بخشی از مقاله
چکیده
محدودیت منابع سوختهای فسیلی و افزایش آلودگیهای زیست محیطی، علاقمندی به استفاده از سیستمهای ترکیبی تولید همزمان توان و گرما1 بر مبنای انرژیهای تجدیدپذیر را روز به روز افزایش میدهد. افزایش بازده و کاهش آلایندگی از مزیتهای این سیستمها میبا شد. در تحقیق حا ضر سیکل ترکیبی با محرکهای موتور دیزل و انرژی خور شیدی معرفی میگردد و بازده قانون اول ترمودینامیک و تحلیل اگزرژی سیستم مورد بررسی قرار میگیرد. سوخت مورد استفاده در موتور دیزل، سوخت دیزل با فرمول شیمیایی - C12H23 - میباشد.
برای راه اندازی سیستم ترکیبی از سیالهای R113 و n-octane استفاده گردید. نتایج نشان داد که بازده اگزرژی و بازده کل سیستم در صورت استفاده از سیال R113 نسبت به n-octane به ترتیب، %35/88 و %31/42 افزایش مییابد. اما با توجه به محدودیتهای زیست محیطی و آلایندگی بالای R113 نسبت به n-octane علیرغم افزایش بازده، سیال مورد استفاده در سیکل رانکین با محرک انرژی خورشیدی، سیال ارگانیک - n-octane - پیشنهاد گردید.
.1 مقدمه
انرژی بخش مهمی از زندگی ما و یکی از عناصر اصلی جهت دستیابی به اهداف مشترک اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی برای رسیدن به توسعه پایدار در هر کشوری است. با توجه به محدود بودن منابع انرژی و اثرات زیست محیطی، امروزه نه تنها باید وابستگی به منابع نامناسب سوخت و انرژی کمتر شود، بلکه باید استفاده از منابع طبیعی کم هزینه، قابل اطمینان و کم خطر برای محیط زیست گسترش پیدا کند .[1] یکی از صورتهای انرژی که در زندگی روزمره به وفور مورد استفاده قرار میگیرد انرژی الکتریکی میبا شد.
زیرا این انرژی به راحتی منتقل شده و به آ سانی به صورتهای دیگر انرژی تبدیل میگردد. در یک نیروگاه سنتی تولید برق، احتراق مستقیم سوختهای فسیلی در بویلر، انرژی مورد نیاز برای تولید برق را فراهم مینماید که در اغلب این نیروگاهها بخش عمدهای از انرژی سوخت م صرفی از طریق برج خنک کن، دودکش ها و ... به شکل حرارت تلف میشود و تقریباً یک سوم انرژی سوخت به کار خالص تبدیل شده و انرژی زیادی تلف میگردد. در دنیایی با منابع طبیعی محدود و افزایش تقاضای انرژی در توسعه کشورها، بسیار مهم است که روشهای اصولی برای بهبود طراحی سیستمهای انرژی با حداقل اثرات زیست محیطی ارائه گردد .[2]
سوختهای فسیلی عمده ترین منبع تأمین کننده انرژی در دنیا محسوب میشوند. با توجه به محدود بودن منابع سوختهای ف سیلی و ت شدید آلودگیهای زی ست محیطی در نتیجه ادامه روند رو به ر شد م صرف این سوختها از یک سو و افزایش دمای کره زمین به دلیل ازدیاد میزان گاز کربنیک در اتمسفر از سوی دیگر، محققین توجه ویژهای به دو مقوله اساسی افزایش بازده سیستمهای تولید انرژی و استفاده از انرژیهای پاک به عنوان محرک اصلی سیستمهای تولید مینمایند .[3]
یکی از روشهای قابل اعتماد برای استفاده موثرتر از منابع انرژی، بکارگیری واحدهای تولید توان و گرمایی است که از یک منبع سوخت استفاده کرده و با بهره برداری از انرژیهای اتلافی، شرایط خروجی سیستم را به شرایط محیط نزدیکتر میکند . این کار نه تنها باعث بالا رفتن بازده سیستم - از دیدگاه قانون اول ترمودینامیک - می شود، بلکه کارایی آن - از دیدگاه قانون دوم ترمودینامیک - را نیز تا حد مطلوب بالا میبرد.
به منظور دستیابی به اهداف ذکر شده سیستمهای تولید همزمان برق و حرارت - CHP2 - وارد حوزه تولید انرژی و توان می شوند که با ا ستفاده از حرارت تلف شده و تبدیل آن به انرژی مفید، سبب افزایش چشمگیر بازده سیستم میگردد [4] بطوریکه بازده تبدیل انرژی در این سیستمها میتواند به % 80 برسدکه این رقم در نیروگاههای سنتی مرسوم %35 تا %55 میباشد. در واقع سیستم های CHP میتوانند با مصرف کمتر از %60 سوخت مورد نیاز برای نیروگاههای سنتی، همان مقدار برق تولیدی در نیروگاههای سنتی را تولید نمایند .[5]
از جمله منابع انرژی که بطور معمول به عنوان محرک این سیستمها مورد استفاده قرار میگیرد سوختهای فسیلی میباشد که با تقلیل وابستگی این سی ستمها به سوختهای ف سیلی همراه با بازده بالا، حفظ منابع محدود سوختهای ف سیلی و کاهش اثرات زی ست محیطی محقق میگردد. یکی از انرژیهای پاک که همواره به عنوان منبعی لایزال و سازگار با محیط زی ست شناخته شده ا ست انرژی خور شیدی میبا شد که به عنوان محرک سی ستمهای - CHP - مورد ا ستفاده قرار می گیرد و بر ا ساس برآوردهای انجام شده انرژی تشعشعی دریافتی در ایران به طور متوسط 18 MJ/m2 در روز میباشد که این مقدار در مقایسه با دیگر کشورها بسیار قابل توجه است .[6]
با وجود بیش از 30 سال سرمایه گذاریهای مختلف به منظور افزایش بازده در بخش صنعت، هنوز مقدار قابل توجهی از انرژی در این بخش تلف میگردد. از این رو بدلیل اهمیت سیستمهای - CHP - در کاهش تلفات انرژی مطالعات زیادی برای امکان سنجی سیستمهای CHP در صنایع مختلف انجام شده است که در ادامه به چند مورد اشاره می شود: [7] Can و همکاران [8] در سال 2009 بررسی اقتصادی، اگزرژی و انرژی نیروگاه حرارتی تولید همزمان Esenyurt واقع در ا ستانبول ترکیه را انجام دادند.
سی ستم تحت برر سی در کل 180MW برق تولید می کند و همچنین گرمای بازیابی شده به منظور گرمایش خانه های Esenyurt و کارخانه های اطراف نیروگاه مورد استفاده قرار می گیرد. نتایج نشان می دهد که بازده قانون اول برای کل سیستم %46/6 و بازده قانون دوم %89/4 می باشد. مدت زمان بازگشت سرمایه با توجه به سرمایه گذاری اولیه 173 میلیون دلاری، در حدود سه و نیم سال بدست می آید. بنابراین عملکرد نیروگاه کاملا اقتصادی و پربازده است.
موجیبا3 و همکاران [9] در سال 2009 سیستم تولید همزمان را برای تولید تخته بررسی کردند. مطالعه بر یک واحد تولید تخته در جنوب هند تمرکز دارد و هدف، امکان سنجی انواع مختلف سیستم CHP مانند توربین بخار، توربین گاز، و سیکل ترکیبی برای این صنعت است. تحلیل اقتصادی بر پایه هزینه کل سالانه انجام شده است. از نتایج محاسبات مشخص شده است که سیستم تولید همزمان بر مبنای توربین بخار هم از لحاظ اقتصادی و هم از لحاظ فنی بر موارد دیگر ارجحیت دارد. زمان بازگشت سرمایه برای این سیستم در حدود 2/6 سال است.
پانو4 و همکاران [2] در سال 2007 امکان سنجی CHP را در صنعت ماکارونی ایتالیا به منظور صرفه جویی در م صرف انرژی و کاهش گازهای آلاینده انجام دادند. ایتالیا با تولید 4/5 تن ماکارونی در سال بزرگترین تولید کننده ماکارونی در اروپا است. این رقم %67 کل پتانسیل تولید ایتالیا را تشکیل می دهد. نتایج مطالعه صورت گرفته نشان می دهد که بهترین محرک های اصلی CHP برای بکارگیری در این صنعت، موتورهای احتراق داخلی و توربین های گازی هستند و با بکارگیری این تجهیزات کاهش 9 درصدی ه م در مصرف انرژی و هم در انتشار گازهای مضر حاصل خواهد شد. در ضمن راه حل پیشنهادی تا حد زیادی به قیمت سوخت وایسته است.
بهاتاچاریا 5 و همکاران [10] در سال 2005 پتان سیل تولید همزمان را در صنایع کاغذ سازی ویتنام ارزیابی کردند. صنایع کاغذ سازی نیاز مداومی به انرژی های حرارتی و الکتریکی دارد. بررسی ها در شش کارخانه بزرگ نشان می دهد که تولید همزمان یک انتخاب منا سب برای این صنعت ا ست. پتان سیل CHP در حدود 200MW و زمان بازگ شت سرمایه 3 تا 5 سال است.
امروزه به دلیل وضیعت موجود انرژی، سیستمهای - CHP - بر پایه انرژیهای تجدیدپذیر بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. دانگ6 و همکاران [11] در سال 2009 در مروری بر کارهای صورت گرفته در مورد سی ستم های کوچک CHP با سوخت بیومس به این نتیجه رسیدند که این سیستم ها در همه مناطق دنیا پتانسیل بسیار بالایی برای تجاری شدن دارند. دلایل عمده این پتانسیل بالا حفاظت از محیط زیست، توسعه اقتصادی و توانایی کنترل تغییرات آب و هواست. سیستم های CHP کوچک هنور به اندازه سیستم های بزرگ توسعه نیافته اند. وقتی این توسعه صورت گیرد، سیستم های CHP با سوختهای تجدیدپذیر از اهمیت مضاعفی برخوردار خواهند شد.
باقرنژاد و همکاران [12] در سال 2011 یک بهینه سازی چند هدفه بر سیستم تولید همزمان بر پایه نیروگاه سیکل ترکیبی خورشیدی انجام دادند. این نیروگاه در شهر یزد واقع شده ودارای دو توربین گازی125MW ، یک توربین بخار 150MW، یک واحد خورشیدی 17MW و دو مولد بازیابی حرارت برای بازیابی گرمای گازهای خروجی از توربین می باشد. نتایج بهینه سازی بصورت نمودارهای Pareto در مقاله ارائه شده است.
اعمال بهینه سازی باعث افزایش %3/2 بازده اگزرژی، کاهش %2/73 اگزرژی سوخت، کاهش %5/71 تخریب اگزرژی کل و کاهش %7/32 هزینه مربوط به تخریب اگزرژی شده است. اگرچه نیروگاه و سیستم تولید همزمان بر پایه موتورهای رفت و برگشتی مفهوم جدیدی نیست، اما مطالعات زیادی بر روی نوع دیزلی آن انجام نشده است. در این تحقیق یک سیستم - CHP - با دو محرک اصلی شامل موتور دیزل و انرژی خورشیدی مورد مطالعه قرار گرفته و تحلیلهای انرژی و اگزرژی سیستم انجام میپذیرد.
