پنل خورشیدی - سیستم های برق خورشیدی و نیروگاه خورشیدی

مکان یابی احداث نیروگاه خورشیدی

مکان یابی احداث نیروگاه خورشیدی براساس تئوری راف و تئوری چشم انداز

(مطالعه موردی استان سمنان)

چکیده:

انتخاب مکان یکی از گام های اساسی در ساخت نیروگاه های خورشیدی است که بر ظرفیت تولید برق و منافع اقتصادی-اجتماعی در آینده تاثیر میگذارد. لازم است عوامل بسیاری در انتخاب مکان مانند آب و هوا، زمین شناسی، پذیرش اجتماعی و … در نظر گرفته شود. با این حال اغلب مطالعات قبلی کمتر فردیت و ابهام اطلاعات تصمیم گیرنده در نظر گرفته شده و فرض میکنند که تصمیم گیرندگان بدون در نظر گرفتن عوامل روان شناختی آنها کاملا منطقی هستند. برای مقابله با این مشکل یک رویکرد یکپارچه بر اساس نظریه راف برای تعیین معیار های مناسب، و تئوری چشم انداز برای انتخاب مکان مناسب پیشنهاد شده است. در نهایت یک مطالعه موردی در مناطق مختلفی از استان سمنان برای انتخاب مکان مناسب با توجه به معیار های برگزیده، انجام شده و مکان مناسب جهت احداث این نیروگاه انتخاب شده است.

مقدمه

گرم شدن جهانی کره زمین، امنیت انرژی و مسائل اقتصادی وضعیت را از انرژی سنتی به انرژی تجدید پذیر تبدیل میکند . ثابت شده است که انرژی خورشیدی یکی از منابع قابل اعتماد انرژی برای تولید برق است. انرژی خورشیدی فراوان، آزاد و تمیز است و هیچ نوع آلودگی برای محیط زیست ندارد. خورشید منبع عظیم انرژی، بلکه سرآغازحیات و منشا تمام انرژی های دیگراست .در حدود شش هزار میلیون سال از تولد این گوی آتیشین میگذرد و در هر ثانیه 4.2 میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل میشوند. با توجه به وزن خورشید که حدود 333 هزار برابر وزن زمین است این کره نورانی را میتوان به عنوان منبع عظیم انرژی تا 5 میلیارد سال آینده به حساب آورد . بنابر تحقیقات آژانس بین المللی انرژی، رشد 20 تا 25 درصدی استفاده از انرژی خورشیدی برای تولید انرژی الکتریسیته تا سال 2050 خواهید داشت . آژانس بین المللی بیان کرده است تا سال 2050 سامانه های انرژی خورشیدی قادر خواهد بود 9000 تراوات ساعت انرژی تولید کند که سالانه از خروج 6 بیلیون تن دی اکسید کربن جلو گیری خواهد شد .بسیاری از جوامع بخصوص کشورهای در حال توسعه به منظور تقویت پایه های توسعه و رفع عدم تعادل بیش از هر زمانی نیازمند برنامه ریزی و شناسایی امکانات و منابع بالقوه شان میباشند .قرار گرفتن ایران برکمربند گرم دنیا و مدار 25 – 40 درجه عرض شمالی، دارای یکی از بالاترین پتانسیل های جذب انرژی خورشیدی است . سالانه با میانگین 280 روز آفتابی در بیش از 90 درصد از اراضی کشور و میزان تابش نور خورشید بین 1800 تا 2200 کیلو وات بر ساعت بر متر مربع در زمره کشور هایی که حداکثر دریافت نور دارند قرار گرفته است. ایران با توجه به اینکه 8 تا 9 ماه سال را از بارش باران بی بهره است و در واقع آسمانی بدون ابر دارد، میتواند بخش بزرگی از انرژی مورد نیاز خود را از تابش نور خورشید تامین کند. این در حالی است که طبق استناد های ثبت شده ارزیابی منابع نفتی ایران بعد از 43 سال، منابع گازی 167سال،زغال سنگ 417 سال دیگر به پایان خواهند رسید . کشور ایران به دلیل رشد جمعیت، بالا رفتن سرانه مصرف انرژی الکتریکی، توسعه بخش های صنعتی،کشاورزی و … میزان تقاضا مصرف این نوع انرژی پیوسته در حال افزایش است.به همین علت امنیت انرژی حکم میکند همواره به دنبال یافتن و استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر باشیم. اولین و مهم ترین قدم در بهره گیری انرژی خورشیدی، یافتن مناطق مناسب است. در گذشته هدف اولیه از مکان یابی یک نیروگاه، یافتن محلی بود که نیروی برق مورد نظر را با کمترین هزینه تولید کند و برای کاهش پیچیدگی های طراحی سیستم انتقال نیرو، نیروگاه ها معولا در نزدیک بخش های صنعتی و شهر ها احداث میشدند. بطور کلی معیار های منابع )مانند انرژی خورشیدی(، معیار های اقتصادی )مانند هزینه و سود( و معیار های محیطی )مانند کاهش تخلیه آلاینده ها و کاربری زمین (بیشتر معیار مورد استفاده برای متخصصان و کارشناسان برای ارزیابی یک مکان برای احداث نیروگاه خورشیدی است.

