بخشی از مقاله
چکیده
بدون شک انرژی را می توان یکی از عوامل اصلی در رشد اقتصادی جوامع پیشرفته دانست. امروزه سیاست ها و استراتژی های اکثر کشورها در راستای کاهش مصرف سوختهای فسیلی و افزایش سهم منابع انرژی تجدیدپذیر در سبد انرژی آنها می باشد. انرژی خورشید یکی از بزرگترین منابع تجدیدپذیر است، لذا در این مقاله، طراحی یک سیستم فتوولتائیک بهینه مستقل از شبکه برای تأمین بخشی از بار الکتریکی مصرفی یک ساختمان مسکونی نمونه با توجه به موقعیت شهر سمنان ارائه شده است.
بر اساس بررسی های فنی انجام شده و تحلیلهای صورت گرفته توسط نرم افزار Homer، اندازه بهینه پانل های فتوولتائیک برابر با 1/5 کیلووات و به تعداد 19 عدد انتخاب گردید. همچنین اندازه بهینه مبدل توان برابر با 500 وات می باشد که با توجه به پیک بار همزمان 300 واتی، مناسب است و ظرفیت بانک باتری مورد نیاز سیستم نیز، 21/6 کیلووات ساعت انتخاب شد.
مقدمه
انرژی داده اصلی و بنیادی تولید است. منابع انرژی در طبیعت به اشکال مختلف وجود دارند که دارای سطوح پالایش و فرآورش مختلف از چوب و سوختهای سنتی تا انرژی هستهای می باشند. تأمین انرژی و مسائل پیرامون آن از دیرباز یکی از چالشهای اساسی بشر بوده و در قرون اخیر، پس از کشف انرژی الکتریکی و توسعه آن و همگام با رشد بهداشت و جمعیّت بشری، مورد توجّه روزافزون قرار گرفته است
به طور کلی منابع انرژی را می توان به دو دسته ی منابع تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر تقسیم کرد. منابع انرژی تجدیدپذیر به انواعی از انرژی اتلاق می شود که بر خلاف منابع انرژیهای تجدیدناپذیر قابلیت بازگشت مجدد به طبیعت را دارند. این نوع انرژی ها به صورت دائمی قابل تکرار و بازسازی هستند و از فرآیندهای طبیعی مانند تابش نور خورشید، باد، جزر و مد، جریان رودخانه، رشد و نمو گیاهان و گرمای زمین بدست میآیند.
خورشید بزرگترین منبع تجدیدپذیر انرژی در دنیا است، چنانچه اگر تنها یک درصد از صحراهای جهان به اشغال نیروگاههای حرارتی خورشیدی در آید، انرژی تولیدی آن برای تأمین کل برق سالانه کشورهای دنیا کافی خواهد بود. از سوی دیگر، اگر همه سوختهای فسیلی را جمع کرده و بسوزانیم، این انرژی تنها معادل 4 روز تابش خورشید به زمین خواهد بود. پیشینه بهرهگیری از انرژی خورشید مربوط به تمدن روم و یونان باستان می باشد که برای اولین بار در طراحی و معماری سازه ها از ویژگی های انرژی خورشید بهره گرفته شده است.
در روشهای مرسوم تولید انرژی، آلودگیهایی همچون گاز کربن دی اکسید - گاز اصلی که سبب گرم شدن زمین شده است - تولید میشود. نور خورشید تنها منبع مورد نیاز برای تولید توان از طریق یک سلول خورشیدی است؛ از طریق اثر فتوولتائیک، انرژی موجود در نور خورشید میتواند بهطور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل شود.
تولید توان الکتریکی از پانل های فتوولتائیک به عنوان یکی از مهمترین منابع انرژیهای تجدیدپذیر، عاری از هرگونه آلودگی و سروصدا بوده و دارای هزینه تعمیر و نگهداری کم می باشد لذا استفاده از آنها در تأمین انرژی الکتریکی بطور فزاینده ای رو به رشد است و نقش مهمی در برنامه ریزی کاهش انتشار گازهای گلخانه ای ایفا می کند. اگرچه تکنولوژی فتوولتائیک گران است اما افزایش انگیزه و مشوق های گوناگون جهانی موجب گسترش سیستم های خورشیدی شده است.
در این مقاله، با توجه به موقعیت و شرایط اقلیمی شهر سمنان، یک سیستم فتوولتائیک مستقل از شبکه - SPV - 1 برای تأمین بخشی از توان برق مصرفی یک واحد مسکونی در شهر سمنان - به عنوان مطالعه موردی - طراحی و ارائه شده است. هدف از این مقاله این است که سیستم مورد نظر، به طور بهینه طراحی شود تا پیادهسازی چنین سیستمی به لحاظ اقتصادی توجیهپذیر بوده و با حداقل هزینه ممکن قابل اجرا باشد. برای این منظور، از نرمافزار هومر - - Homer به عنوان ابزار طراحی و بهینهسازی کمک گرفته شده است.
نرم افزار Homer مربوط به آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر آمریکا2 می باشد. این نرم افزار یک مدل کامپیوتری است که کار ارزیابی و طراحی سیستم های قدرت متصل به شبکه و یا مستقل از شبکه را برای کنترل از راه دور و کاربردهای تولید پراکنده3 آسان تر می کند. الگوریتم های آنالیز بهینهسازی این نرمافزار، امکان ارزیابی فنی و اقتصادی تعداد زیادی از پروژهها، محاسبه هزینه های تخمینی آنها و ارزیابی منابع انرژی قابل دسترس و پارامترهای دیگر را برای کاربر فراهم می سازد. این نرمافزار تمام حالات ممکن برای تأمین بار را در نظر می گیرد. سپس بهترین و اقتصادیترین حالت را به عنوان اولویت اول معرفی کرده و سایر حالات را نیز به ترتیب اقتصادی بودن، رتبهبندی می کند.
به منظور تحلیل با این نرم افزار نیازمند اطلاعات اولیهای همچون دادههای مربوط به تابش نور خورشید در منطقه مورد مطالعه، قیود اقتصادی و روشهای کنترلی است. همچنین می بایست ورودیهای مربوط به اجزای سیستم، تعداد اجزا، بازدهی، طول عمر و دیگر موارد لازم نیز مشخص شوند. در این نرمافزار، امکان انجام آنالیز حساسیت نیز وجود دارد که این آنالیز از طریق انتخاب مقادیر مختلف برای متغیرهای مورد نظر انجام میشود. با انجام آنالیز حساسیت می توان اثرات تغییر در یک پارامتر خاص، بر روی کل سیستم را مورد بررسی قرار داد که مزیت بسیار خوبی می باشد.
در بین مناطق ایران، شهرستان سمنان بواسطه قرار گرفتن در منطقه کویری و تابش مناسب نور خورشید در اغلب روزهای سال دارای پتانسیل مناسبی برای استفاده از انرژی خورشیدی است. شکل - - 1 اطلس برآورد حداقل ساعات بهینه تابش خورشید در ایران را نشان می دهد که با با توجه به آن حداقل ساعات بهینه تابش نور خورشید در استان سمنان حدود 3/5 الی 4 ساعت می باشد و میزان انرژی ناشی از آن، در استان بین 5250 الی 5500 وات ساعت بر مترمربع در هر روز می باشد، که می توان این انرژی را بوسیله پانلهای فتوولتائیک به برق تبدیل کرده و در مصارف مختلفی مانند روشنایی، آب شیرینکن و یا آب گرمکن های خورشیدی بکار برد. همچنین در حال حاضر بواسطه مناسب بودن شرایط منطقه در استفاده از انرژی خورشیدی، یک نیروگاه خورشیدی در منطقه سرکویر در استان سمنان راه اندازی شده است.
شکل - : - 1 اطلس برآورد حداقل ساعات بهینه تابش خورشید در ایران
موقعیت جغرافیایی و شرایط اقلیمی شهر سمنان
استان سمنان با مساحتی برابر 98 هزار و 515 کیلومتر مربع، حدود 5/8 درصد از وسعت کل کشور را به خود اختصاص داده است که از این لحاظ در سطح کشور دارای رتبه ششم است. این استان از شمال با استانهای خراسان شمالی، گلستان و مازندران، از جنوب با استانهای یزد و اصفهان، از شرق با استان خراسان رضوی و از غرب با استانهای تهران و قم همسایه است و به خاطر موقعیت جغرافیایی، دارای اقلیم بیابانی و نیمه بیابانی و خشک است بطوریکه حدود 75 درصد از مساحت استان را مناطق خشک و بیابانی تشکیل داده اند. مرکز استان سمنان، شهر سمنان است و از شهرهای مهم آن می توان به دامغان، شاهرود و گرمسار اشاره کرد. نقشه موقعیت جغرافیایی استان و شهر سمنان در شکل - - 2 قابل مشاهده است.
شهر سمنان از نظر موقعیت در طول جغرافیایی 53 درجه و 23 دقیقه شرقی و عرض جغرافیایی 35 درجه و 33 دقیقه شمالی از نصف النهار گرینویچ واقع شده است و ارتفاع متوسط آن از سطح دریا 1171 متر می باشد. از نظر موقعیت نسبی این منطقه در دامنه رشته کوه البرز - که با جهت غربی- شرقی از شمال شهرستان می گذرد - واقع شده است. تغییرات فصلی آب و هوا از جمله تابش آفتاب در سمنان خیلی زیاد است بطوریکه میانگین ساعات آفتابی این شهر به بیش از 3000 ساعت در سال میرسد. قسمت اعظم منطقه سمنان دارای آب و هوای گرم بیابانی، یعنی گرم و خشک در تابستان و سرد و خشک در زمستان است. با دقت به میزان ساعات سالیانه تابش نور خورشید در این منطقه پتانسیل بسیار بالای آن در زمینه انرژی خورشیدی مشهود است.
