بایگانی برای دسته بندی: وبلاگ

چکیده

امروزه مشکلات محیط زیستی قابل توجه سوخت های فسیلی موجب شده است که توجه بسیاری از جوامع بشری به سمت استفاده از انرژی های تجدیدپذیر معطوف شود. در میان منابع انرژی تجدیدپذیر استفاده از انرژی خورشیدی و فناوری فتوولتائیک در سالهای اخیر رشد چشمگیری داشته است. استفاده از فناوری فتوولتائیک نیازمند مساحت زمین زیادی است و این امر موجب شده است که کشورهایی مانند چین به دلیل عدم وجود زمین کافی به استفاده از سیستمهای فتوولتائیک شناور روی بیاورند.  سیستمهای فتوولتائیک شناور مزایای متعددی از جمله بازده تولید انرژی الکتریکی بالاتر، کاهش تبخیر آب، بهبود کیفیت آب با جلوگیری از رشد جلبکها و نیاز به تمیزکاری کمتر را دارا میباشند. در این تحقیق به بررسی سیستمهای خورشیدی شناور به خصوص در ایران پرداخته شده است.  نتایج این بررسی نشان میدهد که راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی در سیستمهای فتوولتائیک شناور 10 الی 15 درصد بیشتر از سیستمهای روی زمین است.  همچنین بسته به میزان پوشش سطح آب توسط پنلهای خورشیدی شناور، استفاده از سیستمهای فتوولتائیک شناور میتواند موجب کاهش تبخیر آب تا 80 درصد شود.  از دیدگاه اکولوژیکی، در استفاده از پنلهای خورشیدی شناور باید میزان پوشش سطح آب مقداری بهینه باشد تا هم از رشد بی رویه جلبکها جلوگیری شود و هم جمعیت قابل قبولی از جلبکها که برای اکوسیستم آب ضروری است تأمین گردد . همچنین بررسی حاصل از مطالعات اقتصادی نشان میدهد که هزینه سرمایه گذاری نیروگاه های خورشیدی شناور تقریبا 25 درصد بیشتر از نیروگاه های خورشیدی روی زمین میباشد. در پایان، نتایج حاصل از این تحقیق نشان میدهد که استفاده از سیستم فتوولتائیک شناور در کشور ایران و به خصوص در مناطق جنوب کشور ارزشمند خواهد بود.

مقدمه

امروزه بیش از 81 درصد کل انرژی مصرفی جهان و بیش از 95 درصد انرژی مصرفی در ایران را سوخت فسیلی تأمین میکند. با این حال انرژی های فسیلی، بخصوص نفت و زغال سنگ، باعث ایجاد چالشهای گسترده زیست محیطی و اقتصادی برای کشورها و بطور کلی جوامع بشری شده اند . به عنوان نمونه مشکلاتی نظیر گرمایش زمین، آلودگی هوا و تغییرات آب و هوایی، ناشی از مصرف زیاد سوختهای فسیلی است. از طرفی مشکل آلودگی هوا نیز از طریق تأثیر بر سلامتی انسان و بسیاری از فعالیتها مانند کشاورزی میتواند هزینه های زیادی را به دولتها تحمیل کند.  با توجه به مشکلات مذکور سوختهای فسیلی، رشد تقاضای انرژی، استفاده بی رویه از منابع انرژی فسیلی و همچنین پایان پذیر بودن منابع نفتی و گازی کشور، میبایست از هم اکنون به فکر انرژیهای جایگزین بود. در حال حاضر مهمترین انرژیهای تجدیدپذیر دردسترس انرژی های باد، برق آبی، بایو مس و خورشیدی میباشند که در میان این منابع جایگزین، انرژی خورشیدی در سالهای اخیر مورد توجه بسیاری قرار گرفته است و با توجه به موقعیت جغرافیایی و شرایط اقلیمی ایران از پتاسیل بسیار بالایی جهت بومی سازی در کشور نیز برخوردار است. تبدیل تابش مستقیم خورشید به شکلی از انرژی که قابل استفاده باشد، به چندین روش قابل انجام است که یکی از مهمترین این روشها استفاده از سیستمهای فتوولتائیک می باشد.

