بخشی از مقاله
چکیده
در سطح کشور به دلیل عدم ارتباط بسیاری از نیروگاه ها به شبکه اصلی وهمچنین وجود تغییرات زیاد آب وهوایی در نقاط مختلف کشور در فصول مختلف سال مصرف انرژی الکتریکی شبکه دارای نوسانات زیادی نسبت به بار پایه است و وجود تعداد زیادی از ایستگاه های تولید توان اضافی هزینه بسیار زیادی را با توجه به تنگناها و تحریم های اقتصادی به دولت تحمیل می نماید .بنابر این حذف نوسانات مصرف برق در ساعات مختلف شبانه روز و ایجاد تعادل و توازن بین تولید و مصرف انرژی الکتریکی باید یکی از اهداف دولت برای استفاده بهینه از انرژی الکتریکی باشد.
یکی از راههای کاهش این عدم انطباق بین تولید و مصرف انرژی الکتریکی استفاده از سیستم های ذخیره سازی انرژی الکتریکی است.در این مقاله ضرورت استفاده از سیستم های ذخیره کننده انرژی برای یکنواخت کردن بار شبکه و همچنین مکانیزم های مختلف تولید سرمایش برای انتقال بار مصرفی شبکه ناشی از عملکرد سیستم های سرمایش و تهویه مطبوع که در واقع یکی از تجهیزات عمده مصرف کننده انرژی هستند به ساعات غیرپیک مصرف توضیح داده خواهد شد.
-1 مقدمه
تقاضای جهانی انرژی و جریان الکتریسیته بطور دائم درحال افزایش است . نگاهی به چشم انداز بین المللی آینده مصرف انرژی نشان می دهد که مصرف انرژی تا سال 2025 به میزان 50 درصد نسبت به مصرف کنونی افزایش خواهد یافت . براساس برآورد انجام شده انتظار می رود حد اکثر نیاز مصرف برق در کشور از حدود 29000 مگاوات در سال 1383 به 61000 مگاوات در سال 1392 بالغ گردد بدین ترتیب صنعت برق با افزایش قدرت معادل 32000 مگاوات طی سال های فوق مواجه خواهد بود . که در نتیجه احداث نیروگاه هایی به قدرت عملی بیش از 4000 مگاوات در طی سا ل های فوق پیش بینی گردیده است اما این احداث نیروگاهها قسمتی از ماجرا را تشکیل می دهد.
کمبود منابع انرژی فسیلی برای استفاده در نیروگاه ها و انواع انرژی ها نیاز صرفه جویی و رویکرد به انرژی های نو را دو چندان می کندبرای ایجاد تحول در زمینه استفاده بهینه از انرژی الکتریکی توجه به چند مورد لازم است که از آن جمله می توان به مواردی همچون صرفه جویی انرژی، استفاده از ذخیره کننده های انرژی، مدیریت صحیح مصرف و توجه وافر به انرژی های نو است که هریک قابل بحث است.
چالش انرژی در آینده اجتناب ناپذیر می باشد و از دلایل مهم آن می توان به مواردی مانند افزایش رشد جمعیت،افزایش شاخص ها و استانداردهای زندگی ، افزایش حمل ونقل وارتباطات و موارد دیگر اشاره نمود .بنابراین باید به دنبال راهکارهایی برای گسترش استفاده از تکنولوژی های جدید با هدف کاهش مصرف و تقاضای انرژی ،افزایش تولید انرژی خصوصا انرژیهای تجدید پذیر ، استفاده بهینه و موثر از منابع انرژی، افزایش راندمان تجهیزات مصرف کننده انرژی بود.
از سوی دیگر بسیاری از منابع انرژی موجود در طبیعت تناوبی هستند یعنی در یک فاصله زمانی معین منبع انرژی قادر به تولید حداکثر انرژی بوده و یا اینکه امکان استخراج و بهره برداری بیشتری از منبع انرژی وجود دارد و فاصله زمانی دیگر این به حداقل می رسد .به عنوان مثال انرژی خورشید بعنوان یک منبع انرژی مهم در طبیعت ، تناوبی است بدینصورت که در طول روز خصوصا در روزهای آفتابی شدت تابش انرژی خورشیدی حداکثر بوده و امکان بهره برداری از آن توسط سلولهای خورشیدی فقط در ساعات مشخص امکان پذیراست و در طول مدت شب شدت تابش حداقل بوده و امکان بهره برداری از آن وجود ندارد.
همچنین انرژی باد ،انرژی امواج دریا از منابع دیگر انرژی هستند که دارای طبیعت تناوبی می باشند با این تفاوت که دوره تناوب آنها ممکن است بیشتر یا کمتر از یک روز باشد. این پدیده تناوبی بودن منابع انرژی یکی از عواملی است که مانع از امکان بهره برداری بهینه و حداکثر از آنها می شود . زیرا بعنوان مثال در فاصله زمانی که امکان بهره برداری حداکثر از انرژی وجود دارد ممکن است میزان نیاز به انرژی حداقل باشد . و این خود باعث عدم تطابق و هماهنگی بین زمان تولید و زمان تقاضای انرژی می شود.
لذا ذخیره سازی انرژی یکی از روشهایی است که با استفاده از آن می توان انرژی مازاد را در زمان بهره برداری در سیستم ذخیره سازی انرژی گرمایی ذخیره نمود و درمواقعی که مورد نیاز است از آن استفاده کرد. از نگاهی دیگر عملکرد بسیاری از تجهیزات مصرف کننده انرژی خصوصا سیستمهای تهویه مطبوع که از عوامل عمده مصرف کننده انرژی هستند بگونه ای است که مقدار مصرف انرژی آنها نیز تناوبی می باشد . به عبارت دیگر مقدار مصرف انرژی آنها در یک بازه زمانی حداکثر بوده و در بقیه ساعات ممکن است مقدار مصرف به حداقل برسد . که این خود تاثیر زیادی در کاهش راندمان عملکرد تجهیزات داشته و امکان استفاده بهینه از منابع انرژی را کا هش می دهد.
لذا ذخیره سازی انرژی می تو اند یکی از روشهایی باشد که با استفاده از آن می توان راندمان این تجهیزات را افزایش داد یعنی با توزیع و گسترش بار گرمایشی یا سرمایشی مورد نیاز بطور یکنواخت در شبانه روز امکان استفاده از تجهیزات گرمایشی و سرمایشی با ابعاد کوچکتر و توان کمتر که دارای راندمان بیشتر و سرمایه گذاری اولیه کمتری می باشند را فراهم می نماید. از سوی دیگر فرایند تولید انرژی الکتریکی در نیروگاهها بگونه ای می باشد که در ساعاتی از شبانه روز که اوج مصرف انرژی الکتریکی وجود دارد باید از تجهیزات با توان بالاتر جهت تولید انرژی الکتریکی استفاد ه نمود و در بقیه ساعات شبانه روز که میزان مصرف انرژی الکتریکی به حداقل می رسد راندمان این تجهیزات به شدت افت می کند.
بنابر این ذخیره سازی انرژی الکتریکی یکی از روشهای یکنواخت کردن بار مصرفی در طول شبانه روز و درنتیجه افزایش راندمان تجهیزات نیروگاه می باشد. و با استفاده از آن می توان از تجهیزات نیروگاهی کوچکتر که نیاز به سرمایه گذاری کمتر و دارای راندمان بالاتری نیز می باشند استفاده نمود . علاوه براین با استفاده از سیستم ذخیره سازی انرژی می توان بار اضافی که در زمان پیک مصرف به شبکه اعمال می شود و دارای هز ینه بیشتری برای مصرف کننده می باشد به زما ن غیرپیک مصرف انتقال داد که این خود باعث کاهش و صرفه جویی قابل ملاحظه ای در هزینه ها می شود.
در چند دهه ی اخیر سیستم های ذخیره ساز انرژی با انگیزه های متفاوتی به منظور بهبود عملکرد سیستم قدرت، مورد توجه قرار گرفته اند.بطورمعمول در سیستم قدرت بین قدرتهای الکتریکی تولیدی و مصرفی تعادل لحظه ای برقرار است و هیچگونه ذخیره انرژی در آن صورت نمی گیرد .بنابراین لازم است میزان تولید شبکه، منحنی مصرف منطقه را تغقیب کند. واضح است بهره برداری از سیستم بدین طریق، با توجه به شکل متعارف منحنی مصرف غیر اقتصادی است.
استفاده از ذخیره ساری های انرژی با ظرفیت بالا به منظور تراز ساری منحنی مصرف و افزایش ضریب بار، از اولین کاربردهای ذخیره انرژی در سیستم قدرت در جهت بهره برداری اقتصادی می باشد. علاوه بر این،اغتشاشهای مختلف در شبکه - تغییرات ناگهانی بار، قطع و وصل خطوط انتقال، - … خارج شدن سیستم از نقطه تعادل را به دنبال دارد. در این شرایط ابتدا از محل انرژی جنبشی محور ژنراتورهای سنکرون انرژی برداشت می شود، سپس حلقه های کنترل سیستم فعال شده و تعادل را بر قرار می سازند.
این روند، نوسان متغیرهای مختلف مانند فرکانس، توان الکتریکی روی خطوط و…را موجب می شود که مشکلات مختلفی را در بهره برداری از سیستم قدرت به دنبال دارد. هر گاه در سیستم مقداری انرژی ذخیره شده باشد،با مبادله سریع آن با شبکه در مواقع مورد نیاز به حد قابل توجهی می توان مشکلات فوق را کاهش داد.به عبارت دیگر، ذخیره ساز انرژی را می توان در بهبود عملکرد دینامیکی سیستم نیز بکار برد.
از اوایل دههً هفتاد مفهوم ذخیره سازی انرژی الکتریکی به شکل مغناطیسی مورد توجه قرار گرفت. با ظهور تکنولژی ابر رسانایی، کاربردهای گوناگونی برای این پدیده فیزیکی مطرح شد. از معروف ترین این کاربردها می توان به SMES اشاره کرد. در SMES انرژی در یک سیم پیج با اندوکتاس بزرگ که از ابر رسانا ساخته شده است، ذخیره می شود. ویژگی ابر رسانا یی سیم پیچ موجب می شود که راندمان رفت و برگشت فرایند ذخیره انرژی بالا و در حدود %95 باشد.
ویژگی راندمان بالای SMES آن را از سایر تکنیکهای ذخیره انرژی متمایز می کند. همچنین از آنجایی که در این تکنیک انرژی از صورت الکتریکی به صورت مغناطیسیو یا بر عکس تبدیل می شود، SMES دارای پاسخ دینامیکی سریع می باشد. بناراین می تواند در جهت بهبود عملکرد دینامیکی نیز بکار رود. معمولا واحدهای ابر رسانایی ذخیره سازی انرژی را به دو گونه ظرفیت بالا - MWh 500 - جهت ترا سازی منحنی مصرف، و ظرفیت پایین - چندین مگا ژول - به منظور افزایش میرایی نوسانات و بهبود پایداری سیستم می سازند. بطور خلاصه مهم ترین قابلیت SMESجدا سازی و استقلال تولید از مصرف است که این امر مزایای متعددی از قبیل بهره برداری اقتصادی، بهبود عملکرد دینامیکی و کاهش آلودگی را به دنبال دارد.
ابررسانایی
در سال 1908 وقتی کمرلینگ اونز هلندی در دانشگاه لیدن موفق به تولید هلیوم مایع گردید حاصل شد که با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود یک درجه کلوین برسد. یکی از اولین بررسی هایی که اونز با این درجه حرارت پایین قابل دسترسی انجام داد مطالعه تغییرات مقاومت الکتریکی فلزات بر حسب درجه حرارت بود. چندین سال قبل از آن معلوم شده بود که مقاومت فلزات وقتی دمای آنها به پایین تر از دمای اتاق برسد کاهش پیدا می کند. اما معلوم نبود که اگر درجه حرارت تا حدود کلوین تنزل یابد مقاومت تا چه حد کاهش پیدا می کند. آقای اونز که با پلاتینیم کار می کرد متوجه شد که مقاومت نمونه سرد تا یک مقدار کم کاهش پیدا می کرد که این کاهش به خلوص نمونه بستگی داشت.
در آن زمان خالص ترین فلز قابل دسترس جیوه بود و در تلاش برای بدست آوردن رفتار فلز خیلی خالص اونز مقاومت جیوه خالص را اندازه گرفت.او متوجه شد که در درجه حرارت خیلی پایین مقاومت جیوه تا حد غیر قابل اندازه گیری کاهش پیدا می کند که البته این موضوع زیاد شگفت انگیز نبود اما نحوه از بین رفتن مقاومت غیر منتظره می نمود.موقعی که درجه حرارت به سمت صفر تنزل داده می شود به جای اینکه مقاومت به ارامی کاهش یابد در درجه حرارت 4 کلوین ناگهان افت می کرد و پایین تر ازاین درجه حرارت جیوه هیچگونه مقاومتی از خود نشان نمی داد. همچنین این گذار ناگهانی به حالت بی مقاومتی فقط مربوط به خواص فلزات نمی شد و حتی اگر جیوه ناخالص بود اتفاق می افتاد.آقای اونز قبول کرد که پایین تر از 4 کلوین جیوه به یک حالت دیگری از خواص الکتریکی که کاملا با حالت شناخته شده قبلی متفاوت بود رفته است و این حالت تازه حالت ابر رسانایی نام گرفت.
-2 لزوم استفاده از سیستم های ذخیره کننده انرژی
تجهیزات سرمایش و تهویه مطبوع یکی از عوامل عمده مصرف کننده انرژی الکتریکی هستند.مقدار برق مصرفی این تجهیزات در ساعات مختلف شبانه روز با توجه به شرایط آب وهوائی،طول و عرض جغرافیایی هر منطقه در فصول مختلف سال دارای نوسان زیادی است بطوریکه در اکثر نقاط دنیا در ساعاتی از شبانه روز مقدار مصرف انرژی الکتریکی این تجهیزات به حداکثر رسیده و سپس در زمان شب به دلیل کاهش دما به شدت افت می کند. در شکل - 1 - یک نمونه پروفیل بار انرژی الکتریکی مصرفی تجهیزات سرمایش و تهویه مطبوع در 24 ساعت شبانه روز نشان داده شده است که بطور تقریبی می توان آنرا به عنوان یک الگوی بار مصرفی این تجهیزات در بسیاری از نقاط دنیا در نظر گرفت.
شکل - : - 1مصرف انرژی الکتریکی تجهیزات سرمایش و تهویه مطبوع بنابراین از یک طرف تقاضای متغیر فصلی و همچنین تقاضا در زمان های خاص که خارج از کنترل است و از سوی دیگر نیاز ضروری به زمان خاص راه اندازی تجهیزات تولید کننده انرژی که لزوما با تقاضا هماهنگ نیست باعث ایجاد نوسانات زیادی در تولید و مصرف برق و عدم توازن آنها می شود. وجود این نوسانات در مصرف انرژی الکتریکی بسیاری از شرکت های تولید کننده برق را مجبور به ساخت ایستگاه های قدرت اضافی برای زمان های پیک تقاضا می کند که ساخت نصب و تعمیر و نگهداری این ایستگاه ها به سرمایه گذاری و هزینه قابل توجهی نیاز دارند که فقط در هنگام پیک تقاضا کار می کنند و در بقیه اوقات خاموش هستند.
