منابع تولید توزیع‌شده، کلیدی برای انرژی و برق پایدار

منابع تولید توزیع‌شده، کلیدی برای انرژی و برق پایدار

صنعت برق در حال گذر از یک انقلاب بزرگ است و نهادهای زیادی به دنبال تغییر از منابع انرژی فسیلی تجدید ناپذیر مانند زغال‌سنگ و نفت به منابع انرژی تجدید پذیر مانند انرژی خورشیدی، باد و برق‌آبی هستند.

قیمت برق در ایالات‌متحده و کانادا طی دو دهه گذشته به‌طور مداوم در حال افزایش بوده است. به‌طور مشابه، هزینه‌های انتقال و توزیع در دهه گذشته 50 درصد افزایش‌یافته است که این هزینه شامل  هزینه زمین، تجهیزات پست، کانداکتورها، ترانسفورماتورها، کنتورهای مشتری و سایر هزینه‌های ناشی از توزیع برق می‌باشد. این افزایش قیمت‌ها به‌اندازه‌ای است که بسیاری از مشاغل را متقاعد می‌کند تا به‌عنوان راهی برای کاهش هزینه‌ها به منابع انرژی توزیع‌شده روی‌آورند.

ژنراتورهای الکتریکی تجدیدپذیر که در سیستم‌های تولید پراکنده استفاده می‌شوند را منابع انرژی پراکنده یا ریز منبع می‌نامند. محدوده منابع انرژی پراکنده از سیستم‌های تولید همزمان کوچک‌ مبتنی بر موتورهای استرلینگ، پیل‌های سوختی و ریز توربین‌ها تا گونه‌های تجدیدپذیری مانند سیستم‌های فتوولتائیک[1](PV)، سیستم‌های مبدل انرژی باد [2](WECS) و تولید برق آبی در مقیاس کوچک[3]، گسترده شده است . انتخاب یک منبع انرژی پراکنده، به شرایط آب و هوایی و توپولوژی منطقه و سوخت‌های موجود بستگی دارد.

سیستم‌های تولید همزمان حرارت و الکتریسیته ([4]CHP)

این سیستم­‌ها، امیدبخش‌ترین گونه منابع انرژی پراکنده برای استفاده در ریزشبکه‌ها هستند. مهم‌ترین مزیت آن‌ها تولید انرژی با بازده بالا از طریق استفاده از حرارت تلف‌شده است. برخلاف نیروگاه‌های فسیلی، سیستم‌های تولید همزمان، حرارت جنبی را برای مقاصد صنعتی و خانگی، به صورت محلی جذب و مورد استفاده قرار می‌دهند. حرارتی که در دماهای متوسط (C° 100 – C° 180) تولید شده است، نیز می‌تواند در چیلرهای جذبی، برای سرمایش استفاده شود تولید همزمان الکتریسیته، گرما و سرما، به تولید سه‌گانه یا چندگانه[5] شناخته می‌شود.

سیستم‌های تولید همزمان با حذف حرارت مازاد، استفاده بهینه‌تر از انرژی را باعث می‌شوند که در مقایسه با نیروگاه‌های متعارف که دارای بازدهی حدود ۳۵٪ هستند، این سیستم‌ها از بازدهی بیش از ۸۰٪ برخوردارند. حداکثر بازده زمانی حاصل می‌شود که حرارت به صورت محلی مورد استفاده قرار گیرد. در صورتی که قرار باشد، حرارت از طریق لوله‌های عایق شده به مسافت‌های طولانی منتقل شود، بازده كل پایین می‌آید که این امر هم هزینه‌بر و هم ناکارآمد است. از طرف دیگر، الکتریسیته را می‌توان با تلفات کمتری به مسافت‌های دورتر انتقال داد؛ بنابراین، نیروگاه‌های تولید هم‌زمان می‌توانند دور از بارهای الکتریکی خود احداث شوند، اما برای عملکرد بهتر، همیشه باید در نزدیکی بارهای حرارتی خود واقع شوند.

سیستم­های تولید همزمان کوچک:

سیستم‌های تولید همزمان کوچک، اصولاً ریز توربین‌هایی هستند که روی یک محور به ماشین‌های سنکرون مغناطیس دائم پرسرعت (۵۰۰۰۰ – rpm۱۰۰۰۰۰) کوپل شده اند. این سیستم‌ها برای اتصال به بارهای الکتریکی به ادوات الکترونیک قدرت مجهز شده‌اند. سیستم‌های مذکور برای استخراج حرارت با دمای پایین و متوسط، دارای سیستم‌های بازیابی گرمای مربوط به خود هستند. سیستم‌های تولید همزمان کوچک قابل اطمینان، مقاوم و ارزان اند و در ظرفیت‌های ۱۰ – kW ۱۰۰ موجودند. سوخت اصلی آن‌ها گاز طبیعی، پروپان یا سوخت مایع است که احتراقی تمیز با انتشار کم ذرات را نتیجه می‌دهد. در سیستم‌های تولید همزمان کوچک، محصول اصلی حرارت و محصول ثانویه الکتریسیته است. سیستم‌های تولید همزمان کوچک اصولاً بر اساس فناوری‌های زیر هستند:

1. موتورهای احتراق داخلی[6](IC)
2. موتورهای استرلینگ
3. ریز توربین‌ها

سیستم‌های تبدیل انرژی باد:

سیستم‌های مبدل انرژی باد، انرژی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. اصلی‌ترین بخش سیستم‌های مبدل انرژی باد، توربین بادی است. این بخش توسط یک جعبه دنده چند نسبته به ژنراتور متصل می‌شود. ژنراتور استفاده شده در سیستم‌های مبدل انرژی باد، معمولاً از نوع القایی است. مهم‌ترین بخش‌های توربین بادی عبارت‌اند از برج، روتور و ناسل. ناسل دستگاه‌های تبدیل انرژی و ژنراتور را در خود جای می‌دهد. روتور می‌تواند دو یا چند پره داشته باشد. توربین بادی انرژی جنبشی باد را از طریق پره‌های روتور گرفته و از طریق جعبه دنده به ژنراتور انتقال می‌دهد. محور ژنراتور توسط توربین بادی چرخانده می‌شود تا الکتریسیته تولید شود. وظیفه جعبه دنده، تبدیل سرعت پایین توربین به سرعت بالا برای ژنراتور است. فرکانس ولتاژ خروجی با استفاده از روش‌های اندازه گیری، کنترل و حفاظت نظارتی، در حدود خاصی حفظ می‌شود. توربین بادی می‌تواند ساختار افقی یا عمودی داشته باشد.

سیستم فتوولتائیک خورشیدی:

یک سیستم فوتوولتائیک به عنوان یک سلول شناخته می‌شود. یک سلول PV معمولاً کوچک است و حدود 1 یا 2 وات توان تولید می‌کند. این سلول‌ها از مواد نیمه هادی مختلف ساخته شده‌اند و اغلب کمتر از ضخامت چهار تار موی انسان هستند. برای بالا بردن مقاومت سلول‌ها در فضای باز برای سالیان طولانی، سلول‌ها را بین مواد محافظ در ترکیب شیشه و/یا پلاستیک قرار می‌دهند. برای افزایش توان خروجی سلول‌های PV، آن‌ها در زنجیر به هم متصل شده و واحدهای بزرگتری که به  آن‌ها ماژول یا پانل می‌گویند، قرار می‌گیرند. بزرگترین سیستم‌های PV در کشور آمریکا، در کالیفرنیا واقع شده است و برق و توان را برای توزیع به مشتریان تولید می‌کند.

سیستم‌های تولید انرژی فتوولتائیک، برای تولید انرژی از انرژی رایگان و پایان‌ناپذیر خورشید استفاده می‌کنند. مهم‌ترین مزیت‌های این سیستم‌ها عبارت‌اند از:

1. طبیعت دائمی بودن انرژی خورشیدی به‌عنوان سوخت
2. اثرات زیست محیطی کمتر
3. کاهش شدید در صورت حساب مصرف کنندگان به دلیل رایگان بودن انرژی خورشیدی
4. طول عمر طولانی بیش از ۳۰ سال با حداقل تعمیر و نگهداری
5. عملکرد بی سر و صدا.

با توجه به این مزیت‌ها، امروزه سیستم‌های فتوولتائیک به عنوان فناوری با پتانسیل تأمین انرژی بخش وسیعی از جهان به صورتی دائمی و تجدیدپذیر، از سوی دولت‌ها، سازمان‌های فعال محیط زیست و سازمان‌های تجاری شناخته‌ شده‌اند. علاوه بر این، با توجه به پیشرفت‌های قابل توجه در فناوری اینورترها، تولیدکننده‌های فتوولتائیک، برای استفاده به‌عنوان منابع انرژی پراکنده جهت توسعه‌ی تولید محلی در سطح ولتاژ توزیع، دارای اولویت بوده و استفاده می‌شوند.

اگرچه سلول‌های فتوولتائیک می‌توانند در ریزشبکه ها به‌عنوان منبع انرژی پراکنده استفاده شوند، اما هنوز دارای عیب هزینه احداث بالا و بازده انرژی پایین هستند. معلوم شده است که نصب‌های کوچک فتوولتائیک نسبت به انواع بزرگ‌تر، ازنظر اقتصادی مقرون به‌صرفه ترند، که این امر کارآمد بودن تغذیه تولید فتوولتائیک را به مشترکین، در سطح ولتاژ پایین، نشان می‌دهد. البته با توجه به اینکه طبیعت خروجی PVها، DC است، برای تبدیل آن به AC با سطح فركانس مناسب باید از مدارات مبدل قدرت مناسب استفاده شود.

به‌طورکلی، چهار نوع متفاوت از سلول‌های فتوولتائیک وجود دارد که عبارت‌اند از:

1. سیلیکون تک بلوره[7]
2. سیلیکون چند بلوره[8]
3. سیلیکون لایه – نازک[9]
4. ترکیبی

[1] Photovoltaic Systems

[2] Wind Energy Conversion Systems

[3]  Small-Scale Hydroelectric Generation

[4] Combined Heat and Power

[5] Poly generation

[6] Internal Combustion Engines

[7] Mono crystalline Silicon

[8] Multi crystalline Silicon

[9] Thin-Film Silicon

منابع:

1. https://www.energy.gov/eere/wind/how-distributed-wind-works
2. https://www.powermag.com/distributed-energy-platforms-a-key-for-sustainable-power/
3. https://www.youtube.com/watch?v=I-2MGBITZ5g
4. https://www.energy.gov/eere/solar/solar-photovoltaic-technology-basics
5. کتاب ریزشبکه¬ها و شبکه¬های توزیع فعال،اس چاودوری، اس پی چاودوری،پی.کراسلی، ترجمه حیدرعلی شایانفر