چرخه رانکین آلی (ORC) یک چرخه ترمودینامیکی بسته است که به طور گسترده برای تولید برق از منابع حرارتی با دمای پایین تا متوسط و یا بالا استفاده می شود. برخلاف توربین‌های بخار سنتی، سیستم ORC از یک سیال آلی با جرم مولکولی بالا به جای بخار آب استفاده میکند و این قضیه منجر به چندین مزیت کلیدی و بهبود عملکرد الکتریکی میشود. در این مقاله، ما اصول فناوری ORC، اجزای اصلی آن و کاربردهای آن در تولید برق پاک و مقرون به صرفه از طیف وسیعی از منابع گرما را بررسی خواهیم کرد.
1) اصول کاری ORC
اصول کاری یک نیروگاه چرخه رانکین آلی مشابه چرخه کلازیوس-رانکین است که به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد. با این حال، به جای استفاده از آب (بخار) به عنوان سیال کاری، سیستم های ORC از مواد آلی مانند هیدروکربن ها یا مبردها استفاده میکنند. این سیالات عامل آلی دارای نقاط جوش کمتر و فشار بخار بالاتری نسبت به آب هستند که به آنها اجازه میدهد به طور موثر از منابع گرمایی با دمای پایین تا متوسط برای تولید برق استفاده میکنند.
انتخاب سیال آلی برای یک سیستم ORC به سازگاری آن با منابع گرما و خواص ترمودینامیکی آن بستگی دارد، این خواص به طور مستقیم بر چرخه و راندمان آن تأثیر میگذارد. هدف اصلی، به حداکثر رساندن راندمان تبدیل انرژی گرمایی به الکتریکی و عملکرد کلی سیستم ORC است.
از جمله مواردی که می توان از فناوری ORC استفاده کرد در کارخانه تولید سیمان است.
2)اجزای یک نیروگاه ORC
یک نیروگاه ارگانیک سیکل رانکین شامل چندین جزء کلیدی است که با هم کار می کنند تا انرژی حرارتی را به الکتریسیته تبدیل کنند. این اجزا عبارتند از:
1-2)توربین
توربین جزء مرکزی نیروگاه ORC است و نقش مهمی در تعیین عملکرد سیستم ایفا میکند. سیال عامل آلی را منبسط می کند و انرژی حرارتی آن را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. سپس این انرژی مکانیکی توسط یک ژنراتور متصل به شفت توربین به الکتریسیته تبدیل می شود. انتخاب توربین مانند توربین های ورودی محوری یا شعاعی و طراحی آن می تواند به طور قابل توجهی بر کارایی و اثربخشی سیستم ORC تأثیر بگذارد.
2-2)مبدل های حرارتی
مبدل های حرارتی برای انتقال گرما از منابع گرما به سیال عامل آلی در یک سیستم ORC استفاده میشوند. سیال کاری از این مبدل های حرارتی جریان می یابد و گرما را از منبع گرما استخراج میکند. رایج ترین مبدل های حرارتی مورد استفاده در سیستم های ORC مبدل های حرارتی پوسته و لوله هستند، اگرچه هندسه و پیکربندی آنها ممکن است بسته به منبع انرژی خاص و نیازهای ورودی حرارتی، متفاوت باشد. گاهی اوقات از این جهت که گازهای خروجی دارای مواد شیمیایی خاصی هستند، می بایست در طراحی مبدل های حرارتی و انتخاب نوع مواد لازم دقت کرد.
3-2)کندانسور
کندانسور وظیفه خنک کردن و مایع شدن سیال آلی را پس از منبسط شدن در توربین بر عهده دارد. این کار معمولاً با استفاده از مبدل حرارتی مستقیم هوا به سیال حاصل میشود و سیال آلی را با استفاده از هوای محیط خنک میکند. همچنین میتوان از کندانسورهای آب خنک استفاده کرد. استفاده از هوا برای خنک کردن، نیاز به تصفیه آب و خنک کردن آن در برج خنک کن را از بین می برد و سیستم ORC را سازگارتر با محیط زیست و مقرون به صرفه تر میکند.
4-2)پمپ تغذیه
پمپ تغذیه وظیفه رساندن سیال آلی مایع شده در فشار کندانسور به حداکثر فشار چرخه رانکین آلی را بر عهده دارد. پمپ تغذیه معمولاً توسط یک موتور الکتریکی با سرعت چرخش متغیر هدایت میشود و جریان مداوم سیال کاری را در سراسر سیستم ORC تضمین میکند.
در شکل زیر از انرژی خورشیدی برای راه اندازی مدار ORC استفاده کرده است:
3)کاربردهای فناوری ORC
تطبیق پذیری فناوری ORC امکان استفاده از طیف گسترده ای از کاربردها را در تولید برق، به ویژه در تاسیسات در مقیاس کوچک تا متوسط فراهم میکند. برخی از برنامه های کاربردی و کلیدی عبارتند از:
1-3)تولید برق زمین گرمایی
سیستم های ORC برای بهره برداری از منابع گرمایی زمین گرمایی بالای 90 درجه سانتی گراد مناسب هستند. با تبدیل موثر انرژی حرارتی از منابع زمین گرمایی به الکتریسیته، فناوری ORC تولید پایدار و پاک انرژی را ممکن می‌سازد.
