کیفیت توان و بهبود آن با انرژی خورشیدی و فناوری LED در روشنایی معابر

چکیده

این مقاله پژوهشی به بررسی انرژی خورشیدی و فناوری‌های LED به عنوان گزینه‌ای مناسب برای مدیریت بار روشنایی معابر (SLDSM) می‌پردازد. در این تحقیق، به تحلیل اقتصادی استفاده از انرژی خورشیدی در سیستم‌های روشنایی معابر (SLS) و مقایسه آن با فناوری‌های سنتی نظیر سدیم پر فشار (HPS) پرداخته می‌شود. همچنین، روستای بربرا در میسیلا، الجزائر با ۱۲۰ لامپ به عنوان نمونه موردی انتخاب شده است. برای تحلیل قابلیت سیستم طی عمر پروژه، نرم‌افزار HOMER بر اساس پارامترهایی همچون هزینه خالص فعلی کل (TNPC)، هزینه انرژی (COE) و هزینه قبض انرژی مورد استفاده قرار گرفته است. این نتایج نشان می‌دهند که فناوری LED و تولید برق فتوولتائیک در محل به عنوان ابزاری مؤثر برای مدیریت بار در بخش روشنایی عمومی معابر در نظر گرفته می‌شوند. SLS مبتنی بر PV-LED نه تنها مصرف انرژی سالانه را کاهش می‌دهد، بلکه هزینه‌های سیستم نصب و هزینه‌های برق سالانه را نیز به طرز قابل توجهی کاهش می‌دهد و مزایای اقتصادی و اکولوژیکی را نیز به همراه دارد.

مقدمه

در سال‌های اخیر، مصرف برق در سطح جهانی به طور چشمگیری افزایش یافته است. این افزایش عمدتاً ناشی از پیشرفت‌های فناوری و رشد سریع تقاضای انرژی در صنایع و بخش خانگی است. به دلیل کاهش منابع سوخت فسیلی و کارایی پایین سیستم‌های انرژی موجود، مهندسان و برنامه‌ریزان به دنبال راه‌حل‌هایی برای استفاده از منابع انرژی جایگزین هستند. در این راستا، انرژی خورشیدی، انرژی باد، زیست‌توده و مینی-هیدروالکتریسیته به عنوان منابع عمده تولید انرژی در سطح جهانی مطرح می‌شوند و بسته به قابلیت دسترسی به منابع، مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند.

شکل ۱. تکامل مصرف انرژی از ۱۹۹۰ تا ۲۰۴۰ (الف)، تولید برق جهانی از منابع مختلف در سال ۲۰۱۵ (ب)

مصرف انرژی منابع مختلف در شکل ۱(الف) نشان‌دهنده این است که تا سال ۲۰۴۰ شاهد افزایش قابل توجهی در انرژی‌های تجدیدپذیر، سوخت‌های مایع و زغال‌سنگ خواهیم بود. نکته حائز اهمیت این است که انرژی‌های تجدیدپذیر به عنوان سریع‌ترین منبع انرژی در جهان شناخته می‌شوند و پیش‌بینی می‌شود که مصرف این منابع از سال ۲۰۱۲ تا ۲۰۴۰ به طور متوسط سالی ۲.۶ درصد افزایش یابد. همچنین، تولید برق جهانی در سال ۲۰۱۵، که در شکل ۱(ب) نشان داده شده، نشان می‌دهد که ۱۸۴۹ گیگاوات از ۶۳۹۹ گیگاوات انرژی تولید شده، معادل ۲۳.۷۰ درصد از کل برق جهان، از منابع انرژی تجدیدپذیر تأمین می‌شود.

با توجه به اینکه ظرفیت تولید انرژی در الجزائر عمدتاً تحت سلطه نیروگاه‌های گاز طبیعی است که بیش از ۹۵ درصد ظرفیت نصب شده را شامل می‌شوند، هدف جدید استراتژی انرژی و محیط زیست الجزائر، که در شکل ۲(الف) شفاف‌سازی شده، دستیابی به سهم ۴۰ درصدی از انرژی‌های تجدیدپذیر از طریق نصب حداکثر ۲۲۰۰۰ مگاوات تا سال ۲۰۳۰ می‌باشد.

شکل ۲. رشد تولید برق و سهم انرژی‌های تجدیدپذیر، افق ۲۰۳۰ (الف)، تابش خورشیدی جهانی در الجزائر (ب)

از لحاظ پتانسیل انرژی خورشیدی، الجزائر به طور متوسط سالانه ۳۰۰۰ ساعت آفتابی دارد، بخصوص در ناحیه صحرایی و با بزرگ‌ترین پتانسیل خورشیدی در حوضه مدیترانه، که برابر با ۱۶۹۴۴۰ ترابایت در سال می‌باشد. میزان انرژی خورشیدی دریافتی به ترتیب برای مناطق ساحلی، نواحی مرتفع و صحرای بزرگ به معادل‌های ۱۷۰۰، ۱۹۰۰ و ۲۶۵۰ کیلووات ساعت بر متر مربع در سال بالغ می‌شود.

