موتورهای پیستونی به‌صورت گسترده برای انواع ژنراتورهای توزیع استفاده می‌شوند. پیش‌بینی میگردد این موتورها در آینده، به‌ویژه برای ژنراتورهای کوچک‌تر از ۲۵۰ کیلووات، به خاطر عملکرد رضایت‌بخش آن ها، استفاده بیشتری داشته باشند. این موتورها از گازوییل، گاز طبیعی، پروپان یا متان به‌عنوان سوخت استفاده می‌کنند.
دو روش مختلف برای احتراق سوخت در موتورهای پیستونی وجود دارد، یکی از این روش‌ها احتراق جرقه‌ای است که در آن از یک جرقه الکتریکی که به داخل سیلندر وارد میگردد، استفاده می‌شود. در روش دوم که احتراق تراکمی میباشد، سیلندر با بالا رفتن خود مخلوط سوخت و هوا را متراکم می‌کند تا جایی که درجه حرارت آن تا حدی بالا می‌رود که خودبه‌خود منفجر می‌شود. در چنین موتورهایی، روتور ژنراتور معمولاً در همان سرعت میل‌لنگ موتور می‌چرخد، تقریباً همه واحدهای DG موتور پیستونی از ژنراتورهای AC سرعت ثابت، برای تولید برق استفاده می‌کنند، اگرچه ممکن است استثنائاتی نیز در این زمینه وجود داشته باشد. فرکانس جریان نیز اغلب با کنترل سرعت موتور، کنترل می‌شود.
توربین‌های گازی
توربین‌های گازی که به‌عنوان واحدهای DGمورداستفاده قرار می‌گیرند، کوچک‌تر از توربین‌های گازی‌ای هستند که در شبکه انتقال مورداستفاده قرار می‌گیرند و توان خروجی آن ها پایین است. قسمت‌های اصلی یک توربین گازی درواقع شامل کمپرسور، اتاق احتراق، توربین انبساط و مجرای گاز خروجی میباشد. مکانیزم عملکرد توربین‌های گازی به‌این‌ترتیب است که هوا با عبور از کمپرسور فشرده شده سپس تحت شرایط کنترل شده در اتاق احتراق با سوخت ترکیب می‌شود و پس از احتراق باعث گردش توربین و درنهایت باعث تولید توان الکتریکی از طریق ژنراتور سنکرون می‌شود[۱۹و۲۱].
میکرو توربین‌ها
میکرو توربین‌ها شامل یک کمپرسور،احتراق گر[۱۲]،برگشت دهنده[۱۳]، توربین کوچک ویک ژنراتور میباشند. در سیستم روان‌سازی آن ها از هوا یا روغن استفاده می‌شود.درمقیاس حجمی،میکرو توربین‌ها دارای حجم۱-۴/۰ مترمکعب وظرفیت تولید ۵۰۰-۲۰کیلووات دارند.برخلاف توربین‌های بزرگ، میکرو توربین‌ها درفشارودرجه حرارت پایین‌تری کارمی‌کنند وسرعت بالایی در حدود (rpm100000)دارندکه گاهی نیازبه هیچ جعبه‌دنده‌ای ندارند.واحدهای تجاری میکرو توربین‌ها دارای هزینه تولید کمی بوده و از قابلیت اطمینان بالایی برخوردارمی‌باشند. به دلیل سرعت بالای میکرو توربین‌ها در آن ها از ژنراتورهای DC استفاده میگردد.مکانیزم عملکرد میکرو توربینبه‌این‌ترتیب است که هوا با عبور از فیلتر و کمپرسور در محفظه احتراق با سوخت ترکیب شده و محترق میگردد و سپس توربین به گردش درآمده و ژنراتور توان الکتریکی تولید می کند. توان تولید شده توسط مبدل‌های توان به شبکه تزریق می‌شود. انواع مختلفی ازمیکرو توربین‌هابراساس نحوه عملکردشان وجود دارد،مانند توربین‌های گازی وتوربین‌های احتراقی.
