بهره برداری از سیستم های قدرت

تازه هاي صنعت برق

توزيع توليد با استفاده از ميكروتوربين‌ها
هزينه انتقال و توزيع برق سهم بالائي از هزينه توليد انرژي را در بر مي گيرد اين ميزان براي شبكه هاي رايج تا 500 دلار به ازاي هر KW  مي رسد. در مسير انتقال و توزيع الكتريسيته تا 7% انرژي هدر مي رود بنابراين چنانچه توزيع توليد جايگزين انتقال و توزيع الكتريسيته گردد هزينه انرژي الكتريكي به مقدار قابل توجهي كاهش خواهد يافت. در صنعت برق آمريكا در دهه 1990 توزيع توليد گسترش بيشتري يافته بطوريكه 20% نيروگاههاي جديدالتاسيس از نوع واحدهاي كوچك مي باشند. براساس اطلاعات موجود در حدود 10 GW از نيروگاههاي موجود در گستره 1-10 MW مي باشند كه حدود 80% آن را نيروگاههاي ديزلي (رفت و برگشت) تشكيل مي دهند. قسمت اعظم واحدهاي كوچك توليد برق توسط كارخانه كاترپيلار (Caterpillar) ساخته شده اند. جنرال الكتريك (GE) ، زيمنس و ABB نيز در اين زمينه با كاترپيلار رقابت دارند موتورهاي رفت و برگشتي از لحاظ اقتصادي بسيار مقرون به صرفه بوده و قطعات يدكي و سرويس آنها نيز به سادگي در سراسر دنيا در دسترس است ولي نكته منفي اين ماشينها نگهداري و آلودگي ايجاد شده توسط آنهاست. گرچه تلاشهاي زيادي در زمينه بهبود اين دو مسئله براي ماشينهاي رفت و برگشتي مي شود ولي ميكروتوربينها از لحاظ نگهداري و ايجاد آلودگي وضعيت بهتري در مقايسه با موتورهاي ديزلي دارند.
زمانيكه ميكروتوربين مدل 330 توسط كپستون ارائه شد موجب معرفي فناوري جديد ميكروتوربين گرديد. البته تاكنون يك تعريف دقيق براي ميكروتوربين نشده است ولي معمولا" اين لفظ براي توربين هاي گازي با سرعت بالا در گستره قدرت 15-300 KW بكار مي‌رود. صنعت ميكروتوربين در چند تكنولوژي توربين هاي گازي كوچك، مولدهاي كمكي و اتوموبيل هاي توربو مطرح گرديد. هسته اصلي يك ميكروتوربين قسمت توربين - كمپرسور است كه با سرعت بسيار بالا دوران مي كند (در مدل Capstone 330 سرعت دوران 96000rpm  مي باشد) و در امتداد آن ژنراتور با سرعت بالا وجود دارد كه داراي مغناطيس هاي دائمي است. يك پارامتر كليدي جهت كاهش اصطكاك استفاده از ياتاقانهاي هوائي يا بعبارتي ياتاقانهاي گازي است كه ضمن كاهش اصطكاك عمر ياتاقان را نيز افزايش داده و امكان داشتن سرعت بالا را فراهم مي كند.
ژنراتور سرعت بالا برق با فركانس بالا (در مدل Capstone 330 ، 1600 HZ) توليد كرده و فركانس برق توليدي به روش الكترونيكي به مقدار مناسب كاهش مي يابد.
بطور كلي ميكروتوربين دو مزيت عمده دارد يكي كاهش تزريق آلاينده ها به محيط و ديگر كاهش تعميرات در مقايسه با مولدهاي ديگر مي باشد. در جدول زير مقادير توليدي
 THC , CO , NOx  (هيدروكربورها) براي چند نمونه مقايسه شده است .
    همانطور كه ملاحظه مي شود ميزان ذرات اشاره شده در محصولات خروجي ميكروتوربين كمترين است.
در ارتباط با تعميرات تجربه نشان داده كه ميكروتوربين ها نياز به تعميرات بسياركمي دارند. بطور نمونه يك واحد ميكروتوربين در Tulsa بعد از 20000 ساعت كار تنها نياز به تعويض فيلترهاي هوا داشته است. بعلاوه ميكروتوربين ها سبك وكوچك هستند و عملكرد آنها با لرزش كم و توليد صداي اندك همراه است.
نكته ديگري كه براي ميكروتوربين ها وجود دارد چگونگي اتصال به شبكه سراسري برق است. اين مسئله به كمك الكترونيك و ميكروپروسسورها تا حد زيادي مرتفع شده و همچنان در حال پيشرفت مي باشد. البته به غير از مسئله تكنيكي اشاره شده در صنعت برق آمريكا جهت اتصال به شبكه، شرايط حداقلي لازم است كه اين نيز مسئله اي براي ميكروتوربين ها وجود دارد ولي اين شرايط در حال بهبود بوده و ارتباط ميكروتوربين ها با شبكه سراسري آسانتر شده است.
مسئله ديگري كه در گسترش ميكروتوربين ها مطرح است هزينه تمام شده مي باشد اين هزينه براي يك واحد تا 1100 دلار بازاء هر KW مي باشد گرچه اين مبلغ كمتر از مقادير مربوط به واحدهاي توزيع قدرت مشابه مانند توربين هاي بادي و پيل سوختي است ولي از ميزان 500 دلار مربوط به واحدهاي ديزلي بيشتر است. چنانچه ميكروتوربين ها به تعداد زياد مورد استفاده قرار گيرند هزينه اشاره شده در بالا كاهش يافته و با هزينه مربوط به انواع ديزلي قابل رقابت بوده بخصوص كه از لحاظ تعميرات بسيار بهتر از واحدهاي ديزلي مي باشند.
تركيب ميكروتوربين ها با تجهيزات ذخيره انرژي (مانند باطري ها و چرخ لنگرها) موجب بهبود كيفي برق توليدي و افزايش قابليت  سيستم خواهد شد. امكانات ايجاد شده توسط شبكه اينترنت و كامپيوترهاي حساس موجب افزايش كارآئي صنعت توليد برق شده است. البته توليد برق تنها مسئله ميزان KWh نيست بلكه بيشتر مسئله كيفيت و قابليت در مدار بودن برق توليدي است. بيشتر قطعي برق در شبكه ها در قسمت توزيع مي باشد كه بهترين راه حل اين مسئله توزيع توليد مي باشد. با توجه به آلودگي كم ميكروتوربين ها و بخصوص عدم استفاده از روغن در ياتاقانها امكان استفاده از محصولات خروجي توربين در بعضي فرآيندهاي صنعتي وجود دارد و مي توان از اين واحدها در سيستم هاي توليد مشترك قدرت و حرارت بنحو مناسب استفاده كرد. در اينصورت راندمان كلي واحد تا 70-80% افزايش خواهد يافت. استفاده بعنوان شارژر باطري در بعضي از اتومبيل هاي جديد (باتوجه به آلودگي كم) مورد توجه قرار گرفته كه اين مورد بطور عملي در نوعي اتوبوس در آمريكا استفاده شده و نتيجه مثبت داشته است.

استفاده از سيستم‌هاي فتوولتاييك متصل به شبكه
استفاده از انرژي خورشيدي بعنوان منبعي فناناپذير و كاربرد آن درسيستم‌هاي فتوولتائيكي براي تبديل به انرژي الكتريكي كاملا"فراگير شده و شركتها ومؤسسات متعددي دركشورهاي مختلف اقدام به ساخت و نصب اين سيستم ها نموده اندودرحال حاضرنيزتلاش درجهت بهينه سازي اين سيستمها همچنان ادامه دارد.
در اين راستا شركت آب و برق لوس آنجلس در آمريكا ( LADWP ) برنامه اي را براي نصب سيستم هاي فتوولتائيكي در ساختمانهاي اين شهر تدوين و اجرا نموده است كه بر مبناي آن تا سال 2010 ميلادي تعداد 100000 دستگاه از اين نوع بر سقف ساختمانهاي مسكوني و تجاري شهر نصب خواهند شد.
دستگاههاي مذكور همگي متصل به شبكه سراسري برق خواهند بود تا به هنگام شب و يا مواقعي كه برق توليدي ساختماني كمتر از مقدار نياز آن باشد از برق شبكه سراسري استفاده شده و نيز اگر توليد برق در ساختماني مازاد بر نياز آن باشد، انرژي اضافي به شبكه انتقال يابد.
لازم به ذكر است كه شركت آب و برق لوس آنجلس شرايطي براي نصب سيستم هاي فتوولتائيكي در ساختمان‌ها در نظر گرفته است كه عبارتند از :
- يك طبقه بودن و نيز تخته كوبي شدن سقف ساختمان ها
-  برخورداري از عمري كمتر از ده سال براي ساختمان هاي در نظر گرفته شده
-  دارا بودن فضاي آزادي به ميزان 300 فوت مربع
-  برخورداري از شيب سقفي به ميزان 10 تا 25 درجه
-    ترجيحا" برخورداري از جهت شيب بام به سمت جنوب يا جنوب غربي و نيز عدم وجود سايه بر سقف ساختمان در ساعات 11 تا 16
برنامه فوق الذكر بدو صورت قابل اجرا است
1-   تأسيسات توسط شركت برق ، نصب و نگهداري شده و در مالكيت آن باقي مي ماند.
2-   تأسيسات توسط صاحبخانه نصب ونگهداري شده وازمزيت مصرف خالص(net metering) استفاده ميكند.
شركت  TVA  در ايالت تنسي آمريكا نيز اقدام به استفاده از انرژي خورشيدي به عنوان يك منبع " انرژي سبز" كرده است. اين شركت براي نمايش توليد برق خورشيدي و به منظور تشويق مشتركين خود به استفاده از آن ، دو سايت انرژي خورشيدي، يكي در موزه علوم كامبرلند و ديگري در يك گردشگاه توريستي در داليورد داير كرده است.
ميزان انرژي توليد شده در سايت كامبرلند روز/m /Kwh  7/5 مي باشد. ميزان انرژي توليد شده در اين سايت، 146 كيلو وات ساعت و ظرفيت توليد آن Kwac  25 است. ميزان انرژي الكتريكي توليدي در اين سايت در شكل (1) نشان داده شده است.
  در ژاپن نيز تحقيق در زمينه كاربرد عملي سيستم برق با استفاده از پنل هاي فتوولتائيك بصورت متصل در شبكه برق اكيناوا نيز ادامه دارد. اين تحقيقات شامل بررسي ويژگيهاي عملكرد سيستم و تأثير باتري ها بر شبكه و همينطور راندمان و تداوم برق رساني شبكه مي باشد. در مياكو، مصرف برق به هنگام شب، تقريبا" با پيك روز برابر است . بنابراين از انرژ ي خورشيدي براي تا"مين بخشي از نياز برق روزانه بطور مستقيم و برق شبانه از طريق باطري ها استفاده مي شود. شكل (2) عملكرد توليد برق خورشيدي را در سيستم برق مياكو در ژاپن نشان مي دهد .

سيستم‌هاي پيشرفته توربين‌هاي گازي ATS
در سال 1992 وزارت انرژي آمريكا به اتفاق سازندگان توربين هاي گازي برنامه سيستم هاي پيشرفته توربين هاي گازي ATS را آغاز كرد. اين برنامه پس از 8 سال به اهداف خود نزديك شده است. وزارت مذكور پيش بيني كرده است تقاضاي گاز طبيعي در صنعت توليد انرژي از 1990 تا سال 2015 سه برابر خواهد شد و تا سال 2010 قسمت اعظم انرژي در آمريكا (تا 81%) توسط توربين هاي گازي توليد خواهد شد. برنامه ATS با اهداف زير پيش بيني شده است و قرار است تا 2001 تكميل گردد.
  -  راندمان حرارتي سيكل هاي تركيبي براساس ارزش حرارتي پائين سوخت تا 60% افزايش و براي سيكل هاي ساده تا 15% بهبود يابد.
  - هزينه توليد در مقايسه با هزينه توليد توربين هاي پيشرفته در سال 1992 ، 10% كاهش يابد.
- ميزان NOX  محصولات احتراق بدون نياز به كنترل آنها كمتر از 9 ppm باشد.
- سيستم بر اساس تنوع سوخت تنظيم گردد.
- قابليت اطمينان و در مدار بودن سيستم بالا باشد.
توربين هاي گازي در دو كلاس ساده و سيكل هاي تركيبي توليد و بهره برداري مي شوند. توربين هاي سيكل ساده با قدرت كمتر از 20 MW در مصارف صنعتي و يا توليد مشترك انرژي حرارتي - الكتريكي بكار مي روند. هزينه برنامه ATS بالغ بر 700 ميليون دلار است كه بيش از نيمي از آن توسط شركت كنندگان در برنامه و مابقي توسط وزارت انرژي آمريكا تأمين مي گردد. موفقيت هاي برنامه ATS چشمگير بوده است بنحويكه شركت هاي مجري اين برنامه (شامل جنرال الكتريك و وستينگهاوس) طراحي و آزمايشهاي مربوط به اجزاء اصلي توربين را تا اين زمان به پايان رسانده اند. بعلاوه مباحثي از قبيل تكنيكهاي خنك كاري توسط بخار، ميزان درجه حرارت گاز ورودي به توربين، پوشش پره هاي توربين، مقاومت حرارتي بالا و پره هاي سراميكي نيز مد نظر قرار گرفته اند.
