بخشی از مقاله
طراحی نیروگاه هیبریدي بادي خورشیدي با کمک نرم افزار HOMER
چکیده –
امروزه رشد روزافزون قیمت گاز طبیعی و نفت و کاهش سوختهاي فسیلی موجب شده است که استفاده از انرژيهاي تجدیدپذیر همچون باد، خورشید، ژئوترمال، بیوماس و ... یا ترکیب آنها به عنوان منبعی تمیز، تمام ناشدنی، نامحدود و سازگار با محیط زیست مورد توجه بیشتري قرار بگیرد. در این مقاله ضمن بررسی و مقایسه انواع انرژيهاي تجدید پذیر، به نقش نیروگاههاي هیبریدي در تولید برق اشاره شده است و همچنین لوازم مورد نیاز جهت طراحی یک نیروگاه هیبریدي بادي خورشیدي در منطقهاي مستعد با ظرفیت تولید روزانه 54 کیلو وات برق، مورد بررسی قرار گرفتهاند. جهت بهینه سازي و تحلیل اقتصادي اجزاء تشکیل دهنده نیروگاه، از نرمافزار HOMER استفاده شده است..
کلید واژه- انرژيهاي تجدید پذیر، نیروگاههاي هیبریدي، توربینهاي بادي، پنلهاي خورشیدي، نرم افزار
مقدمه
امروزه گرم شدن روز افزون هواي کره زمین به خاطر اثرات منفی گازهاي گلخانهایی، یکی از مسائل مهمی است که بشر با آن درگیر می-باشد. استفاده از سوختهاي فسیلی جهت تامین سوخت موردنیاز نیروگاهها علاوه بر تمام شدن سریع آنها باعث افزایش آلودگی محیط زیست میگردد به گونهاي که طبق برآوردهاي انجام شده به ازاي تولید هر مگاوات ساعت تولید انرژي با سوخت گازوئیل، مقدار 21/3 کیلوگرم انواع اکسیدها، کربن و منواکسید کربن و 657 کیلوگرم دي اکسید کربن وارد هوا میشود .[1] کاهش سوختهاي فسیلی موجب شده است که استفاده از انرژيهاي تجدید پذیر همچون انرژيهاي باد، خورشید، ژئوترمال، بیوماس و انرژي آبی به عنوان منبعی تمیز، تمام ناشدنی، نامحدود و سازگار با محیط زیست در دستور کار قرار بگیرد. از این رو مسئلهاي که سیاست گزاران بازار برق با آن مواجه هستند این است که چگونه انرژيهاي تجدیدپذیر را در بازار برق وارد کنند به طوري که این انرژيها نقش خود را در بازارهاي آینده به خوبی ایفا کنند. ویژگیهاي ذکر شده انرژيهاي تجدیدپذیر موجب شده است که امروزه از آنها در مقایس بزرگ استفاده شود. از بین انرژيهاي تجدید پذیر، انرژيهاي باد و خورشید در دسترسترین انرژيها محسوب میگردند اما از مشکلات آنها میتوان به وابستگی آنها به شرایط محیطی و اقلیمی اشاره نمود. ترکیب دو منبع انرژي با همدیگر میتواند بر ضعف هر یک از آنها غلبه نماید. سیستمی که از دو یا چند منبع انرژي استفاده میکند هیبرید نامیده میشود.
