الحمل الحراري في نظام التدفئة المركزية والمراجل الكهربائية

تفسير توزيع الحمل الحراري في نظام التدفئة المركزية والغلايات الكهربائية

تُصنف الصين حالياً كأكبر مصدر لانبعاث غازات الاحتباس الحراري في العالم، وفي عام (2013)م، بحيث بلغت انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الصين حوالي (10) مليارات طن متري، وهو ما يمثل (29٪) من إجمالي انبعاثات العالم، وفي مواجهة الضغوط المتزايدة لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، أعلنت الصين عن نيتها لتقييد ذروة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون حتى عام (2030) تقريباً.

كما إن طاقة الرياح، والتي تشكل طاقة نظيفة ومنخفضة الكربون؛ تتطور بسرعة في الصين في عام (2010)م، بحيث حققت الصين أكبر قدرة طاقة رياح مركبة في العالم مع (41.8) جيجاوات، والتي زادت إلى (147.7) جيجاوات بحلول نهاية عام (2015)م، وفي المناطق الغنية بالرياح مثل مقاطعة جيلين الواقعة في شمال شرق الصين؛ تبلغ قدرة طاقة الرياح المركبة (40٪) تقريباً من ذروة الحمل الكهربائي.

ومع ذلك؛ فإن طاقة الرياح في الصين، وخاصة في شمال شرق الصين، بحيث تواجه مشكلة خطيرة تتمثل في تقليص حجم الرياح، وفي عام (2015)م، بلغت نسبة تقليص الرياح السنوية، كما أن السبب الرئيسي هو أن أكثر من (70٪) من حمل التدفئة في الشتاء يتم توفيره من خلال وحدات التدفئة المركزية التي تعمل بالفحم (CHP) ، والتي يتم تقييد توليد الكهرباء منها بشدة بسبب حملها الحراري، مما يترك مساحة صغيرة لدمج طاقة الرياح.

وبالتالي، حتى خلال ساعات الذروة في الشتاء؛ فإنه لا تزال وحدات (CHP) غير قادرة على تقليل توليد الطاقة الكافية لتلبية الطلب على التدفئة، بحيث يقيد الاقتران القوي بين حمل الطاقة والحرارة المرونة التشغيلية لوحدات (CHP) ويسبب تقليصاً شديداً للرياح، لذلك لقد أصبح هذا التقييد بمثابة عنق الزجاجة للتطور المستمر لطاقة الرياح في الصين.

لدمج طاقة الرياح الإضافية في الشبكة الكهربائية؛ تتمثل إحدى الطرق الفعالة في إدخال موردي حرارة إضافيين في نظام التدفئة لفصل الطاقة عن مصدر الحرارة، كما تم اقتراح نظاماً يستخدم الحارقات الكهربائية مع صهاريج تخزين الحرارة، كما وأوضحت أن هذا النظام يمكن أن يساهم في استهلاك كهرباء الرياح الإضافية، بحيث يمكن أن تزيد الغلايات الكهربائية من استهلاك كهرباء الرياح وتعزز مرونة وحدات (CHP) عن طريق استبدال جزء من الحرارة التي تنتجها وحدات (CHP).

تأسيس نظام الطاقة الكهربائية والافتراضات اللازمة

يتم عرض نظام الطاقة في الشكل التالي (1)، بحيث يتم توليد الكهرباء بواسطة وحدات (CHP) وتوربينات الرياح ثم يتم نقلها إلى المستخدمين النهائيين بواسطة الشبكة الكهربائية، كما أنه من الضروري تلبية الطلب على الكهرباء طوال اليوم، بحيث يتم توقع الحمل النظري لتوليد طاقة الرياح من خلال ظروف الرياح والطقس، كما ولا تتجاوز طاقة الرياح المستخدمة لتزويد الطاقة والحرارة القيمة النظرية.

وفي أنظمة نقل الحرارة (الشكل 2)؛ فإنه يتم توفير الحرارة بواسطة وحدات (CHP) والمراجل الكهربائية المجهزة بصهاريج تخزين الحرارة، بحيث يمكن لخزانات تخزين الحرارة تخزين طاقة الرياح الفائضة عن طريق تسخين المياه خلال ساعات الذروة لاستبدال نسبة من إنتاج حرارة (CHP)، مما يزيد من مرونتها، كما أنه من المفترض أن الطاقة التي تستخدمها الغلايات الكهربائية تأتي بالكامل من طاقة الرياح.

لذلك تنتج مصادر الحرارة، سواء الغلايات الكهربائية ووحدات (CHP) الماء الساخن أو البخار وتسخين المياه في شبكة خطوط الأنابيب الرئيسية من خلال محطات المبادلات الحرارية، بحيث يمكن ضبط درجة حرارة إمدادات المياه في شبكة خطوط الأنابيب الرئيسية عن طريق تغيير معدل تدفق استخراج بخار التسخين من (CHP) ودرجة حرارة الماء من الغلاية الكهربائية، لذلك من المفترض أن يكون معدل تدفق المياه في خط الأنابيب الرئيسي مستقراً.

وفي شبكة الأنابيب الرئيسية؛ فإنه يتم تشغيل الماء الساخن المتداول بواسطة مضخات لتسخين شبكة الأنابيب الفرعية من خلال مبادلات حرارية ثانوية، وبعد ذلك يتم نقل الماء الساخن إلى المستخدمين النهائيين، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المباني بشكل عام، بحيث يتم تحديد الطلب على الحرارة من درجة الحرارة الخارجية ومتطلبات الراحة للمستخدمين النهائيين في أوقات مختلفة خلال اليوم.

النموذج الرياضي المرتبط بعمليات تقدير الحمل الحراري

الوظيفة الموضوعية: نظراً لأن طاقة الرياح لا تطلق ثاني أكسيد الكربون بشكل مباشر، ولتحقيق توفير الطاقة وتخفيف ثاني أكسيد الكربون في أنظمة الطاقة هذه؛ فإن الهدف الأمثل لبحثنا هو تقليل استهلاك الفحم لوحدات (CHP)، بحيث يكون معبراً عنه على النحو التالي:

حيث (N) هو عدد وحدات (CHP)، كذلك (Coalsum) هو إجمالي استهلاك الفحم لجميع وحدات (CHP) خلال فترة التحسين (T)، أما الفحم (t ، i) هو استهلاك الفحم لوحدة (CHP i) في الوقت (t)، والذي يمكن حسابه على النحو التالي:

حيث [PCHP (t ، i) و QCHP (t ، i)] هي ناتج الطاقة الإجمالي والإمداد الحراري لوحدة (CHP i) في الوقت (t) على التوالي، كذلك (a,b,c) هي المعاملات.

القيود الخاصة: يخضع النموذج لقيود فيزيائية وتشغيلية تشمل الطلب على الكهرباء وقدرة التشغيل الممكنة لوحدات (CHP) وقدرة توليد طاقة الرياح وخصائص الغلايات الكهربائية ذات خزان تخزين الحرارة وأنظمة التدفئة المركزية الشاملة، وبالنسبة الى موازنة الكهرباء؛ فإنه يتم إنتاج الكهرباء بواسطة طاقة الرياح ووحدات (CHP)، كما ويتم نقلها إلى المستخدمين النهائيين من خلال الشبكة الكهربائية وحمل الكهرباء يكون عندها متوازن بشكل عابر:

حيث أن [Eload (t)] هو إجمالي الطلب على الكهرباء للشبكة، كذلك [Pwind ، e (t)] هو الناتج الإجمالي لطاقة الرياح المدمجة في الشبكة، أيضاً (α) هي نسبة خسارة الخط، أما (β) الرياح و (βCHP) هي نسبة الطاقة المساعدة لوحدات طاقة الرياح و (CHP) على التوالي.

وأخيراً لتقليل استهلاك الفحم وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون ودمج طاقة الرياح الإضافية في شبكة الكهرباء في شمال شرق الصين؛ فقد قدمت هذه الدراسة نموذجاً أمثل للإرسال المشترك للحرارة والطاقة من خلال النظر في تخزين الطاقة في الغلايات الكهربائية والقصور الذاتي الحراري لتدفئة المنطقة الأنظمة، واستناداً إلى بيانات الشبكة الفعلية لشمال شرق الصين؛ فإنه يتم تطبيق الطريقة المقترحة على أربع حالات مع أو بدون مراعاة قدرة تخزين الطاقة هذه.

كما تظهر النتائج أن الغلايات الكهربائية والقصور الذاتي الحراري لشبكة التدفئة لهما إمكانات كبيرة لتقليل كل من استهلاك الفحم وتقليل الرياح، ومن خلال إدخال الغلايات الكهربائية في نظام التدفئة الإقليمي، يتم تقليل استهلاك الرياح والفحم في نفس الوقت (بالنسبة للحالة المرجعية)، كما يمكن أن تستهلك الغلايات الكهربائية نسبة من طاقة الرياح الإضافية بشكل مباشر.

وكنوع من مصادر الحرارة المرنة؛ فإنه يمكن لهذه الغلايات أن تستوعب بعض متطلبات الحرارة لوحدات (CHP)، مما يزيد من مرونتها التشغيلية ودمج طاقة الرياح الإضافية، بالنسبة للغلايات الكهربائية؛ يعتبر اعتبار القصور الذاتي الحراري لأنظمة التدفئة المركزية فعالاً في تقليل استهلاك الفحم، ومع ذلك يحدث تقليص أقل لطاقة الرياح عند تكوين النظام المحدد. عند النظر في كلا النوعين من قدرات تخزين الطاقة من حيث توزيع الحرارة والطاقة، كما يتم تقليل استهلاك الفحم وتقليص الرياح بشكل كبير.