طراحی مفهومی نیروگاه تولید همزمان شامل توربین گاز، انرژی بادی، خورشیدی، زیست توده و سیستم آب شیرین کن

چکیده

از روشهای مقابله با اثرات آلودگی و تغییرات اقلیمی، افزایش راندمان سیکل های نیروگاهی با استفاده از ترکیب انرژی های تجدیدپذیر به عنوان جایگزینی برای سوخت های فسیلی است.  امروزه تکنولوژی های متنوعی در زمینه افزایش بهره روی نیروگاه ها به وسیله ترکیب سوختهای فسیلی با انواع انرژیهای تجدیدپذیر در مقیاس های کوچک ارائه شده است.  یکی از این تکنولوژی ها استفاده از سیکل تولید همزمان برق و حرارت است که مانع از اتلاف حرارت زیاد در سیکل معمولی توربین گاز شده و راندمان کلی نیروگاه را بالا می برد . البته تامین آب شیرین در مناطق گرمسیری ایران نیز از دیگر مشکلات مهم پیش رو است که با توجه به تغییرات آب و هوایی نیازمند توجه روز افزون است . به همین منظور در این پژوهش با بررسی نمونه های واقعی و امکان سنجی های موجود در مقالات و با در نظر گرفتن امکانات موجود در ایران، طراحی ماژولار یک نیروگاه ترکیبی انرژی های تجدیدپذیر با تولید همزمان و آب شیرین کن انجام شده است. در این طراحی یک ماژول توربین گاز برای بخش تولید همزمان برق و حرارت، کلکتورهای خورشیدی با قابلیت افزایش دمای سوخت پیش از ورود به محفظه احتراق و با قابلیت استفاده در سیستم آب شیرین کن تقطیری خورشیدی، به همراه پنل های فتوولتاییک برای استفاده در سیستم آب شیرین کن از نوع اسمز معکوس در نظر گرفته شده است . بخش بادی شامل توربین باد و بخش مکمل زیست توده به همراه گازی ساز برای تولید بیوگاز و تزریق آن به سوخت میباشد. در نهایت، دیاگرام طراحی پیشنهادی در دو شهر کیش و شیراز با بررسی داده های تابش سالیانه خورشید و وزش باد ارائه شده است.

مقدمه

امروزه به علت مشکلات محیط زیستی مرتبط با انتشار گازهای آلاینده و کاهش ذخایر سوختهای فسیلی، منابع تجدیدپذیر انرژی بسیار مورد توجه قرار گرفته اند . انرژی حاصل از باد، خورشید، زمین گرمایی و زیست توده از جمله این منابع هستند که در مقایسه با زغال سنگ، نفت، گاز و سایر سوختهای تجدید ناپذیر، آلودگی بسیار کمتری داشته و منابع پاک انرژی محسوب میشوند و در مقیاس زمانی انسانی نیز به طور طبیعی قابلیت جایگزینی دارند. اما منابع تجدیدپذیر انرژی نیز مشکلاتی از قبیل هزینه اولیه بالا و متناوب بودن انرژی تولیدی دارند . با توجه به پیشرفتهای تکنولوژیک، هزینه ساخت نیروگاه های تجدیدپذیر به طور قابل توجهی کاهش پیدا کرده است اما برای رفع مشکل پیش بینی ناپذیری انرژی های تجدیدپذیر و وابستگی آنها به شرایط محیطی و اقلیمی، راهکارهای متعددی پیشنهاد شده است. یکی از این راهکارها استفاده از سیستم های ترکیبی انرژی های تجدیدپذیر است.

انعطاف پذیری بالای این سیستمهای ترکیبی آنها را برای استفاده در مناطق دوردست نیز مناسب میکند. تولید همزمان یا CHP  شامل تولید همزمان چند نوع انرژی قابل استفاده  )معمولاً مکانیکی و گرمایی(  در یک سیستم یکپارچه است. در تکنولوژی تولید همزمان، حرارت قابل استفاده و انرژی الکتریکی در یک پروسه و با بازدهی بالا به صورت همزمان تولید میشوند . در روشهای معمول 60 درصد انرژی تولید شده به شکل بخار هدر میشود اما در این سیستم، حرارت همزمان با انرژی الکتریکی جذب شده و مورد استفاده قرار میگیرد که این کار باعث افزایش بازدهی سیستم تا 80 درصد میگردد.

