Προσομοίωση Ηλιοθερμικού Σταθμού Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας Τεχνολογίας Παραβολικών Κατόπτρων

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση και η προσομοίωση της λειτουργίας ηλιοθερμικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής τεχνολογίας παραβολικών κατόπτρων. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε κατάλληλος κώδικας προσομοίωσης της ετήσιας λειτουργίας τέτοιων σταθμών σε προγραμματιστικό περιβάλλον MATLAB. Στα πλαίσια αυτά επιχειρήθηκε αρχικά μια συνοπτική ανασκόπηση των γενικών χαρακτηριστικών όπως και των διαφορετικών κύριων τεχνολογιών των ηλιοθερμικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ακόμη, έγινε αναφορά στην παρούσα κατάσταση και τις προοπτικές της διεθνούς αγοράς στο πεδίο αυτό αλλά και στο υφιστάμενο θεσμικό πλαίσιο στην Ελλάδα που αφορά τη λειτουργία τέτοιων σταθμών. Στη συνέχεια, η μελέτη επικεντρώθηκε στην εμπορικά επικρατέστερη έως τώρα τεχνολογία των παραβολικών κατόπτρων. Περιγράφηκαν τα επιμέρους υποσυστήματα που συνθέτουν έναν ηλιοθερμικό σταθμό αυτής της τεχνολογίας, ενώ παρατέθηκαν και οι εξισώσεις που διέπουν τη λειτουργία του κάθε υποσυστήματος. Έπειτα, μελετήθηκε η διασύνδεση των παραπάνω υποσυστημάτων στην ενιαία λειτουργία του σταθμού και παρουσιάστηκε ο ενιαίος τρόπος λειτουργίας σε καθημερινή βάση ενός ηλιοθερμικού σταθμού παραβολικών κατόπτρων ο οποίος είναι εφοδιασμένος με σύστημα αποθήκευσης θερμότητας και βοηθητικό καυστήρα συμβατικού καυσίμου. Ως τοποθεσία εγκατάστασης για το σταθμό αυτό θεωρήθηκε το νησί της Κρήτης. Διερευνήθηκαν διάφορα θέματα που σχετίζονται με την επιλογή συγκεκριμένων στρατηγικών λειτουργίας του σταθμού ενώ ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην παρουσίαση δύο εναλλακτικών τρόπων χρήσης του βοηθητικού καυστήρα. Οι παραπάνω εξισώσεις και στρατηγικές λειτουργίας ενσωματώθηκαν στον κώδικα προσομοίωσης, ο οποίος παρήγαγε αναλυτικά αποτελέσματα για την ετήσια λειτουργία του σταθμού που επιλέχθηκε να μελετηθεί δεδομένης της ηλιοφάνειας της επιλεγμένης τοποθεσίας εγκατάστασης. Παρατέθηκαν διαγράμματα και χαρακτηριστικά μεγέθη της ετήσιας λειτουργίας για τις εναλλακτικές στρατηγικές χρήσης του βοηθητικού καυστήρα όπως και για διαφορετικές διαστασιολογήσεις του ίδιου σταθμού. Τέλος, επιχειρήθηκε προσεγγιστικά η οικονομική αξιολόγηση της επένδυσης για τον υπό προσομοίωση ηλιοθερμικό σταθμό στην Κρήτη. Μέσω κατάλληλου λογιστικού κώδικα που αναπτύχθηκε στο MATLAB υπολογίστηκαν το αρχικό κόστος επένδυσης του έργου, ορισμένοι δείκτες οικονομικής αξιολόγησης της επένδυσης καθώς και το σταθμισμένο κόστος ενέργειας.

The scope of this diploma thesis is the analysis and simulation of the operation of solar thermal power plants based on the parabolic trough technology. For this purpose, a proper code was developed in MATLAB programming environment, for the simulation of the annual operation of such power plants. In this context, a brief overview of the general characteristics and the different main technologies of solar thermal power plants was attempted. Furthermore, reference was made to the present situation and prospects of the international market in this area and to the existing regulatory framework in Greece related to the operation of such power plants. Then, the study focused on the commercially prevailing technology of parabolic trough mirrors. The various subsystems that constitute a solar thermal power plant of this technology were described, while the equations governing the operation of each subsystem were cited. Also, we studied the interconnection of the above subsystems in the overall operation of the plant, and presented the overall operation mode on a daily basis of a parabolic trough power plant, which is equipped with a thermal energy storage system and an auxiliary burner with conventional fuel. The location of this plant was considered to be the island of Crete. Various issues related to the selection of specific operational strategies for the plant were investigated while increased emphasis was placed on the presentation of two alternative ways to use the auxiliary burner. The above equations and operational strategies were incorporated in the simulation code, which produced detailed results for the annual operation of the plant under study, given the sunshine of the selected site. Charts and characteristic features of the annual operation were cited, both for the alternative usage strategies of the auxiliary burner and for different sizing of the same station. Finally, an attempt was made for an approximate economic evaluation of the investment required for the solar thermal power plant under simulation in Crete. Through an appropriate accounting code, developed in MATLAB, we calculated the initial capital cost of the project, specific economic evaluation indices and, also, the levelized cost of energy.