نیروگاه خورشیدی متمرکز Concentrated Solar Power (CSP)

فوریه 3, 2024

نیروگاه خورشیدی متمرکز Concentrated Solar Power (CSP)

تکنولوژی‌های تولید انرژی از طریق نور خورشید به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک (PV) و تجمیع حرارت خورشیدی یا CSP .

در CSP، انرژی نور خورشید به حرارت تبدیل شده و سپس از طریق یک مایع حامل یا سیستم تخلیه حرارت به تولید برق می‌پردازد.

یکی از فناوری‌های CSP، تلفیقی از آینه‌های خورشیدی و لوله‌های جذب حرارتی است. در این روش، آینه‌های بزرگ نور خورشید را به یک نقطه مرکزی هدایت می‌کنند، که معمولاً یک لوله جذب حرارتی است. این لوله حاوی یک مایع حرارتی مانند روغن است که حرارت جذب شده را به یک واحد تبدیل برق انتقال می‌دهد.

در تکنولوژی‌های دیگر CSP، آینه‌ها نور خورشید را به یک نقطه مرکزی بزرگ هدایت می‌کنند و این حرارت جمع‌آوری شده به تولید برق می انجامد. این روش‌ها می‌توانند به صورت تجمیع مرکزی یا تجمیع توزیعی عمل کنند.

CSP از تکنولوژی‌های پایدار و با اثرات زیست‌محیطی کمتر به نظر می‌رسد و جز نیروگاه های خورشیدی است که قابلیت تامین انرژی پایدار در طول روز و شب را دارد. همچنین، این تکنولوژی می‌تواند در مناطقی با تابش نور خورشید مطلوب بهره‌وری بالا داشته باشد.

فناوری های CSP

فناوری CSP از چهار رویکرد فناوری جایگزین استفاده می‌کند: سیستم‌های آینه های مقعر (Parabolic Trough) ، سیستم‌های برج توان (Power Tower) ، سیستم‌های دیش/موتور (Dish Engine) و سیستم های فرنل خطی (Linear Fresnel Systems).

سیستم های مقعر Parabolic Trough

سیستم‌های مقعر یا فرورفته از بازتابنده‌های بزرگ U شکل ((parabolic (آینه‌های متمرکز) استفاده می‌کنند که لوله‌های پر از روغن در امتداد مرکز یا نقطه کانونی آن‌ها قرار دارند برای گرم کردن روغن داخل تا ۷۵۰ درجه فارنهایت، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است. سپس از روغن داغ برای جوشاندن آب استفاده می شود، که بخار فشار بالا را برای راه اندازی توربین ها و ژنراتورهای بخار معمولی تامین می کند.

source:https://solareis.anl.gov A section of the parabolic troughs from the Nevada One project tracking the sun.

سیستم های برج توان Power Tower

سیستم‌های برج توان که گیرنده‌های مرکزی نیز نامیده می‌شوند، از بسیاری از هلیواستات‌های بزرگ و مسطح (آینه‌ها) برای ردیابی خورشید و تمرکز پرتوهای آن بر روی گیرنده استفاده می‌کنند. همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است، گیرنده در بالای یک برج بلند قرار دارد که در آن نور متمرکز خورشید مایعی مانند نمک مذاب را با دمای ۱۰۵۰ درجه فارنهایت گرم میکند. سیال داغ (نمک های مذاب با دمای بالا یا ذرات شن مانند برای به حداکثر رساندن دمای چرخه توان) را می توان بلافاصله برای تولید بخار به منظور تولید برق استفاده کرد یا برای استفاده بعدی ذخیره کرد. نمک مذاب، گرما را به طور موثر حفظ می کند، بنابراین می توان آن را برای روزها قبل از تبدیل شدن به برق ذخیره کرد. این بدان معناست که می توان برق را در دوره های اوج نیاز در روزهای ابری یا حتی چندین ساعت پس از غروب خورشید تولید کرد.

source:https://solareis.anl.gov This 10-MW power tower facility known as Solar Two near Barstow, California, demonstrated molten salt storage.

