Um novo circuito de água de alimentação dupla para uma usina de energia solar de calha parabólica

Apr 13, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7471 (2023) Citar este artigo

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O modelo dinâmico validado de uma usina de energia parabólica (PTPP) é aprimorado pela combinação de um novo circuito de alimentação de água (circuito de alimentação/HTF) e um circuito de alimentação de referência (circuito de alimentação/vapor), bem como o desenvolvimento do modelo de turbina a vapor . Tal projeto representa o primeiro esforço de pesquisa para utilizar um circuito duplo de água de alimentação dentro do PTPP para aumentar a potência à luz do dia de 50 para 68 MWel e aumentar as horas de operação noturna a um custo menor. O objetivo de aumentar as horas noturnas de operação em uma potência (48 MWel) como no PTPP de referência é livrar-se do sistema de backup de combustível fóssil e contar apenas com a energia solar absorvida e a energia armazenada no sal fundido. Durante o dia, o circuito de água de alimentação é operado usando Feedwater/HTF. No período transiente, o circuito água de alimentação/HTF será gradualmente fechado devido à diminuição da radiação solar. Além disso, o restante da vazão mássica de água de alimentação nominal (49 kg/s) é reabastecido gradualmente a partir do circuito de água de alimentação/vapor. Após o pôr do sol, toda a água de alimentação é aquecida com base no vapor extraído da turbina. O objetivo dessa melhoria é aumentar o número de horas de operação noturna, reduzindo a carga nominal de 61,93 para 48 MWel em decorrência da baixa demanda de energia durante o horário noturno. Portanto, um estudo comparativo entre o modelo de referência e esta otimização (otimização 2) é conduzido para dias claros (26 a 27 de junho e 13 a 14 de julho de 2010) para entender a influência do circuito duplo de água de alimentação. A comparação indica que as horas de operação do bloco de energia (PB) serão obviamente aumentadas. Além disso, essa melhoria reduz com base no sistema de combustível fóssil à noite. Como última etapa, foi realizada uma análise econômica dos custos do referenciado e do PTPP otimizado em função do custo nivelado de energia (LEC). Os resultados ilustram que o custo específico de energia de um PTPP com 7,5 h de capacidade de armazenamento é reduzido em cerca de 14,5% ao aumentar a produção do PTPP de 50 para 68 MWel.

O uso de energia solar concentrada (CSP) para geração de eletricidade é um passo fundamental na direção do crescimento ambientalmente sustentável e oferece uma alternativa altamente preferível contra a degradação atmosférica1, 2. São usadas tecnologias CSP para atingir altas temperaturas. As instalações da CSP estão se concentrando na irradiação solar direta em áreas estreitas, permitindo que altas temperaturas sejam alcançadas. Nas tecnologias CSP, uma calha parabólica (PT) pode ser considerada uma tecnologia aperfeiçoada em plantas CSP, que também tem demonstrado sua viabilidade econômica3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17. Por exemplo, os PTPPs são capazes de atingir temperaturas próximas a 395 °C18. Essas usinas possuem um sistema de armazenamento térmico (TSS) para geração contínua de energia por horas na ausência de luz solar6.

Para complementar investigações mais experimentais, a modelagem de simulação do PTPP auxilia na compreensão da operação do sistema, seus potenciais e restrições. Aprimoramentos e reconfigurações de sistemas de energia geralmente começam com a modelagem de processos em estado estacionário. Em oposição a isso, o uso de modelagem dinâmica permite que usuários e engenheiros desenvolvam melhores estratégias operacionais e sugestões de controle de processo17, 19. Até agora, vários tipos de experimentação para modelagem e simulação de PTPP foram realizados. A validade do modelo de realização e o teste de várias abordagens operacionais constituíram os principais objetivos por trás desses esforços. A seguir, uma ampla pesquisa de investigações de modelagem dinâmica relacionadas ao PTPP é revisada.

