whatsapp call admin

مقاله مدلسازی و بررسی اقتصادی سیستم های هیبرید انرژی (فتوولتائیک ، بادی، دیزل و باتری) برای کاربردهای مستقل از شبکه

word قابل ویرایش
20 صفحه
10700 تومان
107,000 ریال – خرید و دانلود

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

مدلسازی و بررسی اقتصادی سیستم های هیبرید انرژی (فتوولتائیک ، بادی، دیزل و باتری) برای کاربردهای مستقل از شبکه
چکیده
در این مقاله بهینه سازی ابعاد و بررسی فنی، اقتصادی و زیست محیطی یک سیستم هیبرید انرژی برای کاربردهای مستقل از شبکه ارائه شده است . به منظور دستیابی به یک سیستم مستقل با ابعاد بهینه ، استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر در طراحی و انتخاب اجزای سیستم مورد تأکید قرار گرفته است . منابع اصلی سیستم هیبرید مورد نظر پنل های فتوولتائیک و ژنراتورهای بادی بوده و از دیزل ژنراتور و باتری به عنوان سیستم پشتیبان استفاده میشود. جهت بهینه سازی و بررسی فنی و اقتصادی از نرم افزار HOMER استفاده شده است .
این نرم افزار قادر به طراحی ساختار بهینه سیستم هیبرید انرژی با لحاظ کردن استراتژی کنترلی میباشد.
نتایج شبیه سازی نشان میدهد که سیستم هیبرید مورد مطالعه ، یک راه عملی و مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست ، برای به کارگیری تولیدات پراکنده در کاربردهای مستقل از شبکه در مناطق دورافتاده میباشد.
واژه های کلیدی: بهینه سازی ابعاد، سیستم های هیبرید انرژی، مدلسازی، HOMER.
مقدمه
افزایش چشم گیر مصرف انرژی، طبیعت تجدیدناپذیر سوخت های فسیلی، هزینه های سنگین سوخت های فسیلی، نگرانیهای موجود در زمینه زیست محیطی و مشکلاتی از این قبیل ، عوامل اصلی در توسعه ی انرژیهای تجدیدپذیر میباشند.
این انرژیها قادر به تولید انرژی پاک و سازگار با محیط زیست بوده و درعین حال منجر به کاهش استفاده از سوخت های فسیلی می شوند.
در این بین انرژیهای بادی و خورشیدی از مهمترین منابع تجدید پذیر محسوب میشوند. به همین خاطر توسعه سیستم های تولید انرژی با مولد بادی (WG) و فتوولتائیک (PV) پیشرفت قابل توجهی داشته است . پیل های سوختی (FC) نیز به خاطر عواملی از قبیل راندمان بالا، عدم انتشار گازهای آلاینده و ساختار انعطاف پذیر، پتانسیل بالا در تبدیل به منابع انرژی سبز (Green power sources) در آینده ای نزدیک را دارند [١]. به هرحال هر یک از تکنولوژیهای یاد شده دارای معایبی نیز میباشند. به عنوان مثال باد و خورشید وابستگی زیادی به شرایط محیطی داشته و سوخت مصرفی FC ها 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 [٢-٩].
منابع انرژی متعددی شامل WG،PV ،FC ، مولدهای دیزلی، توربین های گازی و میکروتوربین ها در ترکیب با یکدیگر میتوانند سیستم هیبرید انرژی تشکیل دهند [٢-٩]. با وجود این منابع انرژی تجدیدپذیری که بطور عمده استفاده میشود باد و خورشید میباشد. سیستم هیبرید بادی-خورشیدی منبع انرژی جدیدی محسوب میشود. به علت پاکیزگی و تجدیدپذیر بودن این انرژیها، سازمان ها و کشورهای متعددی علاقه مند به استفاده از آن بوده و تحقیقاتی در این راستا انجام میدهند
