مقاله سیستم ترکیبی تولید انرژی از طریق بازیافت انرژی گرمایی اقیانوس و انرژی خورشیدی

بخشی از مقاله

چکیده
انرژیهای تجدید پذیر دریایی انواع مختلفی دارد، که میتوان به مواردی ازجمله: حرکت امواج دریاها و اقیانوسها، جزر و مد دریا، جریانات دریایی، اختلاف چگالی آب - شوری - ، بازیافت انرژی گرمایی اقیانوس - OTEC - و ... اشاره کرد. بازیافت انرژی گرمایی اقیانوس را میتوان بهصورت سیکل ترمودینامیکی تعریف کرد که از اختلاف دمای آب بین سطح و عمق اقیانوس در تولید الکتریسیته مورداستفاده قرار میگیرد، که انرژی دریافتی از خورشید منجر به گرم شدن آب سطح اقیانوس میشود. میزان انرژی که زمین در طول مدت یک ساعت از خورشید دریافت میکند بیش از انرژی مصرفی در تمام جهان در طول مدت یک ساعت است. در این مقاله معرفی کاملی از روش تولید انرژی گرمایی اقیانوس، انرژی خورشیدی و ترکیب این دو باهم پرداختهشده است. در انتها میزان افزایش بازده تولید انرژی از ترکیب این دو روش، برحسب ناحیه مؤثر موردنیاز از پیش گرمکننده خورشیدی با نوشتن کد MATLAB بررسی میشود.

کلمات کلیدی: بازیافت انرژی گرمایی اقیانوس، OTEC، انرژی خورشیدی، انرژیهای تجدید پذیر

مقدمه
از زمانهای گذشته، بشر حیات و آسایش خود را بهطور مستقیم و غیرمستقیم به منابع مختلف انرژی وابسته میدید و امروزه با توجه به رشد روزافزون جمعیت و پایانپذیری منابع تجدید ناپذیر و انرژی حاصل از سوختهای فسیلی بهویژه نفت خام، نیازمند استفاده از منابع دیگر برای جایگزینی آن است. اگر درگذشته بحران غذا و یا بحران آب آشامیدنی حیات بشر را به خطر میانداخت، امروزه کارشناسان بر این اعتقادند که بحران انرژی نیز در آینده میتواند کیفیت زندگی بشر را تحت تأثیر خود قرار دهد. از سویی دیگر، مصرف سوختهای فسیلی همچون نفت، گاز و زغالسنگ بهعنوان منابع انرژی غالب در کشورها باعث به وجود آمدن خسارات جبرانناپذیری برای بشریت شده است.

تا آنجائی که استفاده بیشازحد از این منابع سبب افزایش میزان تولید بخارآب، گازکربنیک و گازهای سمی نظیر CO و SO2 شده و با بالا رفتن میزان دیاکسید کربن جو زمین و ایجاد اثر گلخانهای، موجب افزایش دمای سطح زمین شده است. عوامل بیانشده و تعداد بسیاری ازاینگونه عوامل، باعث شد که دانش بشر به سمت انرژیهای تجدید پذیر طبیعی حرکت کند؛ با این تفاوت که پیشرفت علم و فناوری، فصلی تازه در بهکارگیری و تبدیل و مهار این انرژیها گشوده شود. در بهکارگیری انرژیهای تجدید پذیر، دو رویکرد عمده وجود دارد؛ نخست، روش ترکیبی است که در آنهمهی انواع این انرژیها به برق تبدیل میشود. درروش دوم با تجهیزات ویژه، این انرژیها را بیواسطه در گرمایش، سرمایش و محورهای چرخان مکانیکی بکار میبرند - روش مجموعههای مکمل - . روش دوم به دلیل حذف تبدیلهای غیر لازم، نسبت به روش نخست برتری دارد و بازده آن نیز بسیار بیشتر است؛ اما به خاطر فراگیرتر بودن فناوری، گرایش بیشتری به روش ترکیبی نشان دادهشده است.

