بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی بهینه یک سیستم هیبرید مستقل و وابسته به شبکه به همراه ذخیره ساز انرژي به کمک نرم افزارHOMER
چکیده
در این مقاله طراحی و بهینه سازي سیستمهاي هیبریدي باد/خورشید/باتري، باد/باتري و خورشید/بـاتري جهـت تـأمین بـار 24KWh/dayبا پیک2/1kw در دو شهر تهران و منجیل در دو حالت مستقل از شبکه با حداکثر احتمـال از دسـت دادن 10 درصد بار و متصل به شبکه با ضریب تجدید پذیري 90 درصد با اسـتفاده از نـرمافـزارHOMERانجـامشـده اسـت. ایـن طراحی و شبیهسازي در یک دوره 20 ساله صورت پذیرفته و کارایی سیستم در شرایط مختلـف عملکـرد بااطلاعـت واقعـی منحنی تابش خورشید و پروفایل سرعت باد براي هر دو شهر موردبررسی قرارگرفته و ازنظر تعداد ترکیبات اجزا و هزینـه بـا یکدیگر مقایسه شده اند. هدف از این طراحی کمینهسازي هزینه کـل تولیـد،افزایش قابلیـت اطمینان،تصـمیم سـازي بـراي بهرهبردار و کاهش آلودگی زیست محیطی است. نتایج بهینهتـرین سیسـتم بـا حـداکثر قابلیـت اطمینـان و ترکیـب اجـزاي سیستم را در هر دسته و درنهایت در بین دسته هاي مختلف و مقرون بهصـرفه بـودن اسـتفاده از سیسـتم هیبریـد در شـهر منجیل جهت تأمین بار موردنظر را نشان میدهد بهطوريکه در حالت مستقل از شبکه هزینه کـل تولیـد سیسـتم در ایـن شهر در حدود نصف هزینه کل تولید در شهر تهران و در حالت متصل به شبکه هزینه کل تولید سیسـتم حـدود 40 درصـد هزینه کل تولید است.
کلمات کلیدي: بانک باتري، سیستم هیبریدي بادي-خورشیدي، طراحی بهینه، نرمافزارHOMER ، احتمال از دست دادن بار.
.1 مقدمه
امروزه در حدود 1/3 میلیارد نفر از جمعیت کره زمین به انرژي الکتریسیته دسترسی ندارند.[12] طبق پیشبینی آژانس بینالمللی انرژي در سال 2012، در غیاب اقدامات جدید، در سال 2030 حدود 1 میلیارد نفر از جمعیت کره زمین به انرژي الکتریسیته دسترسی نخواهند داشت .[23] اکثر این جمعیتها در روستاها و جزایر دور از شبکه برق زندگی میکنند. گسترش شبکه برق به این مناطق پراکنده با توجه به هزینههاي سنگین ساخت شبکه معمولاً غیرعملی و غیراقتصادي است1 ]و8و[23 ؛ بنابراین تأمین برق این مناطق توسط دیزل ژنراتورها و بهصورت مستقل از شبکه پوشش داده میشود.[15] مشکلات استفاده از دیزل ژنراتور بهعنوان منبع تغذیه مانند آلودگی و هزینههاي بالاي سوخت، توجه عمومی و گستردهاي را به استفاده از منابع تجدید پذیر بهعنوان منبع تغذیه جلب نموده است .[11] پیشرفت در فناوري انرژيهاي تجدید پذیر و افزایش هزینه استفاده از دیزل ژنراتور باعث شده که سیستمهاي انرژي تجدید پذیر بهویژه در مناطق دورافتاده بهطور فزایندهاي محبوب واقع شوند.[3] در همان زمان اقداماتی مرتبط با ترویج استفاده از انرژيهاي تجدید پذیر نهتنها توسط دولت بلکه توسط شرکتهاي تأمین برق انجامشده است. مطالعات اخیر 7 ]و9و13و[21 نشان میدهد که استفاده از یک سیستم انرژي تجدید پذیر مستقل از شبکه میتواند جایگزینی مقرونبهصرفه براي توسعه شبکه گرانقیمت و یا استفاده از سیستم برقرسانی دیزلی باشد. انرژيهاي بادي و خورشیدي به دلیل راندمان بالا و عدم انتشار گازهاي آلاینده،مهمترین منابع تجدید پذیر محسوب میشوند24 ]و.[4علاوه براین، منابع انرژي تجدید پذیر و تجدید ناپذیر داراي ویژگیهاي اقتصادي مختلف قابلملاحظهاي هستندهزینه. سرمایه اولیه بالا احتمالاً هنوز هم بزرگترین مانع براي ارتقاء انرژيهاي تجدید پذیر است درحالیکه منابع تولید توان سنتی مانند دیزل ژنراتور نیازمند هزینه تعمیر و نگهداري بالا است.بنابراین،تجارت بین انرژيهاي تجدید پذیر و انرژيهاي معمولی باید بهدقت با توجه به هزینه چرخه زندگی،حفظ محیطزیست و امکانسنجی فنی در نظر گرفتهشده باشد.
در این مقاله مدلسازي سیستم هیبرید شامل منابع انرژي تجدید پذیر در حالت متصل به شبکه و مستقل از شبکه انجامشده و با استفاده از نرمافزارHOMER تعداد این منابع بهگونهایتعیینشده که هزینه برق تولیدي کمینه باشد. سیستمهاي موردنظر بر اساس تقاضاي بار و میزان توان تولیدي توسط سیستم هیبرید نسبت به معیارهاي هزینه انرژي و هزینه خالص فعلی بهینهسازي شدهاند. طراحی سیستم با پروفایل واقعی سرعت باد و شدت تابش خورشید مربوط به شهر تهران و منجیل انجامشده و در حالت مستقل از شبکه باتري با ظرفیت 100Ah بهعنوان ذخیرهساز استفادهشده است.[20] نتایج بهدستآمده در این پژوهش نشان میدهد که سیستم هیبرید بهینه بهدستآمده در شهر منجیل براي تأمین بار در نظر گرفتهشده با احتمال از دست دادن بار برابر 10 درصد نسبت به سیستم هیبرید بهینه بهدستآمده در شهر تهران براي تأمین همان بار باعث صرف هزینه بسیار کمتري (در حدود نصف) در حالت مستقل از شبکه شده است. اجزاي بهدستآمده براي سیستمها پس از بهینهسازي براي هر یک از شهرها متفاوت بوده و براي شهر تهران به دلیل کمتر بودن شدت وزش باد تعداد پنلهاي خورشیدي در نظر گرفتهشده بیشتر از تعداد توربینهاي بادي میباشد که در شهر منجیل عکس این امر صادق است. در حالت متصل به شبکه به دلیل عدم استفاده از باتري و پایین بودن هزینه خرید برق از شبکه نسبت به فروش برق به شبکه و همچنین با فرض در دسترس بودن شبکه توزیع بدون صرف هزینه انتقال شبکه، هزینه کل سیستم نسبت به حالت مستقل از شبکه پایینتر است در این حالت ضریب تجدید پذیري سیستم 90 درصد در نظر گرفتهشده و 10 درصد بار توسط شبکه تأمین میشود درنتیجه احتمال از دست دادن بار صفر در نظر گرفتهشده است و کل بار تغذیه میشود.
.2 مدل اجزاء و شبیهسازي سیستم هیبرید
بهمنظور طراحی بهینه، شبیه سازي، مدیریت انرژي، تحلیل نتایج و نیز مشاهده عملکرد سیستم در شرایط مختلف، داشتن اطلاعات کافی از ساختار هریک ازاجزاء لازم است.سیستم موردنظر متشکل از تعدادي پنل فتوولتائیک، توربین بادي، باتري و مبدل میباشد. در این بخش هریک از این اجزاء بررسی میشوند. جهت طراحی و بهینهسازي از نرمافزار HOMERاستفادهشده است، این نرمافزار رفتار فیزیکی سیستم قدرت و هزینه چرخه آن را مدل میکند و طراح را قادر می سازد تا گزینههاي متفاوت طراحی بر پایه برتري فنی و اقتصادي را باهم مقایسه نماید. سه کار اصلی توسط این نرمافزار صورت میگیرد که عبارتاند از: شبیهسازي، بهینهسازي و تحلیل حساسیت HOMER .[14]بهطور عمده توسط محققان در زمینههاي مطالعه، شبیهسازي و بهینهسازي منابع انرژي تجدید پذیر مورداستفاده قرار میگیرد .[2]نرمافزارHOMER از دو نوع استراتژي کنترلی شامل load followingو cycle charging در طراحی سیستمهاي هیبرید استفاده میکند.[16]
درروش پیشنهادي عملکرد سیستم بهصورت ساعتبهساعت شبیهسازيشده است. شکل .1)آ و .1ب) به ترتیب بلوك دیاگرام سیستم هیبرید انرژي موردمطالعه را در حالت مستقل از شبکه و وابسته به شبکه نشان میدهد.