رایگان و پایان ناپذیر بودن منبع انرژی خورشیدی، قابلیت استفاده در ظرفیتهای بالا، ذخیره سازی آسان، هزینه نگهداری و عملیاتی پایین و بی خطر بودن از نظر محیط زیستی موجب شده که در سالهای اخیر توجه ویژه ای به این سیستم های فتوولتائیک در جهان شود.  با وجود مزایای فراوان سیستمهای فتوولتائیک، استفاده از این سیستمها در کشورهایی که دارای زمین کافی برای احداث نیروگاه خورشیدی نمیباشند کمی چالش برانگیز است.  به طور کلی بازده پنل های خورشیدی نسبتا پایین و در حد 18 تا 21 درصد میباشد این بدین معنی است که برای یک نیروگاه 1 مگاواتی به زمینی به مساحت حداقل 15000 متر مربع نیاز است که این موضوع به خصوص برای کشورهای صنعتی و توسعه یافته شاید از نظر اقتصادی قابل قبول نباشد،  زیرا از زمین مورد نظر میتوان برای مصارف دیگر مانند کشاورزی استفاده کرد. یکی از راه حلهای موجود برای برطرف کردن این مشکل استفاده از سیستمهای فتوولتائیک شناور (FPV)بر روی سطح آب میباشد که در سالهای گذشته مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. در این روش از پنلهای خورشیدی بر روی سطح مخازن آب، تصفیه خانه ها، تالاب ها، دریاچه ها و … استفاده میشود.  استفاده از سیستمهای فتوولتائیک شناور دارای مزایایی مانند بازده بالاتر تبدیل انرژی خورشیدی نسبت به پنلهای روی زمین، کاهش تبخیر آب و کاهش رشد جلبک ها میباشد.  همچنین میتوان از سیستمهای خورشیدی شناور در ترکیب با نیروگاه های برق آبی استفاده کرد و از مزایای آن بهره برد. در این تحقیق به بررسی فنی و اقتصادی سیستم فتوولتائیک شناور و اثرات مثبت و منفی این سیستم بر محیط زیست پرداخته میشود.

 

سیستمهای فتوولتائیک شناور

به طور کلی سیستمهای فتوولتائیک از نظر مکان احداث به سه دسته تقسیم میشوند:

1. سیستم های فتوولتائیک روی زمین
2. سیستم های فتوولتائیک روی پشت بام
3. سیستمهای فتوولتائیک شناور که در این میان سیستمهای خورشیدی شناور از دو مورد دیگر فناوری جدیدتری میباشد . تکنولوژی پنل های شناور برای اولین بار در سال  2007 با احداث یک نیروگاه 20 کیلوواتی در آیچی ژاپن مطرح شد و پس از گذشت تنها دو سال ظرفیت تولیدی این فناوری در جهان به 1 مگاوات رسید . آمار نشان میدهد که در سال 2015 ظرفیت تولید سیستمهای فتوولتائیک شناور 65 مگاوات بوده است و این مقدار در سال 2017 و 2018 به ترتیب به 585 و 1100 مگاوات رسیده است که حاکی از رشد سریع این فناوری در سالهای اخیر میباشد.

 

همانطور که در شکل 1 مشاهده میشود پراکندگی فناوری سیستمهای خورشیدی شناور در جهان تا سال 2017 نشان میدهد که در این زمینه کشور چین پیشقدم بوده و 76 % از ظرفیت تولید موجود را به خود اختصاص داده است. پس از چین، ژاپن و آسیای شرقی )به ویژه کره جنوبی( عملکرد خوبی در این زمینه داشته اند.  اخیرا کشورهایی مانند هند و کشورهای نواحی استوایی نیز در این بخش سرمایه گذاری زیادی داشته اند. بزرگترین نیروگاه پنل های خورشیدی شناور در دنیا در سال 2017 با ظرفیت 40 مگاوات در شهر هواینان در کشور چین افتتاح شد )شکل . ( 2  این نیروگاه از 160 هزار پنل خورشیدی که به یکدیگر متصل شده اند تشکیل شده است و مساحتی معادل 800 هزار متر مربع از سطح یک دریاچه مصنوعی را پوشش میدهد و قادر به تأمین برق یک شهر کوچک و نیاز حدود 15000 خانوار میباشد . در ایران نیز کاربرد سیستمهای خورشیدی شناور شامل موارد محدودی میباشد. یکی از این موارد نیروگاه خورشیدی شناور در مجتمع پتروشیمی مهاباد میباشد.  ظرفیت این نیروگاه روزانه 200 کیلو وات ساعت است، که در صورت تکمیل طرح و اجرای فاز دوم، این ظرفیت به نیم مگاوات برق هم میرسد.  از مزایای این طرح علاوه بر جلوگیری از تبخیر آب، بهبود 15 درصدی خنک کاری در سطح آب است.  همچنین این نیروگاه خورشیدی قرار است در فاز دوم برق مورد نیاز 400 خانوار روستایی را تأمین کند )”شبکه اطلاع رسانی نفت و انرژی شانا,” 1399 (. این پروژه نشان میدهد که در صورت توسعه نیروگاه های خورشیدی شناور در کشور میتوان از ظرفیت آنها برای تولید برق مورد نیاز مجتعهای صنعتی کشور نیز استفاده کرد.

 

شکل 1 : پراکندگی فناوری سیستم های خورشیدی شناور در جهان

 

 

 

شکل 2 : بزرگترین نیروگاه خورشیدی شناور در چین

 

 

شکل 3 پراکندگی نیروگاه های خورشیدی شناور را بر اساس ظرفیت نیروگاه نشان میدهد که مشاهده میشود بخش اعظم ظرفیت تولیدی موجود مربوط به نیروگاه های دارای ظرفیت بالای 15 مگاوات میباشد که این امر بیان کننده قابلیت استفاده از این فناوری در مقیاس های بزرگ است.

