بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به وضعیت مناسب سرعت و توان باد و میزان تابش خورشید در منطقه سیستان در استان سیستان و بلوچستان، در این مقاله یک سیستم تولید هیبرید با ترکیب توربین بادي، آرایه هاي خورشیدي و دیزل ژنراتور براي کاربرد در حالت منفصل از شبکه با استفاده از نرم افزار Homer طراحی و بهینه سازي می شود. بهینه سازي با روش آنالیز حساسیت با تعیین سه پارامتر سرعت باد، میزان تابش خورشید و هزینه پنل خورشیدي بعنوان متغیرهاي حساسیت انجام می شود. نشان داده خواهد شد که سیستم هیبریدي باد، دیزل و باتري بهینهترین ترکیب سیستم هیبریدي براي کاربرد منفصل از شبکه براي منطقه سیستان است.
.1 مقدمه
امروزه یکی از بزرگترین چالشهاي بشر مسئله و بحران انرژي است. با توجه به در حال رشد بودن جمعیت جهان، چالش اول مسئله عرضه و تقاضاي انرژي است. در حال حاضر جمعیت جهان 7 میلیارد است و طبق پیشبینیها، جمعیت جهان در سال 2040 به 9 میلیارد نفر میرسد، که این مسئله موجب افزایش تقاضا بدلیل نیاز افراد به انرژي است. از طرفی استاندارد زندگی مردم دنیا در حال تغییر است و این امر تقاضا براي انرژي را افزایش میدهد. طبق پیش بینی موسسه چشمانداز انرژي بین المللی در سال 2013، مصرف انرژي در سال 2040، 56 درصد بیشتر از 2010 خواهد بود. براساس قوانین بازار، افزایش تقاضاي انرژي موجب افزایش قیمت انرژي میشود
چالش دوم در مسئله انرژي، وابستگی شدید ساختار انرژي دنیا به سوختهاي فسیلی و محدود بودن این سوختهاست. سوختهاي فسیلی چیزي بجز انرژي ذخیره شده در شکلی از انرژي شیمیایی طی میلیونها سال نیست و بنابراین سوختهاي فسیلی بسیار سریعتر از اینکه طی فرآیند فتوسنتز تولید شوند، در حال مصرف هستند. در حال حاضر با نرخ رشد کنونی، منابع فسیلی در قرن پیش رو تمام خواهند شد
چالش سوم در مسئله انرژي ظهور پدیدههایی مانند گرماي زمین - Global Warming - و تغییرات آب و هوایی - Climate - Change، در نتیجه مصرف بیش از اندازه سوختهاي فسیلی و تولید مقدار بالاي دياکسیدکربن است که ساختار نظام هستی را با مخاطره مواجه کرده است. یکی از مهمترین راه حلها براي غلبه بر بحران انرژي، بکارگیري انرژيهاي تجدید پذیر است. علاوه بر آن هزینه بالاي احداث خطوط انتقال براي مناطق دورافتاده و مشکلات زیست محیطی احداث خطوط جدید منجر به جستجوي راه حلی جایگزین براي مناطق دورافتاده بنام انرژي هاي تجدیدپذیر شده است.
یکی از مسایل مهم در بکارگیري انرژي تجدیدپذیر ناپیوسته بودن تولید انرژي است که بدلیل وابستگی به عوامل طبیعی است. بنابراین استفاده از سیستم هاي تولید انرژي هیبرید - Hybrid - می تواند راه حل مناسبی براي مناطق دور افتاده و منفصل از شبکه باشد .[3] طرح کلی سیستم تولید انرژي هیبرید براي کاربردهاي منفصل از شبکه در شکل 1 آمده است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است از انرژي باد و خورشید بعنوان انرژي هاي تجدیدپذیر و از دیزل ژنراتور براي مواقعی که سرعت باد و تابش خورشید وضعیت مناسبی ندارند استفاده شده است. براي ذخیره سازي موقت انرژي نیز از باتري می توان استفاده کرد.
با توجه به وضعیت مناسب سرعت و توان باد و میزان تابش خورشید در منطقه سیستان در استان سیستان و بلوچستان، در این مقاله یک سیستم تولید هیبرید با ترکیب توربین بادي، آرایه هاي خورشیدي و دیزل ژنراتور براي کاربرد در حالت منفصل از شبکه با استفاده از نرم افزار Homer طراحی و بهینه سازي می شود.
در بخش دوم سیستم هاي تولید هیبرید معرفی شده و در بخش سوم به بررسی وضعیت منطقه سیستان از لحاظ رژیم بادي و تابش خورشید با استفاده از داده هاي بدست آمده از نرم افزار Retscreen پرداخته می شود.
در بخش چهارم با استفاده از نرم افزار Homer سیستم تولید هیبرید براي منطقه سیستان طراحی و بهینه سازي می شود. براي بهینهسازي از آنالیز حساسیت استفاده می شود. بدین صورت که سه پارامتر سرعت باد، میزان تابش خورشید و هزینه پنل خورشید بعنوان متغیر حساسیت انتخاب و ترکیب ها و آرایش هاي مختلف براي بهینه سازي هزینه استفاده می شود. در نهایت در بخش پنجم نتیجهگیري آورده شده است.
