بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی، کنترل و مدیریت انرژی سیستم هیبرید PV/CHP-FC برای کاربردهای مستقل از شبکه
چکیده
در این مقاله سیستم هیبرید فتوولتائیک-CHP/پیل سوختی جهت کاربردهای مستقل از شبکه طراحی شده است. هدف از ایـن طراحی بررسی عملکرد و مدیریت انرژی این سیستم هیبرید مـیباشـد. ترکیـب سیسـتم شـامل دو منبـع انـرژی شـامل مولـد فتوولتائیک، -CHPپیل سوختی میباشد. انرژی حاصل از پنلهای فتوولتائیک و CHP منابع اصلی سیستم بـوده و از ترکیـب پیل سوختی- الکترولیزور به همراه باتری به عنوان سیستم ذخیرهسازی استفاده شـده اسـت. سیسـتم کنتـرل و مـدیریت انـرژی جامعی جهت کنترل توان تولیدی منابع موجود در سیستم و واحد هـای ذخیـرهسـازی طراحـی شـده اسـت. سیسـتم مـذکور بـا Matlab/Simulink شبیه سازی شده و کارایی آن در شرایط مختلف عملکرد با اطلاعات واقعـی پروفیـل بـار و هواشناسـی شهر شیراز مورد بررسی قرار گرفته شده است. از نتایج بهینه سازی چنین استنباط می گـردد کـه سیسـتم مـورد مطالعـه جهـت استفاده در کاربرد های مستقل از شبکه در مناطق دور افتاده بخصوص در کاربردهای گلخانهای عملی و مقرون به صرفه است.
کلمات کلیدی: پیل سوختی، سیستم هیبرید انرژی، فتوولتائیک، مدیریت انرژی، .CHP
.1 مقدمه
افزایش چشمگیر مصرف انرژی، طبیعت تجدیدناپذیر سوختهای فسیلی، هزینههای سنگین سوختهای فسیلی، نگرانیهای موجود در زمینه زیستمحیطی و مشکلاتی از این قبیل، عوامل اصلی در توسعهی انرژیهای تجدیدپذیر میباشند. در این بین انرژی خورشیدی از مهمترین منابع تجدیدپذیر محسوب میشوند. به همین خاطر توسعه سیستمهای تولید انرژی با مولد فتوولتائیک (PV) پیشرفت قابل توجهی داشته است .[1] در این میان استفاده از سیستمهای تولید همزمان بر پایه محرک اولیه پیل سوختی به خاطر راندمان بالا، قابلیت انشعاب، عملکرد بدون صدا، اثرات زیستمحیطی کم، ظرفیت کوچک میتواند تکنولوژی ایدهآلی برای تولید قدرت توزیعی و محلی باشد .[2] به هرحال هر یک از تکنولوژیهای یاد شده دارای معایبی نیز میباشند. اشکال اصلی انرژی خورشیدی الگوی فصلی و متناوب آن و وابستگی زیاد آن به شرایط محیطی میباشد، در حالی که تقاضای توان مصرف کننده مشخصهای متفاوت دارد. بنابراین سیستمهای مبتنی بر PV اغلب به همراه دیگر منابع انرژی تجدیدپذیر سیستم استفاده میشوند. همچنین سوخت مصرفی FCها نیز گران است. اما با ترکیب چند تکنولوژی و با کنترل و مدیریت درست، میتوان سیستم هیبرید با قابلیت اطمینان بالا برای تأمین بار مناطق مختلف به کار برد .[10-3]
منابع انرژی متعددی شامل WG، PV، FC، مولدهای دیزلی، توربینهای گازی و میکروتوربینها در ترکیب با یکدیگر میتوانند سیستم هیبرید انرژی تشکیل دهند .[10-3] به خاطر خاصیت تناوبی خورشید، نیاز به ذخیرهسازی انرژی در شرایط مطلوب جهت استفاده در مواقع نیاز کاملاً محسوس میباشد. اغلب از باتری برای ذخیرهسازی انرژی استفاده میشود 5]و.[11 از ترکیب FC و الکترولیزور نیز جهت ذخیرهسازی انرژی استفاده شده است 10-7]و.[12 در برخی از مطالعات ترکیب باتری و FC برای ذخیرهسازی ترجیح داده شده است 1]و4و.[13 و در برخی از مراجع، استفاده از دو منبع فوق برای ذخیرهسازی به تفکیک از لحاظ هزینه مقایسه شدهاند 6]و.[14 ولی آنچه در این زمینه کمتر دیده میشود، بررسی جامع عملکرد سیستم بهینه شده و منابع ذخیرهساز میباشد. در این مقاله پس از بهینهسازی ابعاد سیستم به بررسی عملکرد سیستم هیبرید /CHP-FC فتوولتائیک با ذخیرهسازی باتری و ترکیب FC با الکترولیزور در طی یک روز کاری سیستم پرداخته شده است. ساختار سیستم هیبرید، بلوک کنترلی، نتایج شبیهسازی و آنالیز اقتصادی در بخشهای بعدی آورده شدهاند.
شکل (1) سیستم هیبرید انرژی مورد مطالعه را نشان میدهد. در این سیستم CHP-FC و PV به عنوان منابع اصلی در نظر گرفته میشوند. در حالی که از ترکیب FC و الکترولیزور به همراه باتری به عنوان سیستم پشتیبان و ذخیرهکننده استفاده میشود. از آنجا که منابع انرژی اصلی و ذخیرهساز همگی سازگار با محیط زیست میباشد این سیستم تولید انرژی، کاملاً با محیط زیست سازگار است 6]و.[10 هنگامی که انرژی خورشیدی مازاد بر تقاضای بار موجود باشد، الکترولیزور روشن شده و شروع به تولید هیدروژن می کند. هیدروژن تولید شده در تانک ذخیرهسازی نگهداری میشود. در صورتی که ظرفیت تانک ذخیرهسازی هیدروژن تکمیل باشد، توان اضافی به Dump load نشان داده شده در شکل (1) تحویل داده میشود. در مواقعی که توان تولیدی کاهش مییابد، FC با هیدروژن ذخیره شده در تانک ذخیرهسازی و در موارد خالی بودن این تانک به کمک هیدروژن ذخیره شده در تانک پشتیبان توان مورد نیاز سیستم را تأمین خواهد کرد. در این سیستم از باتری نیز جهت ذخیرهسازی انرژی استفاده میشود.
در این سیستم، منابع مختلف انرژی به باس DC متصل شده و به وسیله یک اینورتر DC/AC بار را تأمین میکند. سیستم به راحتی قابل گسترش بوده و منابع انرژی قابل دسترس دیگری را با توجه به شرایط منطقه مورد نظر میتوان به سیستم اضافه کرد.
.2 مشخصات و ابعاد سیستم
هدف از نگارش این بخش برقراری نسبت مناسبی میان تولید و مصرف در سیستم هیبرید مورد نظر جهت تأمین بارهای محلی در منطقه ای دور از شبکه میباشد. در این راستا تعیین ابعاد سیستم جهت قابلیت اطمینان مناسب برق تولیدی و همچنین بهینه بودن از لحاظ اقتصادی ضروری میباشد. بدین منظور باید اختلاف توان تولیدی (PGen) از انرژیهای نو و تقاضای بار (Pload) طبق معادله (1) در یک بازه زمانی حداقل گردد .[15] که در این مقاله بازه زمانی یک روزه در نظر گرفته شده است.
از نقطه نظر طراحی، بهینهسازی ابعاد و واحدهای هیبرید بسیار مهم میباشد و منجر به یک رابطه مناسب بین هزینه و اجرا خواهد شد. قبل از بهینه سازی ابعاد سیستم بایستی پروفیل بار و شدت تابش قابل دسترس را ارزیابی کرد، بنابراین این موارد در بخشهای ذیل ارائه خواهند شد.
.1-2 منحنیهای پروفیل بار الکتریکی و حرارتی
پروفیل بار الکتریکی و حرارتی یک شبانهروز نمونه برای مصرف یک مجموعه از واحدهای مسکونی با در نظر گرفتن گلخانه در منطقهای دور از شبکه استفاده شده در شبیهسازی، به ترتیب در شکل((2 و شکل (3) نشان داده شده است 16]و.[17
متوسط پروفیل بار الکتریکی حدود 7/3 کیلو وات میباشد که منجر به مصرف سالیانه حدود 63/88 مگا وات میشود. پیک بار مصرفی 10 کیلووات و حداقل مصرف 5 کیلووات میباشد. متوسط پروفیل بار حرارتی نیز 3/5 کیلو وات میباشد.