[١١]. اما به خاطر خاصیت تناوبی باد و خورشید، نیاز به ذخیره سازی انرژی در شرایط مطلوب جهت استفاده در مواقع نیاز کاملا محسوس میباشد. اغلب از باتری برای ذخیره سازی انرژی استفاده میشود [۴و١١]. از ترکیب FC و الکترولیزور نیز جهت ذخیره سازی انرژی استفاده شده است [۶-٩و١١]. در برخی از مطالعات ترکیب باتری و FC برای ذخیره سازی ترجیح داده شده است [١و٢و١٢]. و در برخی از مراجع ، استفاده از دو منبع فوق برای ذخیره سازی به تفکیک از لحاظ هزینه مقایسه شده اند [۵و١١].
ولی آنچه در این زمینه کمتر دیده میشود، بررسی جامع اقتصادی و اثرات زیست محیطی با توجه به پتانسیل منطقه موجود میباشد. از آنجا که ترکیب منابع انرژی تجدیدپذیر با دیزل ژنراتور به همراه بانک باتری میتواند سیستم هیبریدی اقتصادی، سازگار با محیط زیست و قابل اطمینانی را تولید کند، در این پروژه سعی میشود با توجه به پتانسیل منطقه مدنظر در استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر، ترکیب بهینه سیستم هیبرید انرژی قابل استفاده به همراه بررسی اقتصادی و تأثیر زیست محیطی آن ارائه شود.
در سیستم هیبرید انرژی مورد نظر، ابعاد منابع انرژی تجدیدپذیر طوری طراحی میشود که باعث کاهش میزان استفاده از دیزل ژنراتور شوند. از دیزل ژنراتور در سیستم هیبرید انرژی فتوولتائیک ، بادی، دیزل و باتری، جهت پشتیبانی از منابع انرژی تجدیدپذیر و باتری و همچنین عملکرد به عنوان ژنراتور پشتیبان برای زمان های بحرانی که در آنها تولید منابع انرژی تجدیدپذیر کم بوده و یا تقاضای بار زیاد است استفاده میشود. از چنین سیستم هایی معمولا در مناطقی که منابع سوخت در آنها گران و یا غیر قابل دسترس بوده و همچنین مناطقی که پتانسیل بالایی برای احداث منابع تجدیدپذیر وجود دارد استفاده میشود. برای طراحی سیستم هیبرید انرژی با قابلیت اطمینان مناسب ، اندیس LOLP رایج ترین روش به کار رفته در پژوهش های مختلف می باشد. این اندیس نمایانگر احتمال از دست دادن توان تولیدی در زمانی است که منابع تجدیدپذیر قادر به تأمین باز مورد نیاز نباشند.
مدلسازی اجزاء سیستم هیبرید WG.PV.Diesel.Battery
مدل ریاضی هر یک از اجزای به کار گرفته شده ، استراتژی کنترلی جهت شبیه سازی سیستم و مدل اقتصادی سیستم هیبرید بر مبنای هزینه واحد انرژی در این بخش آورده شده اند. شکل (١) سیستم هیبرید انرژی مورد مطالعه را نشان میدهد.
سیستم هیبرید مورد نظر متشکل از WG،PV ، دیزل ژنراتور و باتری میباشد که برای کابردهای مستقل از شبکه طراحی شده است . در این سیستم WG و PV به عنوان منابع اصلی در نظر گرفته میشوند. در حالی که از باتری و Diesel به عنوان ذخیره کننده و سیستم پشتیبان استفاده میشود. از آنجا که مدیریت انرژی سیستم طوری طراحی خواهد شد که حداکثر استفاده از پتانسیل موجود در منطقه گردد، لذا غالب انرژی تولید شده در سیستم هیبرید توسط سیستم اصلی و پشتیبان سازگار با محیط زیست میباشد.
به منظور طراحی سیستم بهینه با مدیریت انرژی و نیز مشاهده عملکرد سیستم در شرایط مختلف ، وجود اطلاعات کافی از ساختار هر یک از اجزاء ضروری است . در این بخش هر یک از این اجزاء بررسی میشوند.

