بخشی از مقاله
چکیده
در ایران به دلیل وجود پتانسیلهای بالای انرژیهای تجدیدپذیر، زمینه مناسبی برای گسترش فعالیت-های مربوط به این نوع انرژیها در کشور وجود دارد. کاربرد انرژیهای تجدیدپذیر در ایران به دو صورت نیروگاهی متمرکز و سیستمهای کوچک پراکنده میباشد. استفاده از انرژی خورشید و انرژی زمین گرمایی نه تنها جهت تهیه برق رواج داشته، بلکه امروزه راهکارهای متفاوتی جهت استفاده از این انرژیها برای گرمایش پیشنهاد شده است.
پژوهش حاضر راهکاری است در جهت استفاده همزمان از انرژی خورشید و انرژی زمین برای گرمایش یک فضای مسکونی. نتایج بهینهسازی سیستم بر مبنای متغیرهای عملکردی نشان از افزایش 21/20 درصدی راندمان اگزرژی سیستم دارد که در آن راندمان اگزرژی از 64/94 درصد به 84/14 درصد رسیده است. همچنین نتایج حاکی از افزایش 24/84 درصدی ضریب عملکرد سیستم پس از بهینهسازی سیستم با استفاده از الگوریتم ژنتیک میباشد و طی این رویه توان مصرفی کمپرسور که مصرفکننده اصلی توان در سیستم میباشد، حدود 19/87 درصد کاهش یافته است.
مقدمه
در ایران به دلیل وجود پتانسیلهای بالای انرژیهای تجدیدپذیر، زمینه مناسبی برای گسترش فعالیتهای مربوط به این نوع انرژیها در کشور وجود دارد. کاربرد انرژیهای تجدیدپذیر در ایران به دو صورت نیروگاهی متمرکز و سیستمهای کوچک پراکنده میباشد. مطالعه منابع در سال 1393 نشان میدهد که 10957/5 مگاوات نیروگاه تجدیدپذیر اعم از آبی، بادی، خورشیدی و بیوگاز در حال بهرهبرداری بوده است.
در این میان انرژی خورشیدی بزرگترین منبع انرژی در جهان محسوب می-شود. این انرژی، پاک، ارزان و عاری از اثرات مخرب زیست محیطی است که به روشهای مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. ایران کشوری است که به گفته متخصصان این فن با داشتن 300 روز آفتابی در بیش از دو سوم مساحت آن و متوسط تابش 4/5 - 5/5 کیلووات ساعت بر متر مربع در روز، یکی از کشورهای با پتانسیل بالا در زمینه انرژی خورشیدی است.
از انرژی حرارتی خورشید، جهت مصارف خانگی، صنعتی، نیروگاهی و همچنین تولید برق توسط تجهیزاتی نظیر کلکتورهای بشقابی مسطح و سلولهای فتولتائیک استفاده میگردد. در ایران علاوه بر بهکارگیری از انرژی خورشیدی در نیروگاهها، از این انرژی، در سیستمهای کوچک فتوولتائیک جهت روشنایی معابر و جادهها، چراغهای ترافیک، سیستمهای مخابراتی و برقرسانی روستایی نیز استفاده میشود. در سال 1393 ظرفیت نیروگاههای فتوولتائیک نسبت به سال قبل، افزایش چشمگیری به میزان 8/5 برابر داشته و به 584 کیلووات رسید - ترازنامه انرژی ایران، . - 1393
از آنجا که سیستم فتوولتائیک دارای مزایایی نظیر سادگی و سهولت در نصب و راهاندازی، حمل و نقل آسان، عدم وجود قطعات مکانیکی، ضریب اطمینان بالا، همخوانی با طبیعت و همچنین عدم نیاز به سوخت است، وزارت نیرو تلاش نموده از این سیستم برای برقرسانی به روستاها استفاده نماید. در زمینه زمین گرمایی نیز ایران در شمار کشورهایی است که دارای ذخایر قابل توجه برای تولید برق از انرژی زمین گرمایی با استفاده از سیکلهای تبخیر لحظهای و باینری - دوگانه - میباشند و قابلیت تولید برق زمینگرمایی با ظرفیت بیش از 200 مگاوات را دارد.