همان‌طور که در شکل ۲(ب) نشان داده شده، تابش روزانه خورشیدی به طور متوسط بین ۵ تا ۷ کیلووات ساعت بر متر مربع در روز بر روی سطوح مایل با زاویه بهینه متغیر است.

با افزایش رشد اقتصادی و تغییرات جمعیتی، تقاضای برق در الجزائر به سرعت در حال افزایش است و به طور متوسط سالانه ۹.۵ درصد رشد می‌کند. به گزارش وزارت انرژی، انتظار می‌رود که این تقاضا تا سال ۲۰۳۰ دو برابر و تا سال ۲۰۴۰ حتی سه برابر شود. بنابراین، ظرفیت تولید برق باید در یک دهه آینده به دو برابر افزایش یابد. شایان ذکر است که انرژی مصرفی توسط خانوارها، بیش از ۶۰ درصد از انرژی کل مصرف شده را شامل می‌شود و ۹۸ درصد این برق از گاز طبیعی تولید می‌شود. روشنایی به عنوان بخشی قابل توجه از این مصرف به شمار می‌آید.

به گفته وزیر انرژی در کنفرانس ملی بهره‌وری انرژی، که به همت سازمان ملی ترویج و ساماندهی استفاده بهینه انرژی (APRUE) برگزار شد، «روشنایی عمومی ۴۰ درصد از مصرف انرژی ملی، معادل ۶۵۰۰ مگاوات از ۱۴۵۰۰ مگاوات مصرف شده را شامل می‌شود. هزینه روشنایی معابر بخش بزرگی از بودجه هر شهرداری و مقامات محلی را به خود اختصاص می‌دهد، و تخمین زده می‌شود که هزینه قبوض روشنایی خیابان حدود ۱۳ میلیارد دینار در سال باشد.

این موضوع ضرورت دارد که تدابیری برای عقلانی‌سازی و کاهش قابل توجه این نوع مصرف اندیشیده شود. بنابراین، اجرای طرح «آگاهی‌بخشی در مورد استفاده از لامپ‌های LED» به عنوان برنامه‌ای بلندپروازانه برای بهره‌برداری از انرژی خورشیدی در تولید برق و بهینه‌سازی مصرف انرژی الکتریکی باید به عنوان یک موضوع مهم در بخش روشنایی عمومی مد نظر قرار گیرد. روشنایی یکی از نیازهای اساسی جامعه مدرن است که در حوزه‌های مختلف از جمله جاده‌ها، پارکینگ‌ها و خیابان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. روشنایی معابر نه تنها آسایش کاربران را افزایش می‌دهد بلکه به افزایش ایمنی و کاهش تصادفات در طول شب کمک شایانی می‌کند.

روشنایی معابر در الجزایر

روشنایی عمومی در الجزایر عمدتاً از انرژی الکتریکی به عنوان منبع انرژی استفاده می‌کند. فناوری‌های قدیمی، به ویژه لامپ‌های HPS (high-pressure sodium) که در دهه ۱۹۶۰ توسعه یافته‌اند و در توانی معادل ۴۰۰ و ۲۵۰ وات عمل می‌کنند، به دلیل افزایش تعداد لامپ‌های خیابانی، منجر به مصرف بالای برق شده است [۹]. در عوض، روشنایی خیابانی خورشیدی (SSL) به عنوان یک راهکار جایگزین در حال رشد است، چراکه از نور خورشید به عنوان منبع انرژی بهره می‌برد و به کاهش هزینه‌های نصب، نگهداری و بهره‌برداری کمک می‌کند [۱۰]. مزایای استفاده از انرژی خورشیدی فتوولتائیک به وضوح احساس می‌شود، چراکه این سیستم‌ها یکی از منابع اصلی انرژی تجدیدپذیر با ویژگی‌های قابل توجهی همچون عدم آلودگی، آینده‌ای امیدبخش، منبع نامحدود و نیاز به نگهداری کم هستند [۱۱].

در سال‌های اخیر، تحقیق‌های متعددی درباره امکان‌سنجی و استفاده از انرژی خورشیدی فتوولتائیک در سیستم‌های روشنایی SLS (solar lighting systems) صورت گرفته است. این مطالعات به بررسی عملکرد سیستم‌های قدرت و کارایی آن‌ها پرداخته‌اند. همچنین، پژوهش‌های اندکی به مدیریت بار روشنایی خیابانی از نظر امکان‌سنجی فنی، سودآوری و صرفه‌جویی‌های حاصل توجه کرده‌اند. مفهوم مدیریت بار از سمت تقاضا (DSM) در اواخر دهه ۱۹۷۰ شکل گرفت و به برنامه‌ریزی و اجرای فعالیت‌هایی برای تغییر نحوه استفاده انرژی مصرف‌کننده به گونه‌ای تعریف می‌شود که الگوی مصرف را از نظر زمان و بار دستخوش تغییر کند. تکنیک‌های DSM شامل کاهش اوج بار، جابجایی بار، مدیریت استراتژیک بار و استراتژی‌های انعطاف‌پذیر در شکل بار هستند [۱۲]. علاوه بر این، گروهی از پژوهشگران نیز به بررسی کارایی سیستم‌های قدرت PV و هیبریدی در نقاط مختلف و برای کاربردهای متفاوت پرداخته‌اند. به عنوان نمونه، در الجزایر، تحقیقات کمی در زمینه استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر در روشنایی عمومی انجام شده است. به همین دلیل، هدف این مقاله تحلیل امکان‌سنجی فنی و اقتصادی سیستم‌های روشنایی LED خورشیدی در مقایسه با روشنایی‌های HPS سنتی است. اهمیت این تحقیق در جلب توجه به پتانسیل مدیریت بار از سمت تقاضا در روشنایی خیابانی، مزایای فناوری LED و همچنین بهره‌برداری از انرژی خورشیدی در کشور، که می‌تواند در مقیاس‌های مختلف از چند کیلووات تا مقیاس بزرگ استفاده شود، نهفته است.

مدیریت عرضه و تقاضا در روشنایی خیابانی

در راستای این تحقیق، مطالعه‌ای امکان‌سنجی بر روی فناوری LED که از یک ژنراتور فتوولتائیک خورشیدی کوچک تغذیه می‌شود، به عنوان شیوه‌ای برای مدیریت بار از سمت تقاضا در روشنایی خیابانی ارائه شده و تحلیل شده است. اهداف این پژوهش شامل ترکیب دو فرآیند بهینه‌سازی است: اولین هدف، در نظر گرفتن حفاظت استراتژیک به عنوان یکی از تکنیک‌های مدیریت بار از سمت تقاضا و هدف دوم، مدیریت عرضه از طریق بهره‌گیری از انرژی خورشیدی در تأمین روشنایی عمومی می‌باشد. توضیحات مربوط به این دو مفهوم به شرح زیر است.

مدیریت بار از سمت تقاضا

با توجه به مصرف بالای انرژی در روشنایی خیابانی، برنامه‌های بهینه‌سازی انرژی در این حوزه بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند، زیرا امکان‌های زیادی برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی وجود دارد. چندین روش در این زمینه بررسی شده است. یکی از این روش‌ها، اجرای دستورالعمل‌هایی است که نیازها و الزامات بخش روشنایی در فضای باز و خیابان را برای جایگزینی فناوری‌های ناکارآمد با فناوری‌های با کارایی بالاتر تعیین و اجرایی می‌کند.

تکنولوژی جدید روشنایی به شکل دیودهای ساطع‌کننده نور (LED) به‌طور گسترده‌ای با بهره‌گیری از پدیده‌های فیزیکی مواد نیمه‌هادی که در اوایل دهه ۱۹۰۰ کشف شده بودند، توسعه یافته است؛ اما استفاده از آن به دلیل ظهور LED سفید در سال ۱۹۹۰ به طور وسیع اتفاق افتاد [۱۳]. LEDها مزایای زیادی دارند که در شکل ۳ قابل مشاهده است، از جمله شدت روشنایی بالا، مصرف کم انرژی و عمر طولانی که می‌تواند چیزی در حدود ۱۰ برابر از لامپ‌های سرامیکی معمولی قدیمی کارآمدتر باشد [۱۴، ۱۵].

مدیریت عرضه در روشنایی

در این مقاله، مفهوم مدیریت عرضه در بخش روشنایی عمومی (SSMPLS) با ترویج تولید فتوولتائیک توزیع‌شده در مقیاس کوچک (SDPG) تأمین می‌شود. به‌کارگیری استراتژی‌های مدیریت عرضه در سیستم روشنایی عمومی این امکان را فراهم می‌آورد که:

• مصرف انرژی کاهش یابد و هزینه‌های چرخه عمر سیستم پایین بیاید.
• روشنایی خیابانی که توسط سیستم‌های فتوولتائیک غیرمتمرکز تأمین می‌شود (سیستم خود تأمین) می‌تواند هزینه‌های نصب و خطوط انتقال را کاهش دهد.
• کاهش مصرف انرژی با استفاده از LED در PSL به معنای کاهش تلفات هادی نیز خواهد بود.

مطالعه موردی

مکان و داده‌های منبع خورشیدی

این سیستم بار روشنایی خیابانی، ۱۲۰ لامپ را در روستای برا برا (Brabra) واقع در میسیلا (M’sila) تأمین خواهد کرد. این مکان در مختصات (۳۵.۳۹° شمالی، ۴.۵۴° شرقی) و ارتفاع متوسط حدود ۴۴۲ متر از سطح دریا واقع شده است. داده‌های تابش خورشیدی (SR) مربوط به این مکان از پایگاه داده انرژی خورشیدی و علم هواشناسی سطحی (NASA) استخراج شده است [۱۶]. جدول ۱ پروفیل تابش خورشیدی ماهانه متوسط را نشان می‌دهد که شامل میانگین سالانه ۴.۵۶ کیلووات‌ساعت بر متر مربع در روز و یک شاخص روشنایی متوسط ۰.۵۰۴ است.

