포물선형 트로프 태양광 발전소를 위한 새로운 이중 급수 회로

Apr 13, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7471(2023) 이 기사 인용

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새로운 급수회로(급수/HTF 회로)와 기준 급수회로(급수/증기회로)의 결합과 증기터빈 모델 개발을 통해 포물선형 트로프 발전소(PTPP)의 검증된 동적 모델을 개선했습니다. . 이러한 설계는 PTPP 내부의 이중 급수 회로를 활용하여 주간 전력 출력을 50MWel에서 68MWel로 늘리고 더 낮은 비용으로 야간 작동 시간을 늘리려는 연구의 첫 번째 노력을 나타냅니다. 참조 PTPP에서와 같이 전력(48MWel)에서 야간 작동 시간을 늘리는 목적은 화석 연료 백업 시스템을 제거하고 흡수된 태양 에너지와 용융염에 저장된 에너지에만 의존하는 것입니다. 낮 시간 동안 급수 회로는 Feedwater/HTF를 사용하여 작동됩니다. 과도기에는 일사량 감소로 인해 급수/HTF 회로가 점차 폐쇄됩니다. 또한 공칭 급수 질량 유량(49kg/s)의 나머지 부분은 급수/증기 회로에서 점차적으로 보충됩니다. 일몰 후에는 터빈에서 추출된 증기를 기반으로 공급수 전체가 가열됩니다. 이번 개선의 목적은 저녁 시간 동안 에너지 수요가 낮아 공칭 부하를 61.93MWel에서 48MWel로 줄여 야간 운영 시간을 늘리는 것입니다. 따라서 이중 급수 회로의 영향을 이해하기 위해 맑은 날(2010년 6월 26~27일 및 7월 13~14일)에 대해 참조 모델과 이 최적화(최적화 2) 간의 비교 연구를 수행했습니다. 비교해보면 전원블록(PB)의 가동시간이 확연히 늘어난다는 것을 알 수 있다. 더욱이 이러한 개선은 야간의 화석 연료 시스템을 기반으로 감소됩니다. 마지막 단계로, 균등화 에너지 비용(LEC)의 함수로서 참조 및 최적화된 PTPP의 비용에 대한 경제성 분석이 수행되었습니다. 결과는 저장 용량이 7.5시간인 PTPP의 비에너지 비용이 PTPP의 출력을 50MWel에서 68MWel로 증가시킴으로써 약 14.5% 감소함을 보여줍니다.

전력 생산을 위해 집중형 태양광 발전(CSP)을 사용하는 것은 환경적으로 지속 가능한 성장 방향으로 가는 핵심 단계이며 대기 오염에 대한 매우 바람직한 대안을 제공합니다1, 2. 고온 달성을 위한 CSP 기술이 사용됩니다. CSP 시설은 좁은 지역에 직접적인 태양광 조사에 중점을 두어 고온을 달성할 수 있습니다. CSP 기술에서 포물선형 골짜기(PT)는 CSP 플랜트에서 완벽한 기술로 간주될 수 있으며, 이는 경제적 생존 가능성도 입증되었습니다3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17. 예를 들어, PTPP는 395°C18에 가까운 온도에 도달할 수 있습니다. 이러한 발전소에는 햇빛이 없는 상태에서도 몇 시간 동안 연속적으로 전력을 생산할 수 있는 축열 시스템(TSS)이 있습니다6.

더 많은 실험적 조사를 보완하기 위해 PTPP의 시뮬레이션 모델링은 시스템 작동, 잠재력 및 제약 조건에 대한 이해를 지원합니다. 전력 시스템의 개선 및 재구성은 일반적으로 프로세스의 정상 상태 모델링으로 시작됩니다. 이와 반대로 동적 모델링을 사용하면 사용자와 엔지니어가 더 나은 운영 전략과 프로세스 제어 제안을 개발할 수 있습니다17, 19. 지금까지 PTPP의 모델링 및 시뮬레이션을 위한 다양한 종류의 실험이 수행되었습니다. 성취 모델 타당성 및 다양한 운영 접근 방식 테스트가 이러한 노력의 주요 목적을 구성했습니다. 다음에서는 PTPP와 관련된 동적 모델링 조사에 대한 광범위한 조사를 검토합니다.

