دراسة فاعلية محطات التحلية المتعددة التأثير المشتركة الشمسية

دراسة فاعلية
محطات التحلية
المتعددة التأثير المشتركة الشمسية

د.
حسين الربيعي

المعهد
العالي للميكانيك والكهرباء / هون

ص
ب : 61297 ، هون ، الجماهيرية الليبية

ملخص
:

إن
الغاية الأساسية من هذه الدراسة هي بحث إمكانية تطوير التصميم الحراري
لمحطات
التحلية المتعددة التأثير ذات الضغط الحراري للبخار للعمل بنظام مشترك شمسي
يتم
فيه استخدام مصفوفة مجمعات شمسية تركيزية من
نوع القطع
المكافئ الأسطواني في تجهيز الطاقة الحرارية اللازمة للمحطة
.
وقد تم في البحث وباستخدام طريقة النمذجة
الرياضية
دراسة فاعلية التصاميم المقترحة لمحطات
التحلية
المتعددة التأثير المشتركة الشمسية. وبصفة مقياس للفاعلية الحرارية والحفاظ
على
أدنى مستوى من التلوث للوسط المحيط تم اعتماد مقدار التوفير في كمية الوقود
المستهلكة
نتيجة لاستخدام التصاميم المقترحة مقارنة مع
التصميم
التقليدي لمحطات التحلية المتعددة التأثير ذات الضغط الحراري للبخار
. وقد بينت نتائج الدراسة فاعلية التصاميم
المقترحة . حيث
بلغ مقدار التوفير
الأدنى في كمية الوقود المستهلكة لإنتاج مياه التحلية 181.3
ton/year لكل
MW من الطاقة الحرارية المجهزة لوحدة التحلية .
وطبقا لذلك مقدار الانخفاض في كمية أكاسيد
النتروجين ( 239.4 kg/year.MW )
وثاني أوكسيد الكربون

( 552
ton/year.MW
) المطروحة للوسط المحيط.
وذلك عندما
تكون النسبة التصميمية للمشاركة الشمسية في تجهيز الطاقة الحرارية لوحدة
التحلية23.3 %
.
أما عند زيادة هذه النسبة إلى 32.1
% (
عن طريق استخدام خزان حراري
ذو طور متغير
لوسيط تخزين الطاقة الحرارية في التصميم المقترح لمحطة التحلية المشتركة
الشمسية )
فان مقدار الزيادة في المؤشرات السابقة الذكر أعلاه21.8 % .

1 ـ المقدمة :

تعتبر الطاقة والمياه العذبة من العناصر الرئيسية لتطور المجتمع ومن
العوامل المهمة في تقدم الزراعة وازدهار الصناعة .
وقد تركزت اهتمامات بلدان العالم خلال السنوات
الأخيرة حول
وسائل ترشيد استهلاك المصادر التقليدية للطاقة والمياه العذبة هذا إلى جانب
الاهتمامات البيئية المختلفة في اتجاه الحد من مصادر التلوث [ 1 ].
إن السبيل الأمثل لحل مشكلة المياه وتامين
مصادر الطاقة
على الأمد البعيد والقريب يكمن في تحلية مياه البحر واستغلال مصادر الطاقة
الجديدة
والمتجددة[
1 , 2 ] . وتشير نتائج الدراسات الحديثة في
مجال الطاقة إلى فاعلية استخدام
مصفوفات المجمعات الشمسية التركيزية من نوع
القطع
المكافئ الأسطواني في إنتاج الطاقة الكهربائية والطاقة الحرارية اللازمة
لبعض
التطبيقات الصناعية [ 3 ,
4 ] . وقد بينت نتائج الدراسة السابقة [ 5 ] فاعلية محطات التحلية الشمسية التي
تتضمن وحدات التحلية المتعددة
التأثير ذات درجات الحرارة المنخفضة . ولكن من
المشاكل
السلبية لهذه النوعية من محطات التحلية هي ارتفاع معدل استهلاك الطاقة
الحرارية
لإنتاج مياه التحلية . وكذلك تعتمد إنتاجية
المحطة بشكل
مباشر على طاقة الإشعاع الشمسي وتتوقف المحطة عن إنتاج مياه التحلية في حالة غياب الإشعاع
الشمسي وخلال
ساعات الليل. مما يؤدي ذلك إلى ارتفاع الطاقة التصميمية لوحدة التحلية
المتعددة
التأثير. هذا إلى جانب زيادة كلفة احتياطي الطوارئ بشكل كبير مع ارتفاع
طاقة
المحطة التصميمية لإنتاج مياه التحلية.

