بخشی از مقاله
چکیده
امروزه با توجه به پایانپذیر بودن انرژیهای فسیلی و نیز موانع متعدد موجود در گسترش، توسعه و احداث منابع تولید متمرکز و ایجاد خطوط انتقال، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر به سرعت در حال افزایش است. از میان انرژیهای تجدیدپذیر، انرژی بادی و خورشیدی، منابعی با پتانسیل بالا برای تولید برق هستند. برای سیستمهای مستقل و دور افتاده مانند روستاها در مناطق کویری که از شبکه سراسری برق دور هستند، سیستم انرژی ترکیبی ترجیح داده میشود. سیستمهای انرژی ترکیبی یکی از مناسبترین گزینهها برای کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی هستند، که با استفاده از منابع مختلف تولید انرژی از قبیل باد و تابش خورشید قابل دستیابی هستند. در این مقاله تخمین یک سیستم ترکیبی با استفاده از انرژی باد و انرژی خورشیدی برای منطقه سامبران- مرند در استان آذربایجانشرقی انجام می شود. بعد از معرفی اجزاء سیستم، مدل سازی و شبیهسازی سیستم ترکیبی صورت می گیرد. شبیهسازی سیستم ترکیبی با استفاده اطلاعات مربوط به توربین بادی، سلول خورشیدی، میکروتوربین، ذخیرهساز هیدروژنی و کانورتور و با توجه به هزینهی مورد نیاز به ازای هر کیلووات انرژی انجام شده و بهترین ترکیب از لحاظ اقتصادی و قابلیت اطمینان بهمنظور تأمین مداوم انرژی مورد نیاز با توجه به مشخصات بار را ارائه میدهد. در این مقاله از الگوریتم تکاملی اجتماع ذرات برای انجام بهینهسازی استفاده شده است.
کلید واژه: الگوریتم اجتماع ذرات ، توربین بادی، سیستم هیبرید، منابع انرژی تجدیدپذیر.
-1مقدمه
با توسعه صنعتی جهان و تقاضای روزافزون انرژی از یک سوی و محدود بودن و لزوم حفظ منابع سوختهای فسیلی برای نسلهای آتی و همچنین جلوگیری از خسارات زیست محیطی ناشی ازسوختن آنها، راهی جز روی آوردن به استفاده ازانرژی های تجدیدپذیر نظیر خورشید، بادو ... را باقی نگذاشته است. در دهه اخیر در میان منابع انرژی تجدیدپذیر انرژیهای باد و خورشید بیشتر رشد نموده و مورد توجه بوده است. علاوه بر این تولید انرژی در نزدیکی مراکز مصرف، نیاز به ایجاد خطوط انتقال ولتاژ در نزدیکی شهرها و روستاها را از بین میبرد. گروهی از سیستمهای تولید برق که از منابع مختلف انرژی تغذیه میشوند و بصورت ترکیبی و مکمل با یکدیگر کار می-کنند بعنوان سیستمهای هیبرید شناخته میشوند. ازآنجا که این سیستمها از دو یا چند منبع مختلف انرژی تغذیه میشوند، در مقایسه با سیستمهایی که یک منبع برای تولید توان دارند از قابلیت اطمینان بالاتری برخوردار هستند. حالتهای مختلفی از سیستمهای ترکیبی میتوانند با توجه به ویژگیهای منطقه محل نصب - شدت تابش، دمای محیط، سرعت باد و ... - انتخاب شوند. علاوه بر این، یکی از مهمترین دغدغهها در مناطق دور افتاده وجدا از شبکه در سراسر دنیا، تامین منابع تولید توان الکتریکی برای این مناطق میباشد. اتصال این مناطق به شبکه پرهزینه و در بعضی موارد به لحاظ فیزیکی غیرممکن میباشد. به کارگیری منابع بادی و خورشیدی باهم استفاده از ذخیرهساز، عملکرد این منابع را بهبود و قابلیت اطمینان را افزایش و در نتیجه هزینههای سیستم قدرت را کاهش داده است .[1]
تاکنون راهکارهای مختلفی برای کم کردن هزینههای نیروگاه-های بادی و خورشیدی ارائه شده است. در برخی از مقالات، از این منابع در سیستمهای هیبریدی و جدا از شبکه، برای تأمین بار الکتریکی استفاده شده و در بعضی دیگر، این منابع در ریزشبکه متصل به شبکه برای تأمین بار الکتریکی و یا فروش برق به شبکه بالا دست استفاده گردیده است.در [2] سیستم هیبریدی جدا از شبکه، شامل منابع بادی/ خورشیدی/ پیل سوختی میباشد که در آن، پیل سوختی به همراه الکترولایزر و تانک هیدروژن، به عنوان ذخیرهساز برای بهبود عملکرد منابع بادی و خورشیدی مورد بررسی قرار گرفته است. در مرجع [3] از روش برنامهریزی غیرخطی برای انتخاب محل ظرفیت بهینهی نیروگاههای بادی متصل به شبکه، به منظور بیشینهسازی چگالی انرژی و کمینهسازی هزینهها استفاده شده8
است.
