بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله سیستم هیبرید فتوولتائیک-CHP/پیل سوختی جهت کاربردهای مستقل از شبکه طراحی شده است. هدف از این طراحی بررسی عملکرد و مدیریت انرژی این سیستم هیبرید میباشد. ترکیب سیستم شامل دو منبع انرژی شامل مولد فتوولتائیک، -CHPپیل سوختی میباشد. انرژی حاصل از پنلهای فتوولتائیک و CHP منابع اصلی سیستم بوده و از ترکیب پیل سوختی- الکترولیزور به همراه باتری به عنوان سیستم ذخیرهسازی استفاده شده است.
سیستم کنترل و مدیریت انرژی جامعی جهت کنترل توان تولیدی منابع موجود در سیستم و واحد های ذخیرهسازی طراحی شده است. سیستم مذکور با Matlab/Simulink شبیه سازی شده و کارایی آن در شرایط مختلف عملکرد با اطلاعات واقعی پروفیل بار و هواشناسی شهر شیراز مورد بررسی قرار گرفته شده است. از نتایج بهینه سازی چنین استنباط می گردد که سیستم مورد مطالعه جهت استفاده در کاربرد های مستقل از شبکه در مناطق دور افتاده بخصوص در کاربردهای گلخانهای عملی و مقرون به صرفه است.
.1 مقدمه
افزایش چشمگیر مصرف انرژی، طبیعت تجدیدناپذیر سوختهای فسیلی، هزینههای سنگین سوختهای فسیلی، نگرانیهای موجود در زمینه زیستمحیطی و مشکلاتی از این قبیل، عوامل اصلی در توسعهی انرژیهای تجدیدپذیر میباشند. در این بین انرژی خورشیدی از مهمترین منابع تجدیدپذیر محسوب میشوند. به همین خاطر توسعه سیستمهای تولید انرژی با مولد فتوولتائیک - PV - پیشرفت قابل توجهی داشته است
در این میان استفاده از سیستمهای تولید همزمان بر پایه محرک اولیه پیل سوختی به خاطر راندمان بالا، قابلیت انشعاب، عملکرد بدون صدا، اثرات زیستمحیطی کم، ظرفیت کوچک میتواند تکنولوژی ایدهآلی برای تولید قدرت توزیعی و محلی باشد
به هرحال هر یک از تکنولوژیهای یاد شده دارای معایبی نیز میباشند. اشکال اصلی انرژی خورشیدی الگوی فصلی و متناوب آن و وابستگی زیاد آن به شرایط محیطی میباشد، در حالی که تقاضای توان مصرف کننده مشخصهای متفاوت دارد. بنابراین سیستمهای مبتنی بر PV اغلب به همراه دیگر منابع انرژی تجدیدپذیر سیستم استفاده میشوند. همچنین سوخت مصرفی FCها نیز گران است. اما با ترکیب چند تکنولوژی و با کنترل و مدیریت درست، میتوان سیستم هیبرید با قابلیت اطمینان بالا برای تأمین بار مناطق مختلف به کار برد
منابع انرژی متعددی شامل WG، PV، FC، مولدهای دیزلی، توربینهای گازی و میکروتوربینها در ترکیب با یکدیگر میتوانند سیستم هیبرید انرژی تشکیل دهند .[10-3] به خاطر خاصیت تناوبی خورشید، نیاز به ذخیرهسازی انرژی در شرایط مطلوب جهت استفاده در مواقع نیاز کاملاً محسوس میباشد. اغلب از باتری برای ذخیرهسازی انرژی استفاده میشود
از ترکیب FC و الکترولیزور نیز جهت ذخیرهسازی انرژی استفاده شده است 10-7]و.[12 در برخی از مطالعات ترکیب باتری و FC برای ذخیرهسازی ترجیح داده شده است 1]و4و.[13 و در برخی از مراجع، استفاده از دو منبع فوق برای ذخیرهسازی به تفکیک از لحاظ هزینه مقایسه شدهاند 6]و.[14 ولی آنچه در این زمینه کمتر دیده میشود، بررسی جامع عملکرد سیستم بهینه شده و منابع ذخیرهساز میباشد. در این مقاله پس از بهینهسازی ابعاد سیستم به بررسی عملکرد سیستم هیبرید /CHP-FC فتوولتائیک با ذخیرهسازی باتری و ترکیب FC با الکترولیزور در طی یک روز کاری سیستم پرداخته شده است. ساختار سیستم هیبرید، بلوک کنترلی، نتایج شبیهسازی و آنالیز اقتصادی در بخشهای بعدی آورده شدهاند.
