بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازي و بررسي اقتصادي سيستم هاي هيبريد انرژي (فتوولتائيک ، بادي، ديزل و باتري) براي کاربردهاي مستقل از شبکه
چکيده
در اين مقاله بهينه سازي ابعاد و بررسي فني، اقتصادي و زيست محيطي يک سيستم هيبريد انرژي براي کاربردهاي مستقل از شبکه ارائه شده است . به منظور دستيابي به يک سيستم مستقل با ابعاد بهينه ، استفاده از انرژيهاي تجديدپذير در طراحي و انتخاب اجزاي سيستم مورد تأکيد قرار گرفته است . منابع اصلي سيستم هيبريد مورد نظر پنل هاي فتوولتائيک و ژنراتورهاي بادي بوده و از ديزل ژنراتور و باتري به عنوان سيستم پشتيبان استفاده ميشود. جهت بهينه سازي و بررسي فني و اقتصادي از نرم افزار HOMER استفاده شده است .
اين نرم افزار قادر به طراحي ساختار بهينه سيستم هيبريد انرژي با لحاظ کردن استراتژي کنترلي ميباشد.
نتايج شبيه سازي نشان ميدهد که سيستم هيبريد مورد مطالعه ، يک راه عملي و مقرون به صرفه و سازگار با محيط زيست ، براي به کارگيري توليدات پراکنده در کاربردهاي مستقل از شبکه در مناطق دورافتاده ميباشد.
واژه هاي کليدي: بهينه سازي ابعاد، سيستم هاي هيبريد انرژي، مدلسازي، HOMER.
مقدمه
افزايش چشم گير مصرف انرژي، طبيعت تجديدناپذير سوخت هاي فسيلي، هزينه هاي سنگين سوخت هاي فسيلي، نگرانيهاي موجود در زمينه زيست محيطي و مشکلاتي از اين قبيل ، عوامل اصلي در توسعه ي انرژيهاي تجديدپذير ميباشند.
اين انرژيها قادر به توليد انرژي پاک و سازگار با محيط زيست بوده و درعين حال منجر به کاهش استفاده از سوخت هاي فسيلي مي شوند.
در اين بين انرژيهاي بادي و خورشيدي از مهمترين منابع تجديد پذير محسوب ميشوند. به همين خاطر توسعه سيستم هاي توليد انرژي با مولد بادي (WG) و فتوولتائيک (PV) پيشرفت قابل توجهي داشته است . پيل هاي سوختي (FC) نيز به خاطر عواملي از قبيل راندمان بالا، عدم انتشار گازهاي آلاينده و ساختار انعطاف پذير، پتانسيل بالا در تبديل به منابع انرژي سبز (Green power sources) در آينده اي نزديک را دارند [١]. به هرحال هر يک از تکنولوژيهاي ياد شده داراي معايبي نيز ميباشند. به عنوان مثال باد و خورشيد وابستگي زيادي به شرايط محيطي داشته و سوخت مصرفي FC ها نيز گران است .
اما با ترکيب چند تکنولوژي و با کنترل و مديريت درست ، ميتوان سيستم هيبريد با قابليت اطمينان بالا براي تأمين بار مناطق مختلف به کار برد [٢-٩].
منابع انرژي متعددي شامل WG،PV ،FC ، مولدهاي ديزلي، توربين هاي گازي و ميکروتوربين ها در ترکيب با يکديگر ميتوانند سيستم هيبريد انرژي تشکيل دهند [٢-٩]. با وجود اين منابع انرژي تجديدپذيري که بطور عمده استفاده ميشود باد و خورشيد ميباشد. سيستم هيبريد بادي-خورشيدي منبع انرژي جديدي محسوب ميشود. به علت پاکيزگي و تجديدپذير بودن اين انرژيها، سازمان ها و کشورهاي متعددي علاقه مند به استفاده از آن بوده و تحقيقاتي در اين راستا انجام ميدهند
[١١]. اما به خاطر خاصيت تناوبي باد و خورشيد، نياز به ذخيره سازي انرژي در شرايط مطلوب جهت استفاده در مواقع نياز کاملا محسوس ميباشد. اغلب از باتري براي ذخيره سازي انرژي استفاده ميشود [٤و١١]. از ترکيب FC و الکتروليزور نيز جهت ذخيره سازي انرژي استفاده شده است [٦-٩و١١]. در برخي از مطالعات ترکيب باتري و FC براي ذخيره سازي ترجيح داده شده است [١و٢و١٢]. و در برخي از مراجع ، استفاده از دو منبع فوق براي ذخيره سازي به تفکيک از لحاظ هزينه مقايسه شده اند [٥و١١].
ولي آنچه در اين زمينه کمتر ديده ميشود، بررسي جامع اقتصادي و اثرات زيست محيطي با توجه به پتانسيل منطقه موجود ميباشد. از آنجا که ترکيب منابع انرژي تجديدپذير با ديزل ژنراتور به همراه بانک باتري ميتواند سيستم هيبريدي اقتصادي، سازگار با محيط زيست و قابل اطميناني را توليد کند، در اين پروژه سعي ميشود با توجه به پتانسيل منطقه مدنظر در استفاده از انرژيهاي تجديدپذير، ترکيب بهينه سيستم هيبريد انرژي قابل استفاده به همراه بررسي اقتصادي و تأثير زيست محيطي آن ارائه شود.
در سيستم هيبريد انرژي مورد نظر، ابعاد منابع انرژي تجديدپذير طوري طراحي ميشود که باعث کاهش ميزان استفاده از ديزل ژنراتور شوند. از ديزل ژنراتور در سيستم هيبريد انرژي فتوولتائيک ، بادي، ديزل و باتري، جهت پشتيباني از منابع انرژي تجديدپذير و باتري و همچنين عملکرد به عنوان ژنراتور پشتيبان براي زمان هاي بحراني که در آنها توليد منابع انرژي تجديدپذير کم بوده و يا تقاضاي بار زياد است استفاده ميشود. از چنين سيستم هايي معمولا در مناطقي که منابع سوخت در آنها گران و يا غير قابل دسترس بوده و همچنين مناطقي که پتانسيل بالايي براي احداث منابع تجديدپذير وجود دارد استفاده ميشود. براي طراحي سيستم هيبريد انرژي با قابليت اطمينان مناسب ، انديس LOLP رايج ترين روش به کار رفته در پژوهش هاي مختلف مي باشد. اين انديس نمايانگر احتمال از دست دادن توان توليدي در زماني است که منابع تجديدپذير قادر به تأمين باز مورد نياز نباشند.
مدلسازي اجزاء سيستم هيبريد WG.PV.Diesel.Battery
مدل رياضي هر يک از اجزاي به کار گرفته شده ، استراتژي کنترلي جهت شبيه سازي سيستم و مدل اقتصادي سيستم هيبريد بر مبناي هزينه واحد انرژي در اين بخش آورده شده اند. شکل (١) سيستم هيبريد انرژي مورد مطالعه را نشان ميدهد.
سيستم هيبريد مورد نظر متشکل از WG،PV ، ديزل ژنراتور و باتري ميباشد که براي کابردهاي مستقل از شبکه طراحي شده است . در اين سيستم WG و PV به عنوان منابع اصلي در نظر گرفته ميشوند. در حالي که از باتري و Diesel به عنوان ذخيره کننده و سيستم پشتيبان استفاده ميشود. از آنجا که مديريت انرژي سيستم طوري طراحي خواهد شد که حداکثر استفاده از پتانسيل موجود در منطقه گردد، لذا غالب انرژي توليد شده در سيستم هيبريد توسط سيستم اصلي و پشتيبان سازگار با محيط زيست ميباشد.
به منظور طراحي سيستم بهينه با مديريت انرژي و نيز مشاهده عملکرد سيستم در شرايط مختلف ، وجود اطلاعات کافي از ساختار هر يک از اجزاء ضروري است . در اين بخش هر يک از اين اجزاء بررسي ميشوند.
ژنراتور بادی
توان خروجی WG از رابطه زیر به دست می اید .
Pr توان نامي، Vci سرعت قطع پائين باد، Vr سرعت نامي باد و Vco سرعت قطع بالاي باد ميباشد. توان الکتريکي خروجي WG از رابطه زير بدست ميآيد.
ηW راندمان ترکيبي گيربکس ، ژنراتور و ادوات الکترونيکي ميباشد. مشخصات فني WG به کار رفته در مقاله با تکنولوژي ١١١ Fahrlander در جدول (١) قابل مشاهده است .
پنل فتوولتائيک
بر اساس اطلاعات ورودي شامل شدت تابش خورشيد و دماي محيط پيرامون ، توان خروجي PV محاسبه ميشود.
ηg راندمان لحظه اي PV،Am مساحت هر يک از پنل هاي فتوولتائيک در واحد m2،Gt ثابت جهاني شدت تابش بر حسب W.m2 و N تعداد ماژول هاي به کار رفته در سيستم ميباشد. راندمان لحظه اي PV از رابطه زير قابل محاسبه است .
ηr راندمان مرجع پنل فتوولتائيک ، ηpt راندمان تجهيزات رديابي (power tracing)،Tc و Tr به ترتيب دماي سلول هاي PV و دماي مرجع سلول هاي PV (بر حسب C°) و βt ضريب دمايي (بين ١.١١٤ تا ١.١١٦) مي باشد.
باتري
توان ورودي باتري با توجه به وضعيت شارژ يا تخليه باتري ميتواند مثبت يا منفي باشد و از رابطه زير قابل محاسبه است .
همچنين وضعيت شارژ (State Of Charge-SOC) باتري با استفاده از توان و راندمان باتري به صورت زير محاسبه ميشود.
در هر ساعت ، ظرفيت ذخيره سازي باتري در بازه زير محدود ميگردد.
که در آن CBAT,max و CBAT,min به ترتيب ماکزيمم و مينيمم ميزان ظرفيت قابل ذخيره سازي باتري ميباشد.
ديزل ژنراتور
ديزل ژنراتور دستگاهي است که به منظور توليد برق در مقياس صنعتي بکار ميرود و در حالت کلي از دو قسمت متحرک موتور مکانيکي و قسمت متحرک ژنراتور تشکيل شده است . سوخت مورداستفاده در موتور مکانيکي در اثر احتراق و يک سري پروسه ها تبديل به انرژي دوراني شده و توسط کوپلينگ به قسمت ژنراتور انتقال مييابد و نهايتا اين انرژي دوراني به انرژي الکتريکي تبديل مي شود. ديزل ژنراتور در مناطقي که برق شهر در دسترس نيست يا استفاده از آن مقرون به صرفه نمي- باشد و يا در مواردي که نياز به برق اضطراري باشد مورد استفاده قرار مي گيرد. جدول (١) اطلاعات فني و اقتصادي اجزاي سيستم هيبريد انرژي مورد نظر را نشان ميدهد.
استراتژي کنترل و مديريت انرژي
ميزان سود و هزينه و همچنين قابليت اطمينان سيستم در مسئله تعيين ابعاد سيستم هيبريد به نحوه بهره برداري و مديريت انرژي منابع به کار رفته در آن مرتبط است . بنابراين به منظور دستيابي به يک پاسخ عملي بهينه به استراتژي مديريت انرژي جامعي ميان منابع مختلف سيستم هاي هيبريد انرژي نياز است . روش هاي مختلفي جهت مديريت و کنترل سيستم هاي هيبريد انرژي با منابع غير پيوسته نظير باد و خورشيد وجود دارد که هر کدام مزيت و معايب خاص خود را دارد [١٧-١٩].
با توجه به ساختار پيشنهاد شده در اين مقاله اختلاف توان ميان منابع توليد کننده و بار به صورت زير محاسبه مي - شود.
که توان مصرفي توسط بار در ساعت t و PSC مصرف داخلي سيستم ميباشد.
مدلسازي اقتصادي سيستم
مهمترين عامل در انتخاب و به کارگيري انرژيهاي تجديد پذير هزينه ميباشد. در اين قسمت ضمن منظور نمودن هزينه هاي مرتبط با احداث و بهره برداري از سيستم هيبريد، مدل اقتصادي ابعاد سيستم هيبريد بر اساس LCE انجام مي شود.
LCE به صورت معادله زير تعريف ميشود.
که ELOAD خروجي ساليانه بر حسب (KWh) ميباشد. TPV و CRF به ترتيب کل ارزش کنوني هزينه احداث و بهره برداري براي تمام اجزاي سيستم و ضريب بازگشت سرمايه ميباشد که به صورت معادله هاي (١١) و (١٢) بيان مي شوند.
که CWG،CPV ،CDSL ،CBAT و CConv به ترتيب ارزش کنوني هزينه احداث و بهره برداري WG،PV ، ديزل ژنراتور، باتري و کانورتر در طول عمر مفيد سيستم ، i نرخ بهره و n عمر سيستم بر حسب سال ميباشد. همانطور که قبلا اشاره شد از ميان ساختارهاي متفاوت ، ساختاري که LCE کمتري را به خود اختصاص دهد به عنوان ساختار بهينه انتخاب ميشود لذا همزمان LPSP مطلوب نيز بدست خواهد آمد. در اين تحقيق نرخ بهره ساليانه % ١١ و عمر مفيد سيستم ٢٥ سال لحاظ گرديده است .
مشخصات و ابعاد سيستم
از نقطه نظر طراحي سيستم هيبريد انرژي، بهينه سازي ابعاد اجراي سيستم بسيار قابل اهميت مي باشد. بهينه سازي ابعاد منجر به برقراري تناسبي منطقي ميان هزينه و کارايي مي شود. قبل از مدل سازي و بهينه سازي ابعاد، مي بايست پروفيل بار مورد نظر و پتانسيل جغرافيايي منطقه مورد نظر را مورد مطالعه قرار داد. در بخش هاي بعدي مشخصات سيستم مورد بررسي قرار گرفته است .
الف ) پروفيل بار
پروفيل بار يکي از مهمترين بخش ها در طراحي سيستم هاي توليد انرژي ميباشد. در اين پژوهش به عنوان مطالعه موردي، يک روستاي دور از شبکه سراسري برق رساني در نظر گرفته شده است . مطابق با پيش بينيهاي انجام شده ، مصرف ساليانه انرژي براي منطقه فرضي مورد مطالعه برابر با kWh.d ٦٢١ مي باشد. پروفيل بار نمونه در يک شبانه روز شکل (٢) نشان داده شده است . با توجه به اينکه ميزان پيک بار در بهينه سازي ابعاد سيستم تأثيرگذار است ، در اين مطالعه kW ٦٥.١ به عنوان پيک بار مشخص شده است . شکل (١) ميانگين ماهيانه بار مصرفي را نشان ميدهد.
ب ) اطلاعات هواشناسي
در اين تحقيق از ميانگين ماهيانه ٢١ سال اطلاعات هواشناسي شهر شيراز مطابق با جدول (٢)، جهت شبيه سازي سيستم مفروض استفاده شده است . اطلاعات مربوط به وضعيت تابش خورشيد و سرعت باد جهت آناليز ابعاد سيستم هيبريد انرژي متشکل از پنل فتوولتائيک و توربين بادي مورد استفاده قرار ميگيرد. دستيابي به اين اطلاعات جهت بهينه سازي ابعاد سيستمي که در آن ميبايست بار مورد تقاضاي مصرف کنندگان دور از شبکه سراسري تأمين شود، ضروري است . همانطور که در شکل (٤) نشان داده شده است ، متوسط ماهيانه ميزان تابش خورشيد در هر روز بين kWh.m٢ ٧.٦١ تا ١.٢٦ است .
متوسط ماهيانه سرعت باد در هر روز در شکل (٥) نشان داده شده است .