در مرجع [4] نیز تعیین اندازهی بهینهی واحدهای خورشیدی بادی به همراه باتری، با در نظر گرفتن عدم قطعیت باد و لحاظ کردن شاخص ضریب قطع معادل - 1ELF - مطالعه شده است. در [5] استفاده از الگوریتم دیفرانسیل تکاملی - 2DE - اندازه بهینهی منابع در یک ریز شبکهی مستقل از شبکه، با در نظر گرفتن شاخص-های قابلیت اطمینان بررسی شده است. قابلیت اطمینان و سطح آلودگی به عنوان عوامل محدود کننده برای تعیین اندازه منابع در یک سیستم هیبریدی مستقل از شبکه مانند منابع بادی/ خورشیدی دیزل ژنراتور با در نظر گرفتن عدم قطعیت باد و خورشید، در مرجع [6] مورد توجه قرار گرفته است. خروج اضطراری واحدهای خورشیدی در برنامهریزی تولید ریز شبکهی مستقل از شبکه، نیز در مرجع [7]مورد مطالعه قرار گرفته است.
در این مقاله، تعیین اندازه بهینه منابع در یک ریزشبکه متعامل با بازار برق، برای تأمین بار الکتریکی مورد بررسی قرار گرفته است. شبیهسازی در دو حالت جدا از شبکه و متصل به آن انجام و نتایج باهم مقایسه گردیده است. شاخص قابلیت اطمینان به عنوان عامل محدود کننده در نظر گرفته شده است. در بخش دوم مقاله، ساختار ریزشبکه و مدل ریاضی عناصر به کار رفته در آن ارائه شده است. مدل قابلیت اطمینان در حل مسئله در بخش سوم بیان شده است. در بخش چهارم، هدف ریزشبکه و نحوه بهرهبرداری از منابع برای تأمین بارالکتریکی وحرارتی و در بخش پنجم، فرمولبندی مسئله و بیان تابع هدف و قیود آن توضیح داده شده است. در قسمت ششم، مکانیزم الگوریتم اجتماع ذرات و چگونگی توسعه نرمافزار بااین الگوریتم شرح داده شده است. در بخش هفتم، نتایج و بررسی آنها بیان شده و در نهایت، نتیجهگیری آورده شده است.
