سیستم های برق خورشیدی و نیروگاه خورشیدی نیروگاه خورشیدی

یک روش طراحی موثر برای نیروگاه‌های فتوولتائیک خورشیدی PV متصل به شبکه با وجود بانک باتری

خلاصه

این مقاله روشی را، به ویژه برای مناطق با پتانسیل انرژی خورشیدی، برای طراحی و توسعه موثر نیروگاه های فتوولتائیک خورشیدی یکپارچه با بانک های باتری متصل به شبکه برق به عنوان یک پشتیبان اضافی برای حفظ پایداری و قابلیت اطمینان مورد بحث قرار می دهد. برای اثبات اثربخشی این روش در استفاده از آن برای طراحی و توسعه سیستم پیشنهادی، شهر کینشاسا در جمهوری دموکراتیک کنگو با کسری انرژی عظیم (5425 مگاوات ساعت) به عنوان مطالعه موردی در نظر گرفته شده است. در واقع روش به کار گرفته شده در این مطالعه داده های آب و هوا، انتخاب مکان، تحلیل توان بار ساعتی و تقاضای انرژی، مشخصات فناوری های PV و سایر اجزای سیستم را در نظر گرفته است. تحلیل اقتصادی نیز برای ارزیابی قابلیت حیات سیستم پیشنهادی انجام شده است. با LCOE رقابتی، SPP کمتر از 10 سال، NPV˃0، SIR˃1، و ROI ˃10 درصد، و خروجی انرژی PV سالانه بیشتر از کسری انرژی شهر، سیستم پیشنهادی عملی و قابل اجرا است. در جستجوی عملکرد بهتر، راندمان بالاتر و ارزش اقتصادی بهتر، روش پیشنهادی به شدت توصیه می‌شود و می‌تواند به عنوان یکی از مؤثرترین و ساده‌ترین روش‌ها برای راه اندازی سیستم‌های نیروگاه خورشیدی PV در مقیاس بزرگ در نظر گرفته شود.

معرفی

موضوع تغییر اقلیم، کاهش پیش بینی شده منابع انرژی متعارف در سال های آینده، نگرانی در مورد آلودگی هوا ناشی از استفاده از این سوخت های متعارف و ناامنی انرژی از عوامل اصلی افزایش سهم بسیاری از کشورها از انرژی های تجدیدپذیر در خود است. (مینگ و همکاران، 2018). در سال 2015، حدود 86 درصد از مصرف انرژی در سراسر جهان از سوخت‌های معمولی تولید می‌شد (Musa et al., 2018)این سوخت ها جایگاه قابل توجهی در بخش انرژی برای بهبود رشد اقتصادی کشورها دارند، اما استفاده گسترده از آنها نگرانی های زیست محیطی را افزایش می دهد. به طور خاص، آلودگی هوا ناشی از استفاده گسترده از سوخت‌های فسیلی و تغییرات آب و هوایی مرتبط و گرمایش جهانی، مشارکت گسترده در سراسر جهان و پذیرش گسترده فناوری‌های انرژی‌های تجدیدپذیر را ضروری می‌کند. در نتیجه، ادغام نیروی الکتریکی مهار شده از باد، نور خورشید و انرژی آبی، به منظور پرداختن به این مسائل و پاسخگویی به تقاضای فزاینده انرژی در ساختمان‌ها، حمل‌ونقل و صنعت، یک الزام مطلق است (فاضل پور و همکاران، 2016; غنایی و همکاران، 2020). با این افزایش جهانی در مصرف انرژی، تحقیقات پیشرفته تری در زمینه انرژی های تجدیدپذیر بسیار مورد نیاز است و باید به طور مستمر توسط محققان در سراسر جهان انجام شود. این همچنین به مقابله با مشکلات زیست محیطی فزاینده در نتیجه سوخت های فسیلی کمک می کند. با توجه به این واقعیت که این منابع انرژی متعارف دیگر امیدی برای پوشش تقاضای روزافزون جهانی برای انرژی در دو دهه آینده که عمدتاً به دلیل تخلیه سریع منابع آنهاست، به نظر نمی رسد، افزایش نفوذ راه حل های انرژی پایدار ضروری است. به بخش برق نیروگاه‌های انرژی تجدیدپذیر که انرژی را به شیوه‌ای پاک از نظر زیست‌محیطی تولید می‌کنند، تعادل بین عرضه و تقاضای انرژی را حفظ می‌کنند، شبکه برق را با توجه به قابلیت اطمینان آن تثبیت می‌کنند و نیازهای بار را برای کاربردهای مسکونی، تجاری، حمل‌ونقل و صنعتی برآورده می‌کنند (Ghenai et al. ، 2020؛ ماهش و ساندو، 2015).

منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد، آبی و خورشیدی را می توان در بسیاری از نقاط جهان یافت، اگرچه پتانسیل منابع بسته به مکان متفاوت است. با این وجود، به نظر می رسد در دسترس بودن آنها برای بشریت از نظر مسائل زیست محیطی و همچنین به عنوان جایگزینی برای اهداف هزاره در آینده امیدوارکننده باشد. این اهداف شامل، اما نه محدود به کاهش/حذف انتشار گازهای گلخانه ای ناشی از انرژی الکتریکی تولید شده از منابع انرژی متعارف و همچنین وابستگی انرژی کشورها به این سوخت ها است. با این حال، در میان منابع تجدیدپذیر ذکر شده در بالا، باد و خورشید توسط اکثر محققان برای برآوردن نیازهای روزافزون انرژی در بسیاری از جوامع در سراسر جهان انتخاب می‌شوند. همانطور که مشخص است، تولید برق از یک فناوری خورشیدی به شدت به شدت خورشید بستگی دارد و تولید مورد انتظار ممکن است تنها با توجه به دقت پیش‌بینی آب و هوا برنامه‌ریزی شود (گیلانزا و همکاران، 2018؛ ماهش و ساندو، 2015). یکی از راه‌های غلبه بر ماهیت متناوب انرژی خورشیدی، استفاده از یک واحد ذخیره‌سازی یا ترکیب آن با یک منبع انرژی تجدیدپذیر دیگر با استفاده از قدرت یکی برای تکمیل ضعف دیگری است (گیلانزا و همکاران، 2018). این مطالعه یک سیستم هیبریدی را با استفاده از ترکیبی از سیستم‌های ذخیره‌سازی باتری با نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک PV در نظر می‌گیرد. سیستم‌های PV با ذخیره‌سازی، منبع تغذیه را قابل اطمینان‌تر می‌سازند و هر زمان که در طول تولید برق تغییری در تابش خورشیدی وجود داشته باشد، بانک‌های باتری سهم خود را برای متعادل کردن منبع افزایش می‌دهند. پایداری و قابلیت اطمینان «سیستم منبع تغذیه خورشیدی جدا از شبکه» به تأسیسات نیروگاه خورشیدی PV بزرگ و سیستم‌های ذخیره باتری بزرگ نیاز دارد. از سوی دیگر، در نظر گرفتن ذخیره سازی و باتری برای یک “سیستم نیروگاه خورشیدی متصل به شبکه” PV نیازهای ذخیره سازی را کاهش می دهد و امنیت و امکان سنجی تامین را بهبود می بخشد. چند مطالعه بر اساس مجموعه‌ای از ترکیبی از سیستم‌های برق متعارف و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر مانند نیروگاه خورشیدی PV، باد و آبی قبلاً برای جمهوری دموکراتیک کنگو(DRC) انجام شده است. هدف اصلی این مطالعات برآوردن نیازهای تقاضای توان بارهای خاص متصل و/یا غیر متصل به شبکه برق و در نتیجه بهبود قابلیت اطمینان آن سیستم ها بود.