Yuanjing e outros. 1 sugeriu a melhoria da usina de energia solar térmica do aqueduto parabólico de 30 MW. Eles especificaram um modelo para o desempenho de toda a planta. Um programa comercial Ebsilon para construir os modelos de simulação da Usina (SEGS VI) foi computado. Além disso, foi realizada uma análise de desempenho das duas plantas em um projeto específico e condições operacionais. Além disso, eles avaliaram todos os fatores de implementação do SEGS VI com um sistema aprimorado. As descobertas revelam que a eficiência do campo solar aumenta em torno de 0,52% e o desempenho total das usinas aumenta em torno de 0,22% nas atmosferas operacionais. Ao mesmo tempo, aumentam os números de coletores do aspecto solar, que ganham uma grande chance de aplicação. Liu et al.20 desenvolveram um regulador preditivo modal para mesclar a carga de energia real com informações para dados climáticos preditivos, para reduzir o consumo cumulativo de carvão em um dia distinto e um tempo de duração particular. Além disso, eles realizaram uma simulação por dez dias sucessivos para ver as vantagens e os procedimentos operacionais do regulador preditivo modelo. Foi realizada uma comparação entre o regulador tradicional e as previsões de carga, exibindo uma simulação de um dia específico, que a redução do consumo de carvão utilizando um método de regulador preditivo foi aumentada em torno de (21,3 toneladas) 13,6%, enquanto 20,3% na simulação de dez dias sucessivos. Concluiu-se que a implantação do coletor solar, bem como da calha parabólica, método de geração de energia a carvão trabalhado, melhorou o entendimento sobre as vantagens e as restrições de se empregar o método de um regulador preditivo no procedimento operacional. A escolha do resfriamento do condensador provavelmente tem um impacto na viabilidade técnico-econômica. A esse respeito, está sendo feito um esforço para avaliar a vida útil da capacidade de redução de poluição de CO2-eq (LCCM) para capacidade mínima de (50 MW) de resfriamento seco e úmido. Aseri et al.3 Realizou esta pesquisa na Índia usando duas regiões (PTSC) bem como (SPT) instalações CSP dependentes de resfriamento a seco (6,0 h) de energia térmica armazenada. Os resultados mostraram que o resfriamento a seco pode economizar uma grande quantidade de água em 91,99% nessas instalações correspondentes a instalações de resfriamento úmido. Wang et al.21 sugeriram, fabricaram e experimentaram um único receptor solar de canal parabólico com blindagem de radiação, de acordo com a abordagem de uma zona de fluxo térmico negativo, para melhorar o desempenho da conversão solar/térmica do coletor de canal operacional após sua degradação nas temperaturas operacionais máximas. Eles estabeleceram padrões matemáticos de coleta de calor, bem como avaliação econômica. Os resultados da simulação apresentam uma boa concordância com os dados práticos. As realizações técnico-econômicas das usinas de energia solar estabelecendo os receptores solares apresentados em três regiões sob várias capacidades instaladas e capacidades de armazenamento térmico foram exaustivamente estudadas. Os resultados apontaram que o receptor solar apresentado possui uma possibilidade notável de melhoria importante da realização tecnoeconômica do sistema de energia solar. Onde a melhoria da produção de energia elétrica líquida anual do sistema de energia solar com os receptores solares apresentados colocados em Dunhuang é de cerca de 9,77%, e uma diminuição no custo nivelado de energia é de cerca de 8,67%. Manesh et al.22 realizaram o desenvolvimento de uma usina de energia compartilhada na cidade de Qom, que foi iniciada com base em um processo de dessalinização de múltiplos impactos de energia solar. Considerando isso, eles conduziram um exame (6E) de energia, exergia, esforço econômico, exergoambiental, econômico emergente e emergoambiental. Além disso, eles usaram um algoritmo genético multiobjetivo (MOGA) para refinar o ciclo proposto com base na análise (6 E). Os resultados mostraram que o desempenho exegético da planta sugerida melhorou em 3,22%. Além disso, após a otimização e nos melhores estados operacionais, os preços de geração de energia, os efeitos ambientais da geração de energia, os preços de geração de água doce, os efeitos ambientais da produção de água doce e a energia do sistema proposto diminuíram aproximadamente 6,27%, 24,51%, 36,51 %, 26,13% e 1,87%, respectivamente. Linrui et al.4 criaram um modelo de usina de força parabólica e investigaram sua estratégia de operação. Há