1.آ .1ب
شکل .1آ. بلوك دیاگرام سیستم هیبرید در حالت مستقل از شبکه و شکل .1ب. بلوك دیاگرام سیستم هیبرید در حالت متصل به شبکه
-1-2 مدل توربین بادي
سیستم توربین بادي انرژي موجود در باد را به انرژي الکتریکی تبدیل میکند.توان خروجی ژنراتور توربین بادي در یک مکان مشخص بهسرعت باد در ارتفاع هاب و مشخصه سرعت توربین بستگی دارد. در این طراحی از یک توربین بادي با محور عمودي با توان نامی 1/2 کیلووات با منحنی مشخصه و سایر مشخصات نشان دادهشده در شکل (2) و جدول (1) استفادهشده است.
جهت تخمین سرعت باد بهصورت ساعتبهساعت نرمافزارHOMER از تابع توزیع چگالی احتمال ویبول استفاده میکند که با توجه به فرمول (1)، Vسرعت باد، K فاکتور شکل و c فاکتور مقیاس میباشد.
-2-2مدل فتوولتائیک
سلول خورشیدي میتواند بهصورت مستقیم نور خورشید را از طریق پدیده فتوالکتریک به برق DC تبدیل کند.[5]اغلب کارخانههاي سازنده پنلهاي خورشیدي تولیدات خود را همراه با یک دیتاشیت شامل مقادیر ولتاژ و جریان براي سه حالت اتصال کوتاه، مدارباز و ماکزیمم توان براي تنظیمات دادهشده در شرایط مرجع عرضه میکنند که شرایط استاندارد براي تابش خورشید و دما به ترتیب برابر 1000 ( m2) و(25 (◦C میباشند.در شرایط اتصال کوتاه جریان دیود بسیار کوچک است و جریان نوري برابر با جریان اتصال کوتاه است.ولتاژ و جریان کاري توان خروجی پنل خورشیدي را که وابسته بهشدت نور تابیدهشده بر روي پنلها،دماي محیط و منحنی مشخصه ارائهشده توسط کارخانه سازنده براي پنلهاي فتوولتائیک است را مشخص میکنند.
در این طراحی از پنل خورشیدي مدل ES-11-08-20 ساخت شرکت Eversun با توان نامی هرکدام 250 وات میباشد استفادهشده است همچنین پنلها داراي تذکر میباشند که در هرلحظه قادر به دریافت ماکزیمم انرژي تابشی خورشید هستند. سایر اطلاعات مربوط به پنلها در جدول (2) آمده است.
فرمول توان تولیدي PV از معادله (2) به دست میآید17]و.[22
در این رابطه G تابش برحسب وات بر مترمربع،Ppv,Rated × ƞMPPTتوان× 1000نامی=هرپنلpv فتوولتائیک و MPPT بازده مبدل DC/DC پنل فتوولتائیک میباشد. Ppv,Rated -3-2 مدل مبدل براي تبدیل ولتاژ از حالت DCبه ACو بلعکس از یک کانورتر با توان نامی 2/5 کیلووات استفادهشده است[6]،.همچنین طول عمر واحد 3 سال و بازده آن %65میباشد. که در جدول [3] نشان داده شده است.
4-2 مدل باتري
بانک باتري براي ذخیره انرژي الکتریکی اضافی، تنظیم ولتاژ سیستم و تأمین توان بار هنگام کاهش سرعت باد یا شدت تابش خورشید استفاده میشود.بهعنوان ذخیرهساز از باتري با ظرفیت 100 آمپرساعت، 12 ولت و عمق دشارژ 70 درصد استفادهشده است که سایر اطلاعات مربوط به آنها در جدول (4) قابلمشاهده است.
-5-2 مدل بار
بار در نظر گرفتهشده یکبارAC با مقدار پیک برابر با 2/1 کیلووات میباشد. با دادن اطلاعات مربوط به تقاضاي بار در طول یک روز پروفایل سالانه بار توسط نرمافزارHOMERمحاسبهشده و میزان تقاضاي بار 24 کیلووات ساعت در روز است تغییرات ساعتبهساعت بار 25 درصد و تغییرات روزانه آن 15 درصد در نظر گرفتهشده است.
-6-2 مدل حداکثر قابلیت اطمینان
به خاطر ویژگیهاي تابش خورشید و سرعت باد غیر پیوسته که تولید انرژي را بسیار تحت تأثیر قرار میدهند، آنالیزهاي قابلیت اطمینان توان بهعنوان یک گام مهم در طراحی سیستمهاي ترکیبی در نظر گرفته میشوند .در این رساله از تکنیک قابلیت اطمینان LPSP استفادهشده است. یک سیستم توان الکتریکی مطمئن یعنی سیستمی که توان الکتریکی کافی براي تأمین تقاضاي بار را در طول یک دوره خاص دارد یا بهعبارتدیگر،سیستمی که احتمال تلفات عرضه توان LPSP کمی دارد. LPSP احتمالی است براي هنگامیکه عرضه توان ناکافی اتفاق میافتد و سیستم هیبرید نتواند تقاضاي بار را تأمین نماید .مقدار LPSP از فرمول (3) محاسبه میشود.
