حلول التحكم بالتدفق في مجال توليد الطاقة الشمسية: الجزء 1

لتوليد الطاقة الكهربائية، تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة المرايا لتركيز أشعة الشمس على جهاز استقبال، ثم تحويلها إلى حرارة لتوليد بخار لتشغيل التوربينات. في العديد من أنظمة الطاقة الشمسية، تقوم أشعة الشمس المركزة بتسخين "سائل النقل"، والذي يمكن أن يصل إلى درجات حرارة تصل إلى 300 درجة مئوية (573 درجة فهرنهايت) في حالة الزيوت الاصطناعية ويصل إلى 600 درجة مئوية (1112 درجة فهرنهايت) للأملاح المنصهرة. يمكن لهذا السائل أن ينتج بخارًا على الفور، أو يخزن الحرارة لاستخدامها لاحقًا، مما يسمح للمحطات بتوليد الطاقة خلال فترات الذروة أو في الأيام الملبدة بالغيوم عندما لا تكون أشعة الشمس متوفرة بكثرة.

محطات الطاقة الشمسية المركزة هي بيئات صعبة، تخلق تحديات لمعدات إدارة التدفق. تشمل هذه التحديات:

• درجات الحرارة العالية والتغيرات الشديدة في درجات الحرارة
• الاهتزازات المفرطة بسبب ظروف التشغيل
• الخصائص الإضافية لسائل نقل الحرارة
• الظروف الشديدة للجو المحيط

على سبيل المثال، تعتبر سوائل الزيوت الاصطناعية عرضة للتسرب؛ نظرًا للانخفاض الشديد في درجة اللزوجة وقدرة التزييت، كما يمكن أن يتسبب السائل في تلف مانعات التسرب وأسطح التوجيه في درجات حرارة عالية، مما قد يؤدي لتلف أو تعطل كامل في المعدات ويؤدي إلى خسائر فادحة في الإنتاجية ووقت توقف المنشأة.

ينبغي أن تكون أنظمة إدارة التدفق - ولا سيما مكونات نظام شبكة الأنابيب - قادرة على الأداء بشكل موثوق في هذه البيئات الوعرة، بما يشمل مقاومة الصدمات الحرارية والصدأ والتآكل.

نظرًا لظروف التشغيل الشديدة التي تعمل بها، تملك صمامات التحكم تأثير كبير على سلامة وجاهزية محطة الطاقة الشمسية. فيما يلي بعض الاعتبارات الواجب تذكرها عند تقييم مكونات نظام شبكة الأنابيب.

بالنسبة لسوائل النقل من الزيوت الاصطناعية، يُوصى باستعمال مانع تسرب منفاخي مزود بصندوق ذو حشوة أمان لإحكام إغلاق عمود الصمام. نظرًا لخصائص التشحيم الضعيفة للسائل، يجب أن تتمتع حواف جسم الصمام بمقاومة كافية ضد التآكل والخدش.

في تطبيقات الملح المنصهر، تكون الصمامات عبارة عن صمامات تحكم على شكل كروي أو ذات زاوية، أغلبها عاملة بالهواء المضغوط مع توصيلات طرفية ملحومة بعقب وأغطية صمام ممتدة. يتم لحامها بشكل خطي متحاذٍ للحد من التسربات المحتملة. بالنسبة للصمامات ذات الاستعمال الحرج، نوصي باستخدام صمامات ذات تصميم كروي بمدخل علوي لسهولة الصيانة. غالبًا ما تتطلب صمامات التحكم للأملاح المنصهرة تصميمات فريدة، لأن السائل مؤكسد ومسبب للتآكل وغالبًا ما يكون كاشطًا.

بالنسبة للفرق المنخفض للضغوط، يمكن أيضًا استخدام الصمامات المجنحة المصممة الخاصة (على سبيل المثال: الصمام الثلاثي اللامركزي والأطراف الملحومة بعقب وغطاءات الصمام الممتدة والمواد المناسبة).

غالبًا ما يتم تشغيل صمامات الإغلاق يدويًا أو تزويدها بمشغل كهربائي دوار. في تطبيقات الملح المنصهر، يمكن أيضًا استخدام تصميم مانع التسرب المنفاخي دون غلاف. يجب أن تعمل صمامات الإغلاق عند عدد كبير من الأشواط، ويعتبر انكسارها أمرًا خطيرًا. كما أن الاهتزازات أو التذبذبات المفرطة يمكن أن تقلل من عمر الصمام. تزيد تحديات التعقب الحراري للغطاء بدرجة أكبر، حيث قد يؤدي التبلور المحتمل للسائل داخل المنفاخ لحدوث عطل.

يُفضل استخدام صمام التحكم المزود بعمود مزودج ذو سادة موجهة، مع قاعدة متينة وحلقة قاعدة مثبتة بإحكام في تطبيقات الملح المنصهر نظرًا لانخفاض المساحة الميتة والقاعدة القابلة للاستبدال بسهولة وتوافر حواف مصممة بشكل خاص.

هناك حاجة لتوفير غطاء صمام ممتد للحفاظ على درجة حرارة التعبئة ضمن القيم المقبولة لتجنب تعريض المشغل لدرجات حرارة عالية ـ الأمر غير المقبول ـ علاوة على السماح بتركيب جهاز التعقب الحراري.

في ظروف التشغيل غير الحرجة، ومن أجل الوصول إلى ضغط تفاضلي يصل إلى 10 بار، يتم استخدام سدادات مكافئة. مع ذلك، بالنسبة لظروف التشغيل الأشد قسوةً، مثل الصمامات ذات أنبوب التصريف أو الصمامات المضادة للاندفاع المفاجئ، يعد من المناسب استخدام حواف الصمام متعدد المراحل. لا ينبغي استخدام حواف الصمامات التوازن لخطر ظهور تكونات بلورية ملحية. لا يُنصح بحلقة القاعدة اللولبية ذات مانعة التسرب المعدنية بالكامل (دون عنصر مانع للتسرب) نظرًا لخطر تلف سن اللولب في حالة حدوث تآكل محتمل.

إن التصميم مزدوج العمود الموجَّه والمحتفظ به على شكل قفص مع جسم صمام ذو زاوية وقاعدة معدلة يتيح لنظام شبكة الأنابيب التفريغ في حالة الإغلاق. لتفريغ نظام شبكة الأنابيب، يلزم وجود صمام تحكم ذو زاوية مع سعة تدفق أعلى. يحتوي هذا الصمام على قاعدة مكيفة الحواف، مصممة للتدفق الزائد لتحكم أفضل في الأحمال المنخفضة. سيظل تسرب القاعدة منخفضًا لفترة طويلة من التشغيل، لأن منطقة منع التسرب منفصلة عن النقطة التي تكون سرعة السائل في أقصى حد لها، وبالتالي لا تتعرض لسرعة تدفق عالية. ستتجنب الحواف متعددة الخطوات ظروف التشغيل الحرجة عند الضغوط التفاضلية العالية.

في الجزء الثاني من السلسلة، سنقوم بفحص المواد المستخدمة في تصنيع صمامات تطبيقات الطاقة الشمسية.