یک واحد تولید همزمان شامل اجزا و تجهیزات مختلفی است که نوع آنها تاثیر قابل توجهی در نحوه کارکرد و ظرفیت نیروگاه دارد.  محرکهای اولیه ، تجهیزات بازیافت حرارت ، تجهیزات الکتریکی و تجهیزات کنترلی مهمترین قسمتهای یک نیروگاه تولید همزمان را تشکیل میدهند.  چهار نوع محرک اولیه شامل توربین گاز، توربین بخار، پیل های سوختی و موتورهای رفت و برگشتی در سیستم های تولید همزمان کاربرد دارد. با در نظرگرفتن اهداف طراحی، محرک اولیه از نوع توربین گازی انتخاب میشود . هدف از پژوهش طراحی یک نیروگاه دوستدار محیط زیست است پس باید تا حد امکان آلودگی کمتری ایجاد شود . از سوی دیگر، دسترسی به انرژی های باد و خورشید متغیر با شرایط آب و هوایی است و در مناطق مختلف نیز احتمال دسترسی به حجم بالای زیست توده اندک است. در چنین شرایطی و در زمان پیک بار، گاز به سرعت میتواند وارد مدار شود و کمبود انرژی را برطرف نماید . از دیگر مزایای توربین گازی تعداد تجهیزات کمتر نسبت به توربین بخار و تولید میزان حرارت بالا است که حرارت یا برق تولیدی در انواع سیستمهای آب شیرین کن میتواند مورد استفاده قرار گیرد.

مرور برخی نمونه های سیستم های ترکیبی مشابه

در این بخش دو نمونه از نیروگاه های ترکیبی انرژیهای تجدیدپذیر مورد بررسی قرار میگیرند.

نیروگاه بادی تولید همزمان اس سی جانسون     (SC Johnson Waxdale powerplant)

کارخانه تولیدی اس سی جانسون از گاز طبیعی و گاز حاصل از لندفیل ها برای نیروگاه تولید همزمان خود استفاده میکند. استفاده از گازحاصل از لندفیل که در محلی نزدیک به همان کارخانه تولید میشوند باعث کاهش تولید گازهای گلخانه ای میشود.  این کارخانه شامل دو توربین است که توربین اول با گاز متان حاصل از لندفیل کار میکند و سوخت توربین دوم مخلوطی از گاز طبیعی و گاز لندفیل است. بخشی از گاز لندفیل استفاده نشده در توربین اول میتواند در توربین دوم مورد استفاده قرار گیرد که عموما 5 الی 10 درصد سوخت توربین دوم را تشکیل میدهد . حرارت تولیدی که در یک سیستم معمولی در زمان تولید برق هدر میرود، در این سیستم توسط بازیاب حرارتی تبدیل به بخار فشار بالا میشود که برای گرمایش و فرایندهای تولید کارخانه مورد استفاده قرار میگیرد.

در ابتدا کارخانه فقط شامل یک توربین 3,2 مگاواتی بود که با گاز حاصل از لندفیل که عمدتا از متان تشکیل شده است کار میکرد. در سال 2005 ، یک توربین 3,2 مگاواتی ساخت شرکت سولار با سوخت گاز طبیعی به مجموعه اضافه شد. توربین دوم، نیروگاه تولید همزمان ۴ 6, مگاواتی، بار پایه موردنیاز برای مجموعه کارخانه به مساحت 2,2 میلیون مترمربع فراهم میکند.

مشخصات این دو توربین به شرح جداول زیر است:

سال 2012 دو توربین بادی هرکدام با توان 1,5 مگاوات نیز به مجموعه اضافه شدند که منجر شد کارخانه اس سی جانسون بتواند به کمک این مجموعه کل برق موردنیاز خود را در محل تولید کند.

طراحی نیروگاه مقیاس کوچک ترکیبی انرژیهای تجدیدپذیر و واحد آب شیرین کن

در اقلیم های گرم و مرطوب به علت نیاز به تجهیزات خنک کننده، الکتریسیته اصلی ترین منبع انرژی موردنیاز است . نواحی دورافتاده در مناطق گرم و مرطوب معضل تامین پایدار برق و تهیه آب شیرین دارند . بسته به نوع فرآیند، از انرژی الکتریکی یا حرارت برای تهیه آب شیرین از دریا استفاده میشود که در صورت تهیه برق اضافی میتوان از سیستم های آب شیرین کن به عنوان روشی برای استفاده از برق اضافی تولید شده و ذخیره آن بصورت آب استفاده کرد.  سیستم های آب شیرین کن عموما به منبعی پیوسته از انرژی و جریانی پیوسته از آب نیازمند هستند.  البته در سیستم اسمز معکوس برخی فرآیندها میتوانند بطور ناپیوسته و نیمه بار کار کنند بدون اینکه به تجهیزات آب شیرین کن آسیبی وارد شود . به دلیل پایین بودن میزان پیک بار و دشواری حمل و نصب تجهیزات بزرگ، فقط توربین های بادی مقیاس کوچک  )بین100 تا 300 کیلووات(  قابلیت نصب در جزیره را دارند . از جمله مواردی که در انتخاب نوع توربین در این منطقه باید مدنظر قرار گیرد مقاومت نسبت به طوفان است و بر همین اساس توربینNW29  با توان 225 کیلووات و سرعت قطع پایین m/s ۴ انتخاب شده است.

