عناصر تقنية الطاقة الشمسية المركزة
1. الحقل الشمسي
الحقل الشمسي: تستخدم محطات الطاقة المزودة بمرايا عاكسة تتخذ شكل القطع المكافئ عادةً مجمّعات لهذه المرايا تتوضع في الحقل الشمسي، وذلك لتركيز أشعة الشمس المباشرة عبر متلقي أنبوبي. وتقوم حقول المجمعات هذه بتأمين الطاقة الحرارية، والتي بدورها تدور التوربين البخاري. ويحتوي حقل مرايا القطع المكافئ في محطة شمس على 192 حلقة تحوي كل واحدة أربع مصفوفات من مجمعات الطاقة الشمسية (SACs)، وفي كل مصفوفة 12 مجمع طاقة شمسية.
مكونات الحقل الشمسي ذي أحواض القطع المكافئ
- المرايا: تشكّل أحد أهم مكونات الحقل الشمسي ذو أحواض القطع المكافئ، وتعكس جزءاً كبيراً من أشعة الشمس الواصلة بفضل قدرتها العاكسة العالية. وتستخدم معظم أحواض القطع المكافئ مرايا زجاجية مطلية بالفضة.
- أنابيب الامتصاص:تقوم أنابيب الامتصاص أو عناصر تجميع الحرارة (HCEs) بامتصاص جزء من الطاقة المنعكسة على المرايا، بالاستفادة من إمكانيتها العالية على امتصاص الأشعة وتخزينها. ومن الضروري أن يكون قطر أنابيب الامتصاص كبيراً كفاية لتشكيل عامل اعتراض عالي الأداء، دون أن تكون عريضة جداً لتقليل الضياع الحراري. وعامل الاعتراض هو معدل إجمالي الأشعة المنعكسة إلى معدل الأشعة المنعكسة التي تسقط على سطح أنابيب الامتصاص.
- وحدات المحركات الهيدروليكية:تسمح لمصفوفات تجميع الطاقة الشمسية بالحركة وتتبع مسار الشمس طوال النهار. وتتألف كل وحدة من أسطوانتين، يتم التحكم بهما بواسطة صمامين، وتحددان اتجاه الدوران.
- المفاصل الكروية: تستخدم لربط أنابيب سائل النقل الحراري بين الحلقات والرؤوس الرئيسية، بالإضافة إلى الأنابيب المتقاطعة مع صفوف المجمعات المتجاورة. وتقوم هذه الموصلات بامتصاص التوسع الحراري لأنبوب المجمع الذي يمتد على طول المجمعات، كما تسمح الموصلات للمجمعات بالدوران من موقعها الثابت وتتبع أشعة الشمس وهي تعمل.
- الهيكل الحامل: يقوم الهيكل الحامل لأحواض القطع المكافئ بوضع المرايا في موقعها الصحيح، وتثبيت الأحواض، والسماح لها بتتبع أشعة الشمس بدقة. ويتألف الهيكل من مجسم رئيسي، وهو بمعظم الأحيان إطار مسطح أو بنية أنبوبية مصنوعة من الفولاذ. وتشمل العناصر الأخرى للهيكل:
- نقاط دعم المرايا الموجودة على بنية الإطار المسطح أو أذرع الدعم الخاصة.
- داعمات المستقبلات أو داعمات عناصر تجميع الحرارة (HCE).
- الهيكل الخاص بتركيب الأبراج.
2. المضخات الرئيسية لسائل النقل الحراري (HTF)
المضخات الرئيسية لسائل النقل الحراري: تقوم بتدوير الزيت الحراري عبر الحقل الشمسي ذو أحواض القطع المكافئ، وتحافظ بذلك على الضغط في الدائرة الرئيسية، وتسخّنه قبل ضخّه إلى مولد البخار الشمسي.
الخصائص الرئيسية للمضخات الرئيسية لسائل النقل الحراري
- تتألف من مضخات طرد مركزي أفقية مصممة لتدوير الزيت الحراري بدرجات حرارة عالية.
- المضخات مصممة لمقاومة العوامل الخارجية.
- المضخات مزودة بمحركات ذات سرعات مختلفة تجعلها تتكيف مع متطلبات التدفق في الحقل الشمسي ذو أحواض القطع المكافئ.
- المضخات متساوية من الناحيتين المادية والوظيفية، ومتصلة مع بعضها بالتوازي، كما تم تركيب أحدها كمضخة احتياطية.
- تم تصنيع المضخات من مواد مضادة للتآكل والصدأ تلائم ظروف التشغيل.