از جدول ۱ مشخص است که تابش خورشیدی در این مکان میان ماه‌های مارس تا سپتامبر به شدت افزایش می‌یابد. میانگین تابش جهانی روزانه از ۲.۶۲ کیلووات‌ساعت بر متر مربع در روز در دسامبر تا ۸.۰۲ کیلووات‌ساعت بر متر مربع در روز در ماه ژوئیه متغیر است.

توسعه بار الکتریکی

در این مقاله، یک سیستم فتوولتائیک مستقل برای روشن کردن یک خیابان در روستای برا برا در میسیلا به عنوان نمونه‌ای موردی بررسی خواهد شد. این لامپ‌ها به مدت ۱۲ ساعت از ساعت ۶ بعد از ظهر تا ۶ صبح روشن خواهند بود. متوسط مصرف انرژی روزانه بار روشنایی خیابانی با استفاده از معادله (۱) محاسبه می‌شود.

افزونه; Lp قدرت لامپ (وات)، Do متوسط زمان کار روزانه (ساعت) و N تعداد کل لامپ‌ها است.

مصرف انرژی سالانه روشنایی (AEC) از طریق فرمول زیر محاسبه می‌شود.

محاسبه مصرف انرژی سالانه

برای محاسبه مصرف انرژی سالانه ۱۲۰ لامپ، از معادله (۳) استفاده می‌شود.

در این معادله؛ AEC مصرف انرژی سالانه هر لامپ و TAEC مصرف انرژی سالانه کل لامپ‌ها را به واحد (kWh) نشان می‌دهند.

در اینجا، مقایسه‌ای بین سه نوع بار مختلف صورت می‌گیرد: SHP (۴۰۰ W)، SHP (۲۵۰ W) و لامپ‌های LED (۱۰۰ W). تعداد کل لامپ‌ها ۱۲۰ عدد است. روال بار روزانه، بار اوج و پروفایل مصرف برای هر یک از سه نوع لامپ در جدول ۲ و شکل ۴ ارائه شده است.

پروفایل بار روزانه برای یک لامپ از هر نوع

مدل‌سازی و اندازه‌گیری اجزای سیستم

شکل ۵ نمونه‌ای از یک سیستم روشنایی معابر عمومی خورشیدی را به تصویر می‌کشد که شامل سه جزء اصلی است:

• ژنراتور انرژی (پنل PV)
• سیستم ذخیره‌سازی برق (باتری)
• تبدیل‌کننده قدرت که انرژی را از جریان مستقیم (DC) به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کند [۱۷].

اندازه‌گیری پنل‌های خورشیدی

پنل‌های PV به عنوان منابع اصلی انرژی در این سیستم، تابش خورشید را دریافت کرده و آن را به برق DC تبدیل می‌کنند. تولید برق پنل PV (PVoutput) بر اساس مشخصات ماژول‌های PV با استفاده از معادله زیر محاسبه می‌شود [۱۸].

در این معادله؛ YPV (kW) نشان‌دهنده توان خروجی تحت شرایط آزمایش استاندارد است، fPV (%) ضریب کاهش عملکرد PV، و GT (kW/m2) و GT,STC (۱ kW/m2) به ترتیب تابش خورشیدی وارده بر آرایه PV و در شرایط آزمایش استاندارد را نمایان می‌سازد. لازم به ذکر است که در این سیستم PV هیچ نوع ردیابی وجود ندارد. برای اندازه‌گیری پنل‌های PV، معادله زیر قابل استفاده است [۱۹].

در این معادله؛ PVP توان پیک PV به واحد (kWp)، El انرژی الکتریکی مورد نیاز بار (Wh/d)، Ensol مدت زمان در بدترین ماه، ηconv (%) بازدهی مبدل و f عاملی است که تلفات و تنظیمات را نمایش می‌دهد.

مدل‌سازی سیستم ذخیره‌سازی

سیستم ذخیره‌سازی انرژی SES که در اینجا به باتری اشاره دارد، برای ذخیره و تأمین انرژی بار در زمان‌هایی که منابع PV در دسترس نیستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فرآیند به شرح زیر است: ژنراتور فتوولتائیک انرژی DC تولید می‌کند که وابسته به شرایط آب و هوایی در طول روز است و سپس باتری‌های ذخیره‌سازی را شارژ می‌کند. در شب، انرژی ذخیره شده در باتری برای تأمین بار روشنایی استفاده می‌شود [۲۰]. ظرفیت اسمی باتری‌ها با استفاده از معادله زیر تعیین می‌گردد [۲۱].

در این معادله؛ Cb ظرفیت اسمی باتری‌ها (Ah)، Ed نیاز روزانه انرژی (Wh)، Aut تعداد روزهای خودمختاری، Ubat ولتاژ اسمی باتری‌ها (V)، ηb بازدهی انرژی باتری‌ها و Db عمق تخلیه باتری‌ها است.

باتری انتخابی در این مطالعه، مدل Hoppeck ۱۶ OpzS ۲۰۰۰ است که ظرفیت اسمی آن ۲۰۰۰ Ah، ولتاژ ۲ V و عمر مفید ۶,۸۰۳ kWh با حداقل ۳۰% حالت شارژ می‌باشد.

تبدیل‌کننده قدرت

در این سیستم، یک اینورتر برای تبدیل انرژی الکتریکی از جریان مستقیم (DC) به جریان متناوب (AC) به کار می‌رود. مشخصات فنی این مبدل به گونه‌ای است که عمر مورد انتظار یک واحد ۱۵ سال و بازدهی آن ۹۰% می‌باشد.

جزئیات اقتصادی اجزای سیستم هیبریدی

جزئیات اقتصادی اجزای سیستم در زمینه سرمایه‌گذاری، هزینه‌های تعویض، هزینه‌های سالانه بهره‌برداری و نگهداری در جدول ۳ خلاصه شده است.

فرموله کردن معیارهای ارزیابی

انتخاب و گزینش یک سیستم روشنایی معابر مؤثر، به عوامل کلیدی مانند مصرف انرژی، قیمت و عمر مفید بستگی دارد.

در این مطالعه، رویکردی اقتصادی مورد بررسی قرار گرفته است که به حداقل سرمایه‌گذاری و هزینه‌های چرخه حیات و کاهش هزینه‌های قبوض برق می‌پردازد.

به همین دلیل، ارزیابی، تحلیل و مقایسه عملکرد فناوری‌های روشنایی خیابانی HPS و LED بر اساس سه معیار زیر انجام خواهد شد که برای ارزیابی اقتصادی جامع به کار می‌روند.

• هزینه خالص فعلی کل (TNPC) که به عنوان عامل اصلی در مرحله بهینه‌سازی با نرم‌افزار HOMER است. با استفاده از معادله (۷) می‌توان TNPC را محاسبه کرد [۲۳].
• هزینه سطحی انرژی (LCOE) به عنوان دومین عامل بهینه‌سازی در نرم‌افزار HOMER که نشان‌دهنده هزینه هر واحد کیلووات-ساعت ($/kWh) است [۲۴]. معادله (۹) هزینه سطحی انرژی را بیان می‌کند.
• هزینه صورت‌حساب برق سالانه (Aebc) که با استفاده از معادله (۱۰) محاسبه می‌شود.

در نهایت، نرم‌افزار HOMER پیکربندی‌های مختلف سیستم را بر اساس داده‌های ورودی شامل منابع خورشیدی، داده‌های بار، هزینه قطعات و تجهیزات شبیه‌سازی می‌کند. سپس تمامی پیکربندی‌های ممکن را بر اساس هزینه خالص فعلی کل (TNPC) نمایش می‌دهد.

جدول ۴ نتایج شبیه‌سازی فنی برای پیکربندی بهینه هر لامپ از سیستم روشنایی عمومی را به اختصار نشان می‌دهد. همچنین نتایج اقتصادی به ازای هر لامپ فناوری روشنایی خورشیدی LED و سیستم روشنایی مبتنی بر لامپ HPS نیز در این جدول درج شده است.

نتایج فنی و اقتصادی

این بخش به بررسی جامع نتایج اقتصادی و فنی با استفاده از هزینه‌ کل فعلی خالص (TNPC) و هزینه سالانه (AC) بر اساس نوع اجزا پرداخته است. شکل ۶ این نتایج را برای سه نوع لامپ شبیه‌سازی شده به نمایش می‌گذارد.

شکل ۶. هزینه فعلی خالص (a) و هزینه سالانه هر سیستم شبیه‌سازی شده (b)

از نتایج فنی و اقتصادی موجود در جدول ۴، می‌توان نکات زیر را برداشت کرد:

• در رابطه با مصرف کلی انرژی (در نظر گرفتن ۱۲۰ لامپ)، بهره‌گیری از لامپ‌های LED به جای لامپ‌های قدیمی منجر به کاهش شدید در میزان انرژی مصرفی می‌شود؛ به طوری که مصرف انرژی از ۱۷۱۳۶۰ کیلووات‌ساعت برای لامپ‌های HPS (۴۰۰ وات) و ۱۱۰۲۸۰ کیلووات‌ساعت برای لامپ‌های HPS (۲۵۰ وات) به ۵۲۰۸۰ کیلووات‌ساعت تنها در استفاده از لامپ LED کاهش می‌یابد.
• سیستم روشنایی خیابانی مبتنی بر انرژی خورشیدی ۱۰۰ وات شامل یک ماژول PV با ظرفیت ۰.۸ کیلووات، دو باتری و یک مبدل با ظرفیت ۰.۵ کیلووات است. به علاوه، هزینه عملیاتی این سیستم حدود ۶۲ دلار در سال است و هزینه کل خالص آن به ۲۴۵۶ دلار و قیمت انرژی به ۰.۴۴۲ دلار در کیلووات‌ساعت می‌رسد.
• در سیستم با لامپ HPS (۲۵۰ وات)، نتایج نشان می‌دهد که با شامل شدن ۰.۹ کیلووات پنل‌های فتوولتائیک، دو بانک باتری و یک کیلووات اینورتر، هزینه انرژی حداقل (LCOE) به میزان ۰.۲۵۸ دلار در کیلووات‌ساعت و هزینه فعلی خالص به ۳۰۶۳ دلار می‌رسد.
• در مورد لامپ‌های HPS (۴۰۰ وات)، سیستم بهینه شامل ۱.۵ کیلووات قدرت PV، دو باتری و یک مبدل ۱ کیلووات با هزینه‌های عملیاتی، هزینه فعلی خالص و قیمت انرژی به ترتیب ۱۱۷ دلار در سال، ۴۱۵۸ دلار و ۰.۲۲۸ دلار در کیلووات‌ساعت است.
• استفاده از مدیریت تقاضا در روشنایی خیابانی (SLDSM) با بهره‌گیری از فناوری LED منجر به صرفه‌جویی قابل توجهی می‌شود. به طوری که در مقایسه با سیستم‌های بدون مدیریت تقاضا، هزینه سالانه ۴۵ دلار و ۱۳۳ دلار و همچنین هزینه کل فعلی خالص ۶۰۷ دلار و ۱۷۰۲ دلار کاهش می‌یابد، به ترتیب برای سیستم‌های HPS (۲۵۰ وات) و HPS (۴۰۰ وات).

هزینه کل صورت‌حساب برق سالانه که به ترتیب ۲۳۰۱۹.۳۶ دلار، ۲۸۴۵۲.۲۴ دلار و ۳۹۰۷۰.۰۸ دلار است برای لامپ‌های LED، HPS (۲۵۰ وات) و HPS (۴۰۰ وات) نشان می‌دهد که بهره‌برداری از لامپ‌های LED به عنوان یک تدبیر مدیریت بار به طرز چشمگیری مصرف انرژی را کاهش داده و در نتیجه هزینه صورت‌حساب برق را به میزان ۵۴۳۲.۸۸ دلار (۱۹.۰۹%) و ۱۶۰۵۰.۷۲ دلار (۴۱.۰۸%) در مقایسه با سیستم‌های HPS (۲۵۰ وات) و HPS (۴۰۰ وات) کاهش می‌دهد.

نتیجه‌گیری

در این مقاله تحقیقاتی، تأثیرات فنی-اقتصادی فعالیت‌های مدیریت تقاضا (DSMA) بر سیستم روشنایی عمومی بررسی شده است و تأکید ویژه‌ای بر مطالعه اقتصادی استفاده از فناوری LED به همراه یک ژنراتور فتوولتائیک خورشیدی کم ظرفیت، به عنوان منبع انرژی با استفاده از مدل بهینه‌سازی HOMER صورت گرفته است.

براساس اطلاعات موجود، لامپ‌های جیوه‌ای، پرکاربردترین نوع در سیستم‌های روشنایی خیابانی در الجزایر هستند، و هدف از این پژوهش برآورد دقیق صرفه‌جویی‌های حاصله از تعویض لامپ‌های قدیمی سدیم با فشار بالا (HPS) با فناوری LED در ارتباط با مصرف انرژی، هزینه سرمایه‌گذاری سیستم روشنایی و هزینه صورت‌حساب برق است.

این مطالعه نشانگر پتانسیل عظیم استفاده از LEDها و انرژی‌های خورشیدی تجدیدپذیر به عنوان ابزاری برای مدیریت تقاضای روشنایی خیابانی (SLDSM) است و انتظار می‌رود نتایج آن به ترویج بیشتر این فناوری‌ها در این حوزه و افزایش استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر فتوولتائیک در این منطقه و در کاربردهای مختلف منجر شود.

برای مقایسه میان سه نوع بار (لامپ‌ها)، نتایج زیر به دست آمده است:

• به لحاظ اقتصادی، برترین سیستم، استفاده از لامپ‌های LED است که دارای حداقل TNPC معادل ۲۷۰,۸۶۷ دلار و هزینه انرژی به میزان ۰.۴۴۲ دلار در کیلووات‌ساعت می‌باشد.
• دومین گزینه اقتصادی، سیستم با لامپ HPS ۲۵۰ وات است که هزینه LCOE و TNPC به ترتیب ۰.۲۵۸ دلار در کیلووات‌ساعت و ۳۰۶۳ دلار است.
• سیستم با HPS (۴۰۰ وات) سومین گزینه اقتصادی با TNPC بالای ۴۱۵۸ دلار و هزینه انرژی پایین به میزان ۰.۲۲۸ دلار در کیلووات‌ساعت است.
• تحقیقات نشان می‌دهد که سیستم با فناوری LED می‌تواند مصرف سالانه انرژی الکتریکی را تا حدود ۵۲.۷۷% در مقایسه با سیستم با لامپ‌های HPS کاهش دهد و در عین حال صرفه‌جویی حدود ۲۰% در TNPC و هزینه صورت‌حساب برق سالانه به دنبال دارد.

لازم به ذکر است که نوع روشنایی LED-خورشیدی به دلایل زیر یک انتخاب اقتصادی و زیست‌محیطی محسوب می‌شود. نخست، لامپ‌های LED توانسته‌اند مدت‌زمان بیشتری کار کنند و مصرف انرژی کمتری داشته باشند. از سوی دیگر، منبع انرژی PV با محیط زیست سازگار است. علاوه بر این، روشنایی مستقل خورشیدی راه‌حلی امیدبخش برای مناطقی دورافتاده است که دسترسی به شبکه برق امکان‌پذیر نیست.

مراجع

• [1] Mohammadi, M., Noorollahi, Y., Mohammadi-Ivatloo, B., Yousefi, H., 2017. Energy hub: from a model to a concept-a review. In Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol.80, pp. 1512–27.
• [2] Bourahla N. A., Benghanem, M., Doumbia M., Bouzeboudja, H., 2019. The economic feasibility analysis of generated photovoltaic energy in the USTO campus. In Przegląd Elektrotechniczny, vol. 95, no. 5, pp.147–152.
• [3] IEO. International Energy Outlook. 2016. U.S. Energy Information Administration, page 1– DOE/EIA-0484, May 2016.
• [4] Renewable REN 21. 2016. Global Status Report. REN Secretariat, Paris, France, 2016.
• [5] Nacer, T., Hamidat, A., Nadjemi, O., Bey, M., 2016. Feasibility study of grid connected photovoltaic system in family farms for electricity generation in rural areas. In Renewable Energy, vol.96, pp. 305–318.
• [6] Djoudi-Gherbi, A., Hadj-Arab, A., Salhi, H., 2017. Improvement and validation of PV motor-pump model for PV pumping system performance analysis. In Solar Energy, vol. 144, pp.310–320.
• [7] AMEM. Algerian Ministry of Energy and Mining. 2015. [online].[Retrieved 03.05.2019]. Retrieved from: https://www.hotelsinvictoria.net/mem-algeriaorg/.
• [8] Maghreb Emergent. 2019. [online]. [Retrieved 03.05.2019]. Retrieved from: https://maghrebemergent.info.
• [9] SONELGAZ. Electricity Production Company. 2014. [online]. Retrieved [03.05.2019]. Retrieved from: https://www.sonelgaz.dz.
• [10] Algerie-eco. 2019. [online]. [Retrieved 03.05.2019]. Retrieved from: https://www.algerie-eco.com/.

منابع

• [۱۱] Tahiri, F. E., Chikh, K., Khafallah, M., Saad, A., Breuil, D., ۲۰۱۷. مدلسازی و تحلیل عملکرد یک سیستم فتوولتاییک خورشیدی تحت تغییرات تابش و بار. در چهاردهمین کنفرانس بین‌المللی سامانه‌ها، سیگنال‌ها و دستگاه‌ها (SSD)، IEEE، صفحات ۲۳۴–۲۳۸.
• [۱۲] Gellings, C. W., ۲۰۱۷. تکامل روش‌های مدیریت تقاضا. در نشریه سیستم‌های برق مدرن و انرژی پاک، جلد ۵، شماره ۱، صفحات ۱–۹.
• [۱۳] Tähkämö, L., Halonen, L., ۲۰۱۵. ارزیابی چرخه حیات روشنایی جاده‌ای – مقایسه فناوری‌های دیود ساطع کننده نور و سدیم با فشار بالا. در نشریه تولید پاک، جلد ۹۳، صفحات ۲۳۴–۲۴۲.
• [۱۴] Masoud, M. I., ۲۰۱۵. روشنایی معابر با استفاده از فناوری LED خورشیدی: مطالعه موردی دانشگاه سلطان قابوس. در کنفرانس و نمایشگاه GCC ۲۰۱۵ IEEE هشتم، [۷۰۶۰۰۱۵] موسسه مهندسین برق و الکترونیک. https://doi.org/۱۰.۱۱۰۹/IEEEGCC.۲۰۱۵.۷۰۶۰۰۱۵
• [۱۵] Dixit, A., Pathak, G., Sudhakar, K., ۲۰۱۵. مطالعه مقایسه‌ای هزینه چرخه زندگی منابع نوری مدرن مورد استفاده در روشنایی خانگی. در نشریه بین‌المللی علم، محیط زیست و فناوری، جلد ۴، شماره ۲، صفحات ۳۶۴–۳۷۰.
• [۱۶] NASA سطح اقلیمی و انرژی خورشیدی. ۲۰۱۹. [آنلاین]. [دریافت شده ۰۳.۰۵.۲۰۱۹]. از: http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/.
• [۱۷] Amar-Bensaber, A., Benghanem, M., Guerouad, A., Amar Bensaber, M., ۲۰۱۹. کنترل و مدیریت جریان برق در یک سیستم انرژی ترکیبی. در Przegląd Elektrotechniczny، جلد ۹۵، شماره ۱، صفحات ۱۸۶–۱۹۰.
• [۱۸] Adaramola, S. M., Agelin-Chaab, M., Paul, S. S., ۲۰۱۴. تحلیل سیستم‌های انرژی ترکیبی برای کاربرد در جنوب غنا. در مدیریت و تبدیل انرژی، جلد ۸۸، صفحات ۲۸۴–۲۹۵.
• [۱۹] Ricaud, A., ۲۰۰۵. ماژول‌های فتوولتاییک: جنبه‌های تکنیکال و اقتصادی، تکنیک‌های مهندسی. در مهندسی الکتریکی، ۷ (D3941). ۲۰۰۵.
• [۲۰] Syed, M. I., ۲۰۱۷. روش بهینه‌سازی برای اندازه‌گیری سیستم ترکیبی مستقل PV/WE. در انرژی خورشیدی، جلد ۱۵۷، صفحات ۷۲۷–۷۳۴.
• [۲۱] Singo, A. T., ۲۰۱۰. سیستم تأمین انرژی فتوولتاییک با ذخیره‌سازی ترکیبی برای سکونت‌گاه انرژی‌محور. پایان‌نامه دکترا، Nancy ۱. ۲۰۱۰.
• [۲۲] Dekkiche, M., Tahri, T., Ahmed B., Belmadani, B., ۲۰۱۶. اندازه‌گیری و بهینه‌سازی یک سیستم مستقل ترکیبی برای برق‌رسانی به یک سایت دورافتاده در اولاد فارس، الجزایر. در پیشرفت‌های مواد و فناوری‌های پردازش، صفحات ۱۲۵–۱۳۴.
• [۲۳] Singh, P., Baredar, B., Gupta, B., ۲۰۱۷. تحلیل قابلیت‌های فنی و اقتصادی سیستم انرژی تجدیدپذیر ترکیبی پیل سوختی هیدروژنی و فتوولتاییک برای ساختمان تحقیقاتی دانشگاهی. در مدیریت و تبدیل انرژی، جلد ۱۴۵، صفحات ۳۹۸–۴۱۴.
• [۲۴] Bątkiewicz-Pantuła، M.، ۲۰۱۹. تحلیل مقایسه‌ای هزینه‌های تولید برق از منابع مختلف انرژی تجدیدپذیر. در Przegląd Elektrotechniczny، جلد ۹۵، شماره ۲، صفحات ۷۱–۷۴.

نویسندگان: دانشجوی دکترا عزیز حفاف، دپارتمان الکترونیک فنی، آزمایشگاه مهندسی الکترونیک فنی، دانشگاه سعیدا، ایمیل: Haffaf.aziz28@gmail.com; پروفسور فاطیحه لکدی، دپارتمان الکترونیک فنی، دانشگاه سعیدا، آزمایشگاه کنترل هوشمند و سیستم‌های قدرت الکتریکی (ICEPS)، دانشگاه جلیلی لیابس، سیدی‌بل‌عباس، ایمیل: flakdja@yahoo.fr; پروفسور رشید میزین، دپارتمان الکترونیک فنی، آزمایشگاه مهندسی الکترونیک فنی، دانشگاه سعیدا، ایمیل: meziane22@yahoo.fr; پروفسور جعفر ولد عبدالسلام، آزمایشگاه IRIMAS، دانشگاه اوت آلزاس، مولوز، فرانسه، ایمیل: djaffar.ould-abdeslam@uha.fr

برای مکاتبات، لطفاً به ایمیل: Haffaf.aziz28@gmail.com مراجعه فرمایید.

شناسه آبونمان و ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷، جلد ۹۶، شماره ۴/۲۰۲۰. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۲۰.۰۴.۰۶

منتشر شده توسط وبلاگ PQBlog

مهندس برق

بیشتر پست‌ها را مشاهده کنید

پرسش‌های متداول

کیفیت توان چیست؟

کیفیت توان به ویژگی‌های الکتریکی منبع انرژی مانند ولتاژ، جریان و فرکانس اشاره دارد که در عملکرد دستگاه‌های الکتریکی تأثیرگذار است.

چگونه می‌توان کیفیت توان را بهبود بخشید؟

استفاده از فیلترهای هارمونیک، به کارگیری تجهیزات با کیفیت و بهینه‌سازی سیستم‌های برق‌رسانی می‌تواند کیفیت توان را بهبود دهد.

فیلتر هارمونیک چیست؟

فیلتر هارمونیک دستگاهی است که برای حذف یا کاهش هارمونیک‌های اضافی از سیستم‌های برقی استفاده می‌شود.

نقش انرژی خورشیدی در کیفیت توان چه است؟

انرژی خورشیدی می‌تواند به عنوان یک منبع پایدار و تجدیدپذیر به بهبود کیفیت توان و کاهش هزینه‌های انرژی کمک کند.

فناوری LED چه تأثیری بر کیفیت توان دارد؟

فناوری LED مصرف انرژی را کاهش می‌دهد و به بهبود کیفیت توان از طریق کاهش بارهای غیرضروری کمک می‌کند.

منبع: powerquality.blog