التوربينات الغازية المدفوعة بالطاقة الشمسية

تم اقتراح واختبار عدة أنواع من أنظمة توربينات الغاز بالطاقة الشمسية ، والتي هي هنا:

simple solar hybrid turbine systems (SHGT)

solar reforming gas turbine systems (SRGT)

gas turbine systems integrated with low-temperature solar thermal energy

استخدام الطاقة الشمسية ذات درجات الحرارة العالية ( الأبراج الشمسية ) في التوربينات الغازية

• أنظمة التوربينات الغازية الهجين الشمسي البسيطة (SIMPLE HYBRID SOLAR GAS TURBINES) : مع تطوير مستقبلات الهواء الشمسي ذات درجة الحرارة العالية ، يمكن للطاقة الشمسية أن توفر مباشرة غالبية إمدادات الحرارة لدورة توربينات غازية. في أوائل الثمانينيات من القرن العشرين، قام معهد أبحاث الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة الأمريكية بتطوير نظام SHGT. واستخدم الإشعاع الشمسي المركَّز في تسخين الهواء المضغوط من الضاغط قبل الدخول إلى حجرة الاحتراق ، كما هو مبين في الشكل. يمكن ضبط تدفق كتلة الوقود للاحتراق بشكل متكرر للحفاظ على درجة حرارة مدخل التوربين مستقرة (TIT) بغض النظر عن تذبذب الإشعاع الشمسي. إن مستقبلات الهواء المضغوط هي مكون رئيسي في نظام SHGT ، الذي يعمل تحت ظروف إشعاع غير مستقر عالي الحرارة ودرجات حرارة عالية. يوجد نوعين منها ، المستقبلات الأنبوبية والمستقبلات الحجمية. درجة حرارة مخرج جهاز استقبال أنبوبي بالهواء المضغوط عادة ما تكون أقل من 800 درجة مئوية بسبب محدودية المواد المعدنية. يتم دائمًا اعتماد نافذة كوارتز في جهاز استقبال حجمى للحفاظ على ضغط الهواء. يتم استخدام السيراميك المسامي أو الرغوي لامتصاص التدفق الإشعاعي المرتفع لتسخين الهواء حتى 1000 درجة مئوية أو أعلى.

أمثلة على هذه النظام:

تم استخدام برنامجي TRNSYS وTHERMOFLEX  لمحاكاة نظام SHGT باستخدام توربين SGT-750 Siemens وتحقيق إنتاج كهربائي بقدرة 34.3MW وكفاءة حرارية 38.3% وتغطية شمسية بمقدار 70% في يوم صيفي نموذجي.

حتى الآن تم تطوير العديد من المشاريع التجريبية لأنظمة التوربينات الغازية الشمسية الهجينة حيث قام الاتحاد الأوروبي بتنفيذ مشروع ممول SOLGATE لتحديد جدوى نظام التوربين الغازي بالطاقة الشمسية وبقدرة 230kWe وبتغطية شمسية تصل إلى 70% وكفاءة حرارية تبلغ 20%، حيث تم تسخين الهواء المضغوط أولاً بواسطة مستقبل انبوبي ومن ثم بواسطة مستقبلين حجميين حتى الوصول إلى درجة حرارة 960℃. وفي مشروع آخر SOLHYCO يهدف إلى تطوير مستقبل أنبوبي معدني بدلاً من مستقبل حجمي لتقليل التكلفة، فوصلت درجة الحرارة عند مخرج المستقبل الأنبوبي إلى 800℃. أيضاً تم بتمويل من الاتحاد الأوروبي اختبار SOLUGAS أول نظام لتوربينات غازية هجينة شمسية بمقياس MW تحت ظروف تشغيل محددة فوصلت درجة حرارة الهواء المضغوط في مستقبل أنبوبي من النيكل إلى 800℃. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مشروع PEGASE في فرنسا لا يزال قيد التطوير، بالإضافة إلى نظام توربين هواء شمسي جديد في CSIRO بأستراليا. 