.2-2 اطلاعات تابش خورشید
توان حاصل از انرژی خورشیدی بطور قابل ملاحظهای وابسته به شرایط محیطی میباشد و بنابراین غیر قابل پیشبینی است. اطلاعات تابش خورشید استفاده شده در سیستم، میانگین تابش روزانه بر یک متر مربع در طول 10 سال شهر شیراز میباشد که در شکل (4) آورده شده است .[18] بیشترین میانگین تابش در ماه Jun در حدود 7500 Wh و کمترین میانگین تابش در حدود 2800 Wh در ماه Dec میباشد. در ادامه این سیستم با توجه به اطلاعات مربوط به یک روز نمونه در ماه تیر بررسی میشود. لذا منحنی تابش خورشید در یک شبانه روز در شکل (5) آورده شده است.
.3 مشخصات اجزاء سیستم
به منظور طراحی سیستم بهینه با مدیریت انرژی و نیز مشاهده عملکرد سیستم در شرایط مختلف، وجود اطلاعات کافی از ساختار هر یک از اجزاء ضروری است. سیستم مورد نظر متشکل از پنل فتوولتائیک، پیل سوختی، الکترولیزور و باتری میباشد. مبدلهای DC/AC و AC/DC و DC/DC استفاده شده در شبیهسازی دارای راندمان 95% میباشند. در این بخش هر یک از این اجزاء بررسی میشوند.
.1-3 پنل فتوولتائیک
سیستم فتوولتائیک فرآیندی است که انرژی خورشید را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. سلولهای خورشیدی از لحاظ فیزیکی شباهت بسیاری به دیودهای p-n دارند. سلولهای فتوولتائیک چند بلوری در حال حاضر بهترین انتخاب از لحاظ قیمت و کیفیت میباشند. آنها بازده کمتری از تکنولوژی تک بلوری ارائه می دهند اما ارزانتر میباشند. این موارد دلیل استفاده این تکنولوژی در اکثر سیستم های فتوولتائیک میباشد.توان تولیدی PV از معادله (2) بدست می آید 7]و13و.[19
در این رابطه Spv سطح PV بر حسب m2، ηpv بازده PV، و تابش نیز بر حسب وات برمتر مربع میباشد. در مدل PV از اثر دما بر سطح پنل صرفنظر شده است. سایر مشخصات PV در جدول (1) ملاحظه میشود .[20]
.2-3 پیل سوختی CHP
فنآوری تولید همزمان برق و گرما (CHP)، از لحاظ ترمودینامیکی به معنی تولید همزمان دو شکل معمول انرژی یعنی برق و گرما، با استفاده از یک منبع انرژی اولیه میباشد. انرژی گرمایی از بازیافت تلفات گرمای این مولدهای مستقل به دست میآید و این گرما در بخشهای مختلف صنعتی، تجاری و مسکونی به کار گرفته می-شود. از طرفی الکتریسیته تولیدی توسط این فنآوری به صورت محلی و مستقل و غیرمتمرکز بوده که این دو ویژگی در کنار یکدیگر، کارایی مولدهای تولید برق را به میزان قابل توجهی افزایش میدهد. کارایی سامانه های معمول به روش متمرکز در حدود 27 تا 55 درصد میباشد و بیشترین کارایی مربوط به نیروگاههای سیکل ترکیبی است. در حالیکه با بهره گیری تولید همزمان برق و گرما به صورت مستقل، کارایی انرژی این مولدها به 90 درصد نیز خواهد رسید. سامانه های CHP به دلیل تولید کارآمد، انعطافپذیر و انرژی پاک، مزیتهای بسیاری را به همراه دارند. شکل (6) جریان انرژی را در CHP نشان میدهد 21]،17و.[22
شکل -6 جریان انرژی در CHP
از مهمترین این سامانهها میتوان به توربین های گاز، موتورهای پیستونی، میکروتوربینها، موتورهای استرلینگ و پیلهای سوختی که همگی مجهز به سامانه بازیافت گرما هستند، اشاره نمود. پیلهای سوختی با استفاده از انرژی شیمیایی حاصل از ترکیب اکسیژن و هیدروژن، برق و گرما همراه با محصول جانبی آب تولید میکنند. با توجه به نوع الکترولیت 5 نوع پیل سوختی شامل پیل سوختی اسیدفسفریکی (PAFC)، پلیمری (PEMFC)، قلیایی (AFC)، کربنات مذاب (MCFC) و اکسیدجامد (SOFC) وجود دارند. سه نوع پیل سوختی اسیدفسفریکی، پلیمری، قلیایی دما پائین بوده و زمان استارت به کار کوتاهی دارند ولی البته در قیاس با دو نوع دیگر از بازدهی پائینتری برخوردارند. سوخت این سه نوع پیل سوختی باید هیدروژن باشد لذا به رفورمر جهت تبدیل سایر سوختها به هیدروژن و دی اکسیدکربن نیاز است.
