بخشی از مقاله
چکیده
با نگاهی دقیق به مصرف انرژی در نواحی دور افتاده و روستایی کشور قابل ذکر است در حال حاضر استفاده از انرژی الکتریسیته توسط شبکه توزیع جهت تامین مایحتاج انرژی الکتریکی در بسیاری از نواحی روستایی کشور در حدود ِ؟ُُ-ِ؟َُ درصد بعنوان شیوه ای معمول جهت تامین انرژی برق به حساب می آید. اگرچه این شیوه در اکثر مناطق روستایی صعب العبور و دور از شبکه، موجب صرف هزینه های هنگفتی جهت برق رسانی و نیز افزایش میزان نرخ افت در شبکه میگردد.
در این راستا استفاده از منابع متعدد انرژی در نواحی دور افتاده کشور گامی موثر در جهت استقلا ل و خودکفایی از نظر تامین انرژی در این مناطق محسوب گردیده و مشکل تامین انرژی مورد نیاز در نواحی دور افتاده و صعب العبور را که با مشکلات بسیار و صرف هزینه های گزاف همراه است، بر طرف می نماید. لذا در ا ین مقاله یک سیستم هیبر دی فتوولتائیک، بادی با ذخیره ساز بانک باتری جهت تامین یک الگوی بار نمونه مستقل از شبکه طراح ی میشود .
روش پیشنهادی برای رسیدن به یک طراحی بهینه برای سیستم ترکیبی به این صورت است که ابتدا گزینههای مناسب جهت هر بخش از سیستم بر اساس ویژگیهای تکنیکی آنها انتخاب شده و سپس تعداد و ظرفیت اجزای سیستم با در نظر گرفتن تابع هزینه، قید قابلیت اطمینان - LPSP - و سایر قیود تکنیکی و براساس معیار پارتو انتخاب میگردد .
در این مقاله جهت بهینه سازی از الگوریتم جد دیی با سرعت همگرایی بالا تحت عنوان الگوریتم جستجو ی گرانشی استفاده شده و کارایی این سیستم در شرایط مختلف عملکرد با اطلاعات واقعی پروفیل بار و هواشناسی یکی از مناطق شمال غرب ایران - شهر اردبیل - مورد بررسی قرار گرفته میشود . از نتایج بهینه سازی چن ین استنباط م ی گردد که سیستم هیبرید مورد مطالعه در کاربردهای مستقل از شبکه در مناطق دور افتاده مخصوصا منطقه مورد مطالعه، عملی و مقرون به صرفه میباشد.
مقدمه
عدم حضور شبکه سراسری برق در مناطق دورافتاده، هزینهی بالای احداث خط انتقال جدید به دلیل مسافت طولانی، افزایش نرخ مصرف انرژی برق و وجود تعداد زیادی مصرف کنندهی دور از هم، از بزرگترین مشکلات شرکتهای برق میباشد. افزایش همیشگی تقاضای انرژی، طبیعت تجدید ناپذیر و هزینه های سنگین سوخت های فسیلی، نگرانی های موجود در زمینه زیست محیطی و مشکلاتی از این قبیل، تمایلات جدیدی را به تکنولوژی های تولید توان تجدید پذیر ایجاد کرده است.
در این بین انرژی های بادی و خورشیدی از مهمترین منابع تجدید پذیر محسوب می شوند.که بدلایی از قبیل راندمان بالا، عدم انتشار گازهای آلاینده و ساختار انعطاف پذیر، پتانسیل بالایی در تبدیل به منابع انرژی سبز در آینده ای نزدیک را خواهند داشت]ٌ.[ منابع انرژی متعددی شامل FC، PV، WG، مولد های د یزلی، توربین های گازی و م یکروتوربین ها در ترکیب با یکدیگر می توانند سیستم هیبر دی انرژی تشکیل دهند.
با وجود این منابع، از واحدهای سلول خورشیدی و ژنراتورهای بادی در تغذیه بار مناطق دور افتاده به طور گسترده ای استفاده می شود. با توجه به اینکه مشخصه این سیستم ها تقریبا مکمل یکدیگر می باشند، معمولا بصورت ترکیبی با یکدیگر بکار می روند. به علت پاک یزگی و تجد دی پذ ری بودن ا ین انرژی ها، سازمانها و کشور های متعددی علاقه مند به استفاده از آن بوده و تحقیقاتی در این راستا انجام می دهند.
روش های مختلفی برای طراحی بهینه و کمینه سازی هزینه های نیروگاه های بادی و خورشیدی ارائه شده است]ُ-ٍ.[ ترکیبی از برنامه ریزی خطی و غیر خطی که مبتنی بر محاسبه مشتقات جزئی به صورت تحلیلی و عددی در ]ٍ[ ارائه شده است. در مرجع ]َ[ روشی مبتنی بر برنامه ریزی غیر خطی برای انتخاب ظرفیت بهینه و محل نیروگاه های بادی متصل به شبکه بر اساس سناریو های مختلف ارائه شده که هدف این روش کم کردن هزینه ها و بیشینه سازی انرژی بر متر مربع است. در مرجع ] ُ[ از یک الگوریتم جستجوی تکراری برای یافتن اندازه بهینه یک سیستم هیبرید بادی -خورشیدی با ذخیره ساز باتری استفاده شده است.
