Bu araşdırma konsentrləşdirilmiş günəş enerjisi stansiyalarında, yəni Concentrating Solar Power (CSP) sistemlərində ən kritik problemlərdən biri olan su istehlakı ilə elektrik istehsalı performansı arasındakı tarazlığı araşdırır. CSP stansiyaları günəş enerjisini yalnız ani elektrik istehsalı üçün deyil, həm də termal enerji kimi saxlamaq və lazım olduqda istehsalı yönləndirmək potensialına görə aşağı karbonlu enerji sistemləri üçün vacib hesab olunur. Lakin bu stansiyaların çoxu yüksək günəşlənmə olan, yəni çox vaxt quraq və yarımquraq bölgələrdə qurulur. Bu isə mühüm ziddiyyət yaradır: günəş resursu güclüdür, amma su qıtdır.

Araşdırma İspaniyadakı 50 MWe Enerstar–Villena parabolik nov tipli CSP stansiyası üzərində aparılmış modelləşdirmə və retrofit qiymətləndirməsinə əsaslanır. Stansiyanın mövcud soyutma sistemi klassik yaş soyutma qülləsi , yəni Wet Cooling Tower (WCT) sistemidir. Yaş soyutma termodinamik səmərəlilik baxımından güclüdür; lakin soyutma zamanı əhəmiyyətli miqdarda su buxarlandırır. Araşdırmanın əsas məqsədi mövcud yaş soyutma sisteminə bir hava ilə soyudulan istilik dəyişdiricisi , yəni Air-Cooled Heat Exchanger (ACHE) əlavə edilərsə stansiyanın nə qədər suya qənaət edə biləcəyini və bunun elektrik istehlakı ilə istismar xərclərinə necə təsir göstərəcəyini müəyyən etməkdir.

Araşdırma iki fərqli kombinə edilmiş yaş/quru soyutma arxitekturasını müqayisə edir. Birincisi ardıcıl konfiqurasiyadır. Bu quruluşda su əvvəlcə ACHE-dən keçirilərək hava ilə ilkin soyudulur, sonra qalan istilik yükü yaş soyutma qülləsində xaric edilir. İkincisi paralel konfiqurasiyadır. Bu quruluşda su axını iki qola bölünür; bir hissəsi ACHE-yə, qalan hissəsi WCT-yə göndərilir və çıxışlar sonra qarışdırılır. Paralel quruluşda ACHE-yə ayrılan sərf nisbəti %0 ilə %100 arasında %5 addımlarla dəyişdirilərək ən uyğun iş nöqtələri araşdırılıb.

Araşdırmanın ən mühüm nəticəsi budur: hər iki kombinə edilmiş soyutma sistemi mövcud yaş soyutma qülləsi ilə müqayisədə buxarlanma mənşəli su istehlakını azaldır; lakin bunu fərqli əvəzlərlə edir. Ardıcıl konfiqurasiya illik buxarlanan su istehlakını %32,14 azaldaraq ən böyük su qənaətini təmin edib. Bunun qarşılığında ACHE ventilyatorlarının elektrik istehlakı səbəbindən köməkçi elektrik tələbi nəzərəçarpacaq dərəcədə artıb. Paralel konfiqurasiya isə daha mülayim su qənaəti təmin edib, illik buxarlanan su istehlakını mövcud sistemin %88,25 səviyyəsinə endirib, yəni təxminən %11,75 azaldıb. Lakin paralel sistemin elektrik cəriməsi daha aşağı, əməliyyat çevikliyi isə daha yüksəkdir.

İqtisadi təhlil hansı soyutma sisteminin daha uyğun olduğunun yalnız texniki su qənaətinə baxmaqla müəyyən edilə bilməyəcəyini göstərir. Su bahalı, elektrik ucuz olduqda quru soyutmanın payı daha cəlbedici olur. Elektrik bahalı olduqda isə ACHE ventilyatorlarının əlavə istehlakı, xüsusilə ardıcıl konfiqurasiyanı iqtisadi baxımdan çətinləşdirir. Buna görə araşdırma kombinə edilmiş soyutma arxitekturalarının yalnız “neçə kubmetr suya qənaət edir?” sualı ilə deyil, eyni zamanda su qiyməti, elektrik qiyməti, iqlim şəraiti, quraqlıq riski, tənzimləmələr və stansiyanın əməliyyat dayanıqlılığı baxımından qiymətləndirilməli olduğunu müdafiə edir.

Araşdırmanın əsas problemi nədir?

Bu tədqiqatın mərkəzində günəş enerjisi stansiyalarının gələcəyi üçün çox vacib su-enerji ziddiyyəti dayanır. CSP stansiyaları günəş şüalarını güzgülərlə cəmləşdirərək istilikdaşıyıcı mayeni qızdırır. Bu istilik daha sonra buxar çevrimi vasitəsilə elektrik istehsal etmək üçün istifadə olunur. Bu baxımdan CSP fotovoltaik panellərdən fərqlənir. Fotovoltaik sistemlər günəş işığını birbaşa elektrik enerjisinə çevirdiyi halda, CSP sistemləri termal elektrik stansiyası kimi işləyir.

CSP-nin böyük üstünlüyü termal enerji saxlama ilə birlikdə işləyə bilməsidir. Beləliklə, günəş olduqda istilik saxlanıla və elektrik istehsalı tələbatın yüksək olduğu saatlara keçirilə bilər. Bu, enerji sistemlərində “dispatchability”, yəni istehsalı tələbat anına uyğun yönləndirmək baxımından çox dəyərlidir. Lakin CSP stansiyaları termal çevrimdən istifadə etdiyinə görə klassik buxar çevrimli stansiyalarda olduğu kimi kondensatorda istiliyi xaric etməlidir. Bu istiliyin xaric edilməsi də əksər hallarda soyutma sistemi vasitəsilə həyata keçirilir.