دو نوع کربنات مذاب و اکسیدجامد در دماهای بالا کار کرده و نیاز به زمان استارت طولانیتری دارند لذا برای کاربردهای حمل و نقل مناسب نبوده ولی به دلیل بازدهی بالا (بیش از % ( 50 افق روشنی در کاربردهای نیروگاهی و CHP در مقیاس بزرگ برای آنها وجود دارد. این مولدهای برق سوخت های فسیلی را به صورت داخلی به هیدروژن تبدیل میکنند بنابراین، نیازی به استفاده از رفورمرها ندارند .[2]
پیل سوختی استفاده شده در شبیهسازی از نوع PEM (Proton Exchange Membrane) میباشد. این نوع FC با سوخت هیدروژن و در شرایط نرمال( از 30 تا 200 درجه سانتیگراد و فشار 1 اتمسفر ) کار میکند و دارای بازده الکتریکی در حدود 50 درصد میباشد 3]و.[14 توان FC مذکور معادل 7500 W در نظر گرفته شده است.
توان FC در یک مقدار ثابت تنظیم گردیده است و توان خالص FC می تواند معادل با توان متوسط بار گردد. باید توجه داشت که سیستم FC به حدود 20 درصد توان خالص جهت تامین مصرف داخلی نیاز دارد.
.3-3 الکترولیزور
الکترولیزور وسیلهای است که از تجزیه آب، هیدروژن و اکسیژن تولید میکند. الکترولیزور در شبکه را می-توان به عنوان بار غیر خطی DC در نظر گرفت .[1] در این مقاله الکترولیزور علاوه بر تأمین هیدروژن مورد نیاز FC، به عنوان Dump load نیز به کار گرفته شده است. تکنولوژی استفاده شده برای الکترولیزور از نوع Alkaline میباشد. این نوع الکترولیزور به مدت طولانی در صنعت استفاده شده است به طوری که طول عمر آن به حدود 20 سال رسیده است و هزینه کمتری نسبت به انواع دیگر آن دارد (حدود 2 برابر ارزانتر از نوع PEM میباشد) .[14] توان الکترولیزور از معادله (3) بدست میآید.
که PLoad توان مصرفی بار میباشد.
.4-3 باتری
باتری انتخاب شده جهت شبیهسازی از نوع lead-acid میباشد، برتری این نوع باتری بر موارد مشابه در راندمان بالا، هزینه پایین و تخلیه خودی کم (کمتر از 5 درصد در ماه) میباشد. عیب اصلی آن وزن بالا ست که در سیستمهای ساکن قابل چشم پوشی است .[23] توان ورودی باتری با توجه به عملکرد شارژ یا دشارژ میتواند مثبت یا منفی باشد. توان باتری از معادله((4 بدست میآید.
وضعیت شارژ باتری (State of Charge)، طبق معادله (5) از انرژی و راندمان باتری استنباط میشود .[14]
CHP پیل سوختی در زمانی که وضعیت شارژ باتری از مقدار آستانه پائینتر گردد، فعال میشود. برعکس هنگامی که SOC باتری بالاتر از مقدار آستانه گردد، FC متوقف و الکترولیزور شروع به کار میکند. سایر مشخصات الکترولیزور و باتری در جدول (2) ملاحظه میشود 1]و6و.[14
.4 استراتژی کنترل و مدیریت انرژی
روشهای مختلفی جهت مدیریت و کنترل سیستم های هیبرید انرژی با منابع غیر پیوسته نظیر باد و خورشید وجود دارد که هر کدام مزیت و معایب خاص خود را دارد 1]و3و7و.[10
شکل((7 فلوچارت سیستم کنترلی پیشنهادی مربوط به سیستم هیبرید مورد مطالعه را نشان میدهد. توان تولیدی (PGen) از معادله (6) و اختلاف توان تولیدی و بار طبق معادله (7) محاسبه میشود:
