نشریه تخصصی مهندسی صنایع، دوره 49، شماره 2، پاییز و زمستان 1394، از صفحه 177 تا 184 )یادداشت فنی(
ارزیابی هم زمان قابلیت اطمینان دسترسی به برق و هزینه در سیستم فتوولتائیک مستقل از شبکه )مطالعة موردی: کرمانشاه(
مهدی حاتمی1، علی ناظمی2‌*، اعظم دولت آبادی3، ناصر رستم نیا4
کارشناس ارشد مهندسی صنایع شرکت ملی مناطق نفت خیز جنوب
استادیار اقتصاد دانشگاه علوم اقتصادی
کارشناس ارشد مدیریت بازرگانی دانشگاه پیام نور تهران
کارشناس ارشد مهندسی صنایع دانشگاه علوم اقتصادی
)تاریخ دریافت 16/09/92 ـ تاریخ دریافت روایت اصلاح شده 25/11/93 ـ تاریخ تصویب 18/03/94(چکیده
تعداد ساعات آفتابی روزانه، یکی از عوامل تأثیرگذار بر تعداد پنل خورشیدی در یک سیستم فتوولتائیک مستقل از شبکه است. با تغییر ماه های مختلف، میزان ساعات آفتابی روزانه نیز تغییر می یابد که معمو در مـاه هـ ای تابسـتا ن، بیشـت ر از زمسـتان اسـت .درهنگـام طراحـی سیسـت م فتوولتائیک و محاسبة تعداد اجزای سیستم، معمو از مقدار متوسًط ساعات آفتابی استفاده می شود ،اما در زمستان بهدلیل ساعات آفتابی کمتر از متوسط، با کمبود برق و در تابستان بهدلیل ساعاًت آفتابی با تر از متوسط، با برق اضافی و استفادهنشده روبهرو می شـ ویم. در ای ـن پـژوهشبرای شهر کرمانشاه با توجه به ساعات آفتابی روزانه در 12 ماه مختلف سال و نیز با توجه به میانگین ساعات آفتابی روزانـه در طـول سـال، 13 طرح برای طراحی سیستم فتوولتائیک ارائه میشود و براساس شاخص های قابلیت اطمینان دسترسی به برق و هزینة سیستم، ارزیابی میشـودکه کدام طرح مناسب تر است. برای ارزیابی اقتصادی، از روش هزینة چرخة عمر سیستم فتوولتائیک طی 30 سال و در میزان تنزیل 18 درصد استفاده می شود. نتایج نشان می دهد که در طرح خرداد و تیر، هزینة سیستم فتوولتائیک و قابلیت اطمینان دسترسی به برق کمتـر اسـت، امـاطرح دی دارای بیشترین هزینه و بیشترین قابلیت اطمینان است.
واژ ‌ههای‌کلیدی: احتمال کمبود برق، انرژی تجدیدپذیر، سیستم فتوولتائیک، قابلیت اطمینان.
مقدمه
مطابق آمار شرکت توانیر، علیرغم اتمام عملیات برق رسانی به روستاهای با ی 20 خانوار کشور، هنوز بیش از 17000 خانوار روستایی که در روستاهایی بـا جمعیـ ت کمتـر از 20 خانوار ساکن اند، از نعمت دسترسی به برق محروماند] 1[.
نبود شبکة سراسری برق در منـاطق دورافتـاده ، هزینـ ة با ی احدا خط انتقال جدید بـه دلیـ ل مسـافت طـو نی ،افــزایش مصــرف انــرژ ی بــرق و وجــود تعــداد زیــادی مصــرف کننــدة دور از هــم، از بــزر تــرین مشــکلهــای شرکت های برق است. افـزا یش همیشـگ ی تقاضـا ی انـرژ ی ،طبیعت تجدیدناپذیر و هزینـه هـ ای سـنگ ین سـوخت هـا ی فسیلی، نگرانی ها در زمینة محیط زیست و مشـکلهـای ی از این قبیل، گرایشهای جدیدی به فناوری هـا ی تولی ـد تـوانتجدیدپذیر ایجاد کرده است .در این میان، انرژی های بـاد ی
نویسندة مسئول: تلفن: 09123552261
و خورش یدی، از مه م ت رین من ابع تجدیدپ ذیر محس وب م یشوند کـه بـهد یلـ ی از قبیـ ل بـازدهی ) رانـدمان ( بـا، منتش رنکردن گازهـای آ ین ده و سـاختار انعط اف پـذیر ،پتانسیل با یی در تبدیل به منابع انرژی سبز دارند] 2[.
کشور ما از نظر جغرافیایی در منطقة گرموخشـک قـرار دارد و با داشتن بیش از 280 روز آفتـاب ی در سـال، م یـ زان تــابش ســا نة خورشــیدی آن در حــدود 1800- 2200 کیلووات ساعت بـر مترمربـع تخمـ ین زده مـ ی شـود کـه از متوسط جهانی با تر است ]3[. تلفات تولید، انتقال و توزیع برق و پراکندگی جمعیـ ت کشـور ، سـبب توجـه بـه انـرژ ی خورشیدی شده اسـت . در ایـ ن میـ ان، اسـتفاده از س یسـتم فتوولتائیک، بهدلیل تبدیل مستقیم انـرژ ی خورشـ یدی بـهالکتریسیته، بینیازی از تجهیزات پیچیده و داشتن بـازدهی Email: [email protected]
متوسط 6 تـا 14 درصـد ] 4[ از اهمیـ ت ویـ ژه ای برخـورداراست.