توربین‌های گازی،درواقع، توربین‌های احتراقی میباشند که گاز بافشار ودمای بالاتولید می‌شود. این گازفشاربالا،برای چرخانیدن محورتوربین استفاده میگردد.توربین‌های ازنوع گازی معمولاً در واحدهایی باظرفیت حدود MW1استفاده می‌شوند. اما امروزه مدل‌های کوچک‌تری ازمیکرو توربین‌های گازی باظرفیت تولید kW200وجود دارند.
گرمای تولید شده درفرایند کاری میکرو توربین، می‌تواند به‌عنوان گرمای بازیافتی برای سیستم‌های CHPمورداستفاده قرارگیردو یااینکه درسیستم ترکیبی واحد پیل‌های سوختی باتوربین‌ها به کار گرفته شود.
۲-۳-۱-۲- ژنراتورهای غیرمرسوم
پیل‌های سوختی[۱۴]
در حال حاضر تهیه انرژی ثانویه در جهان به میزان زیادی به احتراق سوخت‌های فسیلی وابسته است، لیکن احتراق سوخت‌های فسیلی با بازدهی نسبتاً کمی صورت می‌پذیرد و گازهای حاصل از احتراق از عوامل آلودگی محیط‌زیست محسوب می‌شوند. بنابراین بشر سالیانی است که در جستجوی روش‌ها و توسعه فن‌آوری‌های جدیدی است، تا با بازدهی بیشتر و آلودگی کمتری از منابع انرژی سوخت‌های فسیلی استفاده نماید. پیل سوختی یکی از تکنولوژی‌های بدیع و نوظهوری است که از تطابق و سازگاری خوبی با محیط‌زیست برخوردار میباشد و عمل تبدیل انرژی در آن با بازدهی بالا صورت می‌پذیرد و به نظر می‌رسد که در آینده نزدیک با توجه به پیشرفت سریع فن‌آوری آن ها، جانشینی مناسب برای فرآیندهای احتراقی سوخت‌های فسیلی گردد.
استفاده از پیل‌های سوختی نقطه عطفی در صنعت تولید انرژی به حساب می‌آید، زیرا که تولید الکتریسیته در آن به‌طور مستقیم و از طریق فعل‌وانفعالات الکتروشیمیایی و بدون نیاز به احتراق سوخت صورت میگیرد، علاوه بر بازدهی بالا و تولید انرژی در ابعاد کوچک و بزرگ دارای مزایای ویژه‌ای چون آلودگی اندک و سروصدای نامحسوس میباشند.
اساس کار سلول سوختی استفاده از هیدروژن جهت تولید توان است و با بهره گرفتن از خاصیت الکترولیز عمل تولید توان الکتریکی شکل میگیرد.
از مهم‌ترین مزیت‌های این سلول‌ها راندمان بسیار بالای آن ها است که در میان دیگر مولدهای برق از بالاترین بازده برخوردار است. این سلول‌ها در پنج نوع طبقه‌بندی شده است که در شکل (۲-۱) آمده است. پیل‌های سوختی علاوه بر تولید الکتریسیته، حرارت موردنیاز برای مصارف گرمایشی را نیز تأمین می‌نمایند. بطوریکه با در نظر گرفتن تولید مشترک الکتریسیته و حرارت، بازدهی این سیستم‌ها به حدود %۸۰ درصد می‌رسد. اجزاء اصلی تشکیل‌دهنده پیل سوختی در کل عبارت است از: مخزن سوخت، الکترولیت و الکترودهای آند و کاتد.
سوخت با ورود به الکترود متخلخل آند و برخورد با یک کاتالیست اکسیدکننده، الکترون از دست می‌دهد و یونیزه میگردد و اکسیژن (هوا) نیز با ورود به الکترود متخلخل کاتد و برخورد با کاتالیست احیاء کننده، احیاء میگردد. الکترون آزاد شده از آند از طریق یک مدار خارجی از آند به‌طرف کاتد جریان پیدا می‌کند و یک جریان الکتریکی DC ایجاد می‌کند [۲۳].
۲-۳-۱-۳- وسایل ذخیره انرژی[۱۵]
سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی که برای استفاده در DG مناسب باشند به دو گروه اصلی تقسیم می‌گردند: ذخیره انرژی به‌عنوان انرژی الکتریکی (مثل باتری‌ها) و یا ذخیره انرژی به صورت‌های دیگر (مثل ذخیره‌سازی حرارتی و …) به روشی که در مواقع لازم به برق تبدیل میگردد. اساساً این سیستم‌ها،ذخیره کننده انرژی ساعات کم‌باری برای ساعات پرباری هستند و به‌خودی‌خود مولد برق نیستند و یا به‌عنوان یک تخلیه کننده انرژی عظیم برای جلوگیری از ناپایداری شبکه و اعمال اینرسی به شبکه کاربرد دارند که در اینجا شرح مختصریاز هر نمونه آورده شده است.
ازجمله واحدهای ذخیره‌ساز انرژی می‌توان ابررساناها، سوپر خازن‌ها، هیدرو پمپ‌ها، چرخ‌های طیار و … اشاره کرد. این واحدها بیشتر در مواقع پیک‌بارمورداستفاده قرار می‌گیرند [۲۳].در این پایان نامه از خودروهای برق ده قابل اتصال به شبکه در بحث برنامه ریزی بهره برداری استفاده شده است.
الف) باتری‌ها
به نظر می‌آید اولین روش برای ذخیره انرژی الکتریکی استفاده از باتری‌ها باشد که انرژی را به‌صورت انرژی شیمیایی ذخیره می‌کنند. باتری‌ها در ساعت کم‌باری توسط توان مازاد شبکه شارژ می‌شوند و در ساعات پرباری به کمک مولدهای شبکه می‌آیند و از افت ولتاژ و کاهش توان شبکه جلوگیری می‌کنند. سیستم باتری‌ها به‌طورکلی ساده‌تر از دیگر سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی میباشد، هرچند که خروجی آن‌هابه‌صورتDC میباشد، بنابراین در کاربردهای DG همواره با مبدل DC/AC استفاده می‌شوند. باتری‌ها دارای انواع مختلفی میباشند که هرکدام دارای ویژگی‌های خاص خود هستند. ازجمله آن ها می‌توان به باتری‌های اسید- سرب، هیدرید فلز-نیکل،باتری‌های لیتیم، باتری‌های آل کالین و نیکل-کادمیوم و سولفات سدیم اشاره کرد. پرکاربردترین و تجاری‌ترین نوع باتری‌ها از نوع اسید- سرب میباشد.
ب) ذخیره‌سازی انرژی مغناطیسی ابررسانا
سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی مغناطیسی ابررسانا، انرژی را در یک کویل مغناطیسی ابررسانا غوطه‌ور در یک مایع بسیار سرد مانند هلیم، ذخیره می‌کنند. کویل‌های مغناطیسی ابررسانا تقریباً هیچ‌گونه مقاومت الکتریکی ندارند، بنابراین یک جریان چرخشی ایجاد شده در درون کویل، انرژی موردنیاز را ذخیره خواهد کرد. هر سیم ابررسانا خاصیت ابررسانایی خود را تا جایی که جریان از یک حد خاصی تجاوز نکند، حفظ خواهد کرد. بنابراین یک کویل می‌تواند ماکزیمم توانی را در خودش ذخیره کند. به‌هرحال یک واحد ذخیره‌سازی انرژی مغناطیسی ابررسانا نیاز به یک دستگاه کمپرسور و پمپ برای نگهداری مایع خنک‌کننده در یک درجه حرارت پایین دارد، این واحدها نوعاً نیاز به یک مبدل DC/AC نیز دارند.
مشکل بزرگ آن ها بالا بودن هزینه آن‌هاست، هزینه ذخیره‌سازی انرژی در آن ها حدود $/kWhr3800-2500 میباشد که ۲۰ برابر هزینه باتری‌های اسید ـ سرب میباشد، این هزینه در اکثر حالت‌های DG قابل توجیه نمی‌باشد. سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی مغناطیسی ابررسانا دارای چندین فایده میباشند، اول اینکه این سیستم‌ها بدون سروصدا، کارا و قابل‌اطمینان میباشند، دوم اینکه این واحدها می‌توانند انرژی ذخیره شده خود را به‌طور آنی تخلیه کنند.
بنابراین عملکرد آن ها خیلی نزدیک به منبع جریان ایده‌ال میباشد و درنهایت اینکه کیفیت توان تولیدی آن ها بسیار بالا میباشد و همین ویژگی می‌تواند در بعضی جاها هزینه بالای آن ها را توجیه کند. [۱۹ و ۲۱].
ج) خازن‌ها
خازن‌ها می‌توانند به‌عنوان واحد ذخیره‌ساز انرژی در کاربردهای کوچک و کوتاه‌مدت و پایدارساز انرژی بکار برده شوند زیرا این‌ها تنها در حدود ۰۱/۰ تا ۰۴/۰ قدرت باتری‌های اسید- سرب را در خود ذخیره می‌کنند؛ اما خازن‌های ابررسانا که قابلیت ذخیره‌سازی انرژی در حدود ۲۰ تا ۱۰۰۰ برابر خازن‌های قدیمی را دارند، از مواد جدید و با روش‌های جدید ساخته می‌شوند.
این خازن‌ها برای یک مقدار معادل از انرژی دارای هزینه سه تا ده برابر باتری‌های اسید - سرب خواهند بود. سودمندی‌های بزرگی که خازن‌ها را مناسب برای استفاده در DG می‌سازد این است که آن ها هیچ‌گونه قسمت متحرک ندارند، همچنین نیاز به هیچ‌گونه گرمایش یا سرمایش ندارند و برای عملکرد خود هیچ‌گونه واکنش شیمیایی انجام نمی‌دهند، به‌عبارت‌دیگر خازن‌ها بسیار ساده بوده و نیاز به هیچ‌گونه نگهداری خاصی ندارند، طول عمر آن ها نیز زیاد میباشد. درحالی‌که چگالی انرژی آن ها نسبتاً پایین است چگالی توان آن ها نسبتاً بالاست، به همین دلیل خازن‌ها می‌توانند انرژی خود را به‌صورت لحظه‌ای آزاد نمایند.
د) چرخ‌های طیار[۱۶]
ذخیره‌سازهای چرخ طیار یک روش کاملاً متفاوت برای ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌کنند.همان‌گونه که می‌دانیم یکی از پارامترهای مهم پایداری شبکه‌ها داشتن اینرسی بزرگ در شبکه است تا بتواند پاسخ‌گوی ورود و خروج بارهای سنگین از شبکه باشد. ازاین‌رو در شبکه‌های محلی DG که به نیروگاه‌های بزرگ و شبکه‌های سراسری متصل نیستند استفاده از چرخ‌های طیار بسیار قوی و پرانرژی جهت تأمین اینرسی شبکه لازم است تا در لحظات افزایش توان مصرفی و حالات گذاری مدار به‌عنوان یک ذخیره انرژی رها شده از پدیده فروپاشی ولتاژ جلوگیری کند.
دو نوع تکنولوژی از چرخ‌های طیار مورداستفاده قرار می‌گیرند، سیستم چرخ طیار سرعت بالا که نسبتاً دارای چرخ‌های کوچکی بوده (با قطر ۶ اینچ) و در یک سرعت حدود ۵۰۰۰۰ دور بر دقیقه می‌چرخند این واحدها در شکل مدول‌های قرقره مانند ساخته می‌شوند.
چرخ‌های طیار سرعت پایین معمولاً در سرعتی حدود rpm7000 می‌چرخند و نسبتاً بزرگ میباشند، معمولاً چگالی انرژی آن ها ۵ برابر (یا حتی بیشتر) باتری‌های اسید ـ سرب است. چرخ‌های طیار به‌طور کامل تکنولوژی تجاری تثبیت‌شده‌ای نمی‌باشند. این سیستم‌ها تعدادی برتری نسبت به خازن‌ها و باتری‌ها دارند. مشابه باتری‌ها و خازن‌ها، چرخ‌های طیار بی‌صدا بوده، شبیه خازن‌ها دارای طول عمر بالایی هستند؛ اما برخلاف باتری‌ها از تأثیر سیکلینگ بر طول عمر مبرا هستند و برخلاف خازن‌ها چگالی انرژی بالایی دارند. سیستم‌های چرخ طیار نسبتاً چگالی توان ضعیفی دارند، بنابراین از رهاسازی سریع انرژی ناتوان میباشند، این سیستم‌ها از این نقطه‌نظر نسبت به ابررساناها، باتری‌ها و خازن‌ها کند میباشند. قابلیت توان خروجی این سیستم‌ها متناسب با اندازه ژنراتور- موتور و سیستم مبدل/کنترل الکترونیکی است. سیستم مبدل/کنترلر و ژنراتور- موتور قسمت عمده‌ای از هزینه‌های مربوط به چرخ‌های طیار سرعت پایین را به خود اختصاص می‌دهد [۱۹ و ۲۲].
ﻫ) هیدرو پمپ‌ها
هیدرو پمپ‌ها ذخیره‌ساز انرژی در ایستگاه‌های مرکزی تولید برق برای اصلاح پیک‌بار میباشند. توان اضافی در مواقع غیر پیک‌بار، برای پمپ کردن آب به ارتفاع بلندی استفاده می‌شود و در زمان پیک‌بار و در صورت نیاز، آب از طریق لوله‌هایی پایین آمده و یک توربین - ژنراتور را بکار می‌اندازد. واحدهای هیدرو پمپ خیلی ساده بوده و دارای طول عمر بالایی هستند اما بازدهی آن ها بالا نمی‌باشد. سیستم‌های هوا متراکم نیز از توان در مواقع غیر پیک برای بکار انداختن یک کمپرسور استفاده می‌کنند تا اینکه هوا را به داخل یک تانک در فشار بالایی وارد کنند و سپس در مواقع ضروری هوای تحت فشار را در یک توربین یا پیستون برای تولید برق استفاده می‌کنند. به‌طورکلی هر دو این واحدها برای کاربرد در واحدهای DG بزرگ میباشند.
۲-۳-۱-۴ مولدهای برق با بهره گرفتن از انرژی‌های تجدید پذیر
انرژی‌های تجدیدپذیرکاربردهای بسیار وسیعی دارد و به اشکال مختلف می‌توان در تأمین توان الکتریکی از آن ها استفاده کرد:
توربین‌های بادی
استفاده از انرژی باد چیز تازه‌‌ای نیست در گذشته‌‌های دور کشتی‌های بادبانی را به کمک انرژی باد به حرکت درمی‌آورند و همین‌طور آسیاب‌های بادی نمونه‌های بارز استفاده از انرژی باد در گذشته میباشد. توربین‌های بادی ازنظر شکل ظاهری به دودسته تقسیم می‌شوند که نوع اول عمومیت بیشتری دارد:
توربین‌های با محور افقی:که متشکل از یک‌پایه یا برج میباشند و یک قسمت فوقانی برج که دارای یک شفت است و در قسمت بیرون برج بر روی شفت یک پروانه که معمولاً دو باله یا سه باله دارد بر روی آن قرارگرفته و طول باله‌ها از ۱۰ تا ۳۰ متر می‌رسد که بستگی به توان توربین بادی و ارتفاع برج دارد در قسمت داخلی بالای برج بر روی سر دیگر محور جعبه‌دنده و محرک ژنراتور قرار دارد.توربین‌های با محور عمودی: مولد این توربین‌ها معمولاً بر روی سطح قرار میگیرد و محورآن‌هابه‌صورت عمودی از آن‌هاخارج‌شده و تا ارتفاع مناسب بالا می‌رود در قسمت فوقانی این محور پره‌های توربین به شکلی که باد بتواند عامل چرخش آن شود قرار دارند.
توربین‌های بادی می‌توانند به‌صورت اختصاصی و یا در مزارع بادی در کنار توربین‌های دیگر تأمین توان الکتریکی نمایند. گاهی با بهره گرفتن از این توربین‌ها در کنار فتوولتاییک‌ها و با بهره گرفتن از باطری خانه‌ها می‌توان به‌طور کامل انرژی یک محل را تأمین کرد.
توربین‌های بادی در مقیاس‌ها و کاربردهای مختلفی به کار می‌روند، از مزارع بادی با تعداد توربین‌های زیاد که به شبکه متصل هستند تا توربین‌های منفردی که ممکن است به شبکه وصل نباشند و یا توربین‌هایی که برای پمپاژ آب مورداستفاده قرار می‌گیرند. با توجه به مورد کاربرد، راستای محور و ظرفیت تولید، توربین‌ها دارای ساختارهای متفاوت ازنقطه‌نظر اجزا تشکیل‌دهنده و روش‌های کنترلی میباشند. اجزای اصلی توربین‌های بادی عبارت‌اند از: روتور، جعبه‌دنده، محور کم‌سرعت، محور سرعت‌بالا، ژنراتورها، بدنه، سیستم ترمز، سیستم انحراف توربین به چپ و راست (سیستم گرداننده)، بادنما و بادسنج، سیستم کنترل و ایمنی، برج و سایر اجزا. در این پایان نامه در بین منابع تجدید پذیر از منابع بادی استفاده میگردد.
سیستم‌های فتوولتاییک[۱۷]
ولتاژ در سلول‌های فتولتاییک توسط یک پیوند شیمیایی ناشی از برخورد فوتون‌های نور به دست می‌آید. در سیستم‌های فتوولتاییک بدون بهره‌گیری از مکانیزم‌های متحرک، انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی تبدیل میگردد. جزء اساسی نیروگاه‌های فتوولتاییک را سلول‌های فتوولتاییک تشکیل می‌دهند. این سلول‌ها تازمانی که در مقابل نور خورشید قرار دارند مثل یک باتری کوچک تولید برق می‌کنند. با اتصال‌های سری و موازی تعداد زیادی از سلول‌ها واحدی بزرگ‌تر به دست می‌آید که آرایه خورشیدی نامیده می‌شود.
توان الکتریکی به دست آمده از آرایه خورشیدی به دلیل تغییر شرایط محیط ازلحاظ دما و شدت نور همواره دارای نوسان است. سلول‌های فتوولتایی زمانی بیشترین راندمان را دارند که بهترین حالت قرار گرفتن نسبت به خورشید را داشته باشند و حداکثر توان را جذب نمایند [۱۹ و ۲۲].
سیستم‌های حرارتی ـ خورشیدی[۱۸]
علاوه بر سلول‌های فتولتاییک که مستقیماً نور را به توان الکتریکی تبدیل می‌کنند سیستم‌های خورشیدی دیگری نیز از قبیل سیستم‌های حرارت خورشیدی وجود دارند که اساس این روش‌ها استفاده از نور یا گرمای خورشید به‌عنوان یک عامل محرک جهت راه‌اندازی مولدهاست. امروزه پنج نوع از این نیروگاه‌ها شناخته‌شده‌تر میباشند:
- نیروگاه‌های خورشیدی هلیواستاتی (دریافت‌کننده مرکزی)
- نیروگاه‌های با آینه‌های سهموی دراز
- برج‌های نیرو (دودکش خورشیدی)
- نیروگاه‌های با استخر آب‌شور (استخر خورشیدی)
پایان نامه در مورد برنامه ریزی بهره برداری از منابع تولید پراکنده،ذخیره سازها و راهکارهای مدیریت سمت ...