در این پژوهش سه دیدگاه محیط زیست، اجتماعی- فرهنگی، اقتصادی برای شناسایی عوامل موثر درانتخاب مکان مناسب مورد مطالعه قرار گرفته است. این عوامل عبارتند از: 1 – ساعت آفتابی 2 – متوسط دمای سالانه 3 – متوسط بارش سالانه 4 – رطوبت 5 – ارتفاع 6 – فاصله ازجاده های ارتباطی 7 – فاصله از شهر ها 8 – شیب 9 – تعداد روز های گرد و غباری 10 – جهت شیب زمین 11 – فاصله از رودخانه و دریا 12 – معیار های زیست محیطی 13 – گسل 14 – دیگر معیار های اقتصادی- اجتماعی 15 – فاصله از خطوط انتقال نیرو 16 -استاندارد های ایمنی و امنیتی 17 -تعداد روز های ابری در ایران و سایر کشور ها تحقیقات متعددی روی این امر انجام پذیرفته شده است برای مثال ارزیابی چرخه عمر نیروگاه ها، حساسیت و قابلیت اطمینان نیروگاه ها، عملکرد نیروگاه های خورشیدی، مقایسه با دیگر پروژه های نیروگاه خورشیدی، و…که به چند مورد در ذیل اشاره میشود.

1 – روشی برای شناسایی و احداث نیروگاه انرژی خورشیدی در مناطق شهری توسعه داد تا هزینه های پیش از نصب،کم تر شود و همچنین پتانسیل واقعی شهری را مشخص کرد. به منظور این کار از سیستم اطلاعات جغرافیایی استفاده کرد و این روش را در سایر نقاط تکثیر کرد.

2 – از 4 معیار مورد استفاده شده : مکان، اوروگرافی،کاربری زمین و آب و هوا برای ارزیابی مناسب بودن مکان ها برای اجرای پروژه انرژی خورشیدی استفاده کردند. در این مطالعه دریافتند که آب و هوا مهم ترین معیار است.

3 – استان اصفهان با معیار میزان ساعت آفتابی در طول یک سال، با هدف مکان یابی نقاط مناسب جهت قرارگیری پنل های خورشیدی برای پژوهش انتخاب شد .این پژوهش ترکیبی از روش های توصیفی-تحلیلی و روش کتابخانه ای است با استفاده از نرم افزار GIS لایه ها تهیه و با برهم گذاری نقاط مستعد در نقشه و از طریق همپوشانی وزنی، مکان های مناسب شناسایی شدند.سپس به روش تاپسیس گزینه های مختلف بررسی و بهترین مکان انتخاب شد. نتایج حاصل نشان داد که 17 درصد از مناطق استان اصفهان وضعیت مطلوبی برای قرارگیری پنل های خورشیدی دارد.

