ناقشنا في موضوع سابق برنامج سام المجاني الذي انتجة مركز ابحاث الطاقة المتجددة العالمي National Renewable Energy Laboratory (NREL) وفي هذا البحث سنقدم كيف يمكن تصميم محطة طاقة تعمل بنظام البرج المركزي باستخدام البرنامج, يمكن تحميل المبرنامج من المقالة السابقة :

تصميم نظم البرج المركزي باستخدام برنامج SAM:

يتم اختيار اسم للمشروع وليكن My project ومن ثم يجب اختيار التقنية المستخدمة وسأختار النظم الشمسية المركزة Concentrating Solar Power ومنه أختار نوع التقنية وسأختار نظام البرج المركزي Power Tower أو والدي يسمى أحيانا بنظام المستقبل المركزي central receiver system وهو نوع من النظم الشمسية المركزة يتألف من حقل هيليوستات heliostat وبرج ومستقبل ومجموعة قدرة power block ونظام تخزين اختياري optional. يقوم الحقل المؤلف من مرايا مسطحة تلاحق الشمس بتركيز الإشعاع الشمسي العادي المباشر على مستقبل في أعلى البرج حيث يتم تسخين مائع لنقل الحرارة heat-transfer fluid ويضخ إلى مجموعة القدرة وتقوم هذه المجموعة بتوليد البخار وسوقه إلى عنفة بخارية تقليدية ومولد لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية
.

ومن ثم يجب اختيار نوع التمويل للمشروع وسأختار owner Single.

إن نموذج البرج المركزي المستخدم من قبل برنامج SAM يستخدم مكونات TRNSYS المطورة من قبل جامعة ويسكنسون University of Wisconsin

http://sel.me.wisc.edu/publications/theses/wagner08.zip

تعتمد خوارزمية أمثلة الحقل الشمسي على نموذج DELSOL3 المطور من قبل Sandia National Laboratory

http://www.prod.sandia.gov/cgi-bin/techlib/access-control.pl/1986/868018.pdf

نظرا لصعوبة نظام البرج المركزي واحتواء الواجهة المتعلقة به على عدد كبير من المصطلحات الغريبة بالنسبة لي قررت أولا ترجمة بعض محتويات ملف المساعدة فيما يتعلق بنظام البرج المركزي.

أولا: واجهة Heliostat field

تظهر واجهة Heliostat field المتغيرات التي تحدد موقع الهيليوستات في الحقل الشمسي مع هندسة الهيليوستات والخصائص الضوئية. وعلى عكس تصميم نظم القطع المكافئ أو القطع المكافئ الأسطواني والتي يمكن تصميمها بناءً على تصميم جزئي modular للمكونات المنفصلة للنظام. يتطلب نظام البرج المركزي الاختيار الأمثل لارتفاع البرج وهندسة المستقبل وتوزيع الهيليوستات حول المستقبل كنظام كامل.

يمكن تحديد تصميم حقل الهيلوستات بطريقتين الأولى يدويا إذا كان لدى المستخدم الخبرة لإدخال المعطيات أو يمكن استخدام optimization wizardلتحديد التصميم الأمثل للمستخدم.

إدخال المعطيات المرجعية:

1. خصائص الهيليوستات:

تحدد خصائص الهيليوستات مساحة الهيلوستات الواحد ذو المرايا. وشكل الهيلوستات وحدود مساحة الحقل الشمسي. ويجب الملاحظة ان برنامج SAM يفترض أن كل هيليوستات يستخدم نظام ملاحقة ذو محورين مع محور في مركز سطح العاكس mirrored.

عرض الهيليوستات Heliostat Width (m):عرض سطح الهيليوستات بالأمتار

طول الهيليوستات Heliostat Height (m) :طول الهيليوستات بالأمتار.

نسبة المساحة العاكسة إلى المساحة الكلية Ratio of Reflective Area to Profile:

الجزء من المساحة المعرفة بطول وعرض الهيليوستات والتي تعكس ضوء الشمس فعليا. وتحدد هذه القيمة نسبة المساحة العاكسة لكل هيليوستات على المساحة المقترحة projected للهيلوستات على مستوي عمودي على سطح الهيليوستات.

استخدام الهيلوستات الدائري (D=W) Use Round Heliostats:

اضبط هذا الخيار لاستخدام الهيليوستات الدائري بدلا من الهيلوستات ذو الشكل المستطيل المستخدم عادة. بالنسبة للهيلوستات الدائري يكون قطر الهيليوستات مساويا إلى عرض الهيليوستات كمتغير في البرنامج.

مساحة الهيليوستات ( m2) Heliostat Area (m2):المساحة للمنطقة العاكسة للهيليوستات mirrored من أجل الهيلوستات ذو الشكل المستطيل تكون المساحة هي حاصل ضرب الطول بالعرض أما بالنسبة للهيليوستات الدائري فهو حاصل مربع نصف القطر مضروب بالعدد π.

نعكاسية المرآة والتلوث Mirror Reflectance and Soiling:

ان انعكاسية المرآة هو الجزء من الإشعاع الشمسي المباشر المنعكس باتجاه زاوية ثابتة. ان اختيار زاوية مناسبة هو الزاوية المقبولة من قبل المستقبل المرئية من نقطة سطح المرآة والذي تنعكس منه الأشعة.

جهوزية الهيليوستات Heliostat Availability :

هو عامل تعديل يحسب التناقص في طاقة الخرج بسبب تعطل بعض الهيليوستاتات في الحقل من أجل الصيانة والإصلاح. تعني القيمة 1 أن أية هيليوستات في الحقل يعمل حالما توافرت الطاقة الشمسية الكافية. يضرب برنامج SAM خرج الحقل الشمسي من أجل كل ساعة بعامل الجهوزية.