2-3)انرژی خورشیدی متمرکز (CSP-Concentrated Solar Power)
فناوری ORC را میتوان با سیستم های انرژی خورشیدی متمرکز ادغام کرد تا کارایی کلی آنها را افزایش دهد. با استفاده از گرمای کم تا متوسط و بالای تولید شده توسط نیروگاه های خورشیدی متمرکز، سیستم های ORC میتوانند الکتریسیته اضافی تولید کنند و سیستم های CSP را مقرون به صرفه تر و سازگار با محیط زیست کنند.
3-3)بازیابی حرارت اتلافی
سیستم های ORC میتوانند به طور موثر گرمای اتلافی را از فرآیندهای مختلف صنعتی بازیابی کنند. با مهار گرمای هدر رفته، فناوری ORC تولید برق تمیز و مقرون به صرفه را امکان پذیر میکند و بازده انرژی کلی عملیات صنعتی را بهبود می بخشد.
4-3)افزایش بهره وری توربین های گاز و موتور دیزل
در سیستم‌های مبتنی بر توربین‌های گاز و موتور دیزل، میتوان از فناوری ORC برای افزایش راندمان کلی آنها استفاده کرد. با استفاده از گرمای تلف شده از این توربین‌ها، سیستم‌های ORC میتوانند الکتریسیته اضافی تولید کنند و در نتیجه عملکرد کلی و دوام اقتصادی چنین سیستم‌های تولید برق را افزایش دهند.
4)تکامل فناوری ORC
توسعه و پذیرش فناوری ORC طی چندین دهه به دلیل نیاز به افزایش بهره وری انرژی و اجرای فناوری های کربن زدایی تکامل یافته است. در اینجا مروری کوتاه بر نقاط عطف در تاریخ ORC انجام میدهیم:
1-4)تحولات اولیه
در قرن نوزدهم، پیشگامانی مانند فرانک اوفلد و پروفسور ویلیام جان مکورن رانکین، پایه های درک مدرن ترمودینامیک و تولید برق را پایه ریزی کردند. کار تئوریک پروفسور رانکین در مورد موتور بخار و چرخه رانکین زمینه ای را برای پیشرفت های بعدی در فناوری ORC فراهم کرد.
2-4)فعالیت تحقیقاتی محققین در ایتالیا
در دهه 1970، پروفسور جی آنجلینو، انیو ماکی و ماریو گایا فعالیت تحقیقاتی خود را در بخش ORC در دانشگاه پلی تکنیک میلان آغاز کردند. آنها استفاده از سیالات آلی را به جای آب برای تولید برق در کاربردهای مختلف از جمله خودرو، فضا و انرژی خورشیدی بررسی کردند.
3-4)تحقیقات صورت گرفته در فنلاند
در دهه 1980، پروفسور لارجولا و تیمش در فنلاند، توربو ژنراتورهای هرمتیک با سرعت بالا را برای سیستم های ORC توسعه دادند. این نوآوری‌ها به نیروگاه‌های ORC کارآمدتر و فشرده‌تر اجازه میدهد که توربین، ژنراتور و پمپ دارای شفت یکسانی باشند.
4-4)تجاری سازی و رشد
از دهه 1990، فناوری ORC رشد قابل توجهی را تجربه کرده است، به ویژه در نیروگاه های زمین گرمایی، کارایی و انعطاف پذیری سیستم های ORC آنها را به گزینه ای ارجح برای تولید برق از منابع زمین گرمایی تبدیل کرده است. علاوه بر این، پتانسیل بازیابی گرمای اتلافی در صنایع مختلف، استفاده از فناوری ORC را بیشتر رایج کرده است.
خلاصه
فناوری Organic Rankine Cycle (ORC) راه حلی امیدوارکننده برای تولید برق تمیز و مقرون به صرفه از منابع حرارتی با دمای پایین تا متوسط و بالا ارائه میدهد. با استفاده از سیالات عامل آلی و طراحی های نوآورانه توربین، سیستم های ORC میتوانند انرژی حرارتی را به طور موثر به انرژی مکانیکی و در نهایت الکتریسیته تبدیل کنند. فناوری ORC با کاربردهای مختلف از تولید انرژی زمین گرمایی تا بازیابی گرمای اتلافی، نقش مهمی در افزایش بهره وری انرژی و کاهش انتشار کربن دارد. از طریق تحقیق و توسعهی مداوم، پتانسیل پیشرفت بیشتر در فناوری ORC بسیار زیاد است و راه را برای آینده ای پایدارتر و سازگار با محیط زیست هموار میکند.