در طراحی سیستم فتوولتائیک مستقل از شبکه ،باید دو موضوع، همزمان بررسی شوند:
قابلیت اطمینان و سطح دسترسی به برق؛
هزینة سیستم فتوولتائیک.
در طراحــی سیســتم فتوولتائیــک و محاســبة تعــداد تجهیزات آن، عوامل زیادی نقش دارنـد کـه یکـ ی از آن هـا تعداد ساعات آفتابی روزانه اسـت . واضـح اسـت کـه هرچـهمیزان ساعات آفتابی بیشتر باشد، پنـ لهـای کمتـ ری بـر ای تولید برق مورد نیاز اسـت و هرچـه سـاعات آفتـابی کمتـرباشد، تعداد پنل افزایش مییابد و هزینـه بـا تر مـ یرود. از سوی دیگر، برای افزایش سـطح قا بلی ـت اطمینـان سیسـتم فتوولتائیک و دسترسی به برق ،باید هزینـ ة بیشـتر ی بـرا ی طراحی سیستم فتوولتائیک درنظر گرفتـه شـود. درنتیجـه ، باید برآورد شـود کـه بـرای دسترس ـی بـ ه بـرق در سـطوحاطمینان مختلف، چه مقدار باید برای سیستم هزینه شود.
درهنگام طراحی سیستم فتوولتائیک، معمـو ً از مقـدارمتوسط ساعات آفتابی روزانه استفاده می شـود . در زمسـتانبهدلیل اینکه ساعات آفتابی کمتر از متوسط سالیانه اسـت ، سیستم با کمبود برق مواجـه مـی شـود و در تابسـتان نیـ ز به دلیل بیشتربودن ساعات آفتابی نسبت به سطح متوسـط،قابلیت تولید مقداری برق مازاد بر نیاز وجود دارد کـه از آن استفاد های نم یشود.
در این پـژوهش ، بـر ای تـأ مین بـرق خـانواری در شـهرکرمانشاه، با استفاده از داده های آبوهوایی 45 سال اخیـ ر، با توجه به متوسط ساعات آفتابی روزانه در 12 مـاه سـال و نیز متوسط ساعات آفتابی روزانه در طول سال ،13 سـنار یو طراح ی م ی شــود ک ه در ه ر ســنار یو، هزین ة سیســتم فتوولتائیک و قابلیـ ت اطمینـان سـطح دسترسـی بـه بـرقبررسی می شود. شاخص مورد استفاده در این پژوهش برای قابلیت اطمینان، احتمال کافیبودن بـرق اسـت و برمبنـای 13 سناریو موجود، به تصمیم گیری درمورد انتخـاب گز ینـ ة برتر پرداخته می شود. برای انجـام محاسـبههـا از نـرم افـزار اکسل و ویژوال بیسیک استفاده شده است. قیمت ها برحسب د ر و مربوط به سال 1391 است. نتایج بهکمـک نمـودار وجدول نشان داده می شود.
مبانی نظری معرفی اجزای سیستم فتوولتائیک
فتوولتائی ک فراین دی اس ت ک ه در آن ،ب دون اس تفاده از سازوکارهای مکانیکی، انرژی تابش ـی بـه الکت ریکـ ی تبـ دیل می شود. این پدیده، بر فرضیة ذره ایبودن انرژی تابشی بنـانهاده شده است. هر سیستمی که از این خاص ـیت اسـتفاده کند، فتوولتائیک نام دارد] 5[.
سیستم فتوولتائیک مستقل از شـبکه ، از چهـار قسـمتاصلی تشکیل شده است که عبارت اند از: پنـل خورشـیدی، شارژ کنترل، باتری و اینورتر .در سیستم فتوولتائیک، بـرا ی تبدیل نور خورشید به الکتریسیته، از سلول های خورشیدی استفاده می شود. مادة اصلی تشکیل دهندة بیشتر سلول های خورشیدی موجود در بازار، یة نازک نیمه رسانای سیلیکون است ]6[. سلول های فتوولتائیـ ک، بـه صـورت الکتریکـ ی در مدارهای سری یا موازی متصل می شوند تا ولتاژ یـ ا جریـ ان بیشتر تولید کنند. به مجموعه ای از این سلول ها که در کنار یکدیگر براساس طراحی های هر کارخانة سازنده در یک یـة محافظت شده از نظر محیطـ ی، سـر ی و مـواز ی مـ ی شـو ند و بلوک ساختمان اولیة یک واحد مولد فتوولتائیـ ک را تشـک یل می دهند، پنل یا ماژول فتوولتائیک و به مجموعة این پنـل هـاآرایة خورشیدی گفته میشود] 7[. از شارژ کنترل، به منظـورجلوگیری از خرابشدن بـا تری هـا اسـتفاده مـی شـود . شـارژکنترل، وظیفة کنترل شارژ و دشـارژ بـاتری را برعهـده دارد.
برای تبدیل برق مستقیم پنلهای خورشیدی به برق متناوب مورد استفادة وسایل برقی خانگی، از اینورتر استفاده می شود.
محاسبة تعداد اجزای سیستم
برای محاسبة تعداد اجزای مورد نیاز سیستم فتوولتائیک، از روابطی استفاده می شود کـه پارامترهـای مـورد نیـ از آن در جدول 1 معرفی شده است.
توان مورد نیاز که باید از مجموعة پنلها تأمین شود، از رابطة 1 بهدست می آید:
)1( (WpRoundup(