ژنراتور بادی
توان خروجی WG از رابطه زیر به دست می اید .

Pr توان نامی، Vci سرعت قطع پائین باد، Vr سرعت نامی باد و Vco سرعت قطع بالای باد میباشد. توان الکتریکی خروجی WG از رابطه زیر بدست میآید.

ηW راندمان ترکیبی گیربکس ، ژنراتور و ادوات الکترونیکی میباشد. مشخصات فنی WG به کار رفته در مقاله با تکنولوژی ١١١ Fahrlander در جدول (١) قابل مشاهده است .
پنل فتوولتائیک
بر اساس اطلاعات ورودی شامل شدت تابش خورشید و دمای محیط پیرامون ، توان خروجی PV محاسبه میشود.

ηg راندمان لحظه ای PV،Am مساحت هر یک از پنل های فتوولتائیک در واحد m2،Gt ثابت جهانی شدت تابش بر حسب W.m2 و N تعداد ماژول های به کار رفته در سیستم میباشد. راندمان لحظه ای PV از رابطه زیر قابل محاسبه است .

ηr راندمان مرجع پنل فتوولتائیک ، ηpt راندمان تجهیزات ردیابی (power tracing)،Tc و Tr به ترتیب دمای سلول های PV و دمای مرجع سلول های PV (بر حسب C°) و βt ضریب دمایی (بین ١.١١۴ تا ١.١١۶) می باشد.
باتری
توان ورودی باتری با توجه به وضعیت شارژ یا تخلیه باتری میتواند مثبت یا منفی باشد و از رابطه زیر قابل محاسبه است .

همچنین وضعیت شارژ (State Of Charge-SOC) باتری با استفاده از توان و راندمان باتری به صورت زیر محاسبه میشود.

در هر ساعت ، ظرفیت ذخیره سازی باتری در بازه زیر محدود میگردد.

که در آن CBAT,max و CBAT,min به ترتیب ماکزیمم و مینیمم میزان ظرفیت قابل ذخیره سازی باتری میباشد.
دیزل ژنراتور
دیزل ژنراتور دستگاهی است که به منظور تولید برق در مقیاس صنعتی بکار میرود و در حالت کلی از دو قسمت متحرک موتور مکانیکی و قسمت متحرک ژنراتور تشکیل شده است . سوخت مورداستفاده در موتور مکانیکی در اثر احتراق و یک سری پروسه ها تبدیل به انرژی دورانی شده و توسط کوپلینگ به قسمت ژنراتور انتقال مییابد و نهایتا این انرژی دورانی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. دیزل ژنراتور در مناطقی که برق شهر در دسترس نیست یا استفاده از آن مقرون به صرفه نمی- باشد و یا در مواردی که نیاز به برق اضطراری باشد مورد استفاده قرار می گیرد. جدول (١) اطلاعات فنی و اقتصادی اجزای سیستم هیبرید انرژی مورد نظر را نشان میدهد.

استراتژی کنترل و مدیریت انرژی
میزان سود و هزینه و همچنین قابلیت اطمینان سیستم در مسئله تعیین ابعاد سیستم هیبرید به نحوه بهره برداری و مدیریت انرژی منابع به کار رفته در آن مرتبط است . بنابراین به منظور دستیابی به یک پاسخ عملی بهینه به استراتژی مدیریت انرژی جامعی میان منابع مختلف سیستم های هیبرید انرژی نیاز است . روش های مختلفی جهت مدیریت و کنترل سیستم های هیبرید انرژی با منابع غیر پیوسته نظیر باد و خورشید وجود دارد که هر کدام مزیت و معایب خاص خود را دارد [١٧-١٩].
با توجه به ساختار پیشنهاد شده در این مقاله اختلاف توان میان منابع تولید کننده و بار به صورت زیر محاسبه می – شود.

