددة التأثير ذات درجة الحرارة المنخفضة.
6 ـ خلاصة النتائج والتوصيات :
تشير نتائج دراسة التصميم المقترح للمحطة المشتركة الشمسية إلى :
1.6ـ فاعلية تطوير التصميم التقليدي لمحطات التحلية من نوع التناضح العكسي إلى محطات مشتركة شمسية. حيث بلغ مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في الشبكة لإنتاج الطاقة الكهربائية ومياه التحلية 138.9 ton/year لكلMW من الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية. وطبقا لذلك فان مقدار الانخفاض في كمية اكاسيد النتروجين ( 0.552 ton/MW.year ) وثاني أوكسيد الكربون ( 434.9 ton/MW.year ) المطروحة للوسط المحيط. وذلك عندما تكون النسبة السنوية للمشاركة الشمسية في تجهيز معدل استهلاك الطاقة الكهربائية لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسي 67.4 %وكفاءة المحطة التعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية في الشبكة 40 % . كما إن مقدار الزيادة في كمية مياه التحلية المنتجة للمحطة 22932.9 ton/MW.year .
2.6ـ تصميم المحطة بنسبة سنوية للمشاركة الشمسية 95 % في تغطية حمل استهلاك الطاقة الكهربائية لوحدة التناضح العكسي يؤدي إلى مشاركة المحطة خلال فصل الصيف في تغطية جزء من حمل الزيادة الموسمية لاستهلاك المياه العذبة والطاقة الكهربائية . أما في فصل الشتاء أو في حالة هبوط معدل استهلاك المياه العذبة فيتيح التصميم المقترح للمحطة توقيف وحدة التناضح العكسي عن العمل خلال ساعات النهار وتجهيز الطاقة الكهربائية الشمسية إلى الشبكة الكهربائية مع تغطية جزء من حمل استهلاك المياه العذبة عند هذه الفترة عن طريق كمية مياه التحلية المنتجة لوحدة التحلية المتعددة التأثير ذات درجة الحرارة المنخفضة.
3.6 ـ زيادة الضغط الابتدائي للبخار قبل التربينة البخارية من 35 bar إلى 45 bar تؤدي إلى زيادة المؤشرات الحرارية والبيئية في الفقرة ( 1.6) بنسبة 3.1 % . وذلك بسبب ارتفاع كمية الطاقة الكهربائية الشمسية المنتجة للمحطة. ومن ثم ارتفاع نسبة المشاركة الشمسية للمحطة في تغطية استهلاك الطاقة الكهربائية لوحدة التحلية من نوع التناضح العكسي لغاية 70.1 %.
4.6 ـ زيادة ضغط البخار المجهز لوحدة التحلية المتعددة التأثير ذات درجة الحرارة المنخفضة منPT= 0.22 bar إلى PT=0.34 bar وطبقا لذلك عدد تأثيرات هذه الوحدة من 6 إلى 9تؤدي إلى هبوط كمية الطاقة الكهربائية المنتجة للمركز الكهروحراري بنسبة 9.7 % وارتفاع كمية مياه التحلية المنتجة بمعدل 6075.64 ton/MW.year.
5.6 ـ ضرورة إجراء دراسة اقتصادية ـ حرارية لتحديد الخواص والمواصفات المثالية للتصميم المقترح للمحطة المشتركة الشمسية التي تعطي أقصى فاعلية اقتصادية ممكنة. حيث بينت نتائج الدراسة إن مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة يعتمد بشكل أساسي على مساحة مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية والخواص البخار المجهز للتربينية البخارية ووحدة التحلية المتعددة التأثير. هذا بالإضافة إلى كفاءة المحطة التعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية في الشبكة.
المصادر المستخدمة ( REFRENCES )
1. ASSIMACOPOULOS D. , 2001 ,Water , Water everywhere . Desalination Powered by Renewable Energy Sources / http:// www.re-foucus.net. ( Internet Communication ) 2. HOWARD GELLER , 2003 , Fostering a Clean Energy Revolution/ Cogeneration and On-Site Power Production, Vol. 4, No. 5, pp. 26: 31 , September-October 2003. 3. VOLKER QUASCHNING , 2003 , Solar Thermal Power Plants / Renewable Energy World, Vol. 6, No. 6, pp. 109 : 113 , November-December 2003. 4. SVEN TESKE , 2004 , Solar Thermal Power 2020: A fine future for solar thermal electricity / Renewable Energy World, Vol. 7, No. 1, pp. 120 : 124 , January-February 2004. 5. HUSSAIN ALROBAEI , 2004 , The Effectiveness of Using Grid Connected Renewable Energy Systems For Water Pumping and Desalination / 5TH Jordanian Mechanical & Industrial Engineering Conference JMIEC 04 , Amman - Jordan , 24 : 26 April 2004 .
6. LENNTECH , 2004 , Desalination Installation System Design / www.lenntech.com . ( Internet communication) 7. MOUSTAFA M. ELSAYED & JAFFER A. SABBAGH , 1984 , Design of Solar Thermal System / King Abdulaziz University , JEDDAH – 22441 , SAUDIA ARABIA. 8. SUKHAME S.P. , 1996 , Solar Energy Principle of Thermal Collection and Storage / 2nd Edition , Tata McGraw Hill Pub, Co. Ltd. , INDIA. 9. SAZANOV B.V. & CITAK V.I. , 1990 , Thermal Energy Systems for Industrial Enterprises / Moscow – USSR , Energy Press , 256 pp. . 10. UMBERTO DESIDERI & ANDREA FIBBI , 1993 , A Simplified Approach to Off-Design Performance Evaluation of Combined Cycle Power Plants with Single-pressure Steam Cycles/ ASME Cogen Turbo Power, IGTI – Vol. 8 , pp. 199 : 207 , Book No. 100348 – 1993. 11. SELESARNKO V.N. , 1980 , Desalination Plants / Moscow – USSR , Energy Press , 284 pp. . 12. LIPPKE F. , 1996 , Direct Steam Generation in Solar Power Plant : Numerical Investigation of The Transient and Control of a Once – Trough System / Journal of Solar Energy Engineering ( USA ), Vol. 118 , pp. 9 : 14
البحث من إعداد د. حسين الربيعي xyccaa@yahoo.com
|