WH*(1SZ)(1T) تعداد پنل خورشیدی از رابطة 2 حاصل می شود:
NP Roundup(WPP ) )2(

جدول 1. پارامترهای مورد نیاز برای محاسبة تعداد اجزای سیستم فتوولتائیک مستقل از شبکه
جمع وات ساعت مصرفی در شبانهروزWH:
تعداد روزهای ذخیره )ابری(Z:
تلفات سیستمT:
ولتاژ سیستم V:
ساعات آفتابی روزانهS:
توان اسمی پنلP:
ولتاژ اسمی پنلVP:
تعداد پنلNP:
جریان اتصال کوتاه پنلIC:
تعداد شارژ کنترلNC:
ولتاژ ورودی شارژ کنترلVC:
گردکردن عدد به سمت کوچکترینRound up: عدد بزرگ تر از خودش کمترین توان الکتریکی مناسب برای اینورتر WI:
جریان ورودی شارژ کنترلJC:
توان لازم برای مجموعة پنلهاWP:
تعداد باتریNB:
عمق دشارژ باتریD:
ظرفیت باتریZB:
ولتاژ باتری VB:
حداقل ظرفیت مورد نیاز برای باتری بانک BB:
ظرفیت نامی باتری بانک ZN:
مجموع مصرف انرژی در شبWN:
مجموع توان همزمان وسایلW:
درصد تلفات اینورترTI:
جزء صحیح عددInt:
حداکثر تعداد پنل قابلاتصال به هر شارژ کنترل HP:

ح داقل ظرفی ت م ورد نی از ب اتری بان ک، از رابط ة 3 به دست می آید:
)3(
BBRoundup(

WN(VZ*WH)*(2-D)) تعداد باتری از رابطة 4 حاصل م یشود:
NB

VBV Roundup(

BZBB) )4(
تعداد شارژ کنترل، از رابطة 5 بهدست می آید:
97950373108

NC  Roundup(( VCNP )/HP) )5(
VP
کمترین توان الکتریکی مناسب برای اینورتر، از رابطة 6 حاصل می شود:
WI Roundup(W *TI) )6(
هزینه هاا ی سیساتم فتوولتائیا ک و محاساب ة قیمت هر کیلووات ساعت برق فتوولتائیک هزینه های سیستم فتوولتائیک عبارت اند از:
هزینة خرید تجهیزات سیستم نظیر باتری و اینـورتر و شارژ کنترل و پنل
هزینة نصب: از حاصل ضرب مجموع تـوان پنـلهـا ی نصب شده در 12 سنت بهدست می آید
هزینة نگهداری و تعمیرهای سالیانه ط ول عم ر سیس تم فتوولتائی ک را 30 س ال درنظ ر می گیریم و مطابق کاتالو فنی باتری ها، با توجه بـه عمـقدشارژ 30 درصد برای باتری های مورد استفاده، بایـ د آن هـا هر چهار سال یک بار تعویض شوند .شـایان ذکـر اسـت کـهچون همة هزینه ها، در تمام عمر سیستم فتوولتائیک درنظر گرفته می شود، باید هزینه هـا بـا توجـه بـه میـزان مناسـبتنزیل، براساس رابطة 7 به سال پایه آورده شود.
PC Co CS  tt70 (1Cbti)4t )7(
در رابطة 7، PC ارزش زمان حال هزینه هـا ی سیسـتم ، oC هزینة خرید تجهیـ زات در سـال پا یـ ه، یعنـ ی مجموعـ ة هزینة خریـ د پنـل خورشـیدی و شـارژ کنتـرل و بـاتری واینورتر، Cs هزینة نصب سیستم، Cbt هزینة تعـو یض بـاتریدر سال t، و i میزان تنزیل است که در این مقاله 18 درصد درنظر گرفته می شود.
اگر فرض شـود کـه در سـالt ، بـه انـدازة wt کیلـووات ساعت، برق خورشیدی مصرف شـود ، مـ ی تـوان قیمـت هـرکیلووات ساعت برق را با توجه بـه رابطـة 8 بـه دسـت آورد ]5- 7[.
)8(
21227728477

P  t30PCWt
t1 (1i)tقابلیت اطمینان سیستم
قابلیت اطمینان سیستم، احتمال عملکرد رضایت بخـش آن در شرایط کار مشخص برای مدت معین است] 8[. در ایـ ن پژوهش، برای ارزیابی قابلیت اطمینان، از شـاخص احتمـالکافیبودن برق استفاده می کنیم.
یعنی اینکه اگر محاسبههای طراحی سیسـتم براسـاس
تعداد سـاعات آفتـابی روزانـ ة مـاهi ام باشـد ) i=1… 12( ومیزان برق تولیدی روزانه از سیستم فتوولتائیک در مـاهj ام Wij وات ساعت و میزان نیاز به برق مصرفی در ماه j ام Wj وات س اعت باش د، می زان کمب ود ب رق س ا نة سیس تم فتوولتائیکی- که براساس ساعات آفتـاب ی مـاهi ام طراحـ ی شده- از رابطة 9 بهدست می آ یـد کـه در آن، Dj تعـداد روزماه j ام است:
j12
LOLi   D j(W jWij) )9(
1jقابلیت اطمینـان دسترسـ ی بـه بـرق براسـاس سـاعاتآفتابی روزانة ماه i ام، از رابطة 10 بهدست می آید:

4.55
5.49
6.13
7.05
8.90
11.68
11.36
10.98
10.24
8.03
6.26
4.79
0.00
3.00
6.00
9.00
12.00

4.55

5.49

6.13

7.05

8.90

11.68



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید