طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی ⭐ هلیوستات و برج انرژی

جهت سفارش بیزینس پلن و طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی (هلیوستات) با گزارش نرم افزار کامفار و با فرمت WORD و PDF با کارشناسان ما تماس بگیرید.

پیشاپیش دعوت میکنیم این مقاله استثنایی را درباره نیروگاه های حرارتی خورشیدی مطالعه نمایید.

در این مطلب به بررسی طراحی نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی از نوع برج دریافت‌کننده یا همان "برج انرژی" خواهیم پرداخت. در این نوع نیروگاه، میدانهایی از آینه‌هایی با نام هلیوستات، خورشید را در طول روز و سال دنبال می‌کنند و نور خورشیدی را به یک گیرنده (receiver) منعکس می‌کنند که انرژی خورشید را به انرژی حرارتی تبدیل می‌نماید.

 

✳️ سر فصل های این مقاله (0 تا 100 احداث نیروگاه حرارتی خورشیدی هلیوستات)

✔️ نیروگاه حرارتی خورشیدی چیست و چه انواعی دارد؟

✔️ انواع نیروگاه حرارتی خورشیدی (هلیوستات)

✔️ مزایای اجرای طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی در مقایسه با فتوولتائیک

✔️ نیروگاه‌ حرارتی خورشیدی نوع برج انرژی چگونه برق تولید میکند؟ 

✔️ بیزینس پلن و طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی چه اطلاعاتی به ما میدهد؟ 

✔️ دو نمونه فعال از نیروگاه های حرارتی خورشیدی از نوع برج انرژی در ایالات متحده

✔️ مزایای اجرای طرح توجیهی نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی از نوع برج انرژی

✔️ تاریخچه و توسعه نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی و هلیوستات‌ها

✔️ آینده نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی از نوع برج انرژی به کدام سمت میرود؟ 

✔️ آشنایی با اپتیک هلیوستات

✔️ طراحی کلکتور (جمع‌کننده نور) در هلیوستات‌ها

✔️ مونتاژ، مکانیزم حرکت و کنترل در نیروگاه های حرارتی خورشیدی

✔️ فونداسیون هلیوستات

✔️ مزایای استفاده از هلیوستات های کوچک در نیروگاه های حرارتی خورشیدی

✔️ روش های مقابله با مشکلات ناشی از وزش باد در طراحی هلیوستات ها

✔️ انتخاب محل مناسب برای نیروگاه حرارتی خورشیدی از نوع برج انرژی

✔️ مدل‌سازی عملکرد نیروگاه حرارتی خورشیدی با کامپیوتر

✔️ چیدمان میدان و انواع کلکتورهای نور در نیروگاه حرارتی خورشیدی

✔️ انتخاب نوع سیال ، کنترل تمرکز نور بر کلکتور و مدیریت شار حرارتی

✔️ نگرانی‌های زیست‌محیطی در نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی

✔️ چیدمان میدان هلیوستات‌ها

✔️ نصب و کالیبراسیون هلیوستات‌ها

✔️ عملیات مراقبت و نگهداری در نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی

✔️ فرسودگی و استهلاک هلیوستات ها

✔️ تمیزکاری هلیوستات‌ها : یکی از چالش‌های مهم نیروگاه های حرارتی خورشیدی

✔️ فرسودگی و استهلاک هلیوستات ها

✔️ مراحل اجرایی در پروژه‌های نیروگاه حرارتی خورشیدی برج انرژی

✔️ مترولوژی (اندازه‌گیری دقیق) در نیروگاه های حرارتی خورشیدی

✔️ بررسی خطای عملکرد هلیوستات ها

✔️ روش‌ها و تکنیک‌های مترولوژی نیروگاه های هلیوستات

✔️ انواع اندازه‌گیری و منابع خطا

✔️ سایر کاربردهای هلیوستات ها و برج خورشیدی

✔️ دانلود فایل های بیزینس پلن و طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی (نیروگاه هلیوستات و برج انرژی)

 

---

✔️ معرفی بیزینس پلن و طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی!

---

✳️ نیروگاه حرارتی خورشیدی چیست و چه انواعی دارد؟

نیروگاه هلیوستات «فناوری انرژی خورشیدی متمرکز (CSP)» نوعی نیروگاه حرارتی خورشیدی است که با استفاده از آینه‌ها، پرتوهای خورشید را بر روی برج دریافت‌کننده یا همان "برج انرژی" متمرکز می‌کند.

برج انرژی نیروگاه، این تابش را به انرژی حرارتی تبدیل می‌کند که می‌تواند در یک سیال انتقال حرارت ذخیره شود و مستقیماً برای تولید برق از طریق یک توربین بخار استاندارد به کار رود و یا به عنوان گرمای فرآیندی در صنایع مورد استفاده قرار گیرد.

انواع نیروگاه حرارتی خورشیدی (هلیوستات):

چهار نوع نیروگاه حرارتی خورشیدی استاندارد وجود دارد که در شکل‌ زیر نشان داده شده‌اند.

نیروگاه حرارتی خورشیدی سهموی شکل (parabolic trough) و فِرِنِل خطی (linear Fresnel) از آینه هایی با تمرکز خطی استفاده میکنند؛ یعنی نور بازتاب‌شده، در یک خط متمرکز می‌شود و به یک لوله افقی گیرنده منعکس میشود.

در مقابل، نیروگاه های هلیوستات دیش سهموی (parabolic dish) و گیرنده مرکزی (central receiver) که به عنوان "نیروگاه برج انرژی" نیز شناخته می‌شود از تمرکز نقطه‌ای استفاده می‌کنند و همه پرتوهای ورودی را در یک نقطه واحد متمرکز می‌سازند.

تفاوت مهم میان این دو نوع در این است که کلکتورهای با تمرکز خطی تنها نیاز به چرخش در یک محور برای ردیابی خورشید دارند، در حالی که کلکتورهای با تمرکز نقطه‌ای به دو محور نیاز دارند، که پیچیدگی سیستم را افزایش می‌دهد ولی در عوض، منجر به تمرکز بیشتر انرژی خورشیدی می‌شود.

هر یک از این فناوری‌ها دارای مزایا و محدودیت‌های خاص خود هستند اما در این طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی، تمرکز ما بر روی جزئیات طراحی برج‌های انرژی خورشیدی است.

تا سال 2021، نزدیک به 100 نیروگاه حرارتی خورشیدی در سراسر جهان به ثبت رسیده که از این میان، 26 نیروگاه از نوع «نیروگاه برج انرژی» هستند. البته باید توجه داشت که همه این نیروگاه‌ها در حال حاضر عملیاتی نیستند.

✳️ مزایای اجرای طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی در مقایسه با  فتوولتائیک:

یکی از مهم‌ترین مزایای نیروگاه های هلیوستات، امکان ادغام آسان آن با سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی (TES) است.

این ویژگی به نیروگاه های هلیوستات اجازه می‌دهد انرژی تولیدی را در طول روز ذخیره کرده و در هر زمان از شبانه‌روز، به‌ویژه در ساعات اوج مصرف، برق مورد نیاز را تأمین کند.

در مقابل، سیستم‌های فتوولتائیک (PV) تنها زمانی قادر به تولید برق هستند که نور خورشید مستقیماً در دسترس باشد. همین محدودیت باعث می‌شود که با افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در شبکه، پاسخ‌گویی به تقاضای انرژی در ساعات غیرآفتابی، به‌ویژه شب‌ها، با چالش روبه‌رو شود.

نمونه‌ای از این مشکل در ایالت کالیفرنیا مشاهده شده که با اصطلاح معروف «منحنی اردک» (Duck Curve) شناخته می‌شود. در این منطقه، با وجود بهره‌برداری گسترده از سامانه‌های  PV، کاهش ناگهانی تولید برق پس از غروب آفتاب، در حالی که تقاضای مصرف همچنان بالاست، فشار زیادی به شبکه وارد می‌کند.

اما سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی این امکان را فراهم می‌کند که انرژی خورشیدی در طول روز ذخیره شده و در ساعات غروب و شب، برای تولید برق به‌کار گرفته شود. این قابلیت، تاب‌آوری شبکه‌های مبتنی بر انرژی‌های تجدیدپذیر را به‌شکل چشم‌گیری افزایش می‌دهد.

علاوه بر تولید برق، سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی می‌توانند به‌طور مستقیم به‌عنوان حرارت به صنایع فروخته شوند و جایگزین سوخت‌های فسیلی شوند.

اگرچه در حال حاضر هزینه تولید برق از طریق نیروگاه حرارتی خورشیدی بیشتر از فتوولتائیک است، اما هزینه ذخیره‌سازی حرارتی در نیروگاه های هلیوستات بسیار پایین‌تر از هزینه ذخیره‌سازی الکتریکی در  نیروگاه های فتوولتائیک است.

همین مسئله نوعی توازن اقتصادی میان این دو فناوری ایجاد کرده است. به همین دلیل، انتظار می‌رود که در آینده، ترکیب فناوری‌های هلیوستات و فتوولتائیک به‌عنوان راهکاری مکمل و نویدبخش در توسعه پایدار انرژی خورشیدی مورد توجه قرار گیرد.

✳️ نیروگاه‌ حرارتی خورشیدی نوع برج انرژی چگونه برق تولید میکند؟

نیروگاه‌های «برج انرژی» به‌عنوان بزرگ‌ترین نوع نیروگاه های حرارتی خورشیدی شناخته می‌شوند. ساختار اصلی این نیروگاه‌ها شامل یک میدان وسیع از آینه‌ها یا هلیوستات‌هاست که حرکت خورشید را در طول روز و سال ردیابی می‌کنند. این آینه‌ها، پرتوهای خورشید را به‌صورت متمرکز به یک گیرنده ثابت در بالای برج هدایت می‌کنند.

گیرنده معمولاً از مجموعه‌ای از لوله‌های فلزی تشکیل شده که در نزدیکی نوک برج نصب شده‌اند. پرتوهای خورشید که از طریق هلیوستات‌ها منعکس شده‌اند، مستقیماً به این لوله‌ها می‌تابند و گرما تولید می‌کنند.

این گرما به سیال انتقال حرارت مانند نمک مذاب یا بخار منتقل می‌شود. انرژی حرارتی به‌دست‌آمده یا در مخازن مخصوص ذخیره می‌شود تا بعداً برای تولید برق استفاده گردد، یا بلافاصله از طریق یک توربین ژنراتور سنتی به برق تبدیل می‌شود. نحوه عملکرد این فرایند در شکل بالا نشان داده شده است.

✳️ بیزینس پلن و طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی چه اطلاعاتی به ما میدهد؟

بیزینس پلن و طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی به نوعی شناسنامه مالی و اقتصادی پروژه محسوب میشود که اطلاعات جامعی درباره هزینه های ثابت مانند هزینه زمین و ابنیه و تجهیزاتی مانند آینه ها و برج های انرژی و ... و همینطور هزینه های جاری مانند یوتیلیتی ها و نیروی انسانی مصرفی به ما میدهد.

در ادامه در بخش مالی بیزینس پلن و طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی به بررسی نقطه سربه سر و براورد سود پروژه و صورت ها و شاخص های مالی پرداخته میشود.

شاخص های مالی مورد بررسی در بیزینس پلن و طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی شامل «دوره بازگشت سرمایه» ، «ارزش فعلی خالص» و «نرخ بازده داخلی» میباشند که با استفاده از این ابزارها، میتوان توجیه مالی پروژه را بررسی کرد.

در طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی مضاف بر مطالب فنی و مالی به مطالعات بازار نیز پرداخته میشود و گزارش نرم افزار کامفار را نیز برای تکمیل بخش مالی به همراه دارد.

نیروگاه های حرارتی خورشیدی از نوع هلیوستات و برج انرژی عموما نیروگاه های عظیم چثه ای هستند که برای گرفتن مجوز و ویا زمین و وام و تسهیلات بانکی برای آنها نیاز به بیزینس پلن و طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی برج انرژی خواهید داشت که برای این منظور میتوانید با کارشناسان «وبسایت گسترش کارافرینی» با مدیریت «مهندس ایمان حبیبی» تماس بگیرید.

دو نمونه فعال از نیروگاه های حرارتی خورشیدی از نوع برج انرژی در ایالات متحده:

دو نیروگاه فعال از نوع برج انرژی در ایالات متحده در مناطق بیابانی کالیفرنیا و نوادا قرار دارند: نیروگاه های Crescent Dunes و  Ivanpah.

نیروگاه Crescent Dunes با ظرفیت طراحی‌شده 110 مگاوات ساخته شده و مساحتی بالغ بر 1670 هکتار را پوشش می‌دهد، که 296 هکتار آن به هلیوستات‌ها اختصاص دارد.

هر هلیوستات در این نیروگاه دارای مساحتی معادل 115 مترمربع است. این نیروگاه از برجی به ارتفاع 200 متر به‌عنوان گیرنده استفاده می‌کند و سیستم ذخیره‌سازی انرژی حرارتی را با استفاده از مخازن نمک مذاب پیاده‌سازی کرده است.

شکل زیر نمونه یک تانک نمک مذاب برای ذخیره انرژی حرارتی حاصل از نیروگاه هلیوستات است.

در مقابل، نیروگاه Ivanpah شامل سه برج گیرنده است و مساحتی در حدود 3500 هکتار را در بر می‌گیرد. ظرفیت کل این نیروگاه 392 مگاوات است. هلیوستات‌های Ivanpah نسبتاً کوچک‌تر هستند و هرکدام مساحتی برابر با 15 مترمربع دارند. این نیروگاه فاقد سامانه ذخیره‌سازی انرژی حرارتی است و مستقیماً با استفاده از چرخه بخار عمل می‌کند.

این دو پروژه نمونه‌هایی از تنوع گسترده در طراحی نیروگاه‌های برج انرژی هستند، چرا که طراحی‌ها در سطح جهان تفاوت‌های زیادی در ابعاد، فناوری به‌کاررفته و نحوه بهره‌برداری دارند.

مزایای اجرای طرح توجیهی نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی از نوع برج انرژی:

علاوه بر مزایای عمومی نیروگاه های حرارتی خورشیدی، طراحی نیروگاه‌های نوع برج انرژی ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارد که عمدتاً به مقیاس بزرگ سیستم و بهره‌وری بالای طراحی آن برمی‌گردد.

در این نوع نیروگاه‌ها، تمام انرژی خورشیدی بر روی سطحی نسبتاً کوچک در بالای برج متمرکز می‌شود، به‌طوری‌که شار تابشی روی گیرنده بین چهار تا شش برابر بیشتر از شدت نوری است که به هلیوستات‌های سطح میدان تابیده می‌شود.

این ویژگی که با عنوان نسبت تمرکز بالا شناخته می‌شود، امکان دستیابی به دمای عملیاتی بالاتر معمولاً حدود 560 درجه سانتی‌گراد را فراهم می‌سازد. این دماهای بالا به نوبه خود، موجب افزایش بازده ترمودینامیکی در تبدیل حرارت به برق و همچنین کارایی بیشتر در ذخیره‌سازی انرژی حرارتی می‌شود.

اگرچه ساخت و زیرساخت‌های موردنیاز برای احداث نیروگاه‌های برج انرژی در مقایسه با انواع دیگر نیروگاه های حرارتی خورشیدی پرهزینه‌تر است، اما راندمان بالا و مقیاس وسیع این سیستم‌ها، آن‌ها را به گزینه‌ای جذاب برای افزایش چشم‌گیر ظرفیت انرژی تجدیدپذیر در مقیاس شبکه تبدیل کرده است، به‌ویژه با توجه به پیشرفت‌های مداوم در زمینه طراحی و ساخت آن‌ها.

✳️ تاریخچه و توسعه نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی و هلیوستات‌ها: 

پژوهش و توسعه در حوزه فناوری نیروگاه های حرارتی خورشیدی و طراحی هلیوستات‌ها از دهه 1970 آغاز شد؛ همزمان با حمایت‌های مالی دولت ایالات متحده، به‌ویژه از سوی وزارت انرژی آمریکا  (DOE)، و تلاش‌های مشابه در سایر کشورها.

تمرکز اصلی این گزارش بر روی تحول فناوری هلیوستات‌ها است، اجزایی کلیدی که تاکنون سه نسل اصلی از آن‌ها معرفی شده است:

نسل اول شامل هلیوستات‌هایی با شیشه لمینت‌شده و مساحت حدود 40 مترمربع بود.

نسل دوم که در اواخر دهه 70 و اوایل دهه 80 میلادی توسعه یافت، با افزایش ابعاد به 44 تا 57 مترمربع همراه بود. هدف از این رشد، کاهش هزینه به‌ازای هر مترمربع جمع‌آوری از طریق کاهش هزینه اجزای تکرارشونده مانند سیستم کنترل، محرک‌ها و سازه‌های نگهدارنده بود.  

در همین دوره، استانداردهایی برای دوام، عملکرد و طول عمر اجزا تدوین شد؛ طول عمر پیشنهادی 30 سال است و همچنان به‌عنوان مرجع در طراحی‌ها لحاظ می‌شود.

نسل سوم، نمایانگر وضعیت کنونی فناوری است. هلیوستات‌های این نسل معمولاً بیش از 100 مترمربع سطح دارند. در کنار آن، پژوهش‌هایی نیز در زمینه طراحی هلیوستات‌های کوچک‌تر از 1 مترمربع و مدل‌های نوآورانه و خاص در حال انجام است.

هنوز در مورد اندازه، شکل و طراحی بهینه اجماع کامل وجود ندارد و فرصت‌های زیادی برای کاهش هزینه‌ها و افزایش عملکرد در این حوزه فراهم است.

آینده نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی از نوع برج انرژی به کدام سمت میرود؟

برای آنکه این فناوری بتواند در مقیاس وسیع گسترش یابد و با منابع انرژی سنتی رقابت کند، نیازمند سرمایه‌گذاری گسترده‌تر و توسعه فناورانه پیوسته است.

یکی از چالش‌های اصلی، هزینه نهایی تولید برق از این نیروگاه‌هاست که با شاخصی به‌نام هزینه سطحی‌شده برق (LCOE) سنجیده می‌شود.

در سال 2011، ابتکار SunShot اهدافی بلندپروازانه برای کاهش LCOE در نیروگاه حرارتی خورشیدی تعیین کرد. از آن زمان تاکنون، بخش خصوصی و دولتی تمرکز قابل‌توجهی بر کاهش هزینه‌ها داشته‌اند.

گرچه LCOE به تمام اجزای یک نیروگاه، از جمله طراحی، ساخت و بهره‌برداری وابسته است، اما هلیوستات‌ها یا آیینه ها به‌تنهایی حدود 40% از کل هزینه نیروگاه‌های نوع برج را تشکیل می‌دهند.

نقش هلیوستات‌ها تنها به هزینه محدود نمی‌شود؛ آن‌ها مستقیماً بر میزان تولید انرژی و بهره‌وری نهایی نیروگاه تأثیرگذار هستند. عملکرد نوری، دقت در ردیابی، و قابلیت اطمینان این اجزا، همگی از عوامل کلیدی در بازده کلی سیستم هستند.

امروزه تقریباً تمام جنبه‌های مرتبط با طراحی و عملکرد هلیوستات‌ها در حال تحقیق و توسعه فعال هستند، و فناوری نیروگاه‌های نوع برج انرژی با سرعت زیادی در حال پیشرفت است. این روند، نویدبخش آینده‌ای روشن برای انرژی‌های تجدیدپذیر در مقیاس‌های بزرگ است.

---

✔️ خلاصه دانش فنی طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی هلیوستات!

---

✳️ اجزا و نکات طراحی نیروگاه های حرارتی خورشیدی هلیوستات:

1- آشنایی با اپتیک هلیوستات:

عملکرد نوری (اپتیکی) هر هلیوستات مبتنی بر قانون بازتاب نور است؛ قانونی پایه‌ای در فیزیک که بیان می‌کند:

زاویه تابش (زاویه بین پرتو نور ورودی و خط عمود بر سطح آینه) برابر است با زاویه بازتاب (زاویه بین پرتو بازتاب‌شده و همان خط عمود).

این اصل برای سطوح آینه‌ای صاف و بازتابنده همواره معتبر است و مبنای طراحی و عملکرد دقیق سامانه‌های هلیوستات را فراهم می‌سازد.

با تکیه بر این قانون ساده اما بنیادین، می‌توان موقعیت و زاویه دقیق هر هلیوستات را به‌گونه‌ای محاسبه کرد که پرتوهای خورشیدی صرف‌نظر از موقعیت خورشید در آسمان با دقت بالا به سمت گیرنده بالای برج منعکس شوند.

این قابلیت، امکان ردیابی لحظه‌به‌لحظه خورشید را در طول روز و همچنین در طی فصول مختلف سال فراهم می‌کند و بدین ترتیب تضمین می‌کند که بیشترین میزان انرژی تابشی با کمترین تلفات، به گیرنده منتقل شود.

در واقع، طراحی اپتیکی دقیق هلیوستات‌ها هسته اصلی عملکرد کارآمد نیروگاه‌های نوع برج انرژی را تشکیل می‌دهد.

2- طراحی کلکتور (جمع‌کننده نور) در هلیوستات‌ها:

فرآیند تمرکز نور خورشید در هلیوستات‌ها نتیجه ترکیب طراحی‌های اپتیکی، هندسی و مکانیکی آن‌هاست. هر هلیوستات معمولاً از مجموعه‌ای از آینه‌های کوچک‌تر به نام فَسِت (Facet) تشکیل شده است. این فست‌ها اغلب به شکل مربعی یا مستطیلی طراحی می‌شوند و ممکن است سطحی صاف یا کمی خمیده داشته باشند.

برای دستیابی به تمرکز بهینه نور، هر فست به‌صورت زاویه‌دار (Canted) روی قاب هلیوستات نصب می‌شود، به‌گونه‌ای که آرایش کلی آینه‌ها شکلی نزدیک به منحنی سهمی‌گون (پارابولیک) پیدا کند.

این پیکربندی باعث می‌شود پرتوهای خورشید صرف‌نظر از محل قرارگیری هلیوستات در میدان، بر روی نقطه‌ای مشخص در گیرنده متمرکز شوند؛ عملکردی مشابه با کلکتورهای سهموی بشقابی (Parabolic Dish) .

در این طراحی سنتی، موقعیت و فاصله هر هلیوستات نسبت به برج مرکزی باعث می‌شود شکل هندسی آن‌ها متفاوت باشد، به همین دلیل نمی‌توان از یک طراحی واحد در تمام میدان خورشیدی استفاده کرد.

