بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش طراحی سیستم ترکیبی توربین بادي و آرایه فوتوولتایک براي تولید هیدروژن از طریق الکترولیز آب براي یک شبانه روز شهر تبریز انجام گرفته است. عملکرد این سیستم توسط الگوریتم رقابت استعماري بهینه سازي شده است. هدف بهینه سازي ترکیب دو سیستم توربین بادي و آرایه خورشیدي است، به نحوي که باعث تولید بیشینه هیدروژن به ازاي کمترین متوسط اضافه توان تولیدي توسط دو منبع باشد.
براي محاسبات توربین بادي از سرعت باد براي یک شبانه روز تبریز و براي محاسبات آرایه خورشیدي از مقدار تابش، که با توجه به مختصات جغرافیایی تبریز توسط به دست آمده، استفاده شده است. براي تولید هیدروژن الکترولایزر آلکالاینی با توان نامی 10kW به کار رفته است.
در محاسبات الکترولایزر به منظور بررسی دقیق، از روابط الکتروشیمیایی استفاده شده است. پس از بهینه سازي، براي تولید بیشینه هیدروژن، توربین بادي 11 کیلوواتی و آرایه خورشیدي 7,9 کیلوواتی به دست آمد. نرخ هیدروژن تولیدي 0,0176 mol/s شد و در مجموع 1520,6mol هیدروژن تولید شد. بازده فارادي متوسط الکترولایزر نیز 86,9 درصد حاصل شد. در نتیجه الکترولایزر به طور متوسط در 63,2 درصد توان نامی خود کار میکند. نسبت متوسط توان تولیدي به توان نامی براي آرایه خورشیدي 0,24 و براي توربین بادي 0,419 محاسبه گردید که بیانگر تأثیر بیشتر توربین بادي در تولید است.
-1 مقدمه
نیاز به سیستمهاي انرژي جدید دوستدار محیط زیست در جهان در حال گسترش است. سیستمهاي انرژي بادي و خورشیدي بیشترین سهم را از این گرایش دارند.[1] براي افزایش قابلیت اطمینان انرژي، از انرژي هاي بادي و خورشیدي به صورت ترکیبی استفاده میشود. در حال حاضر نیاز اساسی به گذار از سیستمهاي انرژي متداول به منابع بادي و خورشیدي که وافر، رایگان، پاك و دوستدار محیط زیست هستند، وجود دارد
براي ذخیره سازي انرژي اینعمومامنابع، ً از باتري استفاده میشود، ولی در هر ساعت 1 تا 5 درصد از انرژي آن تلف میشود، بنابراین براي بازه زمانی بلند مدت مناسب نیست.[3] از طرف دیگر چگالی انرژي باتري کم است و براي توان هاي بالا مطلوب نیست. براي حل این مشکلات ذخیره سازي به صورت تولید هیدروژن گزینه مناسبی است. هیدروژن از طریق سوختهاي فسیلی و غیر فسیلی قابل تولید است. در بلند مدت هیدروژن تولیدي از منابع انرژي تجدید پذیر، پتانسیل زیادي براي دست یابی به انرژي پایدار دارد
هیدروژن تقرباًی در همه کاربردهایی که سوختهاي فسیلی به کار میروند، به عنوان سوخت قابل استفاده است. به علاوه هیدروژن میتواند به صورت کارآمد تري نسبت به سوختهاي فسیلی به اشکال دیگر انرژي تبدیل شود و به همان اندازه قابلیت اطمینان دارد.
محققین بسیاري در زمینه عملکرد سیستم ترکیبی انرژيهاي تجدیدپذیر به خصوص انرژي بادي و خورشیدي به منظور تولید هیدروژن متمرکز شدهاند. هیدروژن تولیدي میتواند براي تغذیه یک سیستم تبدیل انرژي مانند پیل سوختی یا موتور احتراق داخلی، که نقش منبع توان ثانویه دارند، به کار رود. هیدروژن در الکترولایزر با توان دهی منابع انرژي تجدید پذیر به آن تولید میشود. تاکنون روشهاي مختلفی براي تولید هیدروژن از انرژي خورشیدي ارایه شده است، اما تنها روش عملی که تاکنون انجام گرفته است، از طریق الکترولیز آب بوده است.