4 – مکان یابی نیروگاه خورشیدی با استفاده از روش تحلیل چند گانه و مطالعه جامع برای اولویت بندی مناطق مختلف جهت احداث نیروگاه خورشیدی انجام داد و در نتیجه پی برد که شهر های شیراز، یزد و بیرجند پتانسیل بالایی برای احداث نیروگاه دارند.

5 – مکان یابی نیروگاه را در استان فارس در دو مرحله مقدماتی و تفصیلی انجام داد. در این مطالعه مدل های بولین، همپوشانی شاخص و فازی را برای تلفیق لایه های اطلاعاتی مورد استفاده قرار دارد. نتیجه نشان داد که مدل های فازی نسبت به مدل های دیگر از قابلیت انعطاف بالایی برای مدل کردن مدل های منطقی و تاثیرات متقابل پارامتر ها بر همدیگر و مکان یابی برخوردار است.

یک روش مبتنی بر تئوری چشم انداز برای انتخاب محل نیروگاه خورشیدی:

برای انتخاب مکان نیروگاه، یک روش تاپسیس مبتنی بر تئوری مجموعه راف و نظریه چشم انداز پیشنهاد شده است. تئوری مجموعه راف بوسیله دقت متغییر در فرآیند تصمیم گیری می تواند ذهنیت ها و عدم قطعیت ها را تغییر دهد. تئوری چشم انداز با در نظر گرفتن عوامل روان شناختی تصمیم گیرندگان، در شریط عدم قطعیت به آنان کمک میکند . نظریه چشم انداز شامل دو قسمت می باشد:

1 – تعیین اوزان معیارها 2 – رتبه بندی مکان ها با روش بسط داده شده

تعیین اوزان معیارها:

در این مرحله، وزن معیارها از طریق ارزیابی مستقیم معیارها محاسبه می شوند. مراحل محاسبات به شرح زیر است:

قدم اول : تعیین اهمیت کریسپ هر معیار

چندین مکان نیروگاه خورشیدی و معیارهای ارزیابی توسط متخصصان گردآوری شده است سپس، آنان برای میزان اهمیت معیارها، امتیازات 1 – 10 در نظر می گیرند. هر چه امتیاز بالاتر باشد معیار مهم تر می باشد امتیاز 1 نشان دهنده کمترین میزان اهمیت و امتیاز 10 نشان دهنده بیشترین اهمیت می باشد . بر این اساس ارزش های ارزیابی اهمیت هر یک از معیارها از نظر متخصصان را میتوان به دست آورد.

قدم دوم: تبدیل کریسپ به فواصل راف

تئوری مجموعه راف یک ابزار ریاضی موثر برای دستیابی اطلاعات غیردقیق و نامشخص بدون فرضیات اضافی می باشد . اطلاعات غیردقیق در فرآیند تصمیم گیری را میتوان با یک جفت از مفاهیم دقیق بر اساس تقریب پایین و بالا در تئوری مجموعه راف ها به دست آورد . ممکن است به دلیل تجربه ودانش متفاوت متخصصان، با درجه متفاوتی از ابهام، در نظر کارشناسان مواجه شویم برای مشخص کردن درجه تغییر، پارامتر دقت متغییر که در بازه صفر و یک تعریف می شود در نظر گرفته میشود. بنابراین در این مرحله، باید عدد کریسپ معیارها را به شکل عدد راف تبدیل کرد.

