بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه مشکلات عدیده محیط زیستی اعم از آلودگیهای ناشی از سوختهای فسیلی جهت تأمین انرژی مورد نیاز صنایع، کارخانجات و منازل مسکونی به یکی از بزرگترین مشکلات انسانها تبدیل شده است. در ایران بیشترین سوخت فسیلی در تیروگاههای تولید برق مصرف میشود که عاملی اساسی در آلودگی هوا میباشد.
خوشبختانه در چند سال اخیر مدیران و مسئولین کشور در فکر بازسازی یا جایگزینی نیروگاههای فسیلی قدیمی و استفاده از نیروگاههای تجدیدپذیر میباشند. یکی گزینههای مورد استفاده جهت جایگذینی نیروگاههای فسیلی، استفاده از نیروگاههای خورشیدی سهموی خطی میباشد.
در این پژوهش سعی شده دمای روغن موجود در لولههای کلکتور یک نیروگاه خورشیدی، که نقش اساسی در تولید انرژی را ابفا میکنند، در مقدار موردنظر تنظیم گردد. لذا ابتدا به بررسی نحوه عملکرد این نیروگاه و مدلسازی ریاضی آن پرداخته و سپس با استفاده از یک کنترل کننده مد لغزشی و با تغییر جریان روغن عبوری از درون لولهها، دمای روغن خروجی تنظیم میگردد.
.1 مقدمه
با پیشرفت علم و تکنولوژی و به دنبال آن رفاه و آسایش برای بشریت مشکلات تازهای پیش روی عصر مدرن قرار گرفت که از جمله آن آلودگی محیط زیست و به دنبال آن پدیده گازهای گلخانهای که موجب افزایش دمای هوا و تغییرات گسترده آب و هوایی شد، پدیدار شد. لذا در برنامههای سازمان ملل متحد در راستای توسعه پایدار جهانی نقش به سزایی به منابع تجدیدپذیر انرژی محول شدهاست، اما سازگار کردن این منابع انرژی با سیستم فعلی مصرف انرژی جهانی هنوز با مشکلاتی همراه است که بررسی و حل آنها حجم زیادی از تحقیقات علمی جهان را در دهههای اخیر به خود اختصاص دادهاست. از میان انرژیهای تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی به عنوان فراوانترین منبع پایدار انرژی که بیش از 150000 تراوات انرژی به زمین میفرستد و به دلایلی اعم از ارزان بودن، دسترسی آسان، گستردگی و پایدار بودن بیشتر مورد توجه قرار گرفتهاست.
بعد از تحریم نفتی اعراب در سال 1973 و افزایش قیمت نفت در جهان، باعث شد کشورهای پیشرفته صنعتی به استفاده از انرژیهای نو به ویژه انرژی خورشیدی توجه جدیتری نمایند و این امر منجر به ساخت انواع نیروگاه-های خورشیدی در جهان گردید.
نیروگاههای خورشیدی انرژی جذب شده حرارتی خورشید را به الکتریسیته تبدیل میکنند، در بین این نیروگاهها، نیرگاههای حرارتی سهموی خطی رایجترین شکل از این فناوری میباشند. در شکل .1یک نیروگاه سهموی خطی با قسمتهای مختلف آن شامل مخزن روغن، شیر کنترل، پمپها، توربین بخار، مبدل حرارتی، برج خنک کننده و... نشان داده شدهاست. دو کشور آمریکا و اسپانیا از کشورهای پیشرو در ساخت این نیروگاهها میباشند.
نیروگاههای حرارتی خورشیدی با کلکتور سهموی خطی شامل ردیفهایی از متمرکز کنندههایی با آینههای شیشهای سهموی شکل هستند که با عبور لولههای حاوی سیال از کانون این آینهها و متمرکز کردن تشعشع مستقیم خورشید بر روی لولهها اصول کار این نیروگاهها رقم میخورد. در شکل .2شمایی از یک کلکتور سهموی خطی نشان داده شدهاست.
شکل :1 شمایی از یک کلکتور سهموی خطی
از کارهای انجام شده توسط پژوهشگران استفاده از یک کنترلکننده PI خودتنظیم برپایه روش جایابی قطبها می-باشد که این خود تنظیم بودن کنترلکننده تا حدودی امکان به عهده گرفتن تغییرات شرایط عملکردی را موجب می-گردد.
اهمیت بالا در افزایش راندمان و تخمین دقیقتر دمای روغن باعث شده که از روشهای کنترل پیشرفته برای کنترل دمای این نیروگاهها استفاده گردد. در سالهای اخیر از روشهای پیشرفته مختلفی نظیر کنترل مدل پیشبین، کنترل تطبیقی و شبکه عصبی استفاده شده است
در [5]جهت کنترل دما روغن در کلکتورهای خورشیدی براساس روش کنترل پیش بین بهره برده شدهاست و از کنترل منطق فازی جهت تنظیم دمای مرجع مناسب با توجه به عوامل موثر برسیستم که یکی از چالشهای مهم در نیروگاههای خورشیدی است، استفاده شدهاست. در [6] از یک کنترلکننده مدل پیش بین غیرخطی و از یک تابع لیاپانوف در تابع هزینه کنترلکننده جهت پایداری مقاوم آن در برابر عدم قطعیت بهره بردشدهاست.
