بخشی از مقاله
چکیده
تحقیقات بسیاری در زمینه توسعه انرژی های نو و تجدیدپذیر در حال انجام است.که دلیل اصلی آن کاهش منابع انرژی فسیلی مانند نفت،گاز،ذغال سنگ و... است.علاوه بر این سوخت های فسیلی باعث مشکلات زیست محیطی مثل تغییرات آب و هوایی و گرمایش جهانی، افزایش آلودگی هوا، ذوب شدن یخ های قطبی و بالا آمدن سطح دریاها پدید می شود. گازهای گلخانه ای حاصل از سوخت های دیزل علاوه بر تهدید سلامت انسان می تواند باعث به خطر افتادن امنیت ملی درکشورهای مختلف شود. .
در چند دهه اخیر تولید بیودیزل از محصولات دانه روغنی و چربی حیوانات به عنوان مواد پایدار برای استفاده در موتورهای دیزل به جای دیزل فسیلی توجه بسیاری را به خود جلب کرده است.بیودیزل هایی که اخیرا تولید می شوند پایدار به نظر نمی رسند به این دلیل که از مواد گیاهی خوراکی استفاده می شوند پس نیاز شدیدی وجود دارد تا بیودیزل پایدار تولید شود.
مدل سازی با شبکه عصبی مصنوعی در چند سال اخیر به طور موفقیت آمیزی به کار گرفته شده است.هدف از این مقاله مرور مطالعاتی است که با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی انجام پذیرفته برای مدلسازی بیودیزل نسل آینده انجام پذیرفته است.کاربرد شبکه عصبی در کارایی و انتشارات موتور نیز بحث خواهد شد.
در نهایت این نتیجه دریافت می شود که مدسازی با شبکه عصبی پتانسیل بالایی در توسعه سیستم های انرژی تجدیدپذیرتوسط بیودیزل دارد.
مقدمه
از شروع انقلاب صنعتی در اواخر قرن 18 و اوایل قرن 19 انرژی به عنوان یک ابزار اساسی برای بشر به حساب آمد که سهم بالایی در رشد اقتصادی و افزایش استانداردهای زندگی داشت.تقاضای انرژی اولیه جهان پیش بینی شده به میزان %1,6 سالانه از 2010 تا 2030 رشد کند یعنی %32 انرژی مازاد در 2030 نیاز است. - - 1 در اطراف ما منابع انرژی زیادی وجود دارد این منابع به صورت فسیلی،قابل انشقاق و تجدیدپذیر طبقه بندی می شوند.
منابع انرژی فسیلی در هزاران سال پیش شکل یافته اند و تجدیدپذیر نیستند که شامل نفت خام مایع،ذغال سنگ،گاز طبیعی و قیرشن هستند.منابع اصلی انرژی شکافتنی اورانیوم،توریوم هستند.انرژی تجدیدپذیر از منابع طبیعی مثل زیست توده ،خورشید،باد،آب و منابع زمین گرمایی تولید می شود.
بیشتر انرژی اولیه که امروزه استفاده می شود از منابع فسیلی تامین می شود،نفت خام %35 ،ذغال %29،گاز طبیعی %24،در حالی که انرژی های هسته ای و تجدیدپذیر %7 و %5 از مصرف جهانی را شامل می شود.در نتیجه منابع فسیلی بزرگترین منبع انرژی است که %88کل مصرف جهانی را در بر می گیرد. - - 1 از این روی منابع فسیلی دیگر قادر به تامین نیازهای آینده نخواهند بود.از طرفی دیگر سوخت های فسیلی در در انتشار گازهای گلخانه ای وتغییرات آب و هوایی نقش اساسی دارند.
بخش حمل و نقل جهانی بعد از بخش صنعت و ساختمان سومین مصرف کننده انرژی است. تا سال 2030 مصرف انرژی و انتشار دی اکسید کربن از این بخش %80 افزایش می یابد.همچنین این بخش در حال حاضر %30 از نفت خام جهانی را مصرف می کند و پیش بینی می شود تا سال2030 به %60 افزایش یابد
بیودیزل
اسیدچرب متیل یا اتیل استر با نام بیودیزل ،سوخت مایع جایگزین دیزل نفتی است. بیودیزل تنها سوخت جایگزین در دسترس برای حمل و نقل است که از محصولات کشاورزی،مواد ارگانیک جنگل و چربی حیوانات ساخته می شود . این سوخت می تواند در موتورهای دیزل استفاده شود.ذخیره ،حمل و نقل ونگهداری این سوخت در مقایسه با دیزل حاصل از مواد نفتی به دلیل سمی نبودنش و نقطه اشتعال بالایی که دارد بی خطر و امن است.
یکی از ویژگی های بیودیزل عدد ستان بالاتر آن نسبت به دیزل است که باعث افزایش کارایی موتور می شود.هم چنین بیودیزل دارای خصوصیات روان سازنده بهتری است که باعث افزایش عمر موتور می شود. استفاده از بیودیزل انتشارات ذرات ریز را تا %75 نسبت به دیزل کاهش می دهد و به طور قابل توجهی باعث کاهش هیدروکربن های نسوخته ،کربن مونوکسید ومواد ریز شامل سولفوردی اکسید از انتشارات خروجی موتور می شود. کل انتشارات هیدروکربن های حاصل ازبه کارگیری سوخت بیودیزل %93 کمتراز سوخت دیزل است
فواید استفاده از بیودیزل
تعدادی از فواید کاربرد بیودیزل به جای سوخت دیزل در زیر آمده است
- 1سوخت تجدیدپذیر،گرفته شده از روغن های گیاهی و چربی های حیوانی
- 2سمیت کم در مقایسه با سوخت دیزل
- 3کاهش انتشار آلوده کننده ها
- 4کاهش خطرات برای سلامتی انسان ها به دلیل کاهش انتشارات مواد سرطان زا
- 5دارای نقطه اشتعال بالا - حداقل 100 درجه سانتیگراد -
- 6سولفور و نیتروژن پایینی دارد که انتشار گازهای خطرناک را کم می کند
- 7 اکسیژن بالاتری دارد که باعث احتراق بهتر می شود
پتانسیل مواد خام اولیه بیودیزل نسل ثانویه
روغن های غیرخوراکی که به عنوان نسل ثانویه بیودیزل استفاده می شود،درحال حاضر کمتر از %5 از کل بیودیزل تولیدی جهان را شامل می شود. - - 4بیشترین موادی که برای تولید نسل ثانویه بیودیزل استفاده می شود بذرکتان،روغن کرچک،روغن زاید آشپزی، جاتروفا،کارانجا،ماهیوا است.تعداد بسیار زیادی گیاهان دانه روغنی غیرخوراکی و گونه های جلبک در اطراف دنیا شناخته شده است که می توانند منابع با ارزشی برای نسل آینده بیودیزل باشد.
برای مثال محققی پتانسیل تولید بیودیزل 200 گونه گیاه استرالیایی که توانایی تولید مقدار بسیاری بذر را دارا می باشد در منطقه ی کیونزلند بررسی کرد در بین این تعداد ،20 گونه آن دارای بیش از %20 روغن غیرخوراکی در داخل بذرشان بود.این مطالعه نشان داد که استرالیا می تواند منبع مهمی برای تولید مواد اولیه بیودیزل نسل آینده باشد.هم چنین استرالیا دارای زمین های وسیع و گسترده است که محصولات بیودیزل می تواند به طور موفقیت آمیزی کشت شود.
درتایلند 27 گونه گیاه شناخته شده است که شامل %25 روغن غیرخوراکی در بذرشان بود.
در پژوهشی دیگر 75 نوع روغن از دانه گیاهان غیر خوراکی تولید شده در هند پیدا شده است که شامل %30 روغن در دانه شان است. - - 7 در کنار گیاهان دانه روغنی غیر خوراکی ،محققان توجه شان به گونه های جلبک به عنوان مواد خام تولید بیودیزل جلب شده است
جلبک ها معمولا در دریاها،رودخانه ها،دریاچه ها،خاک،دیوارها،در گیاهان یا ها جای دیگر که نور برای فتوسنتز وجود دارد یافت می شود.در حین رشد آن ها انرژی خورشید را به انرژی شیمیایی توسط فتوسنتزتبدیل می کند.نرخ و رشد روغن زیستی می تواند توسط مواد مغذی و هوای کافی سرعت گیرد.
مزایای تولید بیودیزل از جلبک :
- 1فراهم کردن منبع مطمئن و همیشگی برای رشد در تمام سال - 2بازده بالای تبدیل فوتون - 3تولید سوخت زیستی غیرسمی
تولید بیودیزل
بیش از 100 سال پیش رودولف دیزل1 کاربرد موتور دیزل با استفاده از سوخت روغن گیاهی را نشان داد روغن های گیاهی ویسکوزیته بالایی دارند حدود 10 تا 17 برابر بیشتر از دیزل حاصل از مواد نفتی.این ویژگی باعث شد که به صورت سوخت مستقیم در موتورهای دیزلی استفاده نشود.
محققان روش های بسیاری را برای کاهش ویسکوزیته آن ها به کار گرفتند مثل رقیق سازی با دیگر سوخت ها،روش تبادل استری،امولسیون سازی،پیرولیز و پالایش از راه کاتالیز. از بین این روش ها ،روش تبادل استری تکنیکی است که به دلیل بازده تبدیل بالا،ساده بودن ،قیمت تبدیل پایین و کیفیت بالای سوخت تولیدی بیشتر استفاده می شود.
استری کردن روغن های زیستی با الکل برای تولید استر از تکنیک های بسیار کاربردی برای تولید بیودیزل تجاری است.روش تبادل استری ،عملی شیمیایی است که روغن ها - تری گلیسیریدها - را تبدیل به استرها می کند. تری گلیسیرید با الکل - اتانول،متانول - واکنش می دهد تحت شرایط کاتالیزی و تولید اسیدچرب الکیل استروگلیسرول می کند.کاتالیزور باعث افزایش نرخ واکنش و عملکرد می شود.
استانداردهای بیودیزل
یک سری استانداردهای کیفی برای مصرف تجاری سوخت ها وجود دارد.دستورالعمل هایی برای هر محصول در اختیار مصرف کنندگان قرارمی دهند تا اطمینان دهند که سوختی که می خرند دارای کیفیت بالاست.
موتورهای دیزلی از سیستم های تزریق سوخت معمول استفاده می کنند که به کیفیت سوخت بسیار حساس است پس سازندگان موتور به استانداردهای سوخت بسیار تکیه می کنند.
بیودیزل می تواند به عنوان سوخت خالص یا مخلوط با دیزل معمول استفاده شود.
نشان دهنده ی بیودیزل خالص است.B100 نشانه ی مخلوط بیودیزل با دیزل است.
برای بیودیزل خالص استانداردهای شناخته شده بین المللی : - اروپا - - EN14214آمریکا - و ASTM D-6751
هردو استاندارد در محتوا شبیه هستند با تفاوت های اندکی در تعدادی پارامتر.کشورهای دیگر نیز استانداردهای خودشان را که از دو استاندارد بالا گرفته شده اند تعیین کرده اند.
پارامترهای استانداردهای بیودیزل عبارتند از:ویسکوزیته ،چگالی،عددستان،نقطه اشتعال،گلیسیرین آزاد،کل گلیسیرین و...
شبکه عصبی مصنوعی روشی برای محاسبه است که بر پایه اتصال به هم پیوسته چندین واحد پردازشی ساخته می شود.شبکه از تعداد دلخواهی سلول یا گره یا واحد یا نرون تشکیل می شود که مجموعه ورودی را به خروجی ربط می دهد.نرون ها توسط وزن های سیناپسی به هم متصل می شوند.
قابلیت های شبکه عصبی شناسایی الگو،پردازش سیگنال،یادگیری و...
مهم ترین ویژگی شبکه عصبی مصنوعی توانایی آن برای حل مسائل توسط یادگیری با مثال است به جای یادگیری تمام جزئیات سیستم.این ویژگی بسیار کاربردی است چون مانند مدل جعبه سیاه عمل می کند که نیازی به جزئیات با اطلاعات کامل از مشکل نیست
جعبه سیاه در مهندسی و کامپیوتر وسیله ای است که فقط ورودی ها و خروجی ها در نظر گرفته می شود بدون هیچ علمی از کارکرد درون آن.
در سال های اخیر این روش در زمینه های مختلف مثل مهندسی وسایل نقلیه و در پیش بینی ویژگی های سوخت و گرمایی موتور در شرایط کاری مختلف استفاده می شود.
با توجه به مطالعات دقت پیش بینی روش شبکه عصبی مصنوعی بسیار بالاتر از دیگر روش های آماری خطی و غیرخطی است.
شبکه عصبی مصنوعی برای پیش بینی کارایی و انتشارات موتور از فاکتورهای مهم در متمایز کردن سوخت ها از یکدیگر ،مناسب بودن آن ها در ارزیابی کارایی و انتشارات خروجی موتور است.انجام آزمایشات واقعی روی موتورها نه تنها نیاز به مقدار زیادی سوخت است بلکه نیاز به تجهیزات سنگین و افراد ماهر نیز هست و هم چنین آزمایش ها بسیار زمان بر و هزینه بر است.پس کاربرد روش های شبکه عصبی مصنوعی در پیش بینی پارامترهای کارائی موتورهای احتراق داخلی در چند دهه اخیر رواج یافته است.
شبکه عصبی مصنوعی برای پیش بینی کارایی و انتشارات موتور
از فاکتورهای مهم در متمایز کردن سوخت ها از یکدیگر ،مناسب بودن آن ها در ارزیابی کارایی و انتشارات خروجی موتور است.انجام آزمایشات واقعی روی موتورها نه تنها نیاز به مقدار زیادی سوخت است بلکه نیاز به تجهیزات سنگین و افراد ماهر نیز هست و هم چنین آزمایش ها بسیار زمان بر و هزینه بر است.پس کاربرد روش های شبکه عصبی مصنوعی در پیش بینی پارامترهای کارائی موتورهای احتراق داخلی در چند دهه اخیر رواج یافته است
مطالعات بسیاری در زمینه پیش بینی کارایی موتور و انتشارات آن انجام شده است.
مدلسازی شبکه عصبی مصنوعی بیودیزل نسل ثانویه
گرچه تعداد زیادی محصولات دانه روغنی و جلبک ها برای تولید بیودیزل نسل ثانویه شناخته شده اند اما به دلیل در دسترس نبودن این منابع،هزینه بالای تولید آن ،نبود اطلاعات در مورد کیفیت سوخت تولیدی آن ها ،زمان بر بودن فرآیند تولید و نبود تجهیزات و افراد ماهر این گونه از بیودیزل ها هنوز به صورت کامل به کار گرفته نشده است.این نگرانی ها باعث محدود شدن پیشرفت تکنولوژی بیودیزل نسل ثانویه شده است.
مدلسازی شبکه عصبی مصنوعی ابزار مناسب و کاربردی در پیش بینی کیفیت سوخت و پارامترهای احتراق موتور است وقتی ترکیبات شیمیایی مواد خام جدید بیودیزل لحاظ شود.محققان بایستی روش شبکه عصبی مصنوعی برای تولید بیودیزل نسل ثانویه را توسعه دهند.
در این مورد شبکه عصبی مصنوعی دو مرحله ای می تواند مطرح شود،مرحله یک مدل ترکیبات شیمیایی بیودیزل از نظر پروفایل اسیدچرب به عنوان پارامترهای ورودی و ویژگی های سوخت می تواند به عنوان خروجی یا متغیر هدف استفاده شود.در مرحله دو مدل،ویژگی های سوخت با ویژگی های موتور و شرایط کاری آن به عنوان لایه ورودی در حالیکه بازده - کارایی - موتور ،انتشار و پارامترهای احتراق می تواند به عنوان لایه خروجی استفاده شود.
نتایج
بیودیزل تولید شده از مواد تجدیدپذیر منبع انرژی پایدارتری است و نقش بسیار مهمی در فراهم کردن نیازهای انرژی حمل و نقل در آینده نزدیک دارد. گرچه بیودیزل نسل اولیه که امروزه در سرتاسر جهان استفاده می شود در زمان طولانی به دلیل این که از مواد روغنی خوراکی تولید می شود پایدار به نظر نمی رسد ،بیودیزل های نسل ثانویه تولید شده از مواد غیرخوراکی پتانسیل برطرف کردن این چالش را دارند و یک منبع پایدارتر در آینده نزدیک به شمار می آیند.
که از روغن های گیاهی خام تولید می شوند. - - FAME به طور شیمیایی ،تمام بیودیزل ها متیل استرهای اسیدچرب هستند اسیدهای چربی که دربیودیزل های مختلف یافت می شوند دارای طول زنجیر 6 تا 24 هستند که مربوط به مواد خام آن هاست.تفاوت ها در ساختار شیمیایی از یک ماده به ماده دیگر ظاهر می شود و این به دلیل طول زنجیره،درجه اشباع نبودن وتعداد پیوندهای دوگانه است که همه ی این ها ویژگی های مهم بیودیزل ها را تعیین می کنند.ویژگی ها شامل ویسکوزیته،چگالی ،عددستان،ارزش حرارتی،نقطه اشتعال و ... است.
کارایی ها و انتشارات متفاوتی از موتورهای دیزل که بیودیزل ها به عنوان سوخت در آن ها استفاده شد مشاهده شد.
نتیجه گیری و جمع بندی
شبکه عصبی مصنوعی ابزار مدلسازی قدرتمندی است که دارای توانایی تشخیص روابط پیچیده از اطلاعات ورودی -خروجی است و دارای سطح دقت بالاتر در پیش بینی نسبت به دیگر روش های آماری است.
