بخشی از مقاله
چکیده
امروزه یکی از مهمترین مشکلات مناطق روستاییِ صعب العبور تامین نیاز سوخت و روشنایی است؛ بطوریکه این مناطق از سوختهای فسیلی با آلودگی زیاد از جمله نفت و گازوییل و همچنین سوزاندن چوب و فضولات دامی که اثرات مخرب زیستی را بهمراه دارد؛ استفاده میکنند.در صورتیکه بیشتر روستاها از منابع عظیم انرژیهای تجدیدپذیر برخوردار هستند. در این مقاله به بررسی پتانسیل انرژیهای تجدیدپذیر موجود در سه روستای صعب العبور پیجبن و نرملات و دینهرود پرداخته شدهاست.
این روستاها با متوسط تابش 4/343 کیلووات ساعت بر متر مربع در روز امکان استفاده از پنلهای خورشیدی را دارند و همچنین پتانسیل بیوگاز تولیدی در 5 ماه فصل سرد سال در پیجبن و نرملات و دینه رود به ترتیب برابر145008/3، 62004/2 و 50003/1 متر مکعب است که بیشتر از متوسط گاز مصرفی جهت گرمایش و پخت وپز این مناطق است و میتوان از آن جهت تولید الکتریسیته نیز استفاده نمود.لذا سیستم ترکیبی فتوولتاییک-بیوگاز جهت تامین انرژی این مناطق میتواند به کار بردهشود.
مقدمه
امروزه با افزایش تقاضای انرژی، کاهش سطح موجودی منابع سوختهای فسیلی و همچنین افزایش آلودگی هوا و گرمایش کره زمین بواسطهی تولید گازهای گلخانهای و آلایندههای ناشی از احتراق منابع انرژی فسیلی و از سویی نوسانات شدید قیمت این نوع انرژی، شاهد روند رو به رشد استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر هستیم. با انتخاب انرژیهای تجدیدپذیر به عنوان یکی از تامینکنندگان پایدار انرژی نه تنها از وقوع خطرات ناشی از استفاده-ی سوختهای فسیلی و تولید آلایندهها جلوگیری میشود، بلکه با انتخاب منابع مناسب و طراحی صحیح سیستم تامین انرژی تجدیدپذیر، از آنجا که وابستگی به تنها یک نوع سوخت از بین میرود؛ قابلیت سیستم انرژی نیز بالاتر میرود.
در این میان یکی از مسائل اساسی تامین سوخت و انرژی مناطق روستایی صعبالعبور است؛ عدم حضور شبکه سراسری برق و خط لوله گاز در مناطق دورافتاده و هزینهی بالای احداث خط انتقال جدید به دلیل مسافت طولانی و شرایط نامناسب جغرافیایی اغلب منجر به جستجوی راه حلی جایگزین میگردد؛ بدین ترتیب استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر جهت تامین انرژی مناطق روستایی به عنوان یک راهکار در نظر گرفته شدهاست. با توجه به ناپیوسته بودن انرژی تولیدی منابع تجدیدپذیر، در عمل ثابت شدهاست که استفاده از سیستمهای ترکیبی میتواند راه حل مناسبی باشد. با ترکیب مناسب منابع میتوان به سیستم تولیدی مقرون به صرفه، پاک و مطمئن رسید.
[1] با توجه به بازدیدهای میدانی به عمل آمده از سه روستای مورد مطالعه - واقع در الموت شرقی - ، این مناطق پتانسیل استفاده از دو منبع انرژی تجدیدپذیرِ خورشیدی - فتوولتاییک - و زیست توده جهت تامین نیازهای انرژی خود را دارند.در این زمینه: آیفقو و همکاران[2] در مقالهای به عنوان " توسعه روستایی پایدار: سیستم ترکیبی انرژی تجدیدپذیر خورشیدیBبیوگاز " به بررسی و توسعه تکنولوژهای مقرون به صرفه برای توسعه پایدار روستاها، مخصوصا در مناطقی که گرفتار فقر انرژی و آب قابل شرب هستند؛ پرداختهاند. سارا قائم، ریتا پالتا و همکاران[3] در مقالهای به عنوان " مطالعه امکان سنجی استفاده از موتور بیوگاز جهت پشتیبانی یک سیستم ترکیبی تولید قدرت - PV ، باد و باتری - B مطالعه موردی کنیا" یک سیستم ترکیبی قدرت شامل پنل های فتوولتاییک، توربین بادی و موتور بیوگاز جهت تامین تقاضا الکتریسیته در روستای کنیا پیشنهاد کرده-اند.
صالحین سیدوس و همکاران[4] در مقالهای به عنوان "مدل بهینه از سیستم ترکیبی بیوگاز-فتوولتاییک-دیزل برای جزیره آدرشو در بنگلادش" مدل بهینه از سیستم ترکیبی را با نرمافزار هومر ارائه کردهاند. کاستلانو و والکر[5] در مقالهای با عنوان" مدل سازی سیستم انرژی تجدیدپذیر ترکیبی منفصل از شبکه برای برق روستایی در هند با استفاده از فتوولتاییک و هضم بیهوازی" به آنالیز فنی و اقتصادی و طراحی بهینه سیستمهای ترکیبی منفصل از شبکه در روستای بنگال هند پرداختهاند. در این تحقیق به بررسی پتاسیل سیستم ترکیبی فتوولتاییک-بیوگاز جهت تامین نیازهای گرمایش و الکتریسیته سه روستای پیجبن، نرملات و دینهرود واقع در الموت شرقی استان قزوین پرداخته شدهاست.
سیستم فتوولتاییک
اجزای اصلی یک سیستم فتوولتاییک شامل پنل فتوولتاییک، باتری، اینورتر و شارژکنترلر میشود. سیستمهای فتوولتاییک شامل سلولهای خورشیدی بوده که میتواند به طور مستقیم تابش خورشیدی را به برق مستقیم DC تبدیل کند. به همین دلیل جهت مصارف برقی بیشتر مورد توجه قرار گرفتهاست. یک سلول فتوولتاییک سیلیکونی از دو بخش n و p تشکیل میشود. بخشی از سلول فتوولتاییک که در تماس با پرتوهای فوتونی است n نام دارد و این بخش معمولا شامل ترکیبی از سیلیکون یا دیگر عناصر مانند فسفر است.
علت این امر وجود 5 اتم ظرفیتی در اتم فسفر است که در نتیجه ترکیب با سیلیکون به ازای هر اتم فسفر یک اتم ظرفیتی آزاد باقی میماند. قسمت دیگر سلول فتوولتاییک p نام دارد و معمولا شامل ترکیباتی از سیلیکون و عناصری مانند بور است که دارای 3 الکترون ظرفیتی هستند، در این بخش به علت تعداد الکترون ظرفیتی بور کمبود یک الکترون نسبت به ساختار سیلیکون خالص وجود دارد که از آنها به عنوان "حفره " یاد میشود.
در بخش n سلول، اتصالات نازکی برقرار شدهاست تا هدایت الکتریسیته - الکترونهای آزاد شده - انجام شود. بخش پشتی سلول p نیز بوسیله یک لایه فلزی پوشانده شدهاست تا هدایت انجام گیرد. ساختار موجود در سلولهای فتوولتاییک الکترونهای آزاد شده را در صورت وجود مصرف کننده، وادار به حرکت از سوی بخش n به سوی بخش p میکند. علت آن نیز ازدیاد الکترون در بخش n و کمبود آن در بخش p است.[6]
پتانسیل انرژی خورشیدی
کشور ایران نیز در نواحی پر تابش واقع است و مطالعات نشان میدهد که استفاده از تجهیزات خورشیدی در ایران مناسب بوده و میتواند بخشی از انرژی مورد نیاز کشور را تامین کند. ایران کشوری است که به گفته متخصصان این فن با وجود 300 روز آفتابی در بیش از دو سوم آن و متوسط تابش 4/5-5/5 کیلو وات ساعت بر مترمربع در روز یکی از کشورهای با پتانسیل بالا در زمینه انرژی خورشیدی معرفی شده است.
با توجه به استانداردهای بینالمللی اگر میانگین انرژی تابشی خورشید در روز بالاتر از 3/5 کیلووات در ساعت در مترمربع باشد استفاده از مدلهای انرژی خورشیدی نظیر کلکتورهای خورشیدی یا سیستمهای فتوولتاییک امکان پذیر است.[7] در این تحقیق سه روستای مد نظر دینهرود، نرملات و پیجبن به ترتیب دارای عرض جغرافیایی 36/35 - ، 36/36 ، - 36/40 و طول جغرافیایی 50/78 و ارتفاع از سطح دریا 2220، 2100 ، 2720 متر هستند؛ که روستاهای مورد نظر در شرایط توسعهیافته و سنتی ، جداول 1، 2 به ترتیب ارائه میگردند[9] که نشاندهندهی تجهیزات الکتریکی مصرفی در روستا و بار مصرفی آنها است. از آنجاییکه طراحی باید طوری صورت گرفته شود که جوابگوی حداکثر بار مصرفی باشد، بنابراین طراحی با توجه به بار مصرفی بیشتر، یعنی بار زمستانی صورت گرفته است. با استفاده از روش طراحی پژوهشگاه نیرو،[10] اجزا برآورد شده سیستم فتوولتاییک در جداول 3 و 4 ارائه شدهاست.
شارژکنترلرها
با توجه به محاسبات اگر بخواهیم تنها با سیستم فتوولتاییک تمامی انرژی مورد نیاز را تامین کنیم هزینه زیادی برای اجرای پروژه نیاز خواهد بود؛ در نتیجه نیاز است سیستم ترکیبی به کار ببریم و با توجه به تعداد دام موجود در این روستاها استفاده از فضولات دامی جهت تولید بیوگاز و تبدیل آن به الکتریسیته و حرارت میتواند گزینه مناسبی باشد.
زیستتوده و بیوگاز
زیست توده یکی از منابع مهم انرژیهای تجدیدشونده محسوب شده و به هر موجود زنده که قابلیت رشد و نمو داشته و نیز به زائدات حاصل از آنها اطلاق میشود. زیست توده میتواند انرژی را در خود ذخیره کند و شامل جنگلها، اجزای گیاهان - مانند برگ، ریشه و ساقه - ، موجودات زنده اقیانوسها - گیاهان دریایی مانند جلبکها - ، زائدات حیوانی، پسماندهای شهری و از این قبیل میشوند. زیستتوده تنها منبع تجدیدپذیر کربن بوده و میتواند به سوختهای جامد، مایع و گازی مناسب تبدیل شود.
همچنین این ماده قابلیت تولید برق، حرارت و انواع کاربردهای مفید شیمیایی را در خود دارد. تولید انرژی از منابع زیستتوده - همانند سوختهای فسیلی - در اکثر موارد به منظور تولید سوختهای مایع - مانند بیودیزل و بیواتانول - و گازی - مانند بیوگاز و بیوهیدروژن - و برق میباشد؛ که البته در صورت تولید برق زیست توده اول تبدیل به گاز شده و سپس با استفاده از آنها در موتور ژنراتورها یا پس از تولید بخار آب در توربین ژنراتورها برق تولید میگردد.[7] یکی از راههای افزایش بازده در سوزاندن بیوماس، این است که آن را به بیوگاز تبدیل کنیم.
بازده حرارتی سوزاندن فضولات خشک حدود %10 است؛ اما اگر ابتدا از فضولات بیوگاز تولید شود، بازده حرارتی به حدود %60 میرسد.[12] بیوگاز مخلوطی است گازی شکل و قابل اشتعال که در اثر تخمیر مواد آلی در شرایط معین - دما، PHو... - و محیط بیهوازی توسط باکتریهای خاصی به وجود میآید. بیوگاز شامل گازهای متان - - %50-70، کربندیاکسید - - %30-40، هیدروژن، نیتروژن و هیدروژنسولفید به مقدار ناچیز میباشد.
این مخلوط گازی دارای ارزش حرارتی 21 - 24 مگاژول به ازای هر مترمکعب است.[13] جهت تولید بیوگاز به محلی نیاز است تا مواد در آن قرار گرفته و شرایط بیهوازی، دما، PH و... کنترل گردد. در ساده ترین حالت ساختمان یک دستگاه بیوگاز از یک حوضچه ورودی، یک حوضچه خروجی و محفظه تخمیر که به آن هاضم گفته میشود تشکیل شدهاست. گاز تولید شده از بالای محفظه به خارج منتقل شده ودر مخزنی نگهداری میگردد.
با داشتن میزان فضولات دامی روزانه و همینطور میزان گاز استحصالی از واحد جرم یا حجم فضولات دامی میتوان میزان حجم گاز استحصالشده را بدست آورد. اگر میزان و درصد گاز استحصالشده، به اندازه قابل ملاحظهای باشد، میتوان با استفاده از توربین گاز یا موتور دیزل به تولید برق و حرارت رو آورد. با توجه به رونق دامداری در روستاهای کشور و تولید کودهای دامی و زبالههای خانگی، استفاده از انرژی زیست توده، ایدهی قابل توجهی در روستاهای دورافتاده می باشد.
در این بررسی سه روستای پیجبن، نرملات و دینه رود - واقع در الموت استان قزوین - مورد مطالعه قرار گرفته است؛ که پتانسیل تولید بیوگاز آن طبق رابطه زیر محاسبه گردیده [14] و در جدول 5 ارائه شده است: هر گاو به طور سالیانه 20500 کیلوگرم فضولات دفع میکند و همچنین هر گوسفند میانگین دفع 1400 کیلو گرم فضولات در سال را دارد.[15] مقدار G برای گاو برابر 281 لیتر به ازای هر کیلوگرم فضولات و برای گوسفند برابر 220 لیتر به ازای هر کیلو گرم فضولات است.[14]