با این حال، بهره‌وری نوری بسیار بالا در این نوع هلیوستات‌ها امکان استفاده از ابعاد بزرگ‌تر و در نتیجه توان خروجی بیشتر را فراهم می‌سازد.

طراحی‌های ساده‌تر و مدرن‌تر:

در سال‌های اخیر، مطالعات و نمونه‌سازی‌ها نشان داده‌اند که می‌توان با استفاده از هلیوستات‌هایی بسیار ساده‌تر و کوچک‌تر نیز عملکرد مناسبی در تمرکز نور به‌دست آورد. این هلیوستات‌های جدید اغلب از آینه‌های کاملاً تخت با تنها یک یا دو فست تشکیل شده‌اند.

اگرچه این طراحی‌ها از نظر دقت تمرکز نوری در سطح طراحی‌های پارابولیک قرار نمی‌گیرند، اما بسیار مقرون‌به‌صرفه‌تر هستند.

با توجه به اینکه هزینه کلید موفقیت در تجاری‌سازی نیروگاه حرارتی خورشیدی است، بسیاری از کارشناسان معتقدند صنعت در حال حرکت به‌سوی استفاده گسترده‌تر از این نوع طراحی‌هاست، به‌ویژه در پروژه‌هایی که هدف آن‌ها کاهش هزینه اولیه سرمایه‌گذاری است.

3- مونتاژ، مکانیزم حرکت و کنترل در نیروگاه های حرارتی خورشیدی:

در هر دو نوع طراحی چه سنتی و چه مدرن فست‌ها پس از مونتاژ و زاویه‌دهی اولیه (که معمولاً در کارخانه انجام می‌شود) به‌صورت ثابت بر روی قاب اصلی هلیوستات نصب می‌شوند. پس از نصب، کل سازه هلیوستات به‌صورت یکپارچه حول دو محور (آزیموت و ارتفاع) حرکت می‌کند.

حرکت این واحد توسط درایوهای الکترومکانیکی کنترل می‌شود که معمولاً یک درایو برای هر محور در نظر گرفته میشود.

سیستم کنترل مرکزی، فرمان‌های حرکتی را بر اساس موقعیت خورشید به این درایوها ارسال می‌کند تا اطمینان حاصل شود که سطح هلیوستات همواره در زاویه‌ای مناسب برای بازتاب نور خورشید به سمت گیرنده قرار دارد.

الف ) محاسبات ردیابی خورشید :

سیستم کنترل حرکت خورشید در هلیوستات‌ها بر اساس داده‌های نجومی کار می‌کند. این داده‌ها شامل موقعیت ظاهری خورشید در آسمان و مختصات دقیق جغرافیایی هلیوستات (عرض و طول جغرافیایی) هستند.

با توجه به موقعیت نسبی خورشید، هلیوستات و برج دریافت‌کننده، زاویه‌ای بهینه برای تنظیم جهت آینه محاسبه می‌شود. این زاویه با کمک دو محور حرکتی موتورهای هلیوستات، به‌صورت مداوم در طول روز تنظیم می‌شود.

روش‌های مختلفی برای پیاده‌سازی این ردیابی وجود دارد، اما همگی بر پایه همین اصل طراحی شده‌اند. تفاوت‌ها بیشتر در نحوه اجرای مکانیکی حرکت برای رسیدن به موقعیت بهینه دیده می‌شود.

ب ) فَسِت‌های آینه‌ای:

سطوح بازتابنده یا همان فَسِت‌ها معمولاً از شیشه آینه‌ای ساخته می‌شوند. اگرچه گزینه‌هایی مانند فیلم‌های بازتابی، پلاستیک‌ها و مواد دیگر نیز بررسی شده‌اند، اما به‌دلیل مشکلاتی مانند دوام پایین، به‌عنوان جایگزین‌های اصلی در نظر گرفته نمی‌شوند.

شیشه‌های نازک‌تر از نظر اپتیکی عملکرد بهتری دارند، چرا که شکست نور در آن‌ها کمتر است و در نتیجه خطاهای نوری کاهش می‌یابد. همچنین وزن کمتر آن‌ها باعث کاهش تأثیرات باد و کاهش هزینه‌های ساخت و نگهداری می‌شود.

برای حفظ استحکام در کنار کاهش ضخامت، برخی شرکت‌ها از پنل‌های ساندویچی استفاده می‌کنند. این پنل‌ها ترکیبی از شیشه‌های آینه‌ای نازک و هسته‌ای از جنس فوم محکم هستند.

چنین ساختاری هم امکان استفاده از شیشه نازک را فراهم می‌کند و هم در برابر تغییر شکل بر اثر گرما مقاومت خوبی دارد؛ در نتیجه خطاهای اپتیکی نیز کاهش می‌یابد.

ج ) ساختار پشتیبان:

فَسِت‌های آینه‌ای توسط یک سازه‌ی پشتیبان به یکدیگر متصل می‌شوند. این سازه خود به موتورهای دو محوره‌ی هلیوستات متصل است. یکی از طراحی‌های رایج برای این ساختار، به نام تی‌-بار (T-Bar) شناخته می‌شود.

این طراحی، امکان چرخش حول دو محور را فراهم می‌کند تا آینه‌ها بتوانند مسیر خورشید را در طول روز دنبال کنند و هم‌زمان وزن فَسِت‌ها را نیز تحمل کند.

اتصال فَسِت‌ها به این ساختار پشتیبان با روش‌های مختلفی انجام می‌گیرد؛ از جمله با استفاده از پایه‌های فلزی، چسب‌های مخصوص، یا پین‌های متحرک. دلیل استفاده از چسب یا پین‌های قابل‌حرکت، تفاوت ضریب انبساط حرارتی بین مواد مختلف (مثل شیشه و فلز) است.

این نوع اتصالات با خاصیت انعطاف‌پذیری خود، جلوی ایجاد تنش و تغییر شکل در فَسِت‌ها را در اثر تغییرات دمایی می‌گیرند و به حفظ دقت اپتیکی سیستم کمک می‌کنند.

البته طراحی‌های دیگری نیز برای این ساختار پشتیبان وجود دارد. به عنوان مثال: استفاده از صفحات مهره‌کاری‌شده (stamped backing)، ساختارهای پنج‌ضلعی، یا قاب‌های حلقه‌ای شکل. انتخاب نوع طراحی بسته به تولیدکننده، شرایط اقلیمی محل نصب، و هزینه‌های ساخت، متفاوت است.

4- فونداسیون هلیوستات:

ساختار اصلی هلیوستات معمولاً بر روی یک ستون (پایلون) نصب می‌شود که این ستون به فونداسیون بتنی متصل است. فونداسیون‌ها ممکن است به چند روش اجرا شوند، مانند:

فونداسیون‌های کوبشی  (pile-driving)، لنگرهای زمینی  (ground anchor)، یا پایه‌های وزنی (ballast type).

در سال‌های اخیر، تحقیقات جدیدی روی استفاده از سازه‌های پیش‌ساخته به‌ویژه لنگرهای زمینی صورت گرفته تا هزینه‌های اجرا کاهش یابد.

در برخی از طراحی‌های نوین، حتی نیاز به فونداسیون کاملاً حذف شده و از ساختارهای مدولار کوچک استفاده می‌شود. این نوع طراحی بیشتر برای پروژه‌های کوچک‌مقیاس کاربرد دارد.

محرک‌ها (درایوها):

محرک‌ها یا همان درایوها وظیفه دارند هلیوستات را در موقعیت دقیق و مناسب خود قرار دهند. این قطعه یکی از گران‌ترین اجزای هلیوستات به شمار می‌رود؛ چرا که دقت بسیار بالایی در موقعیت‌یابی نیاز دارد.

این موضوع به‌خصوص در نیروگاه‌هایی که از نوع برج نیرو هستند اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، چرا که فاصله زیاد بین آینه و گیرنده به این معنی است که کوچک‌ترین خطا در زاویه‌ی آینه، منجر به از دست رفتن مقدار قابل‌توجهی از انرژی خواهد شد.

در طراحی‌های رایج، هلیوستات باید توانایی چرخش کامل 360 درجه در محور افقی (آزیموت) و 90 درجه در محور عمودی (ارتفاع) را داشته باشد تا بتواند در تمام ساعات روز مسیر خورشید را دنبال کند.

برای این منظور معمولاً از درایوهای چرخشی استفاده می‌شود. البته برای کاهش هزینه، گاهی از درایوهای ساده‌تری مانند درایوهای لبه‌ای (rim drives)  یا درایوهای خطی استفاده می‌کنند؛ گرچه این نوع محرک‌ها ممکن است با محدودیت‌هایی در دقت و دامنه حرکت همراه باشند.

با وجود پیچیدگی عملکرد مکانیکی درایوهای هلیوستات، در بسیاری از مواقع از قطعات صنعتی استاندارد موجود در بازار استفاده می‌شود و نیازی به طراحی اختصاصی نیست، مگر در موارد خاص یا پروژه‌های سفارشی.

ردیابی فیزیکی خورشید:

نوع درایوی که در هلیوستات‌ها به‌کار می‌رود، به روش ردیابی خورشید مرتبط است؛ اما این دو مفهوم، از نظر فنی با یکدیگر تفاوت دارند.

رایج‌ترین روش سنتی برای ردیابی خورشید، روش آزیموت–ارتفاع (Azimuth-Elevation یا AE) است. در این روش، یکی از محورهای چرخش آینه به سمت نقطه رأس آسمان (Zenith) قرار می‌گیرد و محور دیگر، به‌صورت مماس با سطح آینه تنظیم می‌شود.

این نوع چیدمان باعث می‌شود که آینه‌ها بتوانند در طول روز هم بچرخند و هم خم شوند تا جهت خورشید را دنبال کنند.

یکی از معایب این روش این است که برای جلوگیری از برخورد فیزیکی آینه‌ها هنگام چرخش، لازم است فاصله‌ی بیشتری بین آن‌ها در نظر گرفته شود؛ این موضوع به‌ویژه زمانی که آینه‌ها مستطیلی هستند، مشکل‌سازتر می‌شود. هرچند، استفاده از سیستم‌های کنترل دقیق و پیشرفته می‌تواند تا حد زیادی این مشکل را کاهش دهد.

روش دیگری که در سال‌های اخیر محبوبیت بیشتری یافته، روش چرخشی–ارتفاعی (Spinning-Elevation  یا  SE) نام دارد. در این روش، یکی از محورهای حرکت مستقیماً به‌سمت برج مرکزی (گیرنده) تنظیم شده و محور دیگر، مانند قبل، مماس با سطح آینه است.

مزیت این روش در آن است که به شکل مؤثرتری مانع ایجاد سایه و انسداد نور بین آینه‌ها می‌شود. برخی پژوهشگران معتقدند این نوع ردیابی باعث عملکرد نوری پایدارتری نیز خواهد شد.

علاوه بر این‌ها، روش‌هایی که در آن محور اصلی به‌صورت افقی طراحی شده نیز مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این روش‌ها به‌طور بالقوه امکان استفاده از درایوهای خطی ساده‌تر و ارزان‌تر را فراهم می‌کنند و می‌توانند تراکم میدان هلیوستات‌ها را افزایش دهند.

البته این نوع طراحی هنوز به‌اندازه سایر روش‌ها در پروژه‌های صنعتی مورد استفاده گسترده قرار نگرفته است.