در سال 2008 مدل سازي سیستم بادي، خورشیدي، پیل سوختی و ابر خازن مستقل از شبکه شبیه سازي شد. در این سیستم از الکترولایزر براي تولید هیدروژن مورد نیاز پیل سوختی هنگامی که توان تولیدي از بار بیشتر است و ابر خازن پر است، استفاده میشود. شبیه سازي در بیست و چهار ساعت انجام شده استبخم. در سال 2009 ب،م از سیستم ترکیبی بادي و خورشیدي براي تولید و ذخیره سازي هیدروژن استفاده شد.
محاسبات به صورت ماهانه انجام گرفت و از مدل هاي ساده سیستم ترکیبی استفاده شد. در همان سال در پژوهشی دیگر بهینه سازي اقتصادي این سیستم براي تأمین بار متناوب شبکه در طول یک سال با استفاده از الگوریتم اجتماع ذرات انجام گرفتبنمح این سیستم شامل توربین بادي ،آرایه خورشیدي، پیل سوختی و الکترولایزر بود. در مقاله بعدي در سال 2012 بکم با ترکیب دو سیستم بادي و خورشیدي و همچنین پیل سوختی و باتري بار مورد نیاز شبکه تأمین میشود .
براي این کار از استراتژيهاي مدیریت انرژي با در نظر گرفتن 3طپک باتري استفاده میشود. در پژوهش بعدي بتذم سیستم ترکیبی بادي- خورشیدي و پیل سوختی براي تأمین بار طراحی شده است و هدف آن مینیمم سازي هزینه سالیانه در 20 سال عملکرد آن است. مسئله بهینه سازي بر اساس تأمین قطعی بار است. از الگوریتم اجتماع ذرات براي مینیمم سازي هزینه استفاده میشود. در همین سال از سیستم ترکیبی براي تولید و ذخیره سازي هیدروژن با مدل کامل و جزیی الکتریکی سیستم شبیه سازي شده و در یک سال نتایج به دست آمده است
در این مقاله طراحی و مدل سازي سیستم ترکیبی توربین بادي و آرایه خورشیدي به منظور تأمین برق مصرفی الکترولایزر براي تولید هیدروژن انجام گرفته است. براي تولید ماکزیمم هیدروژن از الگوریتم بهینه سازي رقابت استعماري بهره جسته ایم. هدف بهینه سازي تولید بیشینه هیدروژن به ازاي کمترین متوسط اضافه توان تولیدي توسط سیستم ترکیبی است. بر این اساس در بخش هاي بعدي به بیان مدل شبیه سازي و روابط توربین بادي و آرایه خورشیدي و همچنین روابط الکتروشیمیایی الکترولایزر میپردازیم.
-2 توربین بادي
توان مکانیکی استخراجی از روتور توربین بادي که به سمت ژنراتور میرسد برابر است با:
ρ چگالی هوا است و A مساحت جاروب شده به وسیله پره هاي توربین میباشد. ب سرعت باد و Cp کسري از توان باد ورودي است که از آن استحصال میشود و به آن ضریب توان و یا بازده روتور میگویند که از رابطه زیر به دست میآید:
β زاویه پیچ پرهها است و λ نسبت سرعت خطی نوك پره به سرعت باد است.
ω سرعت زاویه اي محور ژنراتور و J ممان اینرسی تمام قسمتهاي دوار اعم از ژنراتور و توربین، D ضریب مربوط به گشتاور مستهلک کننده ، ک1 گشتاور الکتریکی، لاطکع1 گشتاور مکانیکی است و تفاضل آنها بیانگر گشتاور تلفات ژنراتور و بار متصل به توربین است. شکل1 مشخصه توان خروجی توربین بادي را نشان میدهد. همانطور که دیده میشود، در سرعت باد کَع 12 به توان نامی میرسد.
