پایان نامه کارشناسی ارشد:بهینه سازی سیستم هیبریدی تولید همزمان سرمایش و گرمایش و انرژی الکتریکی به کمک محرک‌های درون‌سوز و انرژیهای تجدیدپذیر












 


پايان نامه کارشناسي ارشد در مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی

عنوان: 

بهینهسازی سیستم هیبریدی تولید همزمان سرمایش و گرمایش و انرژی الکتریکی به کمک محرک‌های درون‌سوز و انرژیهای تجدیدپذیر

استاد راهنما:

تحقيق و نگارش:

چکیده

      هدف پژوهش حاضر بهینه‌سازی سیستم هیبریدی تولید همزمان انرژی الکتریکی و انرژی حرارتی به وسیله انرژی‌‌های تجدیدپذیر و محرک‌های درون‌سوز می‌باشد. اجزای تولیدکننده توان و حرارت بر مبنای انرژی تجدیدپذیر در پایان‌نامه حاضر، سلول‌های فتوولتائیک، توربین بادی و جمع‌کننده تابش خورشیدی بوده که در تعامل با باتری می‌توانند توان الکتریکی و بار برودتی مورد تقاضای سیستم را تامین کنند. همچنین برای بالا بردن میزان قطعیت در تولید توان الکتریکی سیستم، سه ژنراتور با توان مختلف تعبیه شده تا طی راهبرد خاص خود در سیستم عمل ‌کنند. برای عملکرد بهتر سیستم تولید حرارت هم از گرم‌کن گازی استفاده شده است. به دست آوردن سایز بهینه اجزای سیستم توسط بهینه‌سازی به روش ازدحام ذرات با دو تابع هدف انجام شده است. با محاسبه میزان کارکرد ژنراتورهای تولید توان در طول سال، میزان حرارت تولیدی، اندازه‌گیری و سیستم مناسب بازیافت حرارت از آن طراحی می‌شود. همچنین سایز کالکتور خورشیدی که در تعامل با سیستم بازیافت حرارت و گرم‌کن، تغذیه چیلر جذبی را بر عهده دارد، بهینه می‌گردد. نتایج بهینه‌سازی در سیستم‌های مختلف، به صورت جدول‌بندی ارائه شده‌اند که در نهایت سیستمی با سه ژنراتور با ظرفیت ۳، ۷ و ۱۲ کیلو وات به همراه ۷۹ متر مربع پنل خوررشیدی ۲۷۵ وات، ۱۵ توربین ۴۰۰ وات ، ۸۰ باتری ۱/۲ کیلو وات ساعت و ۳۵کالکتور خورشیدی و گرم‌کن به ظرفیت ۳۹۵۳۹ وات ساعت به عنوان سیستم بهینه تولید توان الکتریکی و گرمایش انتخاب گردیده‌اند. سیستم تولید توان الکتریکی به خوبی قادر به رفع نیازهای الکتریکی جریان متناوب و جریان مستقیم ساختمان مورد بررسی بوده در حالی که برای تامین بار برودتی، نیاز به مخزن ذخیره حرارت حس می‌شود.

کلمات کلیدی: بهینه‌سازی-الگوریتم اجتماع ذرات-سیستم هیبریدی-توربین بادی-پنل خورشیدی-ژنراتور-گرم‌کن-چیلر جذبی

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                             صفحه

        فصل اول  1

۱-۱- مقدمه. ۲

۱-۲- انرژی های تجدیدپذیر در تولید توان الکتریکی.. ۲

۱-۳- انواع سیستم‌های تجدیدپذیر تولید توان. ۳

۱-۴- سیستم هیبریدی تولید توان. ۴

۱-۵- راهبرد  عملکرد سیستم‌های هیبریدی.. ۵

۱-۶- تولید گرمایش… ۵

۱-۷- خلاصه. ۶

        فصل دوم  7

۲-۱- مقدمه. ۸

۲-۲- تحقیقات گذشته در سیستم های تولید توان. ۹

۲-۳- پژوهش‌های گذشته در بخش تولید حرارت.. ۱۸

۲-۴- معرفی سیستم مورد بررسی در پایان‌نامه حاضر. ۲۱

۲-۴-۱- سیستم هیبریدی تولید توان. ۲۲

۲-۴-۲- سیستم گرمایش… ۲۶

۲-۵- نوآوری در طرح. ۲۷

۲-۶- نحوه انجام پایان‌نامه. ۲۷

۲-۷- خلاصه. ۲۹

       فصل سوم  30

۳-۱- مقدمه. ۳۱

۳-۲- منابع بادی استان سیستان و بلوچستان. ۳۱

۳-۳- تصحیح سرعت باد. ۳۲

۳-۴- شدت تابش در شهر زاهدان. ۳۲

۳-۵- میزان تقاضای بار الکتریکی.. ۳۳

۳-۶-توربین باد. ۳۵

۳-۶-۱- نیرو محرکه باد. ۳۵

۳-۶-۲- مشخصات توربین باد. ۳۶

۳-۶-۳- توان خروجی توربین.. ۳۷

۳-۷- تحلیل الکتریکی مدول فتوولتائیک… ۴۱

۳-۷-۱- مدل الکتریکی چهار پارامتری.. ۴۱

۳-۷-۲- دمای سطح مدول فتوولتائیک… ۴۴

۳-۸- ژنراتور الکتریکی.. ۴۵

۳-۹- مدلسازی باتری.. ۴۶

۳-۱۰- مبدل جریان. ۴۸

۳-۱۱- کالکتور خورشیدی.. ۴۸

۳-۱۱-۱- بررسی میزان انتقال حرارت به لوله در کالکتور ۵۲

۳-۱۱-۲- توزیع دما در لوله کالکتور ۵۵

۳-۱۲- گرم‌کن گاز سوز ۵۶

۳-۱۲-۱-دیگ لوله آبی.. ۵۷

۳-۱۲-۲-دیگ لوله آتشی.. ۵۷

۳-۱۲-۳- مصرف سوخت گرم‌کن.. ۵۷

۳-۱۳- چیلر جذبی.. ۵۸

۳-۱۴- خلاصه. ۶۰

     فصل چهارم  61

۴-۱- مقدمه. ۶۲

۴-۲- توابع هدف.. ۶۲

۴-۲-۱- تابع هدف تطابق.. ۶۲

۴-۲-۲- تابع هدف اقتصادی.. ۶۳

۴-۳- محدودیت ها ۶۷

۴-۴- انتخاب توربین بادی.. ۶۸

۴-۵- انتخاب ژنراتور ۷۰

۴-۶- نحوه عملکرد ژنراتورها در سیستم. ۷۲

۴-۷- راهبرد عملکرد سیستم. ۷۳

۴-۸- الگوی های  بهینه سازی.. ۷۵

۴-۹- بهینه سازی سیستم. ۷۶

۴-۱۰- انتخاب سیستم. ۹۳

۴-۱۱- تحلیل نتایج بهینه‌سازی.. ۹۵

۴-۱۲- پیشنهادات برای سیستم هیبریدی تولید توان. ۹۶

۴-۱۳- خلاصه. ۹۷

      فصل پنجم  98

۵-۱- مقدمه. ۹۹

۵-۲- سیستم بازیافت حرارت از ژنراتور الکتریکی.. ۹۹

۵-۲-۱- دما و دبی خروجی گاز از ژنراتور الکتریکی.. ۹۹

۵-۲-۲- تعیین دبی گاز خروجی از ژنراتورها و توان الکتریکی اضافی در طول سال. ۱۰۱

۵-۲-۳- گرم‌کن الکتریکی.. ۱۰۲

۵-۲-۴- طراحی مبدل حرارتی مناسب جهت بازیافت حرارت.. ۱۰۳

۵-۳- کالکتور خورشیدی.. ۱۰۷

۵-۴- بهینه سازی کالکتور خورشیدی.. ۱۰۷

۵-۵- بهینه سازی سیستم گرمایش… ۱۰۸

۵-۵-۱- محدودیات.. ۱۰۸

۵-۶- توابع هدف.. ۱۰۸

۵-۶-۱- تابع هدف همبستگی.. ۱۰۹

۵-۶-۲- تابع هدف اقتصادی.. ۱۰۹

۵-۶-۳- نتایج تک تابع هدف بهینه سازی کالکتور ۱۱۰

۵-۶-۴- نتایج بهینه سازی دو تابع هدفه. ۱۱۱

۵-۷- انتخاب از  نقاط بهینه. ۱۱۲

۵-۸- تحلیل نتایج تولید برودت.. ۱۱۲

۵-۹- تحلیل اقتصادی سیستم تولید همزمان. ۱۱۳

فصل ششم‌……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….۱۱۵

۶-۱- نتایج……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ۱۱۶

۶-۲-پیشنهادات برای بهبود عملکرد سیستم…………………………………………………………………………………………………………۱۱۶

۶-۳- پیشنهادات برای ادامه کار………………………………………………………………………………………………………………………………۱۱۷

  منابع و مراجع  118

فهرست علایم

Aضریب مطلوبیت
Ad(L/kW)ضریب مصرف ژنراتور
A1ضریب کالکتور
A2ضریب کالکتور
A3ضریب کالکتور
ACجریان متناوب
Bd(L/kW)ضریب مصرف ژنراتور
CRFضریب بازگشت سرمایه
CCهزینه اولیه
DCجریان مستقیم
DODعمق دشارژ باتری
EB (kWh)ظرفیت باتری
Fنرخ تورم سالیانه
fDG (L)میزان مصرف سوخت
G (w/m2)شدت تابش
iبهره سالیانه سیستم
iloanبهره بانکی
Io (A)جریان اشباع معکوس
IL (A)جریان نوری
Imp(A)جریان در توان بیشینه
Isc(A)جریان اتصال کوتاه
ICضریب نابرابری
Lطول عمر
LPطول عمر دستگاه
Ncollectorتعداد کالکتور
NPVتعداد فتوولتائیک
NWTتعداد توربین باد
NBتعداد باتری
NCتعداد سلول در مدول
NPCهزینه خالص
OMCهزینه نگهداری
PL(kW)میزان تقاضای بار
Pk(kW)میزان بار غیر ضروری
PDG (kW)توان ژنراتور
PDG,n (kW)توان نامی ژنراتور
PPV(kW)توان فتوولتائیک
PWT(kW)توان توربین باد
PRقیمت
Qsolar(kW)حرارت تولید شده توسط کالکتور
RKضریب سرمایه تعویض اجزا
RS(Ω)مقاومت سری
RERاجزای تولید توان بر مبنای منابع تجدیدپذیر
Rtotalتعداد کل تعویض
S (kW)میزان تولید توان
SOCحالت شارژ
t(hr)زمان
T(oC)دمای سلول
v(m/s)سرعت باد
Vr(m/s)سرعت باد مرجع
Vmp(V)ولتاژ در توان بیشینه
Voc(V)ولتاژ مدار باز
Z(m)ارتفاع
Zr(m)ارتفاع مرجع
علایم یونانی 
αضریب دمایی جریان
βضریب دمایی ولتاژ
γفاکتور پروفیل سرعت باد
εانرژی شکاف باند
σضریب دشارژ خودبخودی باتری
ηBCراندمان شارژ باتری
ηBDراندمان دشارژ  باتری
ηinvراندمان مبدل جریان
ηcollectorراندمان کالکتور

۱-        فصل اول

مقدمه‌ای بر سیستم‌های هیبریدی تولید توان

۱-۱- مقدمه

در دهه‌های گذشته با افزایش استفاده از منابع فسیلی، مشکلات زیست محیطی، اعم از آلودگی هوا و گرم شدن کره زمین پدید آمده است که تاثیر مستقیم بر سلامت زندگی افراد و محیط زیست می‌گذارند. همچنین با پیش‌بینی کاهش چشمگیر و حتی اتمام مشتقات نفتی در دهه‌های آتی، از هم‌اکنون لزوم استفاده از انرژی جایگزین برای سوخت فسیلی دیده می‌شود. استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، جایگزین مناسبی برای سوخت‌های فسیلی بوده که از دهه‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. در اغلب کشورهایی که منابع فسیلی کافی دارند، بهره‌بری از انرژی‌های تجدیدپذیر به صورت ملموس حس نمی‌شود و باعث شده قیمت تمام شده برای استفاده این انرژی پاک و لایزال، بسیار بالاتر از هزینه پرداختی به انرژی فسیلی معادل باشد. لذا در چندین سال گذشته، به انرژی‌های تجدیدپذیر تنها از منظر کاهش آلایندگی و مقایسه آن با سوخت‌های فسیلی از نگاه زیست محیطی توجه شده است. اما با گذر زمان و نگاه بر محدودیت ذخایر فسیلی، استفاده از منابع تجدیدپذیر، به یک لزوم، تبدیل می‌شود، به نحوی که در سال‌های آتی راه حلی به جز بهره‌بری از این انرژی وجود نخواهد داشت. لذا در سال‌های آینده، جهان شاهد گسترش استفاده از اماکنِ انرژی صفر[۱] و خانه‌های سبز خواهد بود. به همین دلیل دیگر همچون گذشته مقایسه اقتصادی بین انرژی‌های تجدیدپذیر و انرژی‌های فسیلی وجود نخواهد داشت.