شکل -1 بلوک دیاگرام سیستم هیبرید PV/CHP-FC
شکل - 1 - سیستم هیبرید انرژی مورد مطالعه را نشان میدهد. در این سیستم CHP-FC و PV به عنوان منابع اصلی در نظر گرفته میشوند. در حالی که از ترکیب FC و الکترولیزور به همراه باتری به عنوان سیستم پشتیبان و ذخیرهکننده استفاده میشود. از آنجا که منابع انرژی اصلی و ذخیرهساز همگی سازگار با محیط زیست میباشد این سیستم تولید انرژی، کاملاً با محیط زیست سازگار است
هنگامی که انرژی خورشیدی مازاد بر تقاضای بار موجود باشد، الکترولیزور روشن شده و شروع به تولید هیدروژن می کند. هیدروژن تولید شده در تانک ذخیرهسازی نگهداری میشود. در صورتی که ظرفیت تانک ذخیرهسازی هیدروژن تکمیل باشد، توان اضافی به Dump load نشان داده شده در شکل - 1 - تحویل داده میشود.
در مواقعی که توان تولیدی کاهش مییابد، FC با هیدروژن ذخیره شده در تانک ذخیرهسازی و در موارد خالی بودن این تانک به کمک هیدروژن ذخیره شده در تانک پشتیبان توان مورد نیاز سیستم را تأمین خواهد کرد. در این سیستم از باتری نیز جهت ذخیرهسازی انرژی استفاده میشود.
در این سیستم، منابع مختلف انرژی به باس DC متصل شده و به وسیله یک اینورتر DC/AC بار را تأمین میکند. سیستم به راحتی قابل گسترش بوده و منابع انرژی قابل دسترس دیگری را با توجه به شرایط منطقه مورد نظر میتوان به سیستم اضافه کرد.
.2 مشخصات و ابعاد سیستم
هدف از نگارش این بخش برقراری نسبت مناسبی میان تولید و مصرف در سیستم هیبرید مورد نظر جهت تأمین بارهای محلی در منطقه ای دور از شبکه میباشد. در این راستا تعیین ابعاد سیستم جهت قابلیت اطمینان مناسب برق تولیدی و همچنین بهینه بودن از لحاظ اقتصادی ضروری میباشد. بدین منظور باید اختلاف توان تولیدی - PGen - از انرژیهای نو و تقاضای بار - Pload - طبق معادله - 1 - در یک بازه زمانی حداقل گردد .[15] که در این مقاله بازه زمانی یک روزه در نظر گرفته شده است.
از نقطه نظر طراحی، بهینهسازی ابعاد و واحدهای هیبرید بسیار مهم میباشد و منجر به یک رابطه مناسب بین هزینه و اجرا خواهد شد. قبل از بهینه سازی ابعاد سیستم بایستی پروفیل بار و شدت تابش قابل دسترس را ارزیابی کرد، بنابراین این موارد در بخشهای ذیل ارائه خواهند شد.
.1-2 منحنیهای پروفیل بار الکتریکی و حرارتی
پروفیل بار الکتریکی و حرارتی یک شبانهروز نمونه برای مصرف یک مجموعه از واحدهای مسکونی با در نظر گرفتن گلخانه در منطقهای دور از شبکه استفاده شده در شبیهسازی، به ترتیب در شکل - - 2 و شکل - 3 - نشان داده شده است
متوسط پروفیل بار الکتریکی حدود 7/3 کیلو وات میباشد که منجر به مصرف سالیانه حدود 63/88 مگا وات میشود. پیک بار مصرفی 10 کیلووات و حداقل مصرف 5 کیلووات میباشد. متوسط پروفیل بار حرارتی نیز 3/5 کیلو وات میباشد.
.2-2 اطلاعات تابش خورشید
توان حاصل از انرژی خورشیدی بطور قابل ملاحظهای وابسته به شرایط محیطی میباشد و بنابراین غیر قابل پیشبینی است. اطلاعات تابش خورشید استفاده شده در سیستم، میانگین تابش روزانه بر یک متر مربع در طول 10 سال شهر شیراز میباشد که در شکل - 4 - آورده شده است .[18] بیشترین میانگین تابش در ماه Jun در حدود 7500 Wh و کمترین میانگین تابش در حدود 2800 Wh در ماه Dec میباشد. در ادامه این سیستم با توجه به اطلاعات مربوط به یک روز نمونه در ماه تیر بررسی میشود. لذا منحنی تابش خورشید در یک شبانه روز در شکل - 5 - آورده شده است.
شکل -2 پروفیل بار الکتریکی در یک شبانه روز
شکل -3 پروفیل بار حرارتی در یک شبانه روز