Yuanjinget al. 1은 30MW 포물선형 수로 태양열 발전소를 개선할 것을 제안했습니다. 그들은 전체 플랜트 성능에 대한 모델을 지정했습니다. (SEGS VI) 플랜트의 시뮬레이션 모델을 구축하기 위한 상용 프로그램 Ebsilon이 계산되었습니다. 또한 특정 설계 및 운영 조건에서 두 플랜트의 성능 분석이 수행되었습니다. 또한 향상된 시스템을 통해 SEGS VI의 모든 구현 요소를 평가했습니다. 연구 결과에 따르면 태양광 발전 효율은 약 0.52% 향상되고, 발전소의 전체 성능은 작동 대기에서 약 0.22% 향상되는 것으로 나타났습니다. 동시에 태양 측면의 수집가 수가 증가하여 큰 적용 기회를 얻습니다. Liu et al.20은 실제 전력 부하를 예측 기후 데이터에 대한 정보와 병합하여 특정 날짜와 특정 지속 시간의 누적 석탄 소비를 줄이는 모달 예측 조절기를 개발했습니다. 또한, 모델 예측 조정기의 장점과 작동 절차를 확인하기 위해 연속 10일 동안 시뮬레이션을 수행했습니다. 기존 조절기와 부하 예측을 비교한 결과, 특정일 시뮬레이션에 따르면 예측 조절기 방법을 활용한 석탄 소비 감소가 약 21.3톤으로 13.6% 증가한 반면, 연속 10일 시뮬레이션에서는 20.3% 증가한 것으로 나타났습니다. 태양열 집열기와 포물선형 트로프 석탄 화력 발전 방법의 구현은 운영 절차에서 예측 조절기 방법을 사용하는 것의 장점과 제한 사항에 대한 이해를 높였다는 결론을 내렸습니다. 응축기 냉각의 선택은 기술 경제적 타당성에 영향을 미칠 가능성이 높습니다. 이와 관련하여 건식 및 습식 냉각 모두의 최소 용량(50MW)에 대한 CO2 환산 오염 감소(LCCM) 기능의 수명을 평가하려는 노력이 이루어지고 있습니다. Aseri et al.3 저장된 열 에너지의 두 지역(PTSC)과 (SPT) 건식 냉각 의존 CSP 시설(6.0h)을 사용하여 인도에서 이 연구를 수행했습니다. 그 결과, 건식냉각은 습식냉각 시설에 상응하는 이들 시설에서 91.99%의 많은 양의 물을 절약할 수 있는 것으로 나타났다. Wang et al.21은 열화 후 작동 채널 수집기의 태양열/열 변환 성능을 향상시키기 위해 음의 열유속 영역 접근에 따라 복사 차폐가 있는 독특한 포물선형 채널 태양광 수신기를 제안, 제작 및 실험했습니다. 최대 작동 온도에서. 그들은 열 수집의 수학적 패턴과 경제성 평가를 확립했습니다. 시뮬레이션 결과는 실제 데이터와 잘 일치합니다. 다양한 설치 용량과 축열 용량을 갖춘 3개 지역에 제시된 태양광 수신기를 설치하는 태양광 발전소의 기술 경제적 성과를 철저하게 연구했습니다. 연구 결과는 제시된 태양열 수신기가 태양광 발전 시스템의 기술 경제적 성과를 크게 향상시킬 수 있는 놀라운 가능성을 가지고 있음을 지적했습니다. 둔황에 배치된 태양열 수신기를 사용하여 태양광 발전 시스템의 연간 순 전력 출력의 개선은 약 9.77%이고 균등화 전력 비용의 감소는 약 8.67%입니다. Manesh 등22은 Qom 시에서 태양 에너지 다중 충격 담수화 공정을 기반으로 시작된 공유 발전소 개발을 수행했습니다. 이를 고려하여 에너지, 엑서지, 경제력 발휘, 외부환경, 신흥경제, 신흥환경에 대한 (6E) 조사를 실시했습니다. 