um campo solar, bem como um bloco de energia simplificado. Eles demonstraram que a técnica adotada aumentou a geração de energia elétrica em 3,4% em relação à estratégia original. Wei et al.23 desenvolveram um novo padrão de análise dinâmica para locomotivas com trocadores de calor. Além disso, um padrão analítico simples de um CSP parabólico combinado compreendendo uma parte PTS, um subsistema de energia-massa e armazenamento de energia térmica é sugerido pela primeira vez. A validação entre os dados atuais da plataforma e os dados calculados pela instalação Andasol II ocorreu para demonstrar a precisão do padrão integrado. Cada resultado de validação de um caso estável e de alguns cenários dinâmicos mostra que o padrão apresentado pode descrever as principais operações do sistema com precisão aceitável e desempenho computacional. Dados os benefícios de confiabilidade e clareza, o padrão integrado pode ser usado para desenvolver e avaliar controles de sistema para instalações CSP. Os sistemas ASI fornecem dados DNI para toda a planta em uma resolução de (20 × 20 m2), enquanto o sistema de câmera de sombra fornece dados DNI em uma resolução de (5 × 5 m2). Ambos os métodos rastreiam os movimentos das nuvens e, como resultado, fornecem previsões de curto prazo de até 30 minutos. Essas previsões são usadas para métodos de regulação sofisticados no campo solar, aumentando potencialmente o rendimento geral da usina em até 2%24. Liu et al.9 apresentaram um sistema SAPG que pré-aquece a água de alimentação usando uma calha parabólica e aquece o vapor com uma torre solar. Foram examinados o desempenho do sistema sob três cargas distintas (100%, 75% e 50%), bem como o desempenho horário normal ao longo de quatro dias típicos. Isso pode resultar em mais de (10%) aumento de exergia solar. Arslan et al.25 investigaram a região solar inferior no loop Rankine. eles avaliaram vários parâmetros, como R600a, tolueno e ciclopentano. Além disso, eles projetaram uma planta que envolve um domínio solar, uma sub-planta de armazenamento de energia térmica e um bloco de energia para um período de operação de 24 horas livre da fonte de energia externa. Constatou-se que os loops tradicionais têm um design melhor com uma relação líquida de 0,0009012 bilhões de US$ e determinaram a melhor temperatura e pressão de entrada da turbina como 380 °C e 3,25 bar, respectivamente. A calha parabólica baseada em uma usina solar depende da redução do seu Custo Nivelado de Eletricidade, devido à recirculação direta do sal fundido. Este estudo enfatiza as mudanças e preocupações relevantes para a substituição de óleos térmicos por sais fundidos, como coeficiente de transmissão de calor, queda de pressão, soluções de congelamento por resistência, design de bloco de energia e preço. Os resultados demonstraram quedas de pressão no domínio solar são sais fundidos de funcionamento mais curto em vez de óleo térmico devido a faixas de operação de temperatura elevada12. Rao et al.26 criaram um protótipo termodinâmico exclusivo para replicar os comportamentos de reação de base e regeneração de técnicas CSP baseadas em CO2-TRC na presença de diversos distúrbios de neblina. Os resultados demonstram que quando o desempenho do sistema é examinado, a espessura da nuvem tem maior influência no alcance das habilidades, enquanto o comprimento nublado tem maior influência no tempo de recuperação. Na mesma formação de névoa, o processo de recuperação do sistema regenerativo pode ser três vezes maior que o do sistema simples. Quando submetido ao mesmo período de cobertura de nuvens, o sistema simples atingiu um estado estacionário em menos tempo. Existem muitas semelhanças entre LFC e PTC em termos de sua possível integração em uma técnica de perfil ICST baseada em AT. Ambos os métodos são escaláveis ​​para vários tamanhos sem impacto de escala perceptível em termos de custo e substâncias. A escalabilidade é normalmente alcançada em ambas as circunstâncias ajustando a região da abertura, bem como a distância do receptor reto27. A operação do sistema de geração solar de calha parabólica foi modelada e aprimorada por Wang28 sob circunstâncias nubladas. A diferença entre o desempenho exergético do consumo de energia e armazenamento térmico e os sistemas de energia térmica foi informado por circunstâncias nebulosas. Os dados do modelo versus dados de ensaios bem conhecidos foram validados. O comportamento Combined Energy-Exergy-Control (CEEC) foi utilizado neste estudo para considerar o problema de desenvolver um sistema