 

شکل 3 : توزیع نیروگاه های خورشیدی شناور در دنیا بر اساس ظرفیت نیروگاه

 

 

استفاده از پنلهای شناور فقط محدود به دریاچه ها نمیشود بلکه در هر جایی که آب موجود باشد مانند تصفیه خانه های آب و پساب، مخازن آب، کانال ها و … میتوان از این سیستم استفاده کرد. با توجه به امکان خنک سازی پنلها توسط آب موجود، بازده پنلهای شناور میتواند 10 تا 12 درصد از پنلهای زمینی بالاتر هم برود. این مورد در تحقیق ساکرامنتو و همکاران نیز تأیید شده است، نتایج این تحقیق نشان میدهد که استفاده از پنل های شناور به طور میانگین موجب افزایش 5 / 12 درصدی بازده تبدیل انرژی خورشیدی میگردد ( do Sacramento et al., 2015 ). سیستمهای خورشیدی شناور با پوشش سطح آب از تبخیر آب نیز جلوگیری میکنند. از نظر تمیزکاری نیز از آن جایی که پنلهای شناور از خشکی دور هستند مشکل نشستن گرد و خاک بر آنها را بر خلاف پنل های زمینی نخواهیم داشت و به همین دلیل تمیزکاری کمتری نیاز خواهند داشت _ _Gorjian et al., 2021 در کنار تمام مزایایی که پنلهای شناور دارند، این سیستمها دارای معایبی نیز میباشند. برای مثال املاح موجود در آب میتواند بر اجزای سازنده و عملکرد پنل خورشیدی اثر منفی داشته باشد و موجب خوردگی شود، تمیزکاری و سرویس پنلهای شناور ممکن است سخت تر باشد و همچنین انتقال ایمن انرژی تولیدی از سیستم های شناور به زمین چالش برانگیز خواهد بود. در استفاده از پنلهای شناور در دریا و آب های آزاد باید به این نکته توجه کرد امواج دریا و جذر و مد میتواند اثرات مخرب بر عملکرد سیستم داشته باشد و در نتیجه نیازمند هزینه ها و نظارت بیشتر خواهد بود.

 

3 – آثار زیستی و محیط زیستی سیستم های فتوولتائیک شناور

 

 1-3 – تبخیر آب

طبق آمارها، متوسط میزان بارندگی سالانه جهان حدود 850 میلیمتر و این مقدار در ایران 250 میلیمتر و چیزی کمتر از یک

سوم متوسط میزان بارندگی سالانه جهان است. این در حالی است که متوسط ظرفیت تبخیر سالانه در جهان 700 میلیمتر و

در ایران برابر با 2100 میلیمتر است و این موضوع نشان میدهد که تبخیر سالانه در ایران سه برابر متوسط تبخیر سالانه جهانی است لذا محدودیت و کمبود منابع آبی در ایران نسبت به جهان بسیار حاد و جدی تر است )”بحران تبخیر و هدر رفت آب در ایران و راهکارهای مقابله با آن “(. با توجه به مشکل کمبود آب در کشور میتوان گفت که مهمترین مزیت سیستم های خورشیدی شناور برای کشور ما جلوگیری از تبخیر آب در اثر پوشش سطح آب توسط پنل ها میباشد که به حفظ منابع آب کشور )از جمله مخازن سدها( کمک بسیاری میکند. استفاده از پنل های شناور موجب میشود سرعت باد روی سطح آب به شدت کاهش پیدا کند علاوه بر این میزان انرژی دریافتی توسط آب به دلیل جذب توسط پنل ها بسیار کم میشود از طرفی تابش فروسرخ ناشی از گرم شدن پنل بیشتر از سطح روی آن که به رنگ سیاه است منتشر میشود تا سطح پشتی سفید.  همه این عوامل روی هم رفته موجب میگردد که تبخیر آب کاهش پیدا کند و این به حفظ منابع آب کمک بسیاری مینماید.  نتایج تحقیقات گذشته نشان میدهد که با پوشش سطح 80 تا 95 درصد، تبخیر آب به اندازه 50 تا 80 درصد کاهش پیدا میکند.( P. Rosa-Clot, 2020)

بر اساس مطالعات انجام شده توسط اسکاوو و همکاران، تنها پوشاندن 30 درصد از سطح حوضچه ها به کمک پنلهای خورشیدی میتواند تا 49 درصد از تبخیر آب جلوگیری کند  (Scavo, Tina, Gagliano, & Nižetić, 2020). همچنین در تحقیق دیگری که در استرالیا انجام شده است، به کمک مدل Penman-Monteith کاهش 90 درصدی تبخیر آب به واسطه پوشش سطح آب توسط پنلهای شناور تخمین زده شده است .

