Design and simulation of grid-connected hybrid solar-wind power plants to reduce carbon gas emissions in the 30th parallel north

Subject Areas : Energy and environment

Amirali Ghahramani8 ¹ , saman tashakor ²

1 - Master of Science in Renewable Energy Engineering, Islamic Azad University, Shiraz, Iran
2 - Department of renewable energy, Islamic Azad University, Shiraz, Iran

Received: 2023-06-28 Accepted : 2023-09-09 Published : 2023-09-21

Keywords: Carbon footprint reduction, Hybrid solar-wind system, PVsyst, SAM, TRANSYS,

Abstract :

Introduction: Renewable energy is one of the vital components in reducing carbon emissions and mitigating climate change. The use of renewable energy sources such as solar, wind, hydro, biomass, and geothermal provides energy without greenhouse gas effects on the planet. This study examines the efficiency solar-wind hybrid power plant on the 30th parallel north was studied by simulating energy production in the form of three power generation designs with a nominal capacity of 7 MWh from the solar-wind hybrid power plant in four cities of Cairo, Houston, Chongqing, and Shiraz. The study was conducted using PVsyst, SAM, and Transys software. Materials and Methods: By simulating and analyzing the following three proposed plans in each city and comparing them, it is possible to reach the most efficient range of the power distribution ratio of the combined solar-wind power plant. First plan) 25% of the total power of the power plant is from solar energy and 75% of the total power of the power plant is from wind energy. Second plan) 50% of the total power of the power plant is from solar energy and 50% of the total power of the power plant is from wind energy. Third plan) 75% of the total power of the power plant is from solar energy and 25% of the total power of the power plant is from wind energy. By examining the amount of annual energy injected into the network, the amount and effect of using renewable resources in reducing carbon gas production is analyzed and calculated. Results and Discussion: In addition to providing energy, the combined power plant will increase the reliability factor and preserve non-renewable resources and reduce greenhouse gases. All three software can be used in power plant simulation and analysis and the results are in good agreement. Conclusion: The first design is approximately 30% more efficient than the second design and 85% more than the third design. Shiraz with the production of 48466 megawatts per year reduced carbon dioxide emissions by 23651.408 tons, in Cairo with the production of 45799 megawatts per year the carbon dioxide emissions decreased by 25189.45 tons, Houston with the production of 40979 megawatts per year reduced the carbon dioxide emissions by 15203.209 tons.

References:

1- Ritchie H, Roser M, Rosado P. Renewable energy solar and wind data. Available at: https://ourworldindata.org/renewable-energy (2022)
2- Jha AR. Solar cell technology and applications. CRC press; 2009 Oct 14. doi:10.1201/9781420081787
3- Manwell JF, McGowan JG, Rogers AL. Wind energy explained: theory, design and application. John Wiley & Sons; 2010 Sep 14. doi:10.1002/9781119994367
4- Manwell JF. Hybrid energy systems. Encyclopedia of energy. 2004 Jan 1;3(2004):215-229. doi:10.1016/b0-12-176480-x/00360-0
5- Upadhyay S, Sharma MP. A review on configurations, control and sizing methodologies of hybrid energy systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014 Oct 1;38:47-63. doi:10.1016/j.rser.2014.05.057
6- Mansouri E, Pirsalami M, Nasiri N, Farrizi M, Hashemizadeh M, Alihosseini H. Optimum tilt angle for fixed-array solar panels at a constant latitude of 29 to receive the maximum sunlight. Bull. Env. Pharmacol. Life Sci.[Spl. Issue 1]. 2016;26:30-9. doi-ds:doilink/05.2016-13212626/
7- Khare V, Nema S, Baredar P. Solar–wind hybrid renewable energy system: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016 May 1;58:23-33. Doi:10.1016/j.rser.2015.12.223
8- Maleki A, Rosen MA, Pourfayaz F. Optimal operation of a grid-connected hybrid renewable energy system for residential applications. Sustainability. 2017 Jul 27;9(8):1314. doi:10.3390/su9081314
9- Al-Ajmi MS, Mustapha F, Yunus NA, Halin IA. A true hybrid solar wind turbine electric generator system for smaller hybrid renewable energy power plants. InMATEC Web of Conferences 2018 (Vol. 215, p. 01015). EDP Sciences. doi:10.1051/matecconf/201821501015
10- Mehrjerdi H. Modeling, integration, and optimal selection of the turbine technology in the hybrid wind-photovoltaic renewable energy system design. Energy Conversion and Management. 2020 Feb 1;205:112350. doi:10.1016/j.enconman.2019.112350
11- Roy P, He J. Grid-connected hybrid wind-solar farm hourly dispatching with battery and supercapacitor energy storage. InIECON 2020 The 46th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society 2020 Oct 18 (pp. 1831-1836). IEEE. doi:10.1109/iecon43393.2020.9255381
12- Liu L, Xu J. Multi-objective generation scheduling towards grid-connected hydro–solar–wind power system based the coordination of economy, management, society, environment: A case study from China. International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2022 Nov 1;142:108210. doi:10.1016/j.ijepes.2022.108210
13- Farghali M, Osman AI, Chen Z, Abdelhaleem A, Ihara I, Mohamed IM, Yap PS, Rooney DW. Social, environmental, and economic consequences of integrating renewable energies in the electricity sector: a review. Environmental Chemistry Letters. 2023 Jun;21(3):1381-418. doi.org:10.1007/s10311-023-01587-1
14- Badger J, Bauwens I, Casso P, Davis N, Hahmann A, Bo Krohn Hansen S, Ohrbeck Hansen B, Heathfield D, James Knight O, Lacave O, Lizcano G, Bosch i Mas A, Gylling Mortensen N, Tobias Olsen B, Onninen M, Potter Van Loon A, Volker P. Wind data, Wind speed, Wind power density, Roughness legth. Available at: https://globalwindatlas.info (2023)
15- N1 solar panel datasheet. Available at: https://www.lg.com/us/solar/solar/files/resources/LG_Solar_2021ProductCatalog_Digital_09092021.pdf(2021)
16- Sunny central 800CP-JP 800KW datasheet. Available at: https://www.sma.de/en/products/solarinverers. (2021)
17- Wind turbine 1.5 Xle dataseet. Available at: https://www.ge.com(2020)
18- Sam software used in simulation. Available at: https://sam.nrel.gov(2023)
19- PVsys software used in simulation. Available at: https://www.pvsyst.com(2023)
20- TRNSYS¬¬ software¬¬ used in simulation. Available at: http://www.trnsys.com (2023)
21- Emissions intensity from electricity generation in Iran in grams of carbon dioxide equivalent per kilowatt-hour. Available at: https://www.statista.com/statistics/1302592/iran-emissions-intensity-from-electricity-generation/ (2020)
22- Emissions intensity from electricity generation in Egypt in grams of carbon dioxide equivalent per kilowatt-hour. Available at: https://www.iea.org/reports/energy-climate-change-and-environment-2016-insights (2016)
23- Emissions intensity from electricity generation in China in grams of carbon dioxide equivalent per kilowatt-hour. Available at: https://www.statista.com/statistics/1300419/power-generation-emission-intensity-china/ (2022)
24- Emissions intensity from electricity generation in USA in grams of carbon dioxide equivalent per kilowatt-hour. Available at: https://css.umich.edu/publications/factsheets/sustainability-indicators/carbon-footprint-factsheet (2022)

Full-Text:



مقاله پژوهشی

فصلنامه پژوهش های نوین در مهندسی محیط زیست دوره اول، شماره 2، تابستان 1402 ، صفحات 59-46 شاپا الکترونیکی: 0930-2981

 

