بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، کاربرد سیستمهاي برق خورشیدي مورد توجه قرار گرفته و مبانی سیستمهاي فتوولتاییک، ملاحظات طراحی و عوامل موثر بر بازده این سیستمها مورد بررسی قرار گرفته است. با ارائه روش طراحی سیستمهاي خورشیدي با توجه به میزان انرژي خورشیدي در دسترس، میزان تقاضا و وضعیت استفاده، سه موقعیت در دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرري بعنوان اهداف مطالعاتی انتخاب شده و سیستم خورشیدي مناسب جهت تامین روشنایی این سه محوطه طراحی شده است.
با ارائه سه سناریوي مختلف ثابت بودن قیمت حاملهاي انرژي، متغیر بودن قیمت حاملهاي انرژي و همچنین گزینه اقتصادي این پروژهها، محاسبات اقتصادي بصورت دینامیکی انجام شده است. نتایج نشان میدهد با قیمتهاي فعلی تجهیزات خورشیدي فتوولتاییک و قیمتهاي برق، پروژههاي جایگزینی تعریف شده داراي توجیه اقتصادي نیستند. از سوي دیگر، در صورت افزایش قیمت برق به میزان 590 Rls/kWh، اجراي پروژه در یکی از موقعیتهاي مطالعاتی داراي توجیه اقتصادي خواهد بود.
-1 مقدمه
پایانپذیر بودن منابع انرژي فسیلی و آلودگیهاي زیست محیطی مرتبط، مهمترین نیرو محرکه استفاده از انرژيهاي تجدیدپذیر در جهان میباشد و در این میان کشورهاي توسعه یافته با هدف دستیابی به امنیت عرضه انرژي و کاهش وابستگی به منابع انرژي فسیلی، سرمایهگذاريهاي کلانی را بر روي توسعه فناوري انرژيهاي تجدیدپذیر انجام دادهاند. انجام این سرمایهگذاريها منجر به اقتصادي شدن بسیاري از این فناوريها شده و بر قابلیت رقابت آنها با فناوريهاي معمول افزوده است
بالا بودن هزینه سرمایهگذاري اولیه در سیستمهاي برق خورشیدي - فتوولتائیک - مهمترین مسئله بر سر راه توسعه و ترویج آن میباشد. حمایتهاي دولتی و سیاستهاي تشویقی، توجه به تحقیق و توسعه زیرساختارها و استفاده از مزایاي زیست محیطی این سیستمها از جمله فعالیتهایی است که در کشورهاي پیشرو در این صنعت و توسعه بازار آن موثر بوده است
اثر فتوولتایی اساس تبدیل نور به برق در سلولهاي فتوولتاییک میباشد. یک سلول فتوولتائیک بر مبناي توانایی برخی مواد جهت تبدیل مستقیم انرژي خورشیدي به الکتریکی ساخته شده است. در اثر ورود نور به سلول فتوولتاییک، انرژي کافی جهت آزاد سازي چند الکترون تامین گردیده و با قرار دادن مانع پتانسیلی در مسیر این الکترونها در سلول، اختلاف پتانسیل ایجاد میگردد که میتواند بعنوان محرکه در یک مدار مورد استفاده قرار گیرد
شدت انرژي خورشیدي، مقدار انرژي خورشیدي در واحد سطح بوده و بر حسب W/m2 اندازهگیري میشود. مقادیر لحظهاي تابش معمولا به صورت ساعتی، روزانه یا در یک دوره زمانی خاص بصورت میانگین ساده بیان شده و به صورت میزان تابش کل در یک دوره زمانی بیان میشود. بخاطر تغییرات آب و هوایی میزان تابش خورشید بر روي سطح زمین به صورت قطعی قابل پیش بینی نبوده و بنابراین نیاز است تا تحلیلهاي آماري بر روي دادههاي خورشیدي بر اساس سابقه خورشیدي صورت پذیرد .[4] یک سیستم پایه فتوولتائیک شامل 4 جزء اصلی زیر است:
-1 پانل خورشیدي
-2 باتريها
-3 رگولاتور
-4 بار الکتریکی
جریان الکتریکی تامین شده توسط پانل خورشیدي به نسبت تابش خورشیدي تغییر میکند و به شرایط جغرافیایی، ساعات استفاده در روز و تعداد روزهاي آفتابی در سال بستگی دارد. کارایی الکتریکی یک مدول خورشیدي با استفاده از منحنی مشخصه I-V بدست میآید که بیانگر میزان جریان الکتریکی تامین شده بر اساس ولتاژ تولیدي براي یک تابش خورشیدي مشخص میباشد. این منحنی تمامی مقادیر مجاز ولتاژ و جریان را میدهد. منحنی به 2 فاکتور اصلی بستگی دارد: دما و شدت تابش دریافتی توسط سلول. براي یک سطح مشخص سلول خورشیدي، جریان تولیدي با شدت تابش خورشیدي ارتباط مستقیم داشته و ولتاژ به شدت با افزایش دما کاهش مییابد
در این تحقیق امکانسنجی فنی و اقتصادي جایگزینی سیستم روشنایی در چند مجموعه دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهرري با سیستم روشنایی خورشیدي انجام شده است. انرژي روشنایی این محوطهها در حال حاضر با برق شبکه سراسري تامین می شود. بر این اساس، در ابتدا با تشریح روش طراحی سیستم خورشیدي، روش انجام محاسبات اقتصادي ارائه شده و در ادامه با انجام طراحی سیستمهاي روشنایی مدنظر، تحلیلهاي اقتصادي ارائه می گردد
-2 روش طراحی سیستم خورشیدي
معمولا مشخصات طراحی پانلهاي خورشیدي توسط سازنده و در شرایط استاندارد سطح دریا، اندازه گیري شده و اعلام میگردد. شرایط استاندارد عبارتند از دماي 25 oC، شدت تابش 1000 W/m2 و عبور طیف نوري از یک محیط به ضخامت 1/5 برابر اتمسفر .[8] - ASTM standard spectrum - شرایط کارکردي از این شرایط استاندارد متفاوت بوده و لذا براي هر نیاز و کاربردي، بایستی سیستم خورشیدي مناسب آن طراحی شود. سه مرحله اصلی براي محاسبه اندازه مناسب یک سیستم خورشیدي لازم است.
-1 محاسبه مقدار انرژي خورشیدي در دسترس،
-2 تخمین میزان انرژي الکتریکی مورد نیاز - تقاضاي انرژي - و
-3 محاسبه اندازه ایده آل سیستم.
عوامل مهم تاثیر گذار بر خروجی سیستم که بایستی در محاسبه توان طراحی مد نظر قرار گیرند، عبارتند از :
-1 معمولا میزان توان خروجی از مدول فتوولتاییک در محدوده % ± 5 متغیر بوده و معمولا بهتر است از این ضریب براي تصحیح توان استاندارد استفاده نمود
-2 دما: با افزایش دما، توان خروجی مدول کاهش مییابد. وقتی که مدول خورشیدي در نور خورشید در حال کار است سطح داخلی آن به دماي 50-75 oC می رسد. براي مدولهاي کریستالی ضریب تصحیح 0/89 پیشنهاد میگردد
-3 گرد و غبار: گرد و غبار میتواند بر روي سطح مدول انباشته شده و باعث کاهش توان خروجی می گردند. تمیز کاري سطوح به طور منظم ضرورت دارد. به هر حال در مناطق و فصول خشک، ضریب 0/93 براي مدولها پیشنهاد میگردد
-4 تلفات سیم کشی و عدم تناسب: ماکزیمم توان خروجی از سیستم فتوولتاییک معمولا کمتر از مجموع ماکزیمم توان خروجی از هر مدول میباشد. این تفاوت بعلت تغییرات بسیار جزئی کارایی از یک مدول به مدول دیگر است که تلفات عدم تناسب نامیده شده و حداقل % 2 تلفات توان را در بر دارد. تلفات اهمیک سیم کشی نیز معمولا در حدود % 3 بوده و لذا ضریب 0/95 براي این تلفات پیشنهاد میگردد
-5 تلفات تبدیل :DC-AC سیستمهاي اینورتر پیشرفته داراي بازدهیهاي % 92-94 بوده که توسط سازنده اعلام میگردد. این بازدهی ها تحت شرایط استاندارد کارخانه اعلام میگردد و در حالت واقعی کارکردن بازدهی اینورترها % 92-88 میباشد که عدد 0/9 بعنوان فاکتورهاي تصحیح پیشنهاد میگردد
بنابراین طراحی سیستم خورشیدي بر اساس بدترین حالت ممکن - Worst Case - که مربوط به بدترین ماه سال می باشد، انجام شده و در نتیجه ارتباط بین انرژي خورشیدي در دسترس و انرژي خورشیدي مورد نیاز در هر اقلیم مشخص خواهد شد.
جهت طراحی سیستم خورشیدي، میزان توان روشنایی مورد نیاز بر اساس شمارش مصرف کنندگان انرژي مشخص شده و میزان توان پانل خورشیدي با توجه به فاکتور توان مشخص می گردد. فاکتور تصحیح شدت تابش خورشیدي براي یک منطقه بر اساس رابطه - 1 - بدست می آید. لذا میزان توان مورد نیاز پانل خورشیدي بر اساس رابطه - 2 - بدست می آید
ظرفیت مورد نیاز جهت تامین انرژي روزانه، تعداد و ظرفیت باتريها را مشخص می نماید. براي تخمین ظرفیت باتري در ابتدا ظرفیت انرژي مورد نیاز سیستم - CNEC - محاسبه شده و سپس میزان ظرفیت مورد نیاز بر اساس رابطه - 3 - بدست می آید.