در [7] از یک کنترل کننده مدل پیش بین تطبیقی جهت تخمین میزان تابش خورشید و دمای ورودی سیستم و خطی سازی مدل سیستم برای کنترل دمای نیروگاه خورشیدی استفاده شدهاست. در [8] یک روش کنترل پیش بین تطبیقی غیرخطی براساس مدل ارائه شده است. در این مقاله دینامیک مجموعه به وسیله یک شبکه عصبی تقریب زده شده که در ابتدا شبکه عصبی بصورت آفلاین آموزش دیده و سپس با کمک یک فیلترکالمن خنثی وزنهای آن بروزرسانی شدهاست.
در [9] کنترل فیدبک خروجی برای کلکتورهای خورشیدی سهموی ارائه شده است. در این مقاله کنترل سیستم با استفاده از توزیع فیزیکی مدل تعریف شده است. هدف کنترلی ردیابی یک ورودی مرجع با وجود اغتشاشات خارجی به منظور مدیریت گرما و افزایش بهرهوری میباشد.
در [10] یک کنترلکننده جهت ردیابی دمای خروجی روغن از مقدار مطلوب برای مجموعهای از کلکتورهای خورشیدی سهموی ارائه شدهاست. در این مقاله ابتدا به وسیلهی یک تخمینگر فازی مدل مجموعه سیستم را پیشبینی کرده و سپس با کنترلکنندهی غیرخطی لیاپانوف دمای روغن را جهت ردیابیکنترل نمودهاست.
در [11] یک روش براساس کنترل پیشبین برای بهینهسازی برنامهریزی در تولید انرژی الکتریکی از سیستمهای انرژی خورشیدی متمرکز ارائه شدهاست. این تقریب دو هدف دارد اول اینکه، به صورت دورهای برنامهریزی تولید را جهت ردیابی مقدار مطلوب که با توجه به قیمت برق، وضعیت آب و هوا و مقادیر حالات سیستم محاسبه گردیده را بروز رسانی نماید، دوم یک برنامهریزی بهینه برای روز بعد ارائه دهد .
در [12] یک کنترل کننده پیشبین فازی تطبیقی برای سیستم کلکتورهای خورشیدی توزیع شده ارائه شدهاست و با یک کنترلکننده فازی معمولی مقایسه شده است. کنترلکننده فازی ارائه شده از روش سوگنو برای استنتاج فازی جهت توصیف و پیشبینی رفتار غیرخطی سیستم استفاده شدهاست.
در [13] کنترل تطبیقی غیر خطی جهت کنترل دما در میدان کلکتورخورشیدی توزیع شده مورد بررسی قرار گرفته شدهاست. کنترلکننده تطبیقی با یک فیدبک دقیق و یک رویکرد لیاپانوف طراحی شده است. از اغتشاشات وارد به سیستم که در جهت رفع آنها بوده است عبور سریع ابرها، تغییر در تابش خورشید و عوامل محیطی از قبیل وجود بخار آب در هوا بودهاست. این مقاله فقط دمای روغن را در ابتدا و انتهای خط لوله اندازهگیری کرده است که این امر سبب ساده شدن مدل شده و در نتیجه همگرایی سریعتر پارامترها و بهبود پاسخ گذرا گردیده است؛ اما بنظر میرسد که با توجه به طولانی بودن لوله انتقال روغن دما در طول لوله متغیر خواهد بود و این یکی از اغتشاشات وارد شده به سیستم است، که به آن پرداخته نشدهاست.
در [14] از تئوری کنترل مد لغزشی برای کنترل میزان دبی روغن جهت حفظ دمای روغن خروجی در اطراف مقدار مطلوب و به طور همزمان حذف اغتشاشات احتمالی برای نیروگاه خورشیدی استفاده شدهاست. در این مقاله نشان داده شدهاست که یک سیستم انرژی خورشیدی توزیع شده را که توسط معادلات مشتقات جزیی توصیف شده است را میتوان با استفاده از ترکیب روش مشخصهها و کنترل مد لغزشی بخوبی کنترل شود که میتوان گفت یک روش کنترل مقاوم برای سیستمهای غیرخطی توزیع شدهاست، در این مقاله اغتشاشات شدید و واقعی تابش مدنظر بوده تقریبا از اغتشاشات احتمالی دیگر صرف نظر شدهاست.
در [15] از یک فیلتر کالمن جهت تخمین دمای روغن خروجی از مزرعه کلکتورهای خورشیدی تخمین تابش بهره گرفته است وعلاوه بر یک کنترلکننده PID از یک کنترلکننده پیشرو به منظور کاهش اثرات ناشی از تابش خورشید ، دمای روغن ورودی و دمای محیط بر روی دمای روغن خروجی استفاده شدهاست. در سالهای اخیر از روشهای کنترلی پیشرفته برای کنترل دمای این نیروگاهها استفاده شدهاست
شکل :2 شمایی از یک نیروگاه حرارتی سهموی خطی