 

2-3 – اثر گلخانه ای

به طور کلی میتوان گفت پنلهای خورشیدی 95 تا 97 درصد تابش خورشید )مستقیم و پخشی( را جذب میکنند، این موضوع

تبعاتی را برای موازنه انرژی کره زمین دارد زیرا میزان جذب انرژی توسط پنلهای خورشیدی بیشتر از سطح زمین می باشد. از

تمام انرژی ای که پنلها دریافت میکنند تنها 10 تا 20 درصد آن تبدیل به الکتریسیته میگردد و بخش اعظم آن 90 – 80

درصد صرف گرم کردن پنل میشود که این انرژی در نهایت به صورت تابش فروسرخ ) گرما(  منتشر شده و جذب این تابش

توسط گازهای گلخانه ای موجب افزایش گرمایش زمین میگردد.  علی رغم اینکه استفاده از انرژی خورشیدی و کاهش مصرف

سوخت های فسیلی خود تأثیر بسزایی در کاهش گرمایش زمین دارد، اما باید به موضوعِ اثر گلخانه ای سیستم های معمول

فتوولتائیک نیز توجه کرد. چراکه اگر چه در حال حاضر سهم آن در گرمایش جهانی ناچیز میباشد اما با توجه به توسعه روزافزون استفاده از پنلهای خورشیدی و سرمایه گذاری های زیاد در این زمینه احتمال افزایش سهم این تکنولوژی در گرمایش جهانی وجود دارد. یکی از بهترین راه حلها برای برطرف کردن این مشکل استفاده از پنلهای شناور است زیرا درصد بازتاب نور آب، پایین و تقریبا هم اندازه پنل های خورشیدی میباشد. در نتیجه استفاده از این پنلها بر روی سطح آب تغییر قابل توجهی در موازنه انرژی جهانی ایجاد نمیکند( P. Rosa-Clot, 2020 .)

 

3-3 – بررسی آثار سیستم فتوولتائیک بر اکولوژی آب

در استفاده از سیستمهای خورشیدی شناور، اکولوژی آب موضوعی است که حتما باید به آن توجه شود. یکی از مشکلاتی زیستی که مخازن آب و دریاچه سدها با آن روبه رو هستند رشد جلبکها است.  به طور کلی جلبکها برای رشد خود نیاز به CO2، نور و مواد مغذی )عمدتا فسفر و نیتروژن( دارند . لذا میتوان گفت که تحت تابش خورشید رشد آنها بیشتر نیز میشود. جلبکها از طریق تولید اکسیژن به بهبود کیفیت آب کمک میکنند اما رشد و افزایش جمعیت بیش از حد آنها مشکلاتی را نیز ایجاد میکند . به طور کلی جلبکها عمر کوتاهی دارند و پس از مرگ توسط میکروارگانیزم های موجود در آب تجزیه میشوند، طی فرایند تجزیه جلبکها اکسیژن آب مصرف شده و در نتیجه شرایط بی اکسیژنی ایجاد میشود. تجزیه جلبکها علاوه بر رها کردن مواد سمی مشکلاتی از جمله کاهش تنوع زیستی آب، مرگ برخی از آبزیان، ایجاد رنگ و بوی نامطبوع و نیاز به تصفیه آب را با خود به همراه دارد،. استفاده از پنلهای شناور مشکل جلبکها را به طور کامل حل نمیکند اما تا حدی میتواند این اثر را با جلوگیری از رسیدن نور خورشید کاهش دهد. البته از طرفی وجود مقدار قابل قبولی از جلبکها و میکروارگانیزم ها برای اکوسیستم آب ضروری است و این میکروارگانیزم ها برای فعالیت و ادامه حیات خود نیازمند دریافت نور خورشید هستند. لذا سطحی از آب که تحت پوشش پنلهای خورشیدی قرار میگیرد باید مقداری بهینه داشته باشد تا هم از کمبود اکسیژن و پیامدهای آن جلوگیری شود و هم سطح مناسبی از جلبک را تأمین کند . درصد پوشش پیشنهادی سطح مخازن سدها توسط پنلها میتواند چیزی در حدود 40 تا 60 درصد باشد که غلظت قابل قبولی از جلبکها را تأمین میکند و هم از هدر رفت انرژی جلوگیری میکند ( Gorjian et al., 2021; P. Rosa-Clot, 2020 .)

 

4-3 – بررسی سازگاری مواد مورد استفاده در سازه شناور با محیط زیست

علاوه بر توجه به موادی مانند کادمیوم، کروم و سرب که در ساخت پنلهای خورشیدی استفاده میشوند و دارای پتانسیل