از عمدهترین مزایای انرژیهای تجدید پذیر، پایدار بودن آنهاست، ازاینرو هیچگاه تمام نمیشوند. نیروگاههای تجدید پذیر به دلیل نداشتن قطعات متحرک زیاد،عموماً به تعمیر و نگهداری کمتری نسبت به ژنراتورهای معمول نیازمندند . سوخت آنها از طبیعت گرفته میشود و منابع موجود، هزینههای عملیاتی را کاهش میدهند. بهعنوان مهمترین مزیت، انرژیهای تجدید پذیر یا بدون آلایندگی هستند و یا آلودگی بسیار کمی تولید میکنند - آلودگیهایی مانند دیاکسید کربن و یا سایر آلایندههای شیمیایی - . بنابراین حداقل تأثیرات زیستمحیطی را دارا میباشند. پروژههای تجدید پذیر همواره منافع اقتصادی به همراه دارند. پروژههای تجدید پذیرعموماً در بیرون از مناطق شهری ساخته میشوند. این پروژهها میتوانند جنبه توریستی داشته باشند که سبب جذب سرمایه و ایجاد شغل در آن ناحیه میگردد. در مقابل مزایای متعدد انرژیهای تجدید پذیر، باید نسبت به معایب آن نیز آگاه بود. این معایب عبارتاند از:

تولید توانی معادل توان تولیدشده از سوختهای فسیلی توسط انرژیهای تجدید پذیر بسیار دشوار است چراکه راندمان تبدیل انرژیهای تجدید پذیر پایین است. بنابراین در این شرایط یا باید میزان انرژی مصرفی کاهش یابد و یا از نیروگاههای بیشتری استفاده گردد. در این شرایط بهترین روش، ایجاد تعادل و ارتباط بین منابع مختلف تولید توان است. مشکل دیگر انرژیهای تجدید پذیر، قابلاعتماد نبودن آنهاست. اغلب انرژیهای تجدید پذیر به شرایط آب و هوایی وابسته هستند. نیروگاههای آبی برای تداوم نیاز به بارش باران جهت تکمیل آب سد دارد. جمع کنندههای خورشیدی و صفحات خورشیدی فوتوولتاییک برای تولید برق نیازمند نور خورشید و آسمان پاک هستند. این انرژیها، قابل پیشبینی نبوده و ثابت نیز نیستند.

هزینههای فعلی انرژیهای تجدید پذیر نسبت به سوختهای فسیلی متداول بیشتر است. چراکه تکنولوژی انرژیهای تجدید پذیر جدید بوده و هزینه سرمایهگذاری اولیه بالایی دارند. علاوه بر این به خاطر جدید بودن تکنولوژی انرژیهای تجدید پذیر، استفاده از این انرژیها نیاز به زیرساختهای اساسی دارد. برخی از تکنولوژیهای تجدید پذیر مانند انرژی باد آلودگی صوتی برای ساکنان مناطق اطراف خود ایجاد میکنند. برای استفاده از انرژیهای تجدید پذیر نیاز به تجهیزاتی است که در پارهای از موارد این تجهیزات از مواد سمی و خطرناک ساخته میشوند، مانند صفحات فوتوولتاییک. ورود این مواد به چرخه طبیعت باعث ایجاد آلودگی در محیطزیست میگردد. استفاده از انرژیهای تجدید پذیر در هرجایی امکانپذیر نیست. از طرفی انرژیهای تجدید پذیر همانند سوختهای فسیلی متداول قابلحمل و انتقال به نقاط دیگر نیستند.

لذا استفاده از فرمهای مختلف انرژیهای تجدید پذیر در هر مکانی وابسته به پتانسیل آن منطقه است. در کنار تمام این معایب باز نمیتوان بیان کرد که استفاده از انرژیهای تجدید پذیر مفید و مقرونبهصرفه نیست. برای نتیجهگیری مناسب باید هر دو سمت معادله را موردبررسی قرارداد. از سوی دیگر باید اندیشید که چه چیزی از بین میرود و چه چیزی به دست میآید.پیشرفتهای فناوری در انرژیهای تجدید پذیر دریایی این اجازه را میدهد که برای استخراج انرژی به شکل انرژی الکتریکی از روشهای مختلف ازجمله: حرکت امواج دریاها و اقیانوسها، جزر و مد، جریانات دریایی، اختلاف چگالی - شوری - ، بازیافت انرژی گرمایی اقیانوس - - OTEC1 و ... استفاده شود.دریاها و اقیانوسها چیزی در حدود دوسوم از سطح زمین را پوشش دادهاند که این باعث شده آنها را بزرگترین منبع جمعآوری و ذخیرهسازی انرژی سیستمهای خورشیدی در جهان بدانیم.

