कार्बन फुटप्रिन्ट वस्तुतः TCO विश्लेषणको लागि पावर ट्रान्सफार्मर डिझाइन

१. सारांश

विश्वव्यापी गर्मीकरणको कारण ग्रीनहाउस ग्यास उत्सर्जन घटाउन एक महत्त्वपूर्ण मुद्दा हुन्छ। ऊर्जा प्रसारण प्रणालीको नुक्सानको एक महत्त्वपूर्ण भाग बिजली ट्रान्सफोर्मरहरूमा आउँछ। ऊर्जा प्रणालीमा ग्रीनहाउस ग्यास उत्सर्जन घटाउन अधिक प्रभावी ट्रान्सफोर्मरहरू स्थापना गर्नुपर्छ। तर, अधिक प्रभावी ट्रान्सफोर्मरहरूको लागि अधिक निर्माण सामग्री आवश्यक हुन्छ। ट्रान्सफोर्मरको नुक्सान अनुपात र निर्माण मूल्य निर्धारण गर्न Total Cost of Ownership (TCO) विधि उद्योगको मानक व्यवहार हुन्छ। TCO सूत्र खरिद मूल्य (PP) र उत्पादको योजना अनुसार जीवनकालको दौरान नुक्सानको लागि खर्च (PPL) लाई विचार गर्छ। यो विधि नुक्सानको मूल्यलाई केपिटलाइजेशन फेक्टरहरू (A, B) द्वारा लगानी गर्छ।

तर, यो दृष्टिकोण ट्रान्सफोर्मरहरूको योजना अनुसार सेवा जीवनकालमा बिजुलीको प्रत्यक्ष खर्चमात्र हेर्छ। पर्यावरणीय संसाधन, निर्माण बुनियादी संरचना, स्थापना, र सहायक प्रणाली जस्ता अप्रत्यक्ष प्रभावहरू विचार गरिएको छैन। उदाहरणका लागि, यी बिजुली उत्पादनहरू अक्सर सेवानिवृत्ति भएपछि पुनः उपयोग गरिन्छ वा पुनः निर्माण गरिन्छ। ट्रान्सफोर्मरहरूको उदाहरण लिएको गर्यो, ७३% उपयोग गरिएको सामग्री पुनर्चक्रण गरिन सकिन्छ, र यो प्रतिशत नैसर्गिक एस्टर-आधारित अनुवाती तेल प्रयोग गर्दा औपचारिक रूपमा वृद्धि गरिन सकिन्छ। सामग्रीको पुनर्चक्रण र पुनर्निर्माणको लाभहरू विचार गरिएको छैन।

कार्बन फुटप्रिन्ट एक अन्य मापदण्ड हो जो बिजुली उपकरणहरूको सेवा जीवनकालमा पर्यावरणीय प्रभाव निर्धारण गर्ने हो। वर्तमानमा, बिजुली उपकरणको कार्बन फुटप्रिन्ट गणना गर्नको व्यापक रूपमा स्वीकृत विधि छैन। विभिन्न गणना उपकरणहरू अक्सर अन्योन्य रूपमा विभिन्न परिणाम दिन्छन्। यो लेखले एक कार्बन फुटप्रिन्ट विश्लेषण विधि प्रस्ताव गर्छ र यसलाई ट्रान्सफोर्मर अनुकूलनमा लागू गर्छ। यसरी प्राप्त ट्रान्सफोर्मरहरूलाई TCO विधिको आधारमा निर्मित ट्रान्सफोर्मरहरूसँग तुलना गरिन्छ।

२. Total Cost of Ownership विधि

TCO सूत्र उत्पादनको जीवनकालको लागत खरिद देखि अन्तिम सेवानिवृत्ति सम्म प्रतिनिधित्व गर्छ। अन्य व्यापक रूपमा प्रयोग गरिने शब्द Life Cycle Cost (LCC) हो। मुख्य उद्देश्य ट्रान्सफोर्मरहरूलाई समान आधारमा तुलना गर्न खरिद निर्णय गर्नु हो। निविदा चरणमा TCO विधिको मानकीकृत रूप यस प्रकार हुन्छ:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (१)

यहाँ A नो-लोड नुक्सान गुणाङ्क (€/kW), B लोड नुक्सान गुणाङ्क (€/kW), PNLL (kW) ट्रान्सफोर्मरको जीवनकालमा नो-लोड नुक्सान, र PLL (kW) ट्रान्सफोर्मरको जीवनकालमा लोड नुक्सान हुन्छ।

बिजुली उपयोगी वा औद्योगिक र वाणिज्यिक उपयोगीको दृष्टिकोणबाट, TCO गणना भिन्न हुन्छ। बिजुली उपयोगी ट्रान्सफोर्मर नुक्सान मूल्यांकन प्रक्रियाहरू ट्रान्सफोर्मर उत्पादन, प्रसारण, र वितरण नुक्सानको कुल लागतको समझ र मूल्यांकन गर्ने जटिल गणना सूत्रहरू लिन्छ। उपराउँ, औद्योगिक र वाणिज्यिक उपयोगीको ट्रान्सफोर्मर नुक्सान मूल्यांकन प्रक्रियाहरू ट्रान्सफोर्मरको योजना अनुसार उपयोग समयमा बिजुलीको मूल्यको समझ र मूल्यांकन गर्ने आवश्यक छ।

A. विश्लेषण स्थितिको विवरण

सौर ऊर्जा संयन्त्रसँग जोडिएको १६MVA ट्रान्सफोर्मरको लागि गुणाङ्कहरू (A, B) गणना गरिएको थिए (चित्र १)। हामीले गणना गर्ने लागि मानकीकृत विधि प्रयोग गरेका थिए।

यसको लागि, यो समीकरण समाधान गर्न आवश्यक छ:

३. कार्बन फुटप्रिन्ट विश्लेषण

हाम्रो उद्देश्य बिजुली ट्रान्सफोर्मरहरूको लागि अनुकूल कार्बन फुटप्रिन्ट (CF) निर्धारण र तुलना गर्ने विधि बनाउनु हो। "CF एक गतिविधि वा उत्पादनको जीवनकालमा ठेउँठिएका वा अप्रत्यक्ष रूपमा उत्पन्न गरिएको कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जनको कुल मात्रा माप्ने हो।" यसले उत्पादनसँग सम्बन्धित कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) र अन्य ग्रीनहाउस ग्यास (GHG) उत्सर्जन (जस्तै मिथेन, नाइट्रस ऑक्साइड, आदि) जस्ता उत्सर्जनहरूको कुल मात्राको निरूपण गर्न सक्छ। CF एक अधिक व्यापक जीवनकाल मूल्यांकन (LCA) द्वारा आवृत डेटाको उपसमूह हो। LCA एक अन्तर्राष्ट्रिय मानकीकृत विधि (ISO 14040, ISO 14044) हो जसले उत्पादनको जीवनकालमा पर्यावरणीय बोझ र संसाधन उपभोग मूल्यांकन गर्छ। त्यसैले, CF एक जीवनकाल मूल्यांकन हो जसले केवल जलवायु परिवर्तनमा प्रभाव दिने उत्सर्जनहरूलाई लिन्छ।

कार्बन फुटप्रिन्ट गणना गर्नको दो अन्य विधिहरू छन्: बटम-अप प्रक्रिया-आधारित विश्लेषण (PA) वा टप-डाउन पर्यावरणीय विस्तारित इनपुट-आउटपुट (EIO) विश्लेषण। प्रक्रिया विश्लेषण (PA) एक बटम-अप दृष्टिकोण हो जसले एक व्यक्तिगत उत्पादनको उत्पादन देखि निपटाउनसम्मको पर्यावरणीय प्रभाव विचार गर्छ। पर्यावरणीय इनपुट-आउटपुट (EIO) विश्लेषण एक टप-डाउन दृष्टिकोण आधारित छ जसले CF अनुमान गर्छ।

Product Attribute to Impact Algorithm (PAIA) विभिन्न प्रकारका बिजुली उत्पादनहरू, जस्तै प्रकाश संयन्त्र, घूर्णन बिजुली यन्त्र, आदिको लागि CF गणना गर्ने एक सामान्य विधि प्रदान गर्छ। यो विधि निर्माण, संचालन, र पुनर्चक्रण चरणमा मोटरहरूको CF गणना गर्छ। तर, PAIA विधि अहिले सम्म बिजुली ट्रान्सफोर्मरहरूको CF मूल्यांकनमा प्रयोग गरिएको छैन।

अतिरिक्त, आर्थिक फुटप्रिन्ट डिजाइनहरू अनियमित रूपमा चयन गरिएका अस्तित्वमा डिजाइनहरू (चित्र २) बीच तुलना गरिन्छ, दो अनुकूल रूपमा डिजाइन गरिएका ट्रान्सफोर्मरहरूको बीच तुलना गरिन्छ। बिजुली ट्रान्सफोर्मरहरूको लामो सेवा जीवनकालको कारण, नियमित प्रतिस्थापन अनुसार रक्षण खर्च अतिरिक्त भागहरू र योजनामा बन्द दिनको आवश्यकता छ। यी सबै खर्चहरू निविदा चरणमा समावेश छैन। उद्योग ४.० सिद्धान्तहरूको लागू गर्दा—पूर्वानुमान रक्षण—यी उपकरण डिजाइनको शुरुआती दिनसम्म गणना गरिन सकिन्छ।

३.१ केपिटलाइजेशन फेक्टरहरू

यसको लागि, केपिटलाइजेशन फेक्टरहरू यस प्रकार छन्:

यहाँ r निवेश की छूट दर को प्रतिनिधित्व करता है। यह आमतौर पर 5-10% के बीच भिन्न होता है, और हमने अपनी गणनाओं के लिए 6.75% चुना है। इस मामले में, ट्रांसफार्मर (t) की अपेक्षित जीवनकाल 25 वर्ष है। समीकरण (4) में, p अधिकतम मांग प्रति kW की वार्षिक विद्युत का प्रतिनिधित्व करता है। मांग कारक अधिकतम मांग और ट्रांसफार्मर की रेटेड क्षमता (0.65) के अनुपात को प्रदर्शित करता है। पूंजी पुनर्प्राप्ति गुणांक (f) वर्तमान मुद्रा में गणना की गई वार्षिक भुगतानों की कुल भविष्य की लागत को दर्शाता है। मध्य यूरोप में वर्तमान विद्युत की कीमत 0.05 यूरो (€/kWh) है। लोड नुकसान कारक (LLF) औसत शक्ति नुकसान और शिखर मांग समय पर नुकसान के अनुपात को परिभाषित करता है। लोड कारक (LF) ट्रांसफार्मर के पूरे जीवन चक्र में औसत लोड को अधिकतम लोड के तुलनात्मक प्रतिशत के रूप में व्यक्त करता है। हमारे मामले में, फोटोवोल्टेलिक पावर प्लांटों के लिए, LF=25%, इसलिए LLF 0.15625 के बराबर है (आकृति 1)।

समीकरण (4,5) से, पूंजीकरण कारक (A, B) की गणना की जा सकती है। समीकरण (4,5) में, कारक 8760 ट्रांसफार्मर की वार्षिक संचालन घंटों को प्रतिनिधित्व करता है। समीकरण (B) में, लोड नुकसान की लागत की गणना की जाती है। सभी ट्रांसफार्मरों में से, सबसे लागत-अनुकूल और ऊर्जा-कुशल ट्रांसफार्मर TCO (आकृति 2) को न्यूनतम करने वाला है।

A. कार्बन फुटप्रिंट विश्लेषण उद्देश्य फंक्शन

TCO सूत्र के समान, एक उद्देश्य फंक्शन को पावर ट्रांसफार्मर के कार्बन फुटप्रिंट (CF) का मूल्यांकन करने के लिए पेश किया जा सकता है:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

जहाँ TCO2 गणना किए गए कार्बन फुटप्रिंट (g) को प्रतिनिधित्व करता है, BCP मशीन निर्माण प्रक्रिया के दौरान गणना किए गए कार्बन फुटप्रिंट को प्रतिनिधित्व करता है। A* और B* ट्रांसफार्मर की योजित सेवा आयु के दौरान कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन (kg/kW) की गणना के लिए पूंजीकरण कारक हैं।

इन समान पूंजीकरण कारकों की गणना करने के लिए, विद्युत ग्रिड में प्रयोग किए जाने वाले प्रत्येक ईंधन प्रकार के लिए तीन ग्रीनहाउस गैसें (GHG) ध्यान में रखी जाती हैं: कार्बन डाइऑक्साइड (CO2), मीथेन (CH4), और नाइट्रस ऑक्साइड (N2O)। यह इसलिए है, क्योंकि, यदि हम सौर ऊर्जा प्लांटों से शून्य उत्सर्जन का उपयोग करके गणना करते हैं, तो परिणामस्वरूप ट्रांसफार्मर सैद्धांतिक रूप से न्यूनतम द्रव्यमान और अधिकतम नुकसान वाला होगा। मीथेन और नाइट्रस ऑक्साइड के उत्सर्जन को उनके संबंधित ग्लोबल वार्मिंग संभावना कारकों (I) से गुणा करके CO2 समतुल्य उत्सर्जन में परिवर्तित किया जाता है:

जहाँ ei (tCO2/MWh) में उत्सर्जन कारक है, जबकि eCO2,i, eCH4,i और eN2O,i अध्ययन किए गए ईंधन प्रकार (i) के लिए कार्बन डाइऑक्साइड, मीथेन, और नाइट्रस ऑक्साइड के उत्सर्जन कारक हैं, सभी (t/GJ) में। कारक 0.0036 GJ को MWh में परिवर्तित करने के लिए उपयोग किया जाता है। ईंधन i के लिए, ni ट्रांसमिशन सिस्टम (प्रतिशत %) में ईंधन i की परिवर्तन दक्षता का प्रतिनिधित्व करता है, और λi ट्रांसमिशन सिस्टम में ईंधन i का शक्ति नुकसान प्रतिशत का प्रतिनिधित्व करता है। यह पेपर प्रत्येक ईंधन प्रकार की गणना के लिए λi = 8% का उपयोग करता है।

हंगरी के विद्युत ग्रिड की ऊर्जा संरचना डेटा का उपयोग करके, A*=425 kgCO2/kW और B*=66.5 kgCO2/kW के मानों की गणना की गई।

4 ट्रांसफार्मर मॉडल

पावर ट्रांसफार्मर मॉडलिंग एक सरलीकृत दो-वाइंडिंग सक्रिय भाग (कोर और वाइंडिंग) का उपयोग करती है। यह दृष्टिकोण प्रारंभिक डिजाइन अनुकूलन चरणों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है क्योंकि सक्रिय भाग के आयाम ट्रांसफार्मर के कुल आकार को निर्धारित करते हैं। ट्रांसफार्मर के ज्यामितिक और विद्युतीय विशेषताएँ महत्वपूर्ण डिजाइन पैरामीटरों का उपयोग करके मॉडल की जाती हैं। ये धारणाएँ उद्योग में व्यापक रूप से स्वीकार की गई हैं, जो तांबा और कोर नुकसान का अनुमान लगाने में पर्याप्त सटीकता प्रदान करती हैं, जबकि विभिन्न संभावित कोर और वाइंडिंग के विन्यासों को विशेष रूप से सरल बनाती हैं।

प्रारंभिक डिजाइन ट्रांसफार्मर मॉडल मुख्य सक्रिय घटकों की बाहरी सीमाओं को स्पष्ट रूप से परिभाषित करता है, जो प्रारंभिक-चरण की लागत गणनाओं के लिए पर्याप्त है। इन महत्वपूर्ण डिजाइन पैरामीटरों को समझने से इंजीनियरों का काम तेजी से बढ़ता है, और विस्तृत डिजाइन पैरामीटर आसानी से मानक विधियों का उपयोग करके निर्धारित किए जा सकते हैं (आकृति 2)। यूरोप और अमेरिका के ट्रांसफार्मर निर्माताओं द्वारा व्यावहारिक रूप से मेटाह्यूरिस्टिक-आधारित अनुकूलन विधियों का उपयोग किया जाता है।

5 मेटाह्यूरिस्टिक खोज

ट्रांसफार्मर मॉडल मेटाह्यूरिस्टिक एल्गोरिथम द्वारा हल किए गए ज्यामितिक प्रोग्रामिंग का उपयोग करता है, जो प्रारंभिक डिजाइन अनुकूलन समस्या के गणितीय मॉडल को संबोधित करता है। दो कारक ज्यामितिक प्रोग्रामिंग सॉल्वर्स की उत्कृष्टता को निर्धारित करते हैं। पहले, आधुनिक इंटीरियर-पॉइंट-आधारित GP सॉल्वर्स तेज और दृढ़ हैं। दूसरे, ज्यामितिक प्रोग्रामिंग के गणितीय मॉडलिंग नियमों की गारंटी है कि प्राप्त समाधान वैश्विक रूप से अनुकूल है। समानता और असमानता व्यंजकों को विशेष गणितीय सूत्रों, जिन्हें मोनोमियल (10) और पोसिनोमियल (11) कहा जाता है, का उपयोग करके प्रदर्शित किया जाना चाहिए।

जहाँ ck>0, α पैरामीटर वास्तविक संख्याएँ हैं, और x चरों के मान सकारात्मक होने चाहिए। शेल-टाइप पावर ट्रांसफार्मरों के लिए लागत अनुकूलन समस्या को एक विशेष ज्यामितिक संरचना रूप में व्यक्त किया जा सकता है। हालांकि, यह गणितीय अनुकूलन विधि कोर-टाइप पावर ट्रांसफार्मरों पर लागू नहीं की जा सकती, क्योंकि कोर-टाइप पावर ट्रांसफार्मरों में शॉर्ट-सर्किट इम्पीडेंस के लिए सख्त आवश्यकताएँ होती हैं। इसलिए, GP विधि को ब्रांच-एंड-बाउंड विधि के साथ जोड़कर, एक तेज और सटीक समाधान विधि प्राप्त की गई।

6 परिणाम और चर्चा

A. परीक्षण ट्रांसफार्मर तकनीकी विशेषताएँ

एक १६ एमवीए पावर ट्रान्सफोर्मरमा अनुकूलन परीक्षण गरियो जसको वोल्टेज अनुपात १२० किलोवोल्ट/२० किलोवोल्ट थियो। पहिलो मामलामा अनुकूलन लक्ष्य संपूर्ण खरिद खर्च (टीसीओ) र न्यूनतम कार्बन फुटप्रिन्ट (सीएफ) थियो। ग्रिड आवृत्ति ५० हेर्ट्झ थियो, जसमा आवश्यक छोटो सर्किट प्रतिरोध ८.५% थियो। प्रमाण अनुसार परामितिहरू चयन गरिएका थिए। ट्रान्सफोर्मरको ठण्डाउने विधि ओनान रूपमा चयन गरियो, र वातावरणीय तापक्रम ४०°सेल्सियस निर्धारित गरियो। यसैले, मुख्य वाइनिङको अनुमत वाइनिङ विद्युत घनत्व सीमा ३ एम्पियर/मिमी² र टैप चेंजर वाइनिङको लागि ३.५ एम्पियर/मिमी² निर्धारित गरियो।

न्यून वोल्टेज (प्राथमिक) वाइनिङलाई सीटीसी (कन्टिन्युअसली ट्रान्सपोज्ड केबल) भएको स्पाइरल वाइनिङको रूपमा मॉडल गरियो, र उच्च वोल्टेज (द्वितीयक) वाइनिङलाई ड्युअल कन्डक्टर भएको डिस्क वाइनिङको रूपमा मॉडल गरियो। कोर सामग्रीको संतृप्ति र ग्रिड ओवरवोल्ट लाई ध्यानमा ल्याउँदा, अधिकतम फ्लक्स घनत्व १.७ टेस्ला लिमिट गरियो। न्यून इन्सुलेशन दूरीहरूलाई अनुभव आधारित नियम अनुसार चयन गरिएका थिए। इलेक्ट्रिकल स्टीलको लागत ३.५€/किलोग्राम र वाइनिङ सामग्रीको लागत ८€/किलोग्राम चयन गरिएको थियो। इलेक्ट्रिकल स्टील निर्माणको लागि कार्बन फुटप्रिन्ट लागत १.८ किलोग्रामकोसी२/किलोग्राम र कपरको लागत ६.५ किलोग्रामकोसी२/किलोग्राम थियो।

अनुकूलनको नतिजाहरू टेबल २ मा सारांशित गरिएको छन्। नतिजाहरूबाट देखिन्छ कि CF अनुकूलन गर्दा प्राप्त भएको ट्रान्सफार्मरको उत्कृष्ट दक्षता TCO विश्लेषणपछि प्राप्त भएको दक्षताभन्दा निम्न छ। ट्रान्सफार्मरको वोल्टेज प्रति चक्र तामा-लोहोको अनुपातसँग सम्बन्धित छ, र दुवै परिस्थितिमा मानहरू जस्तै एकै छन्। दुई परिस्थितिमा पनि कोर नुक्सान अपेक्षाकृत छोटो छ, र यसमा कुनै प्रमुख फरक छैन। सौर ऊर्जा संयन्त्रको लागि छोटो LLFको कारण, कोर नुक्सानको लागि खर्च लोड नुक्सानको लागि खर्चभन्दा अधिक छ। मुख्य फरक तामा नुक्सानमा छ, जुन TCO अवस्थाभन्दा अधिक छोटो छ। गैर-लोहे र लोहे को आक्षेपणको मूल्यानुपात ट्रान्सफार्मर र तामा सामग्रीको मूल्यानुपात भन्दा अधिक छ, र लागि लाग्ने सामग्रीको CF ट्रान्सफार्मरको विद्युत नुक्सानको CF भन्दा अधिक छ, अनुकूलन एल्गोरिथ्म ट्रान्सफार्मरको CF घटाउन तामा कम लिने डिझाइनहरू अपनाउने दिशामा झुक्छ। विद्युत मूल्यको CF र तामा/लोहे को आक्षेपणको CF बीच अधिक महत्वपूर्ण फरकको कारण, एल्गोरिथ्म TCO-आधारित गणनाभन्दा छोटो, अपेक्षाकृत अदक्ष डिझाइनको पक्षमा झुक्छ।

७ निष्कर्ष

वर्तमानमा, विद्युत ट्रान्सफार्मरको कार्बन फुटप्रिन्ट निर्धारण गर्नको तयार, व्यापक रूपमा स्वीकार गरिएको विधि छैन। अर्थतन्त्रिक युगको पछि, साहित्यमा कार्बन फुटप्रिन्ट विश्लेषण अनुकूल रूपमा चयन गरिएको ट्रान्सफार्मर युगलहरूमा गरिएको छ। तर, ठूला विद्युत ट्रान्सफार्मर विभिन्न अर्थतन्त्रिक परिस्थितिहरूको लागि अनुकूल बनाइन्छ। अनुकूलित डिझाइनहरूलाई तुलना गर्न, व्यावहारिक उदाहरणमा दुई अनुकूलन डिझाइन गरिएको थियो। पहिलो अवस्थामा, TCO अनुकूलन गरिएको थियो; दोस्रो अवस्थामा, ट्रान्सफार्मरको कार्बन फुटप्रिन्ट न्यूनतम गरिएको थियो। नतिजाहरू देखाउँछन् कि कार्बन फुटप्रिन्ट विश्लेषण ऐतिह्यिक TCO विधिहरूभन्दा अदक्ष ट्रान्सफार्मर प्रदान गर्न सक्छ। यसको कारण ठूला मोटरहरूको निर्माण गर्दा उनीहरूको ग्रिडमा नुक्सान भन्दा वातावरणीय खर्च अधिक हुन सक्छ। अतिरिक्त अनुसन्धान निर्माण समय, रक्षणामृत्ति, नयाँ बायोडिग्रेडेबल आइसुलेटिङ तेलको प्रयोग, वा ट्रान्सफार्मरको पुनर्चक्रणको वातावरणीय प्रभाव आकलन गर्न सक्छ।