انرژي هیبریدي
انرژي هیبریدي از جمله انرژيهاي تجدید پذیر نو محسوب میشود و به این دلیل به آن هیبرید میگویند که ترکیبی از دو یا چند منبع انرژي میباشد. ترکیب دو منبع انرژي ثابت کرده است که تولید انرژي در صورت ترکیب میتواند بازده بیشتري داشته باشد. استفاده از نیروگاههاي هیبریديمعمولاً در مناطق دور افتاده در دستور کار قرار دارد. امروزه استفاده از انرژيهاي هیبریدي به دلیل افزایش قیمت سوخت فسیلی مسئلهاي رایج و نو در دنیا محسوب میشودمعمولاً. ترکیب هاي مختلفی از دو یا چند منبع انرژي میتواند وجود داشته باشد اما مهمترین آنها ترکیب دو یا چند انرژي تجدید پذیر است که از جمله آنها میتوان از انرژيهاي خورشیدي و بادي نام بردمعمولاً. از انرژي هیبریدي جهت تولید برق در مصارف خانگی و همچنین در آسیابها استفاده میشود. استفاده از انرژي هیبریدي فناوري است که در چند سال اخیر مورد توجه قرار گرفته است. نیروگاههاي هیبریدي ثابت کردهاند که براي کاهش نقصها و معایب سوختهاي فسیلی مفید میباشند و میتوانند انرژي موردنیاز مناطق دور دست را بدون خسارت به محیط زیست، تامین نمایند. از این رو احداث نیروگاه هاي بادي خورشیدي می تواند ایده خوبی باشد.
انتخاب مولفههاي انرژي هیبریدي
انرژيهاي هیبریدي به صورت ترکیبهاي مختلفی از انواع انرژيهاي تجدید پذیر میتواند وجود داشته باشند به طوريکه هر یک از منابع انرژيهاي تجدید پذیر یا حتی تجدید ناپذیر میتوانند به عنوان یکی از مولفههاي آن به حساب آیند. انتخاب هر یک این مولفهها جهت ایجاد یک نیروگاه هیبریدي به عنوان بهترین گزینه ابتدا بهتر است بدون در نظر گرفتن پتانسیل موجود در ایران و با در نظر گرفتن هزینههاي ساخت و بهره برداري و هزینههاي اجتماعی و آلودگی محیط زیست تمامی آنها مورد بررسی قرار بگیرد و در نهایت گزینههایی که از لحاظ بررسی اقتصادي مناسبتر و از نقطه نظر آلودگی محیط زیست کمترین اثر را داشته باشد را به عنوان بهترین مولفه انتخاب کرد. لازم به ذکر است که با توجه به اینکه هیچ کدام از انواع منابع انرژي بدون مشکل نمیباشد بایستی ابتدا به بهینه سازي گزینه مورد انتخاب پرداخت و سپس با رفع مشکلات و معایب آن، نوع نیروگاه هیبریدي مورد نظر را طراحی نمود. با بررسی صورت گرفته از بین انرژيهاي تجدیدپذیر بیوماس، زمین گرمایی، باد، خورشیدي و هستهایی انرژيهاي بادي و خورشیدي از لحاظ اقتصادي مناسبتر و در دسترستر می-باشند.
انرژي باد
تابش نامساوي خورشید در عرضهاي مختلف جغرافیایی به سطح ناهموار زمین باعث تغییر دما و فشار شده و در نتیجه باد ایجاد میشود. باد از نسیم ملایم گرفته تا طوفان بر اثر اختلاف فشار هوا بین دو منطقه به وجود میآید. گردش زمین به دور خود نیز بر جهت باد تاثیر میگذارد. سطح زمین مقداري از انرژي گرمایی تابش خورشید را جذب میکند و مقداري را به جو بر میگرداند. هر اندازه پرتوهاي خورشید نسبت