۱-۲- انرژی های تجدیدپذیر در تولید توان الکتریکی

انرژی‌های تجدیدپذیر بر پایه تولید توان الکتریکی، به عنوان سیستم تولید توان قابل اعتماد، مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست، قابل بهره‌بری برای انواع اماکن مسکونی، اداری و تجاری می‌باشد. همچنین این سیستم‌ها می‌توانند با قابلیت اعتماد بالا در مناطق دورافتاده از مراکز تولید توان، استفاده شوند. منابع انرژی تجدیدپذیر[۲] از جمله تابش خورشید، باد، بیوماس، هیدروالکتریک، انرژی امواج و انرژی زمین‌گرمایی می‌توانند به صورت موثر و قیمت مناسب تولید توان کنند. برای یک منطقه دور افتاده، داشتن منبع انرژی مستقل از شبکه، به دلیل کاهش تلفات انتقال توان و افت ولتاژ، داشتن سیستم‌های تولید توان بر مبنای انرژی‌های تجدیدپذیر، مناسب و یا حتی گاهی ضروری به نظر می‌رسد.

۱-۳- انواع سیستم‌های تجدیدپذیر تولید توان

سیستم‌های تولید توان می‌توانند به صورت هیبریدی و یا به صورت تنها[۳] عمل کنند. منظور از سیستم تنها و یا مستقل، سیستمی است که کل توان تقاضا، از طریق انرژی‌‌های تجدیدپذیر تامین شود، در حالی که سیستم‌های هیبریدی به ترکیب سیستم‌های تولید توان بر مبنای انرژی‌های تجدیدپذیر و سیستم‌های تولید توان بر مبنای سوخت فسیلی، اطلاق می‌گردد. همانند سیستم هیبریدی ژنراتور/ فتوولتائیک. سیستم هیبریدی بر مبنای عملکردش، به دو صورت سری و موازی، دسته‌بندی می‌شوند ]۱[. به عنوان مثال در سیستم تولید توان ژنراتور/ فتوولتائیک، اگر ژنراتور و فتوولتائیک مستقیما باتری را شارژ کنند و تقاضای بار مستقیما از طریق باتری برطرف شود، سیستم هیبریدی به صورت سری بسته شده است. در این حالت ژنراتور نمی‌تواند به صورت مستقیم بار را تامین کند. هرچند که طراحی و عملکرد سیستم‌های هیبریدی سری آسان به نظر می‌رسد، اما استفاده از آن معایب خاص خود را دارد. در سیستم سری، راندمان کلی سیستم به دلیل اتلاف انرژی در تبدیل ولتاژ در باتری و مبدل، پایین بوده و همچنین به دلیل تغذیه کل توان تقاضا از طریق باتری، به مبدل ولتاژ با سایز بالا نیاز است. از سوی دیگر سیستم‌های هیبریدی موازی، برتری عملکردی بالاتری نسبت به سیستم‌های سری دارند. در سیستم‌های موازی، ژنراتور و سیستم‌های تولید کننده توان بر مبنای انرژی تجدیدپذیر، به صورت مستقیم می‌توانند بار تقاضا را تامین کنند که در این حالت این بار به صورت بهینه‌ نسبت به حالت سری، تامین می‌گردد]۲[. لذا استفاده از سیستم‌های هیبریدی موازی می‌تواند مزایایی نسبت به سیستم سری داشته باشد. در زمان‌های پرباری انرژی تقاضا، در حالت سری ژنراتور باید به صورت پربار کار کند تا موازنه انرژی بین باتری با تقاضا بار برقرار شود، ولی در حالت موازی، ژنراتور می‌تواند در دور موثرتر و بهینه‌تر در کنار سایر منابع تولید کننده انرژی، کار کند. بنابرین در حالت موازی، از کارکرد ژنراتور در طول روز کاسته شده که باعث کم شدن هزینه‌های استهلاک، نگهداری و تعویض آن می‌گردد. بنابراین به صورت کلی، درمقایسه با سیستم‌های سری، سیستم‌های موازی، با ظرفیت کمترِ اجزای RER و ژنراتور، می‌توانند بار تقاضا را بر طرف کند و همچنین این سیستم، توان بالاتری در رفع بار ساعتی بالا، نسبت به حالت سری دارد.

۱-۴- سیستم هیبریدی تولید توان

در یک سیستم تولید توان هیبریدی، آرایه‌های فتوولتائیک، انرژی تابشی را به جریان DC، تبدیل می‌کنند، همچنین ژنراتورها با توجه به ماهیت چرخشی و تناوبی خود، باعث تولید جریان AC می‌شوند. توربین‌های بادی بزرگ نیز ماهیت تناوبی دارند و ذاتا جریان تناوبی AC تولید می‌کنند. اما اغلب، توربین‌های بادی کوچک، با توجه به تولید کم توان و استفاده در مصارف خانگی به جهت سهولت در شارژ باتری بدون مبدل جریان، خروجی جریان DC دارند. اصولا از سیستم‌های هیبریدی، در اماکن دور از مراکز تولید توان، استفاده می‌شود. همچنین تحقیقات اخیر نشان می‌دهد این سیستم‌ها پتانسیل بسیار بالایی به عنوان مکمل بخش تولید توان در تمامی اماکن را دارند ]۳،۴[.

همان طور که گفته شد سیستم‌های تولید توان تجدیدپذیر به دو گونه هیبریدی و تنها (مستقل) هستند. مقایسه‌هایی که بین سیستم هیبریدی ژنراتور/ فتوولتائیک و سیستم مستقل فتوولتائیک انجام شده، مزایا و معایب این دو سیستم را نسبت به هم نمایش می‌دهد. سادگی سیستم و نیاز حداقلی به تعمیرات و نگهداری، برترین مزیت استفاده از سیستم مستقل فتوولتائیک است. در حالی که عدم قطعیت[۴] در میزان تولید توان خروجی فتوولتائیک، بزرگ‌ترین اشکال این سیستم‌ها می‌باشد. به عبارتی تولید توان در منابع تجدیدپذیر در طول ساعات شبانه‌روز همیشگی نیست و نمی‌توان به صورت دقیق از قبل مشخص کرد که چه میزان از این منابع در دسترس هستند. ژنراتورها با وجود قطعیت بالا در تولید توان، به وفور در مناطق دور از شبکه استفاده می‌شوند. اما علی‌رغم هزینه پایین خرید ژنراتورها نسبت به المان‌های RER، این دستگاه‌ها هزینه عملکرد و نگهداری بسیار بالاتری دارند. لذا استفاده همزمان از ژنراتور، سیستم‌های تولید توان RER و سیستم ذخیره انرژی، هم مسئله عدم قطعیت تولید توان در سیستم‌های مستقل حل می‌گردد و هم میزان عملکرد ژنراتور در ساعات شبانه‌روز کاهش می‌یابد]۵،۶[. سیستم‌های RER، با داشتن هزینه اولیه بالا و هزینه عملکرد پایین، در تعامل با ژنراتورها، با داشتن هزینه اولیه پایین و هزینه عملکردی بالا، می‌توانند به صورت موثر در سیستم‌های هیبریدی، بار تقاضای ساختمان را تامین کنند.

۱-۵- راهبرد  عملکرد سیستم‌های هیبریدی

در سیستم‌های هیبریدی تولید توان، راهبرد و یا سناریوی عملکرد سیستم، می‌تواند نقش بسزایی در بهینه‌سازی سیستم داشته باشد. به صورت ساده راهبرد عملکرد سیستم به معنای پاسخ‌گویی به این قبیل سوالات است که توان تولیدی توسط RER، به صورت مستقیم استفاده شود یا فقط از طرق شارژ باتری در سیستم عمل کند، شرایط و نحوه شارژ و دشارژ باتری‌ها چگونه است، ژنراتور چه زمانی روشن شود، میزان و نحوه تخصیص انرژی به بارهای مختلف چگونه باشد و … . تا کنون در پژوهش‌های مختلف، راهبرد‌های متفاوتی برای عملکرد سیستم‌ها اعمال شده است ]۷،۸،۹[ که به صورت عمده این راهبرد‌ها یا بر مبنای تخصیص اجزای سیستم برای تامین بار و یا بر روی نحوه عملکرد ژنراتور در  سیستم، بنا شده‌اند. در نرم‌افزارهای شبیه‌ساز سیستم‌های هیبریدی از جمله HOMER و Design Builder، راهبرد‌های مختلف به صورت پیش‌فرض در نظر گرفته شده‌ است که گاهاً کاربر برای انجام شبیه‌سازی با راهبرد مد نظر خود، دچار مشکل می‌شود. این مسئله کاربر را ناچار می‌کند، کد مد نظر خود را در نرم‌افزارهایی همچون متلب پیاده کند. در پایان‌نامه حاضر، شبیه سازی عملکرد و راهبرد سیستم توسط کدنویسی در نرم‌افزار متلب انجام شده است که در فصول آینده به آن اشاره خواهد شد.

۱-۶- تولید گرمایش

در سیستم‌های تولید همزمان حرارت و توان الکتریکی، برای تولید حرارت، می‌توان از کالکتورهای خورشیدی و مبدل‌های زمین‌گرمایی[۵]، استفاده کرد. مسئله عدم قطعیت در منابع تجدیدپذیر باعث می‌شود کالکتورهای خورشیدی به تنهایی اطمینان کافی جهت تولید گرمایش سیستم را نداشته باشند، همچنین مبدل‌های زمین گرمایی هم نمی‌توانند به صورت ممتد در سیستم عمل کنند و نیاز به فاصله زمانی جهت راه‌اندازی دوباره دارند.

برای برطرف کردن وجود عدم قطعیت در تولید گرمایش، می‌توان از یک بویلر کمکی استفاده کرد که در صورت نیاز میزان گرمای مورد نیاز را تامین کند. استفاده از بویلر در سیستم گرمایش، همانند استفاده از ژنراتور الکتریکی در سیستم تولید توان الکتریکی است که در طول سال می‌تواند هزینه عملکرد بالایی داشته باشد. همچنین می‌توان از بازیابی حرارت اتلافی در ژنراتور الکتریکی جهت تولید گرما بهره برد. این سیستم با این که هزینه راه‌اندازی بالایی دارد، ولی به‌دلیل ناچیز بودن هزینه عملکرد، در طول مدت بالا می‌تواند به صورت موثر در سیستم عمل کند. برای بهره‌بری از سیستم اتلاف حرارت ژنراتور الکتریکی، باید مبدل حرارتی متناسب با میزان و دمای گاز خروجی از اگزوز موتور آن، طراحی شود.

۱-۷- خلاصه

در این فصل تلاش شد سیستم‌های تولید توان هیبریدی و مستقل و مزایا و معایب استفاده از آن‌ها معرفی گردد. همچنین روش‌های مرسوم تولید حرارت در سیستم‌های تولید همزمان ذکر و برتری هر یک بر دیگری ذکر شده است.  در فصل دوم به مروری بر پژوهش‌های انجام شده در این زمینه، پرداخته خواهد شد و سیستم مورد بررسی در پایان‌نامه حاضر، معرفی می‌گردد.

۲-       فصل دوم

مروری بر پژوهش‌های گذشته و معرفی سیستم مورد بررسی

۲-۱- مقدمه

در بهینه‌سازی سایزبندی سیستم‌های تولید توان الکتریکی، از دیرباز تا کنون، پژوهش‌های فراوانی صورت گرفته است. این پژوهش‌ها، اغلب حول مسائل مربوط به نحوه ترکیب اجزای سیستم، راهبرد عملکرد سیستم، مدیریت انرژی سیستم و روش‌های بهینه‌سازی می‌باشند. همچنین در سال‌های اخیر مسائل مربوط به عدم قطعیت سیستم در تولید توان و اصلاح الگوی مصرف انرژی برای تطبیق سیستم تجدیدپذیر با میزان تقاضا، مورد توجه محققان قرار گرفته است که در بخش‌های آتی به تفصیل شرح داده می‌شوند. همچنین در بخش سیستم‌های تولید همزمان، سیستم‌های مختلفی مورد بررسی قرار گرفته‌اند که در ادامه توضیح داده می‌شوند. آمریکا در دهه ۸۰ میلادی استفاده از سیستم‌های هیبریدی تولید توان برای کاربری مسکونی را رونق بخشید و در دو دهه اخیر، پژوهشگران بسیاری در این مبحث، تحقیقاتی انجام داده‌اند. در ابتدا معرفی و بررسی عملکرد و آرایش سیستم‌های موازی و سری در تعامل با بارهای متفاوت، عمده‌ترین هدف پژوهشگران بوده در حالی که تحقیقات اخیر مربوط به بهینه‌سازی این سیستم‌ها در سایز و ظرفیت اجزا می‌باشد. تفاوت عمده در تحقیقات صورت گرفته اخیر مربوط به روش‌های مختلف بهینه‌سازی، معرفی تابع و یا توابع هدف مختلف بر اساس معیارهای جدیدِ معرفی شده، راهبرد‌های عملکردی مختلف سیستم برای کاهش هزینه‌ها، بررسی انواع پراکندگی در بار تقاضا برای دستیابی به الگوی مصرف بهینه با توجه به شرایط اقلیمی منطقه، بوده است. همچنین در مورد سیستم‌های تولید همزمان انرژی الکتریکی و حرارتی که به کمک منابع خورشیدی و بادی کار می‌کنند، بیشترین توجه روی برطرف کردن بارحرارتی و الکتریکی با کم‌ترین هزینه طبق انواع سناریوی سیستم می‌باشد. معمولا بویلر در این سیستم‌ها نقش اساسی داشته که باعث تولید بخار داغ برای چرخاندن توربین و یا حالت کمکی برای گرمای بازگردانده از موتور و یا حرارت تولیدی توسط کالکتور خورشیدی می‌باشد. لذا در سیستم‌های تولید همزمان، انرژی‌های تجدیدپذیر نقش کمکی دارند. در تحقیقات مربوط به سایزبندی سیستم‌های هیبریدی تولید توان، از حرارت اتلافی ژنراتورها استفاده‌ای نشده است.

