مهندسی پزشکی

استفاده از باتری‌های سولفور ـ سدیم (NAS) با چگالی انرژی بالا برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی:هم‌اکنون کارشناسان در آزمایشگاه تحقیقاتی برق آمریکا (AEP) در ایالت اوهایو در حال آزمایش بر روی یک باتری جدید ساکن هستند که قابلیت انباشت مقدار زیادی انرژی الکتریکی جهت استفاده در زمان‌های اوج مصرف و کاربردهای کیفیت توان(Power Quality Applications) را داراست. این فن‌آوری می‌تواند کمبودهای تولید و محدودیتهای انتقال را که موجب خاموشی و سایر نارسایی‌های برقی می‌شود، تأمین کند.شرکت برق توکیو (TEPCO) و شرکت NGK ساخت باتری با چگالی بالای سولفور ـ سدیم (NAS) را طی دهه 1980 به نتیجه رساندند. به عنوان بخشی از این فعالیت بیش از 20 نمونه نمایشی از باتریهای مذکور از جمله دو واحد 6 مگاواتی در نیروگاههای (TEPCO)،‌در ژاپن نصب شده‌اند. هر یک از این واحدها می‌توانند تا 48 مگاوات‌ساعت انرژی ذخیره شده برای کاربردهای متوازن‌سازی بار روزانه فراهم کنند که نیاز به تولید برق لازم در ساعات اوج مصرف را کاهش می‌دهد.به عنوان بخشی از همکاریهای مشترک TEPCO و NGK برای معرفی فن آوری NAS در آمریکا، مرکز تحقیقات (AEP) یک باتری فشرده 5/12 کیلوواتی را در مرکز فن آوری دولان (Dolan Technology Center) آزمایش می‌کند . این آزمایش اولین کاربرد باتری ساکن در امریکا با استفاده از فن‌آوری باتری سولفور – سدیم خواهد بود.ذخیره‌سازی انبوه و اقتصادی انرژی همواره به عنوان حلقه مفقوده حداکثرسازی بازده سیستم قدرت تلقی شده است. به نظر مدیر شرکت دولان، فن آوری باتری‌های NAS می‌تواند این حلقه مفقوده باشد. هزینه و سازگاری سیستم از عوامل اصلی ارزیابی این سیستمها به شمار می‌روند. در واقع باتری ابزار جدیدی است که برای حل مشکلات تحویل انرژی در آینده به کار گرفته می‌شود.باید توجه داشت که ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی فکر جدیدی نیست و قبلاً نیز با استفاده از فن آوریهای دیگری چون چرخ طیار (Fly Wheels)، خازن‌ها، باتری‌های اسید و سرب، هوای فشرده و ذخیره‌سازی انرژی مغناطیسی فوق هادی(Super Conductivity Magnetic Energy Storage) انجام شده است.آنچه که فن‌آوری باتری NAS را متمایز می‌کند، چگالی انرژی زیاد، کارایی بالا و طول عمر زیاد آن است . به نحوی که چگالی انرژی باتری‌های NAS سه برابر باتری‌های اسید و سرب معمولی است.باتری می‌تواند در 8 ساعت شارژ شده و انرژی الکتریکی ذخیره شده را در همان مدت پس داده و در صورت ثابت نگه داشتن دما در حدود 600 درجه فارنهایت، بطور نامحدود ذخیره کند.باتری‌های سولفور ـ‌ سدیم نیاز به زیرساخت‌های لازم برای تولید، توزیع و انتقال جهت برآورده‌ساختن تقاضای انرژی در زمانهای اوج مصرف را کاهش می‌دهند. باتری‌های مذکور می‌توانند برای تحویل برق به مناطقی که قبلاً‌ به علت محدودیت‌های انتقال و توزیع دارای کمبودهایی بوده‌اند، بکار برده شده و نیز به عنوان منبعی آماده برای حفاظت در مقابل اختلالات برق عمل کنند.باتری NAS در ژاپن برای کاربردهای متوازن سازی بار (Load Leveling) و نیز به عنوان یک منبع توان اضطراری و یا به عنوان واسطه (Suffer) برای خروجی ناپایدار منابع انرژی طبیعی از قبیل باد و انرژی خورشیدی مورد آزمایش قرار گرفته‌اند.استفاده از باتری‌های NAS تثبیت تقاضای برق را که دارای نوسانات قابل ملاحظه‌ای بین ساعات روز و شب است ممکن می‌سازد که یکی از نتایج آن کاهش هزینه برق مشتریان خواهد بود.با شارژ کردن باتری در طول ساعات غیراوج مصرف و استفاده از برق ذخیره شده در مواقع اوج مصرف، تولید‌کننده انرژی خواهد توانست تولید خود را به نحوی کاراتر به انجام برساند. این فرآیند برای یک مشتری (مصرف‌کننده) هنگامی اقتصادی خواهد بود که بین هزینه برق در ساعات اوج و غیر اوج مصرف تفاوت زیادی وجود داشته باشد و یا باعث کاهش قله دیماند (تقاضا) شده و یاکنتورهای دوتعرفه‌ای نصب شده باشد.اگر نتایج آزمایشات بر باتری NAS موفقیت‌آمیز باشد، AEP بعداً در یکی دیگر از جایگاه‌های خود برای اصلاح قله بار (پیک‌سایی) و نیز کاربردهای اضطراری از این باتری استفاده خواهد کرد. در واقع هدف آن است که باتری‌های NAS بصورت تجاری طی 2 تا 3 سال آینده در آمریکا عرضه شوند.توزیع تولید با استفاده از میکروتوربین‌ها هزینه انتقال و توزیع برق سهم بالایی از هزینه تولید انرژی را در برمی‌گیرد. این میزان برای شبکه‌های رایج تا 500 دلار به ازای هر KW می‌رسد. در مسیر انتقال و توزیع الکتریسیته تا7% انرژی هدر می‌رود. بنابراین چنانچه توزیع تولید جایگزین انتقال و توزیع الکتریسیته گردد هزینه انرژی الکتریکی به مقدار قابل توجهی کاهش خواهد یافت. در صنعت برق آمریکا در دهه 1990 توزیع تولید گسترش بیشتری یافته به طوری که 20% نیروگاههای جدیدالتاسیس از نوع واحدهای کوچک می‌باشند. براساس اطلاعات موجود در حدود GW10 از نیروگاههای موجود در گستره –1MW10 می‌باشند که حدود 80% آن را نیروگاههای دیزلی (رفت و برگشت) تشکیل می‌دهند. قسمت اعظم واحدهای کوچک تولید برق توسط کارخانه کاترپیلار (Caterpillar) ساخته شده‌اند. جنرال الکتریک (GE)، زیمنس و ABB نیز در این زمینه با کاترپیلار رقابت دارند . موتورهای رفت و برگشتی از لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفه بوده و قطعات یدکی و سرویس آنها نیز به سادگی در سراسر دنیا دردسترس است ولی نکته منفی این ماشینها نگهداری و آلودگی ایجاد شده توسط آنهاست. گرچه تلاشهای زیادی در زمینه بهبود این دو مسأله برای ماشینهای رفت و برگشتی می‌شود ولی میکروتوربینها از لحاظ نگهداری و ایجاد آلودگی وضعیت بهتری در مقایسه با موتورهای دیزلی دارند.زمانی که میکروتوربین مدل 330 توسط کپستون ارایه شد موجب معرفی فن‌آوری جدید میکروتوربین شد. البته تاکنون یک تعریف دقیق برای میکروتوربین نشده است ولی معمولاً این لفظ برای توربینهای گازی با سرعت بالا در گستره قدرت KW300-15 بکار می‌رود. صنعت میکروتوربین در چند تکنولوژی توربینهای گازی کوچک، مولدهای کمکی و اتومربینهای توربو مطرح شد. هسته اصلی یک میکروتوربین قسمت توربین ـ کمپرسور است که با سرعت بسیار بالا دوران می‌کند (در مدل Capstone 330 سرعت دوران rpm96000 است) و در امتداد آن ژنراتور با سرعت بالا وجود دارد که دارای مغناطیس‌های دایمی است. یک پارامتر کلیدی جهت کاهش اصطکاک استفاده از یاتاقانهای هوایی یا به عبارتی یاتاقان‌های گازی است که ضمن کاهش اصطکاک عمر یاتاقان را نیز افزایش داده و امکان داشتن سرعت بالا را فراهم می‌کند.ژنراتور سرعت بالا برق با فرکانس بالا (در مدل Capstone 330, 1600HZ) تولید کرده و فرکانس برق تولیدی به روش الکترونیکی به مقدار مناسب کاهش می‌یابد.به طور کلی میکروتوربین دو مزیت عمده دارد یکی کاهش تزریق آلاینده‌ها به محیط و دیگر کاهش تعمیرات و مقایسه با مولدهای دیگر است. در جدول زیر مقادیر تولیدی THC, CO, Nox (هیدروکربورها) برای چند نمونه مقایسه شده است.میزان آلاینده‌های تولیدی در واحدهای مختلف (PPM)همانطور که ملاحظه می‌شود میزان ذرات اشاره شده در محصولات خروجی میکروتوربین کمترین است.در ارتباط با تعمیرات تجربه نشان داده که میکروتوربین‌ها نیاز به تعمیرات بسیارکمی دارند . به طور نمونه یک واحد میکروتوربین در Tulsa بعد از 20000 ساعت کار تنها نیاز به تعویض فیلترهای هوا داشته است . به علاوه میکروتوربین‌ها سبک و کوچک هستند و عملکرد آنها با لرزش کم و تولید صدای اندک همراه است.نکته دیگری که برای میکروتوربین‌ها وجود دارد چگونگی اتصال به شبکه سراسری برق است. این مسأله به کمک الکترونیک و میکروپروسسورها تا حد زیادی مرتفع شده و همچنان در حال پیشرفت است. البته به غیر از مسأله تکنیکی اشاره شده در صنعت برق آمریکا جهت اتصال به شبکه، شرایط حداقلی لازم است است که این نیز مسأله‌ای برای میکروتوربین‌ها وجود دارد ولی این شرایط در حال بهبود بوده و ارتباط میکروتوربین‌ها با شبکه آسان‌تر شده است.مسأله دیگری که در گسترش میکروتوربین‌ها مطرح است هزینه تمام شده است. این هزینه برای یک واحد تا 1100 دلار به ازای هر KW است گرچه این مبلغ کمتر از مقادیر مربوط به واحدهای توزیع قدرت مشابه مانند توربینهای بادی و پیل سوختی است ولی از این میزان 500 دلار مربوط به واحدهای دیزلی بیشتر است . چنانچه میکروتوربین‌ها به تعداد زیاد مورد استفاده قرار گیرند هزینه اشاره شده در بالا کاهش یافته و با هزینه مربوط به انواع دیزلی قابل رقابت بوده بخصوص که از لحاظ تعمیرات بسیار بهتر از واحدهای دیزلی هستند.ترکیب میکروتوربین‌ها با تجهیزات ذخیره انرژی (مانند باطری‌ها و چرخ لنگرها) موجب بهبود کیفی برق تولیدی و افزایش قابلیت سیستم خواهد شد. امکانات ایجاد شده توسط شبکه اینترنت و کامپیوترهای حساس موجب افزایش کارایی صنعت تولید برق شده است. البته تولید برق تنها مسأله میزان KWh نیست بلکه بیشتر مسأله کیفیت و قابلیت در مدار بودن برق تولیدی است. بیشتر قطعی برق در شبکه‌ها در قسمت توزیع است که بهترین راه حل این مسأله توزیع تولید است. با توجه به آلودگی کم میکروتوربین‌ها و بخصوص عدم استفاده از روغن‌ در یاتاقانها امکان استفاده از محصولات خروجی توربین در بعضی فرآیندهای صنعتی وجود دارد و می‌توان از این واحدها در سیستمهای تولید مشترک قدرت و حرارت بنحو مناسب استفاده کرد. در این صورت بازده کلی واحد تا 80-70% افزایش خواهد یافت. استفاده به عنوان شارژر باطری در بعضی از اتومبیل‌های جدید (با توجه به آلودگی کم)‌مورد توجه قرار گرفته که این مورد بطورعملی در نوعی اتوبوس در آمریکا استفاده شده و نتیجه مثبت داشته است.خصوصی‌سازی و رقابت در صنعت برق درایالتهای آمریکارقابت و خصوصی‌سازی صنابع برق در جهان به سرعت در حال رشد است. بطور کلی هدف از رقابت و خصوصی‌سازی صنعت برق،‌کاهش هزینه‌های مربوط به انرژی است. با توجه به اینکه در ایالات متحده آمریکا نیز تاکنون 24 ایالت و District of Columbia این سیاست را اتخاذ کرده‌اند، لذا همواره درباره رقابت صنایع برق و نحوه انتخاب شرکت تولیدکننده سؤالاتی مطرح است که در زیر به نمونه‌ای از آنها پرداخته شده است.منظور از رقابت الکتریکی چیست؟ رقابت الکتریکی ایده‌ای است که به مصرف‌کنندگان این امکان را می‌دهد که شرکت تأمین‌کننده انرژی الکتریکی خود را از میان شرکتهای برق رقیب انتخاب کنند. این انتخاب اصولاً‌ براساس قیمت انرژی و قیمت کیفیت سایر خدمات آن شرکتهاست.تفاوت بین سرویسهای الکتریکی رایج سنتی با سیستم رقابتی چیست؟ تحت سیستم رایج سنتی (غیررقابتی)، مصرف‌کنندگان امکان انتخاب تأمین‌کننده برق را نداشته و برق مصرفی آنها از شرکتهای برق منطقه‌ای (دولتی) تأمین می‌شود و آن شرکت برق مصرفی مشترکان را تولید،‌انتقال و به نواحی مصرفی توزیع می‌کند. در این طرح نرخ و تعرفه‌ها توسط قانونگذاران ایالتی و دولتی (Regulators) تعیین می‌شود. در حالی که در سیستم رقابتی علاوه بر اینکه مصرف‌کنندگان، شرکت تأمین‌کننده را تعیین می‌کنند،‌ نرخ‌ها و تعرفه‌های فروش، با اینکه اساساً از مقررات خاصی تبعیت می‌کند،‌ سرانجام توسط بازار تعیین می‌شود، این بدان معنا است که میزان نرخ تقاضا و عرضه انرژی، قیمت نهایی را مشخص می‌کند. نرخ هزینه‌های مربوط به خدمات شبکه‌های انتقال و توزیع همچنان تحت نظارت و قانونگذاران ایالتی باقی خواهد ماند.تاکنون چند ایالت این سیستم رقابتی را در پیش گرفته است؟ در آمریکا تاکنون 23 ایالت و Disrict of Columbia بازارهای الکتریکی رقابتی را پذیرفته‌اند.چگونه قیمتهای متفاوت انرژی در یک فضای رقابتی مطرح هستند؟ در سیستم رایج سنتی تمامی هزینه‌هایی که مشترک پرداخت می‌کند توسط نهادهای قانونگذار دولت فدرال و ایالتها تعیین می‌شود در حالی که در سیستم رقابتی هزینه‌های برق در بازار تعیین می‌شود. به عبارت بهتر مکانیزم عرضه و تقاضا آن را تعیین می‌کند. ولی همچنان هزینه‌های انتقال و توزیع تحت مقررات و تعرفه‌های تعیین شده توسط سازمانهای قانونگذار تعیین می‌شود.آیا هنوز مصرف‌کننده‌ای می‌تواند برق مصرفی خود را از شرکت برق منطقه‌ خود خریداری کند؟بیشتر ایالتها که این سیستم را اتخاذ کرده‌اند،‌مصرف‌کننده می‌تواند برق مصرفی خود را از شرکت برق منطقه خود و یا از شرکت خدماتی رقابتی که به آن ملحق شده است، خریداری کند.چه اتفاقی رخ خواهد داد اگر مصرف‌کننده‌ای نخواهد یک تولیدکننده رقابتی را انتخاب کند؟ در صورتی که مصرف‌کننده‌ای تمایل نداشته باشد به سیستم رقابتی بپیوندند، برق مصرفی او از همان شرکت قبلی تأمین می‌شود.اگر مصرف‌کنندگان به این سیستم بپیوندند چه حقوقی بدست خواهند آورد؟ در سیستم رقابتی، بیشتر ایالتها قوانین و استانداردهایی را اتخاذ می‌کنند که در آنها ایمنی، قابلیت اطمینان و سایر شرایط را تضمین می‌کند همچنین اطلاعات روشنی در مورد هزینه‌های مصرف انرژی، به مصرف‌کنندگان داده می‌شود و در واقع بین مصرف‌کننده و تولیدکننده قرارداد روشنی وجود دارد که به امضای آنها خواهد رسید.چه عاملی در این سیستم حفظ حقوق مصرف‌کنندگان را تضمین می‌کند؟ در این سیستم کمیسیون‌های دولتی ـ‌ایالتی مسؤول حفظ حقوق مصرف‌کنندگان هستند و در صورت هرگونه اختلافی بین تولیدکننده و مصرف‌کننده این کمیسیون‌ها موظف به حل و فصل آن می‌باشند.