Buradakı əsas problem budur: ən səmərəli soyutma üsullarından biri yaş soyutmadır, lakin yaş soyutma suyu buxarlandırır. CSP stansiyaları isə adətən yüksək birbaşa normal şüalanma, yəni DNI alan, günəş resursunun güclü olduğu quraq və yarımquraq bölgələrdə qurulur. Bu bölgələrdə su onsuz da qıtdır. Buna görə stansiya nə qədər səmərəli elektrik istehsal etmək istəyirsə, bir o qədər çox su istehlakı riski yaranır. Bu araşdırma məhz bu qarşıdurmanı həll etməyə çalışır: CSP stansiyasında su istehlakını azaltmaq, eyni zamanda elektrik istehsalı performansını və istismar xərclərini qəbul edilə bilən səviyyədə saxlamaq mümkündürmü?

CSP texnologiyası niyə hələ də vacibdir?

Araşdırma qlobal elektrik tələbatının artdığı dövrdə CSP-nin enerji sistemindəki yerini müzakirə etməklə başlayır. Elektrikləşmə, həyat səviyyəsinin yüksəlməsi, şəhərləşmə, məlumat mərkəzləri və süni intellekt infrastrukturu elektrik tələbatını artırır. Külək və fotovoltaik günəş enerjisi bu keçiddə çox vacib olsa da, hava şəraitindən asılı və birbaşa yönləndirilə bilməyən mənbələrdir. Buna görə elektrik sistemləri yalnız ucuz bərpa olunan istehsala deyil, həm də çevik, saxlanıla bilən və tələb saatlarına uyğunlaşdırıla bilən istehsal texnologiyalarına ehtiyac duyur.

CSP burada xüsusi mövqeyə malikdir. Çünki termal enerji saxlama ilə birlikdə işlədikdə günəş enerjisini elektrik istehsalı saatından ayıra bilir. Bu, xüsusilə axşam saatlarında artan tələbatı qarşılamaq üçün vacibdir. Fotovoltaik istehsalın günorta yüksək olub axşam azalması elektrik sistemlərində “duck curve” kimi tanınan xalis yük əyrisini yaradır. CSP termal saxlama sayəsində bu əyrinin tarazlaşdırılmasına kömək edə bilər.

Lakin CSP-nin iki böyük çətinliyi var. Birincisi onun maya dəyəridir. CSP-nin səviyyələndirilmiş elektrik dəyəri bir çox fotovoltaik və külək layihəsinə nisbətən yüksək qala bilər. İkincisi isə su istehlakıdır. Bu araşdırma xüsusi olaraq ikinci çətinliyə, yəni soyutma sistemlərindən yaranan su istifadəsinə fokuslanır.

Enerstar–Villena CSP stansiyası niyə seçilib?

Araşdırmanın real sahə əsası İspaniyanın Villena bölgəsində yerləşən Enerstar–Villena CSP stansiyasıdır. Bu stansiya 50 MWe gücündə, parabolik nov kollektorlu günəş termal elektrik stansiyasıdır. Stansiyada termal enerji saxlama yoxdur. Yəni günəşdən alınan istilik birbaşa güc çevriminə ötürülür və elektrik istehsalı günəş resursundan daha birbaşa asılıdır.

Stansiyanın ümumi 339.506 m² apertur sahəsinə malik günəş sahəsi var. Günəş sahəsi 105 loop və 420 solar concentrator assembly, yəni SCA ehtiva edir. İstilikdaşıyıcı maye kimi Dowtherm A istifadə edilir və qəbuledici tərəfdə təxminən 293 °C giriş və 393 °C çıxış temperaturu ilə işləyir. Güc bloku yenidən qızdırmalı buxar Rankine çevriminə əsaslanır və təxminən 100 bar təzyiqdə işləyir.

Stansiyanın mövcud soyutma sistemi üçhüceyrəli əksaxınlı, məcburi soruşlu yaş soyutma qülləsidir. Layihə istilik yükü 91,44 MW, ümumi dövriyyə suyu sərfi 2230 kg/s, layihə quru termometr temperaturu 28,4 °C, nisbi rütubət %70 və yaş termometr temperaturu 24 °C olaraq verilib. Bu texniki məlumatlar araşdırmanın abstrakt model deyil, real stansiya retrofit problemi üzərində qurulduğunu göstərir.

PDF-dəki Şəkil 1 nə göstərir?

PDF-nin 6-cı səhifəsindəki Figure 1 Enerstar–Villena stansiyasının günəş sahəsinin yerləşməsini və güc blokunun böyüdülmüş görünüşünü göstərir. Şəkildə günəş sahəsinin beş alt sahə şəklində təşkil edildiyi, kollektor sahələrinin geniş əraziyə yayıldığı və güc blokunun ayrıca mərkəzdə yerləşdiyi görünür.

Bu şəkil CSP stansiyasının sadəcə bir neçə paneldən ibarət sadə sistem olmadığını göstərir. Parabolik nov kollektorları, istilikdaşıyıcı maye dövrəsi, buxar çevrimi, turbin, kondensator və soyutma sistemi birlikdə işləyən böyük termal enerji infrastrukturu yaradır. Soyutma sistemindəki dəyişiklik yalnız köməkçi avadanlıq dəyişikliyi deyil, stansiyanın su istehlakına, elektrik istehlakına və iş çevikliyinə birbaşa təsir edir.