또한 그들은 MOGA(다목적 유전 알고리즘)를 사용하여 (6E) 분석을 기반으로 제안된 주기를 개선했습니다. 그 결과, 제안된 식물의 해석 성능이 3.22% 향상되는 것으로 나타났습니다. 또한, 최적화 및 최상의 운영 상태에서 에너지 발전 가격, 발전의 환경 영향, 담수 발전 가격, 담수 생산의 환경 영향 및 제안 시스템의 에너지는 약 6.27%, 24.51%, 36.51 감소했습니다. 각각 %, 26.13%, 1.87%입니다. Linrui 등4은 포물선형 기압골 발전소 모델을 만들고 그 운영 전략을 조사했습니다. 태양광장과 유선형의 전원블록이 있습니다. 그들은 채택된 기술이 원래 전략과 비교했을 때 전력 생산량을 3.4% 향상시켰다는 것을 입증했습니다. Wei et al.23은 열교환 기관차에 대한 새로운 동적 해석 패턴을 개발했습니다. 또한, PTS 부분, 에너지-질량 하위 시스템 및 열에너지 저장으로 구성된 결합된 포물선형 기슭 CSP의 간단한 해석 패턴이 처음으로 제안되었습니다. 통합 패턴의 정확성을 입증하기 위해 현재 플랫폼 데이터와 Andasol II 시설에서 계산된 데이터 간의 검증이 이루어졌습니다. 정상 사례와 몇 가지 동적 시나리오의 각 검증 결과는 제시된 패턴이 수용 가능한 정확도와 컴퓨팅 성능으로 주요 시스템 작업을 설명할 수 있음을 보여줍니다. 신뢰성과 명확성의 이점을 고려할 때 통합 패턴을 사용하여 CSP 시설에 대한 시스템 제어를 개발하고 평가할 수 있습니다. ASI 시스템은 (20 × 20 m2) 해상도로 전체 플랜트에 대한 DNI 데이터를 제공하는 반면, 섀도우 카메라 시스템은 (5 × 5 m2) 해상도로 DNI 데이터를 제공합니다. 두 가지 방법 모두 구름의 움직임을 추적하여 최대 30분의 단기 예측을 제공합니다. 이러한 예측은 태양광 분야의 정교한 규제 방법에 사용되며 잠재적으로 플랜트의 전체 생산량을 최대 2%까지 증가시킵니다24. Liu 등9은 포물선형 여물통을 사용하여 급수를 예열하고 태양열 타워를 사용하여 증기를 가열하는 SAPG 시스템을 제시했습니다. 세 가지 개별 부하(100%, 75%, 50%)에서의 시스템 성능과 일반적인 4일 동안의 정상적인 시간당 성능을 검사했습니다. 이는 태양에너지의 10% 이상 증가를 가져올 수 있습니다. Arslan et al.25은 Rankine 루프의 낮은 태양 영역을 조사했습니다. 그들은 R600a, 톨루엔, 사이클로펜탄과 같은 여러 매개변수를 평가했습니다. 또한 외부 전원 없이 24시간 가동 가능한 태양광 도메인, 화력 저장 서브 플랜트, 에너지 블록을 포함하는 플랜트를 설계했습니다. 기존 루프의 순 비율이 0.0009012억 US$로 더 나은 설계를 갖고 있음을 발견했으며 터빈 입력의 최적 온도와 압력을 각각 380°C와 3.25bar로 결정했습니다. 태양열 발전소를 기반으로 한 포물선형 골짜기는 용융염의 직접적인 재순환으로 인해 균등화 전기 비용을 줄이는 데 달려 있습니다. 본 연구에서는 열 전달 계수, 압력 감소, 저항 동결 솔루션, 에너지 블록 설계 및 가격 등 열유를 용융염으로 대체하는 것과 관련된 변화와 우려를 강조합니다. 결과는 태양 영역의 압력 감소가 상승된 온도 작동 범위로 인해 열유가 아닌 용융염의 실행 시간이 짧아짐을 보여줍니다12. Rao et al.26은 다양한 안개 교란이 있을 때 CO2-TRC 기반 여물통 CSP 기술의 기본 및 재생의 반응 거동을 복제하기 위해 독특한 열역학 프로토타입을 만들었습니다. 결과는 시스템 성능을 조사할 때 구름 두께가 능력 범위에 가장 큰 영향을 미치는 반면, 흐린 길이는 복구 시간에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 동일한 안개 형성에서 재생 시스템의 복구 프로세스는 단순 시스템의 복구 프로세스의 3배가 될 수 있습니다. 동일한 구름 덮이는 기간에 노출되었을 때 단순 시스템은 더 짧은 시간에 정상 상태에 도달했습니다. AT 기반 ICST 프로파일링 기술의 통합 가능성 측면에서 LFC와 PTC 간에는 많은 유사점이 존재합니다. 두 방법 모두 비용과 물질 측면에서 눈에 띄는 규모 영향 없이 다양한 크기로 확장 가능합니다. 확장성은 일반적으로 조리개 영역과 직선 수신기의 거리를 조정하여 두 가지 상황에서 모두 달성됩니다. 포물선형 트로프 태양광 발전 시스템의 작동은 흐린 환경에서 Wang28에 의해 모델링되고 향상되었습니다. 소비전력과 축열전력의 엑서지 성능과 화력발전시스템의 차이는 안개가 낀 상황을 통해 알 수 있었다. 모델 데이터와 잘 알려진 시험 데이터가 검증되었습니다. 본 연구에서는 적절한 조절 기능을 갖춘 효율적인 열역학 시스템 개발 문제를 고려하기 위해 CEEC(Combined Energy-Exergy-Control) 동작을 활용했습니다. 이를 위해 제출된 주기에 대한 적극적이고 적극적인 연구가 수행되었으며, 이어서 포물선형 트로프 수집기(PTC)의 정확한 모델링이 이어졌습니다. 그들은 지배적인 제어 방정식을 설명하고 결과적으로 규제 시스템의 반응 기간을 계산했습니다. CEEC 최적 전략은 제안된 주기의 정착 시간을 줄이면서 에너지/엑서지 성능을 최적화하기 위해 다중 대상 최적화를 활용하여 제공됩니다. 그 결과, 전체 사이클 에너지 성능이 36.06% 향상되었고, 정착 시간은 25.09% 증가한 것으로 나타났습니다. 에너지, 엑서지, 정착 시간은 각각 34.02%, 28.25%, 17.63%의 목표 연산 진행률을 보였습니다29. 최종 손실을 보상하기 위해 Reddy와 Ananthsornaraj30은 흡수 튜브 길이가 연장된 포물선형 트로프 태양열 집열기(PTC)를 제안했습니다. 트로프 길이는 4.6m, 트로프 너비는 5.7m, 초점 거리는 1.7m, 림 각도는 80.3°였습니다. 이 보상 기술은 전체 시스템의 열 수집 효율에 비해 수신기의 가열되지 않은 영역의 열 방출 비율이 최소화되었기 때문에 규모가 큰 트로프 수집기에 효과적입니다. El Kouche와 Gallego31은 물리적 특징을 기반으로 온도를 사용하여 PTC의 수치 시뮬레이션을 개발했습니다. 수학적 표현이 만들어졌습니다. 열 전달 인자에 대한 몇 가지 알려진 상관관계와 최근의 상관관계가 모델링되었습니다. 또한 선택한 지역에서 PTC 플랜트의 진행 상황과 효율성에 대한 유용한 피드백을 제공하는 여러 가지 수치 시뮬레이션이 수행되었습니다. Moreno 등32은 계산 부하를 MPC 계산 시간의 3%로 실질적으로 줄이기 위해 조정기 설계에 의해 제공되는 최상의 유량을 추정하기 위해 합성 신경망을 사용할 것을 제안했습니다. 신경망은 MPC 제어 수집기 필드의 1개월 테스트 데이터 세트에 대해 훈련되었습니다. 순 입력으로 다양한 측정값을 사용하는 방법이 조사되었습니다. 결과에 따르면 신경망 조절 장치는 MPC 조절 장치와 거의 동일한 평균 전력을 제공하며 대부분의 신경망과 마찬가지로 분산이 0.02kW 미만이고 출력의 급격한 변화가 적으며 제약 조건이 약간 위반되는 것으로 나타났습니다. 또한, 제안된 신경망은 작은 다중 센서 및 추정치를 사용하는 경우에도 효과적으로 작동하며 신경망 입력 세트가 실제 크기의 10% 포인트로 줄어듭니다. 이번 대회에서 최신 CSP 시설은 태양열 집열기의 용융염(MS)을 열 저장 수단으로 활용하고 경우에 따라 열 전달 유체(HTF)로 활용합니다. CoMETHy 구현에서는 예비 개질기와 결합된 용융염 가열 막 개질기가 설계되었으며 용융염 사이클에서 산업 수준(최대 3Nm3/h H2 투과물 생산)에서 광범위하게 입증되었습니다33. Goyal과 Reddy34는 태양광 PTC에서 HTF로서 s-CO2의 성능을 평가하기 위해 수치적 열 패턴을 만들었습니다. 그들은 지역적 온도와 속도장을 사용하여 유한한 온도 변화와 유체 흐름 마찰에 의해 HTF 내에서 유도된 엔트로피를 계산했습니다. 또한 Monte Carlo Ray Tracing을 기반으로 한 광학 분석 방법을 활용했습니다. 결과는 각 HTF의 작동 압력 및 흡입 온도에 대한 완벽한 레이놀즈 수에서 PTC 수신기에서 생성된 엔트로피를 최소로 줄이는 것으로 나타났습니다. Bejan 수는 열 전달 및 유체 흐름 비가역성에 의해 개발된 엔트로피에 대한 열 전달 비가역성에 의해 개발된 엔트로피의 기여도를 계산합니다. 여기서 최대 유량에서는 (0.2-0.4)이고 최소 유량에서는 1.00에 가깝습니다. PTC 사이클의 비균질 온도 확산에 따라 저장 사이클의 다양한 부문에서 여러 개의 태양광 흡수 그림을 계단식으로 포함시키는 새로운 접근 방식이 있습니다. 의도한 기술을 실행에 옮기기 위해 다분할 접근 방식과 이상적인 접근 방식이라는 두 가지 시스템이 고려되었습니다. 다분할적이고 이상적인 접근 방식이 기존 접근 방식보다 더 높은 효율성을 제공한다는 사실을 발견했습니다. 또한, 290~550°C 사이의 작업 온도에서 다분할 접근 방식의 열 손실은 29% 감소했으며, 열 성능도 4% 향상되었습니다35. Subramanya et al.36은 0~4rpm의 속도, 다양한 내부 온도 및 유량으로 회전식 수용기 튜브를 작동하여 PTC의 성능을 실험적으로 연구했습니다. 열 성능, 온도 부스트, 마찰 특성 등 다양한 매개변수를 검사합니다. 연구 결과에 따르면 회전식 수용 튜브 사용으로 인해 온도 차이 값이 증가하는 것 외에도 마찰 특성이 급격히 증가하는 것으로 나타났습니다. 고정식 수신관 대비 내부 온도 저하 및 유량 증가로 인한 열 성능 향상이 가장 좋은 것은 190.3%였습니다. Stutzle et al.37은 운영자의 행동을 근사화하기 위한 조정 알고리즘을 제공하기 위해 30 MWe SEGS VI PTPP를 ​​개발하기 위해 선형 조정기를 모델링했습니다. 조절기 반응은 겨울날과 여름날 모두에 걸쳐 평가됩니다. PTPP의 총 출력에 대한 조절기의 영향도 조사됩니다. 수집기 출구 온도 조절에 의해 설계된 전체 PTPP 출력이 거의 향상되지 않습니다. Valenzuela et al.38. 맑은 날과 DNI의 단기 변동 동안 피드포워드 및 PI 조정기를 활용하는 원스 스루 모드에서 작동하는 PTPP를 ​​설명했습니다. 이를 위해 PTPP 운영자는 PTPP 설계 변경이나 시스템 수정 등 PTPP 역학 및 레귤레이터 성능에 영향을 미치는 다양한 상황에 따라 레귤레이터 설정을 조정하는 이러한 종류의 레귤레이터를 사용한 경험이 있기 때문에 기존 레귤레이터를 부분적으로 사용하는 구성을 선택했습니다. 시간이 지남에 따라. 정상 상태 모드에서는 DNI의 단기 과도 상태에서도 모든 설정값을 유지할 수 있다는 사실이 발견되었습니다. DNI 기울기가 장기간 지속되는 경우 증기 온도를 유지하기가 어렵습니다. Camacho et al.39는 분산된 수집기를 사용하여 SF의 출구 온도를 조절하기 위해 2007년 이전에 사용된 여러 자동 제어 기술을 검토했습니다. 다양한 접근법과 관련된 가장 중요한 특성을 설명하기 위해 모델링 및 규제 개념의 분류가 제시되었습니다. Felhoff et al.40은 PTPP의 직접 증기 발생(DSG)을 기반으로 두 가지 주요 종류의 비정상 모델을 개발했습니다. 먼저, PTPP 특성에 대한 보다 자세한 설명과 PTPP 동작에 대한 설명을 제공하기 위해 이산화된 유한 요소 모델(DFEM)이 개발되었습니다. 또한 집중 입력과 분산 데이터를 결합한 두 번째 이동 가능 경계 모델(MBM)을 적용하여 PTPP의 동작을 예측할 수 있습니다. 서로 다른 시스템 매개변수에 대한 변형을 포함하여 두 모델을 실제 결과와 비교합니다. 증발 경로 내부의 국지적 교란에 대한 반응은 MBM에 의해 잘 복제되지 않는 것으로 나타났습니다. 그러나 전체 SF의 조도가 동일하다고 가정하면 MBM은 상당한 계산 이점을 제공합니다. DFEM은 국지적 영향을 분석하고, 전달 함수를 도출하거나, 시스템 속성에 대한 더 깊은 이해를 제공하는 데 권장됩니다. Biencinto et al.41은 권장 접근 방식을 사용하여 DSG가 포함된 38.5MW PTPP의 TRNSYS 환경 소프트웨어를 사용하여 준동적 모델을 구현하고 연간 전력 출력을 비교했습니다. 해당 분석에서 제시된 결과에 따르면 DSG를 사용하는 PTPP의 증기 압력 제어를 위해 슬라이딩 압력 접근 방식을 적용하는 것이 순 발전량 측면에서 고정 압력 접근 방식보다 더 유리한 것으로 나타났습니다. Biencinto et al.42는 초임계 상태의 CO2(sCO2)가 작동 매체로 선택되고 용융염이 열 저장 유체로 사용되는 넓은 조리개 수집기를 포함하는 PTPP에 대한 혁신적인 설계를 설명했습니다. 또한, 용융염의 유압 루프를 최소화하면서 송풍기 및 열 교환기의 필요성을 줄이는 태양광 분야의 모듈 기반 구성이 제시됩니다. 새로운 접근법의 예상 연간 성능 비교는 SF에서 열유를 HTF로 사용하는 참조 PTPP 성능으로 이루어졌습니다. 두 가지 시뮬레이션 모델이 TRNSYS 소프트웨어 환경에서 설계되어 새로운 PTPP와 참조 PTPP의 동작을 모두 복제합니다. 이번 연구 결과에 따르면 새로운 PTPP 설계는 기준 PTPP에 비해 연간 효율을 약 0.5% 향상시키고 전력 비용을 약 6% 절감할 수 있는 능력을 갖고 있다.