 

 

• أنظمة التوربينات الغازية التي تعمل على إصلاح الغاز بالطاقة الشمسية( SOLAR REFORMING GAS TURBINES):
  حيث يمتص مصلح بخار الميثان الشمسي (SMSR)( solar methane steam reformer) الإشعاع الشمسي عن طريق تفاعل ماص للحرارة ، ومن ثم يقوم منتج التفاعل (syngas) بالدخول إلى غرفة الأحتراق.  يمكن أن يؤدي إصلاح الهيدروكربونات إلى تحويل الطاقة الشمسية إلى أشكال كيميائية بواسطة تفاعلات ماصة للحرارة. على سبيل المثال ، تتم زيادة القيمة الحرارية للميتان بنسبة 28 ٪. على مدى العقود الماضية ، تم تنفيذ العديد من مشاريع الإصلاح الشمسي بنجاح لتحسين القيمة الحرارية لوقود التغذية. تم إجراء دراسة لدورة مشتركة مع إصلاح الغاز بالطاقة الشمسية وأشارت النتائج إلى أن الحد الأقصى لحصة الطاقة الشمسية يمكن أن يصل إلى 20.5٪ مع كفاءة حرارية تبلغ 47.6 ولكن تبقى حصة الطاقة الشمسية في هذه الأنظمة تقتصر على25%-30% اعتمادا إلى ظروف العملية.
  تبين الدراسات الحديثة أن تكلفة الكهرباء من محطات الطاقة الشمسية ذات درجات الحرارة المرتفعة تبقى أعلى.
  

• أنظمة التوربينات الغازية المدمجة مع الطاقة الشمسية ذات درجات الحرارة المنخفضة :
  وفقا لوكالة الطاقة الدولية (IEA) ، شهدت السنوات الأخيرة أسعارا أقل لجميع أنواع الوقود الأحفوري. علاوة على ذلك ، تظل أسعار الفحم عند الحضيض مع تباطؤ الطلب في الصين. هذا هو السبب في أن الحاجة إلى الكهرباء الشمسية منخفضة التكلفة أصبحت أكثر إلزامًا لمواجهة التحدي للطاقة التقليدية.
  يمكن استخدام المجمعات الشمسية ذات درجة الحرارة المتوسطة لدمج الطاقة الشمسية في التوربين الغازي. إن مجمع الحوض المكافئ هو أبسط وأقل تكلفة من جهاز الاستقبال المركزي والدش و قد يوفر طريقة لزيادة القدرة التنافسية للكهرباء الحرارية الشمسية دون درجة حرارة عالية في مكونات الطاقة الشمسية، ودون الحاجة إلى نسبة تركيز عالية.
  بدلاً من مستقبلات الطاقة الشمسية ذات درجة الحرارة المرتفعة أو إصلاح غاز الميثان ، بعض أنظمة التوربين الغازي تعمل جنبا إلى جنب مع الطاقة الحرارية الشمسية منخفضة درجة الحرارة.
  وفي الدراسات الحديثة تم تحسين وتطوير أنظمة التوربينات الغازية الهجينة الشمسية بتقنية مجمعات القطوع المكافئة:
  
  
  

                                          أشكال دمج الطاقة الشمسية مع التوربينات الغازية

وهي كالتالي:  

دمج تقنية القطوع المكافئة عند مستوى حجرة الأحتراق والذي يتم على مبدأ استخدام الطاقة الشمسية لإنتاج البخار الذي يتم حقنه في حجرة الاحتراق مثل دارة (SOLAR STEAM INJECTION GAS TURBINE SYSTEM)

نظام توربين غازي مع حقن البخار الشمسي (نسبة البخار إلى الهواء عالية) solar steam injection gas turbine system:

يتم في هذه الدارة استخدام البخار عند ضغط معتدل في التوربين الغازي وبالتالي عند درجة حرارة إشباع منخفضة نسبيا ومقابلة لقيمة الضغط وذلك من أجل زيادة إنتاج الطاقة من التوربينات. وهي نوع من أنواع دورة برايتون مع استرجاع حيث يتم في المسترجع استرداد الحرارة من غازات الاحتراق لتوليد البخار وحقنه في غرفة الاحتراق. يزيد حقن البخار من التدفق الكتلي في التوربين بالنسبة للضاغط مما يؤدي إلى زيادة في الطاقة الصافية وزيادة في الكفاءة مقارنة مع الدورة البسيطة. أيضاً حقن البخار يقلل من درجة حرارة لهب الاحتراق والحد من تشكيل منتجات الاحتراق غير المرغوب بها ويسمح وجود بخار محمص في تيار الغاز العادم عند مروره بالمسترجع باستخراج المزيد من الحرارة عند نفس الفرق في درجات الحرارة.

