Μελέτη ηλιοθερμικής εγκατάστασης με πύργο ηλιακής ισχύος στην περιοχή του Αθερινόλακκου

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εις βάθος κατανόηση της λειτουργίας των συστημάτων κεντρικού ηλιακού δέκτη ή αλλιώς πύργων ηλιακής ισχύος. Συγκεκριμένα, ερευνάται η συμπεριφορά τέτοιων εγκαταστάσεων από τη στιγμή που οι ηλιακές ακτίνες προσπίπτουν σε αυτές ,έως τη στιγμή που αποδίδεται στο δίκτυο καθαρή ηλεκτρική ενέργεια. Επιπροσθέτως, μελετώνται οι παράγοντες ,από τους οποίους εξαρτάται η παραγόμενη ισχύς, κυρίως σε ότι αφορά στη διάταξη των ηλιοστατών στο πεδίο αλλά και στα κυκλώματα νερού-ατμού. Γίνεται τέλος μια προσπάθεια προσομοίωσης μίας εγκατάστασης ηλιακού πύργου ισχύος 20MW στην Κρήτη ,στην περιοχή του Αθερινόλακκου, η οποία και συγκρίνεται με την ήδη εν λειτουργία ηλιοθερμική μονάδα κεντρικού δέκτη PS20 στην Σεβίλλη προς εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την αξιοπιστία της. Αναλυτικά η εργασία διαρθρώνεται στα ακόλουθα κεφάλαια:

Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις βασικές έννοιες γύρω από την ηλιακή ενέργεια και αναφέρεται ο εθνικός στόχος των Α.Π.Ε.. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι τρόποι εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας με τα διαφορετικά ήδη συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων καθώς και η νομοθεσία σχετικά με αυτά.

Στο δεύτερο κεφάλαιο προσεγγίζεται και ουσιαστικά το αντικείμενο της παρούσας εργασίας ,δηλαδή οι πύργοι ηλιακής ισχύος και τα τμήματα από τα οποία αποτελούνται. Γίνεται ,επίσης, αναφορά στα πλεονεκτήματα της συγκεκριμένης τεχνολογίας έναντι των υπολοίπων τεχνολογιών συγκεντρωτικής ηλιακής ενέργειας καθώς και παρουσιάζονται οι ήδη εγκατεστημένες εγκαταστάσεις πύργων ηλιακής ενέργειας ανά τον κόσμο.

Το τρίτο κεφάλαιο έχει σκοπό να αναδείξει τους παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση ενός συστήματος κεντρικού ηλιακού δέκτη, δηλαδή αναφέρεται στις απώλειες και τους βαθμούς απόδοσης κάθε τμήματος μιας τέτοιας ηλιοθερμικής εγκατάστασης. Στην αρχή του κεφαλαίου παρουσιάζεται απόσπασμα από τον οδηγό αξιολόγησης της Ρ.Α.Ε. για την απόδοση των συγκεντρωτικών ηλιακών συστημάτων.

Προχωρώντας, συναντάμε στο τέταρτο κεφάλαιο την περιγραφή του τρόπου σχεδιασμού και βελτιστοποίησης της διάταξης του πεδίου ηλιοστατών του πύργου. Γίνεται εμβάθυνση στο συγκεκριμένο τμήμα της εγκατάστασης και απαντώνται πολλές ερωτήσεις σχετικά με τις παραμέτρους που επιδρούν στο σχεδιασμό ενός τέτοιου πεδίου. Τέλος παρατίθεται ένα παράδειγμα σχεδιασμού ενός τυπικού βόρειου ηλιοστατικού πεδίου βήμα προς βήμα για την καλύτερη κατανόηση του.