در برخی مقالات ذخیره سازی انرژی در سیستم های تولید پراکنده مورد توجه قرار گرفته است ]ْ-ِ.[ از الگوریتم ژنتیک جهت اندازه یابی بهینه یک نیروگاه مختلط بادی-خورشیدی استفاده شده است ] َ.[ همچنین در یک نیروگاه مختلط بادی-خورشیدی از الگوریتم اجتماع ذرات جهت یافتن اندازه بهینه ابعاد سیستم و تابع هزینه استفاده شده است]ُ.[
در این مقاله پس از به ینه سازی ابعاد سیستم، به بررسی عملکرد سیستم ه یبر دی فتوولتائیک-بادی با ذخیره سازی باتری پرداخته شده است. هدف از این مطالعه، کمینه سازی هزینههای این نیروگاه در طول عمر سیستم با قید پوشش کامل تقاضای باراست. تابع هدف در طراحی این سیستم ترکیبی - فتوولتائیک- بادی با ذخیره ساز باتری - عبارت است از حداقل نمودن تابع هزینه و همچنین رسیدن به بیشترین قابلیت اطمینان ممکن است. در این مقاله جهت بررسی قابلیت اطمینان سیستم، از شاخص احتمال تلفات عرضه توان - - LPSP و همچنین جهت بهینه سازی از الگوریتم جدید جستجوی گرانشی استفاده شده است. از خصوصیات بارز این الگوریتم سرعت همگرایی مناسب و جستجو بر اساس حرکت چرخشی سیستم در حین بهینه سازی میباشد.
برای نشان دادن کارایی بهتر این الگوریتم نتایج بدست آمده، با د یگر الگوریتم های مرسوم از قبیل الگوریتم ژنتیک و الگور یتم اجتماع ذرات مقا یسه شده و یک مد رییت هوشمند جامع برا ی طراحی سیستم ه یبر دی معرفی می شود. نتایج حاصل از بهینه سازی برای سناریوهای مختلف نشانگر کارایی کامل الگوریتم پیشنهادی در حل مسائل غیر خطی و همچنین به وضوح مزایای سیستم هیبرید طراحی شده را در مقایسه با حالت های ذکر شده چه ازلحاظ اقتصادی و چه از نظر قابلیت اطمینان را نشان میدهد.
ٍ سیستم ترکیبی
هدف از نگارش این بخش برقراری نسبت مناسبی میان تولید و مصرف در سیستم هیبرید مورد نظر جهت تأمین انرژی مورد نیاز بارهای خانگی روستایی در منطقه ای دور از شبکه می باشد. در این راستا تعیین ابعاد سیستم جهت قابلیت اطمینان مناسب برق تولیدی و همچنین بهینه بودن از لحاظ اقتصادی ضروری می باشد. بدین منظور باید اختلاف توان تولیدی PGen و تقاضای بار Pload طبق معادله - ٌ - حداقل گردد.
دیاگرام سیستم مورد مطالعه، در شکلٌ نمایش داده شده است. در این سیستم WG و PV به عنوان منابع اصل ی درنظر گرفته می شوند. در حالی که از باتری به عنوان سیستم پشتیبان وذخیره کننده استفاده می شود. در شکل ٌخروجی واحدها به یک باسDC متصل میشوند. تعدادی باتری نزی به عنوان سیستم ذخیره ساز به این باس متصل می باشند.
باتریها که معمولا از نوع سرب-اسید هستند، مازاد انرژی سیستم را در خود ذخیره کرده و در زمان مقتضی، مانند کاهش سرعت باد یا تابش و یا پیک مصرف، آنرا بار دیگر به سیستم باز می گردانند. یک مبدل نیز پل ارتباطی بین ولت اژ DC و بار ACمصرفی می باشد. انرژی تولیدیPV ها و WGها از طریق مبدل DC/ACبه مصرف کننده منتقل میگردد. مازاد انرژی موجود نیز در اختیار بانک باتری قرار میگیرد .
َ مشخصات اجزاء سیستم
به منظور طراحی بهینه و 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 تعدادی توربین بادی،پنل فتوولتائیک، باتری و مبدل میباشد ×.در این بخش هر یک از این اجزاء بررسی میشوند.
َ-ٌ- بار الکتریکی
یک مصرف کنندهی بار خانگی kwh/d ٍِ و با حداکثر تقاضای بار kwh ٍ/َ در نظر گرفته شده است. تأمین چنین باری توسط یک منبع انرژی تجدیدپذیر به تنهایی و یا حتی سیستم انرژی ترکیبی، بویژه در در یک فضای شهری، غیر عملی است. در ایجاد خانه مستقل از شبکه روشهای مختلف ذخیرهسازی انرژی و استانداردهای ساخت باید در نظر گرفته شود. برای یک تأسیسات مخابراتی توان kwh/d ٌٍ با حداکثر توان kw ٌمیتواند کافی باشد. برای یک روز خاص پروفیل مصرف بار روزانه در شکل ٍ نشان داده است.