يمكن أن يكون البخار المراد حقنه مرنًا ، ويمكن تقسيمه إلى ثلاثة تيارات: كمية صغيرة تذهب إلى فوهات الوقود ل السيطرة على انبعاثات أكاسيد النيتروجين ويستخدم كمية صغيرة أخرى لتبريد شفرات وفوهات التوربين والقسم الباقي يتعرض للتحميص ويحقن في حجرة الاحتراق ويمزج مع الهواء المسخن والمضغوط واذا لم يحتاج كل البخار لتوليد الطاقة فإن جزءا منه يستخدم للتوليد المشترك. في نظام STIG يكون معدل تدفق البخار محدود حسب كمية الطاقة الحرارية المتوفرة في المسترجع HRSG من تيار غاز العادم للتوربين وكذلك متعلق ببعض المشكلات الفنية حيث يكون عادة بحدود 5-10 % من معدل تدفق الضاغط. ومن الممكن ثيرموديناميكياً حقن كميات أكبر من البخار في الدورة إذا توفر مصدر طاقة إضافي وعندها يمكن أمثلة كمية البخار بشكل مستقل.

توربينات الغاز عادة لا تستهلك المياه ، ولكن تتطلب دورة STIG حقن الماء فيها  ويما أن الطاقة الشمسية وفيرة في الأماكن حيث الماء نادر لذلك يجب إعادة تكثيف الماء ومن ثم تبخيرها وحقنها مجدداً حتى لا تضيع.  بالنسبة لدورة STIG التقليدية ، تم تحليل استرداد المياه ووجد أنه حل عملي يكلف تكلفة معقولة مقارنة بتكلفة المصنع بالكامل . ومع ذلك ، فإن إضافة الحرارة الشمسية تمكن من استخدام كميات أكبر من الماء بشكل كبير ، وبالتالي يجب دراسة هذا الجانب بعناية. وعند تصميم هذه المحطة يجب الأنتباه لتصميم حجرة الاحتراق للسماح باحتراق مستقر بوجود البخاروأيضاً يجب الانتباه إلى إمكانية التآكل في التوربين نتيجة وجود البخار وبالتالي تحتاج هذه القضايا إلى تحليلها وحلها بعناية قبل الشروع في التنفيذ العملي.
في هذه المحطة الهجينة يتم إنتاج البخار بواسطة الحرارة المقدمة من المجمعات الشمسية المركزة. فيجب أن يتطابق البخار الشمسي في دورة STIG مع ضغط التوربين، وعادة ما يكون في نطاق 10-30 Bar، والمقابلة لدرجات حرارة البخار المشبع التي تبلغ 180-234℃ بدون الحاجة إلى محمص لأن هذا يتم توفيره بواسطة غازات العادم من التوربين. الضغوط ودرجات الحرارة هذه أقل من تلك الموجودة في محطات الطاقة الشمسية الحالية ويمكن أن تتحق بسهولة وبتكلفة أقل بواسطة المجمعات المركزة الخطية مثل القطوع المكافئة ومجمعات فريسنل الخطية. حيث تم دراسة مجمعات فريسنل الخطية المركبة لتوليد البخار عند درجات حرارة حوالي 250℃ وكانت خيار جيد في هذا النظام.

وصلت الكفاءة الحرارية لهذا النظام إلى 49% ونسبة مشاركة الطاقة الشمسية 21%.

 

دمج الطاقة الشمسية (القطوع المكافئة) بين مخرج الضاغط ومدخل غرفة الاحتراق وقدمت كمثال دارة (SOLAR PREHEATING HYBRID GAS TURBINE) والتي يتم فيها جمع الطاقة الشمسية بواسطة وسيط نقل الحرارة (HTF) في الحقل الشمسي ليستخدم في تسخين الهواء المضغوط قبل الدخول إلى حجرة الأحتراق. وفقاً لأحد الدراسات التي قام بها الباحثين في دراسة هذه الدارة دلت النتائج أن هذه الدارة تعتبر ملائمة للعمل عند مختلف الظروف المناخية، فبالنسبة للمناطق ذات الكثافة المنخفضة بالإشعاع الشمسي كانت هذه الدارة أكثر ملائمة للعمل عند نسبة انضغاط ودرجات حرارة تشغيل ل HTF منخفضة أما بالنسبة للمناطق ذات الإشعاع الشمسي المرتفعحيث يكون من السهل الوصول لدرجات حرارة عمل HTF فإنه SPHGT مع نسب انضغاط عالية تكون أكثر جاذبية. ويمكن أن يكون تكامل تحزين الطاقة الحرارية مع هذه المفهوم فعالاً للغاية للحفاظ على درجات حرارة ثابتة في مدخل حجرة الاحتراق وكذلك لزيادة نسبة مشاركة الطاقة الشمسية. 

دمج الطاقة الشمسية عند مخرج التوربين الغازي وكمثال عليها AIR BOTTOMING CYCLES FOR HSGT PLANTS: 

 تكون الدارة العليا توربين غازي والهواء بعد خروجه من الضاغط يسحن في مستقبل الهواء الشمسي باستخدام الطاقة الشمسية المركزة ( حقول المرايا HELIOSTATES) ثو يرسل الهواء المضغوط إلى حجرة الاحتراق حيث يتم التحكم بكمية الوقود للحصول على درجة حرارة الاحتراق المطلوبة حسب كمية الحرارة المعطاة من الشمس. في هذه الحالة كمية الوقود المطلوبة للعمل تقل. أما حرارة غازات عاد الدارة العليا يتم الاستفادة منها في الدارة السفلى بواسطة مبادل حراري غاز-غاز. في التوربينات الغازية الحديثة درجة حرارة غازات الاحتراق الداخلة للتوربين عادة 1400℃ وهي أعلى بكثير من درجة الحرارة العظمى التي يمكن أن تتحملها شفرات التوربين، لذلك يتم استخدام هواء الضاغط البارد (قبل التسخين الشمسي) للحفاظ على سلامة الشفرات وبالتالي التمدد الحقيقي في التوربين يتم اعتباره تمدد أدياباتي ثابت من درجة حرارة مدخل التوربين ( التي يتم تعريفها وفقاً لمبدأ iso كدرجة الحرارة التيرموديناميكية الناتجة عن مزج الغاز الساخن من حجرة الاحتراق مع التدفق البارد من الضاغط.في

في دورة الهواء السفلى يتم ضغط الهواء في مرحلتين مع مبرد بيني وللحفاظ على استهلاك ماء منخفض يتم استخدام الهواء الجوي كمبرد في المبرد البيني. يتم بعدها تسخين الهواء المضغوط بواسطة غازات العادم من التوربينات السفلى والعليا. وأخيرا يتمدد الغاز الساخن في التوربين والعادم يعاد تدويره للاستفادة من الطاقة المتبقية فيه بواسطة المسترجع. 

دمج الطاقة الشمسية عند مدخل التوربين الغازي والمبدأ استخدام الطاقة الشمسية لتشغيل نظام التبريد الداخلي للتوربين.  

مفهوم محطة الدارة المركبة بمساعدة الطاقة الشمسية Solar Assisted Combined Cycle Plant concept:

تبريد الهواء الداخل إلى دارة التوربين الغازي:

لأكثر من عشرين عاماً تم إدخال أنظمة التبريد باستخدام الشيلرات لزيادة إنتاج الطاقة من التوربين الغازي ومحطات توليد الطاقة ذات الدورة المركبة لاسيما في الأيام الحارة. في الضاغط المحوري يكون الحد الأعظمي لمعدل التدفق الحجمي محدود بالمقطع العرضي للمدخل. ونتيجة لذلك، يبقى معدل التدفق الحجمي لضاغط الهواء في التوربين الغازي ثابتاً تقريباً وبالتالي يقل التدفق الكتلي للهواء الداخل بشكل كبير مع زيادة درجة حرارة الهواء المحيط. يمكن تفسير هذه العلاقة بقانون الغاز المثالي ( قانون الغاز المثالي هو معادلة حالة الغاز المثالي الافتراضي وهي تقريب جيد لسلوك العديد من الغازات بما في ذلك خلائط الغاز مثل الهواء في ظل العديد من الظروف، على الرغم من وجود العديد من القيود.

من الواضح من معادلة الحالة عند سرعة ثابتة والتدفق الحجمي ثابت تقريباً سوف يزداد تدفق الكتلة الهوائية مع خفض درجة الحرارة وسوف ينخفض مع زيادة درجة الحرارة.

ومن جهة أخرى فإن الحرارة المقدمة لدارة التوربين الغازي سوف تحدد من معادلة الموازنة الحرارية لغرفة الاحتراق.

بافتراض أن معدل التدفق الكتلي m هو نفسه للجهاز بأكمله أي بإهمال كتلة الوقود والضياعات وأن السعة الحرارية وسطية وTin درجة حرارة مدخل حجرة الاحتراق، Tout درجة حرارة الغازات عند المخرج وفي الواقع هي درجة حرارة تشغيل التوربين الغازي وهي واحدة من البارمترات الحرجة للجهاز والتي تعتبر محدودة بخواص معدن التوربينات.

واحدة من المهام الرئيسية لهذا النظام هي الحفاظ على درجة حرارة اشتعال ثابتة عند جميع الظروف المحيطة. ويتم تحقيق ذلك عن طريق التحكم في تدفق الوقود في حجرة الاحتراق. ووفقاً لمعادلة التوازن الحراري في حجرة الاحتراق يجب أن يقلل نظام التحكم في الدارة من معدل تدفق الوقود عند درجات الحرارة المحيطة المرتفعة. وبالتالي يتم تقليل الطاقة الحرارية التي يوفرها الوقود لدورة التوربين الغازي وهذا يؤدي إلى خفض الخرج الكهربائي للتوربين بشكل كبير ( أحياناً يزيد عن 30%). ونتيجة لذلك، عندما يكون الطلب على الطاقة في ذروته في الطقس الحار يواجه منتجو الطاقة انخفاضا في أداء المعدات التي يعتمدون عليها لتلبية الطلب المتزايد. يزيد تبريد الهواء الداخل من كثافته ومن ثم تدفق الكتلة. نتيجة لذلك ، يمكن تغذية المزيد من الوقود إلى حجرة احتراق التوربين الغازي في قياس رياضي معين ، والتي بدورها تنتج المزيد من الطاقة. هناك نوعان من التقنيات الرئيسية المتاحة تجاريا لنظام تبريد الهواء الداخل للدارة:

التقنية الأولى: التبخر بواسطة الوسائط المبللة أو الضباب أو الانضغاط الرطب

الوسائط المبللة : تتم بواسطة تعرض الهواء إلى طبقة من الماء حيث يتم تبخر الماء وخفض درجة حرارة الهواء وبهذه الطريق يمك أن تنخفض درجة حرارة الهواء المحيط الجافة بنسبة 85-95% من الفرق بين درجة الحرارة الجافة المحيطة والرطبة. ولكن هنا مدى التبريد محدود بسبب درجة الحرارة الرطبة.

الضباب: تعتمد هذه التقنية على إضافة الماء إلى الهواء الداخل عن طريق رش قطرات من الماء ويمكن لأنظمة الضباب إنتاج قطيرات ذات أحجام متنوعة حسب وقت التبخر المطلوب والظروف المحيطة. ويمكن أن تبرد الهواء الداخل بنسبة 95-99% من الفرق بين درجة الحرارة الجافة المحيطة ودرجة الحرارة الرطبة. تحتاج كل تقنيات التبريد التبخيري إلى كمية كبيرة من الماء عالي النقاء.