-2ساختار ریز شبکهی پیشنهادی و مدل عناصر آن
شکل - 1 - ، ساختار ریز شبکهی نمونه را نشان میدهد. سیستم ترکیبی شامل منابع بادی و خورشیدی به عنوان تولید کنندههای اصلی توان الکتریکی و سیستم پیلسوختی به همراه الکترولایزر و تانک هیدروژن به عنوان ذخیرهساز مورد استفاده قرار میگیرند. در حالتی که تانک هیدروژن ظرفیت کافی برای ذخیره هیدروژن را نداشته باشد، توان مازاد از منابع بادی و خورشیدی با توجه به محدودیت فروش، به شبکهی بالادست داده میشود. با توجه به اینکه ریزشبکه، مستقل است، و بارها فقط توسط تولید کنندههای خود ریزشبکه تأمین میشود، لذا از کنترل نامتمرکز برای مدیریت ریز شبکه استفاده شده است. در این شکل، MGCC 3 کنترل کنندهی مرکزی و MC 4 و LC 5 کنترل کنندهی محلی میباشند .[8] در ادامه، مدل اجزای سیستم مورد مطالعه توصیف شده است پایین، بالا و نامی متر بر ثانیه توربین است. همچنین PwTmax و Pfurl - KW - نیز به ترتیب، بیشینهی توان خروجی توربین و توان آن در سرعت قطع بالا است. در این مقاله، mبرابر 3 در نظر گرفته شده است. توربین بادی مورد استفاده از نوع BWCExcel-R/48 میباشد. و شکل - 2 - توان خروجی توربین بادی بر حسب سرعت باد را نشان میدهد.
-2-2 مدل پانل خورشیدی
توان الکتریکی معادل هر پانل خورشیدی با توجه به رابطه - 2 - بهدست میآید. در این رابطه، Gتوان تابش عمود بر سطح آرایه - W/m2 - و Ppv,rated توان نامی هر آرایه به ازای G=1000بهدست میآید. نیز برابر با بازده مبدل DC/DCنصب شده بین هر آرایه و باس بار DC میباشد. توان تابیدشده - به صورت عمودی - بر سطح آرایه نصب شده با زاویه θ طبق رابطه - 3 - محاسبه میشود:
-3-2 مدل الکترولایزر
توان خروجی الکترولایزر از معادله - 4 - به دست میآید: - 4 - ele ele PGen Pele tan k درمعادله - 4 - ، PGen ele توان تحویلی از منابع به الکترولایزر،برای تولید هیدروژن است. inv نیز بازده الکترولایزر است که دراین مقاله در طول زمان عملکرد ثابت در نظر گرفته شده است.
-4-2 تانک هیدروژن
انرژی ذخیره شده در تانک برای هر گام زمانی t از رابطه زیر محاسبه میشود: در این رابطه، t طول هر گام زمانی، Pele tan k توان انتقالی از الکترولایزر به تانک هیدروژن و fc Ptan k توان انتقالی از تانک هیدروژن به پیلسوختی میباشد. storage نیز معرف بازدهی سیستم ذخیرهساز است.
-5-2 پیلسوختی
پیل سوختی مورد استفاده در این مقاله، از نوع غشاء پروتونی - PEM - است که به صورت تجاری در دسترس میباشد. از این نوع پیل سوختی میتوان درتولید همزمان انرژی و در اندازه های کوچک استفاده کرد. توان الکتریکی خروجی این نوع پیل سوختی با سوخت هیدروژن از رابطهی - 6 - به دست میآید. که در رابطه - 6 - ، Pfc inv توان الکتریکی بر حسب کیلو وات میباشد. fc نیز بازده واحد پیل سوختی است. پیل سوختی مورد استفاده در این مقاله BCS PEMFCاست 7]و.[10
-6-2 مبدل
اثر تلفات مبدل را میتوان با بازدهی آن مدل نمود. - 7 - inv PGen inv - t - - - Pfc inv - t - Pinv load - t - در رابطه فوق، inv بازده مبدل و Pinv load توان منابع بعد از مبدل است.
-3 قابلیت اطمینان
شاخص ضریب قطع معادل - ELF - برای ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم لحاظ شده است که مفهوم سایر شاخصها نظیر امید قطع بار، امید از دست رفتن بار و امید انرژی تأمین نشده را در بر میگیرد. شاخص ضریب قطع معادل از رابطهی زیر بدست می آید:در این رابطه، Q - t - و D - t - به ترتیب، مقدار بار قطع شده و کل بار الکتریکی در ساعت t بر حسب کیلو وات ساعت و N نیز تعداد ساعت شبیهسازی در سال است.
