برای اعتبارسنجی نتایج تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی سیستم قدرت چند نسلی شبیه سازی شده، از نرم افزار EES برای گسترش کد مناسب استفاده می شود. بر اساس کد توسعه یافته، نتایج ترمودینامیکی مبتنی بر مدل ریاضی ما با کارهای ایجاد شده قبلی مقایسه می‌شوند، در حالی که داده‌ها و مفروضات ورودی یکسانی در نظر گرفته می‌شوند [ 8 ]. نتایج مقایسه‌ها نشان می‌دهد که کار حاضر از نظر تحلیل انرژی برای نیروگاه حرارتی و صرفاً تولید انرژی خورشیدی مطابقت خوبی با مدل‌های ایجاد شده قبلی نشان می‌دهد. در اینجا برخی از مفروضات این مطالعه آورده شده است.
با توجه به موقعیت جغرافیایی و موقعیت تشعشعی و اقلیمی شهر زرند کرمان و همچنین بر اساس نیاز مصرفی تعیین شده، نیروگاه خورشیدی با میانگین ضریب راندمان 0.803 طراحی شد. در شکل (5A) کل انرژی تولید شده توسط نیروگاه مانند ضایعات بخش AC، DC و خروجی اینورتر به شبکه در فصول مختلف به صورت نرمال شده در توان اسمی 600 کیلووات نشان داده شده است. همانطور که می بینیم، در فصول گرم، انرژی مفید خروجی از اینورتر به دلیل افزایش میزان تابش جهانی بر روی سطح پانل ها به حداکثر می رسد [ 43 ]، اما به دلیل افزایش دمای محیط، تلفات نیز افزایش یافته است. علاوه بر این، با توجه به افزایش دمای محیط در فصول گرم سال، نسبت تولید واقعی به تولید ایده آل در این نیروگاه به حداقل حد خود می رسد ( شکل 5 ب).
شکل 5 . A: تولید انرژی عادی در سال؛ ب: ضریب عملکرد سالانه.
شکل (6A) نمودار انرژی تولید شده نرمال شده در نیروگاه خورشیدی را در سال نشان می دهد. در این نمودار میزان تلفات پنل های فتوولتائیک و سیستم تبدیل و انتقال به ترتیب با رنگ های بنفش و سبز نشان داده شده است. همانطور که می بینیم علیرغم اینکه در ماه های گرم سال به دلیل وضعیت تابش در این دوره مقدار انرژی تولیدی مفید افزایش می یابد، اما به دلیل افزایش دما، سیستم با تلفات فزاینده در جمع آوری و کاهش انرژی خورشیدی مواجه می شود. در ضریب عملکرد پانل های فتوولتائیک ( شکل 6 B).
شکل 6 . الف) مقدار انرژی تزریق شده به شبکه در ازای تابش جهانی. ب) بر اساس توان تزریق شده به شبکه.
شکل (6A) نمودار ورودی-خروجی سیستم را در قالب انرژی فتوولتائیک تزریقی به شبکه در ازای تابش جهانی دریافتی توسط پانل ها در هر متر مربع در روز نشان می دهد. در این نمودار، نتایج شبیه‌سازی‌شده در طول 12 ماه نشان می‌دهد که حداقل مربعات خطای نقاط پایین و سیستم فتوولتائیک طراحی‌شده، ضریب تشعشع را به‌عنوان عاملی مؤثر در بهبود توان و راندمان دنبال کرده‌اند.
علاوه بر این، نمودار توزیع انرژی، در مقایسه با توان تزریقی به شبکه ( شکل 6 B)، نشان می دهد که بخش بزرگی از انرژی تزریق شده به شبکه در محدوده توان 400-500 KW است. این امر نشان‌دهنده تأثیر عدم قطعیت مکان‌های جغرافیایی و تأثیر آن بر تشعشعات است که منجر به ایجاد برخی نوسانات در توان خروجی و در نتیجه میزان انرژی تولیدی در بازه زمانی ثابت می‌شود. بنابراین، در مقایسه با نیروگاه های فسیلی حرارتی که توان نسبتاً ثابتی را به شبکه تزریق می کنند، نیاز به طراحی دقیق برای مدیریت عدم قطعیت های فنی و انطباق بیشتر با الگوی مصرف در داخل شبکه دارد.
روند تغییرات ورودی (شامل تشعشع و دما) و خروجی (شامل انرژی تولیدی و ضریب عملکرد) نیروگاه های فتوولتائیک در ماه های مختلف سال در جدول 2 ارائه شده است . نتایج نشان می دهد که از مجموع 2128.3 کیلووات ساعت بر متر مربع تابش افقی جهانی با ضریب عملکرد متوسط 0.8، در مجموع 1142.1 مگاوات ساعت انرژی به شبکه تزریق می شود. بیشترین و کمترین دما به ترتیب برابر با 4.69 درجه سانتیگراد در ماه ژانویه و 29.17 درجه سانتیگراد در تیرماه است که با ضریب عملکرد در این ماهها رابطه مستقیم دارد. همچنین حداقل و حداکثر انرژی خروجی موثر از آرایه ها به ترتیب برابر با 112 مگاوات ساعت در ماه آگوست و 81.6 مگاوات ساعت در ماه فوریه است.
جدول 2 . روند تغییر خروجی در ماه های مختلف سال توسط نیروگاه فتوولتائیک [ 44 ].
| ماه های سال | تابش افقی جهانی (کیلووات ساعت بر حسب متر مربع) | تابش افقی پراکنده (کیلووات ساعت بر حسب متر مربع) | دمای محیط (درجه سانتیگراد) | انرژی موثر در خروجی آرایه (MWh) | انرژی تزریق شده به شبکه (MWh) | نسبت عملکرد |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ژانویه | 108.7 | 40.01 | 4.69 | 85.0 | 81.9 | 0.872 |
| فوریه | 119.1 | 47.11 | 8.19 | 81.6 | 87.8 | 0.850 |
| مارس | 171.1 | 65.4 | 12.55 | 102.2 | 98.6 | 0.830 |
| آوریل | 190.6 | 74.89 | 18.02 | 98.3 | 94.7 | 0.801 |
| ممکن است | 233.0 | 78.61 | 23.29 | 108.6 | 104.7 | 0.760 |
| ژوئن | 243.4 | 75.42 | 27.96 | 105.3 | 101.5 | 0.760 |
| جولای | 247.8 | 75.19 | 29.17 | 108.6 | 104.7 | 0.755 |
| مرداد | 234.9 | 71.45 | 26.65 | 112.0 | 108.2 | 0.761 |
| سپتامبر | 196.0 | 58.98 | 23.96 | 105.7 | 102.3 | 0.771 |
| اکتبر | 162.4 | 51.20 | 18.14 | 103.6 | 100.2 | 0.805 |
| نوامبر | 116.0 | 40.25 | 10.44 | 86.3 | 83.4 | 0.846 |
| دسامبر | 105.2 | 35.70 | 5.70 | 86.3 | 83.5 | 0.868 |
| کل سال | 2128.3 | 713.87 | 17.44 | 1183.1 | 1142.1 | 0.803 |
تلفات نیروگاه فتوولتائیک نیز در طول یک سال برآورد شده است ( شکل 4 ). بر این اساس، تابش افقی جهانی به عنوان کل انرژی ورودی با در نظر گرفتن انواع تلفات (ناشی از تابش، دما، سایه، کیفیت ماژول ها، اتصالات و مقاومت های الکتریکی)، علاوه بر تبدیل به انرژی خروجی مفید از اینورتر، به شبکه. بیشترین میزان تلفات در سیستم طراحی شده مربوط به تلفات ناشی از دما و عملکرد اینورتر در زمان بهره برداری به ترتیب برابر با 24/11 و 40/3 درصد است. همچنین تلفات ناشی از تغییر زاویه تابش (97/1 درصد)، سایه‌زنی (45/1 درصد)، کاهش راندمان سلول (3/1 درصد) و تلفات مقاومت‌های اتصالات (27/1 درصد) در رتبه‌های بعدی قرار دارند.
در این بخش میزان صرفه جویی در سوخت فسیلی و آب و همچنین میزان انتشار دی اکسید کربن از این نیروگاه در مقایسه با ظرفیت مشابه در نیروگاه سوخت فسیلی زرند مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. با توجه به اینکه احتراق ناقص سوخت و راندمان حرارتی پایین نیروگاه های حرارتی به عنوان دو عامل اصلی انتشار آلاینده ها محسوب می شود، تحلیل انرژی، آب و پیوند محیط زیست سعی در ارائه راهکارهایی برای کاهش آلودگی کربنی نیروگاه های حرارتی دارد. مصرف سوخت علاوه بر بهبود راندمان نیروگاه و کاهش مصرف آب.
با طراحی نیروگاه فتوولتائیک در طول عمر مفید 20 ساله نیروگاه ها و در نظر گرفتن نرخ مصرف سوخت نسبت به تولید ناخالص، 317.1 لیتر سوخت فسیلی در ازای هر مگاوات ساعت صرفه جویی می شود. نتایج محاسبات نشان می دهد که جایگزینی 2 درصد سوخت فسیلی با نیروگاه خورشیدی به طور کلی 7.24 میلیون لیتر در مصرف مازوت و بنزین صرفه جویی می کند. همچنین با در نظر گرفتن ارزش حرارتی مازوت و بنزین، میزان صرفه جویی در مصرف انرژی در طول عمر مفید نیروگاه فتوولتائیک معادل 7474.61 تن نفت خام است. بنابراین نیروگاه فتوولتائیک در طول یک سال قادر به صرفه جویی 380.34 مترمکعب سوخت فسیلی است که معادل 391.73 تن نفت خام در نیروگاه بخار است. این مقدار 0.4 درصد از کل انرژی مصرفی سالانه نیروگاه برآورد شده است.
یکی از عوامل اصلی عملکرد ضعیف در پایداری زیست محیطی صنعت تولید برق با استفاده از سوخت های فسیلی، میزان بالای انتشار گازهای آلاینده در داخل کشورها است. نتایج ارزیابی میزان کاهش انتشار دی اکسید کربن نشان می دهد که در ازای تولید توان 1142.1 مگاوات ساعت، میزان انتشار سالانه دی اکسید کربن از نیروگاه زرند و نیروگاه فتوولتائیک معادل 1095.3 و 1.3 گرم در هر کیلووات ساعت خواهد بود. به ترتیب معادل 29.6 تن دی اکسید کربن طی 20 سال بهره برداری). شکل 7 میزان صرفه جویی سالانه در انتشار دی اکسید کربن در طول بهره برداری از نیروگاه را نشان می دهد.
شکل 7 . صرفه جویی سالانه در انتشار دی اکسید کربن طی سالهای بهره برداری از نیروگاه.
بر اساس یافته ها، نیروگاه فتوولتائیک توانسته است به طور متوسط از انتشار 1431.28 تن دی اکسید کربن در طی یکی از بهره برداری از چرخه هیبریدی حرارتی- خورشیدی جلوگیری کند. همچنین، نتایج ارزیابی اثر کاهش انتشار کربن بر اکوسیستم، سلامت انسان و منابع در مدل ReCipe نشان داده است که در هر سه سناریوی 25، 50 و 100 ساله، اثر زیست محیطی این جایگزینی بر اکوسیستم و سلامت انسان بیش از تأثیر آن بر حفظ منابع بوده است. بنابراین، با توجه به جایگزینی بخشی از ظرفیت نیروگاه با منابع تجدیدپذیر، می‌توان با کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در طول عمر نیروگاه در کوتاه‌مدت به حفظ اکوسیستم منطقه کمک کرد.
میزان دی اکسید کربن منتشر شده از نیروگاه فتوولتائیک معادل 0.15 درصد میانگین انتشار کربن سالانه نیروگاه های حرارتی در ایران است. برای مقایسه، علیرغم این واقعیت که میزان انتشار دی اکسید کربن توسط مزرعه بادی با طول عمر یکسان نیروگاه فتوولتائیک (20 سال) ناچیز است، انتشار کربن در طول عمر چرخه نیروگاه، مانند ساخت و ساز، در حین بهره برداری اتفاق می افتد. و بازیافت قطعات فرسوده. بنابراین، مقدار زیادی از انتشار دی اکسید کربن در مزارع بادی مربوط به ساخت بازیافت تجهیزات است که معادل 3.9 گرم در هر کیلووات ساعت است که بسیار بیشتر از انتشار دی اکسید کربن در نیروگاه های فتوولتائیک است.
ارزیابی میزان صرفه جویی در منابع آب
فن آوری های مورد استفاده در زنجیره تولید برق نیاز به مصرف آب در برج های خنک کننده، مبدل های حرارتی و واکنش دهنده های شیمیایی دارد. فرآیند تولید نیروی حرارتی به ناچار مقدار قابل توجهی گرما تولید می کند که با آب به عنوان مایع خنک کننده خنک می شود تا از ورود گرما به محیط جلوگیری شود. میانگین مصرف آب در نیروگاه های بخار، گاز، هیبریدی و فتوولتائیک برابر با 1.17، 0.025، 1.012 و 0.075 لیتر در هر کیلووات ساعت است [ 45 ]. با توجه به اینکه میانگین مصرف سالانه آب در نیروگاه بخار زرند و نیروگاه فتوولتائیک به ترتیب برابر با 07/3278 و 075/0 لیتر بر کیلووات ساعت است، نتایج محاسبه میزان صرفه جویی در مصرف آب در نیروگاه زرند نشان داده است که با جایگزینی حداقل مقدار سوخت نیروگاه با فتوولتائیک در طول عمر مفید نیروگاه زرند در مجموع 73160 مترمکعب در مصرف آب صرفه جویی می شود. بنابراین نیروگاه فتوولتائیک توانسته است از مصرف 3842 متر مکعب آب توسط نیروگاه بخار جلوگیری کند. این میزان صرفه جویی در منابع آبی به ویژه در اقلیم خشک کرمان از اهمیت بالایی برخوردار است. برای ارائه مقایسه، میانگین میزان آب مصرفی در فرآیند تولید برق در یک مزرعه بادی ناچیز محاسبه شده است [ 46 ]، اما از سوی دیگر نسبت مساحت به تولید ناخالص سالانه مزرعه بادی حدود 5.6×10 4 [ 47 ]. اگرچه مزرعه بادی ظرفیت زیادی در صرفه جویی در منابع آب دارد، اما به دلیل نیاز به زمین های وسیع برای ساخت و ساز، در مناطقی با ظرفیت تولید بالا با محدودیت زمین مواجه خواهیم بود.
این بخش به تجزیه و تحلیل رابطه جفت در سطح سیستم می پردازد. ابتدا، شاخص Rn برای تجزیه و تحلیل درجه جفت هر زیر سیستم با WEEN استفاده شد. دوم، عوامل کلیدی موثر بر جفت شدن هر زیرسیستم شناسایی شدند. سوم، ما زیرسیستم غالب را تعیین کردیم، یعنی زیرسیستمی که بهینه سازی آن می تواند بیشترین هم افزایی صرفه جویی در آب و انرژی و کاهش آلاینده ها را در WEEN به ارمغان آورد. شکل 8 ماتریس را پس از استخراج نتایج کمی از تجزیه و تحلیل جریان مواد و انرژی نشان می دهد. در WEEN، سه مصرف کننده برتر آب عبارتند از: آب را برای خنک کردن (c در شکل 4 ؛ 4.01 × 104 eq )، آب در گردش برای پاک کننده آب ترش (f؛ 4.50 × 103 eq ) و آب غیر معدنی برای کارخانه آب زدایی شده (b؛ 2.30×103 eq )، که با زیرسیستم انرژی، زیرسیستم آلاینده محیطی و خود زیرسیستم آب در تعامل است. بیشتر بخار برای تصفیه فاضلاب استفاده شد (i؛ 8.40 × 10 3 کیلوگرم). الکتریسیته عمدتاً برای راندن آب در گردش استفاده می شد (m; 5.34 × 103 eq ). برای انتقال آب، سوخت و بخار (l؛ 2.34 × 103 eq )؛ و فاضلاب را تصفیه کنید (j؛ 1.86 × 103 eq ). گازهای زائد و فاضلاب بازیافت شده به ترتیب به زیرسیستم انرژی (p؛ 5.91 × 10 2 eq) و زیر سیستم آب (q؛ 8.85 × 10 2 eq). نواحی دایره ای مقادیر را نشان می دهد، دایره های روی خط مورب مقدار کل را نشان می دهد و آنهایی که از مورب دورتر هستند نشان دهنده مقدار مربوط به WEEN هستند.
شکل 8 . ماتریس تجزیه و تحلیل WEEN پس از استخراج نتایج کمی از تجزیه و تحلیل جریان مواد و انرژی.
در مقایسه با نتایج مطالعه حاضر، روش مرسوم دارای سه محدودیت زیر بود. اولاً، نمی‌توانست علل ریشه‌ای مصرف زیاد و آلودگی را کشف کند یا استراتژی‌های بهبود هدفمند را بر اساس روابط جفتی مختلف تدوین کند. ثانیاً، پتانسیل بهبود واحدهای به‌دست‌آمده با روش مرسوم کاملاً دقیق نبود، از جمله تخمین‌های بیش‌ازحد و دست کم. سوم، روش مرسوم صرفه جویی در انرژی و کاهش آلاینده ها را جدا می کند و از هم افزایی و مبادله بین صرفه جویی در آب، صرفه جویی در انرژی و کاهش آلاینده ناشی از جفت شدن غفلت می کند که مزایای بهبود را تا حد زیادی کاهش می دهد. اگرچه ممکن است استفاده از مقدار مصرف و انتشار برای ارزیابی پتانسیل صرفه جویی در آب، صرفه جویی در انرژی و کاهش آلاینده یک شرکت آسان تر باشد، اما این امر می تواند هم افزایی و مبادلات ناشی از روابط جفت بین زیرسیستم ها، عناصر و واحدها را پنهان کند. . این محدودیت‌ها توسط این مطالعه آشکار شدند، به طوری که مصرف منابع زیاد لزوماً به معنای اتصال قوی یا پتانسیل بهبود بالا (مثلاً برق) نیست و بالعکس.
از سوی دیگر شهر زرند با دارا بودن پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها، کارخانه‌ها، شهرک‌های صنعتی متعدد و بزرگترین معادن زغال‌سنگ ایران، به شهری صنعتی تبدیل شده است که بخش زیادی از جمعیت مؤثر خود را در معرض کربن و کربن قرار می‌دهد. انتشار منابع آلاینده گوگرد نتایج سناریوهای کوتاه‌مدت و بلندمدت برای جایگزینی حداقل منابع تجدیدپذیر با سوخت‌های فسیلی در منطقه، حاکی از تأثیر قابل توجه این اقدامات بر منافع اکوسیستم و سلامت انسان است. علاوه بر این، این اقدامات می تواند منجر به افزایش منافع اقتصادی ناشی از کاهش کربن و جذب درآمد ارزی بر اساس مکانیسم های بین المللی حمایت از فناوری های توسعه پاک شود.