SAM modeli araşdırmada nə üçün istifadə olunur?

Araşdırmada stansiyanın illik enerji performansını modelləşdirmək üçün System Advisor Model (SAM) istifadə olunub. SAM NREL tərəfindən hazırlanmış və xüsusilə bərpa olunan enerji sistemlərinin texniki-iqtisadi performansını təhlil etmək üçün istifadə edilən modelləşdirmə vasitəsidir. CSP sistemlərində günəş sahəsi, güc bloku, meteoroloji məlumatlar, istehsal profili və illik performans kimi bir çox çıxışı hesablaya bilir.

Araşdırmada 2024-cü ilin meteoroloji məlumatları və Enerstar–Villena stansiyasının texniki xüsusiyyətləri SAM modelinə daxil edilib. SAM nəticələrinə görə stansiyanın illik bruto elektrik istehsalı təxminən 94.694 MWh, şəbəkəyə verilən elektrik təxminən 79.088 MWh, tutum əmsalı %18,1 və su istehlakı 277.443 m³ olaraq göstərilib.

Lakin araşdırma SAM nəticələrini olduğu kimi qəbul etmir. Əksinə, SAM-in xüsusilə su istehlakı hesablamalarında mühüm məhdudiyyətlərinin olduğunu göstərir. SAM enerji istehsalını kifayət qədər yaxşı modelləşdirə bildiyi halda, yaş soyutma qülləsindəki buxarlanma itkilərini ətraf mühit şəraitinə kifayət qədər həssas şəkildə hesablaya bilmir. Buna görə araşdırma SAM-in enerji modelini saxlayır, lakin soyutma sistemi və su istehlakı üçün Matlab daxilində daha fiziki model qurur.

Şəkil 2 və Şəkil 3 nə göstərir?

PDF-nin 8-ci səhifəsindəki Figure 2 Enerstar–Villena stansiyasının 2024-cü il üçün SAM illik performans xülasəsini göstərir. Şəkildə illik istehsal, tutum əmsalı və su istehlakı kimi əsas nəticələr təqdim olunur. Bu, araşdırmanın başlanğıc istinad nöqtəsini yaradır.

PDF-nin 9-cu səhifəsindəki Figure 3 isə SAM simulyasiyasından alınan əsas enerji axınlarını Sankey diaqramı kimi göstərir. Sankey diaqramlarında axınların qalınlığı enerji miqdarını təmsil edir. Bu şəkil günəş sahəsindən güc blokuna, köməkçi istehlaklardan şəbəkəyə verilən xalis elektrikədək enerji axınının necə bölüşdürüldüyünü göstərmək baxımından vacibdir. Araşdırmanın sonrakı hissələrində ACHE ventilyatorlarının əlavə elektrik istehlakı müzakirə edilərkən bu enerji balansı məntiqi mühüm fon yaradır.

SAM enerji istehsalını nə dərəcədə yaxşı modelləşdirir?

Araşdırma SAM modelinin enerji istehsalı baxımından etibarlı olduğunu göstərmək üçün 2024-cü ilin real istismar məlumatları ilə doğrulama aparıldığını bildirir. Doğrulama mənfi parazitik istehlak saatlarını istehsal saatları ilə qarışdırmamaq üçün yalnız şəbəkəyə müsbət elektrik verildiyi saatlar əsasında aparılıb.

Bu fərq aşağıdakı tənliklə ifadə olunur:

\[ E_{\mathrm{grid,total}} = E_{\mathrm{grid,>0}} + E_{\mathrm{grid,<0}} \]

Araşdırmadakı ədədi bölgü belədir:

\[ 82\,383 \, \mathrm{MWh} = 88\,453 \, \mathrm{MWh} - 6\,070 \, \mathrm{MWh} \]

Burada \(E_{\mathrm{grid,total}}\) ümumi şəbəkə elektrik balansını, \(E_{\mathrm{grid,>0}}\) istehsal saatlarında şəbəkəyə verilən müsbət elektriki, \(E_{\mathrm{grid,<0}}\) isə istehsal olmayan saatlarda sabit köməkçi istehlaklardan yaranan mənfi töhfəni ifadə edir.

Doğrulama nəticələri kifayət qədər güclüdür. SAM modelinin illik elektrik istehsalı üçün MAPE dəyəri %1,06, aylıq miqyasda orta MAPE dəyəri %2,23 olaraq verilib. Tutum əmsalı xətaları aylıq miqyasda %1,06 RMSE, gündəlik miqyasda %3,36 RMSE səviyyəsindədir. Bundan əlavə, 2990 istismar saatının 2457-si ±%10 MAPE intervalında qalıb. Bu nəticələr SAM-in stansiyanın enerji tərəfini yaxşı təmsil etdiyini göstərir.

Su istehlakı niyə SAM ilə kifayət qədər yaxşı hesablana bilmir?

SAM enerji istehsalı baxımından uğurlu olsa da, araşdırma su istehlakı tərəfdə SAM-in daha zəif olduğunu göstərir. Bunun səbəbi SAM-in yaş soyutma qülləsindəki buxarlanma itkilərini sadələşdirilmiş enerji balansı ilə hesablamasıdır. SAM-də buxarlanan su sərfi aşağıdakı düsturla verilir:

\[ \dot{m}_{\mathrm{evap}} = \frac{\dot{Q}_{\mathrm{rej}}}{\Delta h_{\mathrm{evap}}} \]

Burada \(\dot{m}_{\mathrm{evap}}\) buxarlanan suyun kütlə sərfini, \(\dot{Q}_{\mathrm{rej}}\) xaric edilməli istilik yükünü, \(\Delta h_{\mathrm{evap}}\) isə suyun buxarlanma entalpiyası fərqini ifadə edir. Bu düstur sadə və faydalıdır; lakin yaş soyutma qülləsindəki real istilik və kütlə ötürülməsini tam təmsil etmir.