به سطح زمین عموديتر باشد، میزان جذب انرژي زمین بیشتر خواهد بود. بنابراین مقدار انرژيایی که در منطقه استوایی جذب میشود، نسبت به قطبها بیشتر است. این انرژي، هواي منطقه استوایی را گرم و سبک و فشار آن را کم میکند. بنابراین هواي گرم و سبک بالا می رود و در سطح زمین منطقهاي کمفشار ایجاد میکند. در مناطق قطبی پرتوهاي خورشید نسبت به سطح زمین مایل و میزان جذب انرژي کمتر است. بنابراین هواي این مناطق سرد، متراکم و پر فشار است. به سبب چرخش زمین به دور خود، در نیمکرههاي شمالی و جنوبی دو منطقه پر فشار، میان استوا و مدارهاي 30 درجه و دو منطقه کم فشار، میان مدارهاي 30 و 60 درجه وجود دارد. حرکت هوا میان این منطقه هاي پرفشار و کمفشار بادهایی را پدید میآورد که مانند شش کمربند دور زمین را در بر میگیرند. این بادها عبارتند از: بادهاي تجارتی شمال شرقی و جنوب شرقی، بادهاي غربی و بادهاي شرقی قطبی که در دو نیمکرة شمالی و جنوبی میوزند. انرژي باد طبیعتی نوسانی و متناوب داشته و وزش دائمی ندارد. از انرژيهاي بادي جهت تولید الکتریسیته و نیز پمپاژ آب از چاهها و رودخا نهها، آرد کردن غلات، گرمایش خانه و مواردي نظیر اینها میتوان استفاده نمود. [2]
مزایاي انرژي باد نسبت به سایر منابع
صنعت انرژي باد منافع اقتصادي و اجتماعی مختلفی را به همراه دارد که از جمله مزایاي آن نسبت به سایر منابع: -1 عدم نیاز توربینهاي بادي به سوخت -2 رایگان بودن انرژي باد
-3 توانایی تأمین بخشی از تقاضاي انرژي برق -4 کمتر بودن نسبی قیمت انرژي حاصل از باد در بلندمدت
-3 تنوع بخشیدن به منابع انرژي و ایجاد سیستم پایدار -6 قدرت مانور زیاد جهت بهرهبرداري در هر ظرفیت و اندازه (از چند وات تا چندین مگاوات) -7 عدم نیاز به آب -8 عدم نیاز به زمین زیاد براي نصب
-9 نداشتن آلودگی زیست محیطی
-10اشتغالزایی در نیروگاههاي بادي
پتانسیل باد در ایران
ایران به دلیل موقعیت جغرافیایی و قرارگرفتن در یک منطقه کمفشار نسبت به مناطق پرفشار شمال و شمال غرب در زمستان و تابستان در مسیر بادهاي زیادي قراردارد. ایران در آسیا بین شرق و غرب و نواحی گرم جنوب و معتدل شمالی واقع شده و در مسیر جریانهاي عمده هوایی بین آسیا، اروپا،اطل آفریقا، اقیانوس س و اقیانوسهند است. آنچه مسلم است قرارگرفتن ایرانمسی در ر جریانهاي مهم هوایی زیر می باشد:
-1 جریان مرکز فشار آسیاي مرکزي در زمستان
-2 جریان مرکز فشار اقیانوس هند در تابستان -3 جریان غربی از اقیانوس اطلس و دریاي مدیترانه در زمستان -4 جریان شمال غربی در تابستان
در شکل (1) شماتیکی از اطلس سرعت باد ایران در ارتفاع 60 متري نشان داده شده است. [3]
شکل :1 اطلس باد ایران در ارتفاع 60 متري
توربینهاي بادي
معمولا توربینهاي بادي به دو دسته توربینهاي با محور افقی HAWT و توربینهاي با محور عمودي VAWT دسته بندي میشوند. از بین دو نوع توربین ذکرشده توربینهاي با محور افقی نسبت به مدل محور عمودي رایجتر بوده و از لحاظ تکنولوژیک پیچیده میباشند. ساخت این توربینها مشکلتر از نوع محور عمودي بوده ولی راندمان بسیار بالاتري و در سرعتهاي پایین نیز توانایی تولید انرژي الکتریکی و تنظیم جهت در مسیر وزش باد را نیز دارند. این توربین ها داراي 3 یا در مواردي 2 پره میباشند که روي یک برج بلند نصب میشوند و همواره در جهت وزش باد قرار میگیرند. به دلیل بازده بیشتر توربینهاي بادي بهتر است در نیروگاهها از این توربینها استفاده گردد. اما یکی از مزایاي توربینهاي بادي با محور عمودي نسبت به محور افقی وابسته نبودن آنها به جهت وزش باد میباشد. در شکل (2) هر دو نمونه از توربینهاي بادي با محورهاي افقی و عمودي نشان داده شده است.
شکل :2 نمایی از توربینهاي با محورهاي افقی و عمودي
تکنولوژي باد داراي هزینه اولیه زیاد و در مقابل هزینه نگهداري بسیار اندك است. توربینهاي بادي امروزه کاراتر شده و هزینههاي آنها نیز کاهش یافته است. پیشرفت تکنولوژي ساخت، موجب کاهش هزینههاي ساخت آنها شده است. همچنین هزینههاي بهره برداري توربین هاي بادي به دلیل عدم نیاز به سوختهاي فسیلی، استهلاك کم و اتوماتیک بودن آنها، بسیار کم شده و قابل مقایسه با هزینههاي بهره برداري نیروگاههاي حرارتی نمیباشد. به دلیل دشواري دسترسی به توربینهاي بادي براي تعمیرات و سرویسدهی، امروزه سعی میشود اجزاء مقاوم و با کیفیت ساخته شود. مهمترین عامل در تعیین سرعت توربینهاي محور افقی تعداد پرههاي آنها میباشد. توربینهاي بادي از نظر قدرت در بهره برداري به سه دسته زیر تقسیم بندي میشوند:
-1 توربینهاي بادي کوچک: این توربینها قدرتی تا 10 کیلو وات تولید برق را دارا میباشند. -2 توربینهاي بادي متوسط:عموماً توان این توربینها بین 10 تا 250 کیلو وات میباشد.
-3 توربینهاي بادي بزرگ: این نوع توربینهامعمولاً شامل چند توربین بادي متمرکز با توان تولیدي 250 کیلو وات به بالا میباشند. [4]
انرژي خورشیدي
خورشید منبع عظیم انرژي بلکه سرآغاز حیات و منشاء تمام انرژيهاي دیگر است. در هر ثانیه 2/4 میلیون تن از جرم آن به انرژي تبدیل میشود. این کره نورانی را میتوان بهعنوان منبع عظیم انرژي به حساب آورد. خورشید از گازهایی نظیر هیدروژن 8/86) درصد) هلیوم 3) درصد) و 63 عنصر دیگر که مهمترین آنها اکسیژن، کربن، نئون و نیتروژن است تشکیل شدهاست. میزان دما در مرکز خورشید حدود 10 تا 14 میلیون درجه سانتیگراد میباشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به 5600 درجه و به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر میشود. زمین در فاصله 150 میلیون کیلومتري خورشید واقع است و 8 دقیقه و 18 ثانیه طول میکشد تا نور خورشید به زمین برسد. بنابراین سهم زمین در دریافت انرژي از خورشید میزان کمی از کل انرژي تابشی آن میباشد. حتی سوختهاي فسیلی ذخیره شده در زمین، انرژيهاي باد، آبشار، امواج دریاها و بسیاري موارد دیگر از جمله نتایج همین انرژي دریافتی زمین از خورشید میباشد. انرژي خورشید به طور مستقیم یا غیر مستقیم میتواند دیگر اشکال انرژي همانند گرما و الکتریسیته تبدیل شود. [5]
سلولهاي نوري
سلولهاي نوري، نیمه هاديهایی هستند که نور خورشید را به جریان مستقیم الکتریسیته تبدیل میکنند. سیستم به شکل تککریستالی، تودهاي شکل یا با ساختمان لایه نازك، مهمترین ماده تشکیل دهنده سلولهاي نوري است. اشعه مستقیم یا نور پراکنده خورشید در سلولهاي نوري تبدیل به الکتریسیته میشود. سلولهاي نوري به صورت قطعات مشابه تولید میشوند و به صورت سري یا موازي براي تولید ولتاژهاي بالا تا حد ولتاژ شبکه نصب میشوند. این مجموعه از سلولهاي خورشیدي بر روي یک آفتاب گردان قرار میگیرند تا حداکثر توان تولیدي را داشته باشد. این مجموعه سلول نوري به صورت موازي با هم و در دستههاي بزرگ نصب و براي تحویل برق به شبکه به ایستگاههاي ترانسفورماتور شبکه وصل میشوند. از مزایاي سلولهاي نوري میتوان به عدم وجود قطعات متحرك، عمر مفید و طولانی و تعمیر و نگهداري اندك و از معایب آنها میتوان به بازدهنسبتاً کم و هزینه زیاد اشاره نمود.
پتانسیل انرژي خورشیدي در ایران
در کشور ما نیز از سال1370 برنامه ریزيها و تلاشها در جهت شناخت پتانسیل انرژيهاي نو و بهویژه انرژي خورشید آغاز شده است. ایران به دلیل قرارگرفتن در کمربند تابشی خورشید از پتانسیل بالایی در زمینه بهرهبرداري از این موهبت خدادادي برخوردار است. به طوري که در 90% خاك ایران بیش از 300 روز آفتاب خیلی مؤثر وجود دارد. در شکل (3) تابش متوسط سالیانه خورشید بر نقاط مختلف کره زمین نشان داده شده است و موقعیت ایران در این شکل قابل مشاهده است.
شکل :3 تابش متوسط سالیانه خورشید در زمین
میزان تابش خورشید در نقاط مختلف ایران بین 1800 تا 2200 کیلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمین زده شده میشود که بالاتر از میزان متوسط جهانی میباشد. این پتانسیل انرژي خورشید، زمینه مناسبی جهت استفاده از تجهیزات وابسته به این انرژي در بسیاري از نقاط کشور فراهم نموده است. نمودار متوسط تابش سالیانه خورشید در نقاط مختلف ایران نیز در شکل (4) ارائه شده است. [6]
شکل :4 متوسط تابش سالیانه خورشید در نقاط مختلف ایران
نیروگاه هیبریدي بادي خورشیدي
نیروگاههاي هیبریدي شامل ترکیب دو یا تعداد بیشتري از تکنولوژيهاي تولید انرژي براي به دست آوردن بازده بالا نسبت به هر منبع تکی از انرژي میباشد. معمولاً منابع انرژي به دو دسته کنترلپذیر و کنترلناپذیر دسته بندي میشوند. از منابع انرژي کنترلپذیر میتوان به ذغال سنگ یا سوختهاي فسیلی که تولید انرژي برق با تنظیم میزان آن قابل کنترل میباشد، اشاره نمود. در این دسته بندي، انرژي باد و خورشید از منابع انرژي کنترل ناپذیر محسوب میشوند به گونهاي که تولید انرژي از این منابع قابل پیشبینی نیست. به عبارت دیگر انرژي الکتریکی تولیدي خورشید و باد همیشه به صورت همزمان وجود ندارند. بنابرین در طراحی یک نیروگاه هیبریدي براي جلوگیري از کمبود انرژي و بهره برداري از توان خورشید یا باد دردسترس بایستی از انرژي الکتریکی ذخیره شده (باتري) یا از منابع انرژي کنترل پذیر استفاده نمود. از جمله مشکلاتی که در تولید کنترلناپذیر انرژي در یک نیروگاه هیبریدي وجود دارد میتوان به سریع و غیر قابل پیشبینی بودن تغیرات تولید انرژي و ناپدید شدن ناگهانی منبع تولید انرژي اشاره نمود. در شکل (5) ترکیب انرژيهاي باد و خورشید با باتري در یک نیروگاه هیبریدي نشان داده شده است. [7]