مزایای استفاده از هلیوستات های کوچک در نیروگاه های حرارتی خورشیدی:

همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، به دلیل پیچیدگی زیاد در طراحی و عملکرد هلیوستات‌ها، روندی در صنعت شکل گرفته که به سمت ساده‌سازی طراحی این سیستم‌ها حرکت می‌کند. هدف اصلی این ساده‌سازی، تسهیل فرآیند تولید و نصب، و در عین حال افزایش قابلیت اطمینان است.

در گذشته، رویکرد رایج بیشتر بر افزایش اندازه آینه‌ها متمرکز بود، اما پیشرفت‌های نرم‌افزاری باعث شده‌اند که هلیوستات‌های کوچک‌تر نیز عملکردی قابل‌رقابت داشته باشند.

این نوع هلیوستات‌ها با فناوری‌های پیش‌ساخته‌سازی (Prefabrication) سازگارترند و می‌توان آن‌ها را به‌صورت خودکار و سریع نصب و نگهداری کرد.

یکی از مزایای مهم هلیوستات‌های کوچک، قابلیت مقیاس‌پذیری بهتر در نیروگاه‌هاست. این یعنی می‌توان به‌آسانی ظرفیت نیروگاه را افزایش یا کاهش داد. همچنین، به دلیل طراحی یکپارچه و ماژولار آن‌ها، می‌توان در صورت نیاز از چندین برج دریافت‌کننده در یک میدان بهره گرفت.

البته همچنان هر هلیوستات به درایو و سایر اجزای خود نیاز دارد، اما با توجه به اندازه کوچک این سامانه‌ها، این اجزا نیز سبک‌تر، ارزان‌تر و کم‌مصرف‌تر خواهند بود. این موضوع به‌ویژه در مقابله با بارهای بادی اهمیت دارد، که در هلیوستات‌های بزرگ‌تر چالش‌برانگیزتر است.

با این وجود، هلیوستات‌های بزرگ‌تر همچنان در بسیاری از پروژه‌ها استفاده می‌شوند و تحقیقات زیادی نیز پیرامون آن‌ها انجام شده است. هنوز اجماع مشخصی در صنعت درباره اندازه یا سبک طراحی «بهینه» وجود ندارد.

به نظر می‌رسد که انتخاب نوع طراحی، به شرایط خاص هر سایت از جمله مکان جغرافیایی، منابع در دسترس، آب‌وهوا و غیره بستگی دارد.

این حوزه همچنان پویاست و روند نوآوری و پیشرفت در آن ادامه دارد.

5- روش های مقابله با مشکلات ناشی از وزش باد در طراحی هلیوستات ها:

باد یکی از عوامل کلیدی در طراحی هلیوستات‌ها به شمار می‌رود و تأثیر قابل‌توجهی بر انتخاب اجزای سازه‌ای، طراحی میدان خورشیدی و حتی محل نصب دارد.

وزش باد می‌تواند باعث لرزش یا جابه‌جایی آینه‌ها شود که این موضوع نه‌تنها بازده نوری سیستم را کاهش می‌دهد، بلکه ممکن است تهدیدی جدی برای پایداری سازه ایجاد کند.

اثر باد به شرایط خاص هر سایت بستگی دارد. به همین دلیل، طراحی مناسب نیازمند شبیه‌سازی‌های دقیق بر اساس داده‌های محلی است. این اطلاعات برای تعیین ویژگی‌هایی مانند سختی سازه، مقاومت مصالح و ابعاد اجزا مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در مورد هلیوستات‌های بزرگ‌تر، به دلیل وزن بالاتر، احتمال تغییر شکل یا خمش (deflection) در برابر باد بیشتر است؛ بنابراین لازم است که سازه‌هایی مستحکم‌تر برای آن‌ها طراحی شود تا در برابر وزش‌های روزمره یا طوفان‌های شدید مقاومت کافی داشته باشند.

علاوه بر این، بادهای ناپایدار می‌توانند موجب نوسانات فشاری شوند که به‌مرور زمان باعث خستگی سازه و آسیب به قطعات مختلف می‌شود. به همین دلیل، در شرایطی که سرعت باد از حد معینی بیشتر می‌شود، هلیوستات‌ها به حالتی افقی منتقل می‌شوند که به آن وضعیت ایمن می‌گویند. این موقعیت از آسیب‌های احتمالی جلوگیری می‌کند.

یکی از شاخص‌های کلیدی در این زمینه، سرعت طراحی باد (Design Wind Speed) است که مشخص می‌کند یک هلیوستات تا چه میزان باد را می‌تواند بدون آسیب تحمل کند.

برای تعیین سرعت طراحی باد، ترکیبی از روش‌های مدل‌سازی عددی و آزمایش‌های میدانی به کار گرفته می‌شود. در این فرآیند، بارهای بادی با استفاده از ضرایب بار میانگین و اوج (Mean & Peak Load Coefficients) مشخص می‌گردند؛ این ضرایب بر اساس داده‌های واقعی هر سایت و مشخصات طراحی سیستم استخراج می‌شوند.

در مرحله‌ی مدل‌سازی، معمولاً از ابزارهای پیشرفته‌ای مانند تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و تحلیل المان محدود (FEA) استفاده می‌شود. این تحلیل‌ها با آزمایش‌های فیزیکی در تونل‌های باد تکمیل می‌گردند تا دقت داده‌ها مورد تأیید قرار گیرد و عملکرد سیستم در شرایط واقعی بررسی شود.

اثر اصلی باد بر عملکرد هلیوستات‌ها، عمدتاً در لایه مرزی جو اتفاق می‌افتد؛ جایی که جریان هوا رفتاری آشفته، پیچیده و غیرخطی دارد. مدل‌سازی دقیق این لایه از لحاظ محاسباتی بسیار سنگین است و بازسازی آن در آزمایش‌های تونل باد نیز از جمله چالش‌های فنی جدی محسوب می‌شود.

روشهای کاهش اثرات نامطلوب باد :

• استفاده از موانع بادی (Wind Barriers) برای کاهش شدت جریان در اطراف هلیوستات‌ها
• طراحی آینه‌هایی که در برابر باد به‌صورت کنترل‌شده تغییر شکل می‌دهند و پس از فروکش باد به حالت اولیه بازمی‌گردند.
• بهینه‌سازی آرایش میدان خورشیدی از نظر جهت‌گیری، فاصله‌گذاری بین آینه‌ها و شکل زمین محل نصب.

این حوزه، یکی از زمینه‌های پرتحقیق در صنعت نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) به شمار می‌رود و همچنان به‌عنوان یک موضوع فعال در پژوهش‌های آینده باقی مانده است.

استانداردها، دستورالعمل‌ها و پروتکل‌های آزمون:

در حال حاضر، هیچ مجموعه استاندارد رسمی و جامع بین‌المللی برای طراحی، ساخت و ارزیابی عملکرد هلیوستات‌ها به‌صورت خاص وجود ندارد.

با این حال، مجموعه‌ای از کارشناسان صنعتی و پژوهشگران حوزه انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) در قالب یک شبکه بین‌المللی تحت عنوان SolarPACES ، اقدام به تدوین و انتشار راهنماهایی کرده‌اند که برای آزمون‌های عملکرد هلیوستات‌ها قابل استفاده‌اند.

راهنماهای ارائه‌شده توسط  SolarPACES، شامل تعاریف دقیق پارامترهای عملکردی و نیز انواع مختلف خطاهایی است که می‌توانند کارایی یک هلیوستات را تحت تأثیر قرار دهند.

از جمله این دستورالعمل‌ها، می‌توان به راهنمای اندازه‌گیری بازتاب نور آینه‌های هلیوستات اشاره کرد که به‌منظور ایجاد یک فرآیند استاندارد برای ارزیابی بازده نوری آینه‌ها طراحی شده است.

علاوه بر این، تحقیقات دیگری نیز روی ویژگی‌های بازتابی سطوح آینه و روش‌های مختلف سنجش آن‌ها انجام شده است.

از سوی دیگر، مجموعه‌ای از استانداردهای فنی برای اجزای مختلف نیروگاه‌های CSP نیز تدوین شده که شامل مواردی مانند عملکرد، سایش، فرسودگی و دوام آینه‌ها و دیگر قطعات می‌شود.

با این حال، تمرکز بسیاری از این استانداردها بیشتر بر فناوری‌های با تمرکز خطی (مانند آینه‌های سهموی ناودانی) است تا سامانه‌های تمرکز نقطه‌ای مانند هلیوستات‌ها.

برخی از پروژه‌های پیشرو در حوزه طراحی هلیوستات، با بهره‌گیری از راهنمای  SolarPACES، فرآیند آزمون و ارزیابی عملکرد این تجهیزات را به‌صورت مستند و نظام‌مند ارائه کرده‌اند. این مستندات می‌توانند به‌عنوان نمونه‌های اولیه برای تدوین استانداردهای رسمی در آینده مورد استفاده قرار گیرند.

علاوه بر این، تلاش‌هایی برای تدوین پیش‌نویس استانداردهایی در زمینه ارزیابی عملکرد کلی نیروگاه‌های CSP و مدل‌سازی سیستم‌های خورشیدی متمرکز در حال انجام است.

این اقدامات نشان‌دهنده‌ حرکت صنعت به‌سمت توسعه یک چارچوب استاندارد برای ارزیابی و بهره‌برداری پایدارتر هستند.

با توجه به اینکه طول عمر طراحی‌شده برای اجزای هلیوستات‌ها حدود 30 سال در نظر گرفته می‌شود، انجام آزمون‌های فرسایشی (واقعی یا تسریع‌شده) برای ارزیابی دوام و قابلیت اطمینان اجزای مختلف، ضروری است.

در همین راستا، سازمان AENOR در اسپانیا یک پروتکل استاندارد برای آزمون مواد بازتابی خورشیدی تدوین کرده است و آینه‌های مستعمل بر اساس آن مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند.

یکی از اهداف کلیدی در توسعه فناوری نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی، ایجاد استانداردهای دقیق، یکپارچه و قابل اعتماد در تمامی مراحل، طراحی و تولید تا نصب و بهره‌برداری است.

چنین استانداردسازی‌ای نه‌تنها به کاهش هزینه‌ها کمک می‌کند، بلکه نقش مهمی در افزایش اعتمادپذیری و عملکرد بلندمدت سیستم‌ها ایفا خواهد کرد.

6- انتخاب محل مناسب برای نیروگاه حرارتی خورشیدی از نوع برج انرژی: 

پیش از آغاز ساخت یک نیروگاه حرارتی خورشیدی هلیوستات، لازم است مجموعه‌ای از عوامل زیست‌محیطی، فنی و اقلیمی به‌دقت بررسی شوند تا میزان مناسب بودن محل برای احداث نیروگاه ارزیابی گردد.

یکی از مهم‌ترین معیارها در این فرآیند، میزان نور خورشید قابل استفاده در منطقه است؛ عاملی که در صنعت با عنوان منبع خورشیدی (Solar Resource)  شناخته می‌شود.

این شاخص معمولاً با تابش مستقیم نرمال (DNI) سنجیده می‌شود؛ یعنی مقدار انرژی خورشیدی که به‌صورت مستقیم و عمود بر سطح زمین می‌تابد.

این داده‌ها با دقت بالا و در بازه‌های زمانی منظم اندازه‌گیری می‌شوند و تحت تأثیر عواملی مانند عرض جغرافیایی، الگوهای آب‌وهوایی و میزان ابرناکی آسمان قرار دارند.

عامل مهم دیگر، توپوگرافی زمین است. از آنجا که طراحی میدان هلیوستات‌ها معمولاً برای زمین‌های مسطح و یکنواخت انجام می‌شود، پیدا کردن زمین‌هایی با وسعت کافی و شیب کم برای پروژه‌های بزرگ نیروگاه های حرارتی خورشیدی (به‌ویژه نوع برج نیرو) می‌تواند چالش‌برانگیز باشد.

اگرچه استفاده از پایه‌هایی با ارتفاع متغیر می‌تواند تا حدی شیب زمین را جبران کند، اما این راهکار به پیچیده‌تر شدن طراحی و افزایش هزینه‌های ساخت منجر می‌شود، و در نتیجه تا حد امکان از آن اجتناب می‌شود.

از دیگر چالش‌های مهم زیست‌محیطی می‌توان به تجمع گردوغبار روی سطح آینه‌ها (Soiling) اشاره کرد. مناطق خشک و آفتابی که بهترین شرایط تابش خورشیدی را دارند، اغلب دارای سطح بالایی از گردوغبار نیز هستند.

این موضوع باعث کاهش بازده نوری سیستم و افزایش نیاز به شست‌وشوی مداوم آینه‌ها می‌شود، فرآیندی که معمولاً به مصرف قابل توجهی از آب نیاز دارد. از این رو، دسترسی به منابع آبی پایدار یکی از ملاحظات مهم در انتخاب محل احداث نیروگاه به شمار می‌رود.

علاوه بر موارد بالا، باد نیز یکی از پارامترهای کلیدی در امکان‌سنجی محل است. سرعت و الگوی وزش باد می‌تواند بر پایداری سازه‌ها، هزینه طراحی، انتخاب مصالح و حتی عملکرد نوری سیستم تأثیر بگذارد.

در نهایت، در حالی‌که مناطق خشک و آفتابی به‌طور طبیعی برای نیروگاه حرارتی خورشیدی بسیار مناسب هستند، اما معمولاً با چالش‌هایی نظیر کمبود منابع آب، برق و نیروی انسانی نیز روبه‌رو هستند.

این عوامل همگی باید در مرحله انتخاب مکان و طراحی اولیه به‌صورت جامع مورد ارزیابی قرار گیرند تا از پایداری، بهره‌وری و اقتصادی بودن پروژه اطمینان حاصل شود.

7- مدل‌سازی عملکرد نیروگاه حرارتی خورشیدی با کامپیوتر:

پیش از ساخت یک نیروگاه حرارتی خورشیدی، عملکرد آن با استفاده از شبیه‌سازی‌های دقیق کامپیوتری ارزیابی می‌شود تا از توجیه‌پذیری اقتصادی و فنی پروژه اطمینان حاصل گردد. این مرحله، نقش کلیدی در تصمیم‌گیری برای سرمایه‌گذاری و طراحی دقیق سیستم دارد.

یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای مدل‌سازی عملکرد، استفاده از الگوریتم‌های ردیابی پرتو (Ray Tracing) است. این الگوریتم‌ها، تابش خورشید را به‌صورت مجموعه‌ای از پرتوهای مجزا مدل‌سازی می‌کنند که پس از بازتاب از سطح هلیوستات‌ها، به سمت گیرنده مرکزی (Receiver) هدایت می‌شوند.

با این روش، می‌توان شدت تابش نوری روی دریافت‌کننده را با دقت بالایی پیش‌بینی کرد و در نتیجه، تخمین زد که چه میزان توان خروجی حرارتی یا الکتریکی از طراحی نیروگاه حاصل خواهد شد.

برای انجام این تحلیل‌ها، نرم‌افزارهای تخصصی متعددی وجود دارد که هرکدام قابلیت‌های متفاوتی در دقت، جزئیات و سرعت دارند. با توجه به پیچیدگی بسیار زیاد فرآیند شبیه‌سازی پرتوی خورشید و تعداد بالای عناصر متحرک (مانند هلیوستات‌ها)، این مدل‌سازی‌ها معمولاً نیازمند زمان بالا و منابع پردازشی قدرتمند هستند.

8 - چیدمان میدان و انواع کلکتورهای نور در نیروگاه حرارتی خورشیدی:

طراحی میدان هلیوستات‌ها ارتباط مستقیمی با نوع دریافت‌کننده (Receiver) دارد که در بالای برج خورشیدی قرار می‌گیرد. به‌طور کلی، دریافت‌کننده‌ها در نیروگاه های حرارتی خورشیدی به دو دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند:

1. دریافت‌کننده‌های حفره‌ای (Cavity Receivers):

در این نوع طراحی، پرتوهای بازتاب‌شده‌ی خورشید به سمت یک حفره بسته یا نیمه‌بسته متمرکز می‌شوند که سطوح جاذب در دیواره‌های داخلی آن قرار دارند. این ساختار باعث می‌شود که:

• تابش ورودی به شکل موثرتری جذب شود،
• تلفات حرارتی و نوری کاهش یابد، چرا که نور کمتری از حفره فرار می‌کند،
• و بهره‌وری کلی سیستم افزایش پیدا کند.

با این حال، به دلیل جهت‌دار بودن طراحی، این نوع گیرنده معمولاً با میدان‌های غیرمتقارن از هلیوستات‌ها به کار می‌رود، به‌گونه‌ای که پرتوها تنها از یک جهت مشخص به داخل حفره تابانده شوند.

2. دریافت‌کننده‌های خارجی (External Receivers) :

در این طراحی، سطوح جاذب در بیرون برج قرار دارند و می‌توانند از تمام جهات نور دریافت کنند. این نوع دریافت‌کننده‌ها اجازه می‌دهند که میدان هلیوستات به‌صورت متقارن دایره‌ای در اطراف برج طراحی شود که ممکن است در برخی سایت‌ها مزیت داشته باشد.

با این حال، بازده این طراحی معمولاً پایین‌تر است، زیرا بخشی از تابش خورشیدی که به این سطوح برخورد می‌کند، ممکن است به‌جای جذب شدن، بازتاب شود و به محیط اطراف گم گردد.

نوع دریافت‌کننده‌ای که برای نیروگاه انتخاب می‌شود، نقش تعیین‌کننده‌ای در چیدمان میدان هلیوستات‌ها، زاویه‌های تابش، و نهایتاً بهره‌وری نوری سیستم دارد.

برخی از نیروگاه‌ها برای بهبود عملکرد کلی، از چند دریافت‌کننده در یک میدان واحد استفاده می‌کنند. به عنوان نمونه، نیروگاه خورشیدی Ivanpah در ایالات متحده، از چند برج دریافت‌کننده بهره می‌برد تا بتواند توزیع بهینه‌ای از نور و انرژی داشته باشد و بازده سیستم را افزایش دهد.

9- انتخاب نوع سیال ، کنترل تمرکز نور بر کلکتور و مدیریت شار حرارتی: 

یکی از محدودیت‌های مهم در طراحی نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی، نوع سیال انتقال حرارت (Heat Transfer Fluid یا HTF) به‌کار رفته در سیستم است.

این سیال، نه‌تنها دمای کاری بهینه نیروگاه را تعیین می‌کند، بلکه حداکثر دمای قابل تحمل تجهیزات نیز به آن وابسته است. اگر دمای سیال از نقطه جوش آن (با درنظر گرفتن فشار کاری) فراتر رود، ممکن است به تجهیزات حساس سیستم آسیب جدی وارد شود.

برای غلبه بر این محدودیت، یکی از رویکردهای نوآورانه، استفاده از دریافت‌کننده‌های ذره‌ای جامد (Solid Particle Receivers) است. این دریافت‌کننده‌ها معمولاً از ذرات سرامیکی مقاوم در برابر حرارت استفاده می‌کنند که قادر به تحمل دماهایی بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد هستند.

به‌دلیل مزایای حرارتی قابل‌توجه، این فناوری به‌عنوان یکی از زمینه‌های فعال تحقیق و توسعه در آینده نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی مطرح است.

از طرف دیگر، برای جلوگیری از گرمای بیش از حد در دریافت‌کننده‌ها، لازم است کنترل دقیقی بر میزان انرژی واردشده از سوی هلیوستات‌ها اعمال شود.

در مواقعی که تابش ورودی بیش از حد مجاز باشد، برخی از هلیوستات‌ها به‌صورت موقت از مدار خارج می‌شوند یا پرتو آن‌ها به نقطه‌ای دیگر هدایت می‌شود؛ این وضعیت به‌اصطلاح به عنوان " حالت آماده‌باش" (Standby)  شناخته می‌شود.

یکی از شاخص‌های کلیدی برای مدیریت انرژی ورودی، توزیع شار حرارتی (Flux Distribution) است. این شاخص نشان‌دهنده شدت و نحوه پراکندگی انرژی حرارتی روی سطح دریافت‌کننده است.

اگر این توزیع متعادل نباشد، ممکن است بخش‌هایی از دریافت‌کننده دچار گرمای بیش از حد شده و در مقابل، بخش‌های دیگر کمتر از حد مطلوب گرم شوند؛ پدیده‌ای که می‌تواند کارایی سیستم را کاهش داده و به تجهیزات آسیب برساند.

برای دستیابی به توزیع شار یکنواخت و بهینه، از فرآیندی به نام بهینه‌سازی نقاط هدف (Aimpoint Optimization) استفاده می‌شود. در این فرآیند محاسباتی، موقعیت دقیق نقطه‌ای که هر هلیوستات باید پرتو خود را به آن هدایت کند، طوری تعیین می‌شود که انرژی تابشی به شکل متوازن و مؤثر بر سطح دریافت‌کننده توزیع گردد.

10- نگرانی‌های زیست‌محیطی در نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی:

یکی از انتقادهایی که به نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی نوع برج نیرو (Power Tower) وارد شده و حتی بازتاب رسانه‌ای پیدا کرده، مربوط به مرگ پرندگان در اثر عبور از میدان هلیوستات‌هاست. این نگرانی زیست‌محیطی، توجه نهادهای نظارتی و عموم مردم را به خود جلب کرده است.

البته باید توجه داشت که پرتو خورشیدی بازتاب‌شده از یک هلیوستات به‌تنهایی به‌اندازه‌ای نیست که بتواند به پرنده‌ای آسیب برساند. مشکل زمانی به‌وجود آمد که در حالت آماده‌باش  (Standby)، تعداد زیادی از هلیوستات‌ها به‌طور همزمان پرتوهای خود را به یک نقطه معلق در هوا (اغلب بالای برج) متمرکز کرده بودند.

این تمرکز شدید انرژی در یک نقطه خاص باعث شد منطقه‌ای با شار حرارتی بسیار بالا شکل بگیرد. اگر پرنده‌ای از آن نقطه عبور می‌کرد، ممکن بود دچار سوختگی شدید یا مرگ شود.

با اینکه این مشکل، قابل حل است، برای مثال با تغییر در طراحی نقاط هدف در حالت  standbyاما به‌عنوان نمونه‌ای هشداردهنده از پیامدهای ناخواسته زیست‌محیطی این فناوری شناخته شده و مورد بررسی بیشتر قرار گرفته است.

11- تأثیرات اجتماعی و اقتصادی محلی:

علاوه بر اثرات احتمالی بر حیات‌وحش، اجرای نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی در مقیاس‌های بزرگ می‌تواند تأثیرات اجتماعی و اقتصادی قابل توجهی بر جوامع محلی داشته باشد. این نوع پروژه‌ها معمولاً در مناطق وسیع و نسبتاً بکر پیاده‌سازی می‌شوند، و به همین دلیل ممکن است:

• منابع محلی مانند آب، زمین یا انرژی را تحت فشار قرار دهند؛
• زیرساخت‌های موجود را تحت تأثیر قرار دهند یا نیاز به سرمایه‌گذاری جدید در راه‌ها، برق‌رسانی یا خدمات عمومی ایجاد کنند؛
• باعث جابه‌جایی جمعیت یا تغییر در سبک زندگی جوامع محلی شوند.