سیستم های سولار دیش Dish Engine

سیستم‌های دیش/موتور از ظروف آینه‌ای (حدود ۱۰ برابر بزرگ‌تر از بشقاب ماهواره‌ای حیاط خلوت شما) برای تمرکز نور خورشید بر روی گیرنده استفاده می‌کنند. همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده است، گیرنده در نقطه کانونی دیش نصب شده است. برای گرفتن حداکثر مقدار انرژی خورشیدی، مجموعه دیش ها همراه با سیستم ترکر یا ردیاب موتوردار، خورشید را در سراسر آسمان ردیابی می کند. گیرنده در یک موتور احتراق “خارجی” با راندمان بالا ادغام شده است. موتور دارای لوله های نازک حاوی گاز هیدروژن یا هلیوم است که در امتداد بیرونی سیلندرهای چهار پیستونی موتور قرار گرفته و به داخل سیلندرها باز می شود. همانطور که نور متمرکز خورشید روی گیرنده می‌افتد، گاز موجود در لوله‌ها را تا دمای بسیار بالا گرم می‌کند که باعث انبساط گاز داغ در داخل سیلندرها می‌شود. گاز در حال انبساط ، پیستون ها را به حرکت در می آورد. پیستون ها یک میل لنگ را می چرخانند که به یک ژنراتور الکتریکی متصل است. گیرنده، موتور و ژنراتور شامل یک مجموعه منفرد و یکپارچه هستند که در کانون دیش آینه قرار گرفته است.

source:https://solareis.anl.gov These new record-performing dish engine systems are being commercialized.

اطلاعات طبقه بندی شده سه نیروگاه با فناوری متمرکز خورشیدی

نام نیروگاه	محل	سال اول بهره برداری	مساحت میدان خورشیدی: متر مربع	مگاوات
Solar One	Barstow, CA, USA	۱۹۸۲	۷۲,۶۵۰	۱۰
Solar Two	Barstow, CA, USA	۱۹۹۵	۸۲,۷۵۰	۱۰
Planta Solar (PS10)	Seville, Spain	۲۰۰۷	۶۲۴,۱۲۰	۱۱

سیستم های فرنل خطی Linear Fresnel Systems

مشابه آرایه‌های بلند یک سیستم CSP سهموی، یک میدان کلکتور متمرکز خطی از تعداد زیادی کلکتور در ردیف‌های موازی تشکیل شده است. اینها معمولاً در جهت شمال به جنوب برای به حداکثر رساندن جمع آوری انرژی سالانه و تابستانی تراز میشوند. آینه ها صاف روی زمین قرار می گیرند و نور خورشید را به لوله بالا منعکس می کنند. Fresnel CSP نیز می‌تواند مانند trough و tower CSP، ذخیره‌سازی را در یک بلوک قدرت قرار دهد یا برای استفاده مستقیم بخار تولید کند.

نقش نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) در پارک های بزرگ خورشیدی

نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) می‌توانند نقش مهمی در پارک‌های بزرگ خورشیدی ایفا کنند. CSP مزایای متعددی دارد که می‌تواند به تکمیل مزایای سیستم‌های فتوولتائیک (PV) که معمولاً در پارک‌های خورشیدی استفاده می‌شوند، کمک کند.

مزایای نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز CSP در پارک‌های خورشیدی:

ذخیره انرژی: CSP می‌تواند گرما را برای مدت طولانی ذخیره کند، به این معنی که می‌تواند حتی زمانی که خورشید نمی‌تابد، برق تولید کند. این امر می‌تواند به ثبات شبکه برق و افزایش قابلیت اطمینان شبکه برق کمک کند و نیاز به منابع انرژی پشتیبان را کاهش دهد.
تولید برق با راندمان بالا: CSP می‌تواند برق را با راندمان بالاتری نسبت به نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک PV تولید کند. این امر به معنای استفاده بیشتر از انرژی خورشیدی و تولید برق بیشتر در هر متر مربع زمین است.
قابلیت استفاده در مناطق با تابش کم: CSP می‌تواند در مناطقی که تابش خورشیدی کمتری دارند، کارآمدتر از نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک PV باشد. این امر CSP را به یک گزینه مناسب برای پارک‌های خورشیدی در مناطقی با آب و هوای ابری یا غبارآلود تبدیل می‌کند.

نقش‌های خاص CSP در پارک‌های خورشیدی:

تأمین برق پایدار: CSP می‌تواند برای تأمین برق پایدار برای پارک‌های خورشیدی، حتی در شب یا در طول دوره‌های کم تابش خورشید، استفاده شود. این امر می‌تواند به پارک‌های خورشیدی کمک کند تا مانع از افت اینرسی شبکه برق شوند.
تولید برق با ظرفیت بالا: CSP می‌تواند برای تولید برق با ظرفیت بالا در پارک‌های خورشیدی بزرگ استفاده شود. این امر می‌تواند به پارک‌های خورشیدی کمک کند تا سهم بیشتری از تقاضای برق را تأمین کنند.
هیبریدسازی با نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک PV CSP : می‌تواند با PV در پارک‌های خورشیدی هیبرید ترکیب شود. این امر می‌تواند مزایای هر دو فناوری را به حداکثر برساند و به تولید برق پاک و قابل اعتماد کمک کند.

چالش‌های CSP در پارک‌های خورشیدی:

هزینه: CSP می‌تواند گران‌تر از نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک PV باشد. با این حال، هزینه‌های CSP در حال کاهش است و با افزایش مقیاس تولید، CSP می‌تواند مقرون به صرفه‌تر شود.
پیچیدگی: CSP می‌تواند از نظر فنی پیچیده‌تر از PV باشد. این امر می‌تواند به معنای نیاز به تخصص بیشتر برای طراحی، ساخت و بهره‌برداری از پارک‌های خورشیدی CSP باشد و کارشناسان آرا نیرو آمادگی خود را در این حوزه اعلام میکند.
محدودیت زمین : در نیروگاه CSP نیاز به زمین بیشتر و مساحت به مراتب بزرگ تر از نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک می باشد که این امر مشکلات نیروگاه های بزرگ مقیاس را به دنبال دارد .

علاوه بر موارد فوق، CSP می‌تواند مزایای دیگری نیز برای پارک‌های خورشیدی داشته باشد، از جمله:

کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی: CSP می‌تواند به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی برای تولید برق کمک کند.
ایجاد شغل: CSP می‌تواند شغل‌های جدیدی در زمینه ساخت، بهره‌برداری و نگهداری از پارک‌های خورشیدی ایجاد کند.
کاهش آلودگی هوا: CSP می‌تواند به کاهش آلودگی هوا از طریق تولید برق پاک کمک کند.

مکانیزم عملکرد CSP در توربین بخار

نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) از آینه‌ها یا لنزها برای متمرکز کردن نور خورشید در یک نقطه کوچک استفاده می‌کنند. این گرما را می توان برای تولید بخار با فشار بالا برای تولید برق در توربین بخار استفاده کرد.

در اینجا مراحلی که CSP در توربین بخار کار می‌کند، آورده شده است:

جمع‌آوری نور خورشید: همانطور که در بالاتر انواع تکنولوژی را برای جمع‌آوری نور خورشید بیان کردیم، نور توسط آینه ها در یک نقطه کوچک متمرکز می‌شود.
تولید گرما: نور خورشید متمرکز شده به یک گیرنده که گرما را جذب می‌کند، می تابد.
تولید بخار: گرمای جذب شده توسط گیرنده برای تولید بخار از آب یا مایعات دیگر استفاده می‌شود.
تولید برق: بخار با فشار بالا از طریق توربین بخار عبور می‌کند و باعث چرخش آن می‌شود. چرخش توربین بخار، ژنراتور را برای تولید برق به کار می گیرد.
خنک سازی و بازیافت: بخار خروجی از توربین بخار در کندانسور خنک می‌شود و به مایع تبدیل می‌شود. مایع سپس به گیرنده تابش، بازگردانده می‌شود تا دوباره به بخار تبدیل شود و چرخه دوباره شروع می شود.

مزایای استفاده از CSP در توربین بخار:

CSP با بهره گیری از حرارت تولید شده می‌تواند برق را با راندمان بالاتری نسبت به سایر منابع انرژی تجدیدپذیر مانند نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک PV تولید کند که قابلیت ذخیره انرژی از طریق گرما را برای مدت طولانی فراهم میکند، به این معنی که می‌تواند حتی زمانی که خورشید نمی‌تابد، برق تولید کند.

کاربرد صنعتی CSP جز تولید برق

نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) علاوه بر تولید برق، می‌توانند در کاربردهای صنعتی متعددی نیز استفاده شوند.

در اینجا به چند نمونه از کاربردهای صنعتی CSP اشاره میکینم:

گرمایش صنعتی با : CSP می‌تواند برای گرم کردن مستقیم مایعات یا گازها برای استفاده در فرآیندهای صنعتی مانند ذوب فلزات، پخت و پز و تصفیه آب استفاده شود.
تولید بخار با : CSP می‌تواند برای تولید بخار با فشار بالا برای استفاده در فرآیندهای صنعتی مانند تولید برق، پالایش و تولید کاغذ استفاده شود.
شیرین سازی آب با: CSP می‌تواند برای گرم کردن آب دریا و تبخیر آن برای تولید آب آشامیدنی و پایه آب شیرین کن استفاده شود.
خنک سازی با : CSP می‌تواند برای خنک کردن ساختمان‌ها و فرآیندهای صنعتی با استفاده از سیستم‌های جذبی خورشیدی استفاده شود.
تولید هیدروژن با: CSP می‌تواند برای تولید هیدروژن از طریق فرآیند‌های ترموشیمیایی مانند چرخه گوگرد-ید یا چرخه اکسید-ید استفاده شود.

مزایای استفاده از CSP در کاربردهای صنعتی:

کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی:CSP می‌تواند به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی در صنعت کمک کند.
کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای:CSP می‌تواند به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای از صنعت کمک کند.
افزایش راندمان انرژی:CSP می‌تواند راندمان انرژی فرآیندهای صنعتی را افزایش دهد.
کاهش هزینه‌ها:CSP می‌تواند در درازمدت هزینه‌های انرژی را برای صنعت کاهش دهد.

علاوه بر کاربردهای ذکر شده در بالا، CSP می‌تواند در موارد زیر نیز استفاده شود:

گرم کردن گلخانه‌ها با:CSP می‌تواند برای گرم کردن گلخانه‌ها در زمستان استفاده شود.
ذوب برف و یخ با:CSP می‌تواند برای ذوب برف و یخ از جاده‌ها، پیاده‌روها و فرودگاه‌ها استفاده شود.
استریلیزاسیون با :CSP می‌تواند برای استریلیزاسیون تجهیزات پزشکی و مواد غذایی استفاده شود.

کاربرد CSP در بهبود بازیافت روغن

نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) می‌توانند برای گرم کردن مستقیم روغن در فرآیند بازیافت روغن استفاده شوند. این امر می‌تواند به چند روش مفید باشد:

افزایش راندمان: گرم کردن روغن می‌تواند راندمان فرآیند بازیافت را با افزایش سرعت جداسازی ناخالصی‌ها و مواد زائد از روغن افزایش دهد.
کاهش مصرف انرژی: CSP می‌تواند به طور قابل توجهی مصرف انرژی فرآیند بازیافت را با جایگزینی منابع انرژی فسیلی مانند گاز طبیعی یا ذغال سنگ با گرمای خورشیدی کاهش دهد.
کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای: استفاده از CSP به جای سوخت‌های فسیلی می‌تواند انتشار گازهای گلخانه‌ای مانند دی‌اکسید کربن را که به تغییرات آب و هوایی کمک می‌کنند، به طور قابل توجهی کاهش دهد.

در اینجا چند نمونه از کاربردهای CSP در بهبود بازیافت روغن آورده شده است:

گرم کردن مستقیم روغن: CSP می‌تواند برای گرم کردن مستقیم روغن در مخازن یا لوله‌ها برای جداسازی ناخالصی‌ها و مواد زائد استفاده شود.
گرم کردن غیر مستقیم روغن: CSP می‌تواند برای گرم کردن یک مایع واسطه مانند آب یا هوا که سپس برای گرم کردن روغن استفاده می‌شود، استفاده شود.
استفاده از بخار: CSP می‌تواند برای تولید بخار که سپس برای گرم کردن روغن استفاده می‌شود، استفاده شود.