Real soyutma qülləsində buxarlanma yalnız ümumi istilik yükündən asılı deyil. Ətraf mühitin quru termometr temperaturu, yaş termometr temperaturu, nisbi rütubət, hava sərfi, su-hava kütlə sərfi nisbəti, dolğu materialının performansı, qüllənin yaşlanması və su paylama keyfiyyəti də buxarlanma itkilərinə təsir göstərir. SAM-in sadələşdirilmiş yanaşması bu dəyişənlərə məhdud həssaslıq göstərir. Araşdırmanın göstərdiyi ən mühüm metodoloji problem budur.

Soyutma qülləsinin su balansı necə qurulur?

Yaş soyutma qülləsində ümumi su istehlakı yalnız buxarlanmadan ibarət deyil. Üç əsas itki var: buxarlanma, drift və blowdown.

Buxarlanma soyutmanın əsas mexanizmidir. Su buxarlanarkən gizli istilik udur və bununla da isti dövriyyə suyu soyuyur. Drift hava axını ilə daşınan kiçik su damcılarıdır. Miqdar baxımından adətən azdır; lakin kimyəvi və mikrobioloji tərkib daşıya bildiyinə görə ətraf mühit və sağlamlıq baxımından vacibdir. Blowdown isə həll olmuş bərk maddələrin və duzların toplanmasının qarşısını almaq üçün sistemdən nəzarətli şəkildə su boşaldılmasıdır.

SAM drift itkisini dövriyyə suyu sərfinin sabit nisbəti kimi hesablayır:

\[ \dot{m}_{\mathrm{drift}} = f_{\mathrm{drift}}\dot{m}_{\mathrm{cw}} \]

Burada \(\dot{m}_{\mathrm{drift}}\) drift sərfini, \(f_{\mathrm{drift}}\) drift nisbətini, \(\dot{m}_{\mathrm{cw}}\) isə dövriyyə suyu sərfini ifadə edir.

Blowdown isə konsentrasiya dövrləri, yəni Cycles of Concentration (CC) ilə əlaqələndirilir:

\[ \dot{m}_{\mathrm{bd}} = \frac{\dot{m}_{\mathrm{evap}}+\dot{m}_{\mathrm{drift}}}{CC-1} \]

Burada \(\dot{m}_{\mathrm{bd}}\) blowdown sərfini, \(CC\) isə konsentrasiya dövrlərinin sayını göstərir. \(CC\) nə qədər yüksəkdirsə, su sistem daxilində daha çox dövr edir; lakin həll olmuş maddələrin toplanması da arta bilər. Buna görə qanuni axıdılma limitləri və su keyfiyyəti bu dəyəri məhdudlaşdırır.

Ümumi makeup, yəni əlavə su sərfi isə bütün itkilərin cəmidir:

\[ \dot{m}_{\mathrm{makeup}} = \dot{m}_{\mathrm{evap}} + \dot{m}_{\mathrm{drift}} + \dot{m}_{\mathrm{bd}} \]

Bu tənlik soyutma qülləsinin su büdcəsini göstərir. Stansiya buxarlanan, drift ilə daşınan və blowdown ilə boşaldılan suyu kompensasiya etməlidir.

Poppe modeli niyə istifadə olunub?

Araşdırma SAM-in sadələşdirilmiş buxarlanma hesablaması əvəzinə Poppe nəzəriyyəsinə əsaslanan daha fiziki soyutma qülləsi modelindən istifadə edir. Yaş soyutma qüllələrində istilik və kütlə ötürülməsi eyni vaxtda baş verir. Su hava ilə təmas edir; suyun bir hissəsi buxarlanır, hava rütubətlənir və entalpiyası dəyişir, suyun temperaturu isə azalır. Buna görə soyutma qülləsini düzgün modelləşdirmək üçün yalnız gizli buxarlanma istiliyinə baxmaq kifayət deyil.

Soyutma qülləsinin performansında mühüm ölçüsüz kəmiyyət Merkel ədədidir. Araşdırmada ümumi tərif belə verilir:

\[ Me = \frac{h_D A}{\dot{m}_w} = \frac{h_D a_v V}{\dot{m}_w} \]

Burada \(Me\) Merkel ədədidir. \(h_D\) kütləötürmə əmsalını, \(A\) effektiv ötürmə sahəsini, \(a_v\) vahid həcmə düşən mübadilə səthini, \(V\) ötürmə zonasının həcmini, \(\dot{m}_w\) isə suyun kütlə sərfini ifadə edir. Bu ədəd qüllənin su axınına nisbətən istilik-kütlə ötürməsini nə dərəcədə effektiv təmin edə bildiyini ümumiləşdirir.

Araşdırmada Poppe əsaslı model Enerstar–Villena stansiyasından alınan real istismar məlumatları ilə kalibrlənib. İstehsalçı kataloq məlumatlarına əsaslanan ilkin yanaşma kifayət qədər yaxşı nəticə verməyib; qüllə performansının kataloqdan hesablanan gözlənilən Poppe Merkel dəyərlərindən orta hesabla təxminən %32 aşağı olduğu müəyyən edilib. Müəlliflər bunu zaman keçdikcə dolğu materialında və su paylama sistemlərində yarana bilən performans itkisi ilə əlaqələndirirlər. Bu məqam vacibdir; çünki real stansiyalarda avadanlıq sonsuza qədər kataloq performansında işləmir.

Sonda istifadə olunan empirik Poppe korrelyasiyası belə verilib:

\[ Me_{\mathrm{Poppe}} = 776.8 \left( \frac{\dot{m}_w}{\dot{m}_a} \right)^{-1.399} \left( T_{\mathrm{wb}} \right)^{-1.097} \]

Burada \(Me_{\mathrm{Poppe}}\) Poppe nəzəriyyəsinə görə kalibrlənmiş Merkel ədədini, \(\dot{m}_w\) suyun kütlə sərfini, \(\dot{m}_a\) havanın kütlə sərfini, \(T_{\mathrm{wb}}\) isə yaş termometr temperaturunu ifadə edir. Bu düstur soyutma qülləsinin performansını yalnız sabit nominal dəyərə bağlamır; su/hava sərf nisbətini və ətraf mühitin yaş termometr temperaturunu da nəzərə alır.

Poppe modeli real məlumatla necə doğrulanıb?

Araşdırmada Poppe modeli stansiyadan 10 dəqiqəlik nümunələmə tezliyi ilə alınan 12 günlük istismar məlumatı ilə dəstəklənib. Hər ayı təmsil edən bir gün seçilib və beləliklə müxtəlif ətraf mühit və istismar şərtləri əhatə olunub. Birbaşa hava sərfi ölçülmədiyinə görə ventilyatorların çəkdiyi elektrik cərəyanından istifadə edilərək ventilyator sürətləri və hava sərfi ventilyator oxşarlıq qanunları ilə qiymətləndirilib.

PDF-nin 13-cü səhifəsindəki Figure 5 soyutma qülləsinin giriş suyu temperaturunun, çıxış suyu temperaturunun və ətraf mühitin yaş termometr temperaturunun zamanla dəyişməsini göstərir. Poppe modelinin proqnozları dairəvi işarələrlə göstərilib. Model xüsusilə su/hava kütlə sərfi nisbətinin müəyyən intervalda qaldığı sabit dövrlərdə soyuq su çıxış temperaturunu yaxşı təmsil edir. Araşdırmada bu doğrulama üçün orta mütləq xəta 0,45 °C olaraq verilib. Bu, praktiki mühəndislik baxımından kifayət qədər yaxşı dəqiqlikdir.

ACHE modeli nəyi təmsil edir?

Araşdırmada mövcud Villena stansiyasında real quru hava soyuducusu olmadığı üçün ACHE modeli ədəbiyyat və istehsalçı kataloq məlumatlarından istifadə edilərək hazırlanıb. ACHE suyu hava ilə soyudan çarpaz axınlı qanadlı-borulu istilik dəyişdiricisi kimi modelləşdirilib. Bu sistemdə su boruların içindən keçərkən, hava ventilyatorlarla boruların və qanadların üzərindən keçirilir. Beləliklə, su buxarlandırılmadan soyudulur.

Quru soyutmanın ən böyük üstünlüyü suya qənaətdir. Çünki əsas soyutma mexanizmi buxarlanma deyil, hava ilə hiss olunan istilik ötürülməsidir. Lakin quru soyutmanın mənfi tərəfi var: hava su ilə müqayisədə daha zəif istilikdaşıyıcıdır və isti günlərdə soyutma qabiliyyəti azalır. Bundan əlavə, böyük ventilyatorlar elektrik sərf edir. Buna görə ACHE əlavə edilməsi su istehlakını azaltsa da, elektrik cəriməsi yaradır.

ACHE-də istilikötürmə klassik LMTD yanaşması ilə hesablanır:

\[ \dot{Q} = U A F \, LMTD \]

Burada \(\dot{Q}\) istilikötürmə sürətini, \(U\) ümumi istilikötürmə əmsalını, \(A\) xarici istilikötürmə sahəsini, \(F\) çarpaz axın üçün LMTD düzəliş əmsalını, \(LMTD\) isə loqarifmik orta temperatur fərqini ifadə edir.

LMTD belə hesablanır:

\[ LMTD = \frac{ (T_{w,in}-T_{a,out})-(T_{w,out}-T_{a,in}) }{ \ln \left( \frac{T_{w,in}-T_{a,out}}{T_{w,out}-T_{a,in}} \right) } \]

Burada \(T_{w,in}\) su giriş temperaturunu, \(T_{w,out}\) su çıxış temperaturunu, \(T_{a,in}\) hava giriş temperaturunu, \(T_{a,out}\) isə hava çıxış temperaturunu ifadə edir. Bu düstur istilik dəyişdiricisi boyunca temperatur fərqinin sabit olmadığını nəzərə alır.

Ümumi istilikötürmə əmsalı necə hesablanır?

ACHE-də ümumi istilikötürmə yalnız su tərəfdəki konveksiyadan asılı deyil. Su tərəfi konveksiyası, boru divarı keçiriciliyi və hava tərəfi konveksiyası birlikdə istilik müqaviməti yaradır. Araşdırmada istifadə olunan ardıcıl müqavimətlər yanaşması belədir:

\[ \frac{1}{UA} = \frac{1}{h_i A_i} + \frac{\ln(D_o/D_i)}{2\pi k_t L n_t} + \frac{1}{h_o A_o} \]

Bu tənlikdə \(h_i\) daxili su tərəfi konveksiya əmsalını, \(A_i\) daxili istilikötürmə sahəsini, \(D_i\) borunun daxili diametrini, \(D_o\) borunun xarici diametrini, \(k_t\) boru materialının istilikkeçirməsini, \(L\) boru uzunluğunu, \(n_t\) boru sayını, \(h_o\) xarici hava tərəfi konveksiya əmsalını, \(A_o\) isə xarici istilikötürmə sahəsini ifadə edir.

Bu düsturu gündəlik bənzətmə ilə belə anlamaq olar: istilik isti sudan havaya keçərkən üç qapıdan keçməlidir. Əvvəl sudan boru divarına daşınır, sonra boru divarından keçir, daha sonra boru/qanad səthindən havaya ötürülür. Hansı qapıdan keçmək daha çətindirsə, ümumi performansı o məhdudlaşdırır. Hava tərəfi çox vaxt ən çətin hissədir; buna görə qanadlardan və ventilyatorlardan istifadə olunur.

Hava tərəfi Nusselt ədədi Grimison tipli korrelyasiya ilə qiymətləndirilir:

\[ Nu_a = C Re_a^m Pr_a^n \]

Burada \(Nu_a\) hava tərəfi Nusselt ədədini, \(Re_a\) hava tərəfi Reynolds ədədini, \(Pr_a\) Prandtl ədədini, \(C\) və \(m\) boru dəstəsinin həndəsəsindən asılı əmsalları, \(n\) isə araşdırmada klassik tövsiyəyə uyğun olaraq \(0.36\) qəbul edilən üstü ifadə edir.

Araşdırmada ACHE üçün ümumi istilikötürmə sahəsi təxminən 1,96 × 10⁵ m², boru sayı təxminən 17.646, borunun xarici diametri 25,4 mm, borunun daxili diametri 22,8 mm, boru uzunluğu 9,55 m, qanad sıxlığı 354 fin/m, qanad səmərəliliyi 0,91, maksimum hava sürəti 3,5 m/s və ventilyator sayı 42 olaraq verilib. Bu, quru soyutmanın əlavə edilməsinin kiçik avadanlıq əlavəsindən daha böyük mühəndislik müdaxiləsi olduğunu göstərir.

SAM–Matlab birləşdirilmiş modeli necə işləyir?

Araşdırmanın modelləşdirmə strategiyası iki səviyyəlidir. SAM stansiyanın illik enerji performansını, meteoroloji şəraiti, saatlıq istilik xaricetmə yükünü və güc blokunun davranışını verir. Matlab isə bu saatlıq məlumatlardan istifadə edərək soyutma sisteminin daha detallı reaksiyasını hesablayır.

PDF-nin 16-cı səhifəsindəki Figure 6 bu əlaqə quruluşunu sxematik şəkildə göstərir. SAM-dən Matlab modelinə saatlıq istilik xaricetmə yükü \(Q_{\mathrm{sal}}\), sərhəd şərtləri, nisbi rütubət, təzyiq, quru termometr temperaturu və su giriş temperaturu ötürülür. Matlab tərəfində WCT üçün Poppe əsaslı model, ACHE üçün isə fiziki istilik dəyişdiricisi modeli işə salınır. Nəticədə son soyutma suyu temperaturu, ACHE performansı, WCT buxarlanma itkiləri və yığılan su istehlakı əldə edilir.

Bu üsul vacibdir. Tədqiqatçılar SAM-in daxili güc çevrimi həlledicisini dəyişməyiblər. Bunun əvəzinə SAM-in güclü olduğu enerji istehsalı tərəfini istifadə edib, zəif olduğu soyutma suyu hesabını isə daha detallı Matlab modeli ilə tamamlayıblar. Bu, mühəndislik modelləşdirməsində tez-tez istifadə olunan ağıllı strategiyadır: mövcud etibarlı modeli saxla, məhdud olduğu hissəni xüsusi fiziki modellə gücləndir.

Ardıcıl soyutma konfiqurasiyası necə işləyir?

Ardıcıl konfiqurasiyada dövriyyə suyu əvvəlcə ACHE-dən keçir. ACHE mümkün qədər çox istiliyi havaya ötürərək suyu ilkin soyudur. Daha sonra qalan istilik yükü WCT tərəfindən xaric edilir. Məqsəd yaş soyutma qülləsinə daxil olan istilik yükünü azaltmaq və bununla da buxarlanan su miqdarını aşağı salmaqdır.

Bu sistemdə ACHE-yə üstünlük verilir. Əgər ACHE təkbaşına tələb olunan soyutmanı təmin edə bilirsə, WCT dayandırıla və suyun qüllə dolğusuna püskürdülməsinin qarşısı alına bilər. Beləliklə, buxarlanma itkiləri azalır. Lakin həddindən artıq soyutmanın qarşısını almaq üçün minimum soyuq su çıxış temperaturu 20 °C ilə məhdudlaşdırılıb. Bu temperatura çatdıqda ventilyator sürətləri azaldılaraq lazımsız elektrik istehlakını aşağı salmağa çalışılır.

Ardıcıl sistemin məntiqi suya qənaət baxımından güclüdür; çünki quru soyutma həmişə ilk mərhələdə işə düşür. Lakin bunun əvəzi var: ACHE ventilyatorları çoxsaylı və böyük olduğuna görə köməkçi elektrik istehlakı nəzərəçarpacaq dərəcədə artır.

Ardıcıl konfiqurasiyanın nəticəsi nədir?