از این رو، پیش از اجرای هر پروژه بزرگ نیروگاه حرارتی خورشیدی، لازم است ارزیابی‌های جامع اثرات زیست‌محیطی و اجتماعی انجام شود تا هم از پایداری پروژه اطمینان حاصل شود و هم از حمایت جوامع محلی برخوردار گردد.

12- چیدمان میدان هلیوستات‌ها:

نحوه قرارگیری یا چیدمان هلیوستات‌ها در میدان خورشیدی، یکی از عوامل کلیدی در تعیین کارایی کلی نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی است.

طراحی مناسب میدان می‌تواند به شکل چشم‌گیری بازده نهایی سیستم را افزایش داده و در مقابل، طراحی غیربهینه منجر به تلفات نوری، مشکلات مکانیکی و هزینه‌های اضافی خواهد شد.

انواع میدان هلیوستات‌ها:

میدان‌های خورشیدی معمولاً به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

1- میدان احاطه‌کننده (Surround Field) :

در این نوع آرایش، هلیوستات‌ها در همه جهات اطراف برج مرکزی توزیع می‌شوند. این طراحی امکان جذب نور از تمام جهات را فراهم می‌کند و معمولاً برای دریافت‌کننده‌های خارجی مناسب است.

2- میدان قطبی (Polar Field) :

در این حالت، هلیوستات‌ها فقط در یک طرف برج قرار می‌گیرند، معمولاً در سمت جنوبی در نیمکره شمالی (یا بالعکس). این طراحی بیشتر در کنار دریافت‌کننده‌های حفره‌ای کاربرد دارد که جهت‌دار هستند و فقط از یک سو انرژی دریافت می‌کنند.

الگوهای چیدمان:

چیدمان میدان می‌تواند به‌صورت الگودار (Patterned) یا غیرالگودار انجام شود. یکی از رایج‌ترین الگوهای الگودار، آرایش شعاعی متراکم زیگزاگی (Radial Dense Staggered)  است که بین بازدهی نوری بالا، سادگی اجرا و کاهش سایه‌اندازی تعادل ایجاد می‌کند.

• اهداف بهینه‌سازی چیدمان میدان
• طراحی بهینه میدان باید چندین هدف کلیدی را دنبال کند:
• کاهش تلفات ناشی از سایه‌اندازی و انسداد بین هلیوستات‌ها
• افزایش بهره‌وری اپتیکی از طریق جهت‌گیری مناسب آینه‌ها
• تأمین فضای کافی برای حرکت کامل هر هلیوستات بدون برخورد با دیگر آینه‌ها
• پوشش مؤثر زمین اطراف برج برای استفاده بهینه از فضا و انرژی

بازده کسینوسی و تلفات پرتوی (Spillage):

اگرچه تمام هلیوستات‌ها وظیفه دارند پرتو خورشید را به دریافت‌کننده هدایت کنند، اما همه آینه‌ها بازدهی یکسانی ندارند. معمولاً هلیوستات‌هایی که نزدیک‌تر به برج قرار دارند، عملکرد بهتری از نظر بازده نوری دارند.

این موضوع به پدیده‌ای به نام بازده کسینوسی (Cosine Efficiency) مرتبط است؛ هرچه زاویه تابش نور خورشید نسبت به سطح آینه بیشتر شود، میزان نور مؤثر کمتری بازتاب داده می‌شود.

در هلیوستات‌های دورتر یا آن‌هایی که در ساعات خاصی از روز زاویه نامطلوبی نسبت به خورشید دارند، این پدیده شدیدتر بوده و ممکن است باعث شود بخشی از پرتو بازتاب‌شده خارج از محدوده دریافت‌کننده (Spillage) بیفتد.

در چنین شرایطی، از یک نقطه به بعد، افزایش تعداد هلیوستات‌ها در میدان موجود دیگر توجیه اقتصادی ندارد. در عوض، ممکن است ساخت یک برج جدید و استفاده از چند دریافت‌کننده در یک نیروگاه، گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه‌تر باشد.

اثر چیدمان بر بارهای بادی:

چیدمان میدان هلیوستات تنها بر کارایی نوری تأثیر ندارد؛ بلکه بارهای مکانیکی ناشی از باد نیز شدیداً به آن وابسته‌اند. بنابراین، طراحی بهینه میدان باید ترکیبی از ملاحظات نوری، سازه‌ای و اقتصادی را در نظر بگیرد.

با اینکه مدل‌سازی این فرآیند می‌تواند بسیار پیچیده و نیازمند محاسبات پیشرفته باشد، در عمل بسیاری از پروژه‌ها از الگوهای ساده‌تر و قابل اجرا استفاده می‌کنند تا هزینه‌ها کاهش یابد و ساخت‌وساز تسهیل شود.

13- نصب و کالیبراسیون هلیوستات‌ها:

با توجه به مقیاس گسترده نیروگاه‌های خورشیدی نوع برج، فرآیند نصب هلیوستات‌ها معمولاً زمان‌بر و مستلزم استفاده از نیروی انسانی قابل‌توجهی است. گرچه بخشی از این فرآیند قابلیت اتوماسیون دارد، اما هنوز هم بیشتر مراحل به‌صورت دستی و میدانی انجام می‌شوند.

معمولاً هلیوستات‌ها ابتدا در کارخانه مونتاژ اولیه می‌شوند و سپس به سایت پروژه انتقال می‌یابند. نصب آن‌ها، به‌ویژه در مورد مدل‌های بزرگ‌تر، ممکن است نیاز به ماشین‌آلات سنگین داشته باشد.

از این رو، طراحی‌های ساده و جمع‌وجورتر از مزیت بالاتری برخوردارند، چرا که نصب آن‌ها آسان‌تر، سریع‌تر و از نظر اقتصادی به‌صرفه‌تر است.

فرآیند کالیبراسیون:

پس از نصب هر هلیوستات در محل دقیق خود در میدان خورشیدی، وارد مرحله‌ی کالیبراسیون می‌شویم. این مرحله، معمولاً تمرکز اصلی‌اش بر تنظیم و تطبیق دقیق سیستم ردیابی خورشید است.

نکته‌ی مهم این است که زاویه فَسِت‌ها (سطوح آینه‌ای) و نقطه کانونی آینه‌ها اغلب در کارخانه تنظیم می‌شوند و در میدان قابل تغییر نیستند یا تغییرشان بسیار دشوار و زمان‌بر است.

بنابراین، آنچه در محل نیاز به تنظیم دارد، مکانیزم ردیابی هلیوستات است تا پرتوهای بازتابی با دقت روی دریافت‌کننده متمرکز شوند.

روش‌های کالیبراسیون:

فرآیند کالیبراسیون برای هر هلیوستات به‌صورت مستقل انجام می‌شود. روش‌های مورد استفاده در این زمینه را می‌توان در پنج دسته کلی قرار داد:

• استفاده از دوربین مستقر در سطح زمین
• دوربین نصب‌شده روی برج یا پهپاد  (UAV)
• اندازه‌گیری با سیستم‌های مرکزی مانند لیزر یا رادار
• آشکارسازی مستقیم نقطه کانونی با حسگر یا دوربین نصب‌شده بر روی برج
• دوربین یا حسگر نصب‌شده روی خود هلیوستات

تمام این روش‌ها از قانون بازتاب نور بهره می‌برند و با مقایسه موقعیت واقعی پرتو بازتابی با موقعیت ایده‌آل آن، میزان خطای زاویه‌ای را محاسبه می‌کنند.

روش رایج: سیستم توصیف پرتو  (BCS)

یکی از رایج‌ترین و معتبرترین سیستم‌های کالیبراسیون، سامانه‌ای به نام BCS (Beam Characterization System) است که توسط آزمایشگاه ملی ساندیا (Sandia National Laboratory) توسعه داده شده است.

این سیستم با اندازه‌گیری چگالی شار نوری بازتابی از هلیوستات، می‌تواند انحراف پرتو از موقعیت هدف را با دقت بالایی تشخیص دهد.

بسیاری از تکنیک‌های کالیبراسیون، از نظر مفهومی و فنی، با فناوری‌های دقیق اندازه‌گیری (مترو‌لوژی) هم‌پوشانی دارند و برخی حتی از همان ابزارها بهره می‌برند.

14- عملیات مراقبت و نگهداری در نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی:

اگرچه بخش زیادی از فرآیندهای کنترل در نیروگاه‌های خورشیدی نوع برج انرژی (Power Tower) به‌صورت خودکار انجام می‌شود، اما همچنان نیاز به مداخله انسانی در شرایط خاص یا عملیات دوره‌ای وجود دارد.

اقداماتی مانند راه‌اندازی اولیه، خاموش‌سازی سیستم، تغییر حالت شبانه، یا تنظیمات اضطراری هنگام طوفان، همگی نمونه‌هایی از عملیات‌هایی هستند که به نظارت یا کنترل دستی نیاز دارند.

این تغییرات در وضعیت عملیاتی می‌توانند باعث ایجاد اختلاف میان نتایج مدل‌سازی‌شده و عملکرد واقعی نیروگاه شوند؛ موضوعی که باید از مرحله طراحی در نظر گرفته شود تا سیستم در شرایط واقعی نیز بهینه عمل کند.

15- فرسودگی و استهلاک هلیوستات ها:

با توجه به اینکه هلیوستات‌ها در محیط‌های بسیار سختی مانند بیابان نصب می‌شوند و باید سال ها کار کنند، باید در برابر شرایط آب‌وهوایی، نور شدید خورشید و باد مقاومت بالایی داشته باشند.

با اینکه هلیوستات‌ها قطعات متحرک مکانیکی کمتری نسبت به بسیاری از سیستم‌های دیگر دارند، اما همچنان در معرض فرسودگی تدریجی قرار دارند. این فرسایش می‌تواند بر عملکرد نوری تأثیر بگذارد یا حتی منجر به خرابی اجزا شود.

نمونه‌هایی از استهلاک:

• آینه‌ها ممکن است شفافیت یا بازتاب خود را از دست بدهند، که مستقیماً عملکرد کلی را کاهش می‌دهد.
• محرک‌ها و سیستم‌های حرکتی ممکن است به مرور زمان دچار سایش، اصطکاک یا اختلالات الکتریکی شوند.
• ساختار پشتیبان نیز ممکن است در معرض زنگ‌زدگی یا تغییر شکل ناشی از باد و دما قرار گیرد.

راهکارها:

برای مقابله با این مشکلات، استفاده از پوشش‌های مقاوم در برابر UV، طراحی‌های مقاوم در برابر آب‌و‌هوا، مواد مستحکم‌تر و اتصالات ارتجاعی پیشنهاد شده است.

همچنین، نیاز است که برنامه‌های نگهداری پیشگیرانه (Preventive Maintenance) طراحی و اجرا شود تا از بروز مشکلات جدی در طول زمان جلوگیری گردد.