جدول 2 مشخصات منطقه برای طراحی نیروگاه مقیاس کوچک و تولید برق و آب

فیلتراسیون و نمک زدایی حرارتی دو رویکرد در واحدهای آب شیرین کن هستند که در روش حرارتی میتوان از کلکتورهای خورشیدی جهت استفاده از انرژی خورشید برای تقطیر آب استفاده کرد . از آنجایی که روش حرارتی خورشیدی نیز نیازمند نصب کلکتورهای خورشیدی در مساحتی به اندازه000 ۴ مترمربع از منطقه است، نهایتا این روش از نظر هزینه مناسب این منطقه نمیباشد. زمانی که هزینه برق پایین است MVC  یا روش متراکم سازی مکانیکی بهترین روش برای استفاده در آب شیرین کن است چون هیچ حرارتی را مصرف نمیکند و در قیمت های بالاتر برق، RO بهترین روش خواهد بود . باتوجه به دلایل ذکر شده، برای این جزیره نهایتا روش MVC مناسب است که این فرآیند با ظرفیت نامی 180 / day قادر به تولید 150 / day آب خواهد بود. هزینه ذخیره سازی آب کمتر از ذخیره سازی برق است، بنابراین تولید آب در زمانی که برق اضافی تولید میشود از جمله مزایای نصب سیستم آب شیرین کن است.  در مناطقی با این اقلیم عموما از تانکرها جهت ذخیره آب استفاده میشود که حداکثر ظرفیت 300 مترمکعب را دارا هستند.

معرفی ماژول های استفاده شده در طراحی

در این بخش با هدف طراحی ماژولار یک نیروگاه مقیاس کوچک دور از شبکه، ماژول های مختلف براساس تجهیزات موجود در داخل کشور انتخاب میشوند. با توجه به نمونه های بررسی شده، توربین گازی انتخاب شده از نوع Solar Centaur 40TM است که از توربین های گازی موجود در داخل ایران است.  از سایر دلایل انتخاب این توربین قابلیت استفاده از سوخت ترکیبی گاز طبیعی با گاز لندفیل )با بیش از 50 درصد متان ( به میزان حدود 5 الی 10 درصد کل سوخت طبق نمونه کارخانه اس سی جانسون است.

ماژول توربین بادی

مزایای استفاده از توربین بادی در سیکل تولید همزمان شامل افزایش راندمان و قابلیت اطمینان و تامین منبع انرژی از منابع دوستدار محیط زیست است . با در نظرگرفتن نسبت ظرفیت بخش تولید همزمان به بخش بادی در نمونه های بررسی شده، ظرفیت پیشنهادی حدودی استخراج شده است.  برای مثال در کارخانه اس سی جانسون با داشتن دو توربین گازی 3,5 مگاواتی به منظور تامین کل برق موردنیاز کارخانه دو توربین بادی مجموعا به ظرفیت 3 مگاوات نصب شده است. اما در این طرح پیشنهادی صرفا به ترکیب دو نوع انرژی اکتفا نشده و به همین منظور توان توربین بادی به میزان بسیار کمتری ) 250 کیلووات ( و با توجه به ظرفیت توربین های بادی رایج در کشور انتخاب شده است . با توجه به دلایل ذکر شده توربین بادی 250 کیلوواتی مدل Wind World W3000 که هم اکنون در تعدادی از نیروگاه های کشور استفاده میشود انتخاب شده است . با در نظر گرفتن بار پایه موردنیاز در هر منطقه، میتوان به تعداد لازم از این توربین های بادی در کنار سیستم تولید همزمان و پنل های فتوولتاییک استفاده کرد . از دیگر علل انتخاب این توربین سرعت قطع پایین  2m/s آن است. چون مناطقی که برای طراحی درنظر گرفته شده میانگین سرعت وزش باد بالایی ندارند.