۲-۲- تحقیقات گذشته در سیستم های تولید توان

نوسانی بودن میزان تولید در انرژی‌های تجدیدپذیر خصوصا در میزان سرعت باد باعث ایجاد مشکلاتی در طراحی سیستم‌های هیبریدی می‌شود. زمانی و ریاحی در سال ۲۰۰۸، روش جدیدی در سایزبندی سیستم توربین بادی/ فتوولتائیک/باتری بر پایه از بین بردن ترم‌های نوسانی در منابع تولید توان تجدیدپذیر ارائه کردند که در نتیجه با استفاده از این روش سیستمی با قابلیت اطمینان بالا در تولید توان و با هزینه اولیه کمتر طراحی شد ]۱۰[.

در سال ۱۳۹۲ پایان‌نامه کارشناسی ارشد تحت عنوان طراحی و بهینه‌سازی یک سیستم هیبریدی تولید انرژی الکتریکی با منابع تجدیدپذیر، توسط یزدان‌پناه در دانشگاه سیستان و بلوچستان صورت گرفت ]۱۱[. اجزای سیستم شامل فتوولتائیک، توربین بادی، دیزل و باتری بوده که سایز بهینه توسط الگوریتم ژنتیک با توابع هدف اقتصادی و تطابق عرضه و تقاضا حاصل شد. نتایج برای سیستم هیبریدی و مستقل جداگانه بررسی و نتایج ارائه گردید که نشان از تطابق بهتر میان عرضه و تقاضای سیستم هیبریدی نسبت به سیستم مستقل داشت.

مقایسه ترکیب مختلف در سیستم‌های تولید توان هیبریدی، موضوعی است که پژوهش‌های بر مبنای آن انجام شده. درسال ۲۰۱۴، عسکرزاده و همکاران، سایزبندی سیستم هیبریدی دور از شبکه فتوولتائیک/ توربین باد/ ژنراتور دیزل به همراه باتری را در رفسنجان مورد بررسی قرار دادند ]۱۲[. بهینه‌سازی از روش جست‌وجوی هارمونی و ترکیب مختلف اجزای سیستم انجام شد که در نهایت ترکیب دیزل/ توربین/باتری از لحاظ هزینه، حالت بهینه را دارا بود.

استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر در وسایل حمل و نقل می‌تواند بخشی از  نیازهای الکتریکی آن را تامین کند. این موضوع توسط لان و همکاران ]۱۳[ در سال ۲۰۱۵، بررسی شد. سیستم هیبریدی مورد مطالعه آنان روی کشتی بار بری نصب شده که سایز بهینه اجزای سیستم آن که شامل پنل فتوولتائیک، باتری و موتور دیزل بوده، با اهداف کم کردن هزینه‌های نصب و راه‌اندازی سیستم و کاهش مصرف سوخت و تولید دی‌اکسید کربن، تعیین شد. از آنجایی که در طول مسیر حرکت کشتی، مقدار تابش خورشیدی و دما متناسب با طول و عرض جغرافیایی و زمان در حال تغییر است، لذا برای تولید توان توسط فتوولتائیک، یک ضریب تصحیح در نظر گرفتند. به این منظور پنج پارامتر تاریخ، ساعت محلی، منطقه زمانی، طول و عرض جغرافیایی تحلیل حساسیت شدند. نتایج حاصله نشان داد که هزینه‌های جاری سیستم فتوولتائیک/ ژنراتور/ باتری، کمتر از سیستم فتوولتائیک/ ژنراتور بوده که نشان از اهمیت باتری در سیستم، علی‌رقم قیمت بالای آن، دارد. همچنین نتایج، نشان از تاثیر بسزای فتوولتائیک در تعیین سایز ژنراتور داشته که با پایین آمدن قیمت صفحات خورشیدی نتایج بهتری برای عملکرد سیستم انتظار می‌رود.

جزییات بیشتر در فایل اصلی برای دانلود کلیک کنید

شکل ‏۲‑۲٫ شارژ و دشارژ سیستم ذخیره انرژی باتری ]۱۸[

در هر دو مد شارژ و دشارژ، میزان ظرفیت باتری به صورت خطی و با شیب متفاوت تغییر می‌کند. شیب این تغییرات برای شارژ chη، و برای دشارژ dchη، می‌باشد. در حالت ایده‌آل که میزان راندمان شارژ و دشارژ برابر یک شود، شیب تغییرات برای هر دو حالت یکسان می‌شود. در حالت غیر ایده‌آل که شیب در شارژ و دشارژ متفاوت است، به دلیل وجود نقاط مشتق‌ناپذیری و خطی بودن تکه ای، با استفاده از روش‌های سنتی بهینه‌سازی، مثل برنامه‌ریزی خطی، به‌دلیل تغییر شیب نمی‌توان از یک متغیر تصمیم استفاده کرد، لذا برای رفع این مشکل، باید از عملگر منطقی if-else استفاده گرددکه موجب افزایش تعداد متغیرها و پیچیدگی بیشتر الگوریتم بهینه‌سازی می‌شود. روش جایگزین این است که روند شارژ و دشارژ به صورت جداگانه در نظر گرفته شوند که در این صورت سیستم ذخیره انرژی می‌تواند همزمان تحت هر دو حالت شارژ و دشارژ قرار گیرد. این روش شامل هر دو حالت شارش توان به صورت شارژ و دشارژ است که به عنوان متغیر تصمیم در نظر می‌شوند و اندازه حالت شارژ و دشارژ با بهینه‌سازی مشخص می‌گردد.

      ناجمی و همکاران در سال ۲۰۱۶، سیستم تولید توان هیبریدی فتوولتائیک/ توربین باد را با استفاده از روش جست‌وجوی فاخته، بهینه‌سازی کردند ]۱۹[. وجود تغییرات و تناوب در میزان انرژی‌های تجدیدپذیر، قابلیت اطمینان و میزان بهره‌بری سیستم را تحت شعاع قرار می‌دهد. محققان در این پژوهش برای از بین بردن این عدم قطعیت در تولید توان، از برق شبکه استفاده کردند. در این سیستم انرژی اضافی تولید شده، در صورتی که باتری در حالت شارژ کامل باشد، با توجه به تعرفه‌های موجود، به شبکه فروخته می‌شود. محققان، بهینه‌سازی را با دو تابع هدف کمینه کردن هزینه‌های اقتصادی سیستم و کاهش آلاینده‌های محیط زیست انجام دادند. راهبرد مدیریت انرژی، یک رویه بهینه‌سازی برای کنترل مقدار و کاهش هزینه انرژی، تحت محدودیات خاص است. در مقالات روش‌ها و ترفند‌های مختلفی برای مدیریت توان مورد نیازِ به دست آمده از طریق انرژی‌های تجدیدپذیر، همچون راهبرد ذخیره انرژی، معرفی شده‌اند. بدین طریق، عملکرد سیستم‌های هیبریدی، توسط روش‌های بهینه‌سازی بهبود یافته‌اند. در این مقاله، برای سیستم مستقل، شاخص عملکرد سیستم اتصال به شبکه برق، توسط معیار احتمال جذب توان شبکه[۶] در قیاس با معیار احتمال از دست دادن منبع تغذیه[۷]، توصیف شده است. زمانی که منابع تجدیدپذیر، توانایی تامین بار الکتریکی را نداشته باشند، GPAP، احتمال نیاز به خرید برق از شبکه، بالا می‌رود. راهبرد مدیریت توان در این پژوهش بر سه بخش تقسیم شده است:

۱-   انرژی تجدیدپذیر  کافی توسط سیستم تولید شده است و تمام بار تقاضا تامین می‌شود. انرژی اضافی در باتری ذخیره شده و اگر میزان شارژ باتری به بیشینه خود برسد، میزان انرژی اضافی به فروش می‌رسد.

۲-     انرژی تجدیدپذیر کمتر از بار تقاضا است و کمبود انرژی توسط باتری جبران می‌شود.

۳-     باتری خالی باشد، لذا انرژی مانده از طریق شبکه برق جبران می‌شود.

میزان GPAP، در یک دوره زمانی به صورت نسبت خرید انرژی الکتریکی بر کل بار مورد نیاز در طی این دوره است. در این پژوهش ترفند استفاده از GPAP، به عنوان یک معیار عملکرد ترفندی برای سایزبندی سیستم هیبریدی متصل به شبکه معرفی شده است. بهینه‌سازی سیستم با کمینه کردن میزان GPAP و هزینه‌های اقتصادی در دو مطالعه موردی متفاوت مسکونی و کشاورزی انجام شد که با بهینه‌سازی با الگوریتم ازدحام ذرات، نتایج به‌صورت ۵۱ متر مربع فتوولتائیک، ۵/۱ کیلو وات توربین، باتری با ظرفیت ۵/۲۵ کیلو وات ساعت برای ساختمان مسکونی، به دست آمد.

      التمالی و همکاران در سال ۲۰۱۶، یک تئوری جدید شبکه هوشمند را برای سایز بهینه سیستم هیبریدی تولید توان، ارائه دادند ]۲۰[. آن‌ها با استفاده از ترفند انتقال بار، بار الکتریکی را به دو بخش بار با اولویت زیاد[۸] و بار با اولویت کم[۹] تقسیم کردند. در این پژوهش راهبرد عملکرد به نحوی است که HPL، با تمام تولید توان سیستم تامین می‌شود در حالی که LPL، تنها زمانی تامین می‌شود که تولید توان توسط منابع تجدیدپذیر، ممکن و در دست‌رس باشد. در سیستم‌های هیبریدی تولید توان، به ناچار باید در مصرف برق صرفه‌جویی کرد و به نحوی بار غیر ضروری مکان مورد بررسی را کاهش داد. راهبرد که در این پژوهش ارائه شده، به خوبی این هدف را نشانه رفته، به صورتی که بخشی از بار تقاضا که غیر ضروری است، تنها زمانی تامین می‌شود که اجزای تجدیدپذیر[۱۰] بتواند این مقدار توان را ارائه دهد. همچنین اگر توان تولید شده توسط منابع تجدیدپذیر، بیش از مقدار HPL باشد، تا زمانی که ظرفیت باتری به بیشینه خود برسد، این توان در باتری ذخیره می‌شود و انرژی اضافی، LPL را تامین می‌کند. همچنین در این تحقیق، محققان، بهینه‌سازی سیستم را بر مبنای کاهش میزان احتمال کمترین میزان تلف شدن بار[۱۱] و کمترین هزینه تولید انرژی[۱۲]، طراحی کردند.

      الگوی مصرف می‌تواند تاثیر زیادی بر عملکرد سیستم‌های هیبریدی تولید توان داشته باشد. تیتو و همکاران در سال ۲۰۱۶، سایز بهینه سیستم تولید توان مستقل را بر اساس فاکتورهای اجتماعی و جمعیت‌شناسی بررسی کردند ]۲۱[. محققان در این پژوهش از شش بار مسکونی مختلف در مقدار و زمان پیک مصرف انرژی استفاده کردند که می‌تواند تاثیر فاکتورهای اجتماعی و جمعیت‌شناسی را بر روی سایز بهینه اجزای سیستم، برای به صفر رساندن احتمال از دست دادن توان تامین[۱۳]، نشان دهد. با بهینه‌سازی سیستم در بارهای مختلف، نتایج حاصل نشان از کم شدن میزان هزینه‌های سیستم در بار تقاضایی را داشت که میزان پیک مصرف آن در شامگاه و حالت یکنواخت برای بقیه ساعات، بود. همچنین بیشترین هزینه سیستم را حالتی داشت که نقطه پیک مصرف آن در نیمه شب صورت گرفته بود.

      برخی نرم‌افزارهای تجاری به منظور شبیه‌سازی و بهینه‌سازی سیستم‌های تولید توان هیبریدی، عرضه شده‌اند. از جمله نرم‌افزارهای جدید و کاربردی در این زمینه می‌توان نرم‌افزار هومر[۱۴]  را نام برد. این نرم افزار، ابزاری قدرتمند جهت بهینه‌سازی سیستم‌های تولید توان هیبریدی بوده که واحدهای مختلف تولید توان را دربر گرفته است. دو راهبرد عملکرد مختلف برای سیستم  به صورت پیش‌فرض در نظر گرفته شده است که توسط کاربر انتخاب می‌شوند. همچنین در نسخه جدید این نرم‌افزار، قابلیت تعریف راهبرد عملکرد، توسط لینک شدن با نرم افزار متلب، لحاظ شده است. در این نرم‌افزار، واحدهای مختلف تولید توان از جمله انواع توربین باد، صفحات فتوولتائیک، ژنراتورها، باتری و پیل‌های سوختی در نظر گرفته شده است، همچنین این اجازه را به کاربر می‌دهد واحد مورد نظر خود را به صورت مجزا تعریف کند. بهینه‌سازی بر مبنای یک تابع هدف اقتصادی و ایجاد فضای حالت برای متغیرهای تصمیم صورت می‌گیرد. اما به دلیل عدم استفاده نرم‌افزار از الگوریتم‌های فرا ابتکاری برای بهینه‌سازی، مدت زمان اجرای نرم‌افزار برای فضای حالت بزرگ، به نسبت زیاد می‌باشد. از آنجایی که استفاده از این نرم‌افزار به دلیل فضای کاملا گرافیکی آن، بسیار ساده بوده، در سال‌های اخیر مقالات زیاد بر مبنای این نرم‌افزار نوشته شده است. از جمله می‌توان به پژوهشی که در سال ۲۰۱۶، توسط رحمان و همکاران صورت گرفته است، اشاره کرد ]۲۲[. محققان در این پژوهش سیستم تولید توان هیبریدی متشکل از ژنراتور/ توربین باد/ فتوولتائیک/ باتری را توسط نرم‌افزار HOMER تحلیل و بررسی کردند. مطالعه موردی صورت گرفته در کانادا و برگرفته از ۷ سناریوی مختلف برای سیستم، بر مبنای میزان تولید توان از منابع تجدیدپذیر، از ۱۰۰ درصد تا صفر درصد، بوده که در نهایت استنتاج شد توان تولیدی توسط ژنراتور/ باتری (صفر درصد تولید توسط منابع تجدیدپذیر)، ارزان‌ترین توان را نسبت به سایرین تولید کرده است.

در سال ۲۰۱۷، مجیدی و همکاران عملکرد بهینه سیستم هیبریدی باتری/ سلول سوختی/ فتوولتائیک را بررسی کردند که قابلیت اطمینان سیستم مورد بررسی آنان توسط اتصال به شبکه برق، بالا برده شده است ]۲۳[.کاهش هزینه‌های سیستم و میزان انتشار آلاینده‌ها، دو تابع هدف این پژوهش بوده که مدل ارائه شده توسط ترفند مجموع وزن[۱۵]، حل و بهترین جواب ممکن توسط روش فازی انتخاب شدند.

استفاده از باتری با این که سبب بهبود عملکرد سیستم‌های هیبریدی می‌شود ولی به دلیل عمر پایین باتری‌ها و نیاز به تعویض آن‌ها در طی مدت مشخص، گاهی سیستم‌های تولید توان بدون در نظر گرفتن باتری تحلیل می‌شوند. عسکرزاده در سال ۲۰۱۷، توزیع میزان تولید توان توسط ژنراتور دیزل و سلول خورشیدی، با هدف مدیریت انرژی و بهینه‌سازی سایز اجزا در یک سیستم مستقل را بررسی کرد  ]24[. در این پژوهش از منابع ذخیره انرژی استفاده نشده لذا سایز ژنراتور به نحوی در نظر گرفته شده است که بتواند کل نیاز سیستم را پوشش دهد. در این پژوهش، بهینه‌سازی با دومتغیر طراحی سایز ژنراتور  و فتوولتائیک، با چند روش مختلف اعم از جستجوی هارمونیک (ساده، I، II و III)، ازدحام ذرات و ژنتیک، با هدف کمینه کردن هزینه‌های اقتصادی سیستم، صورت گرفته است که در نهایت نتایج نشان داد الگوریتم جست‌وجوی هارمونیک ساده و روش ازدحام ذرات، سیستمی با هزینه‌های کمتری معرفی می‌کنند.

۲-۳- پژوهش‌های گذشته در بخش تولید حرارت

برخی از سیستم‌های تولید توان، طوری طراحی شده‌اند که قابلیت استفاده از حرارت اتلاف شده توسط اجزای سیستم، برای تولید گرمایش و سرمایش را دارند. از جمله این سیستم‌ها می‌توان سیستم‌های تولید همزمان سرمایش، گرمایش و انرژی الکتریکی[۱۶] را نام برد. در سال ۲۰۱۵، وانگ و همکاران، بهینه‌سازی سیستم CCHP، در تعامل با انرژی خورشیدی و گاز طبیعی برای راه‌اندازی بویلر، مورد بررسی قرار دادند. بهینه سازی بر مبنای برآورد طول عمر[۱۷] برای بهینه کردن پیکربندی و بار سیستم به منظور کاهش فاکتورهای محیطی انجام شد ]۲۵[. دیاگرام جریان انرژی سیستم مورد بررسی، در شکل ‏۲‑۳، نشان داده شده است.

شکل ‏۲‑۳٫ دیاگرام جریان انرژی در سیستم مورد بررسی ]۲۵[

 این سیستم توسط دو راهبرد عملکرد برمبنای بار حرارتی[۱۸] و بر مبنای بار اکتریکی[۱۹] بهینه‌سازی شد که در نهایت نتایج حاصله نشان داد، عملکرد سیستم با راهبرد بر مبنای بار حرارتی برای برآوردن فاکتورهای محیطی، مناسب‌تر است.

در سال ۲۰۱۵ فرحناک و همکاران سیستم تولید همزمان CCHP را بر اساس سایز بهینه واحد تولید توان[۲۰] بررسی کردند ]۲۶[. سیستم مورد بررسی آنان همانگونه که در شکل ‏۲‑۴، مشاهده می‌شود، شامل موتور درون سوز، بویلر، مخزن ذخیره حرارت و برق شبکه است.

شکل ‏۲‑۴٫ سیستم CCHP مورد بررسی ]۲۶[

جزییات بیشتر در فایل اصلی برای دانلود کلیک کنید

شکل ‏۲‑۵٫ سیستم تولید همزمان سرمایش گرمایش به کمک پمپ حرارتی زمین گرمایی ]۲۸[

در سال ۱۳۹۳، مسئله سایز بندی سیستم تولید همزمان انرژی الکتریکی، گرمایش و سرمایش طی پایان‌نامه کارشناسی ارشد در دانشگاه سیستان و بلوچستان توسط سهیلی صورت ‘گرفت]۲۹[. اجزای سیستم شامل فتوولتائیک، توربین بادی، تانک ذخیره حرارت، باتری و پیل سوختی بوده که سیستم تجدیدپذیر پیشنهادی در این تحقیق، نیاز سرمایش و گرمایش و انرژی الکتریکی را بدون نیاز به توان مرکزی مهیا می‌کند. توابع هدف جهت سایزبندی سیستم، حداقل کردن هزینه‌های کلی، حداقل کردن فضای مورد نیاز و حداکثر کردن بهره‌بری از انرژی تجدیدپذیر می‌باشد. نتایج بررسی نشان داد استفاده از این سیستم، مصرف سوخت و آلودگی را نسبت به سیستم SP مرسوم، به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

۲-۴- معرفی سیستم مورد بررسی در پایان‌نامه حاضر

سیستم هیبریدی تولید همزمان مورد مطالعه در پژوهش حاضر، به دو بخش تولید توان الکتریکی و تولید حرارت تقسیم می‌شود که در بخش بعدی، خصوصیات و پیکربندی اجزا و ترکیبات آن شرح داده خواهد شد.

۲-۴-۱-  سیستم هیبریدی تولید توان

مطالعه موردی انجام شده در پایان‌نامه حاضر، مربوط به یک کلینیک درمانی دو طبقه با مساحت زیربنای ۴۰۰ متر برای هر طبقه، در موقعیت اقلیمی شهر زاهدان می‌باشد. توضیحات مربوط به شرایط آب و هوایی و میزان تقاضای بار ساختمان، در فصل آینده بیان خواهد شد. شرایط اقلیمی شهر زاهدان، با توجه به وجود بادهای همیشگی و میزان تابش بالا، باعث شده در سیستم تولید توان تجدیدپذیر و گرمایش، از هر دوی این منابع پاک انرژی، استفاده شود. لذا برای تولید توان الکتریکی، فتوولتائیک و توربین باد و برای تولید گرمایش، پنل خورشیدی در سیستم عمل می‌کنند. از طرفی باتوجه به آن چه در این فصل و فصل گذشته در مورد عدم قطعیت در میزان تولید توان الکتریکی و گرما توسط منابع تجدیدپذیر گفته شد، یک منبع کمکی مطمئن برای تولید آن‌ها نیاز است که در این پایان‌نامه، ژنراتور الکتریکی برای سیستم تولید توان الکتریکی و بازیافت حرارت اتلافی از آن، برای سیستم تولید گرما، این وظیفه را بر عهده خواهند داشت. لذا به جای سیستم تنها (مستقل) که فقط توسط منابع تجدیدپذیر فعالیت می‌کند، یک سیستم هیبریدی با قطعیت در تولیدِ توان و حرارت بالا، در نظر گرفته شده است. همچنین سیستم ذخیره انرژی باتری برای کارآمدی عملکرد بهتر سیستم تولید توان الکتریکی، در کنار سایر اجزای آن، عمل می‌کند. شکل شماتیک سیستم هیبریدی موازی مورد بررسی در شکل ‏۲‑۶، مشاهده می‌شود.

در پایان‌نامه حاضر، میزان تقاضای جریان مستقیم و متناوب از هم جدا شده‌اند، با توجه به این که تولید توان توسط منابع تجدیدپذیر، به صورت جریان مستقیم می‌باشد و بسیاری از دستگاه‌ها ذاتاً نیازمند تغذیه توسط جریان مستقیم هستند، لذا بار تقاضای این دسته از وسایل، از بار تقاضای متناوب جدا شده تا بدون اتلاف در تبدیل جریان مستقیم به متناوب در مبدل جریان و دوباره تبدیل جریان متناوب به مستقیم توسط خود دستگاه، بار تقاضای جریان مستقیم، تامین شود. همان طور که مشاهده می‌شود دو نوع بار مستقیم و متناوب برای ساختمان مورد بررسی در نظر گرفته شده است. تقاضای بار جریان مستقیم، مستقیماً توسط منابع تجدیدپذیر و یا سیستم ذخیره انرژی، تامین می‌شوند. در فصل سوم میزان بار تقاضا برای هر دو جریان متناوب و مستقیم در طول  یک سال به صورت ساعتی آورده شده است.

شکل ‏۲‑۶٫ سیستم مورد بررسی در پژوهش حاضر

در حال حاضر، نیاز به بهره‌بری از انرژی‌های تجدیدپذیر در کشورهای صاحب منابع فسیلی، هنوز به شدت حس نمی‌شود که دلیل این امر می‌تواند پایین بودن قیمت حامل‌های انرژی باشد. لذا در این‌گونه کشورها از جمله ایران، قیمت سوخت فسیلی به صرفه‌تر از انرژی حاصله از منابع تجدیدپذیر بوده، اما خواه ناخواه تاثیرات کم شدن و حتی اتمام منابع فسیلی به زودی روی قیمت این منابع، بیشتر خواهد شد، همان طور که در کشورهای فاقد منابع عظیم فسیلی، استفاده از منابع تجدیدپذیر از لحاظ اقتصادی رقیب سختی برای سوخت فسیلی است. لذا جهان در سال‌های آتی شاهد استفاده روز افزون از انرژی‌های تجدیدپذیر، و کاهش قیمت آن نسبت به سوخت‌های فسیلی خواهد بود. اما نکته بسیار ظریف و قابل تامل در استفاده از منابع تجدیدپذیر، اصلاح الگوی مصرف به صورت اقلیمی می‌باشد. به عبارتی با توجه به میزان تولید توسط منابع تجدیدپذیر در اقلیم خاص، میزان پیک مصرف انرژی نیز باید با آن تغییر کند. لذا این امر که تا کنون به صورت دقیق مورد بررسی قرار نگرفته، شایان توجه محققان در این زمینه می‌باشد. اما جدا از اصلاح الگوی مصرف به صورت اقلیمی، استفاده کنندگان از منابع تجدیدپذیر، ناچارند مصارف روزانه خود را کاهش دهند. استفاده از این منابع به صورت عمده امکان پذیر نخواهد بود مگر با کاهش مصارف غیر ضروری در طی شبانه‌روز. لذا بدین منظور هوشمندسازی خانه‌ها در میزان تخصیص بار به دستگاه‌ها، امری ضروری به نظر می‌رسد. در هر ساختمان عمومی، تجاری، مسکونی و صنعتی بسیاری از مصارف به صورت غیر ضروری انجام می‌شوند. مانند روشنایی برخی اماکن. مصارف غیر ضروری مصارفی هستند که در صورت قطع آن‌ها به مدت کوتاه، لطمه‌ای به فاکتور‌های آسایشی ساختمان وارد نکند. سیستم‌های هیبریدی که به هر دلیلی متصل به برق شبکه نیستند، ممکن است در ساعاتی متوجه کم شدن تولید توان نسبت به میزان تقاضا شوند. در هر سیستم کم بودن توان حتی به میزان ناچیز، باعث قطع برق کلی ساختمان می‌شود. لذا برای جلوگیری از این مشکل و کاهش در میزان مصرف، در پایان‌نامه حاضر، یک بار غیر ضروری در نظر گرفته شده است که در صورت کم شدن میزان تولید توان، دستگاه‌های غیرضروری خاموش شده و مانع از قطع برق کلی ساختمان شود. لذا روشنایی و دستگاه‌های غیر ضروری نیاز به سیم‌کشی جدا و سیستم کنترلی دقیق دارند.

در سیستم‌های تولید توان تجدیدپذیر، برای بالا بردن اطمینان در میزان تولید توان در ساعاتی که منابع تجدیدپذیر پاسخ‌گوی بار تقاضا نباشند، نیاز به یک منبع مستقل است که در پایان‌نامه حاضر، ژنراتور الکتریکی وظیفه تامین بار در مقاطع زمانی کمبود تولید توان را برعهده دارد. اما انتخاب و نحوه عملکرد ژنراتور در سیستم‌های هیبریدی می‌تواند تاثیرات بسزایی در میزان مصرف سوخت و در نهایت هزینه‌های سیستم بگذارد. همانگونه که در این فصل به پژوهش‌های گذشته در این زمینه اشاره شد، محققان روش‌های مختلفی را در به کار بستن ژنراتورها در سیستم هیبریدی بررسی کرده‌اند. ساده ترین نحوه استفاده از ژنراتورها، بهره‌بری از یک ژنراتور با دور ثابت است. به عبارتی موتور درون‌سوزِ راه‌اندازِ ژنراتور الکتریکی، با دور ثابت شروع به کار کرده و بنابراین، توانِ الکتریکیِ خروجیِ ثابتی خواهد داشت. مزیت استفاده از این روش، سادگی سیستم و کارکرد موتور در دور بهینه می‌باشد. ژنراتور الکتریکی، تنها زمانی عمل می‌کند که منابع تجدیدپذیر توان تامین بار را نداشته باشند. حال بر فرض مثال اگر ژنراتور انتخاب شده با دور ثابت، توانایی تولید ۸ کیلو وات را داشته و در حالی که میزان کمبود توان در ساعتی، یک کیلو وات باشد، به مقدار ۷ کیلو وات توان اضافه، تولید خواهد شد. یا بر عکس، اگر کمبود بار بیش از ظرفیت نامی ژنراتور باشد، سیستم دچار کم‌باری می‌شود. راه حل مناسب برای حل این مسئله استفاده از ژنراتور با دور موتور متغیر است. اما عملکرد موتور در دورهای بسیار پایین و بالا، از حالت بهینه خارج شده که باعث افزایش مصرف سوخت می‌گردد. لذا ژنراتورها بهتر است در دور ثابت کار کنند تا مصرف سوخت مناسب نسبت به توان تولیدی داشته باشند. در برخی پژوهش‌ها، همان طور که ذکر شد از چند ژنراتور با سایز کوچک برای تامین بار استفاده شده است. که با توجه به میزان بار تقاضا هرکدام از آنها به صورت تکی یا ترکیبی، عمل می‌کنند. اگر میزان کمبود بار تقاضا کوچک باشد، این ترکیب ژنراتورها می‌توانند به صورت موثر در سیستم هیبریدی عمل کنند. اما اگر میزان کمبود بار در سیستم به نحوی  باشد که باعث شود تمام ژنراتورها همزمان با هم کار کنند، با توجه به راندمان تولید توان، میزان مصرف سوخت، مقدار بالاتر نسبت به حالتی است که این کمبود توسط یک ژنراتور با ظرفیت بالا، تامین شود. لذا به این دلایل در پایان‌نامه حاضر تصمیم بر آن شد که از سه ژنراتور با توان‌های متفاوت برای تامین کمبود بار در سیستم استفاده شود. سه ژنراتور با ظرفیت‌های کوچک، متوسط و بزرگ به ترتیب برای تامین کمبود بارهای کم، متوسط و زیاد در سیستم حال حاضر فعالیت می‌کنند. با این کار، این ترکیب ژنراتورها هم برای کمبود بارهای کوچک و هم بزرگ، می‌توانند به صورت بهینه با حداقل تلفات توان کار کنند. توجه شود استفاده از کلمات بزرگ و کوچک که مقیاس‌های نسبی هستند، در قیاس با بار تقاضای ساختمان لحاظ شده‌اند.

همان طور که گفته شد، در پایان‌نامه حاضر یک بار غیرضروری در نظر گرفته شده که در مواقع خاص، این بار تامین نمی‌گردد. عملکرد ژنراتورها در تعامل با این میزان بار بنا شده است. به عنوان مثال در صورتی که مقدار کمبود بار، کمتر از میزان بار غیر ضروری باشد، ژنراتورها شروع به کار نکرده و دستگاه‌های غیر ضروری از عملکرد باز می‌مانند. نحوه عملکرد ترکیب ژنراتورها در تعامل با میزان کمبود بار و بار غیرضروری در فصل آینده بررسی خواهد شد.

۲-۴-۲- سیستم گرمایش

تولید حرارت در سیستم‌های تولید همزمان، توسط منابع تجدیدپذیر، بویلر و یا بازیافت حرارت از اجزای سیستم صورت می‌گیرد. در پایان‌نامه حاضر همان طور که در شکل ‏۲‑۶، مشخص شده، از کالکتور خورشیدی و سیستم بازیافت حرارت از موتور و گرم‌کن جهت تولید گرمای مورد نیاز ژنراتور چیلر جذبی استفاده شده است.

جزییات بیشتر در فایل اصلی برای دانلود کلیک کنید

۳-      فصل سوم

مدل‌سازی ریاضی اجزای سیستم هیبریدی تولید همزمان

۳-۱- مقدمه

بررسی سایز بهینه اجزای سیستم، مستلزم مدل‌سازیِ ریاضی اجزا و همچنین شرایط اقلیمی منطقه و بار ساختمان مورد نظر، می‌باشد. لذا در این فصل ابتدا شرایط اقلیمی منطقه، اعم از سرعت باد و شدت تابش که به ترتیب از اطلاعات هواشناسی سایت زاهدان و داده‌های ماهواره‌ای استنتاج شده‌اند، بررسی شده و در ادامه میزان تقاضای بار الکتریکی ساختمانِ مورد نظر که به صورت بار متناوب و مستقیم تقسیم‌بندی شده‌اند، به‌صورت نمودار آورده شده است. مدل ریاضی اجزای سیستم به صورت جداگانه بر اساس میزان توان تولیدی برای اجزای تجدیدپذیر و میزان مصرف سوخت برای ژنراتور دیزل و میزان حرارت تولید شده توسط کالکتور خورشیدی بررسی شده‌اند.

۳-۲- منابع بادی استان سیستان و بلوچستان

استان سیستان و بلوچستان به خاطر موقعیت ژئوپلتیک خاص خود، پتانسیل بالایی در تولید توان الکتریکی از طریق انرژی بادی دارد. وجود بادهای ۱۲۰ روزه در سیستان، بستری برای بهره برداری از این انرژی پاک و ارزان در راستای مصارف خانگی، تجاری، صنعتی و ایجاد نیروگاه بادی، محیا می‌کند. شهر زاهدان هم مانند اکثر مناطق سیستان، ظرفیت بادی بالایی داشته که به صورت نمونه، اطلاعات ساعتی سرعت باد سایت هواشناسی منطقه، در شکل ‏۳‑۱، مشاهده می‌شود ]۳۰[. لازم به ذکر است بررسی میزان تولید توان به صورت ساعتی و نه به صورت متوسط سالیانه و ماهیانه بوده است به همین دلیل داده‌های هواشناسی به صورت ساعتی بررسی شده‌اند.

 
شکل ‏۳‑۱٫ سرعت باد سالانه]۳۰[

۳-۳- تصحیح سرعت باد

از آنجایی که سرعت باد با تغییر ارتفاع از سطح زمین، تغییر می‌کند، با توجه به ارتفاع نصب توربین، لذا سرعت باد باید در آن ارتفاع، تصحیح شود. استفاده از قانون توان[۲۱]، یکی از راه‌های برقراری رابطه میان ارتفاع و سرعت باد است که در رابطه (‏۳‑۱)، مشاهده می​شود ]۱۸[.

(‏۳‑۱)

      در این رابطه،، سرعت تصحیح شده باد یا همان سرعت باد در ورودی توربین،، سرعت باد مرجع که با استفاده از داده‌های هواشناسی استخراج شده‌اند، و به ترتیب ارتفاع نصب توربین و ارتفاع مرجع، همچنین توان، با توجه به محیط نصب توربین تغییر می‌کند. مقدار، به فشار و دمای محیط وابسته است که عموما برای زمین‌های باز مقدار۱۴۲/۰، به خود می‌گیرد.

۳-۴- شدت تابش در شهر زاهدان

کشور ایران از جمله مناطق مستعد در بهره برداری از انرژی‌های نو، به خصوص انرژی خورشیدی می‌باشد، شکل ‏۳‑۲، میزان تابش در نقاط مختلف ایران را نمایش می‌دهد. آن چنان که مشاهده می‌گردد، استان سیستان و بلوچستان پتانسیل بالایی در بهره برداری از این انرژی پاک را دارا می‌باشد.

kW.hr/m2.Day
شکل ‏۳‑۲٫  تابش در نقاط مختلف ایران]۳۶[

با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای، شدت تابش سالانه شهر زاهدان به صورت ساعتی، در شکل ‏۳‑۳، ارائه شده است ]۳۰[.

شکل ‏۳‑۳٫ تابش ساعتی زاهدان]۳۰[

۳-۵- میزان تقاضای بار الکتریکی

در پایان‌نامه حاضر میزان تقاضای بار الکتریکی ساختمان، به دو بخش نیاز مستقیم[۲۲] و متناوب[۲۳] تقسیم شده است. بار مورد نیاز دستگاه‌های جریان مستقیم و جریان متناوب، مستقیما توسط پنل خورشیدی، توربین باد و باتری تامین می‌شوند و در صورت عدم امکان این امر، ژنراتور الکتریکی میزان کمبود توان را جبران می‌کند. بار تقاضای متناوب و مستقیم مورد نیاز به ترتیب در شکل ‏۳‑۴ و شکل ‏۳‑۵، مشاهده می‌شوند.

شکل ‏۳‑۴٫  میزان تقاضای بار AC ]31[
شکل ‏۳‑۵٫ میزان تقاضای بار DC ]31[

همچنین میزان بار سرمایش ساختمان بر اساس نیازهای روزمره و شرایط هوای شهر زاهدان در ماه‌های اردیبهشت تا آبان همانند شکل ‏۳‑۶، به دست آمده است. تقاضای بار سرمایشی بر اساس میانگین دمای ماهانه در ساعات شبانه‌روز محاسبه شده است.

شکل ‏۳‑۶٫ میزان بار سرمایشی ساختمان ]۳۱[

۳-۶- توربین باد

از توربین‌هاي بادي کوچک به صورت عمده براي تأمین برق منازل، مزارع و مناطق دور افتاده استفاده می‌شود. براي استفاده از این توربین‌ها، وجود شرایط خاصی الزامی است. وجود باد کافی، سرعت و جهت مناسب آن، مجوز نصب بر جاهاي بلند در همسایگی و یا در مناطق روستایی، وجود فضاي کافی و همچنین دانستن مقدار الکتریسیته‌ مورد نیاز براي تولید، از جمله شرایطی هستند که قبل از نصب توربین‌هاي بادي باید بررسی شوند. توربین‌هاي بادي که در این پایان نامه مدل سازي و استفاده خواهند شد، توربین‌هاي بادي کوچک با محور افقی هستند که داراي سه و یا چهار پره می‌‌باشند. اغلب این توربین‌ها از موادکامپوزیتی مانند فایبرگلاس ساخته می‌شوند. همچنین این توربین‌ها توان خروجی جریان مستقیم دارند.

۳-۶-۱- نیرو محرکه باد

هنگامی که اجسام در مقابل حرکت باد قرار می‌گیرند، دو نیروی لیفت و درگ از طرف باد به آن‌ها وارد می‌شود. نیروز درگ عامل چرخش پره‌های توربین در باد محور قائم و نیروی لیفت عامل چرخش توربین‌های محور افقی می‌باشد.

توان باد لحظه‌ای قابل دست‌رس در یک سطح مقطع عمود بر جریان به صورت زیر بیان می‌شود.

(‏۳‑۲)

ثابت شده است هیچ توربین بادی نمی‌تواند بیشتر از ۳/۵۹ درصد از انرژی باد را به انرژی مکانیکی روتور توربین تبدیل کند که به آن ضریب توان توربین می‌گویند. معادله کلی توان خروجی از توربین به صورت رابطه زیر بدست می‌آید.

(‏۳‑۳)

که در آن Cp، ضریب توان توربین باد، m η، بازده مکانیکی جعبه دنده و متعلقات و ηg ، بازده ژنراتور تولید انرژی الکتریکی آن است. مدل‌های مختلفی برای پیشبینی عملکرد توربین باد پیشنهاد شده است که عبارت اند از: مدل‌های بر مبنای معادله منیادین انرژی در دسترس باد و بر مبنای منحنی توان توربین باد. روش‌ای پیشنهاد شده در مدلسازی توربین بر اساس مفهوم توان قابل دسترس، نه تنها دارای معادلات سنگینی بوده بلکه رفتارهای توربین بادی را به صورت دقیق تحلیل نمی‌کند. عملکرد توربین باد را می‌توان بر اساس منحنی توان به سادگی بررسی کرد. بر این اساس بدون نیاز به محاسبات جزئی، می‌توان توان حاصله از توربین را با توجه به سرعت باد بدست آورد. مدل‌های مبتنی منحنی توان به دو دسته تقسیم می‌شوند. مدل مبتنی بر شکل فرضی منحنی توان، مدل مبتنی بر شکل واقعی منحنی توان که توسط سازنده ارائه می‌شود. در پایان نامه حاضر از مدل مبتنی بر منحنی توان ارائه شده توسط سازنده استفاده شده است. لازم به ذکر است هر دوی این روش‌ها روش‌هایی بر مبنای برازش منحنی می‌باشند.

۳-۶-۲- مشخصات توربین باد

توربین های بادی استفاده شده در تحقیق حاضر، از شش مدل معرفی شده در جدول ‏۳‑۱، به همراه مشخصات مورد نیاز، ذکر شده‌اند که از نوع توربین‌های کوچک[۲۴] خانگی به شمار می‌آیند. از بهره‌های استفاده از این توربین‌ها نسبت به توربین‌های دیگر، اول، اشغال فضای کم، دوم هزینه سرویس و نگهداری پایین و سوم، تولید توان با سرعت باد کم را می‌توان نام برد ]۳۲[.

جدول ‏۳‑۱٫ مشخصات توربین‌های بادی ]۲۱[

نوع توربین بادیحداکثرتوان خروجی (W)سرعت باد برای شروع به کار توربین (m/s)عمر مفید توربین (سال)قیمت توربین (تومان)
MAX400W4005/1253700000
MAX 600W6005/1254500000
MAX 800W8005/1256800000
MAX 1200W12002258500000
Nominal200032005/22514،۷۰۰،۰۰۰
Nominal300056005/22529،۷۰۰،۰۰۰

۳-۶-۳- توان خروجی توربین

      برای تعیین رابطه تولید توان توربین بادی با سرعت باد، می‌توان از مدل‌های ریاضی استفاده کرد اما در تحقیق حاضر، از نمودار‌های موجود در کاتالوگ توربین‌ها استفاده شده است. توربین​‌های بادی با توجه به تکنولوژی ساخت خود، در سرعت باد یکسان، توان خروجی یکسان ندارند. نمودار تغییرات توان با سرعت باد در این چهار نوع توربین در شکل ‏۳‑۷ تا شکل ‏۳‑۱۲، مشاهده می‌شوند.

شکل ‏۳‑۷٫ نمودار توان‌-‌سرعت توربین max400w ]31[
شکل ‏۳‑۸٫  نمودار توان‌-‌سرعت توربین max600w ]31[
شکل ‏۳‑۹٫  نمودار توان‌-‌سرعت توربین max800w ]31[
شکل ‏۳‑۱۰٫ نمودار توان‌-‌سرعت توربین max1200w ]31[
شکل ‏۳‑۱۱٫ نمودار توان‌-‌سرعت توربین max2000w ]31[
شکل ‏۳‑۱۲٫ نمودار توان‌-‌سرعت توربین max3000w ]31[

به منظور ایجاد مدل ریاضی برای هر یک از توربین‌ها، از تقریب چند جمله‌ای نمودارها استفاده شده که در روابط (‏۳‑۴) تا (‏۳‑۹)، مدل ریاضی این توربین‌ها مشاهده می‌شوند.

(‏۳‑۴)
(‏۳‑۵)
(‏۳‑۶)
(‏۳‑۷)
(‏۳‑۸)
(‏۳‑۹)

این روابط، فقط برای سرعت‌های ۲ متر برثانیه به بالا تطابق دارند. زیرا شروع به کار توربین‌ها از بازه این سرعت شروع می‌شود. با استفاده از تقریب درجه ۳ برای توان خروجی توربین‌ها، انطباق خوبی بین مدل ریاضی و توان واقعی خروجی، برقرار شده، همچنین در روابط فوق، P، توان خروجی توربین بر حسب وات و ، سرعت باد بر حسب متر بر ثانیه می‌باشد.

جزییات بیشتر در فایل اصلی برای دانلود کلیک کنید

شکل ‏۳‑۱۳٫ نمودار V-I برای پنل خورشیدی

۳-۶-۴- دمای سطح مدول فتوولتائیک

دمای سطح جاذب مدول فتوولتائیک، تاثیر زیادی در میزان تولید توان الکتریکی آن دارد. با نوشتن بالانس انرژی در سطح مدول فتوولتائیک می‌توان دمای سطح آن را بدست آورد. بقای انرژی مدول در شکل ‏۳‑۱۴، مشاهده می‌شود.

شکل ‏۳‑۱۴٫ بالانس انرژی در مدول فتوولتائیک

در شکل ‏۳‑۱۴، qc و qr، به ترتیب اتلافات حرارتی جابجایی و تابشی را نمایش می‌دهند. همچنین qe، انرژی الکتریکی تولید شده از نور خورشید است. بالانس انرژی برای انرژی تابشی G، به صورت رابطه (‏۳‑۲۴)، نوشته می‌شود.

(‏۳‑۲۴)

میزان انرژی حرارتی ناشی از تابش خورشید وابسته به ضریب جذب تابش مدول، PVε، است. همچنین انرژی الکتریکی تولید شده توسط پنل خورشیدی از تابش نور خورشید به مساحت یک متر مربع از آن وابسته به بازده پنل، ηpv، است.

(‏۳‑۲۵)
(‏۳‑۲۶)

انتقال حرارت جابجایی در پنل خورشیدی از دو سمت بالا و پایین آن صورت می‌گیرد. لذا میزان اتلاف حرارت از پنل به صورت زیر می‌یاشد. انتقال حرارت تابشی از پنل هم به این صورت است.

(‏۳‑۲۷)
(‏۳‑۲۸)

میزان ضریب انتقال حرارت جابجایی تابعی از سرعت باد می‌باشد که با افزایش سرعت باد، این میزان افزایش می‌یابد.

(‏۳‑۲۹)

از روابط (‏۳‑۲۴) تا (‏۳‑۲۹)، دمای سطح فتوولتائیک بدست می‌آید.

(‏۳‑۳۰)

همچنین میزان راندمان پنل خورشیدی تابعی از دمای آن است.

(‏۳‑۳۱)

با حدس اولیه از میزان دمای سطح پنل، با روش تکرار میزان بازده و دمای سطح آن بدست می‌آید.

شکل ‏۳‑۱۵٫ میزان دمای سطح پنل با توجه به شدت تابش و دمای محیط
 (‏۳‑۴۱)

بنابراین برای کالکتور با دو سطح پوشش، میزان ضریب اتلاف حرارت از بالای کالکتور به صورت رابطه (‏۳‑۴۲)، بیان می‌شود.

(‏۳‑۴۲)

با حدس اولیه برای دمای پوشش، روند حل معادلات به صورت تکراری طی شده تا ضریب اتلاف حرارت از بالای کالکتور بدست آید. همچنین برای سادگی کار، دسته نمودارهایی رسم شده‌اند که با استفاده از آن‌ها می‌توان بدون حل معادلات، میزان ضریب اتلافات از بالای کالکتور را بدست آورد. همچنین رابطه تقریبی (‏۳‑۴۳)، برای پیدا کردن این میزان مفید می‌باشد.

جزییات بیشتر در فایل اصلی برای دانلود کلیک کنید

      (‏۳‑۴۳)

      نمودار ضریب انتقال حرارت از بالای کالکتور بر حسب متوسط دمای سطح جاذب، در شکل ‏۳‑۱۸، نشان داده شده است. این شکل بر مبنای یک سطح پوششی شیشه ای و ضریب انتقال حرارت جابجایی محیطی  W/m2C 10، ترسیم شده است.

شکل ‏۳‑۱۸٫ ضریب انتقال حرارت از بالای کالکتور

میزان گرمای اتلافی از سطح زیرین کالکتور، با دو مقاومت R4 و R5، مدل می‌شوند. R4، مربوط به مقاومت حرارتی در برابر شار حرارتی از سطح عایق، و R5، مربوط به مقاومت تابشی و جابجایی به محیط بیرون است. میزان R5، قابل صرف نظر کردن بوده و بنابراین ضریب اتلاف حرارت از زیر کالکتور برابر خواهد بود با:

(‏۳‑۴۴)

      ضریب اتلاف حرارت از کالکتور، مجموع دو ضریب اتلاف حرارت از بالا و پایین آن بوده که توسط رابطه (‏۳‑۴۵)، نشان داده شده است.

(‏۳‑۴۵)

۳-۶-۵- بررسی میزان انتقال حرارت به لوله در کالکتور

برای بررسی میزان انتقال حرارت در سطح جاذب، با در نظر گرفتن شکل ‏۳‑۱۹، حجم کنترل مناسب مشخص می‌شود.

شکل ‏۳‑۱۹٫ انتقال حرارت در جاذب

      بالانس حرارتی برای المان مشخص شده به ضخامت δ در شکل ، مربوط به ورود و خروج انرژی در رابطه (‏۳‑۴۶)، بیان شده است که معادله دیفرانسیلی مربوط به آن با تقسیم عبارات بر Δx، به صورت رابطه (‏۳‑۴۷)، تبدیل  می‌شود.

(‏۳‑۴۶)
(‏۳‑۴۷)

این معادله دیفرانسیل نیاز به دو شرط مرزی دارد. شرط مرزی اول در ابتدای بازه، شرط عایق در نظر گرفته شده است. به عبارتی به دلیل سهمی بودن پروفیل دما در روی سطح جاذب، دمای سطح جاذب مابین دو لوله نقطه بیشینه بوده و لذا شیب آن در ابتدای حوزه، صفر می‌باشد. همچنین در انتهای حوزه، دما برابر با دمای سطح لوله در نظر گرفته می‌شود.

(‏۳‑۴۸)

برای سادگی در حل، با اعمال دو تغییر متغیر ، پروفیل دما به صورت رابطه (‏۳‑۴۹)، تبدیل می‌شود.

(‏۳‑۴۹)

با در نظر گرفتن انتقال حرارت یک بعدی در سطح جاذب در عرض واحد، به صورت انتقال حرارت در فین با عرض واحد و اعمال قانون فوریه در پایه فین برای دو سمت لوله می‌توان به رابطه (‏۳‑۵۰)، دست یافت. این رابطه میزان انتقال حرارت به لوله را از سمت سطح جاذب نمایش می‌دهد.

(‏۳‑۵۰)

که در آن:

(‏۳‑۵۱)

      در رابطه (‏۳‑۵۰)، F، میزان بازده فین با مقطع مستطیلی و یا به عبارتی بازده سطح جاذب را نمایش می‌دهد. به لوله‌ها در کالکتور از دو جهت حرارت وارد می‌شود. یکی به وسیله سطح جاذب که در رابطه (‏۳‑۵۰)، بیان شد و دیگری از سطح بالای لوله که می‌توان آن را توسط رابطه (‏۳‑۵۲)، بیان کرد.

(‏۳‑۵۲)

بنابراین میزان حرارت انتقال یافته به لوله از جمع دو رابطه (‏۳‑۵۲) و (‏۳‑۵۰)، به صورت رابطه قابل محاسبه است.

(‏۳‑۵۳)

این مقدار حرارت در نهایت باید به سیال داخل لوله منتقل شود که با دو مقاومت حرارتی ضخامت لوله و مقاومت جابجایی سیال روبرو است. لذا  می‌توان نوشت:

(‏۳‑۵۴)

در رابطه (‏۳‑۵۴)، میزان Tb، معمولا در دسترس نبوده، بنابراین با حذف Tb، بین روابط (‏۳‑۵۴) و (‏۳‑۵۳)، می‌توان نوشت:

(‏۳‑۵۵)

که در آن، فاکتور بازده کالکتور است که توسط رابطه ، بیان می‌گردد.

(‏۳‑۵۶)

۳-۶-۶- توزیع دما در لوله کالکتور

در رابطه (‏۳‑۵۵)، میزان انتقال حرارت به لوله کالکتور در واحد طول آن مشخص گردید. با توجه به شکل ‏۳‑۲۰، میزان بالانس حرارتی در المان مشخص شده در طول لوله، همانند رابطه (‏۳‑۵۷)، بیان شده است.

شکل ‏۳‑۲۰٫ انتقال حرارت در لوله کالکتور
(‏۳‑۵۷)

که در این رابطه ، دبی جرمی سیال کالکتور، n، تعداد لوله موازی در کالکتور، می‌باشد. با نوشتن معادله دیفرانسیلی معادل و حل آن پروفیل دمایی سیال کالکتور به صورت رابطه (‏۳‑۵۸)، تبدیل می‌شود.

(‏۳‑۵۸)

اگر طول لوله Ltube، دمای ورودی Tfi و دمای خروجی Tfo باشد، می‌توان رابطه (‏۳‑۵۸)، را به صورت رابطه (‏۳‑۵۹)، بازنویسی کرد. مقدار nWLtube، میزان مساحت کالکتور را نمایش می‌دهد.

(‏۳‑۵۹)

حال می‌توان کمیتی معرفی کرد که توسط آن نسبت میزان حرارت مفید حاصله را به حرارت مفید وارد شده به کالکتور محاسبه کرد که به آن فاکتور برداشت از کالکتور گفته می‌شود.

(‏۳‑۶۰)

با ترکیب دو رابطه (‏۳‑۵۹) و (‏۳‑۶۰)، می‌توان به رابطه (‏۳‑۶۱)، رسید.

(‏۳‑۶۱)

برای رسم گرافیکی رابطه (‏۳‑۶۱)، از فاکتور جریان کالکتور استفاده می‌شود که به صورت رابطه (‏۳‑۶۲) تعریف می‌گردد. این فاکتور، تابع یک متغیر است؛ نرخ ظرفیت بی‌بعد کالکتور یا .

(‏۳‑۶۲)

نمودار تغییر فاکتور جریان کالکتور بر حسب نرخ ظرفیت بی‌بعد کالکتور توسط شکل ‏۳‑۲۱، نشان داده شده است.

شکل ‏۳‑۲۱٫ فاکتور جریان کالکتور

میزان حرارت مفید و قابل استفاده از کالکتور، را می‌توان از رابطه (‏۳‑۶۳)، حساب کرد که بر اساس دمای ورودی، دمای محیط و مساحت کالکتور قابل محاسبه است.

(‏۳‑۶۳)

۳-۷- گرم‌کن گاز سوز

گرم‌کن عبارت است از یک مخزن بسته که در آن آب داغ جهت استفاده در خارج از آن توسط گرمای ناشی از احتراق سوخت تولید می‌شود. داخل گرم‌کن شامل دو بخش طرف آتش و طرف آب است. سطح گرمایی گرم‌کن به مجموع کلیه سطوح در طرف آتش دیگ بخار اطلاق می‌شود. تمام بخش‌های داخلی و تحت فشار یک گرم‌کن از آلیاژهای آهنی ساخته می‌شوند. گرم‌کن‌ها از نظر نوع جنس به دو دسته چدنی و فولادی تقسیم‌بندی می‌شوند.

۳-۷-۱- دیگ لوله آبی

همگام با توسعه صنعت در قرن گذشته، استفاده از دیگهای بخار با فشار بالا ضرورت پیدا کرد و بنا به دلایلی، گاهی نیز انفجارهای مصیبت باری به همراه داشته است. آن روزها دیگ‌های بخار شامل ظروف تحت فشار با قطرهای زیادی بود که تحت فشار داخلی، دچار تنشهای انبساطی در دیواره‌های این ظروف می‌گردید. مقدار این تنش به نام تنش حلقه‌ای معروف است. بهترین راه برای جلوگیری از بروز این مشکل کاهش قطر ظرف تحت فشار است که این امر اساس کار دیگهای لوله– آبی است. در این دیگ‌ها آب، درون لوله‌ها جاری است و گازهای داغ در سطح خارجی لوله‌ها جریان دارند. دیگ‌های لوله آبی متشکل از ظروفی به نام درام هستند که توسط لوله به یکدیگر متصل شده‌اند. آب در درون لوله‌ها گردش کرده و گازهای داغ از اطراف لوله‌ها عبور می‌کنند. مهم‌ترین مزیت دیگ‌های لوله آبی آزادی در افزایش ظرفیت ساخت آنهاست. دیگ‌های لوله آبی می‌توانند تا ظرفیت نیم تن در ثانیه بخار با فشار ۱۶۰ اتمسفر و دمای۵۵۰ درجه سانتی‌گراد تولید کنند. البته دیگ‌های لوله آبی به صورت پکیج و در ابعاد کوچک‌تر نیز ساخته می‌شوند که در صنایع نفت و پتروشیمی کاربرد فراوان دارند.

۳-۷-۲- دیگ لوله آتشی

این نوع دیگ‌های بخار معمولاً، شامل بدنه اصلی، صفحه – لوله‌های جلو و عقب، کوره و اتاقک برگشت می‌باشد که پس از مونتاژ و جوشکاری ابتدا کامل مورد آزمایش‌های غیر مخرب (پرتونگاری، اولتراسونیک، مایع نافذ و…) قرار گرفته و سپس عملیات تنش‌گیری آنها در کوره مخصوص انجام می‌گیرد.

۳-۷-۳- مصرف سوخت گرم‌کن

گرم‌کن وسیله‌ای است که با مصرف سوخت می‌تواند انرژی گرمایی تولید کرده و دمای آب را به درجه حرارت مطلوب برساند. استفاده از گرم‌کن در سیستم‌های تجدیدپذیر تولید انرژی حرارتی بسیار مفید بوده به نحوی که در ساعاتی از شبانه‌روز اگر منابع تجدیدپذیر از جمله تابش خورشید در دسترس نباشد، عملکرد سیستم مختل نشده و گرم‌کن می‌تواند بار حرارتی مورد تقاضا را بر طرف کند. به این صورت هم در مصرف سوخت صرفه جویی شده و هم بار مورد تقاضا به صورت موثر رفع می‌شود. برای محاسبه میزان مصرف بویلر، ظرفیت آن بر میزان ظرفیت حرارتی سوخت تقسیم می‌شود.

(‏۳‑۶۴)

      اگر ظرفیت گرم‌کن بر حسب کیلووات بر ساعت باشد و ظرفیت حرارتی سوخت بر اساس کیلووات بر متر مکعب باشد، میزان مصرف به صورت مترمکعب بر ساعت بدست می‌آید. هدف اصلی در سیستم تولید حرارت، برطرف کردن بار حرارتی تقاضا با کمترین هزینه است.

۳-۸- چیلر جذبی

در چیلرهای جذبی برخلاف چیلرهای تراکمی، از جذب کننده[۲۵] و مولد حرارتی[۲۶]، بجای کمپرسور استفاده می‌گردد. لذا بر خلاف چیلر تراکمی که انرژی مکانیکی کمپرسور، راه‌انداز چرخه آن است، چیلر جذبی با دریافت حرارت از طریق مولد حرارتی، تولید برودت می‌کند. عمومی‌ترین خنک‌کننده در چیلرهای جذبی سیستم لیتیوم بروماید است. در این سیستم، در قسمت جذب کننده، بخار آب توسط لیتیوم برماید غلیظ جذب شده و در قسمت مولد حرارتی، آب بر اثر حرارت تبدیل به بخار می‌شود. بخار آب در کندانسور که دارای فشار ۱/۰ اتمسفر است به حالت مایع در می‌آیدو سپس در خنک‌کننده که تحت فشار ۰۱/۰ اتمسفر دوباره به بخار تبدیل می‌گردد و آب برای این که تبخیر گردد گرمای نهان خود را از محیط خنک‌کننده می‌گیرد و باعث ایجاد برودت می‌گردد سپس بخار آب ایجاد شده در خنک‌کننده به جذب کننده منتقل می‌گردد و دوباره این چرخه تکرار می‌شود ]۳۰[. چیلرهای جذبی به دو بخش چیلرجذبی تک اثره[۲۷] و دو اثره[۲۸] تقسیم می‌شوند. این چیلرها خود با توجه به نحوه ایجاد حرارتِ منبعِ حرارتی در بخش مولد حرارتی، به انواع مختلف تقسیم بندی شده که در سیستم حاضر از چیلر جذبی تک اثره با تغذیه آب گرم (دمای آب زیر ۱۰۰ درجه)، استفاده می‌گردد. به دلیل دمای راه اندازی پایین، این نوع چیلر، به عنوان سیستم سرمایش در واحدهایی که قصد بهره‌بری از اتلاف حرارت سیستم دارند، پیشنهاد شده است.

شماتیک چیلر جذبی در شکل زیر دیده می‌شود.

شکل ‏۳‑۲۲٫ شماتیک چیلر جذبی

به منظور بررسی کارایی یا ضریب عملکرد لازم است تراز جرم و انرژی هر یک از اجزاء چیلر تعیین شود. تراز جرم و انرژی ژنراتور: محلول رقیق لیتیوم بروماید وارد ژنراتور شده و پس از دریافت حرارت مقداری از محلول به شکل بخار آب مافوق گرم وارد کندانسور شده و محلول غلیظ لیتیوم بروماید به جاذب می‌رود]۴۰[.

(‏۳‑۶۵)

همچنین برای کندانسور می‌توان نوشت:

(‏۳‑۶۶)

و همچنین برای اواپراتور که آب وارد شده به صورت بخار اشباع خارج می‌شود، می‌تون نوشت:

(‏۳‑۶۷)

و برای جاذب که بخار آب اشباع توسط محلول غلیظ لیتیم بروماید جذب شده و به صورت محلول رقیق خارج می‌شود.

(‏۳‑۶۸)

برای مبدل حرارتی می‌توان نوشت:

(‏۳‑۶۹)

در این معادلات xss و xws به ترتیب غلظت لیتیوم بروماید در محلول غلیظ( محلولی که آب بیشتر دارد) و محلول رقیق می‌باشد. راندمان سیکل بدون در نظر گرفتن کار پمپ برابر است با:

(‏۳‑۷۰)

۳-۹- خلاصه

در فصل حاضر مدل ریاضی اجزای تشکیل دهنده سیستم هیبریدی تولید توان بررسی شدند. با استفاده از مدل ریاضی می‌توان توان خروجی اجزای تجدیدپذیر تولید توان، میزان مصرف ژنراتورهای الکتریکی، نحوه عملکرد باتری‌ها، میزان گرمای تولید شده توسط  کالکتورها و عملکرد چیلر جذبی را مشخص کرد. در فصل آینده راهبرد عملکرد سیستم تولید توان و بهینه‌سازی سایزبندی آن به همراه نتایج بیان خواهد شد.

۴-       فصل چهارم

بهینه‌سازی سیستم تولید توان و تحلیل نتایج

۴-۱- مقدمه

در یک سیستم هیبریدی تولید توان، بخصوص زمانی که به برق شبکه متصل نیست، مقدار تولید توان الکتریکی نباید کمتر از میزان تقاضای آن باشد. در این حالت، حتی اگر میزان کمبود توان، مقدار ناچیز باشد، باعث قطع برق کلی سیستم می‌گردد. همچنین اگر میزان تولید بار در سیستم بیش از تقاضای آن شود در حالیکه سیستمِ ذخیره انرژی، مثل باتری، در حالت شارژ کامل قرار گرفته باشد و امکان فروش بار الکتریکی به شبکه وجود نداشته باشد، مقدار اضافه انرژی به هدر می‌رود. در صورتی که منبع تولید کننده انرژیِ مازاد بر تقاضا، تجدید‌پذیر بوده، به آن انرژیِ اضافی، پنالتی و یا جریمه می‌گویند. هرچند اگر منبع تولید این انرژی اضافی، تجدیدپذیر باشد که هزینه عملکرد زیادی در بر ندارد، ولی با افزایش مقدار پنالتی، این هدر رفتن انرژی به صرف اقتصادی سیستم نیست و نشان دهنده انتخاب نادرست سایز اجزای RER و اختصاص هزینه اضافی، جهت نصب و راه‌اندازی به آن بوده است. لذا مسئله بهینه‌سازی سایز اجزا، بر مبنای دو تابع هدفِ تطابقِ عرضه و تقاضای انرژی و حداقل رساندن میزان هزینه‌های سیستم می‌باشد. در فصل حاضر، در ابتدا توابع هدف و محدودیات اعمالی بر متغیرهای تصمیم، معرفی شده و در ادامه با انتخاب اجزای سیستم و اعمال راهبرد عملکرد سیستم نتایج بهینه‌سازی بر سیستم تولید توان الکتریکی بررسی خواهد شد.

۴-۲- توابع هدف

برای یافتن سایز بهینه اجزای سیستم هیبریدی تولید توان الکتریکی حاضر، از دو تابع هدف استفاده شده که اولین تابع هدف، مربوط به تطابق عرضه و تقاضای انرژی و دومین، تابع هدف اقتصادی می‌باشد.

۴-۲-۱- تابع هدف تطابق

با توجه به آن چه گفته شد، نمودارهای عرضه و تقاضای بار الکتریکی باید حدالامکان منطبق شوند. برای بررسی میزان این همبستگی، روش های متعددی وجود دارد که در این پایان‌نامه از روش ضریب نابرابری[۲۹] استفاده شده که در رابطه (‏۴‑۱)، ضریب نابرابریIC  معرفی شده است. در این رابطه PL، مقدار تقاضا، S، مقدار تولید، t، زمان اندازه‌گیری و TL، زمان نهایی می‌باشد.

          (‏۴‑۱)

محدوده جواب​‌های IC، اعدادی بین صفر تا یک، می‌دهد که عدد صفر نشان دهنده تطابق کامل و عدد یک نشان دهنده عدم تطابق بین عرضه و تقاضا است. جواب‌های بین ۰ تا ۱/۰، به عنوان تطابق خوب و جواب‌های بین ۹/۰ تا ۱، به عنوان تطابق بد بین عرضه و تقاضا، معرفی شده است[۱۸].

برای بهینه سازی سایزبندی سیستم تولید توان الکتریکی در سیستم تولید همزمان، اولین تابع هدف، کمینه کردن ضریب نابرابری، در نظر گرفته شده تا بهترین تطابق بین تولید و مصرف انرژی برقرار شود.

۴-۲-۲- تابع هدف اقتصادی

هدف از سایزبندی سیستم تولید توان هیبریدی، بهره بری از سیستمی است که توانایی تولید توان الکتریکی تقاضا شده، در عین ایجاد کمترین هزینه و اتلاف انرژی، داشته باشد. هزینه های سیستم در این پایان‌نامه به چهار بخش هزینه سرمایه‌گذاری[۳۰]، هزینه عملکرد و نگهداری[۳۱]، هزینه تعویض اجزا[۳۲] و هزینه سوخت[۳۳]، تقسیم شده‌اند. هزینه سرمایه‌گذاری، شامل هزینه اولیه خرید و نصب قطعات، هزینه عملکرد و نگهداری، شامل کلیه هزینه‌های تعمیرات و اقدامات نگهداری سیستم، هزینه سوخت شامل هزینه‌های منابع انرژی مصرفی اجزای سیستم و همچنین هزینه تعویض، هزینه خرید دوباره اجزای سیستم پس از اتمام عمر مفید آن‌ها، می‌باشد.

در تحلیل اقتصادی سیستم، باید هماهنگی بین میزان خالص هزینه اولیه و تمام هزینه های جاری سیستم در طی عمر مفید خود اعم از نگهداری، عملکرد و تعویض، برقرار شود. به عبارتی اگر عمر سیستم ۲۵ سال در نظر گرفته شود، باید کل هزینه های این ۲۵ سال، تبدیل به نرخ ارز امروزی شوند. دلایل موثر بر تغییراتِ میزان ارزش ارز بین سال‌های مختلف، وجود تورم و میزان سود بانکی می‌باشد. بهره سالیانه[۳۴] سیستم، i، با توجه به نرخ تورم سالیانه، f، و بهره بانکی، iloan، توسط رابطه (‏۴‑۲)، قابل محاسبه است ]۳،۵،۸،۱۳[.

(‏۴‑۲)

      برای بروز کردن هزینه‌های جاری سیستم، همانند رابطه (‏۴‑۳)، از ضریب بازگشت سرمایه[۳۵]، استفاده می‌شود، همچنین هزینه تعویض اجزا نیز با ضریب Rk، که در رابطه (‏۴‑۴)، بیان شده، تبدیل به نرخ امروزی می‌گردد ]۱۳[.

(‏۴‑۳)
(‏۴‑۴)

      در رابطه (‏۴‑۴)، Rtotal، تعداد کل تعویض هر یک از اجزا در طول عمر سیستم  و Lp، طول عمر آن است.

 (‏۴‑۷)

جزییات بیشتر در فایل اصلی برای دانلود کلیک کنید

(‏۴‑۸)

در این روابط، اندیس npv، میزان خالص[۳۶] است که بر اساس ضریب بازگشت سرمایه، به دست می‌آید. به دلیل در نظر گرقتن عمر پنل خورشیدی به اندازه عمر سیستم، لذا هزینه تعویض پنل لحاظ نمی‌شود. به طریق مشابه هزینه توربین بادی نیز طی روابط (‏۴‑۹) تا (‏۴‑۱۱)، قابل محاسبه است.