آلایندگی و اثرات مخرب زیست محیطی میباشند، در استفاده از پنل های شناور حتی در مواردی که پوشش سطح آب کم باشد باید به موادی که از آنها برای ساخت سازه شناور زیرین نیز استفاده میشود توجه کرد و کیفیت آب را همواره به طور دقیق کنترل نمود . سه ماده اصلی که برای ساخت این سازه ها استفاده میشوند عبارتند از: پلی اتیلن دانسیته بالا  HDPE ، فولاد گالوانیزه و آلومینیوم.  در واقع تماس مستقیم با آب عمدتا از طریق لوله های HDPE که به عنوان سازه شناور عمل میکنند و سازگاری خوبی با محیط زیست دارند، اتفاق می افتد و آهن گالوانیزه )یا آلومینیوم( در تماس مستقیم با آب نیست، اما به چندین دلیل مانند باران یا امواج، قطعات فلزی و پنلها توسط آب مرطوب شده و میتوانند مقادیر کمی از مواد محلول در آب را آزاد کنند. آهن گالوانیزه برای جلوگیری از خوردگی توسط لایهای از زینک پوشش داده میشود. مقداری از این لایه زینک در اثر تماس با آب سال به سال در آب حل میشود که البته مقدار آن ناچیز بوده و مقادیر استانداردی از آن برای بدن انسان لازم است در نتیجه به نظر نمیرسد مشکلی ایجاد کند اما با این وجود نیاز به نظارت بر آن وجود دارد .

 

4 – ترکیب نیروگاههای برق آبی با سیستم های خورشیدی شناور

امکان ترکیب سیستم های خورشیدی شناور با نیروگاه های برق آبی میتواند بسیار جذاب باشد زیرا خشکسالی و نوسانات الگوی بارندگی تأثیر زیادی بر ظرفیت تولید نیروگاههای برقآبی دارد. یکی از راه حلهای پیشنهادی برای برطرف کردن این مشکل ترکیب نیروگاههای برقآبی با سیستمهای خورشیدی شناور که بخشی از دریاچه سد را پوشش میدهند، میباشد. در فصل تابستان در کشور ما نیز نیروگاههای برقآبی کشور به دلیل میزان تبخیر بالای آب دچار مشکلاتی میشوند لذا نصب پنلهای خورشیدی شناور بر روی دریاچه سد میتواند یک راهکار مناسب برای برطرف کردن مشکلات نیروگاه ها باشد، زیرا پوشش سطح آب مخزن سد با پنلها موجب میشود که تا حد زیادی از تبخیر آب جلوگیری شود. از طرف دیگر، بهره برداری از تولید الکتریسیته توسط سیستم های خورشیدی موجب میشود که در مصرف آب نیز صرفه جویی شود چرا که میتوان ظرفیت تولید نیروگاه و در نتیجه مصرف آب را در زمان فعالیت سیستم های خورشیدی کاهش داد . در تحقیقی که توسط کازانیگا و همکاران انجام شده است عملکرد 20 نیروگاه برق آبی و اثر ترکیب آنها با پنل های شناور بررسی شده است.  نتایج این تحقیق نشان میدهد که پوشش 10 درصد از سطح مخازن نیروگاه های برق آبی موجب افزایش ظرفیت تولیدی به میزان حداقل 65 درصد میشود، همچنین میزان تبخیر نیز بالای 18 درصد کاهش پیدا میکند . در پژوهش دیگری نیز که توسط سیلوِریو  و همکاران انجام شده است، نشان داده شده است که با پوشش 6 / 2 درصد از سطح مخزن یک نیروگاه برق آبی در برزیل بوسیله پنل های شناور میزان 4 / 18 مگاوات در سال به ظرفیت تولیدی نیروگاه اضافه میشود . مزیت دیگری که احداث سیستم خورشیدی بر روی مخازن سدها دارد این است که ساختار پنلهای شناور موجب کاهش تشکیل امواج شده و در نتیجه فرسایش دیواره های مخزن سد را کاهش میدهد. البته این اثر محدود به سطح پوشیده شده است که به طور معمول درصد کمی از سطح مخزن است، اما از اهمیت ویژه ای برخوردار است چرا که پنلها باید در فاصله ای نه چندان دور از سازه سد واقع شوند، جایی که احتمال فرسایش مخزن بیشتر است.

 

5 – بررسی اقتصادی

ظرفیت تولید نیروگاه های خورشیدی شناور به سبب داشتن خاصیت خنک کنندگی آب و تأثیر آن بر روی تعدیل دمای سطح

پنل های خورشیدی، میتواند تا 15 درصد بیشتر از نیروگاه های عادی و مرسوم باشد و این خود به تنهایی میتواند دوره بازگشت سرمایه را کوتاه تر نماید.  به دلیل وجود بسیاری از زیرساخت های لازم در سدها و نیروگاه های برق آبی هزینه سرمایه گذاری برای احداث سیستم خورشیدی شناور تا حد زیادی کاهش پیدا میکند . همچنین استفاده از پنل های شناور

نه تنها احتمال قرار گرفتن صفحات خورشیدی در معرض آلاینده های هوا همچون گرد و غبار را کمتر میکند بلکه هزینه تمیز

کردن این صفحات را نیز تا حدودی کاهش میدهد. اما به طور کلی هزینه سرمایه گذاری سیستم های خورشیدی شناور بیشتر از سیستم های زمینی است زیرا سیستم های شناور علاوه بر تهیه پنل ها نیازمند صرف هزینه هایی برای نصب سازه شناور، سیستم نگهدارنده ، کابل ها و متصل کننده ها و دیگر تجهیزات الکتریکی مانند اینورترها و باتری میباشد و با توجه به اینکه کابل ها و متصل کننده هایی که در آب قرار میگیرند باید خاصیت ضد آب داشته باشند، این مورد میتواند هزینه بیشتری را نسبت به پنل ها ی زمینی تحمیل کند . در پژوهشی که در سال 2020 انجام شده است، گزارش شده است که هزینه سرمایه گذاری ثابت سیستم های خورشیدی شناور 25 درصد بیشتر از سیستم های زمینی میباشد که این افزایش هزینه ها عمدتا ناشی نصب سازه های شناور و نگهدارنده میباشد . همچنین در گزارشی که در سال 2019 منتشر شده است عنوان گردیده است که هزینه سرمایه گذاری سیستم های خورشیدی شناور بسته به موقعیت مکانی پروژه، عمق منبع آب و تغییرات عمق متغیر بوده و در بازه 2 / 1 – 8 / 0 دلار به ازای هر وات میباشد. شکل 4 میزان سرمایه گذاری کشورهای مختلف را در پروژه های متفاوت در سالهای 2018 -2014 نشان میدهد.

 

شکل 4 : میزان سرمایهگذاری در پروژههای نیروگاههای خورشیدی شناور در کشورهای مختلف دنیا

 

همانطور که در شکل 4 مشاهده میکنیم با این که ظرفیت تولیدی نیروگاه های ژاپن کمتر از چین میباشد، اما هزینه

سرمایه گذاری آنها خیلی بیشتر از کشور چین است.  این امر نشان میدهد که موقعیت مکانی نیروگاه های ژاپن سرمایه گذاری بیشتری را می طلبد در حالی که چین به دلیل داشتن موقعیت مکانی و جغرافیایی بهتر متحمل هزینه های کمتری میشود . لذا جهت برآورد هزینه های سرمایه گذاری، منطقه مطالعاتی مورد نظر باید به طور دقیق بررسی و ارزیابی شود .

 6 – نتیجه گیری

توسعه روزافزون استفاده از انرژی های تجدیدپذیر و وجود مشوق های فراوان در راستای استفاده از انرژی پاک موجب شده است که توجه بسیاری از جوامع بشری به سمت از استفاده از انرژی خورشیدی و فناوری فتوولتائیک جلب شود . در این میان نیروگاه های خورشیدی شناور فرصت تازه ای را برای افزایش ظرفیت تولیدی فناوری فتوولتائیک فراهم نموده است. در این پژوهش سیستم های خورشیدی شناور از دیدگاه فنی، اقتصادی و محیط زیستی بررسی شدند.  مطالعات فنی و محیط زیستی نشان می دهد که بازده تولیدی سیستم های خورشیدی شناور به دلیل خاصیت خنک سازی آب موجود در حدود 10 تا 15 درصد بالاتر از سیستم های مستقر روی زمین میباشد . همچنین پنل های خورشیدی شناور کمک فراوانی به کاهش تبخیر آب میکنند به صورتی که گزارش ها حاکی از کاهش 50 تا 80 درصدی تبخیر آب میباشد که این مورد برای ایران که با مشکل کم آبی مواجه است بسیار حائز اهمیت میباشد.  پوشش سطح آب توسط پنل های خورشیدی و عدم نفوذ نور به درون آب موجب کاهش رشد جلبکها شده و از اثرات مخرب آنها بر کیفیت آب جلوگیری میکند اما باید توجه کرد که حضور جمعیت قابل قبولی از جلبک ها و میکروارگانیزم ها برای اکوسیستم آب ضروری است لذا باید درصد بهینه ای از سطح مخزن آب توسط پنلها پوشش داده شود تا نور کافی به درون آب برسد؛ این مقدار برای مخازن سدها در حدود 40 تا 60 درصد سطح دریاچه میباشد.

مواد مورد استفاده در سازه های شناور عمدتا از ترکیباتی میباشند که مشکلات زیست محیطی قابل توجهی ایجاد نمیکنند اما با این وجود نیاز به نظارت بر کیفیت آب به علت در تماس بودن با این مواد وجود دارد . امکان استفاده از پنلهای خورشیدی شناور در نیروگاه های برق آبی از دیگر مزایای قابل توجه این فناوری است که موجب صرفه جویی در مصرف آب نیروگاه و افزایش ظرفیت تولیدی میگردد به طوری که پوشش سطح تنها 10 درصد از مخازن نیروگاه های برق آبی منجر به افزایش 65 درصدی ظرفیت تولیدی میگردد. بررسی های اقتصادی نشان میدهد که هزینه سرمایه گذاری سیستم های خورشیدی شناور با توجه به موقعیت مکانی پروژه، عمق منبع آب و تغییرات عمق متغیر و در محدوده 8 / 0 تا 2 / 1 دلار به ازای هر وات تولیدی می باشد اما میتوان گفت که به طور کلی هزینه سرمایه گذاری نیروگاه خورشیدی شناور در حدود 25 درصد بیشتر از نیروگاه خورشیدی زمینی میباشد.  با توجه به نتایج حاصل از مطالعات صورت گرفته باید گفت که به دلیل مزایای ویژه سیستم های فتوولتائیک شناور برای کشور ما یعنی کاهش تبخیر و افزایش ظرفیت تولیدی برق کشور، این فناوری نیازمند توجه بیشتری در کشور میباشد و امید است این پژوهش در این زمینه مفید واقع شود.

 

تهیه و تنظیم مقاله

 

مهندس حامد شوهانیان
بخش مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی نفت و گاز، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

دکتر مهرزاد فیلی زاده
استادیار، بخش مهندسی شیمی، دانشکده مهندسیشیمی نفت و گاز، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

مهندس سعید حیدری کوچکی
بخش مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی نفت و گاز، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

مهندس فرید عطار
بخش مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی نفت و گاز، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

 

 

شیوه افزایش نیروگاه گازی : نیروگاه گازی بر اساس سیکل برایتون کار می‌کند. جهت افزایش راندمان نیروگاه گازی روش هایی قابل انجام است:

روش اول: هوای ورودی به کمپرسور (سیکل پیچیده ترشده، اما راندمان بالا می‌رود.)

حالت اول: دود باهوا به ورودی کمپرسورکنار یکدیگر قرار گرفته که در این صورت راندمان تجهیزات به شدت افت می‌کند.

حالت دوم: باروش ذیل راندمان ۱ الی ۲ درصدقابل افزایش است؛ (هوای ورودی به اتاق احتراق گرم می‌شود)

روش دوم: توربین دو مرحله ای (Double stage turbine) زیاد شدن راندمان مستلزم هزینه تولید بخار زیاد و تجهیزات گران‌قیمت آن است.

روش سوم: کمپرسور دومرحله‌ای (two-stage) که در محیط های با دمای زیر صفر مورد استفاده قرار میگیرد. در واقع هر چه دمای ورودی کمپرسور پایین ترباشد، راندمان نیروگاه گازی بیشتر است.

شیوه افزایش نیروگاه گازی > بالاترین راندمان نیروگاه گازی حدودا معادل ۳۵ % می باشد که شامل نیروگاه گازی دارای کمپرسور دومرحله‌ای توربین دومرحله‌ای و پیش گرم کن می‌باشد.

نیروگاه گازی در واقع به معنای سوخت گاز نیست، بلکه توربین آن گاز می باشد و سوخت آن مایع یا گازوئیل است که اکثریت آن گازوئیل است. در کشور ایران به دلایل زیاد بودن سوخت گازوئیل، نیروگاه گازی با سوخت گازوئیل استفاده می شود. ولی در کشورهای اروپایی به دلیل زیاد بودن سوخت جامد، نیروگاه گازی با سوخت جامد استفاده می شود. که به آن نیروگاه گازی سیکل بسته نامیده می شود. هوای داغ ناشی ازاحتراق راداخل گرم کن می‌چرخانیم وبعد هوارابیرون می‌فرستیم.
ملاحظه می‌شود که هوای داغ ناشی از احتراق داخل توربین می‌شود. لذامی توان ازسوخت جامد استفاده کردکه این نوع ساده‌ترین نوع نیروگاه گازی سیکل بسته می‌باشد.

منبع: برق نیوز

تجهیزات نیروگاه گازی : نیروگاه گازی یا نیروگاه گاز طبیعی، نیروگاه حرارتی است که برای تولید برق گاز طبیعی می سوزاند. نیروگاه های گاز طبیعی تقریباً یک چهارم برق جهان و بخش قابل توجهی از انتشار گازهای گلخانه ای جهانی و در نتیجه گرم شدن کره زمین تولید می کنند. با این حال آنها می توانند تولید فصلی قابل انعطاف را برای تعادل بخشیدن به انرژی تجدید پذیر متغیر در جایی که انرژی برق یا اتصال دهنده های برق در دسترس نیست فراهم کنند.

بنابرابن نیروگاه گازی نوعی نیروگاه سوخت فسیلی است که در آن انرژی شیمیایی ذخیره شده در گاز طبیعی که عمدتا متان است، به طور متوالی به انرژی گرمایی، مکانیکی و در نهایت انرژی الکتریکی تبدیل می شود. اگرچه آنها برای تبدیل انرژی گرمایی به کار مفید نمی توانند از حد چرخه کار نو عبور کنند، اما گرمای بیش از حد ممکن است در نیروگاه های تولید همزمان برای گرم کردن ساختمان ها، تولید آب گرم یا گرم کردن مواد در مقیاس صنعتی استفاده شود.

تجهیزات نیروگاه گازی

در حقیقت مهم ترین بخش تجهیزات نیروگاه های گازی توربین گاز است.

 

توربین گاز

توربین گازی قطعه ای از تجهیزات نیروگاه گازی است که با استفاده از گاز داغ تولید شده توسط سوزاندن هوای فشرده و سوخت، توربین را می چرخاند و جز equipment اصلی تجهیزات نیروگاه های سیکل ترکیبی و تولید همزمان است. با توجه به افزایش تمایل به حفظ محیط زیست و مسائل مربوط به بار تولید برق در سالهای اخیر، انتظار می رود که تقاضا برای توربین های گازی با عملکرد بالا، قابلیت اطمینان، تنوع سوخت و کاهش انتشار سمی افزایش یابد.

 

بازده توربین گاز

در حقیقت بخش زیادی از انرژی در توربین گاز از بین می‌رود. به همین سبب، دلایلی چون خروج گاز با دمای زیاد، صرف حدود دو سوم توان توربین در کمپرسور و نمیتوان از سوخت جامد استفاده کرد و باعث می‌شود که توربین گاز بازده پایینی داشته باشد. از پارامترهای مؤثر بر بازده چرخه توربین گاز (چرخه برایتون Brayton Cycle) می‌توان به نسبت فشار یا نسبت تراکم کمپرسور، دمای محیط، دمای احتراق و بازده کمپرسور اشاره کرد. بر همین جهت می‌توان راه‌های زیر را در جهت افزایش بازده توربین گاز پیشنهاد داد:

• افزایش دمای ورودی به توربین گاز
  افزایش بازده توربین و کمپرسور
  اصلاح چرخه توربین گاز
  بهبود مقاومت مواد مورد استفاده در توربین و کمپرسور در برابر دما
  بهبود راه‌های خنک‌کاری توربین
  طراحی‌های جدید توربوماشین‌ها
  بهبود روش‌های نگهداری کمپرسورها و توربین‌ها

 

 

 

کمپرسور

به انگلیسی: Compressor یک دستگاه مکانیکی است که با کاهش حجم گازها، فشار آن‌ها را افزایش می‌دهد. در برخی دستگاه‌ها و ماشین‌آلات، کمپرسورها هوا را فشرده کرده و به قسمت احتراق می‌فرستند.

از کمپرسورها برای فشرده‌کردن گازها استفاده می‌شود. در حقیقت کمپرسورها با صرف انرژی مکانیکی، سیال را با سرعت به درون خود مکیده، آن را فشرده می‌کنند. در اثر این عملیات، دمای گازی که فشرده می‌شود نیز افزایش می‌یابد. معمولاً گاز پرفشار خروجی از کمپرسورها را از یک سیستم خنک‌کننده عبور می‌دهند تا دمای گاز کاهش یابد. انواع گوناگونی از کمپرسور وجود دارد که برای مصارف صنعتی و عمومی طراحی شده‌اند. کمپرسور هوا گونه ای از کمپرسورها می‌باشد.

کمپرسورها به دو نوع دینامیکی (Dynamic) و جابه‌جایی مثبت (Positive Displacement) تقسیم می‌شوند. کمپرسورهای دینامیکی خود به دو نوع «جریان محوری» (Axial) و «جریان شعاعی» (Radial Flow) تقسیم می‌شوند.

 

محفظه احتراق

در حقیقت وظیفه اصلی یک اتاق احتراق دریافت هوای فشرده از خروجی کمپرسور و انجام عمل احتراق کامل روی سوخت‌های وارد شده به آن، به شکل مداوم است. به منظور دستیابی به این هدف، طراحان اتاق‌های احتراق در توربین‌های گاز مدل‌های مختلفی را طراحی می‌کنند. در طراحی یک اتاق احتراق پارامترهای متعددی چون اطمینان از احتراق کامل سوخت، ایجاد فضای مورد نیاز در کوچکترین حجم ممکن، افت فشار کم، توزیع درجه حرارت یکسان در خروجی اتاق احتراق، کنترل دمای قطعات به کار رفته در ساختمان یک اتاق احتراق، پایداری شعله، عدم تشکیل کک و سایر اکسیدهای سوخت، حداقل بودن گازهای سمی در محصولات احتراق در نظر گرفته می‌شود. عموماً انواع متداول آن‌ها در صنعت به صورت‌های زیر می‌باشد:

از یک اتاق احتراق بزرگ که به شکل عمودی نسبت به شفت قرار دارد، استفاده می‌شود.

از دو اتاق احتراق نسبتاً بزرگ در دو طرف توربین و به صورت افقی نسبت به زمین قرار دارند.

از یک محفظه احتراق بزرگ و مشعل در مرکز قرار گرفته‌است.

از تعدادی اتاق احتراق حلقوی در دور تا دور کمپرسور با تعداد زیادی از نازل سوخت پاش استفاده می‌شود.

 

دیگر تجهیزات توربین نیروگاه گازی

تا این قسمت مقاله، تجهیزات اساسی توربین گاز را معرفی کردیم. دیگر بخش‌های متصل به توربین گاز عبارتند از:

پره‌های هدایت‌کننده هوای ورودی
اگزوز
اجزای راه‌اندازی شامل: دیزل (راه انداز اولیه)، مبدل گشتاور، رچت، کلاچ راه‌انداز و جعبه‌دنده کمکی
محور توربین
محور کمپرسور
محور ژنراتور
جعبه‌دنده بار
یاتاقان‌ها