از انرژی الکتریکی حاصل از ماژول بادی میتوان جهت تامین برق مدار استفاده کرد . بطور کلی توربین های بادی حرکت هوا را به انرژی چرخشی تبدیل میکنند تا به کمک آن انرژی مکانیکی تولیدشده را به یک ژنراتور هدایت و انرژی الکتریکی تولید کنند. توربین ها عمدتاً توسط نیروی پسا و یا توسط نیروی برآ رانده میشوند و این نوسانات و تغییرات سرعت باد نیازمند یک سیستم کنترلی است . سیستم های کنترلی قادرند که توان باد موجود را با نیروی الکتریسیته سیستم آب شیرین کن مطابقت داده و اضافه توانی که در اثر سرعت بسیار زیاد باد حاصل میشود را به سیستم آب شیرین کن انتقال دهند و بدین ترتیب عملکرد پایدار ایجاد کنند که به طور معمول از یک سیستم باتری برای ایجاد این عملکرد پایدار استفاده میشود . در صورت تولید برق اضافی نیز میتوان آن را بصورت آب شیرین ذخیره کرد که این نوع ذخیره سازی بسیار راحت تر و کم هزینه تر از ذخیره برق به وسیله تجهیزات ذخیره سازی است و به تامین آب شیرین محل نیز کمک میکند . از انرژی باد میتوان در فناوری های RO و MED استفاده نمود، اما بیشتر کاربردهای آن مختص فناوری RO است . این فناوری کمترین میزان نیاز به انرژی را دارد که می تواند توسط منابع تجدیدپذیر تامین شود.  همچنین فناوری RO احتیاج به فضای کمتری داشته و فرآیند ساخت آن ساده تر است که به علت همین ویژگیها، RO برای نصب در مناطق دورافتاده و محلهایی که تقاضای آب آنها به طور مداوم تغییر میکند مناسب است.

ماژول خورشیدی

برای استفاده از انرژی خورشیدی تکنولوژیهای مختلفی ابداع شده است . از پراستفاده ترین تکنولوژی ها پنل های فتوولتاییک و سیستم های حرارتی خورشیدی شامل متمرکزکننده های خورشیدی  و کلکتورهای خورشیدی هستند . استفاده از تکنولوژی های حرارتی خورشیدی به صورت ترکیبی با سوختهای فسیلی و سایر انرژیها مزایای قابل توجهی به ارمغان می آورد . به علت کاهش هزینه ها و عدم نیاز به ذخیره ساز در نیروگاه های خورشیدی از یک سو و کاهش مصرف سوخت در نیروگاه های فسیلی و کاهش تولید آلاینده ها از سوی دیگر، ترکیب این دو روش گزینه ایده آلی به نظر میرسد.  در این تکنولوژی، دمای سیال در حال حرکت حتی تا 500 درجه سانتیگراد بسته به سیال مورد استفاده افزایش می یابد . در صورت استفاده از روغن حداکثر دمای سیال 390 درجه سانتیگراد و در صورت استفاده از آب یا نمک مذاب 500 درجه سانتیگراد خواهد بود.

کشور ایران دارای پتانسیل عظیمی برای استفاده از انرژی خورشیدی است . ایران با عرض جغرافیایی24  تا 40 درجه ی شمالی در منطقه ی بسیار مناسبی برای دریافت انرژی خورشیدی قرار دارد. تغییرات تابشی در ایران بین 8,2 kWh/  در روز در جنوب شرقی تا 5,4 kWh/    در یک روز نواحی مرکزی ایران متغیر است و طبق محاسبات میزان ساعات تابش مناسب خورشید در ایران بیش از 2800 ساعت در سال است . به همین منظور ضرورت استفاده از این پتانسیل عظیم به کمک تکنولوژی های مختلف خورشیدی احساس میشود.  از جمله محدودیت های فنی موجود در این راه عدم وجود زمین کافی برای نصب کلکتورها یا پنل های خورشیدی است.  جدول زیر رابطه بین توان لازم و مساحت اشغال شده توسط پنل های فتوولتاییک را برحسب پنلهای موجود در بازار ایران )حدود 320 وات( و شرایط تابش در ایران با شبیه سازی توسط نرم افزار PVsyst در شرایط مختلف بیان میکند.

طبق جدول 3 واضح است که پنل هایی با توان کمتر مساحت بیشتری را اشغال میکنند و رابطه خطی بین توان پنل و زمین اشغالی وجود دارد . برای این طراحی زمین مورد استفاده پنل ها صاف فرض شده است.

