فاعلية استخدام أنظمة الطاقات المتجددة المتكاملة
بالشبكة الكهربائية في ضخ وتحلية المياه
د. حسين الربيعي
المعهد العالي للميكانيك والكهرباء / هون
ص.ب : 61297 ، هون ، الجماهيرية الليبية
تم قبول الورقة البحثية في مؤتمر الهندسة الميكانيكية الأردني الدولي الخامس ،
نقابة المهندسين الأردنيين ، عمان ـ الأردن ، للفترة 26 : 28 أبريل 2017 .
ملخص :
تضمن موضوع الدراسة الحالية بحث فاعلية استغلال المنظومات الشمسية المباشرة أو مزارع التوربينات الهوائية المتكاملة بالشبكة الكهربائية في حقول سحب وضخ المياه الجوفية العذبة أو محطات التحلية من نوع التناضح العكسي. وبصفة مقياس للفاعلية الحرارية والبيئية للتصاميم المدروسة تم اعتماد مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في الشبكة الكهربائية نتيجة لاستغلال الأنظمة المشتركة في إنتاج الطاقة الكهربائية. وقد بينت نتائج الدراسة باستخدام طريقة النمذجة الرياضية ما يلي : فاعلية استخدام المنظومات الشمسية المباشرة المتكاملة بالشبكة الكهربائية في حقول ضخ المياه الجوفية العذبة ومحطات التحلية من نوع التناضح العكسي. حيث بلغ مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في الشبكة الكهربائية
2111 ton/year لكل MW من الطاقة الكهربائية اللازمة لضخ وتحلية المياه . وطبقا لذلك فإن كمية مياه التحلية
4113.3 ton/year.kW أو المياه الجوفية 18239.8 ton/year.kW المنتجة عن طريق الطاقة الشمسية ، ومقدار الانخفاض في كمية ثاني أوكسيد الكربون المطروحة للوسط المحيط 6501.8 ton/year.MW . وذلك عندما تكون النسبة السنوية للمشاركة الشمسية في إنتاج الطاقة الكهربائية 0.969 . كما إن استخدام أنظمة التحكم في توجيه مصفوفات الألواح الشمسية للمنظومات الشمسية المباشرة يؤدي إلى زيادة المؤشرات الحرارية والبيئية السابقة الذكر بنسبة 39 % . ومن جهة أخرى بينت نتائج الدراسة فاعلية استخدام التوربينات الهوائية الحلزونية لإنتاج الطاقة الكهربائية في المناطق التي تتميز بمعدلات منخفضة لسرعة الرياح ( 3 : 5 m/sec ) ومتوسط شهري لدرجة صفاء السماء أصغر من 0.4 . ولكن في هذه الحالة مقارنة مع المنظومات الشمسية المباشرة سوف تنخفض النسبة السنوية لمشاركة طاقة الرياح في إنتاج الطاقة الكهربائية إلى 0.767 مما يؤدي ذلك إلى هبوط المؤشرات الحرارية والبيئية لفاعلية هذه المحطات المشتركة بنسبة 20.6 %.
1 ـ مقدمة:
تعتبر الطاقة والمياه العذبة من أهم الموارد الطبيعية والضرورية للحياة. ونتيجة لنضوب مصادر الطاقة التقليدية والزيادة المستمرة في الحاجة البشرية للطاقة والمياه العذبة أصبح من الضروري الاقتصاد في استهلاك المتوفر من هذه الموارد الطبيعية والبحث عن وسائل وطرق متعددة للإيفاء بالمتطلبات المستقبلية للطاقة والمياه . وذلك عن طريق استغلال المصادر الثانوية للطاقة والطاقات الجديدة والمتجددة في إنتاج الطاقة الكهربائية ومياه التحلية [ 1 , 2 ]. وقد ساعد التطور العلمي والصناعي الذي حدث في مجال ضخ وتحلية المياه على استغلال الطاقات المتجددة لهذا الغرض في المناطق النائية والبعيدة عن مصادر الطاقة التقليدية. وذلك عن طريق استغلال المنظومات الشمسية المباشرة أو التوربينات الهوائية لإنتاج الطاقة الكهربائية اللازمة لضخ المياه الجوفية وتحلية المياه باستخدام وحدات التحلية من نوع التناضح العكسي[ 2 , 3 ] . وذلك اعتمادا على طبيعة الطقس والظروف المناخية وسرعة الريح في الموقع المدروس. ولكن في حالة المناطق ذات التجمعات السكانية المتوسطة و الكبيرة أو في حالة الحقول الكبيرة للمياه الجوفية العذبة فإن استغلال أنظمة الطاقات المتجددة السابقة الذكر لضخ المياه الجوفية وتحلية المياه المالحة سوف يؤدي إلى ارتفاع كلفة إنتاج مياه التحلية أو ضخ المياه الجوفية نتيجة لزيادة الكلفة في احتياطي الطوارئ أو في المصدر الإضافي للطاقة الكهربائية.
وبناء على ما تقدم تم في الدراسة الحالية بحث فاعلية استخدام المنظومات الشمسية المباشرة أو مزارع التوربينات الهوائية المتكاملة بالشبكة الكهربائية في محطات التحلية من نوع التناضح العكسي وفي الحقول الكبيرة لضخ المياه الجوفية العذبة.
2 ـ التصاميم المدروسة لمحطات التحلية وضخ المياه الجوفية المتكاملة بالشبكة الكهربائية:
1.2 ـ التصميم المقترح الأول:
يتكون التصميم المقترح الأول لمحطة التحلية الهوائية المتكاملة بالشبكة الكهربائية ( الشكل ( 1 )) من ثلاث وحدات تحلية من نوع التناضح العكسي بطاقة إنتاجية لمياه التحلية 60 * 3 ton/hr ومزرعة رياح تضم مجموعة من التوربينات الهوائية ذات المحور الأفقي [ 4 ] أو التوربينات الهوائية الحلزونية ذات المحور العمودي [ 5 ]. هذا بالإضافة إلى المحطة الثانوية للطاقة الكهربائية ومحولات للتيار الكهربائي المستمر إلى تيار متناوب ثلاثي الطور. وبذلك يتم تجهيز الطاقة الكهربائية المنتجة في المحطة عن طريق مزرعة الرياح إلى المحطة الثانوية للطاقة الكهربائية. التي تعمل على تجهيز وحدات التحلية بالطاقة الكهربائية اللازمة لإنتاج مياه التحلية. وكذلك تجهيز الشبكة الكهربائية بفائض الطاقة الكهربائية المنتجة لمزرعة الرياح عن الطاقة المستهلكة لوحدات التحلية ، أو تجهيز هذه الوحدات عن طريق الشبكة الكهربائية بجزء من الطاقة الكهربائية المستهلكة في حالة هبوط الطاقة الكهربائية المنتجة لمزرعة الرياح.