إن معظم محطات الطاقة الشمسية تقع في المناطق القاحلة حيث قلة الموارد المائية لذلك تعتبر هذه الطريقة غير مناسبة فيها.

التقنية الثانية: المبردات إما الميكانيكية أو الامتصاصية مع أو بدون تخزين الطاقة الحرارية

لحمل الطفيلي (parasitic loads) هو مصطلح يستخدم فيما يتعلق بالأجهزة الكهربائية وقاطرات السكك الحديدية. فيما يتعلق بالأجهزة الكهربائية ، فإنه يمثل الطاقة المستهلكة حتى عند إيقاف تشغيل الجهاز ، أي الطاقة الاحتياطية.

يمكن لأنظمة التبريد الميكانيكية تبريد الهواء الداخل إلى الضاغط إلى أقل من درجة الحرارة الرطبة واذا صممت بشكل صحيح يمكن أن تحافظ على درجة حرارة الداخل المطلوب منخفضة تصل إلى 278.15-279.15 K ومستقلة عن درجة حرارة المحيط. وعادة ما يتم تشغيل المبردات المستخدمة في هذه الأنظمة بواسطة المحركات الكهربائية. يمكن تزويد الماء المبرد مباشرة من المبرد أو من خزان تخزين الطاقة الحرارية ( في الثلج أو سائل مبرد).

تشبه أنظمة التبريد الامتصاصية أنظمة التبريد الميكانيكية إلا أنه بدلاً من استخدام المبردات الميكانيكية تستخدم هذه الأنظمة المبردات الامتصاصية التي تتطلب الطاقة الحرارية (البخار أو الماء الساخن) باعتبارها المصدر الرئيسي للطاقة و تتطلب طاقة كهربائية أقل بكثير من المبردات الميكانيكية. ويمكن للمبردات الامتصاصية أن تشتمل على خليط من بروميد الليثيوم والماء أو خليط الأمونيا والماء. ومبردات الامتصاصية التي تعمل بواسطة خليط بروميد الليثيوم-الماء تعتبر أكثر شيوعاً. وفيها يتم تبريد الهواء الداخل إلى حوالي 283.15 K ويمكن أن تكون بتأثير واحد ( تستخدم الماء الساخن أو البخار بضغط منخفض 1.8 bar) أو مزدوجة التأثير (تتطلب بخار أقل ولكن عند ضغط أعلى 9bar).

مقارنة بأنظمة التبريد الميكانيكية تعتبر أنظمة التبريد الامتصاصية ذات أحمال طفيلية أقل ولكن ارتفاع تكاليف رأس المال.

تبريد الهواء الداخل بالطاقة الشمسية

وبالتالي فإن تبريد الهواء الداخل يحتاج إلى كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية أو الحرارية والتي اذا ما تم سحبها من الدورة المركبة نفسها فإنه سيتم تقليل قدرتها خلا فترة الظهيرة الحارة والتي تتوافق مع ذروة الطلب في معظم البلدان وبالتالي انخفاض أداء التوربين الغازي. ميزة الطاقة الشمسية هي انها تنتج الطاقة عند الحاجة القصوى خلال أوقات الذروة في اليوم والسنة. ولذلك يتطابق تشغيل المبردات الميكانيكية والامتصاصية مع الطاقة الشمسية بشكل طبيعي.

يتبين من بيانات الإشعاع الشمسي علاقة جيدة بين شدة الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة الجافة للمحيط لذلك فإن الطاقة الشمسية متاحة بسهولة عند الحاجة إلى تبريد الهواء الداخل إلى دارة التوربين الغازي.

يتم تقييم اثنين من أشكال الدارة المركبة بمساعدة الطاقة الشمسية:

في التكوين الأول يتم استخدام الألواح الكهروشمسية لإنتاج الكهرباء لتشغيل المبرد الميكانيكي للماء وبالتالي تبريد الهواء الداخل.

في التكوين الثاني يتم استخدام مبرد امتصاصي يستهلك البخار المنتج في حقل المجمعات الشمسية المركزة.

هذه أغلب طرق ربط الطاقة الشمسية مع التوربينات الغازية

ترجمة وإعداد م. راما الشيخ 2019