ارزیابی فنی-اقتصادی و بهینه سازی سیستم یکپارچه تبدیل انرژی فتوولتیک/بادی

چکیده

کلیدواژه‌ها

مقدمه

 شرح سیستم یکپارچه

مدل سیستم PV/بادی هیبریدی

مدل سیستم فوتوولتیک

3.3 مدل سیستم بانک باطری

 معیار تعیین اندازه بهینه برای سیستم انرژی تجدیدپذیر هیبریدی

معیارهای قابلیت اطمینان مبتنی بر تکنیک DPSP

تجزیه تحلیل هزینه ها

هزینه های جاری خالص کل (TNPC)

هزینه های سالیانه کل (TAC)

شکل 3.   فلوچارت مدل تعیین اندازه بهینه.

جدول 1.   جنبه های عمر و هزینه کل برای عناصر سیستم

جدول 2.   مشخصات ماژول PV.

جدول 3.   مشخصات توربین بادی

جدول 4.   مشخصات هر یک باطری

شکل 4.   نمایه ی ساعتی بار.

تجزیه تحلیل فاصله بدون سود و زیان (BEDA)

نتایج و مباحثات

مطالعه موردی

شکل 5.   شرایط هواشناسی برای طراحی بهینه. (a) تابش خورشید بر سطح افقی، (b) سرعت باد، و (c) دمای محیط

شکل 6.   پیکربندی های سیستم به ازای DPSPهای مختلف، برای 1 روز خودگردانی بانک باطری.

شکل 7.   پیکربندی های سیستم به ازای DPSPهای مختلف، برای دو روز خودگردانی بانک باطری

شکل 8.   پیکربندی سیستم به ازای DPSPهای مختلف، برای سه روز خودگردانی بانک باطری

اثر قابلیت اطمینان توان بر پیکربندی سیستم

 اثر پیکربندی سیستم بر TNPC، TAC و BEDA

شکل 9.   پیکربندی های سیستم و هزینه خالص کل به ازای

DPSP = 0.3%

شکل 10.   پیکربندی های سیستم و هزینه جاری خالص کل به ازای DPSP = 1%.

شکل 11.   پیکربندی های سیستم و هزینه سالانه کل، به ازای DPSP = 0.3%



شکل 12.   پیکربندی سیستم و هزینه سالانه کل، به ازای DPSP = 1%.



شکل 13.  پیکربندی های سیستم و آنالیز فاصله بی سود و زیان به ازای DPSP = 0.3%.



شکل 14.   پیکربندی های سیستم و آنالیز فاصله بی سود و زیان به ازای DPSP = 1%.



شکل 15.   REPG در مقابل DPSP به ازای روزهای مختلف خودگردانی بانک باطری و برای زوج های بینه

شکل 16.   حساسیت هزینه جاری خالص کل، برای یک سیستم هیبریدی بادی/خورشیدی.

تاثیر قابلیت اطمینان و پیکربندی سیستم بر روی REPG

شکل 17.   حساسیت هزینه سالانه کل برای یک سیستم هیبریدی خورشیدی/بادی.

شکل 18.   حساسیت تحلیل فاصله بی سود و زیان برای یک سیستم هیبریدی بادی/PV.

جدول 5.   نتایج تعیین اندازه بهینه برای یک سیستم هیبریدی خورشیدی/بادی به ازای DPSP = 0.3% & 1%.

 تحلیل حساسیت

نتایج تعیین اندازه بهینه سیستم

 نتیجه گیری

 

تولید برق غیرمتمرکز توسط منابع انرژی تجدیدپذیر، امنیت بیشتر منبع را به مصرف کننده، ارایه داده و در عین حال، محیط را نیز پاکیزه نگه می دارند. اما سرشت اتفاقی بودن این منابع، نیازمند است که قوانین تعیین اندازه را برای آنها توسعه داده، و از این سیستم ها برای بهره برداری از آنها استفاده کنیم. این مقاله، یک مدل بهینه سازی سیستم هیبریدی PV/بادی را ارایه می دهد، که از تکنیک های بهینه سازی تکراری، در شرایطی همچون نقص احتمالی در منبع توان (DPSP)، توان نسبتا اضافی تولید شده (REPG)، هزینه جاری خالص کل (TNPC)، هزینه کل سالانه (TAC) و تحلیل فاصله بی سود و زیان(BEDA) برای هزینه های سیستم و قابلیت اطمینان توان، استفاده می کند. فلوچارت این مدل تعیین اندازه بهینه سیستن هیبریدی، همچنین نشان داده شده است. با این مدل ترکیب شده، اندازه ی بهینه سیستم تبدیل انرژی هیبریدی PV/بادی را می توان با استفاده از بانک باطری، بطور فنی و اقتصادی، مطابق با نیازهای قابلیت اطمینان سیستم، تعیین کرد. بعلاوه، یک تحلیل حساسیت نیز به منظور درک مهمترین پارامترهای تاثیرگذار بر عملکرد اقتصادی سیستم هیبریدی، انجام پذیرفته است. یک مطالعه موردی نیز برای تحلیل یک پروژه هیبریدی که برای تامین برق خانه های مسکونی کوچک واقع در منطقه مرکزی برای توسعه انرژی تجدیدپذیر (CDER) در الجزایر در Bouzaréah، طراحی شده است، صورت گرفته است.

تولید انرژی، در سال های پیش رو، چالشی مهم می باشد. در واقع، نیاز به انرژی کشورهای صنعتی، در حال افزایش می باشد، اگرچه، کشورهای در حال توسعه نیز برای کامل کردن توسعه خود، نیازمند انرژی بیشتری هستند. استفاده از این منابع، منتهی به انتشار گازهای گلخانه ای، و ازینرو افزایش آلودگی می شود. تخلیه سریع و نوسانات قیمت سوخت های فصیلی در سراسر دنیا، بشر را مجبور به یافتن منابع انرژی نو برای برآورده ساختن نیازهای امروز، کرده است. منابع انرژی جایگزین _مانند توان آبی، بادی، خورشیدی و زمین گرمایی_ سکتورهای انرژی را به تولید توان در مقیاس بزرگ، تشویق کرده اند. اگرچه، عیب مشترک انرژی بادی و خورشیدی، سرشت غیرقابل پیشبینی بودن آنها، و وابستگی آنها به آب و هوا و تغییرات جوی، و اینکه ممکن است تغییرات انرژی بادی و خورشیدی مطابق با توزیع زمانی تقاضای بار نباشد، می باشد. این کمبود نه تنها بر عملکرد انرژی سیستن، تاثیر می گذارد، بلکه منجر به خرابی زودرس باطری ها می شود. بطور کل، استفاده جداگانه از هر یک از این دو منابع، می تواند منجر به اندازه ی بسیار بزرگ آنها، و در نتیجه افزایش هزینه طراحی شود. نه یک سیستم انرژی خورشیدی تکلی، و نه یک سیستم انرژی بادی مستقل، نمی تواند _به دلیل تغییرات فصلی و دوره ای_ یک توان تولیدی پیوسته تحویل دهد. به منظور بکاربری مفید و مقرون بصرفه از منابع انرژی های نو (تجدیدپذیر)، نیاز به یک روش تعیین اندازه طراحی مطابق بهینه می باشد. روش بهینه سازی تعیین اندازه، می تواند به تعیین کمترین سرمایه گذاری و بطور همزمان استفاده کافی و کامل از سیستم های انرژی های تجدیدپذیر (فوتوولتیک، بادی، سیستم های گرمایی، غیره)، کمک کند. ازینرو، Chel، روشی برای ارزیابی اندازه و هزینه عناصر سیستم قدرت PV، ارایه کرده است. اندازه ی آرایه PV، مبتنی بر بار (Load) الکتریکی روزانه و تعداد ساعت های تابش آفتاب بر سطح بهینه مشخص هر کشور، تعیین می شود. طبق تحلیل های هزینه چرخه ی عمر (LCC)، هزینه اولیه (US$/kWp) و هزینه واحد برق (US$/kW h)، برای سیستم های PV همچون PV مستقل (SAPV) و PV متصل به ساختمان (BIPV)، تعیین شده است. تاثر اعتبار کربن بر اقتصاد سیستم PV، به ترتیب در سیستم های SAPV و BIPV، کاهش در هزینه واحد را نشان داده است. روش توسعه یافته، با استفاده از مطالعه موردی واقعی بر روی سیستم فتوولتاییک 2.32 kWp مستقر در دهلی نو (هند)، نشان داده شده است. یک بررسی موردی دیگر بر ارزیابی عملکرد یک سیستم قدرت PV (فتوولتیک) 2.32 kWp مستقر در دهلی نو (هند)، توسط Chel و Tiwari، انجام گرفته است. سیستم PV در نظر گرفته شده، یک دمنده هوای برقی یک مبدل حرارتی زمین به هوا (EAHE) مورد استفاده برای گرمایش/سردسازی خانه های خشتی، کامپیوتر، پمپ آب ضد آب، و غیره را تغذیه می کند. بازده های بیرونی، توان تولیدی و تلف شده در عناصر سیستم PV، با استفاده از اطلاعات ساعتی اندازه گیری شده برای 1 سال، در یک روز نوعی روشن در هر ماه، تعیین شده است. همچنین، تبدیل انرژی با کاهش انتشار CO2 و پتانسیل اعتبار کربن سیستم EAHE یکپارچه PV موجود، ارایه شده است. همچنین، زمان بازپرداخت انرژی (EPBT) و هزینه واحد برق، هم برای PV مستقل (SAPV) و هم برای سیستم های PV یکپارچه در سقف ساختمان (BIPV)، تعیین شده است. یک عملکرد فضای بیرونی آزمایشگاهی یک سیستم فتوولتیک مستقل 2.32 kWp (SAPV) برای چهار نوع شرایط هوایی، توسط Chel و Tiwari انجام پذیرفته است. از تعداد روزها و توان تولیدی روزانه مربوط به 4 نوع شرایط هوایی در هر ماه، برای تعیین تولید ماهانه و سپس سالانه از سیستم SAPV موجود، استفاده شده است. سه شرایط بارگذاری با و بدون مبدل حرارتی زمین به هوا، در نظر گرفته شده است که برای سه فصل مانند تابستان، زمستان، و بارانی مناسب می باشد. تجزیه تحلیل هزینه چرخه عمر (LCC) برای سیستم SAPV نوعی موجود، به منظور تعیین هزینه واحد برق، انجام می شود. اثر میزان کاهش سالانه بازده ی سیستم PV نیز، ارایه شده است. آزمایش های عملیاتی و تحلیل های اقتصدای از سیستم پمپ گرمای منبع زمین افقی (GSPH)، توسط Esen ارایه شده است. سیستم GSHP، با روش های گرمایشی مرسوم (مقاومت الکتریکی، نفت کوره، گاز مایع، زغال سنگ و گاز طبیعی) در تجزیه تحلیل اقتصادی با استفاده از یک روش هزینه چرخه عمر سالانه، مقایسه شده است. نشان داده شده است که سیستم GSPH، دارای مزایای اقتصادی بهتری نسبت به پنج روش گرمایشی مرسوم نخست، می باشد. اگرچه، این سیستم، جایگزینی اقتصادی برای گاز طبیعی نیست. یک مقایسه فنی-اقتصادی دیگر بین یک سیستم پمپ حرارتی کوپل شده با زمین (GCHP) و سیستم حرارتی کوپل شده با هوا (ACHP)، توسط Esen، ارایه شده است. نتیاج آزمایش نشان می دهد که پارامترهای سیستم می توانند اثری مهم بر روی عملکرد آن داشته باشند، و اینکه سیستم های GCHP، دارای مزیت های اقتصادی بیشتری نسبت به سیستم های ACHP برای مقاصد سرمایش فضا، می باشند. یک تکنیک ساخت گرافیکی، به منظور پیگیری ترکیب آرایه PV و بانک باطری برای یک سیستم خورشیدی-بادی، توسط Borowy و Salameh، ارایه شده است. به ازای یک بار و LPSP داده شده، تعداد باطری ها و ماژول های PV _مبتنی بر کمینه هزینه سیستم_ محاسبه می شود. کمینه هزینه، در نقطه مماس منحنی نشان دهنده رابطه بین تعداد ماژول های PV و تعداد باطری ها، خواهد بود. یک روش گرافیکی دیگر، توسط Ai، Kaabeche و Markvart _به منظور طراحی بهینه یک سیستم تولید توان خورشیدی-بادی_ ارایه شده است. Tina، یک روش احتمالی مبتنی بر روش کانولوژن (Karaki) را، به منظور لحاظ کردن طبیعت نوسانی بودن منابع و بار، ارایه داده است؛ ازینرو _به منظور ارزیابی عملکرد بلند مدت یک سیستم هیبریدی خورشیدی-بادی، چه برای کاربردهای مستقل و چه برای کاربردهای متصل به شبکه_ نیاز به اطلاعات مربوط به سری زمانی نمی باشد. Yang، یک روش تعیین اندازه بهینه مبتنی بر الگوریتم ژنتیک را، با استفاده از اطلاعات هواشناسی سال، ارایه داده است. این مدل بهینه سازی، به منظور محاسبه پیکربندی بهینه سیستم _که می تواند با کمینه هزینه سالانه سیستم، به LPSP مطلوب برسد_ ارایه شده است. یک روش اکتشافی دیگر، مبتنی بر الگوریتم های تکاملی، توسط Ekren برای اندازه بهینه یک سیستم انرژی هیبریدی یکپارچه بادی-خورشیدی با ذخیره باطری، ارایه شده است. در این بررسی، تابع هدف، کمینه کردن هزینه ی کل سیستم انرژی هیبریدی می باشد. Bernal-Agustı´n، یک بهینه سازی چند-منظوره (انتشار CO2 در مقابل NPC) برای یک سیستم هیبریدی خورشیدی/بادی/دیزلی با ذخیره باطری، مبتنی بر الگوریتم های تکاملی چند-منظوره (MOEA)، ارایه داده است. یک بهینه سازی سه-منظوره، برای کمینه کردن همزمان هزینه کل، از طریق عمر مفید تاسیس، انتشار آلودگی (CO2) و بار تامین نشده، توسط Dufo-lopez و Bernal-Agustim ارایه شده است. برای این کار، از یک MOEAs و یک الگوریتم ژنتیک، به منظور یافتن بهترین ترکیب عناصر و استراتژی های کنترلی برای سیستم هیبریدی، استفاده شده است. طببق روش های ارایه شده توسط Chedid و Rahman و Yokoyama، اندازه بهینه منابع PV و بادی و باطری ها، با کمینه کردن تابع هزینه کل سیستم _با استفاده از روش های برنامه نویسی خطی_ تعیین می شود. هزینه کل، تشکیل شده از هزینه ی اولیه و نیز هزینه های عملکرد و تعمیر و نگهداری سالانه، می باشد. Yang، یک روش بهینه سازی تکراری را، بدنبال مدل احتمال از دست دادن منبع توان (LPSP)، برای سیستم بادی-خورشیدی هیبریدی، ارایه داده است. انتخاب تعداد ماژول PV، توربین بادی و باطری، از تامین شدن تقاضای بار_ طبق نیازهای قابلیت اطمینان توان_ اطمینان سازی کرده و هزینه های سیستم، کمینه می شود. یک روش بهینه سازی تکراری دیگر برای بهینه کردن اندازه ظرفیت مولفه های مختلف سیستم تولید توان فتوولتیک/بادی هیبریدی دارای یک بانک باطری، توسط Kaabeche ارایه شده است. این روش توصیه شده، مدل های فرعی سیستم هیبریدی، عیب احتمال منبع توان (DPSP)، و هزینه برق واحد همتراز شده (LUEC) را، لحاظ می کند. با روش بهینه سازی تکراری توصیه شده، بهینه سازی تعیین اندازه سیستم تولید توان خورشیدی/بادی هیبریدی مستقل-از-شبکه را می توان از لحاظ فنی و اقتصادی _طبق نیازهای قابلیت اطمینان سیستم_ انجام داد. بهمین سان، یک روش بهینه سازی تکراری برای سیستم بادی/فتوولتیک هیبریدی مستقل (HPWS) با ذخیره باطری، توسط Diaf ارایه شده است. هدف اصلی مطالعه ی ارایه شده، یافتن اندازه ی بهینه ی سیستم، توانایی تکمیل نیازهای انرژی یک توزیع بار داده شده برای سه مکان مستقر در جزیره کورس، و تحلیل اثر پارامترهای مختلف بر اندازه ی سیستم، می باشد. در این مقاله، یک مدل بهینه سازی سیستم هیبریدی خورشیدی/بادی _که از تکنیک بهینه سازی تکراری برای عیب احتمال منبع توان (DPSP)، توان تولیدی اضافی نسبی (REPG)، هزینه های جاری خالص کل (TNPC)، هزینه سالانه کلی (TAC) و تجزیه تحلیل فاصله برابر شدن سود و هزینه ی سیستم و قابلیت اطمیانان، استفاده می کند_ ارایه شده است. مدل توسعه داده شده، امکان محاسبه انرژی اضافی را هم فراهم می کند. پس، انرژی مازاد تولید شده را می تون برای تولید هیدروژن از الکترولایزر برای ذخیره دراز-مدت انرژی، استفاده کرده و ازینرو به بهبود بازده کل سیستم هیبریدی، کمک کرد. بعلاوه، یک تحلیل حساسیت برای درک کردن مهم ترین پارامترهای تاثیرگذار بر روی عملمرد اقتصادی سیستم هیبریدی، انجام پذیرفته است. یک کد نرم افزار شبیه سازی، برای تعیین اندازه عناصر سیستم، ارایه شده است تا تقاضای بار را به بهترین روش مقرون بصرفه، برآورده سازد.