(‏۴‑۹)
(‏۴‑۱۰)
(‏۴‑۱۱)

برای مبدل جریان نیز همانند پنل خورشیدی و توربین بادی، هزینه‌های اقتصادی از روابط (‏۴‑۱۲) تا (‏۴‑۱۴)، محاسبه می‌گردند.

(‏۴‑۱۲)
(‏۴‑۱۳)
(‏۴‑۱۴)

      میزان ظرفیت مبدل، با توجه به توان خروجی توربین بادی و پنل خورشیدی، انتخاب می‌شود ]۸[. در رابطه (‏۴‑۱۳)، Pinv، توان نامی مبدل و PRinv، قیمت واحد توان آن می‌باشد. لذا سایز مبدل، متغیر تصمیم نمی‌باشد و تعداد آن به سایز فتوولتائیک و توربین، وابسته است.

      از عوامل موثر بر عمر باتری‌ها، میزان شارژ و دشارژ شدن آن است. همچنین به صورت بدون کارکرد هم ممکن است عمر عملکرد مفید باتری به اتمام برسد، بنابرین علاوه بر هزینه سرمایه‌گذاری، باید هزینه تعویض نیز در نظر گرفته شود. هزینه خالص باتری شامل هزینه اولیه و هزینه تعویض آن می‌باشد، روابط (‏۴‑۱۵) تا (‏۴‑۱۷)، مقادیر این هزینه‌ها را نمایش می‌دهد.

(‏۴‑۱۵)
(‏۴‑۱۶)
(‏۴‑۱۷)

      برای ژنراتور دیزل، میزان هزینه خالص، همچون رابطه (‏۴‑۱۸)، از مقادیر هزینه‌های سرمایه‌گذاری، عملکرد، تعمیر و نگهداری و تعویض، به دست می‌آید.

(‏۴‑۱۸)

که در آن هزینه‌های سرمایه اولیه، تعمیر و نگهداری و تعویض، به ترتیب توسط روابط (‏۴‑۱۹) تا (‏۴‑۲۱)، بیان شده‌اند.

(‏۴‑۱۹)
(‏۴‑۲۰)
(‏۴‑۲۱)

هزینه تعویض ژنراتور بستگی به تعداد ساعات کارکرد آن بستگی دارد. در پایان‌نامه حاضر از ترکیب چند ژنراتور خاص استفاده خواهد شد. لذا تعداد ژنراتورها و ظرفیت آن‌ها جزو متغیرهای تصمیم نخواهند بود.

      در هنگام عملکرد ژنراتور، میزان هزینه مصرف سوخت ساعتی، Cf، از رابطه (‏۴‑۲۲)، به دست می‌آید که در این رابطه PRf، هزینه سوخت بر واحد حجم سوخت است. لذا مطابق رابطه (‏۴‑۲۳)، FCDG، هزینه سالیانه مصرف سوخت ژنراتور، از مجموع هزینه‌های ساعتی قابل محاسبه بوده، ولی در طول عمر پروژه، FCDG,npv، میزان هزینه خالص مصرف سوخت، با توجه به نرخ سود بانکی و تورم، بنا بر رابطه (‏۴‑۲۴)، محاسبه می‌شود.

(‏۴‑۲۲)
(‏۴‑۲۳)
(‏۴‑۲۴)

در پایان‌نامه حاضر، هزینه هر لیتر سوخت ۱۰۰۰ تومان در نظر گرفته شده است. اما با بهینه‌سازی سیستم هیبریدی در این حالت، استفاده از اجزای RER به خصوص توربین بادی، نسبت به ژنراتور به صرف اقتصادی نبوده و لذا محقق مجبور به اختصاص هزینه جریمه به روشن شدن ژنراتور به دلیل وجود صدای اضافی و آلودگی شده است. در برخی پژوهش‌ها مبالغی برای جریمه کارکرد ژنراتور در نظر گرفته شده است که میزان آن برابر با میزان هزینه جزییات بیشتر در فایل اصلی برای دانلود کلیک کنید

جزییات بیشتر در فایل اصلی برای دانلود کلیک کنید

جدول ‏۴‑۱۳٫ نتایج سایزبندی ژنراتور ترکیب دو/ توربین ۴۰۰ وات/ فتوولتائیک/ باتری

میزان تطابقهزینه خالص [۱۰۰میلیون تومان]باتریتوربینفتوولتائیکحالت
۰۹۷۴/۰۶۵۳۲/۶۸۰۲۴۸۰اول
۰۶۵۵/۰۸۰۴۱/۶۸۰۱۹۸۰دوم
۰۴۴۰/۰۰۶۴۵/۷۸۰۱۸۷۳سوم
شکل ‏۴‑۱۳٫ نتایج دو هدفه ژنراتور ترکیب دو/ توربین ۴۰۰ وات/ فتوولتائیک/ باتری
شکل ‏۴‑۱۴٫ نتایج تک هدفه ژنراتور ترکیب دو/ توربین ۴۰۰ وات/ فتوولتائیک/ باتری

سیستم ۶: ژنراتور ترکیب دو/ توربین ۱۲۰۰ وات/ فتوولتائیک/باتری

جزییات بیشتر در فایل اصلی برای دانلود کلیک کنید

۵-      فصل پنجم

بهینه‌سازی سیستم تولید حرارت

۵-۱- مقدمه

سیستم تولید حرارت به دو بخش بازگردانی حرارت اتلافی ژنراتور الکتریکی در حین عملکرد و حرارت تولید شده توسط کالکتور خورشیدی تقسیم می‌شود. در فصل حاضر میزان دبی خروجی گاز از ژنراتور و دمای آن در طول سال محاسبه و بر اساس آن مبدل حرارتی مناسب جهت تولید آب گرم برای تغذیه چیلر جذبی، طراحی می‌شود. در ادامه سایز بهینه کالکتور خورشیدی در تعامل با سیستم بازیافت حرارت از ژنراتور الکتریکی برای دست‌یابی به برودت مناسب چیلر جذبی، به دست می‌آید. در انتها این سوال پیش می‌آید که سیستم بازیافت حرارت اتلافی تا چه حد می‌تواند مورد اعتماد باشد و آیا نیاز به منبع حرارتی دیگر حس می‌شود یا خیر.

۵-۲- سیستم بازیافت حرارت از ژنراتور الکتریکی

برای بازیابی حرارت از ژنراتور الکتریکی، با توجه به نتایج بهینه‌سازی سیستم تولید توان، میزان کارکرد ژنراتورها به‌صورت ساعتی در طی سال به دست می‌آیند.

۵-۲-۱- دما و دبی خروجی گاز از ژنراتور الکتریکی

برای بررسی بازیافت حرارت از موتورها، هم می‌توان از طریق راندمان حرارتی موتورها استفاده کرد که میزان انرژی حرارتی خروجی را نتیجه می‌دهد و هم از طریق به دست آوردن دبی و حرارت خروجی از اگزوز موتور، میزان بازیافت حرارت را بررسی کرد. بیشتر حرارت حاصل از احتراق در موتور، هم از طریق خنک کننده و هم از طریق اگزوز، خارج می‌گردد. در این پژوهش از حرارت خارج شده توسط اگزوز برای بازیافت حرارت استفاده خواهد شد. لذا دانستن دما و دبی گاز خروجی اگزوز موتور برای این منظور ضروری است.

ساده‌ترین راه برای به دست آوردن میزان حرارت گاز خروجی، استفاده از منحنی عملکرد یا مشخصه موتور است که در کاتالوگ آن عرضه می‌شود. ولی برای موتورها با سایز کوچک، عموما این منحنی به صورت کامل عرضه نشده و فقط منحنی گشتاور و توان بر حسب دور موتور به متقاضی ارائه می‌گردد. روش دیگر برای دستیابی به دمای گاز خروجی از اگزوز، استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی موتور است که می‌توانند با ورود مشخصات فیزیکی موتور منحنی مشخصه آن را ارائه دهند. نرم‌افزار ادوایزر[۳۷]، ابزاری قدرتمند در طراحی، شبیه‌سازی و تست خودروهای هیبریدی است که در صورت استفاده از حالت غیر هیبریدی، می‌توان عملکرد موتور را در بارهای متفاوت بررسی کرد. با در نظر گرفتن شرایط تست به صورت بار ثابت، در دور و توان بهینه، میزان دمای گاز خروجی از ژنراتور الکتریکی به صورت شکل ‏۵‑۱ تا شکل ‏۵‑۳، برای سه موتور، به دست می‌آید.

شکل ‏۵‑۱٫ دمای گاز خروجی از ژنراتور ۳ کیلو وات

جزییات بیشتر در فایل اصلی برای دانلود کلیک کنید

تاده و از آن به بعد سیستم وارد سودرسانی می‌شود.

۶-       فصل ششم

نتایج و ارائه پیشنهادات

۶-۱- نتایج

سیستم تولید همزمان انرژی الکتریکی و گرمایش شامل سلول‌های فتوولتائیک/توربین بادی/باتری/ژنراتور دیزل/کالکتورخورشیدی/گرم‌کن گازی برای تامین بار حرارتی و الکتریکی معرفی شده‌اند. همچنین چیلر جذبی تک اثره برای تامین بار برودتی ساختمان لحاظ شده است. نتایج بهینه‌سازی سایزبندی با دو تابع هدف برقراری اصل تطابق بین عرضه و تقاضای انرژی و همچنین کاهش هزینه‌های سیستم تولید همزمان به صورت جدول زیر نتیجه گیری شده است.

جدول ‏۶‑۱٫ نتایج بهینه سازی

اجزافتوولتائیک [m2]تعداد توربین باد ۴۰۰ وات تعداد باتری ۱/۲ کیلووات ساعتژنراتور الکتریکی [kW]تعداد کالکتور خورشیدیگرم‌کن [kWh]
تعداد یا ظرفیت۸۰۱۵۷۹۳-۷-۱۲۳۵۵۳۹/۳۹

      در مقایسه اقتصادی بین سیستم تولید همزمان انرژی الکتریکی و حرارت  معرفی شده با سیستمی که بار الکتریکی و حرارتی آن توسط برق شبکه و منابع فسیلی تامین می‌شود، همانطور که در شکل ۵-۱۳ مشخص است، از سال ۱۴ به بعد سیستم وارد سود رسانی می‌شود.

۶-۲- پیشنهادات برای بهبود عملکرد  سیستم تولید همزمان

با توجه به شکل ‏۵‑۱۲، سیستم تولید گرمایش در ساعاتی از شبانه روز قادر به تامین توان حرارتی مورد نیاز نیست. همچنین در ساعاتی، میزان حرارت تولید شده بیش از نیاز سیستم بوده که جزو اتلافات حرارتی سیستم به‌شمار می‌آید. به همین دلیل میزان ضریب نابرابری در سیستم تولید حرارت، مقدار مناسبی در قیاس با ضریب نابرابری برای سیستم تولید توان الکتریکی به دست نیامد. وجود سیستم ذخیره انرژی الکتریکی باتری، تاثیر زیادی در بهبود میزان تطابق در میزان عرضه و تقاضای توان الکتریکی داشته که در سیستم تولید حرارت، می‌توان از معادل آن یعنی مخزن ذخیره حرارت استفاده کرد. لذا بهره‌بری از مخزن ذخیره حرارت که می‌تواند میزان اضافی تولید حرارت را در خود ذخیره و در صورت نیاز به سیستم تحویل دهد، اولین پیشنهاد برای بهبود عملکرد سیستم تولید حرارت می‌باشد.

همان طور که گفته شد، سیستم در ساعاتی توانایی تولید حرارت مورد نیاز را جهت برطرف کردن بار را ندارد. مبدل‌های حرارتی زمین گرمایی می‌تواند به صورت موثری در ساعات کمبود بار برودتی تولید شده، این میزان را جبران کند. زمین می‌تواند به عنوان یک منبع حرارتی عمل کند به‌نحوی که در عمق بیش از ۳ متری زمین، دمای خاک مستقل از دمای محیط و به میزان حدودی ۸ درجه بوده که با ایجاد چاهک‌هایی می‌توان از این خاصیت زمین برای تولید سرمایش بهره برد. اشکال این سیستم دائمی نبودن آن است به نحوی که نمی‌توان به صورت ممتد مورد بهره‌بری قرار گیرد، زیرا در صورت استفاده ممتد، خاک اطراف مبدل حرارتی زمینی خاصیت دمایی خود را از دست داده و نیاز به استراحت دارد تا به دمای خود بازگردد. لذا استفاده از مبدل حرارتی زمینی دومین پیشنهاد برای بهبود عملکرد سیستم تولید حرارت می‌باشد.

همچنین استفاده از صفحات PV/T می‌تواند به‌صورت همزمان هم باعث کاهش فضای نصب فتوولتائیک و کالکتور شود و هم راندمان عملکردی آن‌ها را افزایش دهد.

لذا می‌توان پیشنهادات را به صورت زیر جمع‌بندی کرد:

۱-     استفاده از سیستم ذخیره حرارت

۲-     استفاده از مبدل حرارتی زمینی

۳-     استفاده از صفحات فتوولتائیک-حرارتی به جای کالکتور و فتوولتائیک

۴-     استفاده از بازه‌های زمانی کوتاه‌تر از یک سال برای بهینه‌سازی، به عنوان مثال به صورت فصلی

۵-          جزییات بیشتر در فایل اصلی برای دانلود کلیک کنید

برچسبها
جعبه دانلود
مطالب مرتبط

دیدگاهی بنویسید.

بهتر است دیدگاه شما در ارتباط با همین مطلب باشد.

0