3. نظام التمدد
نظام التمدد: يسهل عملية تقلص وتمدد الزيت الحراري بناءً على تغير درجة حرارة السائل العامل خلال التشغيل اليومي.
الخصائص الرئيسية لنظام التمدد
- يتألف من خزان للتمدد وعدة خزانات للفائض.
- يتم وضع خزان التمدد دائماً فوق خزانات الفائض، ومن المفترض أن يكون موقعه مرتفعاً.
- يبقى خزان التمدد خاملاً ومضغوطاً باستخدام النيتروجين، وذلك ضروري للحفاظ على ضغط الزيت الحراري مستقراً فوق ضغط الغليان ضمن نظام الحرارة والضغط العاليان.
- عمل نظام التمدد:
- عندما ينخفض مستوى سائل النقل الحراري في خزان التمدد لما دون مستوى الأمان، يتم تفعيل مضخات إعادة تدوير الفائض، فتسمح برفع المستوى في الخزان باستخدام الزيت الحراري المحفوظ في خزانات الفائض. تعويض تقلص سائل النقل الحراري بسبب انخفاض حرارته.
- عندما يرتفع مستوى سائل النقل الحراري في خزان التمدد فوق مستوى الأمان، يتم نقل الزيت الإضافي إلى خزانات الفائض عبر خطوط مفتوحة دائماً لنقل الفائض تعويض تمدد سائل النقل الحراري بسبب ارتفاع حرارته.
- يتم نقل فتحات غاز النيتروجين وأبخرة الزيت الحراري من خزانات التمدد والفائض إلى نظام حد الامتلاء لتحزينها.
4. سخانات سائل النقل الحراري
سخّانات سائل النقل الحراري: تُستخدم هذه السخّانات لتسخين الزيت الحراري مع بدء تشغيل المحطة يومياً. ولضمان كفاءة التشغيل، من الضروري تحويل كامل الطاقة الشمسيّة المجمّعة من الحقل الشمسيّ إلى توربين بخاري يكون جاهزاً للدوران فوراً بمجرد توافر الطاقة من الحقل الشمسي. ويتمّ تشغيل هذه السخّانات يومياً لتسخين سائل النقل الحراري داخل مجمّع الطاقة، ويساعد ذلك على بدء تشغيل المعززات الحرارية وزيادة درجة حرارة البخار بما يؤدّي إلى تشغيل التوربين البخاري في الوقت المناسب.
الخصائص الرئيسية لسخّانات سائل النقل الحراري
- تتضمن المحطة سبعة سخّانات تعمل بنوعين من الوقود في محطة شمس للطاقة، ويتمّ تزويدها عادةً بالغاز الطبيعي أو زيت الوقود (الديزل) كمصدر احتياطي.
- يستخدم كل سخّان نظام إعادة دوران داخليّ لزيادة درجة حرارة الزيت الحراري قبل إرساله إلى المولّد البخاري الشمسي.
- هناك ستة من بين السخّانات السبعة قادرة على توليد 50 ميجاواط من الكهرباء الصافية ليلاً لمواكبة الإنتاج الثابت الذي تحتاجه شركة أبوظبي للنقل والتحكم (TRANSCO). (إذا ما طلبت ذلك وفقاً لاتفاقية شراء الطاقة).
5. نظام المولد البخاري
نظام المولّد البخاري: يولّد هذا النظام بخاراً عالي الحرارة عن طريق تبادل الحرارة التي يوفّرها الزيت الحراري (سائل النقل الحراري).
الخصائص الرئيسية لنظام المولد البخاري
- يوجد خطان لتوليد البخار يعملان بالتوازي مع بعضهما البعض بواقع 50% من الحمل لكل منهما.
-
يضم كل خط لتوليد البخار :
- موفّر (سخّان أولي في المولد البخاري الشمسي)
- وعاء البخار
- مبخران
- سخّان فائق
- تتمثل مهمة هذا النظام في إنتاج بخار ذي ضغط وحرارة عاليين.
- يشهد النظام عملية كسح مستمرة وأخرى متقطعة عند بدء التشغيل.
- يقوم الموفّر بتسخين مياه التغذية بواسطة الحرارة المنبعثة من مخرج السخّان الأولي لمياه التغذية. ويتدفق سائل النقل الحراري عبر الهيكل الخارجي بينما يتدفق الماء عبر جوانب الأنبوب.
- يتحول الماء إلى بخار ضمن المبخّر ووعاءالبخار، ممّا يسمح للماء/البخار بالتدفق عبر جوانب الهيكل الخارجي، بينما يتدفّق سائل النقل الحراري عبر الأنابيب.