termodinâmico eficiente com características de regulação adequadas. Para tanto, foi feito um estudo energético e exergético para o ciclo submetido, seguido de modelagem precisa dos coletores de calhas parabólicas (PTCs). Eles ilustraram as equações de controle governantes e calcularam o período de reação do sistema de regulação conseqüentemente. A estratégia ideal CEEC é fornecida utilizando a otimização multialvo para otimizar o desempenho de energia/exergia enquanto reduz o tempo de estabilização do ciclo sugerido. Os resultados mostraram um progresso de 36,06% no desempenho energético do ciclo completo e um tempo de estabilização de 25,09%. Enquanto a energia, a exergia e os tempos de estabilização apresentaram 34,02, 28,25 e 17,63% de progresso na operação da meta, respectivamente29. Para compensar a perda final, Reddy e Ananthsornaraj30 propuseram um coletor solar de calha parabólica (PTC) com um comprimento de tubo absorvedor estendido. O comprimento da calha era de 4,6 m, a largura da calha era de 5,7 m, a distância focal era de 1,7 m e o ângulo da borda era de 80,3°. Esta técnica compensatória é eficaz para coletores de tamanho considerável, uma vez que a porcentagem de dissipação térmica da região não aquecida do receptor foi mínima em comparação com a eficiência de coleta de calor do sistema geral. El Kouche e Gallego31 desenvolveram as simulações numéricas de um PTC com temperatura baseada em características físicas. Expressões matemáticas foram criadas. Várias correlações conhecidas e recentes para fatores de transferência de calor foram modeladas. Além disso, foram realizadas várias simulações numéricas que forneceram informações úteis sobre o progresso e a eficácia da planta PTC na área escolhida. Moreno et al.32 sugeriram o emprego de redes neurais sintéticas para estimar a melhor vazão fornecida por um projeto de regulador para reduzir substancialmente a carga computacional para 3% do tempo de cálculo do MPC. As redes neurais foram treinadas em um conjunto de dados de teste de 1 mês de um campo coletor controlado por MPC. O uso de um número variável de medidas como entradas líquidas foi investigado. Os resultados revelaram que os reguladores de rede neural oferecem aproximadamente a mesma potência média que os reguladores MPC, com variações de menos de 0,02 kW como a maioria das redes neurais, mudanças menos abruptas na saída e pequenas violações das restrições. Além disso, as redes neurais sugeridas funcionam de forma eficaz mesmo ao usar pequenos sensores múltiplos e estimativas, com o conjunto de entradas da rede neural reduzidas a 10 pontos percentuais do tamanho real. Nesta competição, as instalações mais recentes da CSP utilizam sais fundidos (MS) nos coletores solares como meio de armazenamento de calor e, em algumas circunstâncias, como fluido de transferência de calor (HTF). Na implementação do CoMETHy, um reformador de membrana aquecido por sal fundido combinado com um pré-reformador foi projetado e amplamente testado em nível industrial (até 3 Nm3/h de produção de permeado de H2) em um ciclo de sal fundido33. Goyal e Reddy34 criaram um padrão térmico numérico para avaliar o desempenho do s-CO2 como um HTF em um PTC solar. Eles calcularam a entropia induzida no HTF por variações finitas de temperatura e fricção de fluxo de fluido usando campos regionais de temperatura e velocidade. Além disso, eles utilizaram um método de análise óptica baseado no traçado de raios de Monte Carlo. Os resultados demonstraram a redução da entropia criada no receptor PTC a um mínimo no número de Reynolds perfeito para cada uma das pressões operacionais e temperaturas de admissão do HTF. O número de Bejan calcula a contribuição da entropia desenvolvida pela irreversibilidade da transferência de calor para a entropia desenvolvida pela transferência de calor e irreversibilidade do fluxo de fluido, onde estava entre (0,2–0,4) nas vazões máximas e próximo a 1,00 nas vazões mínimas35. De acordo com a difusão não homogênea de temperatura no ciclo PTC, há uma nova abordagem para envolver em cascata várias pinturas absorventes solares escolhidas em várias divisões do ciclo de armazenamento. Para colocar a técnica pretendida em ação, dois sistemas foram considerados: a abordagem multidivisão e a abordagem ideal. Descobriu-se que a abordagem multidivisão e ideal produz maior eficiência do que uma abordagem tradicional. Além disso, sob a temperatura de trabalho entre 290 e 550 °C, a perda de calor da abordagem multidivisão diminuiu em 29%, e o desempenho térmico também melhorou em 4%35. Subramanya et al.36 estudaram experimentalmente o desempenho do PTC, operando um tubo receptor rotacional por velocidade de 0 a 4 rpm, várias temperaturas internas e vazões. Vários parâmetros são examinados, como desempenho térmico, aumento de temperatura e características de atrito. Os resultados revelaram que a característica de atrito aumenta rapidamente, além de aumentar os valores da diferença de temperatura devido ao uso do tubo receptor rotacional. A melhor melhoria do desempenho térmico causada pela diminuição da temperatura interna e aumento da vazão foi de 190,3% em comparação com o tubo receptor fixo. Stutzle et al.37 modelaram um regulador linear para desenvolver um 30 MWe SEGS VI PTPP para fornecer um algoritmo de regulação para aproximar o comportamento de um operador. A resposta do regulador é avaliada em um dia de inverno e um dia de verão. O efeito do regulador em relação à produção total do PTPP também é investigado. Pouco aumento da saída PTPP projetada total é obtido pela regulação da temperatura de saída do coletor. Valenzuela et al.38. descreveu um PTPP operando em um modo único utilizando reguladores feedforward e PI durante dias claros e variações de curto prazo em DNI. Para isso, foi selecionada uma configuração com uso parcial de reguladores convencionais, pois os operadores de PTPP têm experiência no uso desse tipo de regulador, ajustando as configurações do regulador de acordo com várias situações que afetam a dinâmica do PTPP e o desempenho do regulador, como alterações no projeto do PTPP ou modificações feitas no sistema ao longo do tempo. No modo de estado estacionário, os resultados indicam que é possível manter todos os pontos de ajuste também durante transientes de curto prazo de DNI. Enquanto no caso de longos períodos de gradientes DNI, é difícil manter a temperatura do vapor. Camacho et al.39 revisaram várias tecnologias de autocontrole empregadas antes de 2007 para regular a temperatura de saída do SF com coletores dispersos. Uma categorização dos conceitos de modelagem e regulação foi apresentada para ilustrar as características mais importantes associadas às várias abordagens. Felhoff et al.40 desenvolveram dois tipos principais de modelos não estacionários baseados na geração direta de vapor (DSG) no PTPP. Primeiro, um modelo de elementos finitos discretizados (DFEM) foi desenvolvido para fornecer uma descrição mais detalhada das características do PTPP e uma explicação do comportamento do PTPP. Além disso, um segundo modelo de limites móveis (MBM) que combina entradas agrupadas e dados dispersos pode ser aplicado para prever o comportamento do PTPP. É apresentada uma comparação dos dois modelos com resultados reais, com variações para diferentes parâmetros do sistema. A resposta a perturbações locais dentro da via de evaporação não é bem replicada pelo MBM. No entanto, o MBM fornece benefícios de cálculo significativos se a irradiância em todo o SF for considerada idêntica. O DFEM é recomendado para analisar influências locais, derivar funções de transferência ou fornecer uma compreensão mais profunda das propriedades do sistema. Biencinto et al.41 implementaram um modelo quase dinâmico pelo software ambiental TRNSYS de um PTPP de 38,5 MW com DSG usando as abordagens recomendadas e compararam a produção anual de energia. De acordo com os resultados apresentados nessa análise, verificou-se que a aplicação de uma abordagem de pressão deslizante para controle de pressão de vapor no PTPP com DSG foi mais benéfica do que a abordagem de pressão fixa em relação à geração líquida de energia. Biencinto et al.42 descreveram um projeto inovador para um PTPP envolvendo coletores de ampla abertura onde CO2 em estado supercrítico (sCO2) é escolhido como meio de operação e sal fundido é usado como fluido de armazenamento térmico. Além disso, é apresentada uma construção modular do campo solar, que diminui a necessidade de sopradores e trocadores de calor, minimizando o loop hidráulico do sal fundido. Uma comparação do desempenho anual antecipado da nova abordagem é feita com um desempenho de PTPP de referência que usa óleo térmico como HTF no SF. Dois modelos de simulação são projetados no ambiente de software TRNSYS para replicar o comportamento dos PTPPs novos e de referência. De acordo com os resultados deste trabalho, o novo projeto de PTPP tem a capacidade de proporcionar uma melhoria nas eficiências anuais em aproximadamente 0,5% e reduzir os custos de energia em cerca de 6% em comparação com o PTPP de referência.