شکل :1 طرح کلی سیستم تولید هیبرید منفصل از شبکه
.2 سیستمهاي تولید انرژي الکتریکی هیبرید
همانطور که در بخش قبل اشاره شد، اساسا سیستم هاي تولید انرژي الکتریکی هیبرید مجموعه اي از منابع انرژي تجدیدپذیر یا تجدید ناپذیر بهمراه تجهیزات ذحیره ساز انرژي مانند باتري ها هستند. دلیل ترکیب این منابع بدلیل تمایل مصرف کنندگان براي در اختیار داشتن همیشگی توان است و از سوي دیگر منابع انرژي تجدیدپذیر وابسته به عوامل محیطی و آب و هواي هستند که شرایط ناپایدار و موقتی دارند و ترکیب این منابع و منابع تجدیدناپذیر مانند دیزل ژنراتورها می تواند کیفیت و ضریب اطمینان توان بالاتري را براي مصرف کنندگان به ارمغان آورد.
ترکیب هاي متعددي با بکارگیري انرژي هاي تجدیدپذیر و تجدید ناپذیر براي کاربردهاي متصل و منفصل از شبکه تاکنون ارایه شده است که بشرح زیر می باشد :
• سیستم هیبریدي باد، فتوولتایک، پیل سوختی، الکترولایزر و باطري
• سیستم هیبریدي پیل سوختی و میکرو توربین
• سیستم هیبریدي باد و میکرو توربین
• سیستم هیبریدي پیل سوختی و توربین گازي
• سیستم هیبریدي پیل سوختی و دیزل
• سیستم هیبریدي فتوولتایک و باطري
• سیستم هیبریدي فتوولتایک، پیل سوختی و الکترولایزر
• سیستم هیبریدي فتوولتایک، پیل سوختی، الکترولایزر و باطري
• سیستم هیبریدي پیل سوختی و باطري
• سیستم هیبریدي باد و پیل سوختی
• سیستم هیبریدي باد و دیزل ژنراتور
• سیستم هیبریدي باد، فتوولتایک و باطري
• سیستم هیبریدي فتوولتایک، دیزل ژنراتور و باطري
• سیستم هیبریدي فتوولتایک، باد و دیزل ژنراتور
• سیستم هیبریدي فتوولتایک، پیل سوختی و ذخیره کنندهي انرژي مغناطیسی ابر رسانایی - SMES -
با توجه به ترکیب هاي سیستم هاي هیبرید بالا سیستم هیبریدي باد و فتوولتایک با توجه به کاربرد وسیعتر، تکنولوژي هاي بهینه و در دسترس کاربرد بیشتري دارند. از طرفی به دلیل متغیر بودن توان تولیدي سیستم هاي باد و فتوولتایک در کاربردهاي منفصل از شبکه از دیزل ژنراتور و باطري ذخیره ساز انرژي استفاده می شود. در این مقاله از سیستم هیبریدي باد، فتوولتایک، دیزل ژنراتور و باطري براي طراحی و بهینه سازي استفاده شده است.
.3وضعیت منطقه سیستان به لحاظ رژیم بادي و تابش خورشید
منطقه سیستان داراي مساحت 15197 کیلومتر مربع و براساس سرشماري سال 1385 داراي تراکم نسبی جمعیتی 26/37 نفر در هر کیلومتر مربع است .[5] با توجه به مطالعات صورت گرفته پهنه بادي منطقه سیستان وسیع ترین و بادخیزترین پهنه بادي در ایران با متوسط سالانه 12 گره است. رژیم بادي منطقه 7/5 تا 10/5 متر بر ثانیه در تمام ماههاي سال 98 - درصد رنکینگ جهانی - است و این رژیم در مناطق لوتک، میل نادر و گمشاد بهترین شرایط را دارد
از طرفی بادهاي 120 روزه سیستان از معروف ترین بادهاي محلی فلات ایران است که از اوایل خرداد ماه تا اوایل مهر ماه می وزند و مناطق وسیعی از سیستان و بلوچستان، خراسان جنوبی و خراسان رضوي را در بر میگیرند، که بهترین شرایط را به لحاظ سرعت و تداوم جهت در منطقه سیستان دارند. جهت این باد شمال غربی تا شمال شرقی با قدرت وزنی قوي است. شکل هاي 2 و 3 به ترتیب جهت هاي اصلی وزش باد در سیستان و میزان روزانه سرعت وزش باد در ایستگاه زابل بین سالهاي 1372-1382 را نشان میدهند
شکل :2 جهت هاي اصلی وزش باد در سیستان
شکل :3 میزان روزانه سرعت وزش باد در ایستگاه زابل بین سالهاي
در شکل 1 مقادیر تابش ماهانه برآورد شده فرازمینی نشان داده شده است که بیشترین میزان تابش - مگاژول بر مترمربع در روز - در خرداد ماه 45/55 و کمترین آن 23 /92 - مگاژول بر مترمربع در روز - در آذرماه در منطقه سیستان اتفاق می افتد. در جدول 1 میزان تابش خالص دریافتی شهر زابل با شهرهاي مختلف جهان مقایسه شده است و با توجه به پتانسیل انرژي خورشیدي دریافتی، این منطقه از مستعدترین نقاط دنیا در استفاده از انرژي هاي نو خصوصاً انرژي هاي خورشیدي می باشد
شکل :4 میزان تابش ماهانه فرازمینی در طول سال