PDF-nin 24-cü səhifəsindəki Figure 10 mövcud WCT sistemi ilə ardıcıl kombinə edilmiş soyutma sisteminin saatlıq buxarlanmasını və illik yığılan su istehlakını müqayisə edir. Şəkil su istehlakının mövsümi dəyişdiyini göstərir. Yay aylarında ətraf temperaturu və istilik yükü artdığı üçün buxarlanma yüksəlir. Qış və keçid fəsillərində isə ACHE daha effektiv işləyir və WCT-nin yükünü daha çox azaldır.

İllik nəticədə ardıcıl konfiqurasiyanın buxarlanan su həcmi 134.951,34 m³ olaraq verilib. Bu, mövcud WCT konfiqurasiyası ilə müqayisədə %32,14 su qənaəti deməkdir. Bu nəticə texniki baxımdan çox güclüdür. Lakin eyni zamanda ən yüksək elektrik cəriməsini yaradan seçim də ardıcıl sistemdir.

PDF-nin 25-ci səhifəsindəki Figure 11 ardıcıl konfiqurasiyanın köməkçi elektrik istehlakını göstərir. Ardıcıl sistemdə ACHE ventilyatorları və sonra WCT ventilyatorları eyni vaxtda işləyə bildiyinə görə elektrik istehlakı mövcud WCT-dən çox yüksəkdir. Araşdırmaya görə ilin sonunda ardıcıl konfiqurasiyanın yığılan elektrik tələbi təxminən 10.000 kWh səviyyəsinə yaxınlaşdığı halda, istinad WCT sistemi 1.000 kWh altında qalır. Bu, su qənaətinin əvəzinin əlavə parazitik elektrik istehlakı olduğunu açıq şəkildə göstərir.

Paralel soyutma konfiqurasiyası necə işləyir?

Paralel konfiqurasiyada ümumi dövriyyə suyu iki qola bölünür. Sərfin bir hissəsi ACHE-yə, qalan hissəsi WCT-yə göndərilir. Hər iki qoldan çıxan su sonra qarışdırılır və kondensator giriş temperaturu enerji balansı ilə müəyyən edilir.

Bu quruluş daha çevikdir. Çünki sistem hər saat üçün ACHE-yə göndəriləcək sərf nisbətini dəyişə bilir. Araşdırmada ACHE-yə yönəldilən axın nisbəti %0 ilə %100 arasında %5 addımlarla sınaqdan keçirilib. Hər saat üçün hədəf kondensator giriş temperaturunu təmin edən seçimlər arasından ən az su istehlakı yaradan, yəni mümkün olan ən yüksək quru soyutma payını təmin edən nisbət seçilib.

Paralel sistemin üstünlüyü quru və yaş soyutmanın eyni vaxtda, lakin idarə olunan nisbətlərdə istifadə edilə bilməsidir. ACHE-nin effektiv olduğu soyuq və ya mülayim saatlarda quru soyutmanın payı artırıla bilər. İsti yay saatlarında ACHE-nin effektivliyi azaldıqda WCT daha çox yük götürə bilər. Buna görə paralel sistem ardıcıl sistemlə müqayisədə daha az su qənaəti təmin etsə də, daha tarazlı və çevik işləyir.

Paralel konfiqurasiyanın nəticəsi nədir?

PDF-nin 27-ci səhifəsindəki Figure 12 paralel konfiqurasiyanın saatlıq buxarlanmasını, yığılan su istehlakını və ACHE istifadə faizini göstərir. Şəkil ACHE-nin xüsusilə aşağı quru termometr temperaturlarında daha yüksək nisbətdə işə qoşula bildiyini göstərir. Yay aylarında ətraf temperaturu yüksəldikdə quru soyutmanın töhfəsi azalır və WCT daha çox yük daşıyır.

İllik nəticədə paralel konfiqurasiyanın buxarlanan su istehlakı 175.520,06 m³ olaraq verilib. Bu dəyər mövcud WCT sisteminin su istehlakının %88,25 səviyyəsinə uyğun gəlir. Başqa sözlə, paralel sistem təxminən %11,75 su qənaəti təmin edir.

Araşdırmada həmçinin ACHE-nin illik iş yükü baxımından çevik davrandığı göstərilir. Sistem ildə 1829 saat ərzində quru soyuducuya heç bir axın yönəltmədiyi halda, 927 saat ərzində ACHE ümumi soyutma yükünün %100-nü qarşılaya bilib. Bu nəticə paralel arxitekturanın saatlıq iqlim və yük şəraitinə uyğun olaraq müxtəlif iş nöqtələrinə keçə bildiyini göstərir.

PDF-nin 28-ci səhifəsindəki Figure 13, paralel sistemin köməkçi elektrik istehlakını göstərir. Paralel konfiqurasiya WCT ilə müqayisədə daha çox elektrik istehlak edir; lakin ardıcıl sistemdən xeyli aşağı elektrik cəzasına malikdir. İlin sonunda paralel sistemin yığılan elektrik istehlakı təxminən 4.000 kWh olduğu halda, WCT sistemi təxminən 650 kWh səviyyəsindədir. Buna görə paralel sistem su qənaəti ilə elektrik cəzası arasında daha tarazlı aralıq həll kimi görünür.

Ətraf temperaturuna görə su qənaəti necə dəyişir?

PDF-nin 29-cu səhifəsindəki Figure 14, ətraf mühitin quru termometr temperaturu ilə buxarlanan su istehlakı arasındakı əlaqəni WCT, ardıcıl və paralel konfiqurasiyalar üçün müqayisə edir. Bu şəkil araşdırmanın ən aydın izahverici vizuallarından biridir.

