بایگانی برچسب برای: نیروگاه خورشیدی

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

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