که توان تولیدي توسط پنل هاي خورشیدي، 8760 توان ذخیرهشده در باتري و 1 2 توان تقاضا شده توسط بار میباشد ارزیابی اقتصادي نقش مهمی در شبیهسازي و بهینهسازي فرایند اجرا می کند. کل هزینه خالص فعلی((NPCدر این مطالعه بیانگر هزینه چرخه عمر سیستم ازجمله هزینههاي خرید، بهرهبرداري، تعمیر و نگهداري،جایگزینی و یا انهدام میباشد. علاوه بر NPC، هزینه انرژي((COEنیز بهعنوان یک اصل شایستگی اقتصادي در نظر گرفته میشود که میانگین هزینه به ازاي هر کیلووات ساعت انرژي الکتریکی مفید تولیدشده توسط سیستم است، روش ریاضی براي محاسبات COE و NPC در [10] نشان دادهشده است، میانگین نرخ تورم با توجه به نرخ تورم از سالهاي 1393-1349 طبق آمار بانک مرکزي در هرسال برابر با 20 درصد در نظر گرفتهشده است .[23]
فرمول ( (4 جهت محاسبه هزینه انرژي استفاده میشود که TACنشاندهنده هزینه سالیانه کل و ' 9 بار روزانه برحسب کیلووات ساعت میباشد.
جهت محاسبه هزینه خالص فعلی میتوان از فرمول (5) استفاده نمود که n بیانگر طول عمر بهره برداري از سیستم هیبرید،i نرخ بهره و ( , ) _ بیانگر ضریب بازگشت سرمایه میباشد که از معادله (6) به دست میآید.
.3 نتایج شبیهسازي سیستم
شبیهسازي با استفاده از باتري 100Ah بهعنوان ذخیرهساز انرژي در نظر گرفتهشده و بهینهسازي سیستم هیبرید با استفاده از نرمافزار HOMER انجامشده است. واحد پول بکار رفته در این طراحی برحسب تومان میباشد.
1-3 شبیهسازي و بهینهسازي سیستم هیبرید در حالت مستقل از شبکه -1-1-3 شهر تهران
منطقه جغرافیایی با مختصات ′N)۵٣°١۴و(51°20‘E براي شهر تهران بهعنوان محل نصب سیستم هیبرید مستقل از شبکه در نظر گرفتهشده است. شکلهاي 8)و(9 به ترتیب نشاندهنده هزینههاي سیستم و نسبت تولید توان منابع تجدید پذیر هستند.همانطور که مشاهده میشود توان تولیدي توسط توربینها بیشتر از پنل هاي خورشیدي است.
با توجه به شکل (9) مشاهده میشود که میزان تولید انرژي توسط توربینهاي بادي در ماههاي مختلف سال بیشتر از توان تولیدي توسط پنلهاي خورشیدي است و با توجه نمودارها توان تولیدي سیستم در فصول بهار و تابستان از سایر فصول بیشتر است و ماکزیمم توان تولیدي سیستم در تیرماه اتفاق میافتد. توان کل تولیدي پنلها در کل سال در حدود یکدهم توان کل تولیدي سیستم بوده و نهدهم باقیمانده توسط توربینها تأمین میشود.
شکل 10)و(11 نشاندهنده وضعیت شارژ سالانه بانک باتري است. در شکل (10) مشاهده میشود که وضعیت شارژ باتري در 24 درصد کل سال در حالت ماکزیمم و بین 95 تا 100 درصد بوده و در 19 درصد این دوره زمانی در حالت مینیمم و بین 30 تا 35 درصد قرار دارد. پروفایل ساعتبهساعت وضعیت شارژ بانک باتري در طول سال در شکل (11) مشاهده میشود که نشان میدهد میانگین ماهیانه وضعیت شارژ باتري در ماههاي دي، مهر، آبان و آذر کمتر از 60 درصد است اما در برخی از ساعات به حداکثر عمق دشارژ رسیده است . دلیل اصلی این پدیده کاهش شدت منابع تجدید پذیر و درنتیجه کاهش توان تولیدي توسط سیستم در این ماهها میباشد.
