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 4 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:

توربین دوم	توربین اول
Solar Centaur 40TM	Northern Power Systems	نوع
3,2 MW	3,2 MW	ظرفیت
گاز طبیعی	گاز لندفیل	سوخت

 

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 4 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 4 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 7 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 4 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 4 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.

 

 

نویسندگان مقاله

آقای دکتر علی مددی

خانم مهندس مینا صالحی مرنی

 

 

 

 

آب شیرین کن خورشیدی و بادی

 

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.

نویسندگان مقاله

آقای مهندس رسول عبدالمحمدی ، آقای مهندس علی رهنمای شلمانی ، خانم دکتر دنیا رحمانی ،آقای دکتر امیرخاکباز

 

 

 

مکان یابی احداث نیروگاه خورشیدی

 

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, & Ni?eti?, 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 .

 

 

سیستم فتوولتائیک شناور

 

 

 

پارامترهای اقتصادی برق خورشیدی