بخشی از مقاله
خلاصه-
در سالهای اخیر واحدهای تولید سهگانه یا Trigeneration، به یک گزینه جذاب برای تامین تقاضای انرژی مصرفکنندگان تبدیل شدهاند. به طور ویژه زمانی که جهت تامین دائمی تقاضای الکتریکی، گرمایش و سرمایش ساختمانها و مجتمعهای مورد نظر، مقیاس و اندازه مناسبی از این واحدها وجود داشته باشد، بکارگیری واحدها تولید سهگانه مورد توجه قرار میگیرد. همچنین این نوع تولید در کشورهایی که دارای دورههای طولانی مدت خاموشی برق هستند محبوبیت زیادی دارد. از اینرو در این مقاله واحدهای تولید سهگانه، معرفی و مزایای اصلی آنها برشمرده میشود. همچنین انواع مختلف محرکهای اولیه - واحدهای تولیدکننده توان - ، تجهیزات بازیافت انرژی، واحدهای گرمایش، واحدهای سرمایش، و واحدهای ذخیرهکننده انرژی حرارتی که در این سیستمها قابل بکارگیری است، بررسی و با یکدیگر مقایسه میشوند. علاوه بر این، به روشهای انتخاب، طراحی و ارزیابی عملکرد سیستمهای تولید چندگانه پرداخته میشود، و معیارهای مختلف ارزیابیآنها بررسی میشوند. سپس یک مطالعه نمونه جهت آشنایی با نحوه تعیین سایز بهینه محرک اولیه - از نوع توربین گازی - در برنامه MATLAB کدنویسی شده و نتایج مربوط به آن ارائه و بررسی شده است.
کلمات کلیدی: تولید سهگانه، تولید ترکیبی برق، گرمایش و سرمایش، واحد تولیدکننده توان الکتریکی، بازیابی حرارت.
.1 مقدمه
به دلیل رشد جمعیت و بالا رفتن استانداردهای زندگی، تقاضای مصرف انرژی به شیوهای فزاینده در سراسر جهان در حال افزایش است. همین موضوع باعث شده است تا تمامی کشورها در زمینه بازار انرژی تحت فشار قرار گیرند. همچنین قیود تامین و تحویل سنتی انرژی الکتریکی، رقابتهای جهانی، معضلات تغییرات جوی، فرسودگی زیرساختهای شبکه برق، و مسائل امنیتی دیگر موارد موثری هستند که موجب افزایش فشار به وضعیت انرژی شده و لذا عواقب زیستمحیطی، سلامت انسانی و مسائل مالی را به همراه داشتهاند. بنابراین، مصرف انرژی باید از طریق بهبود راندمان سیستمهای انرژی بهکار رفته و نیز ارتقاء طرح ساختمانها و دستگاهها، صرفهجویی در انرژی، و ارتقاء منابع انرژی پایدار و تجدیدپذیر، بهینه شود.
در بیشتر کشورهای عضو آژانس بین المللی انرژی - IEA - ، مصرف انرژی اولیه در بخش ساختمانی حدود %40 است .1[] این مصرف عمدتاً شامل مصرف دستگاههای برقی، گرمایش فضا، سرمایش فضا و مصرف آب گرم میشود. به طور معمول، بارهای الکتریکی توسط شبکه سراسری برق، و بارهای گرمایشی به صورت مستقل در بویلرها با سوختن گاز طبیعی و یا نفت فراهم میشوند. با این حال نیروگاه برق حرارتی - موتورهای احتراق داخلی، توربینهای بخار و گاز - دارای راندمان کلی نسبتاً کمی هستند. و این در حالی است که متوسط راندمان برای تولید توان الکتریکی توسط این واحدها کمتر از %40 است .[2] برای بارهای گرمایشی نیز، بویلرهای مرسوم خانگی میتوانند تنها تا %70 راندمان داشته باشند. علاوه براین، مصرف سوختهای فسیلی، که بیشتر سیستمهای مرسوم تولید توان الکتریکی مبتنی بر آن هستند، منجر به تولید حجم انبوهی از انتشار گازهای گلخانهای میشود.
لذا، لازم است تا مصرف منابع محدود سوختی در بخش ساختمانی بهینه شود. بنابراین، تولید مجزای انرژیهای الکتریکی و حرارتی از لحاظ انرژی و زیست محیطی غیرکارآمد خواهد بود. از طرفی تولید همزمان این انرژیها در یک فرایند تولید توان منفرد قابل اطمینانتر است. لذا بهرهگیری از حرارت اتلافی درجه پایین از فرایند تولید توان الکتریکی جهت تامین گرمایش و یا سرمایش یکی از راهکارهای صرفهجویی در مصرف سوخت خواهد بود، و بکارگیری فناوریهای تولید همزمان یا تولید سهگانه یک راهکار موثر در این زمین است. در حال حاضر، یکی از جذابترین و کارآمدترین روشهای موجود، نصب فناوری ترکیب سرمایش، گرمایش و توان الکتریکی - CCHP - در بخش ساختمانی، خصوصا در کشورهایی که دارای قیمتهای بالای سوخت هستند، می باشد. افت کل تقاضای انرژی، استقلال سوخت، افزایش رقابتپذیری تجاری، کاهش انتشار گازهای گلخانهای، و بهبود شبکه برق تنها برخی از مزایای این فناوری است.
لذا در این مقاله، قوانین اصلی، تعاریف و تفاوتهای تولید همزمان و تولید سهگانه به همراه مزایای اصلی آنها معرفی میشوند . سپس دستهبندی سیستمهای CHP/CCHP بر اساس سه اصل مختلف شامل نوع محرک اولیه، توالی مصرف انرژی، و اندازه نیروگاه ارائه میشود. همچنین مزایا و معایب فناوریهای مختلف محرکهای اولیه موجود ارزیابی میگردد. در ادامه تجهیزات بازیافت انرژی حرارتی و واحدهای سرمایش که به طور مکرر برای بازیافت انرژی حرارتی از محرک اولیه به کار میروند مرور میشوند. سپس فناوریهای مختلف ذخیرهسازی حرارت برای تفکیک تقاضاهای الکتریکی و حرارتی بیان میگردد. در انتها علاوه بر روشهای تصمیمگیری، به بحث در مورد طراحی و ارزیابی عملکرد سیستمهای CHP/CCHP پرداخته میشود، و معیارهای مختلف ارزیابی بررسی میشوند.
2. فناوری تولید سهگانه
2. .1 تعریف و اصول
تولید همزمان یا تولید ترکیبی برق و حرارت - CHP - عبارت است از کاربرد یک موتور حرارتی و یا پست برق برای تولید همزمان برق و حرارت مفید، که در این تولید متوالی انرژی، هر دو نیازمندی حرارت و برق، از یک منبع سوخت منفرد برآورده میشود. حرارت، که در غیر این صورت در فرانید تولید برق اتلاف میشود - از طریق برجهای خنککننده، لوله گاز یا بخار، و یا طرق دیگر وارد محیط زیست میشود - نیرویی تازه مییابد تا تقاضاهای حرارتی را تامین کند. نکته حائز اهمیت بکارگیری یک منبع سوخت مشترک و در نتیجه صرفهجوی قابل توجه در مصرف سوخت و کاهش میزان آلایندگیها میباشد. بنابراین، تولید همزمان استفاده کارآمد ترمودینامیکی از سوخت است.
تولید سهگانه یک مرحله پیش از تولید همزمان است، که اشاره به تولید همزمان برق، گرمایش مفید، و سرمایش - CCHP - از یک منبع سوخت منفرد دارد. در این سیستم نسبت به سیستم CHP، حرارت از دست رفته مجدد احیا شده و برای تولید سرما علاوه بر گرما و برق به کار میرود. سیستمهای CCHP میتوانند در مقایسه با نیروگاههای معمولی برق و یا تولید همزمان، به راندمان کلی بالاتری دست یابند .[3] و خروجیهای گرمایشی و سرمایشی میتوانند به صورت همزمان و یا جایگزین عمل کنند که این به نیازها و زیرساخت سیستم بستگی دارد. مفهوم کلی یک سیستم تولید سهگانه در شکل .1 نشان داده شده است. اجزای اصلی واحد CCHP شامل محرک اولیه، ژنراتور الکتریکی، واحد بازیاب حرارتی، واحد خنککننده، سیالات انتقال حرارت، واحد ذخیرهسازی انرژی حرارتی، واحد ذخیرهسازی انرژی الکتریکی و ... میباشند.
در این سیستم، ابتدا سوخت و هوای اضافی با هم ترکیب شده و سوزانده میشوند تا محرک اولیهای که یک ژنراتور برق را به حرکت در میآورد راهاندازی شود تا الکتریسیته برای مصرف نهایی تولید شود. انرژی حرارتی خروجی با دمای بالا از محرک اولیهعمدتاً با استفاده از یک واحد بازیاب حرارتی بازیافت میشود. و با استفاده از یک سیال انتقال حرارت مناسب، گرمای بازیافت شده را میتوان در یک فرایند خاص گرمایشی به کار برد و یا برای فرایندهای سرمایشی بر اساس تقاضاهای محل، یک واحد خنککننده را راه اندازی کرد. انرژی خروجی با دمای پایین از واحد بازیاب حرارتی را میتوان مجدداً در یک محرک اولیه بکار گرفت تا به تولید توان الکتریکی بیشتری دست یافت. این کار در مواردی صورت میگیرد که توان الکتریکی همان بار غالب و اصلی باشد. در موارد خاص، خروجی اولیه ممکن است به طور مستقیم از طریق واحد خنککننده بازیافت شود. همچنین تانکهای ذخیرهسازی به منظور ذخیره کردن انرژی به کار میروند زیرامعمولاً تقاضاهای الکتریکی و حرارتی از نظر زمان مصرف هماهنگ نیستند.
.2 .2 دستهبندی سیستمهای تولید سهگانه
سیستمهای CCHP را میتوان بر اساس چندین عامل دستهبندی نمود، که عمدتاً عبارتاند از نوع محرک اولیه نصبشده، توالی انرژی مصرفشده، و اندازه نیروگاه.