وبناء على ما تقدم لحل بعض المشاكل
السلبية السابقة الذكر والإيفاء بالمتطلبات المستقبلية لاستهلاك المياه
العذبة
والمصادر التقليدية للطاقة وحفظ البيئة من مصادر التلوث سوف نتطرق في
الدراسة
الحالية إلى بحث فاعلية تطوير التصميم التقليدي لمحطات التحلية المتعددة
التأثير
ذات الضغط الحراري للبخار إلى محطات مشتركة يتم فيها استغلال مصفوفة
المجمعات
الشمسية التركيزية لتحقيق نظام مشترك شمسي
لاشتغال
المحطة على طاقة الإشعاع الشمسي والوقود التقليدي.

2 ـ التصميم
الأساسي
لمحطة التحلية المدروسة :

يتضمن التصميم الأساسي لمحطة التحلية المتعددة التأثير ذات الضغط
الحراري
للبخار ( الشكل ( 1 ))
مرجل بخاري ( SB) يعمل على تجهيز المحطة بكمية البخار اللازمة لعمل
الضاغط الحراري
للبخار ( TC )
وتشغيل حاقنات سحب الهواء والغازات
من تأثيرات وحدة التحلية . هذا بالإضافة
إلى كمية البخار المطلوبة لعمل خزان نزع الهواء والغازات
المذابة ( D )
في مياه التغذية للمرجل .

وتتكون وحدة التحلية من ستة مبخرات
مربوطة بشكل
متتابع. وتضم المبخرات ( التي تشكل تأثيرات وحدة التحلية ) بداخلها على
مساحة
سطحية تعتبر كمكثف لكمية البخار المجهزة للتأثيرات .
وبهذه الطريقة يتم في التأثير الأول تكثيف البخار المجهز لوحدة التحلية ( DT ) وجزء من كمية
البخار المنتجة في التأثير الرابع (
حيث يتم رفع ضغط هذا البخار عن طريق
الضاغط الحراري إلى الضغط التصميمي للبخار المجهز للتأثير الأول من وحدة
التحلية ). أما
التأثيرات الأخرى لغاية التأثير الأخير فتعتبر
كمكثفات
للبخار الثانوي المتولد داخل مبخرات وحدة التحلية. ويعمل المكثف المتكامل
بالمبخر
الأخير لوحدة التحلية على تكثيف كمية البخار المنتجة في هذا التأثير
. ويجهز التأثير الخامس والتأثير السادس على التوازي بكمية المحلول
الملحي
اللازمة لإنتاج مياه التحلية . وتسحب كمية
المحلول
الملحي اللازمة للتأثير الأول والثاني من التأثير الخامس
.
أما كمية المحلول الملحي اللازمة للتأثير الثالث والرابع فتجهز من التأثير
السادس
بعد أن يتم رفع درجة حرارتها بواسطة المبادل الحراري ( HE )
عن طريق الطاقة الحرارية لمياه التحلية المنتجة كما هو مبين في الشكل (1 ).

وكذلك يتضمن تصميم محطة التحلية منظومة الاستفادة من الطاقة
الحرارية
للمياه المستنزفة من اسطوانة المرجل : خزان
التمدد( FV ) ومسخن
المياه التعويضية للمرجل (RFWH ).

3 ـ التصاميم
المقترحة لمحطات التحلية المتعددة التأثير المشتركة الشمسية
:

بهدف زيادة فاعلية محطات التحلية المتعددة
التأثير ذات الضغط الحراري للبخار تم في الدراسة الحالية اقتراح التصاميم التالية لتطوير التصميم الأساسي لهذه المحطات :

دراسة فاعلية محطات التحلية المتعددة التأثير المشتركة الشمسية Image002

دراسة فاعلية محطات التحلية المتعددة التأثير المشتركة الشمسية Image002

الشكل ( 1 ) التصميم الأساسي لوحدة التحلية
المتعددة التأثير ذات الضغط
الحراري للبخار .