که توان مصرفی توسط بار در ساعت t و PSC مصرف داخلی سیستم میباشد.
مدلسازی اقتصادی سیستم
مهمترین عامل در انتخاب و به کارگیری انرژیهای تجدید پذیر هزینه میباشد. در این قسمت ضمن منظور نمودن هزینه های مرتبط با احداث و بهره برداری از سیستم هیبرید، مدل اقتصادی ابعاد سیستم هیبرید بر اساس LCE انجام می شود.
LCE به صورت معادله زیر تعریف میشود.

که ELOAD خروجی سالیانه بر حسب (KWh) میباشد. TPV و CRF به ترتیب کل ارزش کنونی هزینه احداث و بهره برداری برای تمام اجزای سیستم و ضریب بازگشت سرمایه میباشد که به صورت معادله های (١١) و (١٢) بیان می شوند.

که CWG،CPV ،CDSL ،CBAT و CConv به ترتیب ارزش کنونی هزینه احداث و بهره برداری WG،PV ، دیزل ژنراتور، باتری و کانورتر در طول عمر مفید سیستم ، i نرخ بهره و n عمر سیستم بر حسب سال میباشد. همانطور که قبلا اشاره شد از میان ساختارهای متفاوت ، ساختاری که LCE کمتری را به خود اختصاص دهد به عنوان ساختار بهینه انتخاب میشود لذا همزمان LPSP مطلوب نیز بدست خواهد آمد. در این تحقیق نرخ بهره سالیانه % ١١ و عمر مفید سیستم ٢۵ سال لحاظ گردیده است .
مشخصات و ابعاد سیستم
از نقطه نظر طراحی سیستم هیبرید انرژی، بهینه سازی ابعاد اجرای سیستم بسیار قابل اهمیت می باشد. بهینه سازی ابعاد منجر به برقراری تناسبی منطقی میان هزینه و کارایی می شود. قبل از مدل سازی و بهینه سازی ابعاد، می بایست پروفیل بار مورد نظر و پتانسیل جغرافیایی منطقه مورد نظر را مورد مطالعه قرار داد. در بخش های بعدی مشخصات سیستم مورد بررسی قرار گرفته است .
الف ) پروفیل بار
پروفیل بار یکی از مهمترین بخش ها در طراحی سیستم های تولید انرژی میباشد. در این پژوهش به عنوان مطالعه موردی، یک روستای دور از شبکه سراسری برق رسانی در نظر گرفته شده است . مطابق با پیش بینیهای انجام شده ، مصرف سالیانه انرژی برای منطقه فرضی مورد مطالعه برابر با kWh.d ۶٢١ می باشد. پروفیل بار نمونه در یک شبانه روز شکل (٢) نشان داده شده است . با توجه به اینکه میزان پیک بار در بهینه سازی ابعاد سیستم تأثیرگذار است ، در این مطالعه kW ۶۵.١ به عنوان پیک بار مشخص شده است . شکل (١) میانگین ماهیانه بار مصرفی را نشان میدهد.

ب ) اطلاعات هواشناسی
در این تحقیق از میانگین ماهیانه ٢١ سال اطلاعات هواشناسی شهر شیراز مطابق با جدول (٢)، جهت شبیه سازی سیستم مفروض استفاده شده است . اطلاعات مربوط به وضعیت تابش خورشید و سرعت باد جهت آنالیز ابعاد سیستم هیبرید انرژی متشکل از پنل فتوولتائیک و توربین بادی مورد استفاده قرار میگیرد. دستیابی به این اطلاعات جهت بهینه سازی ابعاد سیستمی که در آن میبایست بار مورد تقاضای مصرف کنندگان دور از شبکه سراسری تأمین شود، ضروری است . همانطور که در شکل (۴) نشان داده شده است ، متوسط ماهیانه میزان تابش خورشید در هر روز بین kWh.m٢ ٧.۶١ تا ١.٢۶ است .
متوسط ماهیانه سرعت باد در هر روز در شکل (۵) نشان داده شده است .

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 10700 تومان در 20 صفحه
107,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد