بخشی از مقاله
واژه هاي کليدي : هيدروژن ، باتري ، سيستم انرژي مستقل از شبکه ، شبيه سازي ، نرم افزار HOMER
چکيده :
با توجه به نياز روزافزون جهان به انرژي و همچنين محدود بودن منابع انرژي فسيلي ، ضرورت استفاده از انرژيهاي تجديدپذير را بيش از پيش نمايان مي کند. در بين منابع انرژيهاي تجديدپذير، انرژي خورشيدي يکي از انواع مهم اين منابع محسوب مي گردد. کشور ايران با تابش بيش از زمينه اي مستعد در جذب و تبديل اين انرژي لايتناهي به الکتريسيته دارد. از جمله اقدامات انجام شده در زمينه ساخت و کاربرد نيروگاههاي خورشيدي در کشور، مي توان به احداث سيستم انرژي مستقل از شبکه در منطقه طالقان اشاره نمود. اين پايلوت در منطقه کوهستاني با طول ٥٠ درجه و٣٤ دقيقه شرقي ، عرض جغرافيايي ٣٦ درجه و٨ دقيقه شمالي و ارتفاع ١٧٠٠ متر از سطح دريا احداث گرديده است .
در اين مقاله به ارائه نتايج آناليز فني و اقتصادي دو فناوري مختلف خورشيدي ، "سلولهاي خورشيدي با بانک باتري " و "سلولهاي خورشيدي با الکتروليز قليايي آب و مخزن ذخيره هيدروژن " براي سيستم انرژي مستقل از شبکه جهت تأمين انرژي يک ساختمان اداري در سايت طالقان پرداخته شد که با استفاده از نرم افزار شبيه ساز HOMER ، شبيه سازي و بهينه سازي قرار گرفت
١- مقدمه
استفاده از انرژيهاي تجديدپذير در جايگزيني با انرژيهاي فسيلي با توجه به ويژگيهاي زيست محيطي و اقتصادي آنها يکي از دغدغه هاي سياستگذاران بخش انرژي در حال حاضر است . يکي از مهمترين انواع انرژيهاي تجديدپذير، انرژي خورشيدي مي باشد که بعنوان يک منبع انرژي رايگان و تمام نشدني ، قابليت تبديل به اشکال ديگر انرژي را دارد و در قالب سيستمهاي فتوولتائيک يکي از مهمترين اين نوع انرژيها است و استفاده از آن مي تواند در جهت تأمين انرژي الکتريکي مصرف کنندگاني که بعلت شرايط اقليمي و جغرافيايي به شبکه توزيع برق سراسري ندارند، بسيار مقرون به صرفه و مشکل گشا خواهد بود. استفاده از سيستمهاي فتوولتائيک روز به روز با افزايش تقاضاي انرژي براي تأمين انرژي الکتريکي گسترش مي يابد[١].
کشور ايران از نظر جغرافيايي در منطقه گرم و خشک قرار دارد و با عرض جغرافيايي ٢٥ الي ٤٥ درجه شمالي از جمله مناطق مناسب از نظر تابش خورشيد مي باشد. در ايران به جز سواحل درياي خزر، در سراسر کشور درصد روزهاي آفتابي در سال بيش از٣٠٠ روز آفتابي مي باشد. انرژي خورشيدي بعنوان يک منبع انرژي پاک مي تواند جهت تأمين انرژي مورد نياز مصرف کنندگان مورد استفاده قرار گيرد و در اين بين استفاده از سيستمهاي فتوولتائيک مناسب بوده و مي تواند نقش مقايسه آناليز فني اقتصادي سيستمهاي انرژي مستقل از شبکه در سايت طالقان و بررسي آنها با استفاده از نرم افزار شبيه ساز ... بسزايي در تأمين انرژي مورد نياز مصرف کنندگان را در پايلوتهاي انرژي مستقل از شبکه ايفا نمايد. با عنايت به افزايش قيمت انرژي حاصل از سوختهاي فسيلي استفاده از اين فناوريهاي نو به صرفه اقتصادي نزديک مي گردد[٢،٣].
٢- معرفي پايلوت انرژي مستقل از شبکه سايت طالقان
پايلوت انرژي مستقل از شبکه سايت طالقان در منطقه اي کوهستاني با طول جغرافيايي ٥٠ درجه و٣٤ دقيقه ، عرض جغرافيايي ٣٦ درجه و ٨ دقيقه ، ارتفاع ١٧٠٠ متر از سطح دريا و متوسط تابش ساليانه نور خورشيد معادل احداث گرديد و متشکل از سلولهاي فتوولتائيک ، دستگاه الکتروليز قليايي آب ، سيستم پيل سوختي پليمري ، مخزن ذخيره يک متر مکعبي گاز هيدروژن ، باتريخانه و مبدلهاي DC.AC است . در اين مقاله به بررسي فني و اقتصادي دو فناوري مختلف خورشيدي در پايلوت انرژي مستقل از شبکه در سايت طالقان يعني فناوريهاي "سلولهاي خورشيدي بانک باتري " و"سلولهاي خورشيدي دستگاه الکتروليز آب " پرداخته شده و شبيه سازي اين دو فناوري با استفاده از نرم افزار شبيه ساز HOMER انجام شده است و پارامترهاي موجود در هر فناوري مورد بحث و بررسي قرار گرفته شده است .
. الف ) سلولهاي خورشيدي بانک باتري : که معمولا در اين حالت ماژولهاي خورشيدي بطور مستقيم به بانک باتري متصل هستند و مصرف کنندگان برق مورد نياز خود را از باتريخانه دريافت مي کنند.
. ب ) سلولهاي خورشيدي الکتروليز آب : که در آن برق مورد نياز دستگاه الکتروليز آب جهت تجزيه آب به اجزاء سازنده اش (يعني گازهاي هيدروژن و اکسيژن ) از سلولهاي خورشيدي تأمين مي گردد. در روز وقتي که نور خورشيد به سلولهاي فتوولتائيک مي تابد، طي پديده فتوولتائيک انرژي نوراني به انرژي الکتريکي تبديل شده و سلولهاي فتوولتائيک برق مورد نياز دستگاه الکتروليز آب را تأمين مي نمايد. هيدروژن توليد شده از دستگاه الکتروليز آب با عبور از دستگاه کمپرسور هيدروژن ، فشرده شده و در يک مخزن يک مترمکعبي تا فشار حداکثر bar١٠ ذخيره مي شود تا در مواقع نياز جهت تأمين برق بخشي از مجموعه در سيستم پيل سوختي پليمري مورد استفاده قرار گيرد.
٢-١- سلولهاي فتوولتائيک
استفاده از انرژي خورشيدي بعنوان منبعي فناناپذير و کاربرد آن در سيستمهاي فتوولتائيکي براي تبديل به انرژي الکتريکي کاملا فراگير شده است . از سيستمهاي مستقل از شبکه جهت تأمين برق مورد نياز يک مصرف کننده و يا يک محل که در آن مصرف کنندگان بصورت پراکنده يا مستمر نيازمند برق مي باشند، استفاده مي شود. امروزه در جهان کاربردهاي فراواني جهت استفاده از سيستمهاي فتوولتائيک پيش بيني شده است که تأمين برق آنها از طريق شبکه سراسري و يا استفاده از ديزل ژنراتورها مقرون به صرفه و اقتصادي نيست . معمولا کاربرد سيستمهاي فتوولتائيک در مناطق محروم از منابع فسيلي و دورافتاده از شبکه هاي توزيع برق با اولويت ويژه اي مطرح مي گردد[٤،٥].
با توجه به طول عمر٢٥-٢٠ سال سيستمهاي فتوولتائيک ، اين تکنولوژي بعنوان يکي از ابزارهاي مهم و کارآمد در کاربرد انرژيهاي نو مي تواند پاسخگوي مناسبي براي تأمين انرژي الکتريکي در مناطق خارج از شبکه سراسري و صعب العبور باشد. سلولهاي فتوولتائيک لايه هاي نازک کريستالي از جنس نيمه هادي مي باشند که خاصيت الکترونيکي متفاوت دارند. اين اثر موجب پيدايش ميدانهاي الکتريکي قوي درون آنها مي شود.
هنگامي که نور وارد کريستال مي شود الکترونها بوسيله نور تحريک شده و از ميادين خود جدا مي شوند، در نتيجه ميان وجوه بالا و پايين اختلاف پتانسيل بوجود مي آيد. اگر مدار بين دو لايه از بيرون کامل شود، جريان مستقيمي را بوجود مي آورد که مکانيسم فتوولتائيک ناميده مي شود[٦].
شکل ١: نحوه تبديل انرژي در سلول خورشيدي
در اين سيستم انرژي مستقل از شبکه ، ماژولهاي خورشيدي از نوع پلي کريستال ، مدل MA36.45 و ساخت شرکت فيبر نوري ايران مي باشد. در اين طرح ماژولها با زاويه ٤٥ درجه نسبت به جنوب قرار داده شده اند که اين زاويه بدليل جهت تابش نور خورشيد و موقعيت جغرافيايي کشور ايران که در نيمکره شمالي قرار گرفته شده است که بر طبق محاسبات صورت گرفته در فصول مختلف سال ، زاويه مناسب از٣٠ تا ٦٠ درجه تغيير مي نمايد[٧،٨]. در جدول ١ مشخصات فني ماژولهاي خورشيدي در شرايط استاندارد (شدت تابش نور خورشيد و دماي C ٢٥) ارائه شده است .
٢-٢- بانک باتري
در اين سيستم انرژي تابشي نور خورشيد توسط ماژولهاي خورشيدي مدل MA36.45 به انرژي الکتريکي تبديل مي شود که برق حاصل از نوع جريان مستقيم مي باشد. در بخش واسطه که وظيفه کنترل سيستم را بعهده دارد، انرژي حاصل جهت ذخيره سازي به باتريخانه و مصرف کننده تزريق مي شود. دو هدف اصلي در استفاده از باتريخانه در اين سيستم عبارتند از:
. بعنوان يک سيستم پشتيبان در زماني که ميزان انرژي الکتريکي حاصل از تابش نور خورشيد کمتر از ميزان مصرف باشد.
. بعنوان يک منبع تأمين انرژي در شب .
باتريخانه در اين سيستم قادر است ذخيره انرژي را براي يک روز مصرف کننده مورد نظر و با احتساب حداکثر ميزان دشارژ (DOD) تأمين نمايد؛ بنابراين ظرفيت باتريخانه بايد ٣٠ درصد بيشتر از نياز (١٣٠%=٣٠+١٠٠) باشد که اين مقدار جهت حفاظت باتري و جلوگيري از کاهش طول عمر و افزايش راندمان باتري در نظر گرفته مي شود. باتريهاي مورد استفاده در اين سيستم از نوع سيلد اسيد و ساخت شرکت سهامي باتري سازي نيرو است که مشخصات فني آن ١٢ ولت و١٠٠ آمپر ساعت مي باشد.
شکل ٣: نمايي از باتريخانه پايلوت انرژي خورشيدي سايت طالقان
٢-٣- مبدل
مبدل در واقع تبديل کننده برق از نوع DC به AC و يا بالعکس مي باشد؛ در اين طرح برق مورد نياز دستگاه الکتروليز آب از نوع جريان سه فاز و ولتاژ٣٨٠ ولت مي باشد؛ بنابراين برق حاصل از سلولهاي فتوولتائيک نيز بايد مطابق با مشخصات و نياز مصرف کننده تأمين شود لذا مي بايست از مبدل (اينورتر) جريان مستقيم به جريان متناوب استفاده نمود.
اينورتر ولتاژ DC از باتري يا ماژول خورشيدي را به ولتاژ AC جهت تآمين انرژي مورد نياز مصرف کننده تبديل مي کند. در اين سيستم جريان برق مستقيم توليد شده از ماژولهاي نصب شده توسط تعداد متناسبي از مبدلهاي مدل Sunny Boy به جريان برق متناوب تبديل مي شود که از مزاياي انتخاب اين مبدلها مي توان به حجم کوچک ، راندمان بالا و سرعت عمل بالا اشاره نمود. مبدلهاي مدل Sunny Boy در ظرفيتهاي ١.٧، ١.٠، ١.٨، ٢.١، ٢.٥، ٣.٣، ٣.٨ و... کيلووات موجود مي باشد و متناسب با ميزان انرژي هر پايلوت ، نياز هر يک از سيستمهاي مورد نظر را تأمين مي کند. در جدول ٢ بطور نمونه مشخصات فني مربوط به مبدل Sunny Boy مدل ٢٥٠٠ ارائه گرديده است [٩].
٢-٤- دستگاه الکتروليز آب
روش الکتروليز آب يکي از روشهاي توليد هيدروژن است و در صورتي که الکتريسيته مورد نياز آن جهت تجزيه آب از نور خورشيد تأمين گردد، يک سوخت پاک تلقي مي شود. دستگاههاي الکتروليز آب بخوبي با انواع انرژيهاي تجديدپذير سازگار شده و به سيستمهاي توليد پراکنده هيدروژن اجازه مي دهند تا در ساعات پيک ، ميزان مصرف را مديريت کنند و با استفاده از هيدروژن ذخيره شده و استفاده از آن در پيلهاي سوختي ، افت ولتاژ را تا حدودي تأمين نمايند. در روش الکتروليز آب با عبور جريان مستقيم برق از ميان آب ، آنرا به اجزاء سازنده اش يعني گازهاي H2 و O2تجزيه مي نمايد. در اين سيستم دستگاه الکتروليز آب مدل EV٠٥١٠ از نوع قليايي ، دو قطبي و مشتمل بر تعداد ١٠ سلول است که جريان و ولتاژ دستگاه در شرايط نامي به ترتيب ٢٥٠ آمپر و حداکثر٢٥ ولت است . دستگاه الکتروليز آب قليايي به ظرفيت kW ٥ و ساخت شرکت HYDROTECHNIK آلمان است و قادر است بر مبناي گاز خشک در دماي صفر درجه سانتيگراد و فشار bar ١.٠١٣، حداکثر يک نرمال مترمکعب گاز هيدروژن در ساعت توليد نمايد. راندمان نامي دستگاه الکتروليز مورد استفاده در اين پايلوت ٧٠ درصد مي باشد[١٠].
٢-٥- مخزن ذخيره هيدروژن
ذخيره سازي هيدروژن داراي مزاياي اقتصادي نسبت به باتريهاي سربي جهت ذخيره سازي در طولاني مدت دارد. دانسيته انرژي هيدروژن در واحد جرم بسيار بالا است اما بعلت دانسيته پايين گاز، دانسيته انرژي آن در واحد حجم بسيار کم است . جهت دستيابي به حداکثر مقدار انرژي ، لازم است تا مقداري زيادي از آن ذخيره گردد. هيدروژن بصورت جامد، مايع و گازي ذخيره سازي مي شود و ذخيره سازي هيدروژن گازي يکي از ساده ترين ، متداولترين و ارزانترين روشهاي ذخيره سازي است . در اين طرح از يک مخزن يک متر مکعبي جهت ذخيره سازي گاز هيدروژن تا فشار حداکثر 10bar استفاده شده است .
٢-٦- پيل سوختي
هيدروژن مي تواند به اشکال مختلف مورد استفاده قرار گيرد اما مهمترين ويژگي هيدروژن ، امکان استفاده از آن در پيلهاي سوختي و توليد انرژي الکتريکي بدون ايجاد آلودگي زيست محيطي و راندمان بالا است . پيل سوختي يک سيستم الکتروشيميايي است که انرژي شيميايي سوخت را مستقيما به انرژي الکتريکي تبديل مي کند و در آن سوخت بطور مداوم به الکترود آند و اکسيژن به الکترود کاتد تزريق مي گردد و واکنشهاي الکتروشيميايي در الکترودها انجام شده و با ايجاد پتانسيل الکتريکي جريان الکتريکي برقرار مي گردد. در اين طرح از يک سيستم پيل سوختي به ظرفيت ١.٢ کيلووات و نوع پليمري و مدل Nexa١٢٠٠ ، ساخت شرکت BALLARD کانادا استفاده شده است . راندمان نامي آن حدود ٥٠-٣٨ درصد و طول عمر پيش بيني شده براي آن ١٥٠٠ ساعت عملکرد مداوم يا ٥٠٠ بار روشن و خاموش مي باشد[١١].
٣- برق مصرفي ساختمان اداري
در اين مطالعه فرض شده است تا از يک بار ثابت جهت بررسي فني و اقتصادي فناوريهاي "سلولهاي خورشيدي بانک باتري " و"سلولهاي خورشيدي دستگاه الکتروليز آب " استفاده شود که در اينجا يک ساختمان اداري در سايت انرژيهاي نو طالقان مورد بررسي قرار گرفته است که داراي پنج اتاق مربوط به دفاتر تخصصي ، يک سالن غذاخوري و يک سرويس بهداشتي است که با توجه به ابعاد هر اتاق ، تعداد لامپهاي مورد نياز هر ناحيه مشخص شده است .
در اينجا فرض شده است که براي اتاقها از هشت عدد لامپ مهتابي ٤٠ واتي ، يک دستگاه کامپيوتر و يک دستگاه پرينتر که از شروع ساعت اداري (ساعت ٨ صبح ) تا پايان وقت اداري (٤ بعدازظهر) روشن مي باشند؛ همچنين جهت تأمين روشنايي سرويس بهداشتي از ٤ عدد لامپ کم مصرف ١٨واتي استفاده شده است . در پايان وقت اداري جهت تأمين روشنايي محوطه ساختمان اداري سايت از دو عدد لامپ ٢٠٠ وات استفاده مي شود که از ساعت ٧ بعدازظهر لغايت ٦ صبح روشن خواهد بود. حال با فرض ثابت بودن بارهاي مصرفي ساختمان اداري در طول مدت شبانه روز، در هر طرح به بررسي فني و اقتصادي فناوري ذخيره انرژي و شبيه سازي و بهينه سازي آنها با استفاده از نرم افزار HOMER پرداخته شده است .
٤- معرفي نرم افزار شبيه ساز HOMER [١٢،١٣]
اين نرم افزار که جهت شبيه سازي سيستمهاي هيبريد از آن استفاده مي شود، بصورت رايگان از اينترنت قابل دسترسي است . کار با اين برنامه ساده ، راحت و کارآمد است و از آن براي ارزيابي فني و اقتصادي سيستمهاي هيبريد استفاده شود. مدل بهينه سازي سيستمهاي هيبريد، بوسيله آزمايشگاه ملي انرژي تجديدپذير ايالات متحده آمريکا١ ايجاد شده و توسعه يافته است . HOMER رفتار فيزيکي سيستمهاي انرژي و هزينه چرخه عمر (که همان هزينه کلي نصب و راه اندازي سيستم در طول عمر آن است ) آنها را مدل سازي مي کند.
HOMER ، کاربر را قادر مي سازد تا گزينه هاي طراحي متفاوت بسياري طبق اصول تکنيکي و اقتصادي را مقايسه کند؛ همچنين امکان اعمال تغييرات و عدم قطعيت هاي فراواني در وروديها را فراهم مي کند. نرم افزار HOMER سه امر اساسي شبيه سازي ، بهينه سازي و تحليل حساسيت در فرايند شبيه سازي را اجرا مي کند. HOMER عملکرد يک آرايش خاص سيستم انرژي را براي هر ساعت از سال با تعيين روشهاي ممکن تأمين انرژي مورد نياز و هزينه چرخه عمر آن مدل سازي مي کند.
در فرايند بهينه سازي HOMER تمام آرايشهاي مختلف تأمين قدرت که محدوديتهاي تکنيکي را ارضا مي کند جهت دستيابي به اقتصادي ترين حالت براي هزينه چرخه عمر، جستجو مي کند. در فرايند تحليل حساسيت HOMER تعدادي از پيش تعيين شده ، فرايند بهينه سازي را طبق درجات مختلف تغييرات و عدم قطعيت وروديها انجام مي دهد. فرايند تحليل حساسيت جهت بررسي تغييرات ناخواسته و خارج از کنترل بعضي يا تمام وروديها است .
جهت مدل سازي يک سيستم شامل سلولهاي فتوولتائيک ، در نرم افزار HOMER بايد اطلاعات منبع خورشيدي منطقه مورد نظر را در برنامه وارد نمود. اطلاعات تابش خورشيدي ممکن است در سه شکل متفاوت متوسط تابش ساعتي بر سطح افقي ، متوسط تابش ماهانه بر سطح افقي يا شاخص متوسط ماهانه شفافيت ٢ بيان شوند. شاخص متوسط ماهانه شفافيت ، نسبت تابش خورشيدي سطح زمين به تابش خورشيدي به جو است و با توجه به مقدار آن که بين صفر تا يک است بيانگر ميزان شفافيت جو است . با توجه به الگوريتمي معين در HOMER و با محاسبه ميزان متوسط تابش ماهانه و ارتفاع مي توان الگوي تابش روزانه را بدست آورد.
نرم افزار در مدل سازي طبق گامهاي يک ساعته ميزان انرژي منابع تجديدپذير را محاسبه مي کند و براي بيشتر انواع سيستمهاي انرژي کوچک ، خصوصا آنهايي که شامل منابع انرژي تجديدپذير متناوب هستند، گامهاي يک ساعته براي تحليل ، مقياس دقيقي به نظر مي رسد.
نرم افزار HOMER از معادله NPC٣ براي هزينه چرخه عمر استفاده مي کند که شامل هزينه هاي تأسيس اوليه ، هزينه جايگزيني ، تعميرات ، سوخت ، خريد برق از شبکه ، جريمه هاي ناشي از آلودگي هوا و فروش برق به شبکه است . در محاسبه NPC هزينه ها، مثبت و درآمدها منفي در نظر گرفته مي شوند. HOMER تمام هزينه ها و درآمدها را با يک نرخ بهره ثابت در طول سال ارزيابي مي کند. در اين نوع ارزيابي جهت اثر دادن تورم در محاسبات در انتهاي فرآيند تحليل و بررسي سيستم بايد با محاسبه نرخ بهره واقعي که ناشي از تورم است و طبق روابط معين ، اثر تغيير نرخ بهره را بر NPC اعمال کرد. نرخ بهره اي که کار کاربر وارد مي کند، نرخ بهره واقعي است که برابر با تفاضل نرخ بهره نامي و نرخ بهره تورم است .
در بهينه سازي بهترين ترکيب ممکن از بين آرايشهاي شبيه سازي شده انتخاب مي شود. بهترين ترکيب ممکن در HOMER، ترکيبي است که تمام قيود از پيش تعيين شده توسط کاربر را همراه با کمترين NPC ارضا مي کند. در فرايند شبيه سازي ، HOMER تمام حالات ممکن (غير از حالات غير قابل تحقق ) را شبيه سازي مي کند و سپس آنها را طبق NPC مرتب مي کند و در نهايت آرايش قابل تحقق توسط کمترين NPC را بعنوان آرايش بهينه معرفي مي کند. هدف فرايند بهينه سازي ، تعيين مقدار بهينه هر متغير تصميم گيري است .