شبیه‌سازی نیروگاه ترکیبی خورشیدی- بادی متصل به شبکه به منظور کاهش گاز                  دی اکسید کربن و اثرات مخرب زیست محیطی گاز‌های گلخانه‌ای در مدار‌30 درجه شمالی
امیرعلی قهرمانی*		کارشناسی ارشد مهندسی انرژی‌های تجدیدپذیر، دانشگاه آزاد اسلامی، شیراز، ایران
سامان تشکر		استادیار، گروه مهندسی انرژی تجدیدپذیر، واحد شیراز، دانشگاه آزاد اسلامی، شیراز، ایران.
		چکیده مبسوط
تاریخ دریافت: 07/04/1402   تاریخ پذیرش: 18/06/1402		مقدمه: انرژی تجدیدپذیر یکی از مؤلفه‌های حیاتی در کاهش انتشار کربن و کاهش تغییرات آب و هوایی است. استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، بادی، آبی، زیستی و زمین‌گرمایی، انرژی را بدون اثرات گرمایشی فراهم می‌کند. در این پژوهش میزان بهره‌وری نیروگاه ترکیبی بر روی مدار 30 درجه شمالی، با شبیه‌سازی تولید انرژی در قالب سه طرح تولید توان به میزان 7 مگاوات ساعت نامی از نیروگاه ترکیبی خورشیدی – بادی در چهار شهر قاهره، هیوستن، چونگ کینگ، شیراز واقع بر مدار 30 درجه شمالی و با کمک نرم‌افزار‌های پی‌وی‌سیست، سم و ترنسیس مورد بررسی قرار گرفت. مواد و روش‌ها: با شبیه‌سازی و آنالیز سه طرح پیشنهادی ذیل در هر شهر و مقایسه آن‌ها، می‌توان به کارآمدترین محدوده نسبت توزیع توان نیروگاه ترکیبی خورشیدی–بادی رسید. طرح اول) 25% توان کل نیروگاه از انرژی خورشیدی و 75% توان کل نیروگاه از انرژی باد است. طرح‌دوم) 50% توان کل نیروگاه از انرژی خورشیدی و 50% توان کل نیروگاه از انرژی باد است. طرح‌سوم) 75% توان کل نیروگاه از انرژی خورشیدی و 25% توان کل نیروگاه از انرژی باد است. با بررسی میزان انرژی سالانه تزریق شده به شبکه میزان و تأثیر استفاده از منابع تجدید‌پذیر در کاهش تولید گاز کربن بررسی و محاسبه می‌گردد.
واژه‌های کلیدی: پی‌وی‌سیست، نرم‌افزار ترنسیس، سم، سیستم ترکیبی خورشیدی – بادی، کاهش ردپای کربن
		نتایج و بحث: نیروگاه ترکیبی علاوه بر تأمین انرژی، منجر به افزایش ضریب اطمینان و حفظ منابع غیر تجدیدپذیر و کاهش گاز‌های گلخانه‌ای خواهد گردید. هر سه نرم‌افزار قابلیت مناسبی در شبیه‌سازی و آنالیز نیروگاه ترکیبی داشتند و نتایج همخوانی مناسبی دارند.
		نتیجه‌گیری: طرح اولیه صورت تقریبی 30% بیشتر از طرح دوم و 85% بیشتر از طرح سوم بازدهی تولید انرژی دارد. شیراز با تولید 48466 مگاوات در سال کاهش انتشار دی‌اکسید کربن به میزان 408/23651 تن، قاهره با تولید 45799 مگاوات در سال کاهش انتشار دی‌اکسید کربن به میزان 45/25189 تن، هیوستن با تولید 40979 مگاوات در سال کاهش انتشار دی‌اکسید کربن به میزان 209/15203 تن را دارا می‌باشد.
نویسنده مسئول: امیرعلی قهرمانی
نشانی: : شیراز- معالی آباد- بوستان- کوچه 1- پلاک 17. تلفن: [phone]    پپست الکترونیکی: [e-mail] DOR:
استناد: قهرمانی امیر علی، تشکر سامان. شبیه‌سازی نیروگاه ترکیبی خورشیدی- بادی متصل به شبکه به منظور کاهش گاز دی اکسید کربن و اثرات مخرب زیست محیطی گاز‌های گلخانه‌ای در مدار‌30 درجه شمالی. پژوهش‌های نوین در مهندسی محیط زیست. 1402؛ (2) 1: 46-59.
	حقوق نویسندگان محفوظ است. این مقاله با دسترسی آزاد و تحت مجوز مالکیت خلاقانه http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 در فصلنامه پژوهش‌های نوین در مهندسی محیط زیست منتشر شده است. هرگونه استفاده غیرتجاری فقط با استناد و ارجاع به اثر اصلی مجاز است.

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه

تقریباً همه کسانی که با اصطلاح "گاز‌های گلخانه‌ای" آشنا هستند، دی‌اکسید کربن را به عنوان معرف این گروه از گاز‌ها می‌شناسند. البته این دیدگاه نادرست هم نیست، اما دی‌اکسید کربن تنها یکی از گاز‌های گلخانه‌ای است که انسان تولید می‌کند.گاز‌های گلخانه‌ای شامل دی‌اکسید کربن، دی اکسید نیتروژن، متان، بخار آب و ازت هستند. این گاز‌ها به این دلیل گاز‌های گلخانه‌ای نامیده می‌شوند که فضای گلخانه‌ها را در اطراف زمین ایجاد می‌کنند. در گلخانه‌ها نور خورشید وارد محیط می‌شود اما به دلیل جداره شیشه‌ای، بخشی از آن دوباره به درون گلخانه برمی‌گردد. به این ترتیب فضای داخل گلخانه از بیرون گرمتر می‌شود. در جو زمین هم اتفاق مشابهی روی می‌دهد. وقتی اشعه‌های خورشید به سطح زمین می‌رسند، بخشی از آن‌ها جذب می‌شود و سطح زمین را گرم می‌کند، زیرا سطح زمین بسیار سردتر از خورشید است. در نتیجه امواج را با طول موج بلندتری نسبت به خورشید منتشر می‌کند. اشعه‌های خورشید هم پس از برخورد با زمین با طول موج بلندتری منتشر می‌شوند. از طرف دیگر جو زمین امواج با طول موج بلندتر را راحت‌تر جذب می‌کند. به این ترتیب این امواج بازگشتی از زمین جذب اتمسفر می‌شود. جذب این امواج سبب گرم شدن جو می‌شود. این عمل به خودی خود مضر نیست. اما زمانی که گاز‌های گلخانه‌ای در سر راه این امواج بازگشتی قرار می‌گیرند، مضرات بیشتر می‌شود. پیش از دخالت انسان در طبیعت، جو زمین همیشه بخشی از امواج خورشید را در خود نگه می‌داشت که سبب می‌شد هوای کره خاکی ما به اندازه مناسبی برای زیست، گرم باشد. پس از آنکه انسان‌ها وارد ماجرا شدند، با تولید گاز‌های گلخانه‌ای میزان جذب اشعه‌های خورشید را افزایش دادند و دمای محیط افزایش قابل ملاحظه‌ای یافت. از خواص گاز‌های گلخانه‌ای انعکاس امواج با طول موج بلند است. این اتفاق هم برای امواجی که از خورشید می‌آیند می‌افتد هم برای امواج بازگشتی از زمین. بخش خطرناک جریان در مورد امواج بازگشتی از زمین روی می‌دهد. گاز‌های گلخانه‌ای این امواج را دوباره به سطح زمین برمی‌گردانند. به این پدیده اثر گلخانه‌ای می‌گویند. خورشید به صورت مداوم درحال تولید انرژی ازگداخت هسته‌ای است، و بشر تنها قادر به استفاده از بخش بسیار ناچیزی از این انرژی است. کلیه انرژی‌های مصرفی بشر به نوعی با ارتباط مستقیم یا غیر مستقیم، از خورشید نشآت می‌گیرند. 

 سیستم‌های ترکیبی با ترکیب کردن دو یا چند منبع انرژی، قابلیت بهره‌وری انرژی را افزایش می‌دهند. این منابع با عملکرد در کنار یکدیگر کمبود‌های یکدیگر را پوشش می‌دهند. مهم‌ترین هدف استفاده از سیستم‌های ترکیبی افزایش ضریب اطمینان تولید انرژی می‌باشد. افزایش ضریب اطمینان بدین معنی است که سیستم ترکیبی، به طور کلی قادر به تأمین انرژی مورد نیاز بار مصرفی باشد و سطح انرژی خروجی سیستم در طول ساعات مختلف شبانه روز از حد معینی بالاتر باشند. تجهیزات در طراحی بهینه سیستم‌های ترکیبی بسیار مهم هستند. جمعیت بسیاری بر روی مدار 30 درجه شمالی زندگی می‌کنند (ریچی و همکاران 2022). از این رو نیاز به انرژی با ضریب اطمینان بالا از ملزومات مناطق واقع بر این مدار می‌باشد. بررسی شبیه‌سازی عملکرد طرح‌های مختلف نیروگاه ترکیبی خورشیدی-بادی در چهار شهر مختلف واقع بر این مدار، اطلاعات تعیین‌کننده‌ای درخصوص امکان سنجی سایت‌ها و تولید انرژی طرح‌ها در دسترس قرار می‌دهد. همچنین اطلاعات تکمیلی حاصل از مقایسه نرم‌افزار‌های شبیه‌سازی نیروگاه‌ها انرژی تجدیدپذیر ضریب دقت طراحی را بالا می‌برد. میزان کل بهره‌وری بشر از انرژی خورشید، تنها 3% از کل انرژی مصرفی جهان می‌باشد، این در حالی است که انرژی خورشیدی در دسترس برای بهره‌برداری 10000 برابر انرژی مصرفی جهان است. سیستم‌های فتوولتائیک از سلول‌های خورشیدی به منظور تبدیل نور خورشید به الکتریسیته استفاده می‌کنند. سلول‌های خورشیدی اکثرا از سیلکون ساخته شده‌اند که خاصیت نیمه‌هادی دارد(ج‌ها 2009).

تشعشعات دریافتی خورشید توسط زمین، موجب گرم شدن هوای اتمسفر شده و به همین دلیل هوا به سمت بالا حرکت می‌کند. شدت این گرمایش در استوا بیشتر از هوای اطراف قطبین خواهد بود و هوای اطراف قطبین نسبت به هوای استوا کمتر گرم می‌گردد. دانسیته هوا با افزایش دما کاهش پیدا کرده و بنابراین هوای سبکتر استوا به سمت بالا حرکت کرده و در اطراف پخش می‌گردد. این عمل موجب افت فشار در این ناحیه گردیده و موجب جذب هوای سرد از قطبین به سمت استوا می‌گردد (منول و همکاران 2010).

سیستم‌هایی که بیش از یک منبع جهت تولید برق استفاده می‌کنند را سیستم‌های ترکیبی می‌نامند. این سیستم‌ها امکان تولید برق به صورت بهینه و به صرفه اقتصادی را از دو یا چند منبع فراهم می‌آورند. مهمترین بخش سیستم ترکیبی اجزای تشکیل‌دهنده این سیستم می‌باشند که شناخت مشخصات فنی، روابط ریاضی و همچنین مشخصات اقتصادی و زیست محیطی آن برای تصمیم‌گیری جهت بهره‌گیری از اهیمت بالایی برخوردار است (منول 2004). به طور کلی فناوری‌های تشکیل‌دهنده یک سیستم ترکیبی می‌تواند شامل سیستم‌های دیزل ژنراتور، سلول‌های فتوولتائیک خورشیدی، توربین بادی، نیروگاه‌آبی‌کوچک یا بزرگ، تولید همزمان برق و حرارت (میکروتوربین، موتور رفت و برگشتی و غیره)، هیدروژن و پیل سوختی، بویلر با سوخت دیزل، گاز طبیعی، زیست توده و زیست گاز، و باتری‌ها باشند.

به طور کلی هدف از تأسیس یک سیستم ترکیبی کاهش هزینه‌های عملیاتی، تعمیرات و نگهداری و هزینه‌های انتقال سوخت با حداقل‌سازی زمان بهره‌برداری و مصرف سوخت می‌باشد (اوپادهیای و شارما 2014). سیستم ترکیبی تجدیدپذیر معمول عبارتند از: سیستم ترکیبی خورشیدی – بادی، سیستم ترکیبی خورشیدی – دیزل – بادی، سیستم ترکیبی خورشیدی –دیزل ژنراتور، سیستم ترکیبی خورشیدی – ذخیره هیدروژن – بادی، سیستم ترکیبی خورشیدی – ذخیره هیدروژن و سیستم ترکیبی بادی – ذخیره هیدروژن.

نیروگاه ترکیبی خورشیدی – بادی شامل دو بخش اصلی فتوولتائیک و بادی می‌باشند. نیروگاه ترکیبی شامل تمامی اجزای نیروگاه متصل به شبکه فتوولتائیک و تمامی اجزای نیروگاه بادی می‌باشد. ترکیب باد و خورشید دارای مزیت‌ها بسیاری است که مهم‌ترین آن این است که این دو منبع مکمل یکدیگر هستند، به عبارتی زمان بارگیری حداکثر برای هر سیستم در زمان‌های مختلف روز و سال رخ می‌دهد یا به عبارت دیگر، در روز‌های آفتابی شدت تابش زیاد و توده‌های هوایی آرام یا ملایم بوده و در روز‌های ابری و در طول شب شدت تابش ناچیز و باد‌ها به دلیل تغییر موقعیت پارسل‌های سرد و گرم، تندتر خواهد بود، از این رو تولید برق این سیستم ترکیبی ثابت‌تر است. به همین منظور در طراحی نیروگاه ترکیبی، محل سایت نیروگاه با چنین شرایطی از اهمیت فراوانی برخوردار است. 

مدار 30 درجه شمالی دایره فرضی موازی با خط استوا است که به اندازه 30 درجه در شمال آن واقع شده است. تمامی مناطق بر روی این مدار دارای عرض جغرافیایی یکسان (30 درجه شمالی) می‌باشند. این مدار از آسیا، خاورمیانه، آفریقا، آمریکای مرکزی و شمالی و همچنین آب‌ها واقیانوس‌های بین آن‌ها عبور می‌کند. مدار 30 درجه شمالی از 18 کشور عبور می‌کند. این مدار شامل شهر‌های پرجمعیت، قدیمی و مهمی همچون هیوستن در آمریکا، قاهره در مصر، شیراز در ایران، مولتان در پاکستان، چونگ کینگ در چین، هانگ ژو درچین، نیگبو در چین، آستین در آمریکا، جکسنوئل درآمریکا و نیواورلئان درآمریکا می‌باشد.این مدار دومین عرض جغرافیایی از نظر جمعیت است، از این رو تآمین انرژی در این مدار از اهمیت بالایی برخوردار است. تقریباً 3/3 تا 7 درصد جمعیت جهان بر روی این مدار زندگی می‌کنند.

سیستم‌های انرژی ترکیبی برای تأمین انرژی الکتریکی در مناطق شهری، روستایی و دوردست برای استفاده بیشتر از منابع انرژی خورشیدی و بادی مورد استفاده قرار می‌گیرند. یک سیستم انرژی تجدید‌پذیر ترکیبی شامل دو یا چند گزینه تولید برق بر‌اساس انرژی تجدیدپذیر یا واحد سوخت فسیلی است. 

شیراز و مناطق واقع بر عرض جغرافیای°29 پتانسیل بالاتری برای استفاده از پنل‌های فتوولتائیک دارند و دلیل آن شدت تابش دریافتی مناسب و میانگین دمای سالانه مناسب نسبت به شدت تابش دریافتی است (پیرسلامی و همکاران 2016). تقاضا برای برق روز به روز درحال افزایش است که به تنهایی نمی‌توان توسط منابع انرژی تجدید ناپذیر این تقاضا را پوشش داد (ویکاس خاره و همکاران 2016).

 روزن و همکاران پژوهشی در راستای حل مسأله پیچیده بهینه‌سازی سیستم ترکیبی برای تأمین گرما و توان الکتریکی انجام دادند. که با افزودن سیستم حرارتی هزینه‌ی کلی سیستم کاهش یافته است. همچنین بهترین نسبت تولید توان با استفاده از انرژی بادی و خورشیدی به ترتیب % 41/74و %59/25 توان مورد نیاز کل است (روزن و همکاران 2017، اوپادهیای و شارما 2014).نیروگاه‌های ترکیبی انرژی خورشیدی - بادی به مقدار زیادی فضا برای بخش فتوولتائیک نیاز دارند. منظور کاهش فضای اشغالی به خصوص برای نیروگاه‌های سایز کوچک تکنولوژی سیستم ترکیبی واقعی¹ پیشنهاد شده‌است (الاجمی و همکاران 2018). تقاضای برق الکتریکی در مناطق دور افتاده می‌تواند به طور مؤثر توسط منابع تجدیدپذیر تأمین شود. در این زمینه، سیستم‌های فتوولتائیک - بادی به دلیل کاهش هزینه سیستم و سطح بالاتر قابلیت اطمینان عرضه، توجه بیشتری را به خود جلب کردند. فرمولاسیون جدید برای ترکیب فن‌آوری‌های توربین بادی در طراحی سیستم انرژی تجدیدپذیر انرژی تجدید‌پذیر بهینه توسط مهرجردی پیشنهاد شده‌است (مهرجردی سال 2020).