ماژول زیست توده

ایران دارای پتانسیل قابل توجهی در زمینه استفاده از زیست توده به عنوان منبع انرژی است . محدودیت مهم در استفاده از زیست توده، حجم بالای سوخت موردنیاز است.  انتقال و سوزاندن این حجم بالا هزینه گزافی داشته و گاها در تامین منبع پایداری از انرژی مشکل ایجاد میشود. در نتیجه انتخاب زیست توده به عنوان سوخت مکمل در کنار سایر بخشها از جمله تولید همزمان و یا انرژیهای تجدیدپذیر مثل باد جهت رفع نوسانات گزینه ایده آلی به شمار میرود.  اما از آنجاکه برای تولید مقدار اندک انرژی حجم بسیار زیادی از زیست توده موردنیاز است درنتیجه توان تولیدی زیست توده را محدود و نقش زیست توده را به عنوان مکمل در نظر می گیریم.  از روشهای استفاده از زیست توده تولید بیوگاز به کمک هاضم بی هوازی است. در حال حاضر در ایران دستگاههای تولید بیوگاز در تهران، شیراز، مشهد، ساوه و اصفهان ساخته شده یا در حال ساخت هستند . از روشهای بهره گیری از زیست توده در طراحی پیشنهادی، تزریق زیست توده به هاضم است تا نهایتا بیوگاز تولید شده 5 الی 10 درصد کل سوخت تزریق شده به محفظه احتراق را تشکیل دهد.  دبی هوای خروجی از کمپرسور در سیکل برایتون با توربین گازی Solar Centaur 40TM  به میزان  18.7 kg/sو دبی مخلوط سوخت و هوای خروجی از توربین 18,9 kg/s است. بنابراین دبی سوخت تزریق شده به محفظه احتراق 0,2 kg/s است که 5 الی 10 درصد آن را می توان به وسیله بیوگاز تامین کرد.  میزان بیوگاز تولید شده بسته به نوع زیست توده متفاوت است.

ماژول آب شیرین کن

امروزه با توجه به تغییرات اقلیمی و کمبود آب شیرین بخصوص در مناطق گرمسیری، تقاضا برای آب شیرین روند صعودی دارد و نمک زدایی و استفاده مجدد از آب، روشی پایدار برای مواجه با بحران بی آبی یه شمار میرود . برای تولید آب شیرین روشهای مختلفی در ترکیب با انرژیهای تجدیدپذیر ابداع شده است . نمک زدایی خورشیدی میتواند به روش مستقیم با استفاده از کلکتورهای خورشیدی و یا به روش غیرمستقیم از جمله تقطیر ناگهانی چند مرحلهای MSF ، فشرده سازی بخار VC که زیرمجموعه روشهای  MVC است ، اسمزمعکوس RO ، تقطیر غشایی MD ، تقطیر چندمرحله ای MEDو الکترودیالیز با کلکتورهای خورشیدی صورت گیرد.  روشهای مستقیم نسبت به روشهای غیر مستقیم به زمین بیشتری نیاز داشته و بازدهی کمتری دارند ولی با این حال در مقیاس کوچک روشهای مستقیم به دلیل سادگی و هزینه عملیاتی کمتر نسبت به سایر روشها مزیت رقابتی دارند.

در میان فناوریهای خورشیدی حرارتی، استخرهای خورشیدی و کلکتورهای سهموی از رایجترین روشها برای شیرین سازی آب شور به شمار میروند.  در آب شیرین کن های خورشیدی فرایند تبخیر مهم ترین قسمت است که توسط کلکتورهای خورشیدی انجام میشود و به همین منظور انتخاب یک کلکتور مناسب بسیار حائز اهمیت است. کلکتورهای سهموی میتوانند در روشها و فناوریهای مختلف شیرین سازی آب مورد استفاده قرار گیرند، ولی در عمل از این روش به دلیل تولید حرارت و همچنین برق، به صورت گسترده در فرآیندهای تقطیر حرارتی استفاده میشود چون ترکیب این روش با فناوریهایی که نیاز به حرارت بالا ندارند ممکن است مفید نباشد . هزینه عملیاتی این روش به صورت مستقیم به میزان حرارت تولیدی بستگی دارد. در میان جاذبهای خورشیدی، استخرها و صفحات تخت از جمله روشهای ارزان و کلکتورهای سهموی از روشهای گران محسوب میشوند.

در جایی که قیمت زمین گران نیست و زمین زیادی در دسترس است، استخر های خورشیدی به دلیل هزینه عملیاتی کم و توانایی ذخیره سازی انرژی به روشهای دیگر ترجیح داده میشوند و به همین دلیل زمانیکه انرژی حرارتی مورد نیاز نیست، تولید برق با استفاده از استخرهای خورشیدی از نظر اقتصادی قابل توجیه است.  به همین صورت زمانیکه زمین گران است و یا به برق و حرارت بالا نیاز است، جاذبهای سهموی به سایر روشها ترجیح داده میشوند.  در نهایت تصمیم گیری و انتخاب روش مناسب به میزان زیادی به شرایط محل مورد نظر بستگی دارد. استفاده از سیستم نمکزدایی تقطیری خورشیدی به علت کمبود فضا به خصوص در محیطهای شهری و حتی در مناطق دورافتاده، باعث ایجاد مشکل شده و حتی استفاده از آن را ناممکن و غیراقتصادی میکند . در آب شیرین کن های خورشیدی انجام عمل تبخیر با راندمان مناسب بسیار مهم میباشد که این عمل توسط کلکتور خورشیدی در سیستم انجام میشود . هزینه آب شیرین کن های RO نیز در طی 15 سال گذشته به میزان قابل توجهی کاهش یافته است و استفاده از این تکنولوژی در ترکیب با انرژی های تجدیدپذیر باعث کاهش بیشتر هزینه ها خواهد شد. نهایتا از میان تکنولوژی های مختلف شیرین سازی آب با انرژی های تجدیدپذیر، درمقیاس کوچک پراستفاده ترین آنها یعنی سیستم اسمزمعکوس انتخاب شده است که قابلیت ترکیب با توربین بادی و پنلهای فتوولتاییک را دارد. در واقع در یک سیستم ترکیبی بادی خورشیدیRO ، انرژی مورد نیاز پمپ فشار سیستم اسمز معکوس، توسط توربین بادی و پنلهای فتوولتاییک تأمین میشود.

یافته ها

کشور ایران دارای چندین نوع اقلیم مختلف با آب وهوای متفاوت است و ارائه صرفا یک نوع طراحی پاسخگوی نیاز همه نقاط کشور نیست . به همین منظور و با کمک اطلاعات هواشناسی نقاط مختلف ایران برگرفته از نرمافزار RETScreen Expert ، طراحی ماژولار پیشنهادی برای نیروگاه ترکیبی ارائه شده است.

طراحی نیروگاه ترکیبی تولید همزمان خورشیدی، زیست توده و آب شیرین کن در شهر شیراز

طبق استانداردهای بین المللی، اگر میانگین انرژی تابشی خورشید در یک روز بالاتر از 3,5 کیلووات ساعت در مترمربع باشد، استفاده از تکنولوژیهای انرژی خورشیدی نظیر کلکتورهای خورشیدی یا فتولتاییک مقرون به صرفه است.  در بسیاری از نقاط ایران، انرژی تابشی خورشید بسیار بالاتر از میانگین بین المللی است و در برخی نواحی حتی ۷ یا 8 کیلووات ساعت بر مترمربع اندازه گیری شده است که نشان دهنده پتانسیل بالای ایران برای استفاده از انرژی خورشیدی است . به طور متوسط انرژی تابشی خورشید بر سطح سرزمین ایران حدود 4.5 کیلووات ساعت در مترمربع در یک روز است که طبق داده های نرم افزار RETScreen Expert ، میانگین انرژی تابشی خورشید در سطح شهر شیراز d)  KWh/(5.48 است و واضح است که این رقم از میانگین کشوری بالاتر است.

شهر شیراز دارای پتانسیل عظیمی برای استفاده از انرژی خورشیدی و انرژی زیست توده با توجه به زیرساختهای موجود در این شهر از قبیل یک نیروگاه 250 کیلوواتی متشکل از کلکتورهای خورشیدی به همراه یک نیروگاه زیست توده با توان حدودا 1 مگاوات است )سازمان انرژیهای نو ایران  1393 (. نیروگاه زیست توده شیراز از گاز لندفیل پسماندهای شهری برای تولید برق استفاده کرده و با مصرف بیش از ۴ میلیون مترمکعب زیستگاز در یک سال میتواند تا حدود 8 هزار مگاوات برق تولید کند. در کنار این زیرساختهای موجود و به منظور کاهش هزینه احداث میتوان یک نیروگاه ترکیبی تولید همزمان با توربین گاز Solar Centaur 40TM   3,2 مگاواتی راه اندازی کرد که بصورت مکمل از بیوگاز در فرایند احتراق خود و از انرژی خورشیدی در سیکل ترکیبی برای افزایش راندمان و یا سایر کاربردهای حرارتی استفاده میکند.

نیروگاه حرارتی خورشیدی موجود در شیراز با توان 250 کیلووات متشکل از 48 عدد کلکتور در 8ردیف 6 تایی است . طول هر کلکتور 25 متر و دهانه آن 4.3 متر است و مایع استفاده شده روغن با دمای کارکردی  275 درجه سانتیگراد است. میتوان با استفاده از ظرفیت فعلی نیروگاه دمای گاز پیش از ورود به محفظه احتراق را به 390 درجه سانتیگراد رساند که باقی دما تا رسیدن به دمای ورودی توربین گاز توسط محفظه احتراق تامین میگردد. از آنجاییکه زیرساختهای مربوط به کلکتورهای خورشیدی از قبل در این شهر وجود دارند، بنابراین استفاده از سیستم نمکزدای تقطیری خورشیدی به جهت استفاده از حرارت تولید شده توسط کلکتورها و سوزاندن بیوگاز توجیه پذیر است . همچنین در صورت تولید مازاد حرارت میتوان با تصفیه آب و ذخیره آن به نحوی از حرارت تولید شده استفاده کرد.

برای طرح پیشنهادی، 250 کیلووات یعنی کل ظرفیت نیروگاه کلکتور خورشیدی فعلی شیراز در نظر گرفته میشود که با توجه به ابعاد داده شده معادل حدود 5200 مترمربع است.  با توجه به اندازه های داده شده برای پنلهای معمولی فتوولتاییک و به جهت تولید 200 کیلووات برق، حدود 2000 متر مربع زمین در نظر گرفته میشود . به منظور کاهش هزینه و زمین موردنیاز جهت نگهداری از زیست توده، محل نیروگاه تا حد امکان نزدیک به لندفیل و یا نیروگاه فعلی زیست توده شیراز فرض شده است.

برای احداث نیروگاه در شهر شیراز محدودیت فضا در نظر گرفته نشده است . نهایتا میتوان نیروگاه ترکیبی خورشیدی زیست -توده تولید همزمان با اختصاص زمینی به مساحت حداقل7000 مترمربع با دیاگرامی مطابق شکل ۴ با ظرفیت توان حدود 3650 کیلووات احداث کرد که برای رسم دیاگرام از مراجع  Antonio M. and Pantaleo S. M., 2017  ،  Antonio M. and Pantaleo S. M., 2020   و M. Hassan, 2018  استفاده شده است.

طراحی نیروگاه تولید همزمان بادی، خورشیدی، زیست توده در کنار آب شیرین کن در جزیره کیش

با توجه به نمودارهای شکل 5 ، این جزیره پتانسیل خوبی برای نصب توربین های بادی در کنار تولید همزمان و سیستم آب شیرین کن جهت تامین برق و حرارت و آب منطقه دارد . علاوه بر این، با استفاده از زیست توده نه تنها مکملی برای تولید انرژی فراهم میشود بلکه مشکل دفع زایدات در جزیره نیز برطرف میگردد . از جهت مناسب بودن برای نصب توربین باد، میانگین سرعت باد در منطقه مطابق شکل زیر 3.1 m/s است. میانگین سرعت باد در ایران 2.4 m/s و میانگین سرعت باد در مزرعه بادی منجیل 3,5 m/s  است بنابراین با مقایسه میتوان دریافت که این جزیره پتانسیل خوبی برای استفاده از انرژی بادی دارد.

از سوی دیگر مشاهده میشود که سرعت باد در ماه های مختلف تغییرات شدیدی ندارد که این مسئله نکته مثبتی برای این منطقه به حساب می آید.  بیشترین سرعت متوسط باد در فصل بهار، یعنی ماههای مارچ و آپریل که حدودا ماههای فروردین و اردیبهشت را شامل میشود مشاهده شده است، اما در سایر ماهها نیز شرایط مناسبی از نظر وزش باد برقرار است.  میانگین انرژی تابشی خورشید نیز در سطح شهر کیش 5.6 KWh/d) است که نشان دهنده پتانسیل موجود برای نصب پنلهای فتوولتاییک است اما فرض میشود که این جزیره فضای کافی برای نصب کلکتورهای خورشیدی را ندارد و به همین دلیل به نصب پنلها با توان کلی 100 کیلووات اکتفا شده است.

برای تعیین نوع سیستم آب شیرین کن این نکته باید مورد توجه قرار گیرد که برای تامین آب شیرین در مقیاس کوچک، بهترین گزینه استفاده از روش اسمز معکوس است که برای این روش برق موردنیاز را میتوان به کمک سیکل تولید همزمان و توربین های بادی و پنل های فتوولتاییک بدست آورد . با توجه به فرمول موجود در مرجع  )سازمان انرژیهای نو ایران1393 ) مساحت موردنیاز برای نصب توربین های بادی برابر تعداد توربین ضربدر مربع توان قطر روتور است . توان پنل های خورشیدی  100 کیلووات ساعت و زیست توده نیز فقط به عنوان سوخت مکمل در هنگام نیاز در نظر گرفته شده است . با توجه به محدودیت فضای موجود در جزیره میتوان صرفا با اختصاص زمینی به مساحت حداقل 1900 مترمربع به احداث نیروگاه ترکیبی بادی-خورشیدی، زیست توده تولید همزمان با دیاگرامی مطابق شکل زیر و ظرفیت حدود 3550 کیلووات به کمک مراجع  Antonio M. and Pantaleo S. M., 2017 Antonio M. and Pantaleo S. M., 2020 ( ) Ivan Postnikov, 2018  A. Pe´ rez-Navarro, 2010  پرداخت.

بحث و نتیجه گیری

در این پژوهش، با بررسی مقالات متعدد و مستندات و گزارشات پروژه های واقعی به طراحی ماژولار یک نیروگاه ترکیبی با استفاده از انرژی های تجدیدپذیر در کنار یک سیستم تولید همزمان پرداخته شده است. هدف ارائه طرحی پیشنهادی برای کاربردهای آینده بوده و به همین منظور به جای استفاده از به روزترین تکنولوژی ها، به زیرساختها و تجهیزات موجود در داخل کشور اشاره شده است.  برای بررسی سرعت وزش باد و میزان انرژی تابشی خورشید در نقاط مختلف ایران از نرم افزار RETScreen استفاده شده است که برای امکانسنجی پروژه های انرژی به کار میرود.

موارد زیر مهمترین نتایج حاصل از انجام این پژوهش است:

تکنولوژیهای مورد استفاده درترکیب سیستمهای مختلف انرژیهای تجدیدپذیر بسیار متنوع است و کاربردهای فراوانی در مراکز مختلف مسکونی، تجاری و صنعتی دارند و در پژوهش حاضر فقط به معرفی تعداد محدودی از ماژول ها با در نظر گرفتن محدودیت های موجود پرداخته شده است. با بررسی توربین های گازی استفاده شده در سیستمهای تولید همزمان موجود در دنیا و زیرساختهای موجود در ایران، توربین گازی 3,2 مگاواتی Solar Centaur 40TM انتخاب شده است که قابلیت استفاده از گاز لندفیل به میزان محدود را دارا میباشد.

با توجه به فرض استفاده مداوم از سیکل تولید همزمان و توربین گازی، برای استفاده از سایر تکنولوژی ها تا حد امکان سعی شده است که با در نظر گرفتن پارامترهای مختلف از جمله ظرفیت و مساحت، پیشنهادات قابل قبولی برای سیستم ترکیبی ارائه گردد. به همین منظور از توربین بادی و و پنل فتوولتاییک به عنوان مکملی برای تولید برق و استفاده در سیستم آب شیرین کن از نوعRO ، کلکتورهای خورشیدی به منظور تامین حرارت موردنیاز در سیستم آب شیرین کن تقطیری خورشیدی و گرم کردن سوخت پیش از ورود به محفظه احتراق و زیست توده به منظور تولید بیوگاز و تامین بخشی از سوخت موردنیاز و راه حلی برای دفع زایدات استفاده شده است. با توجه به بررسی اطلاعات آب وهوایی سالانه شامل میزان تابش خورشید و سرعت باد در دو منطقه شیراز و کیش، به ترتیب استفاده از نیروگاه ترکیبی تولید همزمان خورشیدی زیست توده به همراه سیستم آب شیرین کن تقطیری خورشیدی و نیروگاه ترکیبی تولید همزمان بادی زیست توده به همراه سیستم آب شیرین کن اسمز معکوس مورد بررسی قرار گرفت و دیاگرام پیشنهادی ارائه شد.

نویسندگان مقاله

آقای دکتر علی مددی

خانم مهندس مینا صالحی مرنی