بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر بر اساس سیاستگذاریهای کشورها در زمینه انرژی، رشد فزاینده ظرفیت نصبشده مزارع بادی را در پی داشته است. این رشد، چالشهای جدیدی در سیستم های قدرت به وجود آمده است. این چالشها عدم کنترلپذیری و عدم قطعیت در توان خروجی میباشد. لذا نیاز برای کاهش این چالشها روزبهروز افزایشیافته است. در این مقاله به توسعه یک سیستم ترکیبی متشکل از نیروگاه تلمبه-ذخیرهای و نیروگاه باد پرداختهشده است که بهعنوان یک روش مؤثر در ذخیره انرژی بادی در مواقع کم باری و استفاده از آن در مواقع پر باری استفاده میشود. پارامترهای مهم طراحی این سیستم ترکیبی برای عملکرد بهینه تا حد %100 بررسی شده است.
کلید واژه- انرژیهای نو، ذخیره انرژی، منابع تجدید پذیر، نیروگاه بادی، نیروگاه تلمبه-ذخیره ای.
-1 مقدمه
به کارگیری انرژی بادی به عنوان یکی از اصلیترین و گستردهترین صورتهای انرژیهای تجدید پذیر در بخش تولید سیستمهای قدرت در سالهای اخیر توسعه رشد قابل توجهی داشته است .[1] این نوع از انرژی با متوسط رشد جهانی سالیانه بیش از %25 در ظرفیت نصبشده، در دهه گذشته دارای سریع-ترین رشد بوده است .[2] هزینه پایین بهرهبرداری آن در قیاس با دیگر انواع انرژیها از جمله نیروگاه های فسیلی از مزایای آن میباشد. علاوه بر این پاک بودن از نظر آلایندههای زیست محیطی مزیت دیگر آن میباشد. این مزایا، انگیزه کافی را برای بسیاری از کشورها بهمنظور تدوین سیاستها و قوانین مورد نیاز بهمنظور ارتقاء استفاده از انرژی بادی ایجاد کرده است .[3]
انرژی باد با تمام ویژگیهای مثبت با چالش هایی روبرو است. در اغلب موارد هنگامیکه توان خروجی نیروگاه بادی زیاد می باشد دیماند مصرفی کمتر از آن میباشد و یا هنگامیکه توان تولیدی آن کم است مصرف شبکه مقدار انرژی بالاتری را تقاضا دارد. یکی از راه حل های این چالش استفاده از منابع ذخیره انرژی در مقیاس بالا می باشد. این منابع به سه دسته ذخیره انرژی مکانیکی، شیمیایی و الکتریکی طبق بندی میشوند. منابع ذخیره مکانیکی شامل: ذخیره انرژی کمپرسور هوا و نیروگاه تلمبه-ذخیره ای، منابع ذخیره شیمیایی شامل باتریها و مثالی برای منابع ذخیره الکتریکی خازن های ابررسانا می باشد .[4]
این نکته که این منابع ذخیره انرژی نیز پاک باشد شایان ذکر میباشد. نیروگاه تلمبه-ذخیره ای یک روش شناخته شده و مؤثر ذخیره انرژی تبدیل شده است. از مزایای استفاده از این منبع ذخیره انرژی، توانایی آن در رسیدن به ماکزیمم توان تولیدیاش در چند ثانیه اشاره کرد. نیروگاه تلمبه-ذخیره ای با مصرف انرژی برق در بازه کم باری، آب را به سطح ذخیره آب در ارتفاع بالاتر پمپ میکند. این روش ذخیره با تعادل بین زمانی که نیروگاه بادی تولید میکند با هنگامیکه کمبود تولید در ازای تقاضای شبکه دارد، باعث مهار کردن عدم کنترل و قطعیت انرژی باد میشود.
-2 طراحی سیستم
سیستم پیشنهادشده در این مقاله از انرژی برق تولیدی نیروگاه باد برای پمپ کردن در ازای یک منبع تجدید ناپذیر استفاده شده است. این سیستم متشکل از نیروگاه بادی و تلمبه-ذخیره ای می باشد که به صورت مستقل به عنوان سیستم ترکیبی تجدید پذیر در نظر گرفته میشود. سیستم ترکیبی از مزیت هموار ساختن عدم کنترلپذیری و قطعیت نیروگاه بادی به تنهایی برخوردار است. از آب های زیرزمینی به عنوان منبع آب در سیستم پیشنهادی نسبت به منابع ذخیره آبی در سطح پایین تر از آن، استفادهشده است. در این مطالعه تخمین زدهشده است که 20 متر بالای دو سفرهی آب زیرزمینی اصلی در منطقه موردمطالعه 20 برابر بیشتر از منابع ذخیره آب سطحی ذخیره آب در بردارد.سیستم توان خروجی توربین بادی را به توان مکانیکی تبدیل میکند که از آن برای پمپ کردن ذخیره آب زیرزمینی به نگه دارنده ذخیره آب در ارتفاع بالا استفاده میشود.
هنگامیکه این آب رها میشود توربینی را که در مسیر خود قرار دارد را میچرخاند و انرژی الکتریکی تولید می شود. توربین موردنظر در این سیستم ترکیبی به صورت دوطرفه عمل میکند. در این مطالعه تنها دو منبع، یکی آب و دیگری الکتریکی در نظر گرفته شده است. همچنین در این مقاله فرض میشود که این سیستم تنها برای تولید توان الکتریکی مورد بهره برداری قرار میگیرد . هرچند توانایی دیگری که میتوان از این سیستم ترکیبی پیشنهادی ارائه داد تصفیه و تأمین آب مناطق روستایی که آب تصفیه و پاک در اختیار ندارند. این ویژگی در این سیستم در مقاله [ 5] بحث و بررسیشده است. نمای کلی سیستم پیشنهادی در شکل - 1 - نشان دادهشده است.
-1-2 تئوری مسئله
یک سیستم متشکل از توربین بادی و ذخیره کننده انرژی برق آبی به سه عامل متفاوت بستگی دارد؛ این عوامل شامل: - 1 تعادل توان و تقاضای بار توسط پمپ یا رها نمودن آب در این سیستم، - 2 در دسترس بودن منابع آب برای ذخیره انرژی برق آبی و - 3 تولید توان توسط محرکه مولد برق. این عوامل به خصوصیات منطقه جغرافیایی که سیستم ترکیبی در آن نصبشده است بستگی دارد.برای پیاده سازی سیستم ترکیبی موردنظر میبایست علاوه بر بادخیز بودن منطقه، پتانسیل منابع آب زیرزمینی خوبی نیز داشته باشد. همچنین برای بخش تولید توان از آب رهاشده از محفظه ذخیره آب، نیاز به شیب مناسب در منطقه میباشد.
عامل مهم دیگری که کاربردی این سیستم پیشنهادی را تحت تأثیر قرار میدهد، دوردست و ایزوله بودن منطقه موردنظر از شبکه برق سراسری است. با توجه به اینکه پیاده سازی این سیستم میبایست از نظر مالی توجیه اقتصادی داشته باشد، لذا فراهم بودن تمامی شرایط ذکرشده اهمیت زیادی دارد. ایزوله بودن یک منطقه عوامل مختلفی ممکن است داشته باشد. تقاضای بار کم که باعث میشود اتصال شبکه سراسری به منطقه اقتصادی نباشد و یا صعب العبور و پرهزینه بودن اتصال به شبکه سراسری نسبت به دیگر گزینه های موجود برای تأمین برق، ازجمله این عوامل میباشد.
-2-2 معادلات طراحی سیستم
هدف از این مدل ریاضی، دسترسی به رفتار سیستم ترکیبی پیشنهادی و فعل و انفعال اجزای مختلف آن با یکدیگر می باشد. ارزیابی اجزای داخلی سیستم در محدوده مطالعات در این مقاله نمی باشد. تنها قوانین و ویژگیها فیزیکی اجزای کلی سیستم موردبررسی قرار میگیرد. پس از ارزیابی رفتار کلی سیستم میتوان به پارامترهای مهم و تأثیرگذار در عملکرد بهینه سیستم ترکیبی دسترسی پیدا کرد. در این مقاله محدوده موردمطالعه، مسئله طراحی و بررسی اندازه اجزای سیستم ترکیبی برای یک موقعیت که اطلاعات آن در اختیار است، میباشد.
-1-3-2 محاسبه توان تولیدی محرکه برقآبی
توان مکانیکی - Pm - که توسط سیستم تولید میشود توسط انرژی ذخیره آب به دست میآید. مقدار توان که ورودی توربین برق آبی می باشد به عواملی بستگی دارد که شامل فاصله عمودی بین محفظه ذخیره آب و توربین می باشد. در ارتفاع سرریز یا ریزش میبایست مقدار اختلاف آن - Hf - را در نظر گرفت. رابطه - 1 - رابطه بین ارتفاع کلی سر - - Ht، ارتفاع واقعی سر - Ha - واختلاف - Hf - را نشان میدهد .[6]در [6] نویسنده نشان میدهد که مقدار Hf با طول لوله افزایش می یابد. مقدار خروجی توان مکانیکی طبق [6] مطابق رابطه - 2 - محاسبه میشود.که m بازده مکانیکی ناشی از جریان آب و چرخش توربین برق آبی، w چگالی آب، A سطح مقطع لوله، g شتاب جاذبه زمین می باشد. سرعت جت های آبی نیز از رابطه - 3 - به دست میآید.نرخ فلوی جریان مورد نیاز - Q - توسط توربین برای تولید توان مورد نیاز مصرفی توسط کاربر از رابطه - 4 - محاسبه میشود.
-2-3-2 محاسبه توان مورد نیاز پمپ
از پمپ جابه جا کننده مثبت برای سیستم پیشنهادی استفاده شده است. توانی که برای پمپ نرخ فلوی آب به ارتفاع مشخص - zp - به چگالی آب، بازده مکانیکی پمپ p و نیروهایگرانشی وارد بر آب بستگی دارد. توان پمپ از رابطه - 5 - به دست میآید.ضروری است که برای رسیدن فلوی آب به توربین برق آبی، آب کافی پمپ شود. بنابراین در این حالت V=Q خواهد شد. توجه به این نکته مهم است که ارتفاع zp ارتفاع واقعی سر میبایست در نظر گرفته شود و ارتفاع کلی سر باعث ایجاد خطا در محاسبات خواهد شد.
-3-3-2 محاسبه مشخصات توربین بادی
ارتفاع توربین باد از سطح زمین تا هاب که مرکز پرههای توربین میباشد، اندازهگیری می شود. توان تولیدی توربین بادی از رابطه - 6 - محاسبه میشود.در [7] پیشنهادشده است که توان توربین بادی - PT - میبایست با توان مورد نیاز پمپ برای هر سرعت بادی برابر باشد . - PT =Pp - مقدار ماکزیمم برای قطر روتور توربین در کاربرد سیستم برق آبی با ماکزیمم سطح جاروب - AT - در [8] پیشنهادشده است. سرعت باد - U - برای تولید توان مورد نیاز توربین بادی قابل محاسبه خواهد بود. سرعت باد با افزایش ارتفاع تغییر میکند. طبق [9] تغییر سرعت باد بهصورت لگاریتمی با ارتفاع باد وابسته میباشد که از رابطه - 7 - و - 8 - به دست میآیند.که در آن k ثابت ون کارمان، U - z - سرعت باد در ارتفاع z و z0 سرعت باد اندازهگیری شده در سطح استاندارد ، می باشد.
تنش برشی - - 0 و چگالی هوا - - a برای منطقه مشخص، ثابت میباشد. سرعت اصطکاک - * - U نیز در یک ناحیه مشخص ثابت در نظر گرفته میشود.گشتاور تولیدی توسط توربین بادی با شعاع روتور R از رابطه - 9 - به دست میآید.رابطه - 9 - بیان می کند که با داشتن شعاع پره توربین - R - و سرعت باد - u0 - گشتاور تولیدی توسط توربین بهسرعت نوک پره - - بستگی خواهد داشت. برای به دست آوردن مقدار ماکزیمم بازدهی تبدیل توان در توربین بادی - - c p ,max میتوان مقدار سرعت نوک پره متناسب با آن به دست آورد که در رابطه - 10 - نشان دادهشده است .[6]که در آن n تعداد پرههای توربین بادی است. این رابطهنشان میدهد که هرچه تعداد پرههای توربین بیشتر باشد، سرعت نوک پره متناسب با بازدهی ماکزیمم کاهش پیدا می کند و گشتاور بیشتری تولید خواهد شد. برای کاربرد پمپ آب به گشتاور بالا نیاز است که ایجاب میکند که از تعداد پره بیشتر و سرعت نوک پره پایینتری در این سیستم ترکیبی استفاده شود.
-4-3-2 محاسبه اندازه محفظه ذخیره آب
در [9] بررسیشده است که هنگامی که سیستم تلمبه-ذخیره عمل میکند میبایست مقدار ذخیره برای 3 روز تا یک هفته را داشته باشد که در صورت عدم وزش باد بهاندازه مناسب رزرو داشته باشد. نرخ فلوی آب - Q - ، در تعداد روز مورد نظر - d - برای محاسبه حجم ذخیره آب - Vx - استفاده میشوند که در رابطه - 11 - آمده است.