منطقه مورد مطالعه:

استان سمنان بین طول های جغرافیایی ″′15 °55 53 طول خاوری و ″5 ′14 °35 عرض شمالی با مرکزیت شهرستان سمنان واقع شده است. و مساحتی برابر با 97491 کیلومتر مربع، 5 / 9 درصد مساحت کل کشور را شامل میشود و از نظر مساحت ششمین استان ایران است . استان سمنان هم اکنون دارای 7شهرستان، 18 شهر، 11 بخش و 29 دهستان است.

عرصه های کویری استان سمنان به دلیل واقع شدن روی کمربند خورشیدی مستعد بهره برداری سلول های خورشیدی است و براساس آمار اداره کل هواشناسی سمنان، استان سمنان از 365 روز سال، 325 روز هوای آفتابی دارد و به عبارتی این استان در حدود سه هزار ساعت در سال از هوای صاف بهره مند است . در زمان حاضر 100 کیلووات برق تجدید پذیر در استان سمنان تولید می شود که این رقم چندان قابل قبول نیست .

نه منطقه برای این آزمایش انتخاب شده است که عبارتند از: سمنان، دامغان، گرمسار، ایوانکی، شاهرود، میامی، رضوان، بیارجمند، شهمیرزاد

شکل 1 .مناطق انتخابی جهت ارزیابی

از 3 نفر شامل یک سرمایه گذار، یک کارشناس زمین شناسی و یک کارشناس هوا شناسی برای ارزیابی و وزن دهی معیار های انتخابی استفاده شده است.در جدول 2 به تمامی این معیار ها اشاره شده و اهمیت هر یک در جدول 2 از نظر کارشناسان بررسی شده است.

1 – ساعت آفتابی :	میزان تابش خورشید در مناطق مختلف ، نقش کلیدی در عملکرد فنی و اقتصادی نیروگاه خورشیدی ایفا میکند.
2 – متوسط دمای سالانه :	درنظرگرفتن اثر دما در فرآیند انتخاب محل احداث نیروگاه خورشیدی، باعث کاهش هدررفت سرمایه و افزایش راندمان نیروگاه خورشیدی میشود. شکل (2)
3 – متوسط بارش سالانه : 4 – رطوبت	گرچه بارش باران سالانه یک پارامتر هیدرولوژی مهم محسوب میشود، میزان بارش بسیار زیاد باران میتواند یک پارامتر مهم در محل احداث نیروگاه خورشیدی باشد؛ چراکه رطوبت بالا میتواند با جذب و یا بازتاب نور خورشید، میزان تابشی که به سطح ماژول های نیروگاه خورشیدی میرسد را کاهش دهد. ( شکل3 )
5 – ارتفاع	به دلیل نازکترشدن لایه اتمسفر، در محل های با ارتفاع بیشتر از سطح دریا شدت تابش افزایش می یابد. از سوی دیگر، به دلیل کاهش دما در ارتفاعات بالاتر، عملکرد ماژول های فتوولتاییک نیز بهبود پیدا میکند. هزینه انتقال تجهیزات، کارگر و… کاهش پیدا میکند، که درنتیجه برای راه اندازی نیروگاه مناسب نخواهد بود . ( شکل 4)
6 – جاده های ارتباطی 7 – فاصله مناطق مسکونی	مناطق روستایی و شهری با دربرداشتن مراکز شلوغ میتوانند هزینه انتقال و توزیع برق را کاهش دهند. به دلیل صرفه جویی در هزینه ها، سودآوری نیروگاه خورشیدی و نرخ بازگشت سرمایه در این مناطق افزایش پیدا میکند . همچنین، قرارگیری نیروگاه های برق تجدیدپذیر در مجاورت مناطق شهری میتواند آلودگی ناشی از تولید برق فسیلی در نزدیکی محل زندگی انسانها را کاهش دهد.
8 – شیب :	شیب زمین یک پارامتر ژئوموروفولوژیکی در مطالعه محل احداث نیروگاه است که به طور چشمگیری بر پایداری محل نصب نیروگاه اثرگذار است . شیب زمین میتواند روی هزینه عمرانی نیروگاه اثر مستقیم داشته باشد . با افزایش میزان شیب، هزینه تسطیح زمین و ساخت سازه نگهدارنده پنل ها افزایش می یابد . بنابراین، بهتر است که محل مورد نظر جهت ساخت نیروگاه ، صاف و دارای شیب اندک باشد . شیب اقتصادی برای محل احداث نیروگاه خورشیدی بین 0 تا 3 درجه است . ( شکل 5)
9 – جهت شیب	اگر محل احداث نیروگاه خورشیدی در نیمکره شمالی زمین قرارداشته باشد )مانند ایران(، بهترین جهت برای نصب ماژولهای فتوولتاییک به سمت جنوب است . بنابراین، بهتر است که جهت شیب زمین به سمت جنوب باشد. اگرچه، این بدین معنا نیست که دیگر جهت های شیب زمین برای نصب ماژولهای فتوولتاییک مناسب نیست، بلکه تنظیم و نصب پنل های خورشیدی در این زمین ها دشواری و پیچیدگی کمتری خواهد داشت. (شکل (6
10 – روز های غباری	مناطق صنعتی و معادن و آلودگی ناشی از فعالیتها همچون گردوغبار میتواند اثر منفی روی عملکرد پنلهای از طریق جذب و بازتابش پرتوهای خورشید، داشته باشد.این ذرات 15درصد از انرژی موج خورشید را جذب میکند. از همینروی رعایت فاصله 500 متری از معادن و مناطق صنعتی پیشنهاد میشود.
11 – فاصله از رودخانه و…	به دلیل نیاز به محافظت از محیط زیست اکولوژیکی رودخانه ها، دریاچه ها و دیگر منابع آبی، لازم است که نیروگاه های برق با فاصله از این مناطق ساخته شوند. براساس مدل بولین فاصله نیروگاه با رودخانه و دریاچه باید 200 متر باشد. البته رعایت این فاصله باعث افزایش ایمنی نیروگاه در مقابل خطر وقوع سیل نیز خواهد شد
12 – زیست محیطی	به دلیلی خشکی برخی مناطق، رعایت فاصله 200 متری از پارک های طبیعی و سایتهای گردشگری و فاصله 500 متری از مراتع و جنگلها باید جهت تعیین محل ساخت نیروگاه، در نظر گرفته شود. فاصله ایمن تا محل دفن زباله برای احداث نیروگاه با هدف اطمینان از حفظ سلامت کارکنان نیروگاه، ضروری است. این موضوع همچنین برای جلوگیری از کاهش عملکرد پنل های خورشیدی به دلیل انباشتگی ذرات معلق در هوا، اهمیت دارد.
13 – گسل	این موضوع به عنوان یک ویژگی ژئولوژیکی خطرناک در فرآیند انتخاب زمین مناسب ، برای ساخت نیروگاه ، مدنظر قرار میگیرد. ریسک تخریب سازه نیروگاه در نزدیکی گسل های زمین بسیار بالا است . ازاینرو، نه تنها ساخت سکونت گاه انسانها بلکه احداث نیروگاه در فاصله ای مناسب از گسل های زمین، امری ضروری است.
14 – معیار های اقتصادی-اجتماعی	احداث و گسترش نیروگاه های خورشیدی با هدف کمک توسعه پایدار مناطق صورت میگیرد. از اینرو، تخریب زمین های کشاورزی و باغات قابل کشت برای نصب سیستم های خورشیدی منطقی نیست . قابل توجه است که زمین های کشاورزی، باغات و مراکز پرورش آبزیان که منبع درآمد مردم محلی هستند نباید برای احداث و توسعه نیروگاه خورشیدی دچار آسیب شوند. بنابراین، حفظ حریم این مناطق و رعایت فاصله مناسب میتواند از تنش های بعدی با اهالی محلی جلوگیری کند . با این حال، زمین های بایر میتواند گزینه مناسب برای راه اندازی نیروگاه خورشیدی باشند.
15 – فاصله از خطوط انتقال نیرو	برق تولیدی هر نیروگاه برای توزیع، نیاز به خطوط انتقال دارد . فاصله نیروگاه از خطوط انتقال برق اهمیت بسیاری دارد زیرا که این خطوط باعث بالا بردن هزینه پروژه شده و همچنین تلفات برق تولید شده را زیاد میکند.
16 – استاندار های ایمنی	به منظور حفظ حریم مناطق نظامی و امنیتی، در نظر گرفتن فاصله 1000 متری تا این مراکز و فاصله 3000 متری از فرودگاه ها باید رعایت شود.
17 – روزهای ابری	ابرها میتوانند 21درصد انرژی موج خورشیدی را جذب کنند.

جدول 3

بدست آوردن اوزان معیار و رتبه بندی مکان ها:

ابتدا اهمیت قطعی معیارها توسط کارشناسان جمع آوری شده است )جدول ( 3با در نظر گرفتن ذهنیت و ابهام متخصصان در تصمیم گیری، اهمیت کریسپ با توجه به معادلات به شکل عدد راف تبدیل شده است. علاوه بر این مقادیر قطعی متغیر راف و مقادیر وزنی برای سود و زیان گرد آوری شده است. این 17 معیار دارای درجه متفاوتی می باشند. معیار ساعت آفتابی و متوسط دما که امتیاز گروه بالایی دارند هر دو معیار مهم بوده و نمرات اهمیت ساعت آفتابی و متوسط دما به ترتیب 9.655 و 8.117می باشد.

با دقت بالا متوجه میشویم که با توجه اطلاعات در دسترس و نظرات کارشناسان در خصوص معیارها، منطقه سمنان به عنوان بهترین مکان جهت ساخت نیروگاه خورشیدی انتخاب شده است.

بحث و نتیجه گیری

توسعه انرژی نو یکی از شاخص های مهم در توسعه اقتصادی است. از لحاظ بعد اقتصادی، اجتماعی، فرهنگی، زیست محیطی و سازمانی نقاط قوت و دلایل مهمی برای استفاده از انرژی خورشیدی وجود دارد. در این مطالعه روشی براساس تئوری چشم انداز، نظریه راف و روش تاپسیس و با استفاده از آمار آب و هوایی و اطلاعات جغرافیایی استان سمنان، برای انتخاب مکان مناسب جهت احداث نیروگاه خورشیدی استفاده شده است. این روش نه تنها عقلانیت محدود کارشناسان را اداره میکند بلکه نگرش های ریسک کارشناسان در فرایند تصمیم گیری را مورد توجه قرار میدهد . از آنجایی که تصمیمات افراد با ابهام و تناقض هایی درگیر است و همچنین به دلیل عقلانیت محدود کارشناسان، ممکن است کارشناسان نتوانند عملکرد مناسبی را در امتیاز دهی معیار ها داشته باشند و در نتیجه با انتخاب های نامناسب منجر به تحمیل هزینه های جبران ناپذیری شوند. به منظور کاهش این ضرایب خطا، از تئوری راف اسفاده شد.در تئوری راف با استفاده از دقت متغیر a و تغییرات آن، تغییرات اولویت بندی مکان ها را تحت شرایط ابهام و نادقیق را میتوان مشاهده کرد.

تحلیل حساسیت:

برای بررسی تاثیر سطوح مختلف دقت متغیر بر رده بندی نهایی مکان ها یک آنالیز حساسیت با a های متفاوت انجام شده است . همان طور که در شکل مشاهده می شود سمنان و رضوان به ترتیب به عنوان بهترین و بدترین مکان با در نظر گرفتن این موضوع که هیچ ابهامی در نظر کارشناسان وجود ندارد( a = 0) به ازای دقت متغیر های متفاوت ضریب نزدیکی مکان ها در شکل 7 مشخص شده است.