16- تمیزکاری هلیوستات‌ها : یکی از چالش‌های مهم نیروگاه های حرارتی خورشیدی

یکی از هزینه‌برترین بخش‌های بهره‌برداری در نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی، تمیزکاری آینه‌ها (هلیوستات‌ها) است. آلودگی سطح آینه‌ها به‌دلیل گردوغبار، شن و آلودگی‌های جوی به‌طور مستمر اتفاق می‌افتد و باعث کاهش شدید بازده نوری سیستم می‌شود. به همین دلیل، پاکیزگی سطح آینه‌ها مستقیماً با عملکرد نیروگاه در ارتباط است.

روش‌های متداول تمیزکاری هلیوستات ها:

1- روش‌های بدون تماس:

• اسپری با فشار بالای آب
• پاشش آب غلیظ بدون برخورد مستقیم

2- روش‌های با تماس:

• استفاده از برس یا دستمال همراه با آب
• گاهی همراه با مواد شوینده مخصوص

در برخی مواقع، برای افزایش توان تمیزکاری، از مواد افزودنی شیمیایی استفاده می‌شود. با این حال، لازم است که این مواد به‌گونه‌ای انتخاب شوند که سطح آینه را دچار آسیب نکنند و همچنین آلودگی زیست‌محیطی ایجاد نکنند.

روش‌های جایگزین و نوآورانه:

• تمیزکاری اولتراسونیک
• استفاده از عوامل طبیعی مانند باران یا شبنم
• توسعه پوشش‌های ضد آلودگی  (Anti-Soiling Coatings)

هرچند این روش‌ها جذاب به نظر می‌رسند، اما در عمل هنوز به‌طور گسترده به کار گرفته نمی‌شوند؛ چرا که یا هزینه بالایی دارند، یا از نظر دوام و اثربخشی بلندمدت هنوز اثبات نشده‌اند.

تمیزکاری می‌تواند در سه سطح دستی تا اتوماتیک انجام شود:

• دستی: نیروهای انسانی به‌صورت مستقیم آینه‌ها را تمیز می‌کنند.
• نیمه‌خودکار: با استفاده از ماشین‌آلات سبک یا بازوهای مکانیکی با نظارت انسان.
• کاملاً خودکار: با استفاده از ربات‌ها یا سامانه‌های خودران که کل فرآیند را انجام می‌دهند.

در حال حاضر، بسیاری از نیروگاه‌ها از سامانه‌های نیمه‌خودکار استفاده می‌کنند که توازن مناسبی میان کارایی، هزینه و پیچیدگی فنی ایجاد می‌کند.

با توجه به اینکه در میدان یک نیروگاه حرارتی خورشیدی ممکن است ده‌ها هزار هلیوستات وجود داشته باشد، برنامه‌ریزی برای تمیزکاری آن‌ها باید هوشمندانه، زمان‌بندی‌شده و بهینه‌سازی‌شده باشد.

پیش‌بینی میزان آلودگی، تعیین نقاط بحرانی و انتخاب بهترین زمان و روش برای پاک‌سازی نقش بسیار مهمی در حفظ عملکرد بهینه نیروگاه ایفا می‌کنند.

16- فرسودگی و استهلاک هلیوستات ها:

با توجه به اینکه هلیوستات‌ها در محیط‌های بسیار سختی مانند بیابان نصب می‌شوند و باید سال ها کار کنند، باید در برابر شرایط آب‌وهوایی، نور شدید خورشید و باد مقاومت بالایی داشته باشند.

با اینکه هلیوستات‌ها قطعات متحرک مکانیکی کمتری نسبت به بسیاری از سیستم‌های دیگر دارند، اما همچنان در معرض فرسودگی تدریجی قرار دارند. این فرسایش می‌تواند بر عملکرد نوری تأثیر بگذارد یا حتی منجر به خرابی اجزا شود.

نمونه‌هایی از استهلاک:

• آینه‌ها ممکن است شفافیت یا بازتاب خود را از دست بدهند، که مستقیماً عملکرد کلی را کاهش می‌دهد.
• محرک‌ها و سیستم‌های حرکتی ممکن است به مرور زمان دچار سایش، اصطکاک یا اختلالات الکتریکی شوند.
• ساختار پشتیبان نیز ممکن است در معرض زنگ‌زدگی یا تغییر شکل ناشی از باد و دما قرار گیرد.

راهکارها:

برای مقابله با این مشکلات، استفاده از پوشش‌های مقاوم در برابر UV، طراحی‌های مقاوم در برابر آب‌و‌هوا، مواد مستحکم‌تر و اتصالات ارتجاعی پیشنهاد شده است.

همچنین، نیاز است که برنامه‌های نگهداری پیشگیرانه (Preventive Maintenance) طراحی و اجرا شود تا از بروز مشکلات جدی در طول زمان جلوگیری گردد.

17 - مراحل اجرایی در پروژه‌های نیروگاه حرارتی خورشیدی برج انرژی:

نیروگاه های حرارتی خورشیدی به‌ویژه از نوع برج نیرو، جزو سرمایه‌گذاری‌های بزرگ و پیچیده در حوزه انرژی هستند. اجرای چنین پروژه‌هایی، علاوه بر طراحی دقیق، نیازمند طی کردن مراحل اجرایی متعدد است که هر یک نقشی کلیدی در موفقیت نهایی دارند.

در گام اول، پروژه در سطح مفهومی تعریف می‌شود. پس از آن، مراحل مهمی مانند انتخاب محل مناسب، دریافت مجوزهای قانونی، برگزاری مناقصه، مذاکره با توسعه‌دهندگان، اصلاح طراحی‌ها و تأمین منابع مالی دنبال می‌شود.

سپس، باید زنجیره تأمین مواد و تجهیزات ایجاد و بهینه‌سازی شود. هم‌زمان، انجام آزمایش‌های پذیرش میدانی در مرحله ساخت، ضروری است تا از عملکرد مناسب تجهیزات اطمینان حاصل شود.

بعد از انجام مدل‌سازی عملکرد نیروگاه و دستیابی به تحلیل‌های فنی و اقتصادی قابل قبول، پروژه وارد مرحله بهره‌برداری رسمی می‌شود. این مرحله اغلب شامل توافق‌نامه‌هایی بین مالک و بهره‌بردار و انتقال مسئولیت‌ها است.

در تمامی این مراحل، از طراحی اولیه گرفته تا راه‌اندازی و بهره‌برداری، هلیوستات‌ها و الزامات عملکردی آن‌ها نقش مؤثری دارند؛ درست مانند سایر اجزای کلیدی نیروگاه.

به دلیل مقیاس بزرگ و پیچیدگی بالای پروژه‌های نیروگاه های حرارتی خورشیدی ، پیاده‌سازی موفق آن‌ها نیازمند هماهنگی نزدیک میان گروه‌های فنی، مدیریتی، حقوقی و تأمین‌کننده‌ها است.

همچنین، مستندسازی چالش‌ها و تجربه‌های گذشته در پروژه‌های اجراشده می‌تواند به ساده‌تر شدن مسیر پروژه‌های آینده کمک شایانی کند.

18- مترولوژی (اندازه‌گیری دقیق) در نیروگاه های حرارتی خورشیدی:

در نیروگاه‌های خورشیدی نوع برج، دقت در ردیابی و عملکرد نوری هلیوستات‌ها نقش بسیار مهمی در کارایی کلی سیستم ایفا می‌کند. حتی خطاهای جزئی در زاویه‌ی تابش یا جهت‌گیری آینه‌ها می‌توانند باعث کاهش چشمگیر بازده نوری شوند و در نهایت روی قیمت تمام‌شده برق (LCOE) تأثیر بگذارند.

در بسیاری از موارد، بهبود عملکرد اپتیکی هلیوستات‌ها، تأثیری بیشتر از کاهش هزینه‌های ساخت یا زیرساختی در پایین آوردن LCOE دارد. از همین رو، مترولوژیُ یعنی علم و فناوری اندازه‌گیری دقیقُ به‌عنوان یکی از حوزه‌های کلیدی در طراحی، ساخت و اجرای این سیستم‌ها شناخته می‌شود.

این اندازه‌گیری‌ها هم در مرحله ساخت در کارخانه و هم در محل نصب (in-situ) انجام می‌گیرند و شامل بررسی دقیق زاویه‌ها، موقعیت کانونی، و دقت عملکرد ردیابی هستند.

19- بررسی خطای عملکرد هلیوستات ها:

خطاهای عملکرد هلیوستات‌ها تنها به فرآیند ساخت، نرم‌افزار یا کالیبراسیون محدود نمی‌شوند؛ عوامل محیطی نیز می‌توانند نقش چشمگیری در ایجاد اختلال داشته باشند.

یکی از مهم‌ترین این عوامل، تضعیف جوی (Atmospheric Attenuation) است؛ یعنی جذب یا پراکندگی پرتوهای خورشید در جو به دلیل وجود ذرات معلق.

شدت این پدیده بسته به شرایط جغرافیایی متغیر است و در برخی موارد حالت گذرا دارد. به همین دلیل، حتی در یک میدان خورشیدی که به‌طور کامل کالیبره شده باشد نیز می‌تواند منبع خطا باشد.

عامل مهم دیگر، آلودگی سطح آینه‌ها (Soiling) است. گردوغبار و ذرات معلق روی سطح آینه‌ها باعث پراکندگی و جذب بخشی از نور خورشید شده و در نتیجه راندمان سیستم کاهش می‌یابد.

هرچند اجرای برنامه‌های منظم شست‌وشوی هلیوستات‌ها تا حد زیادی این مشکل را کنترل می‌کند، اما پایش مداوم میزان آلودگی ضروری است تا نرخ تجمع گردوغبار مشخص شود.

از دیگر منابع خطا می‌توان به افتادگی ناشی از گرانش (Gravitational Sag)، نشست پی (Foundation Settling) و سایر تنش‌های مکانیکی اشاره کرد.

این عوامل در طول زمان ممکن است موجب انحراف در عملکرد شوند. به همین دلیل، نظارت مستمر بر وضعیت هلیوستات‌ها در سراسر عمر نیروگاه های حرارتی خورشیدی ضروری است تا کارایی مطلوب آن حفظ گردد.

20- روش‌ها و تکنیک‌های مترولوژی نیروگاه های هلیوستات:

برای سنجش خطاهای نوری هلیوستات‌ها، مجموعه‌ای از روش‌های مترولوژی وجود دارد. بخشی از این روش‌ها در مرحله ساخت و در محیط‌های کنترل‌شده به‌کار می‌روند، و بخشی دیگر پس از نصب و کالیبراسیون، در محیط واقعی (in-situ) انجام می‌شوند. ترکیب این دو دسته روش برای دستیابی به دقت اپتیکی مورد نیاز، ضروری می باشد.

مترولوژی در مرحله ساخت:

در کارخانه و پیش از انتقال هلیوستات به محل نیروگاه، فَسِت‌ها کانتینگ و کانون‌گذاری می‌شوند. به همین دلیل بیشتر آزمون‌های تضمین کیفیت در محیط‌های آزمایشگاهی و با تجهیزات دقیق صورت می‌گیرد.

یکی از روش‌های رایج و دقیق، بازتاب نور ساختاریافته (Structured Light Reflection) یا دفلکتومتری (Deflectometry) است. در این روش، الگوی نوارهای موج سینوسی با اختلاف فاز روی یک صفحه‌نمایش ایجاد می‌شود.

سپس دوربین، این الگو را به‌صورت بازتاب‌شده در سطح آینه ثبت می‌کند. هرگونه اعوجاج در تصویر بازتاب، مبنایی برای محاسبه انحراف شکل آینه نسبت به طراحی ایده‌آل است.