ويتضمن تصميم وحدات التحلية من نوع التناضح العكسي ( الشكل ( 2 )) المستخدمة في التصميم المقترح الأجزاء الأساسية التالية : منظومة المعالجة الأولية للمياه المالحة ، مضخة رفع ضغط المحلول الملحي إلى ضغط التناضح العكسي ،
مجموعة مرشحات المعالجة ذات الغشاء الانتقائي ، ومنظومة المعالجة النهائية لمياه التحلية المنتجة. وكذلك يمكن أن تكون وحدة التحلية مصممة بمرحلتين للضغط ومجهزة بتربينة مائية أو بمبادل للضغط لاسترجاع الطاقة الهيدروليكية للمياه المالحة المستنزفة من مرحلة الضغط العالي [ 6 ].
ومن الجدير بالذكر إن التصميم المقترح الأول يمكن أن يتكون من حقل لضخ المياه الجوفية العذبة يضم عدد من المضخات الغاطسة لضخ هذه المياه بدلا من وحدات التحلية من نوع التناضح العكسي. وبذلك يصبح التصميم المقترح الأول حقل لضخ المياه الجوفية يتضمن مزرعة رياح لإنتاج الطاقة الكهربائية وتعمل بشكل متكامل مع الشبكة الكهربائية.
2.2 ـ التصميم المقترح الثاني:
يتضمن التصميم المقترح الثاني لمحطة التحلية الشمسية المتكاملة بالشبكة الكهربائية ( الشكل ( 3 )) مقارنة مع التصميم المدروس الأول ( الفقرة 1.2 ) منظومة شمسية مباشرة لإنتاج الطاقة الكهربائية بدلا من مزرعة الرياح . وبذلك يتم في التصميم المدروس الثاني خلال فترة وجود الإشعاع الشمسي تجهيز الطاقة الكهربائية المنتجة لمصفوفة الألواح
https://www.alshamsi.net/friends/b7o...s/image005.jpg
الشكل ( 3 ) التصميم المقترح الثاني لمحطة التحلية الشمسية المتكاملة بالشبكة الكهربائية .
الشمسية إلى المحطة الثانوية للطاقة الكهربائية. وذلك بعد أن يتم تغير نوعية هذه الطاقة عن طريق محولات التيار الكهربائي. وتعمل المحطة الثانوية خلال هذه الفترة بشكل مشابه لعملها في التصميم المدروس الأول بينما يتم وبشكل كامل خلال فترة الليل أو في فترة غياب الإشعاع الشمسي عن طريق هذه المحطة تجهيز الطاقة الكهربائية اللازمة لعمل وحدات التحلية من الشبكة الكهربائية. وبهذه الطريقة يتم في التصميم المقترح الثاني استغلال الفائض في الطاقة الكهربائية المنتجة للمنظومة الشمسية المباشرة خلال ساعات النهار في تغطية جزء من حمل استهلاك الطاقة الكهربائية للشبكة . أما خلال فترة الليل فيتم رفع حمل استهلاك الطاقة الكهربائية في الشبكة عن طريق الطاقة الكهربائية المجهزة لوحدات التحلية. ومن الجدير بالذكر وكما هو الحال في التصميم المقترح الأول يمكن أن يتضمن التصميم المقترح الثاني حقل لضخ المياه الجوفية العذبة بدلا من وحدات التحلية من نوع التناضح العكسي . وكذلك فان تصميم المنظومة الشمسية المباشرة يمكن أن يتكون من مصفوفة ألواح شمسية مثبته عند زاوية ميل محددة بالنسبة للمستوي الأفقي وموجه نحو الجنوب ( الشكل (a – 4 )) أو مصفوفات للألواح الشمسية المجهزة بأنظمة التحكم لتوجيه هذه المصفوفات ومتابعة الحركة الظاهرية للشمس [ 7 ]. ومن المعروف أن هنالك نوعين من أنظمة التحكم المستخدمة بشكل عملي في توجيه مصفوفات الألواح الشمسية. نظام التحكم من النوع الأول ( الشكل (b – 4 )) يكون فيه المحور الطولي لمصفوفة الألواح الشمسية عبارة عن خط
ممدود من الشمال إلى الجنوب ويميل بزاوية بالنسبة للمستوي الأفقي تساوي زاوية خط العرض. وبذلك فان مصفوفة الألواح الشمسية سوف تدور حول محور يوازي محور الأرض وبسرعة تساوي سرعة دوران الأرض ( 15 deg./hr ) ولكن في الاتجاه المعاكس. أما في حالة نظام التحكم من النوع الثاني ( الشكل ( c - 4 )) فان مصفوفة الألواح الشمسية تدور كحركة انتقالية حول المحور الطولي ، الذي هو عبارة خط ممدود من الشمال إلى الجنوب ويميل بزاوية بالنسبة للمستوي الأفقي ، وتدور كحركة نسبية حول محور عمودي على المحور الطولي بالمستوي الأفقي. وذلك لمتابعة الحركة الظاهرية للشمس والحصول على أصغر زاوية محصورة بين الإشعاع الشمسي المباشر القادم باتجاه الشمس والعمودي على مستوي سطح مصفوفة الألواح الشمسية.