Yuxarıdakı səpələnmə qrafikində mövcud WCT sisteminin yüksək buxarlanma istehlakı ilə daha dar iş diapazonunda qaldığı görünür. Ardıcıl və paralel birləşdirilmiş sistemlər isə xüsusilə aşağı ətraf temperaturlarında xeyli aşağı su istehlakı nöqtələrinə çata bilir. Təxminən 15 °C -dən aşağı şəraitdə bir çox iş nöqtəsi demək olar ki, sıfıra yaxın buxarlanma istehlakı göstərir. Bu, ACHE-nin soyuq havalarda soyutma yükünün böyük hissəsini, hətta bəzi saatlarda hamısını qarşılaya bildiyini göstərir.

Şəklin aşağı hissəsində su qənaəti temperatura görə verilir. Ən yüksək orta qənaət təxminən 8 °C ilə 15 °C arasındakı ətraf temperaturlarında yaranır. Ardıcıl sistem bu temperatur diapazonunda paralel sistemdən daha çox qənaət təmin edir və bəzi şəraitdə nisbi su azalması %80 səviyyəsinə yaxınlaşa bilər. Lakin temperatur 20 °C -dən yuxarı qalxdıqda, xüsusilə paralel sistemin su qənaəti qabiliyyəti azalır. Çünki isti havada ACHE-nin suyu hava ilə soyutma effekti zəifləyir.

Bu vizualın əsas mesajı budur: quru soyutmanın töhfəsi iqlim şəraitinə çox həssasdır. Su qənaəti ən çox soyuq və mülayim şəraitdə güclüdür. İsti yay dövrlərində sistem yenə su qənaəti təmin edə bilər, lakin ACHE-nin effektivliyi azalır.

Su qənaəti təkbaşına kifayət edən meyardırmı?

Xeyr. Araşdırmanın ən mühüm töhfələrindən biri su qənaətinin təkbaşına qərar meyarı ola bilməyəcəyini göstərməsidir. Ardıcıl sistem ən çox su qənaətini təmin edir; lakin eyni zamanda ən yüksək köməkçi elektrik istehlakına malikdir. Paralel sistem daha az su qənaəti verir; ancaq elektrik cəzası daha aşağıdır və iş çevikliyi daha yüksəkdir. Mövcud WCT sistemi isə çox su istehlak edir, lakin elektrik istehlakı aşağıdır.

Buna görə düzgün qərar yerli su qiymətindən, elektrik qiymətindən, iqlim şəraitindən, quraqlıq riskindən, stansiyanın icazə və tənzimləmə şərtlərindən asılıdır. Su çox ucuz və bol olarsa, quru soyutmanın əlavə edilməsi iqtisadi baxımdan cəlbedici olmaya bilər. Lakin su qıtlığı, quraqlıq məhdudiyyətləri və ya yüksək su qiyməti olduqda su qənaəti strateji dəyər qazanır. Belə hallarda birləşdirilmiş soyutma sistemləri yalnız xərc hesabı ilə deyil, stansiyanın fəaliyyətini davam etdirmək qabiliyyəti ilə də qiymətləndirilməlidir.

İstismar xərclərinin təhlili nə göstərir?

PDF-nin 30-cu səhifəsindəki Figure 15, mövcud WCT, ardıcıl və paralel konfiqurasiyaların saatlıq istismar xərclərini və illik yığılan OPEX dəyərlərini müqayisə edir. Bu təhlildə təmsilçi qiymətlər kimi elektrik üçün 0,05 €/kWh və su üçün 2,00 €/m³ istifadə edilib.

Bu qiymət ssenarisində mövcud WCT sistemi ən aşağı illik istismar xərcinə malikdir. Ardıcıl sistem ən yüksək xərci verir; çünki suya qənaət etsə də, ACHE fanlarının elektrik istehlakı yüksək qalır. Paralel sistem isə aralıq mövqedədir və WCT-yə daha yaxın xərc davranışı göstərir.

Bu nəticə ilk baxışda «suya qənaət iqtisadi deyil» kimi görünə bilər. Lakin araşdırma bunun sabit nəticə olmadığını göstərir. Su və elektrik qiymətləri dəyişdikdə sıralama da dəyişə bilər. Buna görə müəlliflər daha geniş parametrik iqtisadi təhlil aparıblar.

Parametrik iqtisadi təhlil nəyi göstərir?

PDF-nin 32-ci səhifəsindəki Figure 16, illik istismar xərcini elektrik və su qiymətlərinə görə müqayisə edir. Elektrik qiyməti 0 ilə 0,30 €/kWh arasında, su qiyməti isə 0,5 ilə 5,0 €/m³ arasında dəyişdirilib.

Bu təhlildə hər sistemin xərc həssaslığı fərqlidir. WCT-nin elektrik istehlakı aşağı olduğuna görə elektrik qiymətinə həssaslığı zəifdir; lakin su istehlakı yüksək olduğuna görə su qiymətinə həssaslığı güclüdür. Ardıcıl sistemin su istehlakı aşağıdır; ancaq elektrik istehlakı yüksək olduğuna görə elektrik qiymətinə çox həssasdır. Paralel sistem isə iki ifrat arasında tarazlı davranış göstərir.

Araşdırmanın verdiyi kritik iqtisadi hədd belə ifadə olunur:

\[ \left(\frac{c_w}{c_e}\right)_{\mathrm{crit}} = 92.4 \, \mathrm{kWh\,m^{-3}} \]

Burada \((c_w/c_e)_{\mathrm{crit}}\), su xərci ilə elektrik xərci arasındakı kritik nisbəti ifadə edir. Fiziki mənası budur: bir kubmetr su