کاربرد CSP در فراوری مواد غذایی

نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) می‌توانند در فراوری مواد غذایی به روش‌های مختلفی استفاده شوند. در اینجا چند نمونه آورده شده است:

خشک کردن با: CSP می‌تواند برای گرم کردن هوای گرم و خشک، برای خشک کردن مواد غذایی مانند میوه‌ها، سبزیجات و غلات استفاده شود.
پخت و پز با: CSP می‌تواند برای گرم کردن مستقیم غذا یا گرم کردن آب یا هوا برای پخت و پز استفاده شود.
پاستوریزاسیون با: CSP می‌تواند برای گرم کردن آب یا بخار برای پاستوریزه کردن شیر، آب میوه و سایر مواد غذایی استفاده شود.
استخراج با: CSP می‌تواند برای گرم کردن حلال‌ها برای استخراج روغن‌ها و سایر مواد مغذی از مواد غذایی استفاده شود.
تغلیظ با: CSP می‌تواند برای گرم کردن آب برای تغلیظ آب میوه‌ها و سایر مایعات غذایی استفاده شود.

مزایای استفاده از CSP در فراوری مواد غذایی:

راندمان بالا:CSP می‌تواند گرمای با دمای بالا را به طور مستقیم و کارآمد تولید کند که برای بسیاری از فرآیندهای فراوری مواد غذایی ایده‌آل است.
قابلیت ذخیره انرژی:CSP می‌تواند گرما را برای مدت طولانی ذخیره کند، به این معنی که می‌تواند حتی زمانی که خورشید نمی‌تابد، برای فراوری مواد غذایی استفاده شود که این ویژگی به عملکرد کارخانه ها در شیفت های شبانه با برق ارزان کمک میکند.

علاوه بر موارد فوق، CSP می‌تواند در کاربردهای دیگری مانند تصفیه آب، تولید مواد شیمیایی و گرمایش صنعتی نیز استفاده شود.

در اینجا چند نمونه از پروژه‌های CSP در حال اجرا در صنعت فراوری مواد غذایی آورده شده است:

پروژه SUNCATCHدر اسپانیا از CSP برای گرم کردن آب برای پاستوریزه کردن شیر استفاده می‌کند.
پروژه Solar Desalination Plantدر عربستان سعودی از CSP برای گرم کردن آب دریا برای تولید آب آشامیدنی استفاده می‌کند.
پروژه SunCured Datesدر امارات متحده عربی از CSP برای خشک کردن خرما استفاده می‌کند.

این پروژه‌ها نشان می‌دهند که CSP پتانسیل تبدیل شدن به یک منبع انرژی مهم برای صنعت فراوری مواد غذایی را دارد.

نتیجه

در مجموع، CSP یک فناوری امیدوارکننده برای تولید برق و صنایع است. می‌تواند نقش مهمی در پایدارتر کردن صنعت و کاهش اثرات زیست محیطی آن ایفا کند.

با توجه به مزایای متعدد CSP، انتظار می‌رود که ساخت و احداث CSP در سال‌های آینده به خصوص در پارک های بزرگ خورشیدی افزایش یابد.

نویسنده:

مهدی پارساوند

منابع:

پایگاه داده پروژه های متمرکز انرژی خورشیدی Trough deployment:

https://www.nrel.gov/csp/solarpaces/parabolic_trough.cfm

پایگاه داده پروژه های متمرکز انرژی خورشیدی Parabolic Dish:

https://www.nrel.gov/csp/solarpaces/dish_engine.cfm

پایگاه داده پروژه های متمرکز انرژی خورشیدی Tower deployment :

https://www.nrel.gov/csp/solarpaces/power_tower.cfm

پایگاه داده پروژه های متمرکز انرژی خورشیدی فرنل:

https://www.nrel.gov/csp/solarpaces/linear_fresnel.cfm