سازمان انرژیهای نو ایران 10 پتانسیل جدید و مستعد در قالب طرح پتانسیلسنجی انرژی زمینگرمایی ایران را شناسایی کرده که طرح اکتشافی آنها در دست تهیه است. مطابق با مطالعات انجام شده ایران از پتانسیل خوبی جهت نصب نیروگاههای زمینگرمایی برخوردار است. پروژههای نیروگاه زمینگرمایی در ایران جهت دستیابی به فناوری بهرهبرداری از منابع زمینگرمایی در کشور و بومی نمودن دانش آن، شناسایی پتانسیلهای غیر فسیلی منابع انرژی، ایجاد تنوع در سبد انرژی کشور، توسعه فرهنگی، اجتماعی و اقتصادی مناطق محروم و حفاظت از محیط زیست با بهرهبرداری از منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر و متناسباً کاهش مصرف منابع فسیلی، در حال اجراست.
استفاده از انرژی خورشید و انرژی زمین گرمایی نه تنها جهت تهیه برق رواج داشته، بلکه امروزه راهکارهای متفاوتی جهت استفاده از این انرژیها برای گرمایش پیشنهاد شده است. پژوهش حاضر راهکاری است در جهت استفاده همزمان از انرژی خورشید و انرژی زمین برای گرمایش یک فضای مسکونی. از مهمترین مزایای استفاده از پمپ های حرارتی زمین گرمایی می توان به کاهش اثرات مخرب محیط زیستی آن اشاره نمود.
با توجه به اینکه استفاده از سیستمهائی که از سوخت های فسیلی مانند گاز طبیعی جهت تامین گرمایش محیط استفاده می-کنند، یکی از عوامل اصلی تولید آلایندههای محیط زیستی میباشند، جایگزین نمودن انواع انرژیهای نو بجای سیستمهای با مصرف سوخت فسیلی، میتواند به میزان قابل توجهی از انتشار گازهای گلخانهای و آلایندههای محیط زیستی جلوگیری نماید.
بخش قابل توجهی از انرژی مصرفی در کشورهای صاحب نفت صرف مصارف خانگی و به خصوص گرمایش فضاها میگردد. این انرژی در کشور ما که سرشار از منابع سوختهای فسیلی از جمله نفت و گاز میباشد، توسط این گونه سوختها تامین می-گردد و متاسفانه به دلیل وفور و قیمت تقریبا ارزان این سوختها، وابستگی شدیدی به آنها پیدا نموده است.
عوامل فوق دلیلی بر عدم استفاده و سرمایهگذاری در استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر شده است و این امر مشکلات اقتصادی و زیست محیطی متعددی را در پی خواهد داشت. دو منبع عظیم از انرژیهای تجدیدپذیر انرژی گرمای زمین و انرژی خورشیدی میباشد. در تحقیق حاضر هدف استفاده همزمان از این دو انرژی در دسترس جهت گرمایش یک فضای مسکونی میباشد. جهت دستیابی به این مهم سیکلی پیشنهاد خواهد شد و مدلسازی و تحلیل کامل از دو جنبه انرژی و اگزرژی روی آن صورت میگیرد. در گام آخر ساختار سیکل بر مبنای تابع هدف اگزرژی، ضریب عملکرد و مشخصات سیکل آن آنالیز خواهد شد.
پیشینه تحقیق
در تحقیقی نعیمی و همکاران - 1394 - سیستم یک پمپ زمین گرمایی را به وسیله قوانین ترمودینامیکی و معادلات حاکم بر موازنه انرژی و بدست آوردن معادلات سیستم مدل سازی نمودند. در این تحقیق تغییرات بازدهی سیستمهای افقی و عمودی زمین گرمایی با توجه به تغییرات بار حرارتی مورد نیاز ساختمان مورد مقایسه قرار گرفته است. در تحقیقی مجتهدی صفاری و همکاران - 1395 - اقدام به طراحی و امکان سنجی فنی و اقتصادی سیستم پمپ حرارتی زمین گرمایی برای ساختمان مکمل دانشکده مدیریت دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران گردید.
