م. قتيبة دخانتُعتبر خزانات الملح المنصهر مكونًا حيويًا في أنظمة تخزين الطاقة الحرارية (TES)، خاصة في محطات الطاقة الشمسية المركزة (CSP). تستخدم هذه الخزانات “ملح الشمس”، وهو مزيج من 40% نترات البوتاسيوم (KNO3) و60% نترات الصوديوم (NaNO3)، لتخزين الطاقة الحرارية عن طريق رفع درجة حرارة الملح من خلال نقل الطاقة.
تتيح تقنيات تخزين الطاقة الحرارية لمحطات الطاقة الشمسية المركزة تخزين الطاقة الشمسية خلال فترات النهار المشمسة وتحويلها إلى كهرباء عند الحاجة، مما يتماشى مع طلب الشبكة. يتضمن نظام الملح المنصهر ذو الخزانين، الأكثر فعالية في تخزين الحرارة، “خزان بارد” (~290°م) و”خزان ساخن” حتى (565°م). وقد تم اعتماد هذا النظام على نطاق واسع في تطبيقات محطات الطاقة الشمسية المركزة CSP رغم بعض التحديات مثل التآكل، موثوقية التشغيل، الإجهاد الحراري، والصيانة.
كان أول مصنع محطات الطاقة الشمسية المركزة CSP يستخدم نظام تخزين الطاقة الحرارية TES بالملح المنصهر هو محطة الطاقة الكهربائية الشمسية في الولايات المتحدة، التي كانت تعمل من عام 1984 حتى 1999. تلتها مصانع أكبر مثل Andasol في إسبانيا، التي بدأت تشغيلها في عام 2008 بقدرة تخزين 375 MWh. وبحلول عام 2021، بلغ إجمالي قدرة تخزين الملح المنصهر عالميًا حوالي 27,500 MWh، مع توقعات بنمو مستمر.
تحسين تصميم خزانات الملح المنصهر أمر حيوي لتقدم تقنية التخزين الحراري، مما يحسن الكفاءة والموثوقية وأداء النظام بشكل عام.
تصميم خزانات الملح المنصهر
تعد خزانات تخزين الملح المنصهر حيوية لتخزين الطاقة الحرارية في محطات الطاقة الشمسية المركزة. يجب أن يأخذ تصميم هذه الخزانات في اعتباره سعة التخزين، مدخلات الحرارة، وساعات التشغيل. رغم عدم وجود تنظيم موحد، فإن التصاميم غالبًا ما تستند إلى معايير مثل API 650 (مع الملحقات M وN) ومعايير ASME (ASME II D وASME VIII Div II).
التصميم العام مع ملحق M لدرجات الحرارة المرتفعة وملحق N لاختيار المواد.
خصائص المواد والتحليل بالعناصر المنتهية (FEA) لفحص الإجهاد والتعب.
تصميم خزانات الملح المنصهر معقد، ويتطلب النظر بعناية في الديناميات الحرارية وخصائص المواد وسلامة الهيكل لضمان التشغيل الآمن والفعال في تطبيقات CSP.
الأعطال الشائعة في خزانات الملح المنصهر
يُعتبر التآكل مشكلة رئيسية لخزانات الملح المنصهر، بسبب الطبيعة المسببة للتآكل للملح المنصهر عند درجات الحرارة العالية. تشمل الأنواع الرئيسية للتآكل التي تؤثر على هذه الخزانات ما يلي:
التآكل الساخن يحدث عند درجات حرارة تتجاوز نقطة انصهار الملح، مما يتسبب في تلف متسارع نتيجة التفاعلات مع المركبات الكبريتية والكلوريدات.
التآكل الموضعي يشمل تآكل الحفر أو التآكل في الشقوق، والذي يمكن أن يتفاقم عند تعرض المواد للإجهاد الميكانيكي.
التآكل المدفوع بالتدفق يعتمد على سرعة التدفق؛ حيث يمكن أن يؤدي التدفق الأعلى إلى تآكل الرواسب الحماية والمواد الأساسية.
تشمل المواد الشائعة المستخدمة ASTM 516 Gr. 70 لدرجات الحرارة المنخفضة (أقل من 400°C) وفولاذ مقاوم للصدأ مثل AISI 347H وAISI 316L وAISI 321 وAISI 304 لدرجات الحرارة العالية. يتم تقييم معدلات التآكل باستخدام طرق مثل فقدان الوزن، الاستقطاب الكهربائي، وقياس الممانعة الكهربائي.
في الظروف الديناميكية، ترتبط السرعات الأعلى للتدفق بزيادة كبيرة في معدلات التآكل. لذا، يعد اختيار المواد والتصميم المناسبان أمرين حاسمين لتقليل هذه المشكلات.
النمذجة لخزانات الملح المنصهر
تصميم وتحسين خزانات الملح المنصهر يتضمن ظواهر حرارية وديناميكية سوائل معقدة. تختلف النماذج المستخدمة في هذا المجال من النماذج التجريبية البسيطة إلى النماذج الرياضية التفصيلية.
– النماذج التجريبية: فعالة من حيث الوقت الحسابي، مناسبة لدراسات السلوك طويل الأجل. تتطلب بيانات تجريبية لدقتها. تتنوع هذه النماذج من الأساليب البسيطة 1D إلى المحاكاة الأكثر تعقيدًا، مما يبرز التطور من الأساليب التجريبية إلى التقنيات التحليلية المتقدمة.
الاستنتاجات
تسلط هذه الدراسة الضوء على الدور الحاسم لتقنية خزانات الملح المنصهر في محطات الطاقة الشمسية المركزة (CSP)، مشيرة إلى مستوى النضج المتقدم لهذه التقنية. تعتمد فعالية أنظمة التخزين الحراري على موثوقية تصميم الخزان.
مترجم بتصرف من Molten Salts Tanks Thermal Energy Storage: Aspects to Consider during Design
https://doi.org/10.3390/en17010022