کوساکانا و ورماک (2011) امکان استفاده از سیستم های هیبریدی PV-Wind را در DRC به عنوان راه حلی برای تامین برق تاسیسات مخابراتی از راه دور، به ویژه برای Mbuji-Mayi که در آن ژنراتور دیزلی در حال استفاده است، بررسی کردند. آنها در بررسی های خود نشان دادند که وجود منابع خورشیدی و بادی در تمام نقاط کشور می تواند پاسخگوی نیاز انرژی اپراتورهای شبکه باشد. بر اساس نتایج شبیه‌سازی به‌دست‌آمده از نرم‌افزار HOMER، با استفاده از نامطلوب‌ترین ماه برای اندازه‌گیری سیستم، سیستم قدرت هیبریدی پیشنهادی نسبت به سیستم دیزل ژنراتور مقرون به صرفه‌تر و از نظر زیست‌محیطی بهتر است. با این حال، با LCOE 0.26 $/kWh همانطور که توسط نویسندگان گزارش شده است، سیستم قدرت هیبریدی پیشنهادی آنها بسیار کمتر از نیروگاه های برق آبی Inga و Zongo امکان پذیر است.

Vermaak و Kusakana (2014) امکان استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر، اعم از سیستم نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک یا بادی، را برای توسعه و استقرار ایستگاه‌های شارژ برقی Tuk-tuk در مناطق روستایی و دورافتاده جمهوری کنگو بررسی کردند. نویسندگان در مطالعات خود از نامطلوب ترین ماه برای اندازه گیری اجزای سیستم استفاده کردند. در مطالعه آنها از نرم افزار HOMER برای انجام شبیه سازی ها با در نظر گرفتن متغیرهای ورودی اصلی استفاده شد. مانند منابع انرژی تجدیدپذیر، هزینه قطعات، مشخصات فنی و تقاضای بار.

کوساکانا و ورماک (2013) تحقیقاتی را در مورد امکان استفاده از سیستم‌های قدرت هیبریدی تجدیدپذیر به عنوان منابع اولیه انرژی برای تامین برق تاسیسات تلفن همراه در مناطق روستایی جمهوری کنگو انجام دادند. این مطالعات سه منطقه را شامل می شود، یعنی Kabinda، Mbuji-Mayi و Kamina که هنوز به شبکه برق ملی متصل نیستند. مناطق فوق با توجه به پتانسیل خوب خورشیدی و بادی به عنوان سایت آزمایشی برای انجام این تحقیقات انتخاب شدند. چهار گزینه مختلف شامل «سیستم PV-Wind هیبریدی»، «سیستم دیزل ژنراتور»، «سیستم نیروگاه خورشیدی PV و سیستم باد» پیشنهاد و مورد بررسی قرار گرفت. نتایج شبیه سازی سیستم هیبریدی PV-Wind پیشنهادی به دست آمده از نرم افزار HOMER با سایر گزینه های منبع تغذیه ذکر شده مقایسه شد. در طول عمر اقتصادی پروژه، سیستم هیبریدی PV-WIND پیشنهادی به‌عنوان اقتصادی و از نظر زیست‌محیطی بهترین در بین گزینه‌های در نظر گرفته شده بود. در این مطالعات، محققان همچنین سیستم‌هایی را پیشنهاد کرده‌اند که سیستم‌های انرژی مختلف را با یک سیستم دیزلی به عنوان یک پشتیبان قابل اعتماد ترکیب می‌کنند. اگرچه سیستم دیزل هزینه رقابتی انرژی را ارائه می دهد، اما دوستدار محیط زیست نیست زیرا انرژی را از سوخت های فسیلی تولید می کند. هنگامی که هزینه های دیگر در نظر گرفته شود، سیستم های تجدیدپذیر با باتری مقرون به صرفه تر می شوند. با این حال، پایداری و قابلیت اطمینان برای تامین برق تمیز و مقرون به صرفه به بار از طریق یک نیروگاه PV خورشیدی روی شبکه (با باتری) که از شبکه اصلی به عنوان پایه استفاده می‌کند، در ادبیات مربوط به مطالعات موردی انرژی در DRC یا جاهای دیگر مورد توجه قرار نگرفته است. آفریقا با این وجود، تعداد زیادی از مطالعات در سراسر جهان در مورد طراحی و توسعه سیستم های PV خورشیدی تاکنون توسط بسیاری از محققین انجام شده است (آدام و فاشینا، 2019؛ Ayodele و همکاران، 2019؛ Domínguez & Geyer، 2019؛ غفور و Munir، 2015؛ کمالی، 2016؛ Khatri، 2016؛ Kolhe و همکاران، 2015؛ Okoye & Oranekwu-Okoye، 2018؛ Owolabi و همکاران، 2019؛ Sharma و همکاران، 2019؛ Werulkar,20kar و Kul15.)

برخلاف روش‌های تحقیقاتی پیشنهاد شده در مطالعات قبلی برای نیروگاه‌های فتوولتاییک خورشیدی، روش پیشنهادی مصاحبه‌های نیمه ساختاریافته، داده‌های آب‌وهوای مکان، پارامترهای ضروری برای انتخاب مکان، عوامل تعیین‌کننده برای تخمین واقعی بار روزانه در یک مکان را در نظر می‌گیرد. بدون سوابق تقاضای انرژی، پروفیل های تقاضای برق و انرژی شهر (ساختمان های مسکونی، تجاری و صنعتی) به صورت ساعتی، روزانه و ماهانه. این روش همچنین مشخصات فناوری ها و سایر پارامترهای کلیدی تصمیم گیری را برای طراحی بهتر و تحلیل اقتصادی نیروگاه خورشیدی PV در نظر می گیرد. مقایسه‌های ماژول‌های PV انتخاب شده در رابطه با خروجی انرژی، PRنسبت عملکرد، CF ضریب ظرفیت، و LCOE هزینه یکسان‌سازی شده برق نیز ارائه شده‌اند.

اهداف این مطالعه عبارتند از:

ارائه یک روش طراحی موثر برای توسعه نیروگاه‌های خورشیدی PV خورشیدی با باتری‌های ذخیره‌سازی که به‌عنوان واحد پشتیبان/پایه به موازات شبکه موجود کار می‌کنند تا پایداری تامین و قابلیت اطمینان شبکه حفظ شود.
پتانسیل انرژی خورشیدی را در یک مکان ارزیابی کنید و سپس سهم آن در تامین برق را بررسی کنید.
انجام مطالعه امکان سنجی نیروگاه خورشیدی PV پیشنهادی برای تامین برق کینشاسا.
نشان دهید که چگونه “کارایی ماژول خورشیدی PV و تعیین زاویه شیب بهینه” در محل انتخاب شده، امکان به دست آوردن انرژی خروجی بهینه، PR و CF بالاتر و LCOE رقابتی را فراهم می کند.
تامین برق تمیز و مقرون به صرفه برای کینشاسا و رفع قطعی برق، کاهش بار و خاموشی در حال حاضر اکثر ساکنان و صنعت کینشاسا با آن مواجه هستند.
یک سیستم پشتیبان قابل اعتماد برای منبع تغذیه بدون وقفه پیشنهاد کنید.

داده‌های جمع‌آوری‌شده از منابع معتبر مختلف و آن‌هایی که بازسازی شده‌اند، بر اساس مصاحبه‌های نیمه ساختاریافته انجام‌شده با سهامداران کلیدی بخش برق DRC، در طراحی و تحلیل اقتصادی برای این مطالعه موردی مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته‌اند.