نتایج این تحقیق نشان داد که می توان از 3 دستگاه پمپ حرارتی مدل WWWG120 هر کدام به ظرفیت 125000 Btu/h با ضریب عملکرد 3/7 استفاده نمود. فحد و همکاران - Fahad et al., 2013 - نشان دادند که هرگاه از بازتابنده با زاویه ثابت در بالای کلکتور استفاده شود، تنها در بازه زمانی کوتاهی سطح کلکتور به صورت یکنواخت تشعشع بازتابیده را دریافت میکند و در بقیه زمانها قسمتی از تشعشع بازتابیده از روی سطح کلکتور به سمت زمین فرار میکند و هدر میرود.
چن و یانگ - Chen and Yang, 2012 - ، ارزیابی عملکرد پمپهای زمینگرمایی ترکیبشده با انرژی خورشیدی را انجام دادند. آنها با کمک نرمافزار TRANSYS به شبیه-سازی عددی سیستم برای گرمایش فضای خانه و آبگرمکن خانگی پرداختند. شبیهسازی آنها نشان داد که در یک ظرفیت حرارتی 12/44 کیلوواتی به 40 مترمربع جمع کننده خورشیدی و 264 متر حفاری نیاز است.
در تحقیقی جواهرده و همکاران - 1395 - به تحلیل ترمو- اقتصادی سیکل رانکین آلی با تولید همزمان حرارت و توان کارکننده با انرژی خورشیدی و زمین گرمایی در رامسر پرداختند. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که در حالت پایه، بازده انرژی و اگزرژی تولید همزمان به ترتیب 0/566 و 0/156 و بازده انرژی و اگزرژی الکتریکی به ترتیب 0/057 و 0/065 بوده و مقدار کار خروجی و بازگشتناپذیری کلی نیز به ترتیب 50 و 671/1 کیلووات میباشد.
در تحقیقی شوکتی و رنجبر - 1394 - به تحلیل ترمودینامیکی و اگزرژواکونومیکی ترکیب سیکل تولید توان زمین گرمایی با سیکل کالینا و سیکل رانکین با سیالهای آلی مختلف پرداختند. باتوجه به نتایج بهینهسازی سیکلهای ترکیبی، درسیکل ترکیبی زمینگرمایی و سیکل کالینا با غلظت آمونیاک 7/0 کمینه هزینه تولید توان 63/8 درصد کمتر از هزینه تولید توان در حالت بیشینه بازده ترمودینامیکی است، که بیشترین تغییر را در بین سیکلهای مورد بررسی دارد و کمترین تغییر مربوط به سیکل ترکیبی زمین گرمایی ORC با سیال ان-پنتان است.
همچنین تحلیل پارامتری صورت گرفته و اثرات متغیرهای ترمودینامیکی مختلف سیکلها بر عملکرد اگزرژواکونومیکی سیکلهای ترکیبی درنظرگرفته شده، مورد بررسی قرار گرفته است. در مقالهای منصفراد و جواهرده - 1391 - تحلیل جامع اگزرژی یک پمپ حرارتی زمین گرمایی دما پایین برای استفاده در شرایط اقلیمی رامسر را ارائه دادند. در این مقاله، یک تحلیل جامع اگزرژی از اجزا و همچنین کل سیستم یک پمپ حرارتی پیشنهادی در شهرستان رامسر با استفاده از منبع آبی سطحی دمای پایین زمین گرمایی ارائه داده است.
نتایج نشان میدهد که بیشترین اتلاف اگزرژی، ضریب اتلاف اگزرژی و نسبت اتلاف اگزرژی متعلق به کمپرسور میباشد، در حالیکه کمترین بازدهی اگزرژی و درجه کمال ترمودینامیکی نیز متعلق به همین جزء است.. در مقالهای عامری و مختاری - 1394 - بهینهسازی چند هدفی نیروگاه زمین گرمایی با مبادله کن گرمایی هم محور را جهت پژوهش خود مدنظر قرار دادند.
در این مقاله بهینه-سازی مبادله کن گرمایی یک نیروگاه زمین گرمایی بر مبنای الگوریتم ژنتیک مطالعه گردید. نتایج حاصل از بهینهسازی تک هدفی منجر به نسبت بهینه برابر با 0/675 برای کمترین افت فشار و نسبت بهینه برابر با 0/353 برای بیشترین راندمان گرمایی گردید. در این مقاله بهینهسازی دو هدفی پارامترهای بهینه برای افزایش راندمان و کاهش قیمت شناسایی شده است.