Στο πέμπτο κεφάλαιο, που αποτελεί και τον πυρήνα της εν λόγω εργασίας, γίνεται προσομοίωση της λειτουργίας ενός ηλιοθερμικού σταθμού 20MWe με πύργο ηλιακής ισχύος στην περιοχή του Αθερινόλακκου στην Κρήτη. Μέρος των τεχνικών χαρακτηριστικών της εγκατάστασης ,εκτός των κυκλωμάτων νερού-ατμού, επιλέγονται σύμφωνα με τα τεχνικά χαρακτηριστικά του ηλιακού πύργου ισχύος PS20 στην Σεβίλλη της Ισπανίας, με τον οποίο και γίνεται τελικά η σύγκριση των αποτελεσμάτων. Παρουσιάζονται τα δεδομένα της ηλιακής ακτινοβολίας για τη συγκεκριμένη τοποθεσία, τα κυκλώματα νερού-ατμού της εγκατάστασης με τη βοήθεια του προγράμματος IPSEpro® και της εφαρμογής MDK®, ο τρόπος προσομοίωσης του ηλιοστατικού πεδίου αλλά και οι παράμετροι που τέθηκαν με την εφαρμογή CSPsim® και το πρόγραμμα Tonatiuh®.Επιπρόσθετα, σχεδιάζονται τα διαγράμματα παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος (Pel-t) κατά τη διάρκεια της τυπικής καλοκαιρινής και χειμωνιάτικης μέρας. Τέλος εξετάζεται, από την ενεργειακή σκοπιά, η επιλογή χρήσης υδρόψυκτου ή αερόψυκτου συμπυκνωτή για την εγκατάσταση στην συγκεκριμένη τοποθεσία.

Τελευταίο βρίσκεται το έκτο κεφάλαιο ,στο οποίο παρατίθενται τα τελικά συμπεράσματα της εργασίας και προτείνονται θέματα ,που προκύπτουν από αυτή, για μελλοντική διερεύνηση.

The main purpose of this thesis is an in-depth understanding of the functioning of central solar receiver systems also referred to as solar tower power plants. Specifically, the behavior of such plants from the moment that the incident sunbeams hit them until pure electric power is provided to the network is dealt with. Additionally the factors which determine the power output are examined, mainly concerning the arrangement of heliostats in the field but also the water-steam circuits. Finally, an attempt is made to simulate a solar power tower plant of 20MW in Crete, at the location Atherinolakkos, which is compared with the already operating central solar receiver power plant PS20 in Seville, in order to draw conclusions about its reliability. In detail this thesis is arranged in the following way:

In the first chapter an introduction is made to the basic concepts of solar energy, and the national target of RAE (Regulatory Authority for Energy) is mentioned. After that, the ways of harnessing solar energy by different concentrating solar power systems (CSP) is presented, as well as the legislation regarding them.

The second chapter basically approaches the subject of this work, namely solar power towers and their subsystems. There is also reference to the advantages of this technology over other technologies of concentrating solar power. A table with the already existing solar tower power plants worldwide is also presented.

The third chapter is intended to highlight the factors that influence the performance of a central solar receiver system. Consequently, it refers to losses and efficiencies of each part of such a solar power plant. At the beginning of the chapter, a part of RAE’s evaluation guide is presented regarding the concentrating solar systems.

Moving to the fourth chapter, one comes across the description of the designing and optimization patterns of a heliostat field’s layout. This chapter goes further in this part of the solar tower power plant and answers many questions about the parameters that affect its design. Finally, an example of designing a typical north heliostat field is given, step by step, for its better understanding.

In the fifth chapter, which is the core of this work, the operation of a solar-thermal power station of 20MWe with solar power tower is simulated at the location Atherinolakkos in Crete. Parts of the technical characteristics of the plant, except for water-steam circuit, are selected according to the technical characteristics of the solar tower PS20 in Seville, Spain, with which its results are eventually compared. Moreover, solar irradiation data for this location is presented, as well as the water-steam circuits of the plant, thanks to the software IPSEpro® and its application MDK®. Simulation of the heliostat field during the day is done with the program Tonatiuh® and the help of the application CSPsim®. The parameters set at them are also mentioned. Additionally, the electric output power diagrams (Pel-t) are plotted for a typical summer and winter day. Finally the choice of using water-cooled or aircooled condenser for the solar-thermal power plant at this location is examined, from the energy point of view.

Last is the sixth chapter, which refers to the conclusions of the thesis and the suggested issues that arise from it for future investigation.