3 ـ طريقة دراسة فاعلية التصاميم المقترحة للمحطات الهوائية والشمسية المتكاملة بالشبكة الكهربائية:
إن اختيار الخواص والمواصفات التصميمية لتصاميم محطات التحلية وضخ المياه الجوفية المقترحة ( الفقرة 2 ) بشكل مبدئي لابد أن يكون على أساس الفاعلية الحرارية القصوى لعملية إنتاج مياه التحلية أو ضخ المياه الجوفية في التصميم المدروس للمحطة الشمسية أو الهوائية المتكاملة بالشبكة الكهربائية . وبصفة مقياس للفاعلية الحرارية والحفاظ على أدنى مستوى من التلوث للوسط المحيط تم في الدراسة الحالية اعتماد مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في الشبكة الكهربائية نتيجة لاستخدام التصميم المدروس مقارنة مع التصميم التقليدي لمحطة التحلية من نوع التناضح العكسي المرتبطة بالشبكة الكهربائية أو حقول ضخ المياه الجوفية العذبة باستخدام مضخات المياه الغاطسة المرتبطة بالشبكة الكهربائية. وبذلك فإن العلاقة الرياضية التي تعبر عن مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في عملية المقارنة هذه يمكن أن تأخذ الشكل التالي :
∆Bst = ( Ne )o * ( be )b + ( ( Ne )r – ( Ne )o ) * ( be )i ==> max ( 1 )
حيث :
@ ( Ne )o ـ كمية الطاقة الكهربائية المستهلكة لإنتاج مياه التحلية أو لضخ المياه الجوفية في التصميم التقليدي للمحطات
المخصصة لهذا الغرض والمرتبطة بالشبكة الكهربائية ( MW ).
@ ( Ne )r ـ كمية الطاقة الكهربائية المنتجة لمزرعة الرياح أو المنظومة الشمسية المباشرة والمجهزة لمحطة الكهرباء الثانوية في التصميم المدروس لمحطة تحلية المياه أو حقل ضخ المياه الجوفية ( MW ).
@ ( be )b ـ معدل استهلاك الوقود النوعي لإنتاج الطاقة الكهربائية عند حمل القاعدة للشبكة الكهربائية(ton/MW.hr).
@ ( be )i ـ معدل استهلاك الوقود النوعي لإنتاج الطاقة الكهربائية عند الحمل i للشبكة الكهربائية ( ton/MW.hr ).
وبذلك فإن البديل المناسب لمحطات تحلية المياه وضخ المياه الجوفية الهوائية أو الشمسية المتكاملة بالشبكة الكهربائية
( المحطات الهوائية أو الشمسية المشتركة ) هو الذي يعطي أقصى قيمة لتكامل المعادلة ( 1 ) على مدار السنة. ولإجراء هذه الدراسة تم استخدام طريقة النمذجة الرياضية. حيث تم كتابة خوارزمية النموذج الرياضي للتصاميم المقترحة بما يتوافق مع الطبيعة التقنية والفيزيائية لهذه التصاميم وطريقة عمل المحطة المدروسة في النظام المشترك الشمسي أو الهوائي وطبقا للطرق المعتمدة والمستخدمة لإجراء هذه النوعية من الحسابات وهي :
* طريقة حساب الطاقة الكهربائية المنتجة للتوربينات الهوائية بدلالة المتوسط الشهري لسرعة الرياح [ 8 ].
* طريقة السماء الصافية لتقدير كمية الإشعاع الشمسي على سطح الأرض [ 9 ].
* طريقة حساب الطاقة الكهربائية المنتجة لمصفوفات الألواح الشمسية [ 10 ].
* الخواص والمواصفات التصميمية لمضخات المياه الجوفية من نوعS181.7 , S181.9 المستخدمة في الدراسة[ 11 ] .
* الخواص والموصفات التصميمية لوحدات التحلية من نوع التناضح العكسي المستخدمة في الدراسة [ 6 , 2 ].
ومن الجدير بالذكر تم في الدراسة لحساب كمية الإشعاع الشمسي على سطح الأرض وتوزيع ويبل لمعدلات سرعة الرياح اعتماد طبيعة الطقس والظروف المناخية لموقع المحطة عند زاوية خط عرض ( 29 deg. ) وزاوية خط طول
(18 deg. ).
4 ـ موثوقية النموذج الرياضي لتصاميم المحطات الهوائية والشمسية المشتركة:
لاعتماد نتائج النموذج الرياضي ( الفقرة 3 ) تم في الدراسة الحالية مقارنة نتائج حسابات الطاقة الكهربائية المنتجة للتوربينات الهوائية من نوع E5.5 الأفقية المحور ومن نوع SW75 العمودية المحور باستخدام النموذج الرياضي والبيانات التصميمية للشركة المصنعة [ 5 , 4 ] عند قيم مختلفة لمتوسط سرعة الرياح. والجدول ( 1 ) يبين نتائج هذه الدراسة.
حيث يلاحظ من الجدول ( 1 ) إن نسبة الخطأ في حساب الطاقة الكهربائية المنتجة لا تتجاوز عند أقصى الحالات
3.4 % . وذلك في حساب هذه الطاقة للتربينة الهوائية E5.5عند قيمة متوسطة لسرعة الرياح تساوي 9 m/sec .
وكذلك تم في الدراسة مقارنة نتائج حسابات المواصفات التصميمية للوح الشمسي SM100 باستخدام النموذج الرياضي مع البيانات المعتمدة لقيم هذه المواصفات من قبل الشركة المصنعة [ 12 ] . والجدول ( 2 ) يبين نتائج هذه الدراسة . حيث يلاحظ من الجدول ( 2 ) إن نسبة الخطأ في حساب المواصفات التصميمية للوح الشمسي لاتتجاوز عن أقصى الحالات 4.5 % . وذلك في حساب الطاقة الكهربائية المنتجة للوح الشمسي عند فرق جهد تصميمي لعمل هذا اللوح Vd = 12 Volts .
وبناء على ما تقدم يمكن اعتماد نتائج النموذج الرياضي الخاص بدراسة فاعلية التصاميم المقترحة لحقول ضخ المياه الجوفية العذبة ومحطات التحلية الهوائية والشمسية المشتركة.
الجدول ( 1 ) موثوقية النموذج الرياضي الخاص بحساب الطاقة الكهربائية المنتجة للتوربينات الهوائية.
NEY
NEY
Vm
m/sec
Model
Design
Model
Design
2.964
3.225
2.171
2.2
3
6.343
6.305
5.167
5.1
4
11.32
11.283
9.028
9.0
5
18.37
18.154
12.937
13.0
6
27.372
26.914
16.312
16.5
7
38.048
37.559
18.851
19.2
8
49.89
50.086
20.477
21.2
9
الجدول ( 2 ) موثوقية النموذج الرياضي الخاص بحساب المواصفات التصميمية للوح الشمسي SM100. 24 Volts
12 Volts
Model
Design
Model
Design
41.340
42.0
20.670
21.0
Volts
Voc
3.119
3.250
6.239
6.5
Amps
Isc
100.0
104.459
100.0
Watts
Pmax
2.963
2.95
5.885
5.90
Amps
Ipm
35.50
34.0
17.750
17.0
Volts
Vpm
- 0.158
- 0.155
تم وباستخدام النموذج الرياضي ( الفقرة 3 ) بحث فاعلية التصاميم المقترحة للمحطات الهوائية والشمسية المشتركة. حيث تم دراسة فاعلية التصميم المقترح الأول( المحطة الهوائية المشتركة ( الفقرة 2 ) ) على مدار السنة . والشكل ( 5 ) يبين مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في الشبكة الكهربائية (DBD ) وكمية الطاقة الكهربائية المنتجة لمزرعة الرياح والمجهزة إلى المحطة الثانوية للطاقة الكهربائية (NED ) خلال اليوم وللأشهر المختلفة من السنة. ويلاحظ من الشكل ( 5 )
ارتفاع مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة خلال الأشهر (3 : 6 ) مقارنة مع الأشهر الأخرى من السنة. والسبب في ذلك يمكن تفسيره إلى زيادة كمية الطاقة الكهربائية المنتجة لمزرعة الرياح نتيجة لارتفاع السرعة المتوسطة للرياح في الموقع المدروس خلال هذه الفترة من السنة. وكذلك يبين الشكل (5 ) ارتفاع مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في حالة استخدام التوربينات الهوائية الحلزونية ذات المحور العمودي مقارنة مع التوربينات الهوائية ذات المحور الأفقي. وذلك بسبب زيادة كمية الطاقة الكهربائية المنتجة ( NED ) للتوربينات الهوائية الحلزونية. كنتيجة لارتفاع قيمة معامل القدرة لهذه النوعية من التوربينات الهوائية عند السرعات المنخفضة للرياح. وكذلك يلاحظ من الشكل ( 5 ) خلال الأشهر السابقة الذكر أعلاه هنالك زيادة في كمية الطاقة الكهربائية المنتجة لمزرعة الرياح ذات التوربينات الهوائية الحلزونية عن المعدل
التصميمي لاستهلاك هذه الطاقة ( ( NED )Plant ، الشكل ( 5 )) في التصميم المقترح الأول. وبذلك يتم تجهيز جزء من الطاقة الكهربائية المنتجة في التصميم المقترح إلى الشبكة الكهربائية. بينما يتم خلال الأشهر الأخرى المتبقية من السنة أو على مدار السنة في حالة التوربينات الهوائية ذات المحور الأفقي تغطية جزء من حمل استهلاك الطاقة الكهربائية للتصميم المقترح الأول عن طريق الشبكة الكهربائية. وبذلك وكما هو مبين في الشكل ( 6 ) سوف تتغير على مدار السنة كمية المياه المنتجة ( لحقل سحب وضخ المياه الجوفية ) أو كمية مياه التحلية المنتجة ( لمحطة التحلية من نوع التناضح العكسي ) عن طريق طاقة الرياح وفقا لكمية الطاقة الكهربائية المنتجة لمزرعة الرياح في التصميم المقترح . ويلاحظ من الشكل ( 6 ) ثبوت كمية مياه التحلية ( WDDW ) والمياه الجوفية ( WDRW ) المنتجة خلال اليوم للأشهر (3 : 6 ) عند استخدام التوربينات الهوائية الحلزونية في التصميم المقترح الأول. وذلك للأسباب السابقة الذكر أعلاه في الشكل (5 ) . وبالتالي إنتاج المياه الجوفية أو مياه التحلية بشكل كامل عن طريق طاقة الرياح مع تجهيز الفائض من الطاقة الكهربائية المنتجة عن
الاستهلاك الذاتي للمحطة إلى الشبكة الكهربائية. وكذلك يبين الشكل ( 6 ) إن أدنى نسبة لكمية مياه التحلية أو المياه الجوفية المنتجة عن طريق طاقة الرياح هي 40.5 % في حالة استخدام التوربينات الهوائية الحلزونية . أما في حالة استخدام
التوربينات الهوائية ذات المحور الأفقي فان هذه النسبة 24.2 % وذلك عند الشهر الحادي عشر من السنة. والسبب في ذلك يعود إلى انخفاض السرعة المتوسطة للرياح خلال هذه الفترة من السنة في الموقع المدروس .
وقد تم إجراء التكامل على مدار السنة لمقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة من العلاقة ( 1 ) وكذلك كمية الطاقة الكهربائية المنتجة ( Ne )r. حيث يلاحظ من الشكل ( 7 ) إن مقدار التوفير النوعي بكمية الوقود المستهلكة خلال السنة DBY= 1476.5 ton/year.MW عند استخدام التوربينات الهوائية الأفقية المحور في التصميم المقترح للمحطة الهوائية المشتركة. وطبقا لذلك فان كمية الطاقة الكهربائية المنتجة NEY= 2137.4 MW.hr/year ، نسبة المشاركة لطاقة الرياح في تغطية حمل استهلاك الطاقة الكهربائية للتصميم المقترح WR= 0.676 ، ومقدار الانخفاض في كمية ثاني أوكسيد الكربون المطروحة للوسط المحيط 4547.51 ton/year.MW . كما إن استخدام التوربينات الهوائية الحلزونية يؤدي إلى زيادة مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة بنسبة 13.4 % . وذلك بسب ارتفاع نسبة المشاركة لطاقة الرياح في تغطية حمل استهلاك الطاقة الكهربائية إلىWR= 0.767 نتيجة لزيادة كمية الطاقة الكهربائية المنتجة في التصميم المقترح.
https://www.alshamsi.net/friends/b7o...s/image013.jpg
الشكل ( 7 ) مقدار التوفير النوعي بكمية الوقود المستهلكة ( DBY ) ، كمية الطاقة الكهربائية المنتجة خلال السنة ( NEY ) ، والنسبة السنوية لمشاركة طاقة الرياح ( WR ) في تغطية حمل استهلاك الطاقة الكهربائية للتصميم المقترح الأول ( المحطة الهوائية المشتركة )
تأثير معدل استهلاك الطاقة الكهربائية النوعي لوحدة التحلية وعمق المياه الجوفية عن سطح الأرض على كمية مياه التحلية وكمية المياه الجوفية المنتجة خلال السنة عن طريق طاقة الرياح مبين في الشكل ( 8 ) . حيث يلاحظ من الشكل هبوط كمية مياه التحلية المنتجة خلال السنة ( WDDWY ) عن طريق طاقة الرياح مع ارتفاع معدل استهلاك الطاقة
وكذلك يبين الشكل ( 8 ) زيادة عمق المياه الجوفية عن سطح الأرض ومن ثم ارتفاع السمت التصميمي لضخ هذه المياه
( Hw ) يؤدي إلى هبوط كمية المياه الجوفية المنتجة عن طريق طاقة الرياح خلال السنة . وذلك للأسباب السابقة الذكر أعلاه . ولكن في هذه الحالة لتقليل مقدار الهبوط في كمية المياه الجوفية المنتجة تم في الدراسة عند ارتفاع سمت ضخ المياه الجوفية 160 m ≤ Hw ≤ 180 m اعتماد الخواص والمواصفات التصميمية لمضخات غاطسة ذات تسعة مراحل
( S181.9 ). وذلك بسبب ارتفاع كفاءة هذه المضخات مقارنة مع كفاءة المضخات الغاطسة ذات السبعة مراحل
( S181.7 ) عند المجال السابق الذكر لسمت ضخ المياه الجوفية [ 11 ]. ومن ثم هبوط مقدار الزيادة في كمية الطاقة الكهربائية اللازمة لضخ المياه الجوفية في التصميم المقترح الأول.
وبنفس الطريقة السابقة الذكر أعلاه تم دراسة فاعلية التصميم المقترح الثاني ( المحطة الشمسية المشتركة ( الفقرة 2 ) ) على مدار السنة. حيث يبين الشكل ( 9 ) مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في الشبكة الكهربائية (DBD )
https://www.alshamsi.net/friends/b7o...s/image015.jpg
الشكل (8 ) علاقة كمية مياه التحلية ( WDDWY ) وكمية المياه الجوفية ( WDRWY ) المنتجة خلال السنة مع معدل استهلاك الطاقة الكهربائية النوعي لوحدة التحلية ( NRO ) والسمت التصميمي لضخ المياه الجوفية (Hw ) في حالة التصميم المقترح الأول ( المحطة الهوائية المشتركة ).
وكمية الطاقة الكهربائية المنتجة للمنظومة الشمسية المباشرة والمجهزة للمحطة الثانوية (NED ) خلال اليوم وللأشهر المختلفة من السنة. ويلاحظ من الشكل ارتفاع مقدار التوفير في كمية الوقود المستهلكة خلال الأشهر (3 : 9 ) مقارنة مع الأشهر الأخرى من السنة. والسبب في ذلك يمكن تفسيره إلى زيادة كمية الطاقة الكهربائية المنتجة للمنظومة الشمسية المباشرة نتيجة لارتفاع كمية الإشعاع الشمسي التي تسقط على سطح مصفوفة الألواح الشمسية في الموقع المدروس. وذلك بسبب تعامد الشمس على نصف الكرة الأرضية الشمالي خلال هذه الفترة من السنة. مما يؤدي ذلك إلى ارتفاع معامل نفاذية الغلاف الجوي بالنسبة للإشعاع الشمسي المباشر. وكذلك يبين الشكل ( 9 ) ارتفاع مقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة في حالة استخدام نظام التحكم من النوع الأول في توجيه مصفوفات الألواح ومتابعة الحركة الظاهرية للشمس مقارنة مع تثبيت مصفوفة الألواح الشمسية عند زاوية ميل بالنسبة للمستوي الأفقي تساوي زاوية خط العرض للموقع المدروس. وذلك بسبب زيادة كمية الطاقة الكهربائية المنتجة ( NED ) لمصفوفة الألواح الشمسية. كنتيجة لارتفاع كمية الإشعاع الشمسي التي تسقط على سطح مصفوفة الألواح الشمسية خلال الفترة الصباحية والمسائية لعمل المنظومة الشمسية. هذا بالإضافة إلى زيادة عدد ساعات إنتاج الطاقة الكهربائية لهذه المنظومة خلال اليوم. وكذلك يلاحظ من الشكل ( 9 ) خلال الأشهر السابقة الذكر أعلاه هنالك زيادة في كمية الطاقة الكهربائية المنتجة عند استخدام نظام التحكم من النوع الأول في توجيه مصفوفات الألواح الشمسية ) عن المعدل التصميمي لاستهلاك هذه الطاقة
(( NED )Plant ، الشكل ( 9 )) في التصميم المقترح الثاني. وبذلك يتم تجهيز جزء من الطاقة الكهربائية المنتجة في
التصميم المقترح إلى الشبكة الكهربائية. بينما يتم خلال الأشهر الأخرى المتبقية من السنة أو على مدار السنة ( في حالة تثبيت مصفوفة الألواح الشمسية ) تغطية جزء من حمل استهلاك الطاقة الكهربائية للتصميم المقترح الثاني عن طريق الشبكة الكهربائية. وبذلك وكما هو مبين في الشكل ( 10 ) سوف تتغير على مدار السنة كمية المياه المنتجة ( لحقل سحب وضخ المياه الجوفية ) أو كمية مياه التحلية المنتجة ( لمحطة التحلية من نوع التناضح العكسي ) عن طريق الطاقة الشمسية وفقا لكمية الطاقة الكهربائية المنتجة للمنظومة الشمسية المباشرة في التصميم المقترح. ويلاحظ من الشكل ( 10 ) ثبوت كمية مياه التحلية ( SDDW ) والمياه الجوفية ( SDRW ) المنتجة خلال اليوم للأشهر ( 3 : 10 ) عند استخدام نظام التحكم من النوع الأول في توجيه مصفوفات الألواح الشمسية المستخدمة في التصميم المقترح الثاني. وذلك للأسباب السابقة الذكر أعلاه في الشكل ( 9 ). وبالتالي إنتاج المياه الجوفية أو مياه التحلية بشكل كامل عن طريق الطاقة الشمسية مع تجهيز
الفائض من الطاقة الكهربائية المنتجة عن الاستهلاك الذاتي للمحطة إلى الشبكة الكهربائية. وكذلك يبين الشكل ( 10 ) عند الشهر الثاني عشر من السنة تتحقق أدنى نسبة لكمية مياه التحلية أو المياه الجوفية المنتجة عن طريق الطاقة الشمسية وهي 76.1 % في حالة استخدام أنظمة التحكم في توجيه مصفوفات الألواح الشمسية أما في حالة تثبيت مصفوفة الألواح الشمسية فإن هذه النسبة 63.4 % . وذلك بسبب انخفاض كمية الإشعاع الشمسي التي تسقط على سطح الأرض في
الموقع المدروس نتيجة لتعامد الشمس على نصف الكرة الأرضية الجنوبي خلال هذه الفترة من السنة.
عند الشهر الثاني عشر من السنة تتحقق أدنى نسبة لكمية مياه التحلية أو المياه الجوفية المنتجة عن طريق الطاقة الشمسية وهي 76.1 % في حالة استخدام أنظمة التحكم في توجيه مصفوفات الألواح الشمسية أما في حالة تثبيت مصفوفة الألواح الشمسية فإن هذه النسبة 63.4 % . وذلك بسبب انخفاض كمية الإشعاع الشمسي التي تسقط على سطح الأرض في الموقع المدروس نتيجة لتعامد الشمس على نصف الكرة الأرضية الجنوبي خلال هذه الفترة من السنة.
ومن الجدير بالذكر بينت نتائج دراسة فاعلية المحطة الشمسية المشتركة ارتفاع مقدار التوفير النوعي بكمية الوقود المستهلكة خلال السنة (DBY ) بنسبة 4.1 %في حالة استخدام نظام التحكم من النوع الثاني في توجيه مصفوفات الألواح ومتابعة الحركة الظاهرية للشمس مقارنة مع استخدام نظام التحكم من النوع الأول ( مقدار التوفير النوعي بكمية الوقود المستهلكة DBY= 2375.35 ton/year.MW عند مدى رؤية في السماء 15 km ). وذلك بسبب زيادة كمية الإشعاع الشمسي المباشر التي تسقط على سطح مصفوفات الألواح الشمسية خلال ساعات النهار. مما يؤدي ذلك إلى ارتفاع كمية الطاقة الكهربائية المنتجة خلال اليوم .
وقد تم كذلك دراسة تأثير مدى الرؤية في السماء وطبيعة الطقس في الموقع المدروس على مقدار التوفير النوعي في كمية الوقود المستهلكة خلال السنة ( DBY ). حيث يلاحظ من الشكل (11 ) زيادة مدى الرؤية في السماء ( AA ) تؤدي إلى ارتفاع مقدار التوفير النوعي في كمية الوقود المستهلكة خلال السنة. والسبب في ذلك يعود إلى ارتفاع معامل نفاذية الغلاف الجوي بالنسبة للإشعاع الشمسي المباشر. ومن ثم زيادة كمية الإشعاع الشمسي الكلي التي تسقط على سطح مصفوفات الألواح الشمسية. وبالتالي ارتفاع كمية الطاقة الكهربائية المنتجة لهذه المصفوفات. مما يؤدي ذلك إلى زيادة كمية مياه التحلية الشمسية المنتجة خلال السنة. وكذلك يبين الشكل ( 11 ) عند تثبيت مصفوفة الألواح الشمسية
المستخدمة في التصميم المقترح الثاني إن مقدار التوفير الأقصى بكمية الوقود المستهلكة 2111.05 ton/year.MW .
وطبقا لذلك فإن كمية مياه التحلية المنتجة عن طريق الطاقة الشمسية 4113.367 ton/year.kW أو كمية المياه الجوفية المنتجة عن طريق الطاقة الشمسيبة 18239.84 ton/year.kW ومقدار الهبوط في كمية ثاني أوكسيد الكربون المطروحة للوسط المحيط 6501.8 ton/year.MW . كما إن استخدام نظام التحكم من النوع الأول في توجه مصفوفات الألواح الشمسية يؤدي إلى ارتفاع هذه المؤشرات بنسبة 39 % . وذلك للأسباب السابقة الذكر في الشكل (9 ).
وكذلك يلاحظ من الشكل ( 11 ) إن انخفاض مدى الرؤية في السماء لغاية 5 kmيؤدي إلى هبوط مقدار التوفير النوعي بكمية الوقود المستهلكة DBY= 1520.62 ton/year.MW . ومن ثم فاعلية استخدام مزارع الرياح ذات التوربينات الهوائية الحلزونية لإنتاج الطاقة الكهربائية ( التصميم المقترح الأول للمحطات الهوائية المشتركة ) مقارنة مع استخدام مصفوفات الألواح الشمسية المثبته عند زاوية ميل محددة بالنسبة للمستوي الأفقي ( التصميم المقترح الثاني للمحطات الشمسية المشتركة ) في المناطق التي تتميز بمعدلات منخفضة لسرعة الرياح ( 3.0 : 5.0 m/sec ) ومتوسط شهري لدرجة صفاء السماء أصغر من 0.4 .
وبناء على ما تقدم تم في الدراسة الحالية بحث فاعلية التصميم المقترح الأول ( المحطة الهوائية المشتركة ) عند قيم مختلفة لارتفاع محور التوربينات الهوائية الأفقية ( Z) المستخدمة في مزرعة الرياح عن سطح الأرض ( وطبقا لذلك ارتفاع أبراج التوربينات الهوائية ). حيث يلاحظ من الشكل ( 12 ) إن زيادة ارتفاع محور التوربينات الهوائية الأفقية عن سطح الأرض
https://www.alshamsi.net/friends/b7o...s/image023.jpg
الشكل ( 12 ) علاقة مقدار التوفير النوعي بكمية الوقود المستهلكة ( DBY ) و كمية الطاقة الكهربائية المنتجة خلال السنة ( NEY ) مع ارتفاع محور التوربينات الهوائية الأفقية ( Z ) المستخدمة في التصميم المقترح الأول ( المحطة الهوائية المشتركة ) عن سطح الأرض.
9 m : 15 m تؤدي إلى زيادة مقدار التوفير النوعي في كمية الوقود المستهلكة بنسبة 16.2 % . وذلك بسبب ارتفاع قيمة السرعة المتوسطة للرياح عند محور التربينة وفقا للعلاقة المبينة في الشكل . ومن ثم زيادة كمية الطاقة الكهربائية المنتجة خلال السنة ( NEY ) للتوربينات الهوائية المستخدمة في التصميم المقترح. وكذلك يلاحظ من الشكل ( 12 ) إن معدل الزيادة بمقدار التوفير بكمية الوقود المستهلكة للتصميم المقترح الأول في حالة استخدام التوربينات الهوائية الحلزونية نتيجة لزيادة ارتفاع الأبراج أكبر منه في حالة التوربينات الهوائية ذات المحور الأفقي. والسبب في ذلك يعود إلى انخفاض السرعة المتوسطة للرياح في الموقع المدروس. ومن ثم ارتفاع معامل القدرة للتوربينات الهوائية الأفقية بشكل بسيط مع زيادة سرعة الرياح نتيجة لارتفاع محور هذه التوربينات الهوائية عن سطح الأرض. وبالتالي انخفاض معدل الزيادة في كمية الطاقة الكهربائية المنتجة خلال السنة ( NEY ، الشكل ( 12 )) مقارنة مع التوربينات الهوائية الحلزونية.
6 ـ خلاصة النتائج والتوصيات:
نتائج دراسة فاعلية التصاميم المقترحة للمحطات الهوائية والشمسية المشتركة ( الفقرة 5 ) تشير إلى :
1.6 ـ فاعلية استخدام المنظومات الشمسية المباشرة في حقول ضخ المياه العذبة ومحطات التحلية من نوع التناضح العكسي المتكاملة بالشبكة الكهربائية ( التصميم المقترح الثاني ) في المناطق التي تتميز بارتفاع كمية الإشعاع الشمسي التي تسقط على سطح الأرض وزيادة عدد ساعات سطوع الشمس خلال النهار. حيث بلغ مقدار التوفير النوعي بكمية الوقود المستهلكة في الشبكة الكهربائية 2111.05 ton/year لكل MW من الطاقة الكهربائية التصميمية للمحطة الشمسية المشتركة. وطبقا لذلك فإن كمية مياه التحلية المنتجة عن طريق الطاقة الشمسية 4113.37 ton/year.kW أو كمية المياه الجوفية المنتجة عن طريق الطاقة الشمسية 18239.84 ton/year.kW ومقدار الهبوط في كمية ثاني أوكسيد الكربون المطروحة للوسط المحيط 6501.8 ton/year.MW . وذلك عندما تكون النسبة السنوية لمشاركة الطاقة الشمسية في تغطية حمل استهلاك الطاقة الكهربائية للمحطة الشمسية المشتركة 0.969 .
2.6 ـ استخدام أنظمة التحكم في توجيه مصفوفات الألواح الشمسية المستخدمة في التصميم المقترح للمحطات الشمسية المشتركة يؤدي إلى ارتفاع المؤشرات الحرارية والبيئية السابقة الذكر في الفقرة ( 1.6 ) بنسبة 39 % . وذلك في حالة استخدام نظام تحكم يكون فيه محور دوران مصفوفة الألواح الشمسية عبارة عن خط ممدود من الشمال إلى الجنوب ويميل بزاوية بالنسبة للمستوي الأفقي تساوي زاوية خط العرض.
3.6 ـ إنتاج الطاقة الكهربائية في التصميم المقترح للمحطة الشمسية المشتركة متوافق مع الزيادة الموسمية لحمل استهلاك الطاقة الكهربائية في الشبكة وكذلك مع ارتفاع حمل استهلاك الطاقة الكهربائية في الشبكة خلال ساعات النهار. وبذلك يتم خلال ساعات النهار وعلى مدار السنة وبشكل خاص خلال فصل الصيف تغطية جزء من حمل استهلاك الطاقة الكهربائية للشبكة عن طريق هذه المحطات. مما يؤدي ذلك إلى انخفاض معدل استهلاك الوقود على إنتاج الطاقة الكهربائية في الشبكة الكهربائية.
4.6 ـ فاعلية استخدام التوربينات الهوائية الحلزونية لإنتاج الطاقة الكهربائية في المناطق التي تتميز بمعدلات منخفضة لسرعة الرياح ( 3.0 : 5.0 m/sec ) ومتوسط شهري لدرجة صفاء السماء أصغر من 0.4 . ولكن في هذه الحالة سوف تنخفض المؤشرات الحرارية والبيئية للتصميم المقترح الأول ( المحطة الهوائية المشركة ) مقارنة مع هذه المؤشرات للتصميم المقترح الثاني ( الفقرة 1.6 ) بنسبة 20.6 % . وذلك بسبب هبوط كمية الطاقة الكهربائية المنتجة لمزرعة الرياح في التصميم المقترح. ومن ثم انخفاض النسبة السنوية لمشاركة طاقة الرياح في تغطية حمل استهلاك الطاقة الكهربائية للمحطة الهوائية المشتركة إلى 0.767 .
5.6 ـ زيادة ارتفاع أبراج التوربينات الهوائية الحلزونية المستخدمة في التصميم المقترح الأول ( المحطة الهوائية المشتركة ) بنسبة 33.3 % تؤدي إلى ارتفاع مقدار التوفير النوعي بكمية الوقود المستهلكة في الشبكة الكهربائية ( الفقرة 4.6 ) بمعدل 191.3 ton/year.MW .
6.6 ـ ضرورة إجراء دراسة اقتصادية ـ حرارية لبحث فاعلية التصاميم المقترحة للمحطات الهوائية والشمسية المشتركة تأخذ بعين الاعتبار مقدار التغير في كلفة التصاميم المختلفة للتوربينات الهوائية المستخدمة في الدراسة ، أنظمة التحكم المستخدمة في توجيه مصفوفات الألواح الشمسية ، مصفوفات الألواح الشمسية ، ومحولات التيار الكهربائي المستمر إلى متناوب. هذا إلى جانب سعر إنتاج وحدة الطاقة الكهربائية في الشبكة عند الأحمال المختلفة لحمل استهلاك هذه الطاقة.
الرموز المستخدمة في إعداد هذا البحث :
AA ـ مدى الرؤية في السماء عند الموقع المدروس ( km ) .
DBY ـ مقدار التوفير النوعي بكمية الوقود المستهلكة في التصميم المقترح ( ton/year.MW ).
Ddw ـ الإنتاجية التصميمية لمحطة التحلية من نوع التناضح العكسي في التصميم المقترح ( ton/hr ).
DRW ـ الإنتاجية التصميمية لحقل ضخ المياه الجوفية في التصميم المقترح ( ton/hr ).
EST ـ كفاءة المحطة التعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية في الشبكة .
FAI ـ زاوية خط العرض للموقع المدروس ( deg. ).
Hw ـ السمت التصميمي لضخ المياه الجوفية في التصميم المقترح ( m ).
Ipm ـ التيار الكهربائي عند الطاقة الكهربائية القصوى للوح الشمسي ( Amps ).
Isc ـ التيار الكهربائي عند الدائرة القصيرة للوح الشمسي ( Amps ).
K ـ معامل الشكل المستخدم في علاقة توزيع ويبل لمعدلات سرعة الرياح .
NEY ـ كمية الطاقة الكهربائية المنتجة خلال السنة للتربينة الهوائية أو في التصميم المقترح ( MW.hr/year ).
NRO ـ معدل استهلاك الطاقة الكهربائية النوعي لوحدة التحلية المستخدمة في التصميم المقترح ( kw.hr/ton ).
Pmax ـ الطاقة الكهربائية القصوى للوح الشمسي ( Watts ).
Qcv ـ القيمة الحرارية للوقود المستخدم في المحطة التعويضية لإنتاج الطاقة الكهربائية في الشبكة ( kJ/kg ).
Vd ـ فرق الجهد التصميمي للوح الشمسي ( Volts ).
Vm ـ السرعة المتوسطة للرياح عند الارتفاع Z عن مستوى سطح الأرض ( m/sec ).
Voc ـ فرق الجهد عند الدائرة الكهربائية المفتوحة للوح الشمسي ( Volts ).
Vpm ـ فرق الجهد عند الطاقة الكهربائية القصوى للوح الشمسي ( Volts ).
WR ـ النسبة السنوية لمشاركة طاقة الرياح في تغطية حمل استهلاك الطاقة الكهربائية للتصميم المقترح .
Z ـ ارتفاع محور التوربينات الهوائية الأفقية المستخدمة في التصميم المقترح عن مستوى سطح الأرض أو الارتفاع عن مستوى سطح الأرض الذي تم عنده حساب السرعة المتوسطة للرياح Vm ( m ).
Zo ـ الارتفاع عن مستوى سطح الأرض الذي تم عنده حساب السرعة المتوسطة للرياح [ Vm ]o ( m ).
[NER]H ـ الطاقة الكهربائية التصميمية للتوربينات الهوائية ذات المحور الأفقي المستخدمة في التصميم المقترح ( kW ).
[ NER ]PV ـ الطاقة الكهربائية التصميمية لمصفوفة الألواح الشمسية المستخدمة في التصميم المقترح ( kW ).
[ NER ]V ـ الطاقة الكهربائية التصميمية للتوربينات الهوائية الحلزونية المستخدمة في التصميم المقترح ( kW ).
[ NER ]WP ـ الطاقة الكهربائية التصميمية لمضخات المياه الجوفية في التصميم المقترح ( kW ).
[ Vm ]o ـ السرعة المتوسطة للرياح المحسوبة عند الارتفاع Zo عن مستوى سطح الأرض ( m/sec ).
∆Voc ـ مقدار التغير في فرق الجهد عند الدائرة الكهربائية المفتوحة للوح الشمسي نتيجة للارتفاع درجة حرارة سطح الخلايا الشمسية المكونة للوح عن القيمة التصميمية ( Volts/K ).
المصادر المستخدمة ( REFERENCES ) :
1. BUROS O.K ( 2017 )
The ABCs of desalting / International Desalination Association , USA , 31pp. .
2. ASSIMACOPOULOS D. ( 2017 )
Water , Water everywhere . Desalination Powered by Renewable Energy Sources /
https:// www.re-foucus.net. ( Internet Communication )
3. Solar Powered Water Pumping ( 2017 )
Economics of Solar Water Pumping./ https:// www.e-marine-inc/products/pumping .
( Internet Communication )
4. Eoltec Wind Turbine ( 2017 )
High Efficiency Wind Turbines / http: // www.eoltec.com.
( Internet Communication )
5. OY Windside Production Ltd. ( 2017 )
Windside Wind Turbines / https:// www.windside.com. ( Internet Communication )
6. MARRAY THOMSON , MARCOS S. MIRANDA ( 2017 )
A Small Scale Seawater Reverse Osmosis System with Excellent Energy Efficiency
Over a Wide Operation Range / Desalination , Vol. 153 , pp. 229 : 236 .
7. RAUTH HU. , PRUSCHEK R. , WEIDELE T. ( 1995 )
Annually Generated Electricity of One and Tow Axis Solar Tracking System /
Proc. 13th European PV Solar Energy Conference , Nice , October 23: 27 - 1995,
pp. 1015 : 1018 .
8. SHARMA C. , CHADEE J. ( 1999 )
Selection and Optimization of Wind Energy Conversion System for The Island of
Tobago – A Case Study / Energy Engineering Journal ( USA ), Vol. 96 , No. 3 ,
pp. 6 : 28 .
9. MOUSTAFA M. ELSAYED , JAFFER A. SABBAGH ( 1984 )
Design of solar Thermal System/ King Abdulaziz University ,
JEDDAH – 22441 , SAUDIA ARABEA.
10. SNL ( 1995 )
Stand - Alone Photovoltaic Systems : A Handbook of Recommended Design
Practices. SAND87-7023. Updated March 1995 .
11. SAER ELETTROPOMPE ( 2017 )
Electric Submersible Pumps S181.7 and S181.9 /
https:// www.saerelettropompe.com . ( Internet Communication )
12. SIEMENS SOLAR ( 2017 )
Siemens SM100/SM110 Monocrystaline Solar Panels intelligent module design/
https:// www.affordable-solar.com . ( Internet Communication )
البحث من إعداد د. حسين الربيعي
م/ن