وضعیت برق در کینشاسا

کینشاسا، پایتخت جمهوری دموکراتیک کنگو، به شدت بر برق تولید شده در استان همسایه خود، کنگو مرکزی، برای تامین برق ساکنان و صنایع خود متکی است. منبع اصلی تامین برق در شهر انرژی آبی است که 98 درصد از کل مصرف برق را به خود اختصاص می دهد. تقاضای برق در شهر حدود 1000 مگاوات برآورد شد و تنها 45 درصد از این تقاضا توسط شرکت ملی تاسیسات (SNEL) تامین می شود. این باعث کسری برق برای برق می شود

روش شناسی

این مقاله یک رویکرد جدید از طریق یک روش طراحی موثر برای توسعه نیروگاه‌های PV خورشیدی با باتری‌های ذخیره‌سازی ارائه می‌دهد که به‌عنوان واحد پشتیبان/پایه به موازات ژنراتورهای برق موجود برای حفظ ثبات و قابلیت اطمینان عرضه می‌شوند. تازگی این مقاله بر روی یک روش مهندسی نهفته است که قادر به تعیین موثر خروجی انرژی PV و باتری “زمان واقعی”، نسبت عملکرد سیستم پیشنهادی، ضریب ظرفیت آن، NPV، LCOE و SPP با توجه به

نتایج و بحث

در این مطالعه، از ماژول‌های PV SunPower برای تامین برق شهر کینشاسا استفاده می‌شود تا کسری انرژی آن را پوشش دهد و وابستگی آن به منبع تغذیه نیروگاه‌های برق آبی Inga و Zongo را کاهش دهد. نیروگاه خورشیدی PV پیشنهادی برای تداوم تامین به باتری ها متکی است و از شبکه اصلی به عنوان نیروی پشتیبان دوم استفاده می کند. بر اساس محاسبات مهندسی، ظرفیت تولید مورد نیاز این نیروگاه فتوولتاییک 1560 مگاوات پیک برای تامین کسری انرژی 5425 مگاوات ساعت در روز مشخص شد.

نتیجه گیری و توصیه ها

این مقاله روشی مبتنی بر یک رویکرد ریاضی را مورد بحث قرار می‌دهد که می‌تواند در همه جای دنیا توسط نصاب‌های PV برای طراحی و توسعه نیروگاه‌های PV خورشیدی در مقیاس بزرگ، با تکیه بر باتری‌ها و شبکه اصلی برای تداوم و قابلیت اطمینان، استفاده شود. مطالعه انجام شده تاکیدی بر وضعیت برق شهر کینشاسا دارد که در آن تنها 45 درصد از مشتریان نهایی به برق دسترسی دارند. با وجود پتانسیل عظیم سیستم های برق آبی در کشور و کنگو

بیانیه مشارکت نویسنده CRediT

Arcell Lelo Konde داده‌ها را جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل کرد، تجزیه و تحلیل شبیه‌سازی و یافته‌های تحقیقاتی گزارش‌شده در این دست‌نوشته را انجام داد و نتایج را تفسیر کرد، کل محتوای این دست‌نوشته را نوشت و بازبینی‌های عمده‌ای را در این مقاله انجام داد. مصطفی دغباسی و مهمت کوسف کار را بررسی کردند و بر یافته‌های پژوهشی به‌دست‌آمده نظارت کردند تا مطمئن شوند که داده‌های جمع‌آوری‌شده، محتوا و ساختار این نسخه از استانداردهای انتشار پیروی می‌کند.

اعلامیه منافع رقابتی

نویسندگان اعلام می‌کنند که هیچ منافع مالی یا روابط شخصی رقیب‌ای ندارند که به نظر می‌رسد بر کار گزارش‌شده در این مقاله تأثیر بگذارد.

Arcell Lelo Konde دارای مدرک کارشناسی ارشد در مهندسی سیستم های انرژی از دانشگاه بین المللی قبرس با تخصص در سیستم های برق هیبریدی تجدید پذیر است. حوزه‌های تخصص او شامل انرژی‌های تجدیدپذیر، طراحی، مدل‌سازی، توسعه، بهره‌برداری، برنامه‌ریزی و راه‌اندازی سیستم‌های PV خورشیدی از کاربردهای برق کوچک تا مقیاس بزرگ، مزارع بادی و نیروگاه‌های برق آبی است.

نویسندگان: Arcell LeloKonde, MehmetKusaf, MustafaDagbasi

^{مترجم: مهدی پارساوند}