نرم‌افزار SOFAST که توسط آزمایشگاه ملی Sandia توسعه یافته، بر اساس همین تکنیک کار می‌کند و از دقت بالایی برخوردار است. ابزارهای مشابه دیگری نیز وجود دارند، از جمله AIMFAST (نسخه توسعه‌یافته SOFAST که داده‌ها را به‌صورت خودکار جمع‌آوری می‌کند، امکان هم‌راستاسازی لحظه‌ای دارد و حتی تصحیح زاویه آینه را در زمان واقعی ممکن می‌سازد) و Qdec از مرکز DLR که برای کنترل دقت شکل سطوح بازتابی و متمرکزکننده‌ها به‌کار می‌رود.

در کنار این ابزارها، استفاده از پروژکتورهای لیزری نیز رایج است. این پروژکتورها می‌توانند خطاهای شیب را به‌صورت نقطه‌به‌نقطه اندازه‌گیری کرده و نقشه‌های دقیق از یک فَسِت یا کل هلیوستات ارائه دهند.

با وجود دقت بسیار بالای این روش‌ها، باید توجه داشت که کاربرد آن‌ها محدود به شرایط آزمایشگاهی یا کارخانه‌ای است و امکان استفاده مستقیم از آن‌ها در میدان و در محل نصب وجود ندارد.

21- انواع اندازه‌گیری و منابع خطا:

در یک میدان هلیوستات، مهم‌ترین هدف در ارزیابی عملکرد، کنترل دقیق پرتو یا شار نوری روی سطح گیرنده است؛ به‌گونه‌ای که بیشترین بازده به دست آید و کمترین تلفات رخ دهد.

عوامل متعددی در این کنترل نقش دارند، از جمله:

شکل خورشید (Sun Shape)

• زاویه تابش یا موقعیت خورشید نسبت به هلیوستات
• شکل هندسی هلیوستات
• تضعیف جوی  (Atmospheric Attenuation)
• بازتابش آینه‌ای وزنی‌شده با طیف خورشید  (Solar-Weighted Specular Reflectance)
• خطاهای اپتومکانیکی شامل خطای شیب، کانتینگ و ردیابی
• عوامل محیطی و سازه‌ای مانند آلودگی، تنش‌های مکانیکی، بارهای بادی، نوع پوشش آینه و هندسه گیرنده

برای هر کدام از این عوامل، ابزارها و تکنیک‌های خاصی جهت اندازه‌گیری وجود دارد.

الف- شکل خورشید (Sun Shape):

برای سنجش شکل خورشید از دوربین‌های CCD و پایرهلیومترها استفاده می‌شود. این ویژگی بر اساس اندازه قرص خورشید یا فاصله زاویه‌ای مرکز تا لبه آن تعریف می‌شود و تعیین‌کننده توزیع شار ورودی است. تغییرات موقعیت خورشید می‌تواند شکل قرص را تغییر داده و باعث خطا در اندازه‌گیری شود.

ب- خطاهای اپتومکانیکی:

این دسته شامل ترکیبی از خطاهای نوری و مکانیکی در فرآیند ردیابی هلیوستات است.

ج- شکل هندسی هلیوستات:

برای بررسی شکل هندسی، از اسکن لیزری، فوتوگرامتری و تکنیک‌های سه‌بعدی مانند LiDAR استفاده می‌شود. نمونه‌ی LiDAR توسعه‌یافته توسط Sandia  می‌تواند سطح آینه را با دقت بالا شناسایی و خطاهای نوری آن را تحلیل کند.

روش‌های دیگر عبارت‌اند از:

• ReTNA (NREL) : برای سنجش شیب سطح و خطاهای کانتینگ با فوتوگرامتری
• Deflectometry : برای اندازه‌گیری دقیق شیب سطح
• فوتوگرامتری چندتصویری: گرفتن عکس از زوایای مختلف و استخراج مدل سه‌بعدی
• روش‌های Hartman و ابزارهای SHOT و VSHOT (Sandia  و  NREL): برای تعیین شکل سطح و عملکرد اپتیکی متمرکزکننده‌ها

د- بازتابش آینه‌ای وزنی‌شده با طیف خورشید:

این ویژگی با رفلکتومترها (مانند دستگاه دستی  Solar 410) سنجیده می‌شود. این ابزارها قابل حمل بوده و امکان ارزیابی بازتاب سطح آینه را در محل فراهم می‌کنند.

ن- تضعیف جوی (Atmospheric Attenuation):

وقتی پرتو بازتابی مسافت طولانی‌تری در جو طی می‌کند، ذرات معلق مانند گردوغبار بخشی از آن را جذب یا پراکنده می‌کنند. هنوز استاندارد مشخصی برای سنجش این پدیده در CSP وجود ندارد، اما روش‌های نوین در حال توسعه هستند.

و- مترولوژی در محل (In-Situ): 

روش‌های in-situ دامنه گسترده‌ای دارند:

• ساده‌ترین ابزارها شامل بلوک‌های مکانیکی و شیب‌سنج‌های الکترونیکی هستند (کند برای مقیاس نیروگاه).
• روش‌های مبتنی بر دوربین و هدف مانند Camera Look-Back که با نصب دوربین روی برج، موقعیت آینه‌ها کالیبره می‌شود.
• روش‌های دیگر با نصب دوربین ثابت روی برج و استفاده از الگوهای هدف‌دار، امکان محاسبه خطاهای زاویه‌ای را فراهم می‌کنند.

ه- ابزارهای مبتنی بر پهپاد (Drone-Based):

دو فناوری نوآورانه عبارت‌اند از:

• U-FACET (Sandia) : از بازتاب یک هلیوستات روی هلیوستات دیگر برای محاسبه موقعیت و هندسه آینه استفاده می‌کند و حتی در زمان عملکرد نیروگاه نیز قابل اجراست.
• NIO (NREL) : با نصب دوربین روی پهپاد، از هلیوستات‌های فعال تصویربرداری کرده و با پردازش تصویر و فوتوگرامتری، سه نوع خطا (شیب، کانتینگ و ردیابی) را به‌طور هم‌زمان می‌سنجد.

ی- ابزارها و نرم‌افزارهای مکمل:

• رفلکتومترها و اسپکتروفتومترها: برای سنجش بازتاب سطحی (وابسته به طول موج و زاویه تابش).
• سیستم BCS : برای کالیبراسیون نوری (با دقت کمتر).
• نرم‌افزارها:

• SolTrace : رهگیری پرتو و مدل‌سازی اپتیکی
• DelSol : بهینه‌سازی طراحی میدان بر اساس هزینه انرژی
• Solergy : شبیه‌سازی عملکرد سالانه نیروگاه CSP 
• SAM (System Advisor Model – NREL) : مدل‌سازی سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر و تحلیل اقتصادی

این ابزارها به مهندسان و توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند تا پروژه‌ها را امکان‌سنجی، شبیه‌سازی و بهینه‌سازی کرده و بهترین مکان‌ها برای احداث نیروگاه‌های CSP را انتخاب کنند.

✳️ سایر کاربردهای هلیوستات ها و برج خورشیدی:

هلیوستات‌ها فقط در نیروگاه‌های خورشیدی کاربرد ندارند؛ این فناوری در حوزه‌های دیگری نیز مورد استفاده قرار گرفته است:

1- مطالعات نجومی:

در پروژه‌های تلسکوپی بزرگ، به جای آنکه خود تلسکوپ حرکت کند، یک آینه کمکی کوچک‌تر (مانند هلیوستات) مسیر نور را ردیابی و به تلسکوپ ثابت هدایت می‌کند. این روش هم مقرون‌به‌صرفه‌تر است و هم از نظر فنی ساده‌تر و عملی‌تر محسوب می‌شود.

2- کاربردهای شهری:

در شهر سیدنی، استرالیا، نمونه‌ای خلاقانه از این فناوری به کار گرفته شده است. در میدان  One Central Park، هلیوستات‌هایی روی ساختمان‌ها نصب شده‌اند تا نور خورشید را به کوچه‌ها و فضاهای بین ساختمان‌های بلند بازتاب دهند؛ فضاهایی که به‌طور طبیعی هیچ‌گاه نور مستقیم خورشید دریافت نمی‌کنند.

3- کوره خورشیدی فرانسه (Odeillo) :

از سال 1969 تاکنون، یک میدان پلکانی از هلیوستات‌ها در فرانسه نور خورشید را به یک آینه سهموی هدایت می‌کند. این آینه، پرتوها را متمرکز کرده و به یک برج تحقیقاتی می‌فرستد؛ جایی که امکان آزمایش مواد در دمای بسیار بالا (بیش از 2500 درجه سانتی‌گراد) فراهم است.

4- تحقیقات فضایی:

پژوهش‌هایی نیز درباره استفاده از فناوری برج خورشیدی در ماه در حال انجام است. هدف این مطالعات، تولید هیدروژن در خارج از جو زمین و ایجاد امکان سوخت‌گیری فضاپیماها در فضا است، بدون آنکه نیاز به بازگشت به زمین وجود داشته باشد.

با وجود این کاربردهای متنوع، همچنان تمرکز اصلی تحقیق و توسعه هلیوستات‌ها بر نیروگاه‌های CSP باقی مانده است. با پیشرفت‌های آینده، می‌توان انتظار داشت که این فناوری کارآمدتر شود و دامنه کاربردهای آن فراتر رود.

منبع : heliocon.org

• بر اساس مقاله آقای Mackenzie Dennis
• آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر آمریکا، مارس 2022

 

✳️ در صورتی که به نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک نیز علاقه مندید، نیروگاه های 100 و 200 کیلوواتی و 1 و 3 و 10 مگاواتی ظرفیت های محبوب نیروگاه های فتوولتائیک هستند که میتوانید اطلاعات تخصصی آنها منجمله درامد و هزینه آنها را در صفحات زیر مطالعه نمایید.

🔗 طرح توجیهی نیروگاه خورشیدی 3 مگاواتی (براورد درامد و هزینه احداث)

🔗 طرح توجیهی نیروگاه خورشیدی 1 مگاواتی (جهت مجوز و وام)

🔗 طرح توجیهی نیروگاه خورشیدی 200 کیلووات (براورد درامد و هزینه تجهیزات)

🔗 طرح توجیهی نیروگاه خورشیدی 10 مگاواتی (برآورد هزینه تجهیزات + درامد)

🔗 طرح توجیهی نیروگاه خورشیدی 100 کیلووات (براورد درامد و هزینه تجهیزات)

 

✍️جهت تهیه مطالعات بازار و طرح توجیهی نیروگاه هلیوستات ، با اطلاعات کاملا به روز با فرمت Word و PDF و با گزارشگیری نرم افزار کامفار، جهت اخذ جواز تاسیس یا وام و تسهیلات بانکی با ما تماس بگیرید.

---

📚 دانلود فایل های بیزینس پلن و طرح توجیهی نیروگاه حرارتی خورشیدی ( نیروگاه هلیوستات و برج انرژی)

---

✍️ توجه: کلیه ی طرح های تیپ یا آماده، صرفا کاربرد مطالعاتی و تحقیقاتی داشته و جهت اخذ مجوز و یا تسهیلات و وام بانکی مناسب نمیباشند. جهت تهیه طرح توجیهی با کاربرد اجرایی و بانکی با ما تماس بگیرید.

فایل طرح توجیهی تیپ نیروگاه حرارتی خورشیدی هلیوستات ، در آینده در این قسمت جهت دانلود کاربران قرار خواهد گرفت.