استفاده ترکیبی از انرژی بادی و پنل خورشیدی که به عنوان سیستم ترکیبی شناخته می‌شود یکی از فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر برای برآورده‌کردن قدرت مورد نیاز بار مصرفی می‌باشد. تولید انرژی مکمل نیاز به ذخیره‌سازی انرژی را کاهش می‌دهد. الگویی برای توزیع انرژی توسط روی 2020 ارائه شده است و استفاده از تکنیک مدیریت فرکانس منجر به افزایش طول عمر باتری‌ها استفاده‌شده‌است(روی و هی 2020).صنعت تولید برق بزرگترین منبع انتشار دی‌اکسید کربن است . انرژی‌های تجدیدپذیر در بخش برق را از منظر اجتماعی، زیست‌محیطی و اقتصادی توسط فرقعلی 2023 مورد بررسی قرار گرفته است. برای تصفیه آب، سیستم‌های فتوولتائیک/بادی/ذخیره‌سازی باتری که توسط یک ژنراتور دیزلی پشتیبانی می‌شوند، می‌توانند هزینه تولید آب را تا 69% کاهش و تأثیرات زیست‌محیطی مخرب را نسبت به سیستم‌های سوخت فسیلی کامل تا 90% کاهش دهند. در مقایسه با سیستم‌های انرژی تکی، سیستم‌های انرژی ترکیبی قابل اعتمادتر و بهتر برای مقابله با تأثیرات تغییرات آب و هوا بر تأمین برق مجهز هستند (فرقعلی و همکاران 2023، لیو و ژو 2022 ).

این مقاله با کمک نرم‌افزار‌های شبیه‌سازی سیستم‌های انرژی، در صدد پتانسیل سنجی نیروگاه ترکیبی خورشیدی – بادی² متصل به شبکه بر روی مدار 30 درجه شمالی برآمده است تا بتوان میزان انتشار کربن و اثرات زیست محیطی مرتبط با افزایش گاز گلخانه‌ای کربن‌دی‌اکسیدکربن را با بهره گرفتن از انرژی‌های پاک بر روی مدار 30 درجه شمالی به حداقل رسانید. همچنین به بررسی خروجی نرم‌افزار‌های پی‌وی‌سیست³، سم⁴ و ترنسیس⁵ پرداخته‌است.

 

مواد و روش‌ها

با استفاده از داده‌های هواشناسی و جغرافیایی و همچنین تحقیقات مکانیابی، مناطقی که بیشترین پتانسیل تولید انرژی را دارا هستند، مشخص نموده و از نظر سرعت باد، قدرت باد، سختی زمین، آشفتگی و فاکتور تولید انرژی بادی و میزان شدت تابش و ظرفیت فتوولتائیک مورد بررسی قرارگرفتند. هر فاکتور را به صورت مجزا برای هر 4 شهر مورد بررسی قرار گرفته است. مدار 30 درجه شمالی دارای پتانسیل بسیار مناسب جهت بهره‌وری از انرژی خورشیدی در قالب فتوولتائیک می‌باشد. حال آنکه شرایط جوی و آب و هوایی می‌تواند این امر را تغییر دهد که با بررسی بیشتر منطقه‌ای این امر بیشتر مشخص می‌گردد. مکان‌یابی سایت‌ها با برسی داده‌های سرعت باد، چگالی انرژی، زبری و فاکتور ظرفیت صورت گرفته است. 

سایت نیروگاه ترکیبی شهر قاهره در مختصات °835/29 شمالی و ° 496/31 شرقی در جنوب منطقه قاهره جدید و شرق رود نیل واقع شده است. سایت با فاصله مناسبی از شهر قرار‌دارد از این رو آشفتگی ایجاد شده توسط محیط شهری در توده‌های هوایی که به سایت نیروگاه ترکیبی می‌رسند بی‌تأثیر یا با تأثیر بسیار کم است. سایت نیروگاه ترکیبی شهر هیوستن در مختصات° 083/30 شمالی و °912/95 غربی در شمال غربی شهر هیوستن و شمال غربی منطقه سایپرس و در شمال منطقه والر واقع شده است. سایت نیروگاه با فاصله مناسبی از شهر قرار دارد، از این رو آشفتگی ایجاد شده توسط محیط شهری در توده‌های هوایی که به سایت ترکیبی می‌رسند بی‌تأثیر یا با تأثیر بسیار کم است. سایت نیروگاه خورشیدی شهر چونگ کینگ در مختصات° 568/29 شمالی و °60/106 شرقی در شرق شهر چونگ کینگ و شرق محل تلاقی رودخانه یانگ تسه و رودخانه جیالینگ واقع شده است. سایت نیروگاه چونگ کینگ مکانی جنگلی با پوشش گیاهی پیوسته بوده این رو آشفتگی ایجاد شده توسط محیط شهری و محیط طبیعی جنگلی تأثیر مستقیم و بسزایی بر توده‌های هوایی این سایت دارند. سایت نیروگاه ترکیبی شهر شیراز در مختصات° 687/29 شمالی و° 387/52 شرقی در غرب و شمال غربی شیراز و غرب کمربندی شیراز و کوه دراک واقع شده است. سایت فاصله مناسبی از شهر قرار دارد. از این رو آشفتگی ایجاد شده توسط محیط شهری درتوده‌های باد که به توربین‌ها می‌رسند بی‌تأثیر هستند. در طراحی نیروگاه ترکیبی از توربین‌های بادی با ارتفاع دکل 100متری استفاده شده است. از این رو در شکل 1 سرعت باد در ارتفاع 100 متری مورد بررسی قرار گرفته‌است. اطلاعات هواشناسی از نرم‌افزار متؤنورم⁶ استخراج شده است.

سایت نیروگاه ترکیبی شهر قاهره دارای پتانسل انرژی بادی مناسبی بوده و میانگین سرعت باد در ارتفاع 100 متری از سطح زمین آن در بازه m/s5/7 تا m/s 9 قرار دارد. سایت نیروگاه ترکیبی شهر هیوستن دارای پتانسل انرژی بادی مناسبی بوده و میانگین سرعت باد در ارتفاع 100 متری از سطح زمین آن در بازه m/s97/6 تا m/s71/7 قرار دارد. سایت نیروگاه ترکیبی شهر چونگ کینگ پتانسل انرژی بادی مناسبی ندارد و میانگین سرعت باد در ارتفاع 100 متری از سطح زمین آن در بازه m/s1 تا m/s 19/4 قرار‌دارد که بیانگر ثابت بودن توده‌های هوایی در این منطقه است. توده‌های هوایی ماندگار در یک منطقه منجر به گرم شدن منطقه و کاهش بازدهی پنل‌های خورشیدی می‌گردد، همچنین دوده و آلودگی‌های ساطع شده میزان دریافتی شدت تابش خورشید به سطح زمین را تحت تأثیر قرار می‌دهند. سایت نیروگاه ترکیبی شهر شیراز در تونل باد ایجاد شده بین 2 کوه قرار دارد. این تونل باد طبیعی منجر به افزایش سرعت باد نسبت به بقیه منطقه شده است. میانگین سرعت باد در ارتفاع 100 متری از سطح زمین آن در بازه m/s27/8 تا m/s19/9 قرار دارد. یکنواختی نسبی توده‌های هوایی به تولید مداوم و با ثبات انرژی کمک می‌کند (اطلس جهانی باد 2023).

 

---

[1] . THWS, True Hybrid Wind Solar

[2] . Hybrid Solar-Wind Energy System

[3]  . PVsyst

[4]  . SAM

[5]  . TRNSYS

[6]  Meteonorm

 

شکل1- سرعت باد در ارتفاع 100 متری از سطح زمین الف) چونگ کینگ ، ب) قاهره، ج) شیراز، د) هیوستن

 

 

چگالی انرژی باد ، یک اندازه‌گیری کمی از انرژی باد برای هر مکان است. این میانگین توان سالانه در هر متر مربع از ناحیه جاروب یک توربین(محدوده چرخش تیغه‌های توربین) است. چگالی انرژی باد رابطه مستقیم با سرعت باد و میزان انرژی تولیدی توربین‌ها در بخش بادی نیروگاه ترکیبی دارد. همچنین چگالی انرژی باد رابطه عکس با ارتفاع دارد، چگالی انرژی باد سایت‌های نیروگاه ترکیبی در شکل 2 به نمایش درآمده است. چگالی انرژی باد سایت نیروگاه ترکیبی شهر قاهره در ارتفاع 100 متری از سطح زمین آن در بازه W/m²500 تا W/m²750 قرار‌دارد. چگالی انرژی باد سایت نیروگاه ترکیبی شهر هیوستن در ارتفاع 100 متری از سطح زمین آن در بازه W/m² 350 تا W/m² 450 قرار‌دارد. چگالی انرژی باد سایت نیروگاه ترکیبی شهر چونگ کینگ در ارتفاع 100 متری از سطح زمین آن در بازه W/m² 25 تا W/m² 75 قرار‌دارد. این مکان اصلاً مناسب نیروگاه بادی نیست. از این رو برای این سایت در این پژوهش، تنها سیستم خورشیدی شبیه‌سازی شده است و در نهایت چگالی انرژی باد سایت نیروگاه ترکیبی شهر شیراز در ارتفاع 100 متری از سطح زمین آن در بازه w/m²400 تا w/m² 1200قرار‌دارد (اطلس جهانی باد 2023).

 

 

 

شکل2- چگالی انرژی باد در ارتفاع 100 متری از سطح زمین در الف) هیوستن، ب) قاهره، ج) شیراز، د) چونگ کینگ

 

پارامتر سختی (زبری) سطح، پارامتری است که به آشفتگی ناحیه مورد بررسی را بر‌اساس ارتفاع بیان می‌کند. سرعت باد میانگین در محور افقی در نزدیکی زمین را مدلسازی می‌کند. که برابر با ارتفاعی است که در آن سرعت باد از لحاظ نظری صفر می‌شود. به عنوان یک نمایش بزرگ از سختی سطح در نظر گرفته شود. میزان حداکثری این پارامتر در مکان‌های شهری و جنگلی دیده می‌شود که سرعت باد به دلیل آشفتگی به صفر میل می‌کند. پارامتر زبری سطح سایت‌های نیروگاه ترکیبی درشکل 3 به نمایش درآمده است. پارامتر زبری سطح سایت نیروگاه ترکیبی شهر قاهره در بازه m0 تا m005/0 قرار‌دارد . پارامتر زبری سطح سایت نیروگاه ترکیبی شهر هیوستن در بازه m 005/0 تا m 5/0 قرار دارد. پارامتر زبری سطح سایت نیروگاه ترکیبی شهر چونگ کینگ در بازه m5/0 تا بیشتر از m 5/1 قرار‌دارد. پارامتر زبری سطح سایت نیروگاه ترکیبی شهر شیراز در بازه m005/0 تا m 2/0 قرار‌دارد (اطلس جهانی باد 2023).

دسته‌بندی کلاس باد به جهت کمک به طراحی و انتخاب توربین بادی و منطقه مناسب نیروگاه که فاکتور‌های سرعت باد ، آشفتگی و باد‌های سریع لحظه‌ای درخود جای داده است. این دسته‌بندی توسط کمسیون بین‌المللی الکترونیک ارائه شده است.3 شهر قاهره، هیوستن و شیراز در کلاس سوم یا کلاس باد آرام قرار می‌گیرند. و از آنجایی که چونگ کینگ در هیچکدام از کلاس‌ها قرار نمی‌گیرد یعنی سرعت باد در چونگ کینگ ناچیز از ادامه بررسی امکان‌سنجی نیروگاه ترکیبی خورشیدی–بادی آن خودداری می‌کنیم.

فاکتور ظرفیت میانگین توان تولیدی تقسیم شده بر اوج توان یک توربین بادی است. نقشه‌های فاکتور ظرفیت سایت‌های نیروگاه ترکیبی در شکل 4 به نمایش درآمده است.

فاکتور ظرفیت سایت نیروگاه ترکیبی شهر قاهره برای کلاس سوم در بازه % 48 تا %60 قرار‌دارد که برای احداث نیروگاه بادی بسیار مناسب است. فاکتور ظرفیت سایت نیروگاه ترکیبی شهر هیوستن برای کلاس سوم در بازه % 32 تا% 44 قرار‌دارد که برای احداث نیروگاه قابل قبول است. فاکتور ظرفیت سایت نیروگاه ترکیبی شهر شیراز برای کلاس سوم در بازه% 36 تا% 56 قرار‌دارد که برای احداث نیروگاه بادی خوب است (اطلس جهانی باد 2023).

 

 

 

شکل3- پارامتر سختی در سایت نیروگاه‌ها: الف) هیوستن، ب) قاهره، ج) شیراز، د) چونگ کینگ (اطلس جهانی باد 2023)

 

شکل 4 - فاکتور ظرفیت در سایت نیروگاه‌ها: الف) شیراز، ب) هیوستن، ج) قاهره (اطلس جهانی باد 2023)

 

روش پژوهش

به منظور استفاده حداکثری از پتانسیل منابع تجدیدپذیر، نیروگاه ترکیبی خورشیدی–بادی علاوه بر مکان و شرایط آب و هوایی مناسب، استراتژی مناسب تولید انرژی نیز نیاز می‌باشد. تولید انرژی هرچه بیشتر و با ثبات از اهداف طرح‌های نسبت توزیع توان هر نیروگاه است. با بررسی این طرح‌ها در هر شهر و مقایسه آن‌ها، می‌توان به کارآمدترین محدوده نسبت توزیع توان نیروگاه ترکیبی خورشیدی–بادی رسید. طرح اول) در طرح اول نسبت تولید توان در نیروگاه ترکیبی7مگاوات- ساعت خورشیدی – بادی با نسبت 25% توان کل نیروگاه از انرژی خورشیدی و 75% توان کل نیروگاه از انرژی باد است. طرح‌دوم) تولید توان در نیروگاه ترکیبی با نسبت 50% توان کل نیروگاه از انرژی خورشیدی و 50% توان کل نیروگاه از انرژی باد است. طرح‌سوم) تولید توان در نیروگاه با نسبت 75% توان کل نیروگاه از انرژی خورشیدی و 25% توان کل نیروگاه از انرژی باد است. به این منظور در شبیه‌سازی تمامی سیستم‌ها از تجهیزات ذکر شده در ادامه استفاده گردید.و سپس با بررسی میزان انرژی سالانه تزریق شده به شبکه میزان وتأثیر استفاده از منابع تجدید‌پذیر در کاهش تولید گاز کربن بررسی و محاسبه می‌گردد. در انتها با بررسی نتایج، کارآمد‌ترین نرم‌افزار از بین نرم‌افزار‌های پی‌وی‌سیست، سم و ترنسیس معین گردید.

 پنل فتوولتائیک استفاده شده در شبیه‌سازی نیروگاه‌های ترکیبی، پنل‌های W320 مدل مونو کریستال مقاوم در برابر گرما شرکت ال‌جی هستند. ابعاد این پنل cm168.6 در cm101.6 است. این پنل منوکریستال نوع N می‌باشد. برای مناطق با شدت تابش بالا بسیار مناسب است. (شرکت ال جی 2021).اینورتر نیروگاه فتوولتائیک استفاده شده در شبیه‌سازی نیروگاه‌های ترکیبی، اینورتر KW800 شرکت اس‌ام‌ای¹ است. این اینورتر با مدل سانی سنترال توان ماکزیمم نامی معادل KW898 و بازه عملیات ولتاژ آن V530 تا V850 و آمپر ورودی آن amp2500 و آمپر عملیاتی آن amp1400 می‌باشد. توان خروجی با جریان متناوب آن KW800 با ولتاژ V360 تا V414 و آمپر خروجی ماکزیمم amp1411 می‌باشد. بازدهی این اینورتر %98.6 است. (شرکت اس‌ام ای 2021).

شرکت جنرال‌الکتریک یکی از بزرگ‌ترین شرکت‌های تولید‌کننده توربین‌های بادی است. توربین بادی MW1.5 مدل 1.5 اکس‌ال‌ای² برای کلاس باد سوم و باد‌های با سرعت کم کلاس دوم طراحی شده است. این مدل بر روی دکل 80 متری و 100 متری نصب می‌گردد. در این پژوهش از دکل 100 متری در شبیه‌سازی استفاده شده است. همچنین قطر 82.5 متری ایجاد شده توسط پره‌ها مساحت جاروب 5346 مترمربعی ایجاد می‌کنند. خروجی این توربین V690 با جریان متناوب و فرکانس50 تا60 هرتز می‌باشد. توان این توربین KW1500 بوده و در محدوده دمایی عملیاتی آن 30- تا 40 درجه سانتی‌گراد و محدوده دمایی قابل تحمل سیستم 40- تا 50 درجه سانتی‌گراد می‌باشد. این توربین نیاز به حداقل سرعت باد m/s3.5 بوده و تا سرعت باد m/s20 توان اجرایی دارد. در سرعت m/s20به بالا توربین در مدت 10 دقیقه سیستم قدرت را از مدار خارج و سیستم کنترل سرعت و قفل‌ها را وارد مدار می‌کند (شرکت جنرال‌الکتریک 2020).

نرم‌افزار‌های استفاده شده برای شبیه‌سازی سیستم‌های انرژی ترکیبی عبارتند از: نرم‌افزار سم از بخشی مجزا مربوط به شبیه‌سازی سیستم‌های ترکیبی بی‌بهره است. لذا بخش فتوولتائیک و بخش بادی نیروگاه ترکیبی به صورت مجزا در این نرم‌افزار شبیه‌سازی و بررسی گردید. این نرم‌افزار در جزئیات تلفات سیستم‌ها بسیار کامل است. این نرم‌افزار توسط آزمایشگاه انرژی تجدید‌پذیر ملی و با بودجه وزارت انرژی ایالات‌متحده‌توسعه‌یافته است. پیش‌بینی‌های عملکرد برای سیستم خورشیدی متصل به شبکه، متمرکز ساختن انرژی خورشیدی، باد، زیست توده و سیستم‌های قدرت زمین گرمایی انجام می‌دهد. سم از یک مدل عملکرد ساعتی استفاده می‌کند تا خروجی سالانه کل سیستم قدرت تخمین بزند. این نرم‌افزار بخش مجزا برای سیستم‌های ترکیبی نداشته و باید بخش فتوولتائیک و بادی نیروگاه ترکیبی را مجزا طراحی و شبیه‌سازی نمود (ان ار ای ال 2023).

بخش فتوولتائیک هر طرح در هر شهر با نرم‌افزار پی‌وی‌سیست طراحی و شبیه‌سازی شد. در شبیه‌سازی تلفات اثر سایه لحاظ گردیده است. این نرم‌افزار یک برنامه قدرتمند و جامع است. ابزار سه بعدی برای نمایش و محاسبات اثر سایه، توانایی وارد کردن داده‌ها برای اندازه‌گیری مستقیم، مقایسه مقادیر شبیه‌سازی شده، جعبه ابزار برای تعیین هندسه حرکت خورشیدی، داده‌های هواشناسی و رفتار عملیاتی سیستم‌های فتوولتائیک از امکانات نرم‌افزار می‌باشند. این نرم‌افزار با نمایش کامل جهت حرکت خورشید و اثر سایه، ذهنیت کاملی به طراح می‌دهد. در شکل 5 حرکت خورشید از سمت شرق به غرب بر فراز سایت نیروگاه ترکیبی به نمایش درآمده است (پی وی سیست 2023).

 

---

[1] . SMA

[2] . XLE

 

شکل 5- حرکت خورشید در سایت نیروگاه قاهره، هیوستن و شیراز

 

شبیه‌سازی سیستم‌های ترکیبی بر‌اساس سه طرح پیشنهادی در نرم‌افزار ترنسیس نیز هم انجام گرفت. در این نرم‌افزار بر خلاف بقیه نرم‌افزار‌های مورد بررسی، سیستم نیروگاه به صورت مجموعه مرتبط، و با تعریف رابطه هر المان با المان دیگر تعریف می‌گردد. طرح شماتیک نیروگاه ترکیبی ترنسیس در شکل6 نشان داده شده است. نرم‌افزار شبیه‌سازی سیستم‌های انرژی ترنسیس ، یک نرم‌افزار شبیه‌سازی برای حالت گذرا می‌باشد. این نرم‌افزار بر‌اساس زبان برنامه‌نویسی فورترن، توسعه یافته است. واژه ترنسیس مخفف واژه شبیه‌سازی سیستم گذرا می‌باشد. (ترنسیس 2023). المان‌های به کاررفته در شبیه‌سازی نیروگاه ترکیبی در نرم‌افزار ترنسیس عبارتند از: المان داده‌های آب و هوایی، المان پنل فتوولتائیک، المان پلاتر، رسام به صورت‌گرافیکی، المان معادله، المان پرینتر ، پرینت داده‌های خروجی به صورت تکست، المان جمع‌کننده، المان زمانی و المان توربین بادی محور افقی.

 

 

 

شکل 6- سیستم نیروگاه ترکیبی متصل به شبکه در نرم‌افزار ترنسیس

 

جدول 1 - خلاصه سیستم‌های ترکیبی همراه با انرژی کل تولیدی سالانه در نرم‌افزار ترنسیس

طرح تولید توان در قاهره	تعداد پنل	تعداد اینورتر	تعداد توربین بادی	انرژی کل بر حسب مگاوات در سال
طرح اول	5624	2	6	45799
طرح دوم	12188	4	4	35214
طرح سوم	18126	6	2	24280
طرح تولید توان در شیراز	تعداد پنل	تعداد اینورتر	تعداد توربین بادی	انرژی کل بر حسب مگاوات در سال
طرح اول	5624	2	6	48466
طرح دوم	12188	4	4	37385
طرح سوم	18126	6	3	25926
طرح تولید توان در هیوستن	تعداد پنل	تعداد اینورتر	تعداد توربین بادی	انرژی کل بر حسب مگاوات در سال
طرح اول	5624	2	9	40979
طرح دوم	12188	4	6	31090
طرح سوم	18126	6	3	20920
چونگ کینگ	تعداد پنل	تعداد اینورتر	تعداد توربین بادی	انرژی کل بر حسب مگاوات در سال
انرژی خورشیدی	24376	8	0	3669.5

 

 

 

 

 

 

نتایج و بحث

نیروگاه ترکیبی علاوه بر رفع نیاز به انرژی منجر به افزایش ضریب اطمینان و حفظ منابع غیر تجدیدپذیر خواهد گردید، از این رو فناوری طراحی و ساخت نیروگاه‌های ترکیبی از اهمیت بارزی برخوردار است. در این راستا استفاده از نرم‌افزار‌های طراحی و شبیه‌سازی می‌تواند ما را در تخمین المان‌های نیروگاه ترکیبی یاری رساند. مجموعه نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی سه طرح ذکر شده در چهار شهر قاهره، هیوستن، شیراز و چونگ کینگ با نرم‌افزار‌های پی‌وی‌سیست، سم و ترنسیس مورد بررسی قرار گرفتند. در شهر چونگ کینگ به دلیل شرایط نامساعد ساخت نیروگاه ترکیبی توجیه اقتصادی ندارد. در سایت هیوستن به دلیل کمتر بودن چگالی انرژی بادی نسبت به دو سایت قاهره و شیراز تعداد توربین بادی بیشتری برای هر طرح در نظر گرفته شد. در شکل 7 تا 10 طرح‌های تولید توان و انرژی خروجی از هر نرم‌افزار بر‌اساس هر شهر مورد بررسی قرار گرفته است. در شکل 7 که مربوط به شهر چونگ کینگ چین است، طراحی به صورت تأمین %100 انرژی از سیستم فتوولتائیک انجام گرفته است. بر‌اساس نتایج نرم‌افزار پی‌وی‌سیست، میزان انرژی خروجی اینورتر MWyr5532 و انرژی تزریق شده به شبکه MWyr 5527 می‌باشد. بر‌اساس نتایج نرم‌افزار سم، در نیروگاه خورشیدی چونگ کینگ میزان انرژی تولیدی، سالانه MWyr 563/3669 می‌باشد. این اختلاف به دلیل مقدار دقیق میزان تلفات لحاظ شده در نرم‌افزار سم می‌باشد این تلفات شامل آلودگی‌های هوایی می‌باشد، در حالی که در نرم‌افزار پی‌وی‌سیست به صورت کلی‌تر به تلفات پرداخته شده است. شکل 8 مربوط به شهر شیراز است، و آن به بررسی و مقایسه طرح‌های توزیع توان و نتایج نرم‌افزار‌ها پرداخته شده است. در این شکل انرژی تولیدی بر حسب مگاوات در سال در نیروگاه ترکیبی سایت شیراز به تفکیک بخش فتوولتائیک، سپس بخش بادی و در نهایت انرژی کل بر‌اساس نرم‌افزار شبیه‌سازی از چپ به راست آمده است. در این شکل طرح‌های توزیع به ترتیب از طرح اول تا طرح سوم به رنگ‌های آبی، نارنجی و خاکستری مشخص شده است.

همانطور که در شکل 8 پیداست انرژی تولیدی در شبیه‌سازی‌های انجام گرفته در بخش فتوولتائیک نرم‌افزار‌ها اندکی با هم مغایرت دارند. انرژی خروجی بخش فتوولتائیک نرم‌افزار پی‌وی‌سیست نسبت به انرژی خروجی بخش فتوولتائیک نرم‌افزار سم، %3 و نسبت به انرژی خروجی بخش فتوولتائیک نرم‌افزار ترنسیس، % 8 بیشتر می‌باشد. انرژی تولیدی در شبیه‌سازی‌های انجام گرفته در بخش بادی نرم‌افزار‌ها سم و ترنسیس اندکی با هم مغایرت دارند. انرژی خروجی بخش بادی نرم‌افزار سم به صورت تقریبی نسبت به انرژی خروجی بخش بادی نرم‌افزار ترنسیس، %6 بیشتر می‌باشد. انرژی تولیدی کل نیروگاه ترکیبی شیراز درشبیه‌سازی‌های انجام گرفته در نرم‌افزار سم و ترنسیس با یکدیگر اندکی مغایرت دارند. انرژی خروجی کل نرم‌افزار سم به صورت تقریبی نسبت به انرژی خروجی کل نرم‌افزار ترنسیس،% 6 بیشتر می‌باشد. شکل 9 که مربوط به شهر قاهره است که در آن به بررسی و مقایسه طرح‌های توزیع توان و نتایج نرم‌افزار‌ها پرداخته شده است. نحوه رنگ‌بندی و نمایش اطلاعات مانند شکل 8 می‌باشد. همانطور که در شکل پیداست انرژی تولیدی در شبیه‌سازی‌های انجام گرفته در بخش فتوولتائیک نرم‌افزار‌ها اندکی با هم مغایرت دارند . انرژی خروجی بخش فتوولتائیک نرم‌افزار پی‌وی‌سیست به صورت تقریبی نسبت به انرژی خروجی بخش فتوولتائیک نرم‌افزار سم، %2، نسبت به انرژی خروجی بخش فتوولتائیک نرم‌افزار ترنسیس، %2 بیشتر می‌باشد. انرژی تولیدی در شبیه‌سازی‌های انجام گرفته در بخش بادی نرم‌افزار‌ها سم و ترنسیس اندکی با هم مغایرت دارند. انرژی خروجی بخش بادی نرم‌افزار سم به صورت تقریبی نسبت به انرژی خروجی بخش بادی نرم‌افزار ترنسیس، % 4/2 بیشتر می‌باشد. انرژی تولیدی کل نیروگاه ترکیبی قاهره درشبیه‌سازی‌های انجام گرفته در نرم‌افزار سم و ترنسیس بدین صورت است که انرژی خروجی کل نرم‌افزار سم به صورت تقریبی نسبت به انرژی خروجی کل نرم‌افزار ترنسیس، %2/2 بیشتر می‌باشد. شکل 10 که مربوط به شهر هیوستن که در آن به بررسی و مقایسه طرح‌های توزیع توان و نتایج نرم‌افزار‌ها پرداخته شده است. نحوه رنگ‌بندی و نمایش اطلاعات مانند شکل8 و 9 می‌باشد. همانطور که در شکل پیداست انرژی تولیدی در شبیه‌سازی‌های انجام گرفته در بخش فتوولتائیک نرم‌افزار‌ها اندکی با هم مغایرت دارند . انرژی خروجی بخش فتوولتائیک نرم‌افزار پی‌وی‌سیست به صورت تقریبی%9 از انرژی خروجی بخش فتوولتائیک نرم‌افزار سم کمتر می‌باشد و نسبت به انرژی خروجی بخش فتوولتائیک نرم‌افزار ترنسیس، %2 بیشتر می‌باشد. انرژی تولیدی در شبیه‌سازی‌های انجام گرفته در بخش بادی نرم‌افزار‌ها سم و ترنسیس اندکی با هم مغایرت دارند. انرژی خروجی بخش بادی نرم‌افزار سم به صورت تقریبی نسبت به انرژی خروجی بخش بادی نرم‌افزار ترنسیس، %15 بیشتر می‌باشد. انرژی تولیدی کل نیروگاه ترکیبی هیوستن درشبیه‌سازی‌های انجام گرفته در نرم‌افزار سم و ترنسیس به میزان 15 درصد متنفاوت است. انرژی خروجی کل نرم‌افزار سم به صورت تقریبی نسبت به انرژی خروجی کل نرم‌افزار ترنسیس، %15 بیشتر می‌باشد. 

 

 

شکل 7- انرژی تولیدی و مقایسه نرم‌افزار‌ها در سایت شهر چونگ کینگ (مگاوات در سال)

 

 

شکل 8- انرژی تولیدی کل، فتوولتائیک ، بادی و مقایسه نرم‌افزار‌ها در سایت شهر شیراز بر‌اساس طرح‌های توزیع (مگا وات در سال)

 

 

شکل 9- انرژی تولیدی کل، فتوولتائیک ، بادی و مقایسه نرم‌افزار‌ها در سایت شهر قاهره بر‌اساس طرح‌های توزیع (مگا وات در سال)

 

 

 شکل 10- انرژی تولیدی کل، فتوولتائیک ، بادی و مقایسه نرم‌افزار‌ها در سایت شهر هیوستن بر‌اساس طرح‌های توزیع (مگا وات در سال)

 

شکل 11- مقایسه طرح‌ها و انرژی کل تولیدی برحسب مگاوات در سال در نیروگاه ترکیبی شهر شیراز، قاهره و هیوستن بر اساس نرم‌افزار ترنسیس

 

میزان تولید گاز دی‌اکسید کربن منتشر شده از تولید برق در ایران در سال ، مصر، چین، آمریکا به ترتیت به صورت میانگین در سال 2020 حدود 488، 550 ، 531، 371 گرم دی‌اکسید کربن به ازای هر کیلووات‌ساعت، (gCO2eq/kWh) می‌باشد (استاتیستا 2020، آی ای ای 2016، استاتیستا 2022، دانشگاه میشیگان 2022). که در صورت استفاده از منایع انرژی تجدید‌پذیر ترکیبی این مقادیر به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد یافت.

 

نتیجه‌گیری و پیشنهاد‌ها

پس از بررسی‌های انجام شده مطابق شکل 11، بهترین طرح تولید توان نیروگاه ترکیبی خورشیدی – بادی، طرح اول می‌باشد که با نتایج مالکی و همکاران در سال 2017 مطابقت دارد(مالکی و همکاران 2017). طرح اول به صورت تقریبی %30 بیشتر از طرح دوم و 85% بیشتر از طرح سوم بازدهی تولید انرژی دارد. طرح اول به دلیل بهره‌وری بیشتر از انرژی بادی به صورت میانگین عملکرد بهتری از خود به نمایش گذاشت. این در حالی است که مدار 30 درجه شمالی از نظر تابش خورشیدی بیشترین پتانسیل تولید انرژی از پنل‌های فتوولتائیک را دارا می‌باشد. که نشان از تأثیر محدودیت زمان عملکرد سیستم فتوولتائیک در بازدهی کلی انرژی سیستم دارد. این در حالی است که با وجود بازدهی کمتر سیستم فتوولتائیک نسبت به سیستم بادی، سیستم فتوولتائیک ساعت میزان ساعت مشخص و در بازه مشخص تولید انرژی می‌نماید. این امر طراحان و مهندسان را ملزم می‌کند تا سیستم کنترل دقیق انرژی و توزیع زمانی برای نیروگاه‌های ترکیبی به کار گیرند. استفاده بهینه از منابع موجود در نیروگاه ترکیبی طرح اول به جهت محدودیت مناطق با قابلیت احداث توربین از اهمیت بالایی برخورد است. میزان بازداری از انتشار دی‌اکسید کربن با استفاده از طرح اول در طول یک سال برای شهر‌های مورد بررسی عبارتند از: کاهش انتشار دی‌اکسید کربن به میزان 408/23651 تن در سال در شیراز، به میزان 45/25189 تن در سال در قاهره، به میزان 209/15203 تن در سال در هیوستن. با وجود اینکه شهر چونگ کینگ از شرایط مناسب برای احداث نیروگاه ترکیبی برخودار نمی‌باشد، اما کماکان با بهره‌برداری از نیروگاه خورشیدی، پتانسیل کاهش انتشار دی‌اکسید کربن به میزان 53/1948 تن در سال را دارا می‌باشد.

 علاوه بر این نتایج حاصل از بررسی شبیه‌سازی نرم‌افزار‌ها نشان داد که در بخش تعیین زاویه پنل‌ها، نرم‌افزار پی‌وی‌سیست با واقعیت در حد 5 درجه تفاوت دارد. نرم‌افزار سم با وجود نداشتن بخش مجزا برای نیروگاه ترکیبی و محدود بودن دسترسی به داده‌های ورودی آب و هوایی، نتایج دقیقی ارائه داد. از نقاط قوت این نرم‌افزار توان بررسی اقتصادی طرح‌ها می‌باشد. همچنین نرم‌افزار ترنسیس، حرفه‌ترین گزینه به منظور طراحی سیستم‌های ترکیبی می‌باشد. کاربری نرم‌افزار به دلیل توجه بسیار به جزئیات منجر به پیچیده‌تر شدن استفاده از آن گردیده است. با توجه به نتایج به دست امده پیشنهاد می‌گردد که طراحی وساخت ربات داده پرداز جهت استخراج و ساخت فایل‌های آب و هوایی به همراه متغیر‌های زیست محیطی انجام گیرد. علاوه بر این نیروگاه ترکیبی خورشیدی-بادی– هیدروژن به صورت انرژی مجموع خود محور و تأثیرات زیست محیطی آن بررسی گردد.

 

 

 

 

 

References

 

1.       Ritchie H, Roser M, Rosado P. Renewable energy solar and wind data. Available at: https://ourworldindata.org/renewable-energy (2022)

2.       Jha AR. Solar cell technology and applications. CRC press; 2009 Oct 14. doi:10.1201/9781420081787

3.       Manwell JF, McGowan JG, Rogers AL. Wind energy explained: theory, design and application. John Wiley & Sons; 2010 Sep 14. doi:10.1002/9781119994367 

4.       Manwell JF. Hybrid energy systems. Encyclopedia of energy. 2004 Jan 1;3(2004):215-229. doi:10.1016/b0-12-176480-x/00360-0 

5.       Upadhyay S, Sharma MP. A review on configurations, control and sizing methodologies of hybrid energy systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014 Oct 1;38:47-63. doi:10.1016/j.rser.2014.05.057

6.       Mansouri E, Pirsalami M, Nasiri N, Farrizi M, Hashemizadeh M, Alihosseini H. Optimum tilt angle for fixed-array solar panels at a constant latitude of 29 to receive the maximum sunlight. Bull. Env. Pharmacol. Life Sci.[Spl. Issue 1]. 2016;26:30-9. doi-ds:doilink/05.2016-13212626/

7.       Khare V, Nema S, Baredar P. Solar–wind hybrid renewable energy system: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016 May 1;58:23-33. Doi:10.1016/j.rser.2015.12.223

8.       Maleki A, Rosen MA, Pourfayaz F. Optimal operation of a grid-connected hybrid renewable energy system for residential applications. Sustainability. 2017 Jul 27;9(8):1314. doi:10.3390/su9081314 

9.       Al-Ajmi MS, Mustapha F, Yunus NA, Halin IA. A true hybrid solar wind turbine electric generator system for smaller hybrid renewable energy power plants. InMATEC Web of Conferences 2018 (Vol. 215, p. 01015). EDP Sciences. doi:10.1051/matecconf/201821501015

10.       Mehrjerdi H. Modeling, integration, and optimal selection of the turbine technology in the hybrid wind-photovoltaic renewable energy system design. Energy Conversion and Management. 2020 Feb 1;205:112350. doi:10.1016/j.enconman.2019.112350

11.       Roy P, He J. Grid-connected hybrid wind-solar farm hourly dispatching with battery and supercapacitor energy storage. InIECON 2020 The 46th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society 2020 Oct 18 (pp. 1831-1836). IEEE. doi:10.1109/iecon43393.2020.9255381 

12.       Liu L, Xu J. Multi-objective generation scheduling towards grid-connected hydro–solar–wind power system based the coordination of economy, management, society, environment: A case study from China. International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2022 Nov 1;142:108210. doi:10.1016/j.ijepes.2022.108210 

13.       Farghali M, Osman AI, Chen Z, Abdelhaleem A, Ihara I, Mohamed IM, Yap PS, Rooney DW. Social, environmental, and economic consequences of integrating renewable energies in the electricity sector: a review. Environmental Chemistry Letters. 2023 Jun;21(3):1381-418. doi.org:10.1007/s10311-023-01587-1 

14.       Badger J, Bauwens I, Casso P, Davis N, Hahmann A, Bo Krohn Hansen S, Ohrbeck Hansen B, Heathfield D, James Knight O, Lacave O, Lizcano G, Bosch i Mas A, Gylling Mortensen N, Tobias Olsen B, Onninen M, Potter Van Loon A, Volker P. Wind data, Wind speed, Wind power density, Roughness legth. Available at: https://globalwindatlas.info (2023)

15.       N1 solar panel datasheet. Available at: https://www.lg.com/us/solar/solar/files/resources/LG_Solar_2021ProductCatalog_Digital_09092021.pdf(2021)

16.       Sunny central 800CP-JP 800KW datasheet. Available at: https://www.sma.de/en/products/solarinverers. (2021)

17.       Wind turbine 1.5 Xle dataseet. Available at: https://www.ge.com/renewableenergy/sites/default/files/related_documents/wind-onshore-turbine-1.85-87-gea30627d-r1.pdf (2020)

18.       Sam software used in simulation. Available at: https://sam.nrel.gov(2023)

19.       PVsys software used in simulation. Available at: https://www.pvsyst.com(2023) 

20.       TRNSYS software used in simulation. Available at: http://www.trnsys.com (2023)

21.        Emissions intensity from electricity generation in Iran in grams of carbon dioxide equivalent per kilowatt-hour. Available at: https://www.statista.com/statistics/1302592/iran-emissions-intensity-from-electricity-generation/ (2020)

22.       Emissions intensity from electricity generation in Egypt in grams of carbon dioxide equivalent per kilowatt-hour. Available at: https://www.iea.org/reports/energy-climate-change-and-environment-2016-insights (2016)

23.       Emissions intensity from electricity generation in China in grams of carbon dioxide equivalent per kilowatt-hour. Available at: https://www.statista.com/statistics/1300419/power-generation-emission-intensity-china/ (2022)

24.       Carbon Footprint Factsheet. Available at: https://css.umich.edu/publications/factsheets/sustainability-indicators/carbon-footprint-factsheet (2022) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Design and Simulation of Grid-Connected Hybrid Solar-Wind Power Plants to Reduce Carbon Gas Emissions in the 30th Parallel North
Amirali Ghahramani*		Master of Science in Renewable Energy Engineering, Islamic Azad University, Shiraz, Iran
Saman Tashakor		Assistant Professor, Renewable Energy Engineering Department, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran
		Extended Abstract
Received: 28 June 2023    Accepted: 9 Sep 2023                     Keywords: Carbon footprint reduction, Hybrid solar-wind system, PVsyst, SAM, TRANSYS.		Introduction: Renewable energy is one of the vital components in reducing carbon emissions and mitigating climate change. The use of renewable energy sources such as solar, wind, hydro, biomass, and geothermal provides energy without greenhouse gas effects on the planet. This study examines the efficiency solar-wind hybrid power plant on the 30th parallel north was studied by simulating energy production in the form of three power generation designs with a nominal capacity of 7 MWh from the solar-wind hybrid power plant in four cities of Cairo, Houston, Chongqing, and Shiraz. The study was conducted using PVsyst, SAM, and Transys software. Materials and Methods: By simulating and analyzing the following three proposed plans in each city and comparing them, it is possible to reach the most efficient range of the power distribution ratio of the combined solar-wind power plant. First plan) 25% of the total power of the power plant is from solar energy and 75% of the total power of the power plant is from wind energy. Second plan) 50% of the total power of the power plant is from solar energy and 50% of the total power of the power plant is from wind energy. Third plan) 75% of the total power of the power plant is from solar energy and 25% of the total power of the power plant is from wind energy. By examining the amount of annual energy injected into the network, the amount and effect of using renewable resources in reducing carbon gas production is analyzed and calculated.
		Results and Discussion: In addition to providing energy, the combined power plant will increase the reliability factor and preserve non-renewable resources and reduce greenhouse gases. All three software can be used in power plant simulation and analysis and the results are in good agreement.
		Conclusion: The first design is approximately 30% more efficient than the second design and 85% more than the third design. Shiraz with the production of 48466 megawatts per year reduced carbon dioxide emissions by 23651.408 tons, in Cairo with the production of 45799 megawatts per year the carbon dioxide emissions decreased by 25189.45 tons, Houston with the production of 40979 megawatts per year reduced the carbon dioxide emissions by 15203.209 tons.
Corresponding author: Amirali Ghahramani
Address: Shiraz,moaliabad street, bostan, alley1,#88. Tell: [phone] Email: [e-mail] DOR:
Citation: Ghahramani A.A, Tashakor S. Design and Simulation of Grid-Connected Hybrid Solar-Wind Power Plants to Reduce Carbon Gas Emissions in the 30th Parallel North. Journal of New Researches in Environmental Engineering. 2023; 1(2): 46-59.
	© 2023, This article published in Journal of New Researches in Environmental Engineering (JNREE) as an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0). Non-commercial use, distribution and reproduction of this article is permitted in any medium, provided the original work is properly cited.