مقاله بررسی کارآیی نیروگاههای انرژیهای تجدید پذیر در جهان

دانلود مقاله بررسی کارآیی نیروگاههای انرژیهای تجدید پذیر در جهان

مقدمه :

به منظور درک موقعیت انرژیهای تجدیدپذیر، لازم است تا نگاهی به تقاضای برق موجود بیاندازیم. امروزه یک سوم جهان (بیش از دو میلیارد نفر) هیچگونه دسترسی به برق ندارند ( و یک میلیارد نفر دیگر کمتر از ۵ ساعت در روز برق دارند) و شکاف بین کشورهای صنعتی و کشورهای در حال توسعه به شکل باور نکردنی در حال افزایش است. نگرانی های زیست محیطی، تغییرات جدی را در رفتارها برای یک تحول واقعی بسوی « پیشرفت قابل تحمل» و بنابراین، بسوی پیشرفت انرژیهای تجدیدپذیر طلب می کند.

آمار ، نیاز به توسعه انرژیهای تجدیدپذیر و تمیز را به دلایل زیر مشخص می نماید :

– فراهم کردن برق برای کشورهای در حال توسعه، مخصوصاً در مناطق دوردست و در جاهاییکه باد، خورشید ، زیست توده و انرژی زمین گرمایی به وسعت در دسترس می‌باشد؛

– محافظت از محیط زیست، مخصوصاً در دوره های دفع کم آلوده کننده ها، گازهای گلخانه ای، بویژه در زمینه تغییرات آب و هوایی ؛

– حفظ منابع انرژی فسیلی؛

در این رابطه ، کشورهای به اصطلاح « توسعه یافته»، که همزمان بزرگترین مصرف کننده برق و بزرگترین آلوده کننده می باشند، این مسئولیت را دارند که طلایه دار پیشرفت انرژیهای ارزان و تمیز باشند.

اگرچه منابع انرژی تجدیدپذیر (RES) در تولید جهانی نسبتاً حاشیه ای هستند ( بجز زیست توده و برق آبی، که اینجا مورد بررسی نیستند) ، توسعه آنها برای انرژی باد و PV خورشیدی مهم است، بخاطر اینکه میانگین نرخ رشد سالیانه آنها تقریباً ۲۵ تا ۳۰ درصد است. ایالت متحده آمریکا، ژاپن و اروپا ( بویژه آلمان، ایتالیا و دانمارک) کشورهای پیشرو هستند، اما کشورهای در حال توسعه نظیر هند، مکزیک و برزیل تلاش مهمی در توسعه منابع انرژیهای نو (RES) انجام می دهند.

تذکر مهم : اسامی و تعاریف تعدادی از شاخصها می تواند معانی مختلفی داشته باشد، تعاریفی نظیر : « فاکتور ظرفیت» ، « فاکتور قابلیت» ، « فاکتور بار» و …

قسمت ۱-۱- انرژی باد

تابش نامساوی خورشید در عرضهای مختلف جغرافیایی به سطح ناهموار زمین باعث تغییر دما و فشار شده و در نتیجه باد تولید می گردد. بعلاوه، اتمسفر کره زمین به دلیل چرخش، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می دهد که این امر نیز باعث بوجود آمدن باد می شود. انرژی باد طبیعتی نوسانی و متناوب داشته و وزش دایمی ندارد. باد یکی از صورتهای مختلف انرژی خورشیدی می باشد که دارای یک الگوی جهانی نیمه پیوسته است.

تغییرات سرعت باد ساعتی، روزانه و فصلی بوده و متاثر از هوا و توپوگرافی سطح زمین می‌باشد. بیشتر منابع انرژی بادی در نواحی ساحلی و کوهستانی واقع شده است. با توجه به اقلیم متنوع مناطق بادخیز در سراسر کشور، بستر مناسبی برای بهره برداری از توربینهای مولد برق و پمپ توربینهای بادی بویژه در مناطق دور از شبکه برق سراسری فراهم می باشد. با توجه به رایگان بودن انرژی باد و توسعه نگرشهای زیست محیطی و راهبردهای صرفه جویانه در بهره برداری از منابع تجدیدناپذیر، انرژی باد در مقایسه با سایر منابع انرژی مورد استفاده در بسیاری از کشورهای جهان رو به فزونی گذاشته است. توربینهای بادی مولد برق جایگزین مناسبی برای نیروگاههای گازی و بخاری رایج به شمار می رود.

کشورهای باستانی نظیر مصر و عربستان در استفاده از انرژی بادی پیشقدم بوده اند، مصریها جزو اولین کشورهایی بوده اند که از انرژی باد استفاده کرده اند و روی رودخانه نیل با قایقهای بادبانی رفت و آمد کرده اند؛ در ضمن دانمارکیها اولین ملتی بوده اند که در زمینه تولید الکتریسیته از انرژی باد اقدام نموده اند. البته طراحی و ساخت توربینهای بادی امروزی بر اساس اندیشه های جدید صورت می گیرد.

با محاسبات دقیق طراحی و تکنولوژی پیشرفته و استفاده از اطلاعات صنعت هواپیمایی، آیرودینامیک و الکترونیک بدست آمده در سالهای اخیر، ساخت توربینهای بادی توسعه یافته است. در توربینهای بادی، انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد. استفاده فنی از انرژی باد وقتی ممکن است که متوسط سرعت باد در محدوده ۵/۰ الی ۲۵/۰ باشد.

انواع توربینها از نظر اندازه

الف- توربینهای بادی کوچک : از این توربینها جهت تأمین برق جزیره های مصرف و یا مناطقی که تأمین برق از طریق شبکه سراسری برق بسیار مشکل می باشد استفاده می‌‌شود، این توربینها تا قدرت ۱۰ کیلووات توان تولید برق را دارا می باشند.

ب- توربینهای بادی متوسط : توان این توربینها، عموماً ۲۵۰-۱۰ کیلووات است. از این توربینها جهت تأمین مصارف مسکونی، تجاری، صنعتی و یا کشاورزی استفاده می شود.

پ- توربینهای بادی بزرگ (مزارع بادی) : این نوع توربینها معمولاً شامل چند توربین بادی متمرکز با توان تولیدی از ۲۵۰ کیلووات به بالا می باشند که به صورت متصل به شبکه و یا جدا از شبکه طراحی می گردند.

در ضمن دو روش برای استفاده از انرژی باد وجود دارد که یک روش آن استفاده از توربینهای بادی با محور قائم می باشد که بوسیله رانش باد می چرخند و از محور قائم آن نیرو گرفته می شود و مزیت آن وابسته نبودنش به جهت باد می باشد ؛ روش دوم توربینهای بادی با محور افقی می باشند که در این توربینها، باد بوسیله عمل آیرودینامیی که بالابر نامیده می شود، نیروی خود را به مبدل های بادی می دهد. در این توربینها باد عمود بر سطح چرخش پره ها واراد می شود، لذا نیروی باد بر تمام پره ها بطور یکسان اثر می کند.

ولی در مورد توربینهای بادی با محور قائم، چون سطح ایجاد شده بوسیله چرخش پره ها تقریبا یک سطح کرویست و زوایای پره ها مرتباً نسبت به باد تغییر وضع می دهند، نیروی رانش مرتباً کم و زیاد می شود. پس توربینهای نوع افقی بدلیل بازده بالاتر امروزه بیشتر رایج بوده که متداولترین آنها نوع سه پره می باشد.

« گزارش WEC درباره عملکرد نیروی باد»

برای هزاران سال باد در سرتاسر جهان هم به عنوان منبع انرژی برای انجام دادن کار مکانیکی و هم برای حمل و نقل بکار برده می شد. کاربرد انرژی باد برای تولید برق، بهرحال تاریخ نسبتاً کوتاهی دارد. در مقایسه با منابع دیگر انرژی مانند ذغال سنگ و نفت، انرژی باد تا سال ۱۹۸۰ به شکل وسیعی به رسمیت شناخته نشده بود. امروزه استفاده از باد به شکل تجربی، ترقی قابل توجهی را کسب کرده است.

از نظر محدود بودن منابع سوختهای فسیلی، و تغییرات آب و هوای جهانی بخاطر انتشار دی اکسید کربن و دیگر گازهای گلخانه ای، کاربرد انرژی باد امکان اجرای همکاریهای قابل توجه بسوی حفظ منابع و تولید انرژی سازگار با محیط زیست را عرضه می نماید.

بطور کلی، می توان اظهار داشت که پیشرفتهای بزرگی در فن آوری و کاربرد انرژی باد در طی دو دهه گذشته بدست آمده است. تلاشهایی در زمینه تحقیقات و توسعه به همراه اقدامات تحریک کننده بازار، مانند مدلهای قیمت با جایزه انجام شده است تا یک فن آوری انرژی باد معتبر و تضمین شده که امروزه به شکل گسترده در دسترس می باشد حاصل شود.

بر این اساس، پتانسیل گسترده جهانی، مخصوصاً در کشورهای در حال توسعه و در کشورهایی با اقتصادهای آشکار می تواند به منظور همکاری برای یک منبع آینده انرژی مستعد و سازگار با محیط بومی عنوان شود.

تعاریف علمکرد نیروی باد :

[p=f(v)] = منحنی توان

توان خروجی توربیهای بادی به موارد زیر بستگی دارد :

الف- شرایط جوی، به ویژه سرعت باد و فشار هوا؛

ب- طراحی سیستم، مخصوصاً توان مجاز، قطر روتور و ارتفاع مرکز توربین؛

پ – شرایط مکانی، مانند تلاطم هوا (توربولانس)؛

به منظور قابل مقایسه ساختن توان خروجی توربینهای مختلف، عملکرد آنها باید اندازه‌گیری شده و تحت استانداردهای متحدالشکل بین المللی (IEC)، توسط آزمایشگاهای معتبر ملاک قرار داده شود .

 (a مجموع تولید انرژی [kwh] تحویلی به شبکه در نقطه اتصال ، در طول دوره بررسی (اغلب یک سال)

(b تولید انرژی ویژه، که عبارتست از نسبت بین مجموع انرژی تولیدی در طول یک سال و ناحیه جاروب شده توسط روتور ( داده شده به صورت  )

(c ساعتهای باد کامل معادل، عبارتست از تولید انرژی سالیانه در ارتباط با توان مجاز توربین (dim= {h}).

(d فاکتور ظرفیت، عبارتست از نسبت بین مجموع انرژی تولیدی در طول یکسال و تولید انرژی به شکل پتانیسل – بالقوه – ( توان مجاز  ۸۷۶۰ ساعت ) ، (dim= {1}).

دسترسی فنی

به نظر می رسد این اصطلاح مؤثرتر از « دسترسی مطلق» باشد. بطوریکه هیچ نوع اندازه‌گیری باد لازم نیست. تعاریف زیر بر پایه « تعریف اصطلاحات در صنعت انرژی» نوشته شده و توسط VDEW آورده شده است :

« پریود نامی» (Nominal Pweiod) : دوره کاملی است  که توسط گزارش پوشش داده شده است ، (اغلب یک سال).

 « دوره غیرقابل دسترس بودن » (period of non-availability) :

دوره ای است که در طول آن یک نیروگاه کارکرد ندارد. این دوره می تواند خاموشی برنامه‌ریزی شده (تعمیر و نگهداری) و یا خاموشی برنامه ریزی نشده ( بد عمل کردن، خرابی) باشد.

 « دسترس فنی » (Technical availability) :

دوره ای از دسترسی است که فوق دوره نامی می باشد، ( به شکل درصد).

 « میانگین عدم دسترسی فنی» (Aerage technical non-availability) :

مجموع دوره عدم دسترسی را بر تعداد توربینهای مطرح شده تقسیم می کند.

نکته : اصطلاحات زیر توسط دیگر متخصصان بکار برده می شود :

دوره زمانی مناسب به جای دوره نامی
عامل عدم دستری – UAF- به جای دوره غیرقابل دسترس بودن
عامل دستری (AF=1-UAF) بجای دسترسی فنی

– انضمام نیروی باد به سیستم های منبع ( یک بررسی مورد از آلمان)

یک پیش نیاز مهم برای انضمام انرژی باد به سیستمهای تأمین انرژی، کسب بیشترین پیش بینی کامل ممکن از انرژی و مقادیر توان می باشد. در تصویر ۴، دو رویه متفاوت برای تعیین مقادیر مورد انتظار از این پیش بینی ها نمایش داده شده است. در هر کدام از نمودارهای تصویر ۲، برای حمایت از توزیع فرکانس نموداری، اندازه ای که انرژی واقعی و مقادیر توان از مقادیر مورد انتظار اختلاف دارند، می تواند ملاحظه شود.

پیش بینی های انرژی برای سالها، ماهها و ساعتها که در ناحیه پایین تر نمایش داده شده است، فقط می تواند برای میانگین های آماری اساس قرار داده شود. مقادیر یک ساعت و ۱۵ دقیقه ای توان خروجی توربین، در نیمه بالایی نمودار، نسبت به مقادیر مورد انتظار، مقادیر توان قدیمی تری دارند.

اعداد دقیق برای توزیع نموداری فرکانس در این بررسی می تواند در پاراگرافهای ذیل، از آزمایش گردآوری شده در آلمان بدست بیاید.

فهرست

پیشگفتار : ۲

بخش اول : ۹

دسته بندی انرژیهای نوین بهره برداری شده در جهان. ۹

مقدمه : ۹

قسمت ۱-۱- انرژی باد. ۱۰

انواع توربینها از نظر اندازه. ۱۱

« گزارش WEC درباره عملکرد نیروی باد». ۱۳

تعاریف علمکرد نیروی باد : ۱۴

– رژیم باد و مکانهای داده شده  : ۱۵

– انضمام نیروی باد به سیستم های منبع ( یک بررسی مورد از آلمان). ۱۸

-‌ مقدار مورد انتظار از تولید سالانه برق. ۱۹

-‌ تغییرات در تغذیه نیروی باد ماهانه. ۲۱

– دوره فرونشستن باد. ۲۲

– نگاهی به حالت استفاده از نیرو در فواصل یک ساعت و پانزده دقیقه ای.. ۲۳

« نیروگاه بادی و انواع توربین». ۲۵

– انواع توربین بادی : ۲۵

« مقاله های غیرنیروگاهی». ۲۶

– توربینهای پرپره : ۲۶

– توربینهای مستقل از شبکه : ۲۶

« طرحهای فنی». ۲۷

« روند تحولات صنعتی». ۳۰

۲-۱- انرژی خورشیدی.. ۳۱

« کاربردهای انرژی خورشید». ۳۳

– استفاده از انرژی حرارتی خورشید : ۳۳

– نیروگاههای حرارتی خورشیدی از نوع سهوی خطی.. ۳۵

– نیروگاههای حرارتی از نوع دریافت کننده مرکزی.. ۳۶

-‌ نیروگاههای حرارتی از نوع شلجمی بشقابی.. ۳۷

– دودکشهای خورشیدی.. ۳۸

« سیستم های فتوولتاییک خورشیدی». ۴۳

مصارف و کاربردهای فتوولتاییک.. ۴۵

قسمت ۳-۱- انرژی زیست توده. ۴۹

-‌ تاریخچه : ۵۱

– بیوگاز. ۵۲

-‌ زباله کلانشهرها ۵۲

-‌ زیست توده ( بیوماس). ۵۳

-‌ منابع زیست توده. ۵۴

– تکنولوژیهای تبدیل انرژی زیست توده. ۵۹

۱- فرآیندهای احتراق مستقیم : ۵۹

۲- فرآیندهای ترموشیمیایی : ۶۰

۳- فرآیندهای بیوشیمیایی : ۶۱

– اجزاء سازنده بیوگاز. ۶۱

-‌ کاربردهای بیوگاز. ۶۲

قسمت ۴-۱- انرژی زمین گرمایی.. ۶۴

– نیروگاه : ۶۶

-‌ ظرفیت نصب شده : ۶۶

-‌ بارماکزیمم (بار حداکثر) : ۶۷

-‌ برق تولید شده سالیانه : ۶۷

-‌ شرایط طراحی : ۶۷

– قطعی برنامه ریزی شده : ۶۸

-‌ قطعی اجباری : ۶۸

– سقوط یکمرتبه تولید بخار / آب شور : ۶۹

– منبع آب شور/ بخار : ۶۹

بخش دوم : ۷۰

حدود قدرت منصوبه از هر روش… ۷۰

« گزارش شورای جهان انرژی درباره انرژی تجدیدپذیر در جهان». ۷۰

برق در جهان : ۷۰

انرژی تجدیدپذیر در جهان. ۷۱

« انرژی باد». ۷۳

بازار امروزی : ۷۴

الگوی سرمایه گذاری نوعی برای مقاله های انرژی باد ( تجزیه هزینه ها در اروپا). ۷۶

« انرژی خورشیدی». ۷۹

« انرژی زیست توده». ۸۱

ارقام و واقعیت هایی درباره انرژی زیست توده. ۸۲

– زیست توده در جهان. ۸۳

زیست توده در ایران. ۸۴

« انرژی زمین گرمایی». ۸۵

بخش سوم : ۸۸

متوسط کارآیی و ضریب عملکرد انرژیهای نوین و مقایسه نیروگاهها از دیدگاه کارایی.. ۸۸

قسمت اول – انرژی باد : ۸۸

توجیه اقتصادی نیروگاههای بادی در ایران. ۹۱

چشم انداز جهانی مزارع بادی.. ۹۱

پیشرفت فن آوری توربین بادی.. ۹۲

« منحنی تجربی در آلمان» – تهیه شده توسط TEST آلمان-.. ۹۴

خصوصیات آماری منابع نیروی باد توزیع شده. ۹۶

قسمت دوم : انرژی خورشیدی.. ۱۰۰

– انرژی فتوولتاییک خورشیدی : ۱۰۱

– بازده مرجع، Y_R: 101

– بازده منظم، Y_A: 102

– بازده نهایی، Y_f: 102

مثالهایی از شاخص های عملکرد. ۱۰۳

قسمت چهارم- انرژی زمین گرمایی: ۱۱۳

– مزیت های انرژی زمین گرمایی: ۱۱۷

سخن آخر: ۱۱۸

منابع: ۱۱۹