کشور ایران با جمعیتی در حدود 80 میلیون نفر در سال 2015 میلادی معادل 10248 گیگا ژول انرژی مصرف کرده که این میزان مصرف، معادل % 32 کل انرژی مصرفی در خاورمیانه در همان سال است. میزان الکتریسیته تولیدی ایران در سال 2015 میلادی 291 ترا-وات ساعت بوده که معادل 26 درصد تولید الکتریسیته در خاورمیانه است. همچنین، میزان الکتریسیته مصرفی در داخل کشور در سال 2015میلادی 243 ترا-وات ساعت بوده که این میزان، رشد 4/93 درصد را نسبت به سال 2014 داشته است. سهم انرژیهای تجدید پذیر - نظیر انرژیهای استحصالشده از آب، خورشید، زمینگرمایی و باد - در تولید الکتریسیته در سال 2015 میلادی 6/48 درصد بوده است.[1] بااینوجود، مشاهده میگردد که انرژیهای تجدید پذیر دریایی هنوز نتوانسته سهمی از تولید الکتریسیته داخل کشور را بر عهده بگیرند. از طرفی ایران با داشتن 2700 کیلومتر مرز آبی در دریای خزر، خلیجفارس و دریای عمان میتواند از انرژی تجدید پذیر دریایی برای تأمین نیاز شهرهای ساحلی، سکوهای موجود در دریا و بندرها استفاده کند. حال به معرفی یکی از انواع انرژیهای تجدید پذیر دریایی پرداخته میشود.

معرفی بازیافت انرژی حرارتی اقیانوس

مفهوم اولیه بازیافت انرژی گرمایی اقیانوس در سال 1881 میلادی توسط فیزیکدان فرانسوی به نام دی ارسونوال2 مطرح شد و در سال 1930 میلادی نمونه آزمایشی موفقی از این نوع نیروگاه با ظرفیت 22 کیلووات برای مدتزمان 10 روز از اختلاف دمای 14 درجه در منطقه خلیج مانتانزاس کوبا توسط شاگرد وی به نام ژورژ کلود3 ساخته شد. در طرح ابتدایی دی ارسونوال، آب گرم سطح اقیانوس در مناطق گرمسیری در اواپراتور سیال دیگری - آمونیاک - را به بخار تبدیل کند. به دلیل پایین بودن نقطهجوش آمونیاک، بهعنوان سیال کاری استفاده شد. از بخار آمونیاک برای به حرکت درآوردن توربین و ژنراتور و درنتیجه تولید برق استفاده میگردد . که این سیکل، با نام سیکل بسته OTEC شناخته میشود . سیکل مورداستفاده توسط کلاود با مفهوم ارائهشده توسط ارسونوال متفاوت بود، به این صورت که آب گرم سطحی وارد محفظه خلأ شده و از بخار ایجادشده برای به تحریک توربین و ژنراتور استفاده میشد. که با عنوان سیکل باز OTEC شناخته میشود.

در سال 1979، نیروگاهی کوچک OTEC بر روی یک بارج در منطقه ساحلی هاوایی با ظرفیت خالص 18 کیلووات ساخته شد.[2]در سالهای اخیر مطالعات و پروژههای متعددی با بهرهگیری از این روش در هاوایی آمریکا، ژاپن، باهاماس و مناطق دیگر در حال انجام است. شرکت لاکهید مارتین4 که با همکاری گروه رین وود5 در حال ساخت نیروگاهی با بهرهگیری از این سیستم با ظرفیت 10 مگاوات، که بزرگترین نیروگاه تا به امروز است. این طرح بهصورت یک سکوی شناور در سواحل چین قرار میگیرد و از آبهای گرم سطحی و آب سرد عمق 1000 متری استفاده میکند.[3]سیستم بازیافت انرژی گرمایی اقیانوس از اختلاف درجه حرارت آب اقیانوس در سطح، که توسط خورشید گرم شده و آب سردتر اعماق بهمنظور تولید نیروی الکتریسیته استفاده میشود.

گرادیان توزیع عمودی دما در اقیانوسهای آزاد را میتوان بهسادگی به شکل دولایهی جدا از هم بهوسیلهی سطح تماس توصیف کرد که به لایه سطح تماس یا ترموکلاین معروف است. لایه فوقانی توسط خورشید گرم و با حرکت موج تا عمق حدود 100 متر مخلوط میشود. لایه پایین متشکل از آب سرد موجود در عرضهای جغرافیایی بالا است که از طریق جریانات دریایی به این مناطق منتقل میشود. لایه سطح تماس گاهی اوقات بهوسیله یک تغییر ناگهانی در دما مشخص میشود ولی این زیرلایه دما بهصورت تدریجی با افزایش عمقکاهش مییابد. نمودار نشان دادهشده در شکل1 قسمت a، ترموکلاین اقیانوسهای گرمسیری، عمق - متر - برحسب درجه حرارت - درجه سانتی گراد - است.[4] در شکل 1 قسمت b ملاحظه میشود که اختلاف درجه حرارت بین لایه سطح و عمق آب در محدوده 20 درجه شمالی و جنوبی به بیش از 20 درجه سانتی گراد میرسد. که در این محدوده امکان تأسیس نیروگاه بازیافت انرژی گرمایی اقیانوس وجود خواهد داشت.

یک تصور که ممکن است در بررسی سیستم به وجود آید این است که پمپاژآب سرد از عمق مثلاً 1000 متر توان زیادی را مصرف میکند، درصورتیکه با استفاده از روابط برنولی میتوان نشان داد که این توان مصرفی، کم و تنها صرف غلبه بر اصطکاک داخلی لولههای ارتباطی میشود، به عبارتی فشار زیاد آب در عمق نسبت به سطح باعث بالا آمدن آب میشود.[5] سیستم OTEC با داشتن مزایایی ازجمله: استفاده از انرژی تجدید پذیر، محسوب شدن جزء انرژیهای پاک و کم بودن میزان آلودگی و نوسانات کم در خروجی، ارزش سرمایهگذاری و توسعه بالایی دارد و بزرگترین منبع بالقوه انرژی اقیانوس محسوب میشود.[6] این سیستم از دستگاههای مختلفی مانند: اپراتور - قسمتی از سیکل که برای تبخیر آب یا دیگر مایعات به کار میرود - ، توربین و ژنراتور، کندانسور و پمپ تشکیل میشود و در سه سیکل بسته1، باز2 و مختلط3 که رواج بیشتری دارند، مورداستفاده قرار میگیرند.

سیکل بسته سیستم :OTEC
در این سیکل، طبق شکل شماره 2، ابتدا آب گرم سطح اقیانوس وارد اواپراتور شده که در این محفظه گرمای خود را به سیال کاری منتقل میکند، در این نوع سیکل از سیال با نقطهجوش پایینتر نسبت به آب استفادهشده که میتوان یکی از سیالهای آمونیاک، پروپان، R-134a، R-22 و یا-R 32 باشد. بخار سیال ایجادشده به توربین و ژنراتور منتقلشده و منجر به تولید برق خواهد شد. حال برای بازگرداندن بخار سیال به چرخه، از آب سرد عمق اقیانوس در کندانسور برای تبدیل بخار سیال به مایع استفاده میشود، که با قرار دادن پمپ بعد از کندانسور سیال به اواپراتور منتقلشده و سیکل بسته تشکیل میشود. این سیکل بهخوبی با مفهوم چرخه رانکین که برای پیشبینی عملکرد موتورهای بخار و نیروگاهها بهکاررفته میشود، متناسب است. تا سال 1981 میلادی تمرکز اصلی مطالعات بهمنظور تولید قدرت از سیکل بسته، استفاده از سیکل رانکین بود. در این سال، روش جدیدی با نام سیکل کالینا 4 که قادر است تا از مخلوط آب و آمونیاک بهمنظور تولید قدرت از اختلاف حرارت موجود در اقیانوس استفاده نماید، برای سیستم OTEC پیشنهاد شد.[5]

برای اولین بار سیکل کالینا در سال 1948 میلادی توسط الکساندر کالینا مطرح شد و در آن از یک مخلوط دوجزئی با دونقطه جوش متفاوت استفاده میشد. که این مخلوط دارای یک محدوده جوش است و درنتیجه در حالتی که دما و انرژی منبع گرم متغیر باشد، سیکل میتواند خود را برای به دست آوردن بهترین راندمان تطبیق دهد. در این حالت پروفیل دمای سیال به پروفیل دمای حرارتی منبع نزدیکتر میشود ودر میعان نیز عیناً چنین انعطافپذیری به وجود خواهد آمد. مخلوط دوگانه به ما این اجازه را میدهد که با حرارت دادن بهصورت افزایشی، شیب افزایش دمای بیشتری داشته باشیم، درحالیکه در سیال یگانه این افزایش بهصورت تغییر فاز مثلاً - از فاز مایع به فاز بخار - خودنمائی میکند. در موقع سرد کردن سیال سیکل توسط آبخنک کننده، مخلوطی به وجود میآید که مقدار زیادی آب و مقدار کمی آمونیاک دارد و برعکس در موقع فرستادن سیال به توربین بخار، مقدار زیادی آمونیاک و مقدار کمی آب در مخلوط موجود است.[7,6]