روشهای غیر متعارف تولید برق برای مقابله با مشکلات قطعی برق در آینده

روشهای غیر متعارف تولید برق برای مقابله با مشکلات قطعی برق در آینده – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

روشهای غیر متعارف تولید برق  برای مقابله با مشکلات قطعی برق در آینده

چکیده

ویژگی های بررسی شده اخیر نشان دهنده وجود نوعی عدم توازن در ارتباط با تولید برق و نیازهای مرتبط با آن در بسیاری از کشورها می باشد. مقدار زیادی از نیرو از طریق نیروگاه های برق حرارتی در گوشه و کنار جهان تولید می شود. برای نیروگاه های حرارتی، ما نیازمند سوختهای تجدید ناپذیری چون زغال سنگ، مواد هسته ای و غیره می باشیم. بعلاوه،  از این امر آگاه هستیم که میزان زغال سنگ موجود به صورت پیوسته ای در حال کاهش می باشد و بر این مبنا نیازمند بهره گیری از روش های متفاوتی در ارتباط با تولید نیرو با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر همانند انرژی خورشیدی، انرژی باد، انرژی جذر و مدی، انرژی ژئوترمال /  زمین گرمایی  و غیره می باشیم. این مقاله برای تولید برق روش های غیر متعارف مختلفی را ارائه می نماید. ظرفیت تولید در این ارتباط شامل محدوده های مختلفی از چندین مگاوات تا صدها مگاوات می باشد. مزیت ها و کاربردهای مختلف هر روش به تفصیل مورد بررسی قرار می گیرند.

کلمات کلیدی : سوخت زیستی، انرژی زمین گرمایی، مدل فوتوولتائیک (PV)، فناوری انرژی تجدیدپذیر (RET)

روشهای غیر متعارف تولید برق برای مقابله با مشکلات قطعی برق در آینده

۱- مقدمه

انرژی به عنوان یک مولفه کلیدی جهت به حرکت درآوردن و ارتقای چرخه حیات می باشد. مصرف انرژی از ارتباط مستقیمی با پیشرفت بشر برخوردار است. مبدا اصلی انرژی سوخت فسیلی است با این وجود محدودیت سوختهای فسیلی مشکلاتی نظیر تخریب و تنزل محیط زیست را بوجود آورده است. بر این مبنا کاربرد فناوری های انرژی تجدیدپذیر غیرمتعارف{۱} در ارتباط با تولید برق و همچنین اهداف مختلف دیگر بسیار مهم تلقی شده و در این راستا مباحث  قبلی روشهای مختلفی را برای تولید برق، با استفاده از منابع انرژی غیر متعارف، پیشنهاد نموده اند. روشهای عمده منابع انرژی غیرمتعارف عبارتند از: انرژی خورشیدی، انرژی باد، انرژی جذر ومدی، انرژی زیست توده، سلولهای سوختی و انرژی زمین گرمایی.

روشهای غیر متعارف تولید برق برای مقابله با مشکلات قطعی برق در آینده

۲- انرژی خورشیدی

خورشید به عنوان منبع نهایی کلیه نیروهایی به شمار می رود که انسان آن را به خدمت خود گرفته است. تبدیل تابش خورشیدی به صورت مستقیم به نیروی برق الکتریکی از طریق استفاده از برخی راهکارهای ساده و موثر برای چندین دهه مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. برای آنکه قابلیت تبدیل مستقیم تابش خورشیدی به نیروی برق را داشته باشیم، ما به صفحات فوتوولتائیک یا ماژول های PV  نیاز خواهیم داشت. تاثیر فوتوولتائیک آن قدر زیاد است که آن را به عنوان دلیل اصلی و ویژگی کلیدی در عملیات تولید برق، با استفاده از ماژول های PV خورشیدی، بحساب آورده اند.

۲-۱٫ فوتوولتائیک خورشیدی

سیستم فوتوولتائیک به عنوان یکی از مولفه های تولید نیروی محرکه الکتریکی بشمار می آید. برای حصول انرژی خورشیدی می بایست قابلیت جذب انرژی تابشی یونیزه شده، با استفاده از ابزارهای تبدیل که جهت تبدیل نور خورشید به الکتریسیته استفاده می شوند، وجود داشته باشد. ادوات یا ابزاره هایی که غالبا برای جذب انرژی خورشیدی بکار گرفته می شوند تحت عنوان سلول های خورشیدی فوتوولتائیک شناخته می شوند. سلول های فوتوولتائیک از نیمه رسانه هایی ساخته شده اند که قابلیت جذب نور و در نتیجه تولید الکتریسیته را خواهند داشت. به هنگامی که فوتون ها دریافت می شوند، بارهای الکتریکی آزاد ایجاد شده و متعاقبا قابلیت جمع آوری آنها بر روی صفحات خاص نیمه رسانه های این سیستم وجود خواهد داشت. از آن جایی که سلول های خورشیدی به عنوان موتورهای حرارتی به حساب نمی آیند، و بنابراین نیازی جهت کار در دمای بالای ندارند، آنها غالبا با شار انرژی ضعیف تابش خورشیدی منطبق گردیده و بنابر این قابلیت استفاده از آنها حتی با دمای خانگی نیز وجود خواهد داشت. این ابزارها دارای کارآمدی های تئوریکی مرتبه ۲۵% می باشند. البته کارآمدی عملیاتی حقیقی کمتر از این مقدار بوده و بنابراین با افزایش دما این کارایی بطور تقریبا سریع کاهش می یابد.

بهترین رویه های کاربردی شناخته شده برای تولید برق الکتریکی از طریق سلولهای فوتوولتائیک را می توان سفینه های فضایی خواند که در آنها سلولهای سیلیکونی به عنوان توسعه یافته ترین انواع مورد استفاده عمل می نمایند. سلول سیلیکون حاوی یک کریستال واحد سیلیکون می باشد که در آن یک ماده دوپه سازی جهت تشکیل یک نیمه رسانا انتشار می یابد. از زمان اولیه توسعه سلول های خورشیدی تابحال پیشرفت های بسیاری به وجود آمده است و هم اکنون شاهد صفحات ۲×۲ سانتی متری با کارآمدی ۱۰% در دمای عملیاتی ۲۸ درجه سلسیوس می باشیم. نیروی ایجاد شده برحسب واحد سطح آرایه ای می باشد که بر شار انرژی خورشیدی در فضای آزاد تقسیم می شود (۳۵۳/۱ KW/_m2).

سلول های فوتوولتائیک برای نیروگاه های کوچک یا بزرگ برق مناسب هستند، چرا که آنها دارای عملکرد خوبی در یک مقیاس کوچک بوده و قابلیت تطبیق و استقرار آنها برای تولید انرژی محلی بر روی سقف های ساختمانی وجود دارد. هزینه ذخیره سازی انرژی و ابزارهای تهویه مطبوع مرتبط با آن سبب شده است تا استفاده از این ادوات به عنوان اقتصادی ترین روش در تاسیسات بزرگ به شمار آید. سلول های خورشیدی همچنین جهت به کاراندازی پمپ های آبیاری، سیگنال های ناوبری، سیستم های تلفنی اورژانس بزرگراهی، هشدار در محل تقاطع راه آهن، ایستگاه های شهری اتوماتیک و غیره کارایی دارند. ویژگی های سلول فوتوولتائیک سیلیکون بلوری در شکل ۱ نشان داده شده است.

۲-۲٫ آرایه PV و اینورتور خورشیدی

آرایه PV به عنوان گروهی از ماژول های فوتوولتائیک مدنظر می باشد. به واسطه ولتاژ اندک هر یک از سلول های واحد خورشیدی یعنی در حدود ۵/۰ ولت، چندین سلول خورشیدی به صورت سری کنار هم قرار گرفته و در این راستا یک شکل لایه ای را تشکیل می دهند. این لایه در یک محفظه ضد آب جای گرفته و از این طریق ماژول فوتوولتائیک ساخته می شود. این  ماژول ها را می توان در کنار یکدیگر قرار داده و آرایه های مختلف فوتوولتائیک را به وجود آورد. یک آرایه PV در شکل ۲ نشان داده شده است.

یک اینورتور خورشیدی، یک اینورتور PV، قابلیت تبدیل خروجی متغیر DC یک پانل خورشیدی فوتوولتائیک (PV) به یک جریان متناوب (AC) و در نتیجه اتصال متعاقب به شبکه برق تجاری را خواهد داشت. در برخی از موارد،  اینورتورهای میکروخورشیدی برای سلول های خورشیدی واحد به کار گرفته می شوند. اینورتورهای خورشیدی از سیستم رهیاب نقطه توان حداکثری (MPPT) جهت حصول حداکثر خروجی از ماژول PV استفاده می نمایند. یک مدارشکن نیز به منطور محافظت از این اینورتورها مورد استفاده قرار می گیرد. روش های توپولوژیکی مداری مختلف برای اینورتورهای خورشیدی پیشنهاد شده است. بهترین توپولوژی ترجیحی توپولوژی Boost H-bridge می باشد که به عنوان یک توپولوژی دو مرحله ای غیر مجزا به شمار می آید. این توپولوژی مداری در شکل ۳ نشان داده شده است. اینورتورهای خورشیدی به دسته های مختلفی تقسیم می شوند. دسته بندی آنها به شرح ذیل نشان داده شده است:

روشهای غیر متعارف تولید برق برای مقابله با مشکلات قطعی برق در آینده

۳- انرژی باد

آسیاب های بادی قابلیت تبدیل انرژی سینتیک یا جنبشی هوای در حال حرکت به انرژی مکانیکی را داشته و نهایتا این انرژی را می توان به صورت مستقیم جهت راه انداختن ماشین ها یا به راه اندازی ژنراتور القایی جهت تولید الکتریسیته مورد استفاده قرار داد. آسیاب های بادی و توربین های بادی در شکل ۴ نشان داده شده اند.

۳-۱ دسته بندی آسیاب های بادی

توربین باد دارای محور افقی (HAWT) و شافت اصلی روتور و همچنین مولد الکتریکی در بالای ناحیه برجک می باشد که می بایست به سمت باد نصب شود. توربین های کوچک به وسیله یک بادنمای ساده کنترل می گردند در حالی که توربین های بزرگ غالبا از یک حسگر باد همراه با موتور سرو استفاده می نمایند. غالب آنها دارای یک جعبه دنده می باشند، که قابلیت به گردش درآوردن تیغه ها در یک حالت گردشی سریعتر را خواهند داشت که برای به گردش درآوردن مولد الکتریکی مناسب تر می باشد. توربین باد محور عمودی (VAWT) دارای نوعی شافت روتور اصلی می باشد که به صورت عمودی تنظیم شده است. مزیت های کلیدی این حالت را می توان در این نکته دانست که چنین توربینی را الزاما نباید به طرف باد جهت داد. فرآیند نصب توربین باد و آسیاب بادی در مقایسه با نصب ماژول PV متفاوت است. مکانیسم های متعددی در ارتباط با نصب توربین بادی مورد نیاز خواهند بود که خود دربردارنده بررسی های کامل منطقه می باشد. با این وجود مزیت های زیادی در ارتباط با کاربرد توربین های بادی و آسیاب های بادی وجود دارند. در سال ۲۰۱۰  ۵/۲% مجموع انرژی جهان به وسیله توربین های بادی تولید شده است.

روشهای غیر متعارف تولید برق برای مقابله با مشکلات قطعی برق در آینده

۴- انرژی جذر و مد

جذر و مد به عنوان بالاآمدگی و فرورفتگی متوالی سطح آب دریا خوانده می شود. جذر و مد به واسطه جذب آب دریا به وسیله ماه رخ می دهد. این فرآیند را می توان جهت تولید نیروی الکتریکی مورد استفاده قرار داد که تحت عنوان نیروی جذر و مدی خوانده می شود. به هنگامی که آب فراتر از سطح میانگین دریا باشد، این فرآیند تحت عنوان آب مد خوانده می شود و به هنگامی که سطح آب زیر سطح میانگین است چنین موردی تحت عنوان آب جذر خوانده می شود. بر این مبنا می توان سد را به گونه ای ساخت که حوزه آن به صورت پراکنده از ناحیه دریا گسترده شده و تفاوت در سطح آب دریا بین این حوزه و دریا حاصل شود.

۴-۱٫ دسته بندی نیروگاه های برق جذر و مدی

نیروگاه های برق جذر و مدی به طور کلی بر مبنای تعداد حوضچه های به کار گرفته شده برای تولید نیرو دسته بندی می شوند.

روشهای غیر متعارف تولید برق برای مقابله با مشکلات قطعی برق در آینده

۵- انرژی زمین گرمایی / ژنوترمال

انرژی زمین گرمایی در حقیقت به عنوان یک انرژی حرارتی به حساب می آید که در زمین تولید و ذخیره سازی می شود. این انرژی به عنوان نوعی انرژی است که مشخص کننده دمای ماده است. انرژی زمین گرمایی پوسته زمین خود نشات گرفته از شکل اصلی این سیاره (۲۰%) و همچنین تباهی رادیواکتیویته مواد (۸۰%) می باشد. گرادیان زمین گرمایی، که در دمای بین هسته سیاره و سطح آن متفاوت است، مشخص کننده یک ویژگی القایی پیوسته انرژی گرمایی در قالب حرارت از هسته سطح زمین می باشد.

نیروی زمین گرمایی به عنوان یک نیروی کم هزینه، مطمئن، پایدار و سازگار با محیط زیست مطرح می باشد، اما در عین حال از نقطه نظر تاریخی محدود به نواحی نزدیک مراکز صفحه تکتونیک یا زمین ساختی می باشد. پیشرفت های فناوری اخیر به طور قابل توجهی سبب ارتقای محدوده و اندازه منابع مناسب در این زمینه، مخصوصا کاربرد برای گرمایش خانگی، یا به کارگیری آن در ارتباط با ویژگی های بالقوه اکتشافی دیگر شده است. چاه های زمین گرمایی سبب انتشار گازهای گلخانه ای می شوند که در اعماق زمین به تله افتاده اند، اما این انتشارها در مقایسه با سوختهای فسیلی بسیار کمتر هستند در نتیجه، نیروی زمین گرمایی از پتانسیل کافی جهت کمک به تسکین فرآیند گرم شدگی جهانی برخوردار است، البته به شرط آنکه به طور گسترده ای به جای سوخت فسیلی مورد استفاده قرار گیرد.

۵-۱٫ دسته بندی ایستگاه های نیروگاه برق زمین گرمایی

نیروگاه های بخار خشک به عنوان ساده ترین و قدیمی ترین طراحی نیروگاهی به شمار می آیند. آنها به طور مستقیم از بخار زمین گرمایی ۱۵۰ درجه سلسیوس یا بیشتر جهت به راه انداختن توربین استفاده می نمایند. در حالی که نیروگاه های بخار فلش اقدام به ریختن آب داغ پرفشار به داخل مخازن کم فشار نموده و در نتیجه سبب می شوند تا بخار فلش / ناگهانی حاصله موجب چرخاندن توربین شود. آنها نیازمند دماهای سیال حداقلی ۱۸۰ درجه سلسیوس هستند که البته در برخی از موارد ممکن است بیشتر نیز شود. این مورد به عنوان شایع ترین نیروگاه عملیاتی امروزه به شمار می آید. نیروگاه های برق سیکل باینری به عنوان جدیدترین نیروگاه ها به شمار آمده و قابلیت پذیرش دماهای سیال به اندکی ۵۷ درجه سلسیوس را دارند. آب نسبتا داغ زمین گرمایی از طریق یک سیال ثانویه که دارای نقطه جوش کمتری از آب می باشد عبور داده می شود. این امر سبب می شود تا سیال ثانویه به صورت فلش یا ناگهانی تبخیر گردیده و متعاقبا موجب گردش توربین می شود. چنین موردی به عنوان شایع ترین نوع نیروگاه های الکتریسیته زمین حرارتی که امروزه ایجاد شده است تلقی می گردد. شماتیک بلوکی سیستم های بخار خشک و بخار فلش در شکل ۷ نشان داده شده اند.

روشهای غیر متعارف تولید برق برای مقابله با مشکلات قطعی برق در آینده

۶- انرژی زیست توده

انرژی زیست توده یک انرژی تجدیدپذیر می باشد که از مواد حاصل آمده از منابع بیولوژیکی تامین می شود. زیست توده یک ماده ارگانیک است که قابلیت ذخیره سازی نور خورشید در قالب انرژی شیمیایی را دارد. به عنوان نوعی سوخت این مورد می تواند شامل ضایعات چوب، پوشال، کود شیمیایی، نیشکر و بسیاری دیگر از محصولات جانبی حاصل آمده از فرآیندهای مختلف کشاورزی باشد. تا سال ۲۰۱۰ میزان ۳۵ GW ظرفیت انرژی زیست توده جهانی برای تولید الکتریسیته گزارش شده بود{۴}. یکی از مزیت های سوخت زیست توده آن است که این سوخت غالبا به عنوان یک محصول جانبی، باقیمانده یا ضایعات دیگر فرآیندها نظیر زراعت، دامپروری و جنگلبانی می باشد. بیوگاز یا زیست گاز به وسیله فرآیند تخمیر مواد زیست تجزیه پذیر نظیر کود کشاورزی، فاضلاب و دیگر محصولات کشاورزی تشکیل می شود. بیوگاز به طور اولیه متشکل از متان (CH₄) و دی اکسیدکربن (CO₂) می باشد و ممکن است حاوی مقادیر اندکی از هیدروژن سولفیت (H₂S) نیز باشد.

۶-۱٫ تبدیل به گاز نمودن زیست توده

سیستم بیوگاز در ارتباط با تامین و حفظ محیطی پاکیزه و سالم تر از طریق اعمال فرآیندهای مختلف در رابطه با رشد انسان می باشد. غالب راهکارها و رویه های حمل و نقل سبب به بارآمدن مشکلات و فشارهای مضاعفی بر روی محیط زیست شده است. دانشمندان در خصوص محافظت از محیط زیست نگران بوده و نگاه خود را معطوف به ابزارهای مناسبی می نمایند که از نقطه نظر محلی در دسترس باشند. در شرایط کنونی به کارگیری بیوگاز را می توان به عنوان راه حلی برای محافظت محیط زیست به منظور حصول جامعه ای سالم و کامیاب در نظر گرفت. دیاگرام بلوکی فرآیند تبدیل به گاز نمودن زیست توده در شکل ۸ نشان داده شده است. از بین چندین منبع انرژی تجدیدپذیر نظیر خورشید، باد، انرژی جذر و مدی، انرژی موج، انرژی زمین گرمایی، انرژی هسته ای، می توان این نکته را ذکر نمود که انرژی حاصل از زیست توده یکی از مولفه های مهم در کشور مورد مطالعه به شمار می آید.

روشهای غیر متعارف تولید برق برای مقابله با مشکلات قطعی برق در آینده

۷- پیل سوختی

پیل سوختی به صورت مکفی و بدون مشکل بوده و قابلیت به کارگیری آن در انواع مختلف سوختهای هیدروکربنی وجود دارد و تقریبا هیچگونه انرژی انتشار یافته مشکل آفرین یا ایراد داری را تولید نمی نماید.

۷-۱٫ کارکرد پیل سوختی

پیل سوختی حاوی یک آنود و یک کاتود است و همچنین یک سوخت هیدروژن الکترولیت به بخش آنود این سلول تغذیه می گردد. یون های H2 مثبت از بخش آنود حرکت کرده و به داخل الکترولیت از طریق جداره های سلولی متخلخل وارد می شوند. آنود دارای بار منفی می گردد. بعلاوه هوا نیز به داخل بخش کاتود هدایت می شود. یون های O2 وارد الکترولیت گردیده و سبب می شوند تا بخش کاتود دارای بار منفی گردد. جریان الکترون های آنود به سمت کاتود سبب ایجاد نوعی جریان O2 شده و یون های H2 با الکترولیت ترکیب شده تا نوعی آب را تشکیل دهند که به صورت بخار از سلول خارج می شود. معادلات واکنش شیمیایی به شرح ذیل نشان داده شده است (۱)، (۲):

روشهای غیر متعارف تولید برق برای مقابله با مشکلات قطعی برق در آینده

۸- نتیجه گیری

به احتمال زیادی در آینده به واسطه عدم وجود منابع غیرقابل تجدید شاهد بروز مشکلات متعددی در زمینه قطع برق خواهیم بود. بنابراین برای بهره گیری از نیروی برق بصورت پیوسته و متوالی ما می بایست روش های غیرمتعارفی را جهت تولید برق به کار گیریم. در این مقاله چندین روش غیرمتعارف همراه با مزیت های اصلی آنها ارائه شده اند.

علاوه براین فرآیندهای مختلف با شماتیک های بلوکی مشخص آنها نیز ارائه شده اند. صرفه جویی انرژی به عنوان تنها هدف ما به شمار نمی آید بلکه لازم است تا در این رابطه نگرش مناسبی را داشته باشیم. بر این مبنا ما می بایست به منابع انرژی تجدیدپذیر در آینده متکی باشیم، در غیر این صورت شاهد بروز بلایای متعدد محیطی خواهیم بود. به علاوه نیاز به برق به صورت فزاینده ای رو به افزایش بوده و به واسطه بروز پدیده های مختلف نظیر خستگی شاهد وجود مشکلاتی در کارآمدی سیستم های توزیع برق به واسطه بارهای غیرخطی می باشیم. در نهایت می توان از منابع غیرمتعارف بخوبی استفاه کرد. نیروگاه های برقی خورشیدی و زیست توده از نظر اقتصادی به صرفه بوده و علاوه بر این بسیار کارآمد می باشند، در مقابل توربین باد و تاسیسات حوضچه جذر و مدی بسیار پیچیده و سرمایه بر می باشند. پیل های سوختی، در مقایسه با دیگر روش های موجود کاربرد منابع تجدیدپذیر،  به عنوان کارآمدترین گزینه تولید برق از نقطه نظر زیست محیطی به شمار می آیند.

روشهای غیر متعارف تولید برق برای مقابله با مشکلات قطعی برق در آینده