- يقوم السخّان الفائق بتسخين البخار من درجة حرارة الإشباع إلى درجة فائقة. ويتمّ بعد ذلك إرسال البخار المسخّن إلى المعززات الحرارية قبل دخوله إلى التوربين البخاري.
6. المعززات الحرارية
المعززات الحرارية: مسؤولة عن توفير حرارة فائقة للبخار الذي يتمّ توليده في نظام المولد البخاري الشمسي. وتولد المعززات الكهرباء بكفاءة عالية مقارنةً بمحطات الطاقة الشمسية ذات أحواض القطع المكافئ.
الخصائص الرئيسية للمعززات الحرارية
- تضم المحطة معززين حراريين يستخدمان الغاز الطبيعي كوقود أساسي والديزل كوقود احتياطي.
- يرفع كل معزز درجة حرارة البخار من 376 إلى 540 درجة مئوية. ويعالج كل منهما 50% من إجمالي تدفق الكتلة الناجم عن نظام المولد البخاري.
- الأجزاء الرئيسية لكلّ معزز حراري :
- البخار: مناطق الإشعاع والحمل الحراري.
- الهواء: السخّان الأولي لهواء الاحتراق لتحسين عملية الاحتراق.
- حلقة التحكم الرئيسية هي أداة للتحكم بدرجة حرارة المخرج. ويتمّ من خلالها كذلك التحكم بنسبة الهواء إلى الوقود للحصول على أعلى مستويات الكفاءة وخفض الانبعاثات.
7. التوربين البخاري
مولد التوربين البخاري: تعد وحدة مولد التوربين البخاري جزءاّ من النظام المسؤول عن تحويل الطاقة الحرارية التي يوفّرها البخار فائق التسخين إلى طاقة ميكانيكية وكهربائية.
الخصائص الرئيسية لمولد التوربين البخاري
- تتألف وحدة مولد التوربين البخاري من:
- وحدة الضغط العالي للتوربين
- وحدة الضغط المنخفض للتوربين
- توصيلات البخار الرئيسية
- ستة مسارات لسحب البخار
- صمّام إغلاق لحالات الطوارئ
- صمّام تحكم
- نظام مانع تسرّب البخار
- نظام زيت التشحيم
- نظام التحكم بالزيت
- مولّد كهربائي
- الهيكل الخارجي
- دورة رانكن الأساسية للبخار
- تبلغ درجة الحرارة المباشرة للبخار في التوربين البخاري لمحطة شمس للطاقة 540 درجة مئوية ويبلغ ضغط التوربين 100 بار.
- تمّ تصميم وتصنيع مولد التوربين البخاري والأنظمة المساعدة الأخرى بما يتماشى مع الظروف التشغيلية للمحطة. إذ يقلّل التشغيل الدوري وعمليات التشغيل السريع من وقت بدء التشغيل وتغيير نمطه.
- إنّ الحفاظ على معايير الماء / البخار (مثل التوصيل ودرجة التسخين الفائق) ضمن النطاق الموصى به من قبل الشركةالمصنّعة هو أمر بالغ الأهمية طوال دورة حياة التوربين.
- يتحكم الصمّام المنظّم للتوربين البخاري بالضغط المنزلق.
8. المكثف المبرد بالهواء
المكثّف المبرّد بالهواء: يتولى تكثيف البخار عبر إزالة الحرارة الكامنة من بخار عادم التوربين البخاري بواسطة هواء مروحة.
الخصائص الرئيسية للمكثّف المبرّد بالهواء
- يتألف المكثّف المبرّد بالهواء ممّا يلي:
- أنبوب بخاري مكوّن من خمسة صواعد، ووعاء للتصريف، وأنابيب متفرعة علويّة لتوزيع البخار في حزم الأنابيب المزعنفة، وأقراص الانفجار، والعديد من المكونات الأخرى.
- تتضمّن كلّ وحدة من المكثّف المبرّد بالهواء حزم أنابيب مزعنفة، ومرواح، ومحركات، والعديد من المكونات الأخرى.
- مضخّات تصريف للمكثّف المبرّد بالهواء
- خزّان تكثيف
- نظام لتفريغ الهواء
- تمّ تصميم هذا النظام لتلقّي وتكثيف أيّ بخار متدفق من التوربين بشكل آمن، وتجاوز خط النظام في حال توقّف التوربين، أو دعم التصريف من خطوط الأنابيب الأخرى عند درجات الضغط العالية.
- يوفر نظام التبريد الجاف هذا كميّة كبيرة من المياه بالمقارنة مع نظام برج التبريد.