1.3ـ التصميم الأول ( محطة
تحلية متعددة التأثير مشتركة شمسية ):

يتكون التصميم المقترح لمحطة التحلية المتعددة التأثير المشتركة
الشمسية ( الشكل ( 2 ))
من مصفوفة مجمعات شمسية تركيزية من النوع
القطع المكافئ
الأسطواني وخزان فصل البخار (SSV )
إضافة إلى الأجزاء السابقة الذكر في التصميم الأساسي لمحطة التحلية ( الفقرة ( 2 )).
حيث يتم وفقا للتصميم المقترح استغلال

مصفوفة
المجمعات الشمسية التركيزية في تجهيز جزء من
الطاقة الحرارية اللازمة لمحطة
التحلية عن طريق خزان فصل البخار . وبذلك في
حالة وجود
الإشعاع الشمسي يتم تجهيز كمية البخار المتولدة في خزان فصل البخار ( SSV )
إلى خط البخار الرئيسي في المحطة . مما يؤدي ذلك إلى انخفاض كمية البخار
المنتجة للمرجل . ومن ثم هبوط معدل استهلاك
الوقود لإنتاج مياه
التحلية.

دراسة فاعلية محطات التحلية المتعددة التأثير المشتركة الشمسية Image004

دراسة فاعلية محطات التحلية المتعددة التأثير المشتركة الشمسية Image004

الشكل
( 2 ) التصميم المقترح الأول ( محطة تحلية
متعددة التأثير مشتركة شمسية ).

وبناء على ما تقدم سوف تعتمد كمية الطاقة الحرارية التصميمية
لمصفوفة
المجمعات الشمسية التركيزية على الطاقة
الحرارية
اللازمة لإنتاج مياه التحلية في المحطة وكذلك على المحددات التقنية
والمواصفات
التشغيلية للمرجل في النظام المشترك الشمسي ( مدى السماحية
في خفض الطاقة الإنتاجية للمرجل ومقدار الهبوط في كفاءة المرجل عند هذه
الظروف
التشغيلية ).

2.3ـ
التصميم الثاني ( محطة تحلية متعددة التأثير
مشتركة
شمسية مجهزة بخزان حراري ):

في بعض تصاميم المراجل البخارية لا
توجد هنالك سماحية على انخفاض الطاقة
التصميمية للمرجل بنسبة تزيد عن 65 % من
الطاقة
التصميمية أو عند الأحمال الصغيرة يحدث هبوط كبير في كفاءة المرجل [ 6 ] .
مما يؤدي ذلك إلى انخفاض فاعلية التصميم المدروس الأول ( الفقرة 1.3
) نتيجة للمحددات التقنية
السابقة الذكر
على زيادة الطاقة التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية
. وبذلك تم تطوير التصميم المدروس الأول بهدف زيادة الطاقة التصميميبة
لمصفوفة المجمعات الشمسية والحفاظ على الطاقة الإنتاجية للمرجل ضمن
المحددات
التقنية. حيث يتضمن التصميم المقترح لمحطة التحلية المشتركة الشمسية ( الشكل ( 3 ))
خزان حراري (TST ) ذو طور متغير
للمائع الناقل للحرارة ووسيط تخزين الطاقة الحرارية إضافة إلى الأجزاء
السالفة
الذكر في التصميبم الأول . وبذلك عند فترة
اشتغال
مصفوفة المجمعات الشمسية وارتفاع كمية البخار المتولدة في خزان فصل البخار
يتم
وفقا للتصميم المقترح الحفاظ على أدنى مستوى لطاقة المرجل الإنتاجية ضمن
المحددات
التقنية والمواصفات التشغلية في النظام
المشترك الشمسي
وتجهيز كمية البخار الفائضة عن استهلاك المحطة للخزان الحراري عن طريق
الصمام ( A ) حيث
يتم داخل الخزان الحراري تسخين
وصهر وسيط تخزين الطاقة الحرارية ( كلوريد
الألمنيوم ALCL3 ،
درجة حرارة انصهاره 192 C ،
وكمية الطاقة الحرارية الكامنة للانصهار 280
kJ/kg [ 7 ] )
عن طريق الطاقة الحرارية للبخار المتكثف
داخل أنابيب الخزان الحراري كما هو مبين في الشكل ( 3
). ويسحب متكثف البخار من الخزان
الحراري ويدفع إلى خزان فصل البخار ( الذي يجهز بكمية مياه التغذية
المطلوبة عن
طريق الصمام D ) . وتستمر خلال
ساعات النهار ، عند تحقق شرط الحد
الأدنى لطاقة المرجل الإنتاجية ، عملية تخزين الطاقة الحرارية الفائضة عن
استهلاك
محطة التحلية. أما خلال فترة غياب الإشعاع الشمسي وتوقف مصفوفة المجمعات
الشمسية
عن إنتاج الطاقة الحرارية فيتم غلق الصمامين ( A , D ) وفتح الصمامين ( B , C )
وتجهيز الخزان الحراري بجزء من كمية مياه التغذية للمرجل . مما يؤدي ذلك
إلى توليد
كمية من البخار داخل الخزان الحراري وانخفاض الطاقة الإنتاجية للمرجل عن
كمية
البخار اللازمة لاستهلاك محطة التحلية خلال هذه الفترة
.
وبذلك لضمان عمل التصميم المقترح يجب أن يكون ضغط البخار المنتج في المرجل
والمتولد في خزان فصل البخار يقع في المجال التالي PSB ≥
18 bar أما ضغط البخار المتولد في الخزان الحراري PST ≤ 10 bar .

ومن الطبيعي
في هذه
الحالة سوف تعتمد الكمية التصميمية لوسيط تخزين الطاقة داخل الخزان الحراري
على
الطاقة التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية وكذلك على المحددات التقنية
والمواصفات
التشغيلية لعمل المرجل في النظام المشترك الشمسي .

4 ـ طريقة
دراسة فاعلية التصاميم المقترحة
:

إن اختيار التصميم المناسب لمحطات التحلية المشتركة الشمسية بشكل
مبدئي لابد
أن يكون على أساس الفاعلية الحرارية القصوى
لعملية
إنتاج الطاقة الحرارية اللازمة لوحدة التحلية المتعددة التأثير
. وبصفة مقياس للفاعلية

الحرارية
والحفاظ على أدنى مستوى من التلوث للوسط المحيط لهذه النوعية من المحطات تم
في
الدراسة الحالية اعتماد مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة في التصميم
المدروس مقارنة مع التصميم التقليدي لمحطة التحلية المتعددة التأثير ذات
الضغط
الحراري للبخار . وبذلك فإن العلاقة الرياضية
التي تعبر
عن مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في عملية المقارنة هذه هي :

دراسة فاعلية محطات التحلية المتعددة التأثير المشتركة الشمسية Image006

دراسة فاعلية محطات التحلية المتعددة التأثير المشتركة الشمسية Image006

دراسة فاعلية محطات التحلية المتعددة التأثير المشتركة الشمسية Image017

الشكل ( 3 )
التصميم المقترح الثاني ( محطة تحلية متعددة التأثير مشتركة شمسية مجهزة
بخزان
حراري )

حيث
:

QSB^O ـ
كمية الطاقة الحرارية المنتجة للمرجل في التصميم الأساسي لمحطة التحلية
المتعددة
التأثير( MJ/hr ).

QSB^Nـ
كمية الطاقة الحرارية المنتجة للمرجل في التصميم المدروس لمحطة التحلية
المشتركة
الشمسية( MJ/hr
)

ESB^O ـ
كفاءة المرجل عند الطاقة الإنتاجية التصميمية في التصميم الأساسي لمحطة
التحلية
المتعددة التأثير .

ESB^N ـ كفاءة المرجل عند الطاقة الإنتاجية في النظام
المشترك الشمسي للتصميم المدروس لمحطة التحلية.

وبذلك فإن البديل المناسب هو الذي يعطي
أقصى قيمة لتكامل المعادلة ( 1) على مدار السنة . ولإجراء هذه
الدراسة تم استخدام طريقة النمذجة الرياضية
. حيث تم كتابة خوارزمية النموذج الرياضي للتصميم المقترح بما
يتوافق مع
الطبيعة التقنية والفيزيائية للتصاميم
المدروسة وطريقة
عمل المحطة في النظام المشترك الشمسي وطبقا للطرق المعتمدة والمستخدمة
لإجراء هذه
النوعية من الحسابات وهي :

*طريقة حساب
التصميم الحراري لمحطات التحلية المتعددة التأثير [ 8 ] .

* طريقة حساب الضواغط الحرارية للبخار [ 9 ].

* طريقة السماء الصافية لتقدير كمية
الإشعاع الشمسي على سطح الأرض [ 7 ].

* طريقة حساب التصميم الحراري
والمواصفات التصميمية للمجمعات
الشمسية التركيزية من نوع القطع المكافئ

الأسطواني [
10 ].

* طريقة حساب الخزانات الحرارية التي
تعمل عند طور متغير للمائع
الناقل للحرارة ووسيط تخزين الطاقة [ 11 ].

ومن الجدير بالذكر تم في الدراسة لحساب كمية الإشعاع الشمسي على سطح
الأرض
اعتماد طبيعة الطقس والظروف المناخية لموقع
المحطة عند
زاوية خط عرض ( 32.78
deg )
. وكذلك تم استخدام الخواص التصميمية المعتمدة في الدراسة [ 12 ] للمجمعات
الشمسية التركيزية.

5 ـ نتائج
دراسة فاعلية التصاميم المقترحة
:

تعتمد فاعلية التصاميم المدروسة
للمحطات
المشتركة الشمسية على الطاقة التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية وكذلك على المواصفات التصميمية وطريقة عمل
التصميم
المقترح في النظام المشترك الشمسي . وقد بينت
نتائج
الدراسة على التصميم المقترح الأول للمحطة المشتركة الشمسية (
الشكل ( 4 ))
ارتفاع مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة (
DBST ) مع زيادة الوقت الظاهري
في الفترة الصباحية (LAT< 12 ) إلى أن يصل إلى
القيمة القصوى عند منتصف النهار حسب الوقت
الظاهري ( LAT=
12 hr ). والسبب في ذلك هو زيادة
كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية
(QSC ) كنتيجة لارتفاع
كمية الإشعاع الشمسي التي تسقط على سطح مصفوفة المجمعات الشمسية وزيادة
كفاءة هذه
المصفوفة ( ETA ، الشكل ( 4)).
ومن ثم انخفاض نسبة الطاقة الحرارية المجهزة للمحطة عن طريق المرجل ( R ، الشكل ( 4 )). وبالتالي هبوط معدل استهلاك
الوقود في المرجل لإنتاج مياه التحلية . بعد
ذلك كما هو مبين في الشكل ( 4 )
تبدأ قيمة مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في الانخفاض مع زيادة
الوقت
الظاهري . وذلك بسبب هبوط كمية الإشعاع الشمسي المباشر التي تسقط على سطح
مصفوفة
المجمعات الشمسية وانخفاض كفاءة هذه المصفوفة .
مما يؤدي
ذلك إلى ارتفاع نسبة الطاقة الحرارية المجهزة للمحطة عن طريق المرجل نتيجة
لانخفاض
كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية.

الشكل ( 5 ) علاقة المواصفات التصميمية لمحطة
التحلية المشتركة الشمسية مع
الوقت الظاهري

( LAT
)
في حالة التصميم المدروس
الأول.

ويلاحظ من الشكل ( 4) زيادة كفاءة
مصفوفة المجمعات الشمسية ( ETA ) في
الفترة الصباحية لاشتغال مصفوفة
المجمعات الشمسية وانخفاضها في الفترة المسائية والسبب في ذلك يمكن تفسيره
إلى
زيادة كمية الإشعاع الشمسي الممتص وهبوط كمية الفقد الحراري للوسط المحيط (
نتيجة
لارتفاع قيمة معامل نقل الحرارة على السطح الداخلي لجدار الأنبوب الماص
للإشعاع
وكذلك درجة حرارة الوسط المحيط ) في الفترة الصباحية . ومن ثم زيادة كمية
الطاقة
الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية بمقدار أكبر من الارتفاع في
كمية
الإشعاع الشمسي التي تسقط على سطح مصفوفة المجمعات الشمسية
.
أما في الفترة المسائية فإن مقدار الانخفاض في
كمية
الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية أكبر من الهبوط في كمية
الإشعاع
الشمسي الممتص.

وقد
تم دراسة فاعلية التصميم المقترح الأول على مدار
السنة. حيث يبين الشكل ( 5) مقدار التوفير في
كمية الوقود المستهلكة لإنتاج مياه التحلية خلال الشهر ( DBM )
وكمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية خلال
الشهر ( QSCM )
وكذلك نسبة
المشاركة الشمسية في تجهيز الطاقة الحرارية لوحدة التحلية

( RS )
للأشهر
المختلفة من السنة . ويلاحظ من الشكل ( 5 ) ارتفاع مقدار
التوفير في كمية الوقود المستهلكة

( DBM ) خلال فصل الصيف
( الأشهر4 : 8
) مقارنة مع فصل
الشتاء ( الأشهر 1 , 2 , 11 , 12) .
والسبب في ذلك
يمكن تفسيره إلى تعامد الشمس في الموقع المدروس
(FAI= 32.78
deg )
على نصف الكرة الأرضية الشمالي خلال فصل الصيف. هذا إلى جانب ذلك فأن نظام
التحكم
المستخدم في توجيه مصفوفة المجمعات الشمسية فيه محور بؤرة مركز الأشعة
عبارة عن خط
أفقي ممدود من الشمال الى الجنوب
.
مما يؤدي ذلك إلى ارتفاع كمية الإشعاع الشمسي المباشر التي تسقط بصورة
عمودية على
سطح مستوي فتحة مركز الأشعة خلال هذه الفترة. وبالتالي زيادة كمية الطاقة
الحرارية
المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية ( QSCM ). وبذلك كما
هو

الشكل (
5 ) مقدار التوفير في كمية الوقود
المستهلكة خلال الشهر ( DBM ) ،كمية الطاقة

الحرارية المنتجة
لمصفوفة المجمعات الشمسية ( QSCM )،
ونسبة المشاركة

الشمسية ( SR )
للأشهر المختلفة من السنة في حالة التصميم المدروس الأول .

مبين في الشكل
( 5 )
سوف تتغير نسبة المشاركة الشمسية في تجهيز الطاقة الحرارية لوحدة
التحلية من النسبة التصميمية(SR= 23.3 % )
عند الشهر السادس إلى أدنى قيمة لها ( SR=
8.5 % )
عند الشهر الثاني عشر .

حيث تتعامد الشمس على نصف الكرة الأرضية الجنوبي
خلال هذه الفترة . مما يؤدي ذلك إلى انخفاض
معامل نفاذية الغلاف الجوي وارتفاع زاوية سقوط
الإشعاع الشمسي
المباشر على سطح مصفوفة المجمعات الشمسية .
وبالتالي
هبوط كمية الطاقة الحرارية المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية
(QSCM ، الشكل ( 5 )).

وقد تم دراسة تأثير التصميم المدروس الثاني ( الفقرة
2.3 )
على فاعلية محطات التحلية المشتركة الشمسية . حيث
يلاحظ
من الشكل ( 6 )
هبوط معدل
استهلاك الوقود ( BSB ) لإنتاج مياه التحلية في التصميم
المقترح الثاني على مدار اليوم
وباستثناء جزء من فترة تجهيز الخزان الحراري بالطاقة الحرارية مقارنة مع
معدل
استهلاك الوقود في التصميم المدروس الأول. وذلك بسبب زيادة كمية الطاقة
الحرارية
المنتجة لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية
وتجهيز جزء
من معدل استهلاك البخار لمحطة التحلية عن طريق الخزان الحراري خلال فترة
غياب
الإشعاع الشمسي . وكذلك يبين الشكل ( 6 ) في حالة
التصميم المدروس الثاني زيادة الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات
الشمسية
تؤدي إلى ارتفاع كمية الطاقة الحرارية المجهزة للخزان الحراري (QAC ) خلال ساعات النهار
وزيادة عدد ساعات
اشتغال المرجل خلال هذه الفترة عند حمل استهلاك الطاقة الحرارية الأدنى (30 % من الطاقة
الحرارية التصميمية للمرجل ). ومن ثم
هبوط معدل استهلاك الوقود على إنتاج مياه التحلية خلال اليوم
.
ولدراسة فاعلية استخدام الخزان الحراري في
التصميم
المقترح لمحطة التحلية المشتركة الشمسية تم إجراء تكامل على مدار السنة
لمقدار
التوفير في كمية الوقود المستهلكة من العلاقة ( 1 ).
وقد بينت نتائج الدراسة ( الشكل ( 7 ))
فاعلية

الشكل (
6 ) علاقة معدل استهلاك الوقود للمرجل (
BSB ) وكمية الطاقة الحرارية المجهزة

للخزان الحراري ( QAC
)
مع الوقت الظاهري ( LAT ) في
حالة التصاميم

المدروسة
الأول والثاني.

الشكل (7 )
مقدار التوفير في كمية الوقود
المستهلكة على مدار السنة (DBY ) وكمية
الطاقة

الحرارية المنتجة لمصفوفة
المجمعات الشمسية خلال السنة ( QSCY )
في حالة

التصاميم
المدروسة الأول والثاني لمحطة التحلية المشتركة الشمسية
.

التصاميم
المدروسة ( الأول والثاني ) . حيث
بلغ مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة في حالة التصميم المدروس الأول
181.3
ton/year لكل MW من الطاقة
الحرارية المجهزة لوحدة
التحلية. وذلك عندما
تكون
نسبة

المشاركة
الشمسية في كمية الطاقة
الحرارية المجهزة لهذه الوحدة
23.3 %
والطاقة
التصميمية لمصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية
20 MW .
وطبقا لذلك فإن مقدار الانخفاض في كمية اكاسيد
النتروجين

( 239.457 kg/MW.year ) وثاني أوكسيد الكربون ( 552 ton/MW.year ) المطروحة للوسط المحيط . وفي حالة
التصميم المقترح الثاني يبين الشكل ( 7 )
إن أدنى مستوى
من الزيادة بمقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة والمؤشرات البيئية
السابقة
الذكر 8
%
. وذلك بسبب
زيادة
كمية الطاقة الحرارية المجهزة لوحدة التحلية عن طريقة مصفوفة المجمعات
الشمسية (QSCY ،
الشكل ( 7 ) ) كنتيجة لرفع الطاقة التصميمية لهذه
المصفوفة بمقدار 2 MW
واستخدام خزان حراري بطاقة تصميمية QTAK= 54.8 GJ/day.
مما يؤدي ذلك إلى ارتفاع النسبة التصميمية للمشاركة الشمسية في تجهيز
الطاقة
الحرارية لوحدة التحلية إلى 28 %.
كما إن زيادة الطاقة الحرارية التصميمية لمصفوفة المجمعات
الشمسية إلى القيمة القصوى25.2 MW ضمن
محددات حمل استهلاك الطاقة الحرارية الأدنى للمرجل تؤدي إلى ارتفاع مقدار
التوفير
في كمية الوقود المستهلكة بنسبة 21.86 %
مقارنة مع التصميم المدروس الأول. وذلك بسبب زيادة
كمية الطاقة الحرارية المجهزة
لوحدة التحلية عن طريق هذه المصفوفة ( QSCY ، الشكل ( 7
)). ومن الجدير بالذكر في هذه الحالة النسبة
التصميمية القصوى
للمشاركة الشمسية في تجهيز الطاقة الحرارية لوحدة التحلية 32.1 % والطاقة
الحرارية التصميمية للخزان الحراري

QTAK= 123.4 GJ/day
.

6 ـ خلاصة
النتائج والتوصيات :

تشير نتائج
دراسة التصاميم
المقترحة لمحطات التحلية المتعددة التأثير المشتركة الشمسية إلى:

1ـ
فاعلية التصاميم المقترحة لمحطات التحلية
الشمسية المشتركة . حيث
بلغ مقدار التوفير
الأدنى في كمية الوقود المستهلكة 181.3
ton/year لكلMW من الطاقة الحرارية المجهزة لوحدة التحلية.
وطبقا لذلك فان مقدار الانخفاض في كمية اكاسيد
النتروجين ( 239.457
kg/MW.year ) وثاني أوكسيد
الكربون

( 552 ton/MW.year )
المطروحة للوسط المحيط. وذلك عندما تكون النسبة التصميمية للمشاركة الشمسية
في
تجهيز الطاقة الحرارية لوحدة التحلية 23.3 % .

2ـ
فاعلية استخدام الخزانات الحرارية في محطات التحلية المشتركة الشمسية
. حيث بلغ أدنى مستوى من الزيادة بمقدار التوفير في كمية الوقود
المستهلكة
والمؤشرات البيئية السابقة الذكر أعلاه 8
%
. وذلك عندما تكون النسبة
التصميمية
للمشاركة الشمسية 28 %
والطاقة التصميمية للخزان الحراري 54.8
GJ/day. كما إن زيادة النسبة
التصميمية للمشاركة الشمسية إلى القيمة القصوى
( 32.1 % )
ضمن محددات حمل استهلاك الطاقة الحرارية الأدنى للمرجل تؤدي إلى ارتفاع
الطاقة
التصميمية للخزان الحراري بمقدار 68.6
GJ/day وكذلك زيادة
مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة والمؤشرات البيئية السابقة الذكر
بنسبة .21.86
%
.

3 ـ
ضرورة إجراء دراسة اقتصادية ـ حرارية لتحديد الخواص والمواصفات
المثالية للتصاميم المقترحة لمحطات التحلية
المشتركة
الشمسية التي تعطي أقصى فاعلية اقتصادية ممكنة.
حيث بينت نتائج الدراسة إن مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة يعتمد
بشكل
أساسي على الطاقة التصميمية لكل من مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية
والخزان الحراري .

الرموز
المستخدمة مع
الأشكال والرسوم التوضيحية :

BSB ـ معدل استهلاك
الوقود للمرجل .

Ddrain , Dbrine
, Ddw , Dc ـ معدل تدفق مياه
التبريد لوحدة التحلية ، مياه التحلية المنتجة ، المحلول الملحي المجهز
لتأثيرات
وحدة التحلية ، المحلول الملحي المستنزف من وحدة التحلية على الترتيب .

ALP, EP
ـ
معامل انبعاثية
وامتصاصية السطح الماص للإشعاع في المجمع الشمسي على الترتيب.

FAI ـ زاوية خط العرض
للموقع المدروس .

KP , FP ـ مضخة مياه التغذية للمرجل وسحب متكثف
البخار المجهز لوحدة التحلية .

N ـ عدد
تأثيرات وحدة التحلية.

Nsc ـ
عدد الصفوف المتوازية في مصفوفة المجمعات الشمسية التركيزية.

Msc ـ عدد المجمعات
الشمسية المربوطة على التوالي في الصف الواحد من المصفوفة
.

PT , PST ـ ضغط البخار المنتج في الخزان
الحراري والمجهز لوحدة التحلية على
الترتيب .

QAC ـ كمية الطاقة
الحرارية المجهزة للخزان الحراري .

QTAK ـ كمية الطاقة
الحرارية التصميمية للخزان الحراري .

Qcv ـ القيمة
الحرارية للوقود المستخدم في المحطة .

QSCA ـ كمية الطاقة الحرارية التصميمية
لمصفوفة
المجمعات الشمسية التركيزية.

QT ـ كمية الطاقة
الحرارية المجهزة لوحدة التحلية.

SB ـ مرجل تجهيز
الطاقة الحرارية لوحدة التحلية.

Lsc , Wsc ـ
عرض وطول فتحة مركز الأشعة للمجمع الشمسي التركيزي
على الترتيب .

المصادر
المستخدمة ( REFRENCES )

1. RICARDO RIVERO & ROBERTO DEL RIO ( 2000 )

An Advanced
Technology Strategy for Energy and The
Environment /

Strategic
Planning for Energy and The
Environment Journal ( USA ) ,

Vol.
19 , No. 3 ,
pp. 9 : 24 , Winter 2000.

2 . BUROS O.K ( 2000 )

The
ABCS of desalting / International
Desalination Association , USA , 31pp. .

3. HANK
PRICE & DAVID KEARNEY ( 1999 )

Parabolic
– Trough Technology Roadmap : A Pathway for
Sustained

Commercial
Development and Deployment of
Parabolic Trough

Technology
/ SunLab
– NREL , Colorado – USA , 40pp.

4. HENNECKE
K. ( 1999 )

Integration
of Solar Energy Into Industrial Cogeneration
System /

Power
– GEN 99 Conference in Frankfurt , GERMENY , 1: 3 June , 1999.

5. SOLTHERM
( 1997 )

Solar
Trough Eliminate The
Heat and Power Costs of Industrial Desalination

System / Soltherm @
chatlink.com / ~ soltherm
/ desal.htm.

( Internet
Communication ).

6. DONALD
P. FIORINO ( 2000 )

Cost-effective
Industrial Boiler Plant
Efficiency Advancements / Energy

Engineering
Journal ( USA ) , Vol. 97 , No. 3 , pp. 7
: 26 .

7. MOUSTAFA
M. ELSAYED & JAFFER A. SABBAGH ( 1984 )

Design
of Solar Thermal System / King Abdulaziz University ,

JEDDAH
– 22441 , SAUDIA ARABIA.

8.
SELESARNKO V.N. ( 1980 )

Desalination
Plants / Moscow – USSR , Energy Press , 284 pp. .

9. ZINGER
N.M. & SOKOLOV E.EA. ( 1989 )

Thermo
-compressors / Moscow – USSR , Energy Press , 352 pp. .

10. SUKHAME
S.P. ( 1984 )

Solar
Energy Principle of Thermal
Collection and Storage /

Indian
Institute of Technology , Bombay – INDIA .

11. SAZANOV
B.V. & CITAK V.I. ( 1990 )

Thermal
Energy System for Industrial
Enterprises /

Moscow – USSR , Energy Press , 304 pp. .

12. LIPPKE
F. ( 1996 )

Direct
Steam Generation in Solar Power Plant :
Numerical Investigation

of The Transient
and Control of a Once – Trough System / Journal of

Solar
Energy Engineering ( USA ) , Vol. 118 , pp. 9 : 14 ,
February 1996.

موضوع فى منتهى الروعة بجد قمة التميز