كارخانه جنرال الكتريك تحت برنامه ATS يك نيروگاه 400 مگاواتي سيكل تركيبي را طراحي كرده است. دراين واحدها توربين هاي گازي با تكنولوژي  H استفاده شده است. توربين هاي گازي تكنولوژي H  در دو مدل 7H (با فركانس 60 HZ ) و 6H (با فركانس 50 HZ ) ارائه شده اند. كمپرسور واحد گازي از نوع محوري با 18 طبقه و اتاق احتراق از نوع Can-annular  با توليد NOX كم و توربين شامل 4 طبقه، سيستم خنك كن بخاري است.
جنرال الكتريك در آوريل 1999 اعلام كرد قرار است اولين توربين گاز مدل 9H را در شهر سوانزي در كشور انگلستان بسازد. اين واحد قرار است تا سال 2002 در مدار بيايد. همينطور اولين واحد 800 مگاواتي مدل 7H نيز قرار است تا اين سال در كشور آمريكا ساخته و شروع به كار نمايد.
جنرال الكتريك تا پايان سال 1999 آزمايشهاي لازم در شرايط بدون بار و دور كامل (FSNL) و نيز آزمايش هاي مربوط به قبل از بارگيري را انجام داده است. در اين آزمايشها پارامترهاي آئروديناميكي كمپرسور و توربين تا دور 108% دور نامي و سيستم خنك كن بخاري و عملكرد سيستم كنترل  Mark VI مورد بررسي قرار گرفت و نتايج قابل قبولي ( بر اساس گفته GE ) بدست آمده است.
همكاري مشترك زيمنس - وستينگهاوس  نيز در حال توسعه يك واحد 400 MW سيكل تركيبي تحت برنامه ATS است. اين واحد شامل يك طرح پيشرفته توربين گاز، يك توربين بخار 2 پوسته اي و يك ژنراتور راندمان بالاست. برنامه هاي اين كارخانه در نهايت منجر به توليد موتور W501ATS گرديد كه اهداف برنامه ATS را پوشش مي دهد. اولين واحد توليدي اين كارخانه از نوع W501G در آوريل 1999 در آمريكا به مدار آمد و تا اين زمان اين واحد آزمايش هاي مختلفي مانند آزمايش متغيرهاي سيستم احتراق را پشت سر گذاشته است و قرار است تا سال 2001 به يك واحد سيكل تركيبي تبديل گردد. در طراحي مدل  W501G نكات فني برنامه ATS از قبيل كمپرسورهاي پيشرفته، سيستم خنك كن بخاري بسته و پوشش هاي پره با مقاومت حرارتي بالا ديده شده است. در طراحي هاي آينده قرار است نكات ديگري از برنامه ATS مانند اضافه نمودن سيستم خنك كاري بخاري سيكل بسته برروي لايه نازك پره هاي رديف اول توربين مد نظر قرار گيرد.

استفاده از باتريهاي سولفور – سديم (NAS) با چگالي انرژي بالا براي ذخيره‌سازي انرژي الكتريكي
هم اكنون كارشناسان در آزمايشگاه تحقيقاتي برق آمريكا (AEP ) در ايالت اوهايو در حال آزمايش بر روي يك باتري جديد ساكن هستند كه قابليت انباشت مقدار زيادي انرژي الكتريكي جهت استفاده در زمان هاي اوج مصرف و كاربردهاي كيفيت توان (Power Quality Applications) را دارا مي باشد. اين فناوري مي تواند كمبودهاي توليد و محدوديت هاي انتقال را كه موجب خاموشي و ساير نارسايي هاي برقي مي شود، تأمين كند.
شركت برق توكيو (TEPCO) و شركت NGK ساخت باتري با چگالي بالاي سولفور – سديم (NAS) را طي دهه 1980 به نتيجه رساندند. بعنوان بخشي از اين فعاليت بيش از 20 نمونه نمايشي از باتريهاي مذكور از جمله دو واحد 6 مگاواتي در نيروگاههاي (TEPCO) ، در ژاپن نصب شده اند. هريك از اين واحدها مي توانند تا 48 مگاوات ساعت انرژي ذخيره شده براي كاربردهاي متوازن سازي بار روزانه فراهم نمايند كه نياز به توليد برق لازم در ساعات اوج مصرف را كاهش مي دهد.
بعنوان بخشي ازهمكاريهاي مشترك TEPCO وNGK براي معرفي فناوري NAS درامريكا،مركز تحقيقات (AEP) يك باتري فشرده 5/12 كيلوواتي را درمركز فناوري دولان (Dolan Technology Center) آزمايش مي كند. اين آزمايش اولين كاربرد باتري ساكن در امريكا با استفاده از فناوري باتري سولفور - سديم خواهد بود.
ذخيره سازي انبوه و اقتصادي انرژي همواره بعنوان حلقه مفقوده حداكثر سازي بازده سيستم قدرت تلقي شده است. به نظر مدير شركت دولان، فناوري باتري هاي NAS مي تواند اين حلقه مفقوده باشد. هزينه و سازگاري سيستم از عوامل اصلي ارزيابي اين سيستم ها به شمار مي روند. در واقع باتري ابزار جديدي است كه براي حل مشكلات تحويل انرژي در آينده به كار گرفته مي شود.
بايد توجه داشت كه ذخيره سازي انرژي الكتريكي فكر جديدي نيست و قبلا" نيز با استفاده از فناوري هاي ديگري چون چرخ طيار ( Fly Wheels) ، خازن ها، باتري هاي اسيد و سرب، هواي فشرده و ذخيره سازي انرژي مغناطيسي فوق هادي
 (Super Conductivity Magnetic Energy Storage) انجام شده است.
آنچه كه فناوري باتري NAS را متمايز مي كند، چگالي انرژي زياد، كارايي بالا و طول عمر زياد آن است. به نحوي كه چگالي انرژي باتري هاي NAS سه برابر باتري هاي اسيد و سرب معمولي است.
باتري مي تواند در 8 ساعت شارژ شده و انرژي الكتريكي ذخيره شده را در همان مدت پس داده و در صورت ثابت نگه داشتن دما در حدود 600 درجه فارنهايت، بطور نامحدود ذخيره نمايد.
باتري هاي سولفور - سديم نياز به زير ساخت هاي لازم براي توليد، توزيع و انتقال جهت برآورده ساختن تقاضاي انرژي در زمان هاي اوج مصرف را كاهش مي دهند. باتري هاي مذكور مي توانند براي تحويل برق به مناطقي كه قبلا" به علت محدوديت هاي انتقال و توزيع داراي كمبودهايي بوده اند بكار برده شده و نيز بعنوان منبعي آماده براي حفاظت در مقابل اختلالات برق عمل نمايند.
باتري NAS در ژاپن براي كاربردهاي متوازن‌سازي بار (Load Leveling) و نيز بعنوان يك منبع توان اضطراري و يا بعنوان واسطه (Suffer) براي خروجي ناپايدار منابع انرژي طبيعي از قبيل باد و انرژي خورشيدي مورد آزمايش قرار گرفته اند.
استفاده از باتري‌هاي NAS تثبيت تقاضاي برق را كه داراي نوسانات قابل ملاحظه اي بين ساعات روز و شب است ممكن مي سازد كه يكي از نتايج آن كاهش هزينه برق مشتريان خواهد بود.
با شارژ كردن باتري در طول ساعات غير اوج مصرف و استفاده از برق ذخيره شده در مواقع اوج مصرف، توليد كننده انرژي خواهد توانست توليد خود را به نحوي كاراتر به انجام برساند. اين فرآيند براي يك مشتري (مصرف كننده) هنگامي اقتصادي خواهد بود كه بين هزينه برق در ساعات اوج و غير اوج مصرف تفاوت زيادي وجود داشته باشد و يا باعث كاهش قله ديماند (تقاضا) شده و يا كنتورهاي دوتعرفه اي نصب شده باشد.
اگر نتايج آزمايشات بر باتري NAS موفقيت آميز باشد، AEP  بعدا" در يكي ديگر از جايگاههاي خود براي اصلاح قله بار (پيك سايي) و نيز كاربردهاي اضطراري از اين باتري استفاده خواهد كرد. در واقع هدف آن است كه باتري‌هاي NAS بصورت تجاري طي 2 تا 3 سال آينده در آمريكا عرضه شوند.