خطأ الصورة ( راديان) Image error (radians) :

هو قياس انحراف الصورة الحقيقية للهيليوستات على المستقبل من القيمة المتوقعة أو النظرية الذي يساعد في تحديد الشكل العام لتوزع الفيض الشمسي المنعكس على المستقبل.

زاوية الانتشار المخزنة للهيليوستات Heliostant stow deploy angle :

زاوية الارتفاع الشمسي التي لن يعمل دونها الهيليوستات.

سرعة التخزين للرياح Wind Stow Speed (m/s):

سرعة الرياح المأخوذة من ملف الطقس والتي عندها يتم تعطيل الانعكاس للهيليوستات والدوران إلى موقع مخزن لحمايته من الضرر الريحي المحتمل.

2. الاختيار الأمثل للحقل الدائري Circular Field Optimization Wizard :

عند تحديدالحقل الريحي باستخدام الأقسام الشعاعية يمكن لبرنامج SAM إيجاد العدد الأمثل للهيليوستاتات من أجل كل قسم أوتوماتيكيا.

3. محددات الحقل Field Parameters:

المساحة العاكسة الاجمالية Total Reflective Area (m2) :

المساحة الإجمالية العاكسة لحقل الهيليوستات تساوي مساحة الانعكاس للهيليوستات الواحد مضروبة بعدد الهيليوستاتات . يستخدم برنامج SAM مساحة الحقل الإجمالية لحساب إمكانية تطوير الحقل وكلفة الهيليوستات في صفحة كلفة النظام البرجي.

عدد الهيليوستاتات Number of Heliostats:

هو العدد الإجمالي للهيليوستاتات المستقلة في الحقل. يقوم برنامج SAM بإظهار عدد الهيليوستاتات إما بالاعتماد على نتائج الاختيار الأمثل optimization wizard أو بناءً على المعطيات في ملف الهيليوستات عند تحميل مواقع الهيليوستاتات من ملف نصي .

حجم الخطوة الشعاعية للنموذج Radial Step Size for Layout (m):

المسافة بين مراكز المناطق لحقل الهيليوستات. عند تحديد عدد الهيليوستات لكل منطقة عن طريق إدخال القيم يدويا أو عن طريق ملف. يكون حجم الخطوة الشعاعية هو الفرق بين المسافة الأعظمية الابتدائية عن البرج والمسافة الأصغرية الابتدائية عن البرج مقسومة على عدد المناطق الشعاعية.

عند استخدام الاختيار الأمثل optimization wizard لتحديد الحقل يقوم برنامج Sam بحساب حجم الخطوة الشعاعية كتابع للمسافتين الابتدائيتين الأعظمية والأصغرية عن البرج والتي بدورها تحسب كتابع للنسبة لارتفاع البرج الأمثل إلى الارتفاعين الأصغري والأعظمي للبرج المحددة في جدول القياس المستقيل/ البرج للاختيار الأمثل optimization wizard.

4. تقييد محددات الحقل الشمسي Solar Field Layout Constraints:

النسبة بين المسافة الأعظمية للهيليوستات الى ارتفاع البرج و النسبة بين المسافة الأصغرية للهيليوستات إلى ارتفاع البرج :

إن النسبة الأعظمية والأصغرية للمسافة من أبعد هيليوستات وأقرب هيليوستات إلى البرج على ارتفاع البرج.

ارتفاع البرج:

ارتفاع البرج بالأمتار ويمكن تحديده من صفحة البرج والمستقبلTower and Receiver page.

5. غسيل المرايا Mirror Washing:

يقوم برنامج SAM باعتبار استخدام الماء في النظام في النتائج. ان الاستخدام السنوي للماء هو حاصل ضرب استخدام الماء خلال الغسلة الواحدة بـ 365 مقسومة على تردد الغسيل.

استخدام الماء خلال الغسلة Water usage per wash:

حجم الماء باللترات لكل متر مربع من مساحة الحقل الشمسي المطلوب من أجل غسيل المرايا الدوري.

عدد مرات الغسيل في السنة Washes Per Year:

عدد المرات التي تغسل فيها مرايا الهيليوستات خلال السنة.

6. مساحة الأرض Land Area:

ملاحظة: لا يستخدم برنامج SAM متغيرات مساحة الأرض في أي حساب.

مساحة أرض الحقل غير الشمسي Non-Solar Field Land Area:

مساحة الأرض بالآكر acre المطلوبة من أجل المعدات التي ليست لها علاقة بمكونات الحقل الشمسي مثل دورة القدرة power cycle والتخزين والمباني.

معامل مساحة أرض الحقل الشمسي Solar Field Land Area Multiplier:

النسبة بين مساحة أرض الحقل الشمسي الكلية إلى الأرض المستخدمة من قبل الهيليوستات.

مساحة الأرض الكلية المحسوبة Calculated Total Land Area:

مساحة الأرض الكلية المطلوبة من أجل النظام.

ثانيا: صفحة البرج والمستقبل:

إن صفحة البرج والمستقبل تظهر المتغيرات التي تحدد هندسة نظام جمع الحرارة. يستخدم نموذج المستقبل علاقات انتقال حرارة نصف تجريبية semi-empirical وعلاقات ترموديناميكية لتحديد الأداء الحراري للمستقبل. وهو يسمح للنموذج للتعبير عن مجموعة كبيرة من الطرق الهندسة من دون الانحراف عن النظام المرجعي الافتراضي.

يفترض النموذج عددا من الافتراضات حول هندسة المستقبل الخارجي:

1. كل مستقبل يتكون من عدة ألواح panels متقطعة.
2. كل لوح panel في المستقبل يتكون من مجموعة من الأنابيب المتوازية على تواصل حراري وتتشارك بمقدمة مائع ناقل للحرارة.
3. إن الأنابيب في اللوح هي عمودية ومائع انتقال الحرارة يجري عبر ألواح متتابعة في نموذج أفعواني serpentine ( من أعلى اللوح وأسفل اللوح المجاور).
4. إن عدد الأنابيب في اللوح هو تابع للمتغيرات التالية عدد الألواح وقطر المستقبل والقطر الخارجي للأنبوب.

يقوم النموذج بتغيير معدل انتقال الكتلة mass flow rate لمائع الانتقال الحرارة عبر المستقبل للحفاظ على حرارة مائع انتقال الحرارة عند المخرج. يتضمن النموذج العديد من الإجراءات الوقائية safeguards لضمان السلوك الحقيقي للنموذج.

ادخال المعطيات المرجعية:

1. خيارات المستقبل Receiver Options:

يقوم برنامج SAM بنمذجة نظم البرج المركزي إما بواسطة مستقبل خارجي أو مستقبل مجوف cavity receiver عند تغيير خيار المستقبل يجب تشغيل optimization wizardلأمثلة الحقل من أجل نوع المستقبل الجديد المستخدم.

أ– مستقبل خارجي:

ملاحظة: إن محددات المستقبل الخارجي تكون مفعّلة حصرا عند اختيار External Receiver.

من أجل التحليل باستخدامoptimization wizardلأمثلة صفحة حقل الهيليوستات. يقوم برنامج SAM بتقديم هذه المتغيرات بقيمها المثلى. ويمكن تغيير هذه القيم بعد تشغيل optimization wizardولكن النتائج لن تكون من أجل النظام الأمثل.

ارتفاع المستقبل (m) Receiver Height:

الارتفاع بالأمتار لألواح المستقبل.

قطر المستقبل Receiver Diameter (m):

القطر الكلي للمستقبل بالأمتار. وهو المسافة بين مركز المستقبل إلى مركز لوحة المستقبل.

عدد الألواح Number of Panels:

عدد الألواح الأفقية في المستقبل.

انبعاثية الغطاء Coating Emittance :

قابلية الغلاف للإصدار. تفترض بأنها انبعاثية جسم أسود ثابتة حول المجال من الأطوال الموجية.

تفعيل إعادة الدوران الليلي عبر المستقبل:

مع تفعيل الدوران الليلي يكون التحويل الكهربائي – حراري للمسخن heater المستخدم لتأمين الطاقة الحرارية لمنع مائع نقل الحرارة في المستقبل من التجمد. يقوم برنامج SAM بحساب الكهرباء المطلوبة من المسخن بناء على طاقة إعادة التدوير الحرارية المطلوبة ومرود المسخن.

ب– المستقبل المجوف Cavity Receiver:

يفترض برنامج SAM أن المستقبل المجوف يتألف من أربعة ألواح مرتبة في محيط نصف دائرة.

HL ارتفاع الشفة Lip height.

HA ارتفاع الفتحة Aperture height.

HP الارتفاع الداخلي للوح Internal panel height.

WA عرض الفتحة Aperture width.

عرض الفتحة Aperture Width :

عرض المستطيل في مستوي فتحة التجويف.

ارتفاع الفتحة إلى نسبة العرض Aperture Height To Width Ratio

نسبة ارتفاع الفتحة إلى عرض الفتحة.

ارتفاع الفتحة Aperture Height :

ارتفاع المستطيل في مستوي فتحة التجويف.

نسبة الشفة إلى الارتفاع Lip to Height Ratio :

الشفة عي الفرق بين ارتفاع الفتحة وارتفاع المستقبل.

ارتفاع اللوح الداخلي Internal Panel Height:

ارتفاع اللوح الداخلي = ارتفاع الفتحة *(1+ نسبة الشفة إلى الارتفاع).

ارتفاع الشفة للتجويف Aperture Lip Height :

ارتفاع الشفة للتجويف = ارتفاع اللوح الداخلي * نسبة الشفة إلى الارتفاع.

2. الخصائص الترموديناميكية للمستقبل Receiver Thermodynamic Characteristics:

القطر الخارجي للأنبوب Tube Outer Diameter (mm):

القطر الخارجي للأنبوب بالميليمترات الذي يحمل انتقال الحرارة عبر ألواح المستقبل. وتكون القيم النموذجية تتراوح بين 25- 50 mm.

سماكة جدار الأنبوب Tube Outer Diameter (mm):

السماكة بالميليمترات لجدران الأنبوب الواحد في لوح المستقبل.

الحرارة المطلوبة لمائع انتقال الحرارة عند الخرج Required Outlet HTF Temp (°C) .

الحرارة المرجعية بالدرجات المئوية من أجل مائع انتقال الحرارة عند مخرج المستقبل.

الحرارة الأعظمية للمستقبل Max Temp to Receiver (°C) :

الحارة الأعظمية المسموح بها لمائع انتقال الحرارة عند مدخل المستقبل.

امتصاصية الغلاف Coating Absorptance :

عامل الامتصاص لغلاف أنبوب المستقبل والقيم النموذجية تتراوح بين 0.91-0.95.

عامل فقدان الحرارة Heat Loss Factor :

عامل التعديل لفقدان الحرارة للمستقبل الذي يمكن استخدامه عند انحراف قيمة انتقال فقدان الحرارة المحسوبة عن القيمة المتوقعة. وعادة ما تكون القيمة الافتراضية 1. مماثلة لعدم وجود تصحيح لفقدان الحرارة. ويكون فقدان الحرارة المحسوب للمستقبل هو مجموع ضياعات الحمل والإشعاع من المستقبل.

معدل التدفق الأعظمي للمستقبل Max Flow Rate to Receiver (kg/s):

معدل تدفق مائع انتقال الحرارة عند دخل المستقبل. يقوم برنامج SAM بحساب هذه القيمة كتابع لسرعة مائع انتقال الحرارة الأعظمية في المستقبل.

جريان المستقبل الأعظمي Max Receiver Flux (kW/m2):

الحد الأعظمي للإشعاع الشمسي الواقع على المستقبل والمسموح بانعكاسه من حقل الهيليوستات.

3. التدفق والمواد Max Receiver Flux (kW/m2):

نوع مائع نقل الحرارة HTF Type:

أحد نوعين من الأملاح الشمسية solar salt المستخدمة من أجل مائع نقل الحرارة ويسمى أيضا مائع التشغيل working fluid ويمكن أيضا اضافة مائع محدد من قبل المستخدم عن طريق اختيار user defined والضغط على زر تحرير Edit لفتح محرر خصائص المائع.

جدول الخاصية من أجل المائع المحدد من قبل المستخدم Property table for user-defined HTF:

عندما يكون نوع المائع محددا من قبل المستخدم يؤمن زر تحرير edit الوصول الى محرر خصائص مائع انتقال الحرارة.

نوع المادة Material Type:

المادة المستخدمة في أنابيب لوح المستقبل. عادة تكون خليطة ستانلس ستيل. والنسخة الحالية من SAM تسمح بنوع واحد من المادة فقط.

شكل الجريان Flow Pattern:

واحد من ثماني أشكال لتدفق مائع انتقال الحرارة ممثلة في الرسم. من أجل مستقبل خارجي تكون المناظر من قمة المستقبل بافتراض أن الألواح مرتبة في دائرة حول مركز المستقبل وتسير الأسهم إلى مسار مائع انتقال الحرارة داخل وعبر وخارج المستقبل.

من أجل المستقبل المجوف يفترض برنامج SAM أربعة ألواح وتكون واحدة من ثماني أشكال الجريان عبر الألواح موجودة.

4. عملية التصميم Design Operation:

المضاعف الشمسي Solar Multiple:

هذه القيمة تحسب من قبل optimization wizardولكن يمكنك تغييرها لاستخدام قيم أخرى غير المحسوبة من قيل optimization wizard وبالتالي سيتغير تصميم المستقبل الحراري ولكن لن يتغير تصميم الحقل الشمسي.

المضاعف الشمسي هو النسبة بين الخرج الحراري التصميمي للمستقبل إلى الدخل الحراري التصميمي بمجموعة القدرة power block.

من أجل النظم التي لا يوجد فيها تخزين يكون المضاعف الشمسي قريبا أو مساويا للواحد.

جزء إطفاء المستقبل الأصغري Min receiver turndown fraction:

الجزء المسموح به الأصغري من معدل التدفق الأعظمي للمستقبل.

جزء عمل المستقبل الأعظمي Max receiver operation fraction :

الجزء الأعظمي المسموح به من معدل التدفق الأعظمي. يقوم برنامج SAM بإلغاء الهيليوستات من العمل إذا تجاوز انتقال الكتلة للمائع القيمة الأعظمية المسموح بها.

الاستطاعة الحرارية التصميمية للمستقبل Receiver design thermal power:

حاصل ضرب المضاعف الشمسي والاستطاعة الحرارية التصميمية لدور الاستطاعة power cycle والتي تحدد من صفحة دورة الاستطاعة Power cycle.

زمن تأخير الإقلاع للمستقبل Receiver startup delay time :

الزمن بالساعات المطلوب لبدء المستقبل. يبدأ المستقبل عندما يكون الإشعاع الواقع على الحقل في الساعة السابقة مساويا للصفر وهناك طاقة حرارية ملائمة في الساعة الحالية لتلبية متطلبات التصميم الحراري. يحسب برنامج SAM طاقة الإقلاع كحاصل ضرب للطاقة الحرارية المتوفرة وزمن التأخير للإقلاع وجزء الطاقة لتأخير الإقلاع.

جزء الطاقة لتأخير إقلاع المستقبل Receiver startup delay energy fraction :

جزء من الاستطاعة الحرارية التصميمية للمستقبل المطلوبة من المستقبل خلال فترة الإقلاع.

5. أبعاد البرج

ارتفاع البرج Tower Height (m):

الارتفاع بالأمتار لبناء البرج عن الأرض يساوي للمسافة الشاقولية بين نقاط المحاور للهيليوستاتات المركز العمودي للمستقبل.

ثالثا: صفحة دورة القدرة Power Cycle:

تحول دورة الاستطاعة الطاقة الحرارية الى طاقة كهربائية. يفترض البرنامج أن دورة القدرة مؤلفة من محرك بخاري ذو دورة رانكين Rankine-cycle. ومسخنين مفتوحين لمياه التغذية open feed-water heaters ومسخن قبلي pre-heater ومرجل ومسخن فائقsuper-heater.

تصف المحددات في صفحة دورة القدرة حجم العنفة البخارية وخصائص أخرى.

ادخال المعطيات المرجعية:

1. سعة المحطة Plant Capacity:

الخرج الإجمالي للعنفة المصممة Design Turbine Gross Output (MWe) :

الخرج التصميمي لدورة القدرة بدون اعتبار الضياعات الطفيلية parasitic losses.

عامل التحويل من الاجمالي الى الصافي المقدر Estimated Gross to Net Conversion Factor:

تقدير لنسبة الطاقة الكهربائية المحقونة في الشبكة إلى الخرج الإجمالي لدورة القدرة. يستخدم برنامج SAM هذا العامل لحساب السعة الاسمية لدورة القدرة من أجل الحسابات المتعلقة بالسعة. بما فيها الكلفة الكلية التقديرية من أجل قيمة السعة في صفحة كلفة النظام System Costs pageوعامل السعة المذكور في النتائج.

تصميم الخرج الصافي المقدر ( على اللوحة) Estimated Net Output design (nameplate) (MWe):

السعة الاسمية لدورة القدرة المحسوبة عن طريق ضرب الخرج الإجمالي الصافي وعامل التحويل من إجمالي إلى صافي.

2- نقطة تصميم مجموعة القدرة Power Block Design Point:

مردود تحويل الدورة الاسمي Rated Cycle Conversion Efficiency:

مردود التحويل من حراري غالى كهربائي لدورة القدرة تحت الظروف التصميمية.

تصميم الاستطاعة الحرارية Design Thermal Power (MWt):

الدخل الحراري التصميمي للعنفة وهو الطاقة الحرارية المطلوبة عند دخل مجموعة القدرة والتي من أجلها تعمل المجموعة عند نقطتها التصميمية. وحسب تعريف قيمة السعة الكهربائية الاسمية والضياعات الطفيلية parasitic losses يكون

الاستطاعة الحرارية التصميمية = الاستطاعة الاسمية الكهربائية + تقديرات الضياعات الطفيلية الإجمالية.

درجة حرارة دخل مائع ناقل الحرارة التصميمية Design HTF Inlet Temp (°C):

درجة الحرارة التصميمية بالدرجات المئوية لمائع نقل الحرارة الساخن عند دخل مجموعة القدرة. يمكن أن تكون درجة حرارة الدخل لمائع نقل الحرارة التصميمية مختلفة عن درجة حرارة الخرج للمستقبل عندما يكون تعيين مجموعة القدرة يتطلب حرارات دخل مختلفة من أجل المردود الأعظمي. تكون القيمة التصميمية هي ظروف العمل التي تعمل عندها مجموعة القدرة عند سعتها الاسمية.

درجة حرارة الخرج لمائع نقل الطاقة التصميمية Design HTF Outlet Temp (°C):

درجة الحرارة التصميمية بالدرجات المئوية لمائع نقل الحرارة البارد عند خرج مجموعة القدرة تكون القيمة التصميمية هي ظروف العمل التي تعمل عندها مجموعة القدرة عند سعتها الاسمية.

ضغط العمل للمرجل Boiler Operating Pressure (Bar):

ضغط التشبع للبخار عند تحوله من سائل الى بخار في المرجل أو مولد البخار. يستخدم برنامج SAM هذه القيمة لتحديد درجة حرارة التشبع للبخار وبالتالي قدرة التسخين الزائد superheating capability للمبادلات الحرارية heat exchangers.

يقوم فرق الحرارة بقيادة معدل التدفق الكتلي للبخار في دورة رانكين وهذه الفرق هو الفرق بين درجة الحرارة لمدخل مائع نقل الحرارة الساخن ودرجة حرارة التشبع بضغط مرجل البخار.

مردود القيمة الحرارية الصغرى لمرجل الدعم الأحفوري Fossil Backup Boiler LHV Efficiency:

يستخدم لحساب كمية الغاز المطلوبة من قبل المرجل.

الجزء المأخوذ من دورة البخارSteam cycle blowdown fraction:

الجزء من معدل التدفق الكتلي للبخار في دورة القدرة الذي يسحب ويستبدل بمياه جديدة. يضرب هذا الجزء بمعدل التدفق الكتلي للبخار في دورة القدرة من أجل كل ساعة من عمل المحطة لتحديد الكمية الإجمالية المطلوبة من مياه التعديل في دورة القدرة.

يحسب الجزء المأخوذ من أجل المياه المستخدمة لتعديل مائع العمل للبخار. تكون القيمة الافتراضية لهذا الجزء هي 0.013 من أجل الحالة الباردة الرطبة wet-cooled التي تعبر عن التعديل بسبب الإخماد quench وتعديل دورة البخار خلال العمل والإقلاع. بينما تعتبر قيمة 0.016 مناسبة من أجل من أجل النظم الباردة الجافة dry-cooled systems للحساب من أجل التبريد الهوائي سطح–رطب wet-surface الإضافي.

3- التحكم بالمحطة Plant Control:

درجة الحرارة الأصغرية للإقلاع Min Required Temp for Startup (°C):

درجة الحرارة التي يبدأ عندها دوران مائع نقل الحرارة عبر المبادلات الحرارية في دورة الطاقة. وتكون بشكل تقريبي قريبة من درجة حرارة مخرج مائع نقل الحرارة التصميمية. والقيمة الافتراضية هي 500 درجة مئوية.

فترة التأهب قليلة الموارد (ساعات) Low-Resource Standby Period (hours):

خلال فترات الجريان الغير كافي من المنبع الحراري بسبب قلة المصدر الحراري تدخل مجموعة القدرة في حالة التأهب.

في حالة التأهب , يمكن للدورة إعادة الإقلاع بسرعة بدون فترة إقلاع المطلوبة عند الإقلاع البارد cold start.

إن فترة التأهب هي العدد الأعظمي للساعات المسموح بها لحالة التأهب. وهذه الميزة متاحة فقط من أجل النظم التي تستخدم تخزين حراري والقيمة الافتراضية هي ساعتان.

الجزء من الاستطاعة الحرارية المطلوب لحالة التأهب Fraction of Thermal Power Needed for Standby:

الجزء من الدخل الحراري التصميمي للعنفة المطلوب من التخزين لإبقاء دورة الطاقة في حالة تأهب وهذه الطاقة الحرارية لا تتحول إلى طاقة كهربائية.

زمن الإقلاع لمجموعة القدرة (ساعات) Power Block Startup Time (hours):

الزمن بالساعات الذي يستهلك فيه النظام الطاقة في جزء الإقلاع قيل البدء بتوليد الكهرباء. إذا كان جزء الإقلاع مساويا للصفر سيعمل النظام عند سعته التصميمية بزمن يفوق زمن الإقلاع والافتراضي هو 0.5 ساعة.

الجزء من الطاقة الحرارية المطلوب للإقلاع Fraction of Thermal Power Needed for Startup:

الجزء من الدخل الحراري التصميمي للعنفة المطلوب من النظام للإقلاع وهذه الطاقة الحرارية لا تتحول إلى طاقة كهربائية.

عمل العنفة الأصغري Min Turbine Operation:

الجزء من السعة الكهربائية الاسمية والذي دونه لا تستطيع مجموعة القدرة توليد الكهرباء. طالما كان خرج مجموعة القدرة دون الحمل الأصغري والطاقة الحرارية مؤمنة من الحقل الشمسي يبقى الحقل الشمسي غير مركزا. من أجل النظم مع تخزين توصّل الطاقة الحرارية إلى التخزين حتى يتم ملئ التخزين. القيمة الافتراضية 0.25.

العمل الأعظمي فوق التصميمي للعنفة Max Turbine Over Design Operation:

الخرج الأعظمي المسوح به بمجموعة القدرة كجزء من السعة الكهربائية الاسمية. طالما أن التخزين غير متاح وعند ازدياد قيمة المورد الشمسي عن القيمة التصميمية 950 W/m2 يقوم النظام بإزالة تركيب بعض الهيليوستاتات لتحديد خرج مجموعة القدرة إلى الحمل الأعظمي. والقيمة الافتراضية له 1.05.

4. نظام التبريد Cooling System:

نوع المكثف Condenser type:

يمكن الاختيار بين مكثف مبرد –هواء (تبريد جاف) و تبريد بخري evaporative (تبريد رطب ) أو نظام تبريد هجين.

في التبريد الهجين يتشارك نظام تبريد–رطب مع نظام تبريد–جاف في حمل الاسترداد الحراري heat rejection load. يوجد العيد من التركيبات النظرية الممكنة لنظم التبريد الهجينة.

يسمح برنامج SAM بخيار التبريد المتوازي parallel cooling option.

التنسيق الهجين Hybrid Dispatch :

من اجل التبريد الهجين يحدد جدول التنسيق الهجين كمية حمل التبريد التي يجب معالجتها من قبل نظام تبريد–رطب من أجل كل من 6 فترات في السنة. وهذه الفترات محددة ضمن مصفوفات في صفحة التخزين الحراريThermal Storage page.

كل قيمة في الجدول هي جزء من الحمل التبريدي المصمم.

حرارة المحيط عند التصميم Ambient temp at design  (ºC):

حرارة المحيط التي تعمل عندها دورة القدرة مردود تحويلها الاسمي..

الفرق في درجة حرارة ماء المكثف المرجعي Ref. Condenser Water dT (ºC):

من اجل النوع البخري فقط. ترتفع درجة حرارة ماء التبريد عبر المكثف وهي تستخدم لحساب معدل التدفق الكتلي لماء التبريد عند التصميم ودرجة حرارة تكثف البخار.

درجة حرارة الطريق Approach temperature (ºC):

من أجل النوع البخري فقط . الفرق في درجات الحرارة بين المياه الدائرة في مدخل المكثف ودرجة حرارة المحيط الشبكية تستخدم مع الفرق في درجة حرارة ماء المكثف المرجعي لتحديد درجة حرارة تشبع المكثف وبالتالي الضغط الخلفي للعنفة turbine back pressure.

الفرق الأولي في درجة الحرارة عند النقطة التصميمية ITD at design point  (ºC):

من أجل نوع التبريد بالهواء الفرق الأولي في درجة الحرارة ITD هو الرق في درجة الحرارة بين درجة حرارة البخار عند مخرج العنفة و درجة الحرارة عند محيط البصلة الجافة ambient dry-bulb temperature.

نسبة ضغط المكثف Condenser pressure ratio:

من أجل نوع التبريد بالهواء. نسبة هبوط الضغط عبر المبادل الحراري لمكثف التبريد بالهواء وتستخدم لحساب هبوط الضغط عبر المكثف والطاقة الموافقة المطلوبة من اجل الحفاظ على كثافة تدفق الهواء.

ضغط المكثف الأصغري Min condenser pressure :

ضغط المكثف الأصغري بالانش زئبق الذي يمنع ضغط المكثف من الهبوط إلى دون المستوى المحدد. في النظم الفيزيائية يمكن أن يسبب السماح للضغط بالهبوط إلى دون نقطة محددة إلى ضرر فيزيائي للنظام.

من اجل النظم البخرية تكون القيمة هي 1.25 انش زئبق أما من أجل مكثفات تبريد–هواء فالقيمة المرجعية هي 2 انش زئبق أما من أجل النظم الهجينة فيمكن استخدام القيمة 2انش زئبق.

مستويات الحمل الجزئي لنظام التبريد Cooling system part load levels:

تخبر هذه المستويات عن كيفية عمل عدة نقاط تشغيل متقطعة لنموذج نظام ارتجاعي حراري. إن قيمة 2 تعني أن النظام يمكن أن يعمل عند مستويين 100% و 50%. أما قيمة 3 فتعني أن النظام يعمل عند ثلاث نقاط 100% و 66% و 33%. تحدد مستويات الحمل الجزئي كيفية عمل استرداد الحرارة عند ظروف العمل الجزئي عندما يكون الحمل الحراري أقل من الحمل الكامل. إن القيمة الافتراضية هي 2 والمجال المنصوح به هو من 2 الى 10 ويجب أن يكون عددا صحيحا.

رابعا: الاختيار الأمثل Optimization Wizard:

إن الاختيار الأمثل لنظام البرج المركزي يبسط مهمة اختيار القيم من أجل عدد كبير من محددات الدخل المطلوبة لتحديد الحقل الشمسي والمستقبل للنظام . لأن حقل الهيليوستات يكلف مابين 30 -40 % من الكلفة الإنشائية الكلية. ولذلك تعتبر أمثلة حجم حقل الهيليوستات خطوة مهمة لتقليص النفقات الكلية للمشروع.

يبحث الاختيار الأمثل عن مجموعة من القيم المثلى للنظام. حيث يكون النظام الأمثل هو احد تلك النتائج بأقل كلفة للطاقةlevelized cost of energy. يجب الملاحظة أن عملية الأمثلة مستقلة عن عملية النمذجة simulation.

عند تنفيذ عملية الأمثلة تقوم هذه العملية باستخدام عدد من معطيات الدخل بالقيم المثلى. يمكن قيل تنفيذ عملية الأمثلة اختيار إما أن تقوم عملية الاختيار الأمثل بتوليد القيم أو تعديلها يدويا.

لاستخدام عملية الاختيار الأمثل

1. على صفحة كلفة النظام البرجي Tower System Costs pageأدخل القيم المتعلقة بكلفة رأس المال capital costs .
2. على صفحة حقل الهيليوستات Heliostat Field page اضغط على Start Wizard لبدء عملية الأمثلة. يقوم برنامج بتزويد المتغيرات في عملية الأمثلة بالقيم من صفحة حقل الهيليوستات و صفحة البرج والمستقبل وصفحة دورة القدرة.
3. ادخل قيم لتحديد محددات عملية الأمثلة.
4. اضغط على Optimize Solar Field.
5. بعد انتهاء عملية الأمثلة اضغط على Close.

نظرة عامة على عملية الاختيار الأمثل overview of the optimization process:

من أجل كل متغير معرف كمجال في عملية الأمثلة. تقوم هذه العملية بالبحث عن القيمة ضمن المجال والتي تطابق متطلبات الأداء عند أقل قيمة ممكنة لكلفة الطاقة.

يقوم برنامج SAM باستخدام المضاعف الشمسي solar multiple لحساب القيمة الحرارية للمستقبل receiver’s thermal rating والتي تساوي إلى المضاعف الشمسي مضروبا بالسعة الكهربائية الاسمية لدورة القدرة ومقسومة على مردود التحويل للدورة الاسمية.

تعتبر عملية الأمثلة بعض المتغيرات كثوابت بينما تبحث عن الخيار الأمثل وهذه المتغيرات هي:

• المضاعف الشمسي في نافذة الاختيار الأمثل.
• السعة الاسمية في صفحة دورة القدرة.
• عرض وطول الهيليوستات في صفحة حقل الهيليوستات.
• التدفق الأعظمي للمستقبل في صفحة البرج والمستقبل.

تبحث عملية الاختيار الأمثل ضمن المستويات المحددة لإيجاد القيم المثلى للمتغيرات التالية في صفحة البرج والمستقبل. وعند الانتهاء من تشغيل عملية الأمثلة يقوم برنامج SAM باستخدام المتغيرات بقيمها المثلى وهي:

• قطر المستقبل.
• ارتفاع المستقبل (يحسب كتابع لنسبة ارتفاع المستقبل إلى قطر المستقبل).
• ارتفاع البرج.

وأيضا يستخدم برنامج SAMالقيم من عملية الأمثلة في صفحة حقل الهيليوستات:

• حجم الخطوة الشعاعية من أجل النموذج للحقل.
• المساحة العاكسة الكلية.
• عدد الهيليوستاتات.
• عدد الهيليوستاتات لكل منطقة شعاعية في جدول النموذج للحقل.

الإجراء التطبيقي:

خطوات تصميم محطة شمسية من نوع البرج المركزي هي

1. فتح البرنامج
2. اختيار اسم للمشروع والضغط على Create a new file.
3. من القائمة نختار concentrating solar power ومنها نختار Power tower system.
4. نختار نوع التمويل للمشروع وسأختار للسهولة Single owner.
5. من صفحة Climate يتم اختيار موقع إنشاء المشروع من نافذة Choose climate location حيث يمكن اختيار بعض المواقع المخزنة في البرنامج كما يمكن استيراد بيانات موقع على الانترنت بالضغط على Location lookup ومن ثم ادخال اسم الشارع أو خط الطول والعرض ولكن لم تنجح هذه الطريقة مع موقع داخل سوريا كما يمكن إنشاء ملف إذا كانت معطيات الإشعاع الشمسي متوفرة. وقد قمت باختيار موقع كاليفورنيا لوس انجلس لقرب مواصفاته من مواصفات مدينة دمشق.
6. من صفحة دورة القدرة Power cycle نقوم بتحديد الاستطاعة المطلوبة للنظام ( من نافذة سعة المحطة Plants capacity) وذلك عن طريق تحديد الاستطاعة الإجمالية وضربها بعامل التحويل من الاستطاعة الإجمالية إلى الاستطاعة الصافية.
7. من نفس صفحة دورة القدرة Power cycle ومن نافذة مجموعة القدرة Power blocke يتم تحديد مردود التحويل للدورة وهو عادة حوالي 0.4 أما باقي الخيارات فهي خيارات حرارية ليست من اختصاصي مع العلم أنه يوجد شرح مبسط عنها في الفقرات السابقة.
8. من نفس صفحة دورة القدرة Power cycle ومن نافذة Plant control يتم تحديد الزمن اللازم لإقلاع المحطة مع تحديد نسبة الطاقة المطلوبة لتحقيق عملية الإقلاع وبالإضافة إلى عمل العنفة الأصغري وعمل العنفة الاعظمي فوق التصميمي.
9. من نفس صفحة دورة القدرة Power cycle ومن نافذة cooling system يتم تحديد نوع المكثف المستخدم سواء كان بخريا evaporative أو هوائيا Air cooled أو هجينا بالإضافة إلى بعض درجات الحرارة.
10. من صفحة البرج والمستقبل Tower and receiver يتم اختيار نوع المستقبل وخصائصه والخصائص الترموديناميكية للمستقبل بالإضافة إلى نوع مائع نقل الحرارة المستخدم وارتفاع البرج.
11. من صفحة حقل الهيليوستات Heliostat field يتم اختيار أبعدا الهيليوستات الواحد وبالإضافة إلى مقدار جهوزيته ومعامل الاتساخ والخطأ الصوري.
12. من صفحة حقل الهيليوستات Heliostat field وبالضغط على Optimization wizard للاختيار الأمثل لكل من:

ارتفاع البرج وارتفاع المستقبل وقطر المستقبل ويقوم كذلك بتحديد عدد و توزيع الهيليوستاتات في المناطق الشعاعية بشكلها الأمثل.

13. بعد الانتهاء نقوم بالضغط على زر Run all simulations ومن ثم يبدأ البرنامج بالحساب. وهنا باختصار بعض المدخلات للبرنامج:

وعند استخدام Optimization wizard لتحديد القيم المثلى تكون المدخلات له

وعند الضغط على Optimize solar field تكون النتائج:

ارتفاع البرج Tower height 150 m

ارتفاع المستقبل receiver height 14.22 m

قطر المستقبل Receiver diameter 8.89 m

ويكون توزع الهيليوستاتات في الحقل على الشكل التالي:

ويكون ملخص النظام على الشكل التالي

نلاحظ انخفاض الكلفة الإنشائية 3708.29 $/kw. ولكن أعتقد أن معدل التضخم منخفض في هذا المثال.

أصبح الآن النموذج جاهزا لعملية النمذجة نقوم بالضغط على زر التشغيل أو Start all simulations.

وتظهر لدينا النتائج على شكل منحنيات

1. الخرج الشهري للمحطة:

1. الخرج السنوي:

3. الكلفة لكل وات: وهي كلفة كل وات من الاستطاعة الاسمية:

4. Stacked real LOCE

5. Stacked Nominal LOCE:

6. تدفق الطاقة السنوي

7. Project after tax cash flow

8. Project cumulative IRR :

8.  Project cumulative NPV:

دراسة النموذج بعد بعض التعديلات:

1. استخدام تخزين حراري لمدة ثلاث ساعات مع مضاعف شمسي بقيمة 1.4:

نلاحظ ارتفاع الكلفة الإنشائية من 3708 إلى 4855 $/kw

2. تغيير أبعاد الهيليوستات الى 6*6 m:

نلاحظ أيضا انخفاض كلفة الكيلوات من 3708 الى 3642 $/kw.

3. تغيير إبعاد الهيليوستات إلى 15*15:

بعد إجراء عملية Optimization wizard تكون النتائج:

نلاحظ أيضا ارتفاع كلفة الكيلوات من 3708 إلى 3759 $/kw.

ونلاحظ عدم تأثر الكلفة بحجم الهيليوستات كثيرا.

4. تغيير استطاعة المحطة إلى 10 MW بدلا من 100 MW :

وقد تطلب هذا الأمر تغيير نسبة مسافة الهيليوستات الأصغرية إلى ارتفاع البرج من 075 الى 3 وأيضا عند اجراء عملية Optimization wizardتم تغيير المجال لتغير ارتفاع البرج من 150-250 m الى 50-150 وقد اختار البرنامج ارتفاع 50 mكقيمة مثلى.

ولكن نلاحظ تغير كلفة الكيلوات بشكل ملحوظ من 3708 إلى 6949 $/kw.

5. تغيير استطاعة المحطة من 100MW إلى 150 MW:

نلاحظ ارتفاع الكلفة إلى 4104 $/kw.

6. تغيير مجال اختير الحل الأمثل لاختيار ارتفاع البرج 150-250 إلى 100-200:

قام البرنامج باختيار ارتفاع 133.33 كقيمة مثلى.

ولكن ترتفع الكلفة قليلا إلى 3758 $/kw.

يمكن القيام بالعديد من التعديلات على النظام للحصول على عدة نتائج, ويمكن مقارنه هذه النتائج مع بعضها للحصول على التصميم الأفضل ذو الكفاءة الأعلى وبأقل التكاليف , برنامج سام يوفر على المصمم الكثير من الوقت والجهد بهذه العملية .