పవర్ ట్రాన్స్‌ఫอร్మర్ డిజైన్ కోసం కార్బన్ ఫుట్‌ప్రింట్ విరుద్ధంగా TCO విశ్లేషణను చేయడం

1. అవలోకనం

ప్రపంచ ఉష్ణోగ్రత పెరగడం కారణంగా, గ్రీన్‌హౌస్ వాయువుల ఉద్గారాలను తగ్గించడం ఒక ముఖ్యమైన సమస్య. విద్యుత్ బదిలీ వ్యవస్థలలో నష్టాలలో పెద్ద భాగం విద్యుత్ ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ల నుండి వస్తుంది. విద్యుత్ వ్యవస్థలలో గ్రీన్‌హౌస్ వాయువుల ఉద్గారాలను తగ్గించడానికి, మరింత సమర్థవంతమైన ట్రాన్స్‌ఫార్మర్లను ఇన్స్టాల్ చేయాలి. అయితే, మరింత సమర్థవంతమైన ట్రాన్స్‌ఫార్మర్లు తరచుగా ఎక్కువ తయారీ పదార్థాలను అవసరం చేస్తాయి. ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ల యొక్క సరైన నష్ట నిష్పత్తి మరియు తయారీ ధరను నిర్ణయించడానికి, టోటల్ కాస్ట్ ఆఫ్ ఓనర్‌షిప్ (TCO) పద్ధతి పరిశ్రమ ప్రమాణంగా ఉంది. TCO సూత్రం కొనుగోలు ధర (PP) మరియు ఉత్పత్తి యొక్క ప్లాన్ చేసిన జీవిత కాలం (PPL) పాటు నష్టాల ఖర్చును పరిగణనలోకి తీసుకుంటుంది. ఈ పద్ధతి మూలధన కారకాల ద్వారా నష్టాల ధరను పరిగణనలోకి తీసుకుంటుంది (A, B).

అయితే, ఈ విధానం వాటి ప్లాన్ చేసిన సేవా జీవితం సమయంలో ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ల ప్రత్యక్ష విద్యుత్ ఖర్చులను మాత్రమే పరిగణనలోకి తీసుకుంటుంది. పర్యావరణ వనరులు, తయారీ మౌలిక సదుపాయాలు, ఇన్‌స్టాలేషన్ మరియు మద్దతు వ్యవస్థలతో సంబంధం ఉన్న పరోక్ష ప్రభావాలు పరిగణనలోకి తీసుకోబడవు. ఉదాహరణకు, ఈ విద్యుత్ ఉత్పత్తులు తిరిగి ఉపయోగించబడిన తర్వాత మరమ్మత్తు చేయబడతాయి మరియు/లేదా తిరిగి ఉపయోగించబడతాయి. విద్యుత్ ట్రాన్స్‌ఫార్మర్లను ఉదాహరణగా తీసుకుంటే, 73% వరకు వాడిన పదార్థాలు రీసైకిల్ చేయబడతాయి, మరియు సహజ ఎస్టర్-ఆధారిత ఇన్సులేటింగ్ నూనెను ఉపయోగించినప్పుడు ఈ శాతం మరింత పెరుగుతుంది. పదార్థాల రీసైక్లింగ్ మరియు రీమన్యుఫాక్చరింగ్ యొక్క ప్రయోజనాలు పరిగణనలోకి తీసుకోబడవు.

సేవా జీవితం సమయంలో విద్యుత్ పరికరాల పర్యావరణ ప్రభావాన్ని నిర్ణయించడానికి కార్బన్ ఫుట్ ప్రింట్ మరొక మెట్రిక్. ప్రస్తుతం, పవర్ పరికరాల కార్బన్ ఫుట్ ప్రింట్‌ను లెక్కించడానికి విస్తృతంగా ఆమోదించబడిన పద్ధతి లేదు. వివిధ లెక్కింపు సాధనాలు తరచుగా గణనీయంగా భిన్నమైన ఫలితాలను ఇస్తాయి. ఈ పత్రం కార్బన్ ఫుట్ ప్రింట్ విశ్లేషణ పద్ధతిని ప్రతిపాదిస్తుంది మరియు దానిని ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ ఆప్టిమైజేషన్‌కు వర్తింపజేస్తుంది. ఫలితంగా వచ్చిన ట్రాన్స్‌ఫార్మర్లను TCO పద్ధతి ఆధారంగా ఉన్న వాటితో పోల్చుతారు.

2. టోటల్ కాస్ట్ ఆఫ్ ఓనర్‌షిప్ పద్ధతి

TCO సూత్రం కొనుగోలు నుండి చివరి వరకు పదవీ విరమణ వరకు ఉత్పత్తి యొక్క జీవితకాల ఖర్చును సూచిస్తుంది. మరొక సాధారణంగా ఉపయోగించే పదం లైఫ్ సైకిల్ కాస్ట్ (LCC). కొనుగోలు నిర్ణయాలు తీసుకోవడానికి ట్రాన్స్‌ఫార్మర్లను సమాన ప్రాతిపదికన పోల్చడం ప్రాథమిక లక్ష్యం. బిడ్డింగ్ దశలో TCO పద్ధతి యొక్క ప్రామాణీకృత రూపం ఇలా ఉంటుంది:

TCO = PP + A · PNLL + B · PLL    (1)

ఇక్కడ A అనేది లోడ్ లేని నష్ట గుణకం (€/kW), B అనేది లోడ్ నష్ట గుణకం (€/kW), PNLL (kW) అనేది ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ యొక్క మొత్తం జీవితంలో లోడ్ లేని నష్టం, మరియు PLL (kW) అనేది ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ యొక్క మొత్తం జీవితంలో లోడ్ నష్టం.

పవర్ ఉపయోగాల లేదా పారిశ్రామిక మరియు వాణిజ్య వినియోగదారుల దృష్టికోణం నుండి, TCO లెక్కింపులు కూడా భిన్నంగా ఉంటాయి. పవర్ ఉపయోగి ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ నష్ట మూల్యాంకన విధానాలు ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ ఉత్పత్తి, బదిలీ మరియు పంపిణీ నష్టాల మొత్తం ఖర్చును అర్థం చేసుకోవడం మరియు మూల్యాంకనం చేయడం పాల్గొంటాయి, ఇది సంక్లిష్టమైన లెక్కింపు సూత్రాలకు దారితీస్తుంది. మరోవైపు, పారిశ్రామిక మరియు వాణిజ్య వినియోగదారుల ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ నష్ట మూల్యాంకన విధానాలు ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ యొక్క ప్లాన్ చేసిన ఉపయోగ సమయంలో విద్యుత్ ధరలను అర్థం చేసుకోవడం మరియు మూల్యాంకనం చేయడం అవసరం.

A. విశ్లేషణ సనారియో యొక్క వివరాలు

16MVA పవర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మర్‌ను సౌర విద్యుత్ స్థావరానికి కనెక్ట్ చేయడానికి (పటం 1) గుణకాలు (A, B) లెక్కించబడ్డాయి. మా లెక్కింపులలో A మరియు B విలువలను నిర్ణయించడానికి మేము ప్రామాణీకృత పద్ధతిని ఉపయోగించాము.

ఈ ప్రయోజనం కోసం, కింది సమీకరణాన్ని పరిష్కరించడం అవసరం:

3. కార్బన్ ఫుట్ ప్రింట్ విశ్లేషణ

మా లక్ష్యం పవర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ల కోసం సరైన కార్బన్ ఫుట్ ప్రింట్ (CF) ను నిర్ణయించడానికి మరియు పోల్చడానికి ఒక పద్ధతిని సృష్టించడం. "CF ఒక కార్యాచరణ ద్వారా లేదా ఉత్పత్తి యొక్క జీవితకాలంలో పేరుకుపోయిన కార్బన్ డయాక్సైడ్ ఉద్గారాల మొత్తాన్ని ప్రత్యక్షంగా లేదా పరోక్షంగా కొలుస్తుంది." ఇది ఉత్పత్తితో సంబంధం ఉన్న కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO2) మరియు ఇతర గ్రీన్‌హౌస్ వాయువు (GHG) ఉద్గారాల (ఉదా: మీథేన్, నైట్రస్ ఆక్సైడ్ మొదలైనవి) మొత్తాన్ని కూడా సూచించవచ్చు. CF మరింత సమగ్రమైన లైఫ్ సైకిల్ అసెస్మెంట్ (LCA) ద్వారా కవర్ చేయబడిన డేటాలో ఒక ఉపసమితి. LCA అనేది ఉత్పత్తి యొక్క జీవితకాలంలో పర్యావరణ భారాలు మరియు వనరుల వినియోగాన్ని మూల్యాంకనం చేయడానికి ఉపయోగించే అంతర్జాతీయంగా ప్రామాణీకరించబడిన పద్ధతి (ISO 14040, ISO 14044). అందువల్ల, CF అనేది వాతావరణ మార్పులపై ప్రభావం చూపే ఉద్గారాలకు మా

r అనేది పెట్టుబడికి సంబంధించిన డిస్కౌంట్ రేటు. ఇది సాధారణంగా 5-10% మధ్య మారుతుంది, మరియు మా లెక్కింపుల కోసం 6.75% ఎంచుకున్నాము. ఈ సందర్భంలో, ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ (t) యొక్క అంచనా జీవితకాలం 25 సంవత్సరాలు. సమీకరణం (4)లో, p అనేది గరిష్ట డిమాండ్ ప్రతి kWకి వార్షిక విద్యుత్‌ను సూచిస్తుంది. డిమాండ్ ఫ్యాక్టర్ అనేది ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ యొక్క రేటెడ్ సామర్థ్యానికి (0.65) గరిష్ట డిమాండ్ యొక్క నిష్పత్తిని సూచిస్తుంది. క్యాపిటల్ రికవరీ కోఎఫిషియంట్ (f) ప్రస్తుత కరెన్సీలో లెక్కించబడిన వార్షిక చెల్లింపుల యొక్క మొత్తం భవిష్యత్ ఖర్చును చూపుతుంది. మధ్య యూరోప్ లో ప్రస్తుత విద్యుత్ ధర 0.05 యూరోలు (€/kWh). లోడ్ లాస్ ఫ్యాక్టర్ (LLF) అనేది పీక్ డిమాండ్ సమయంలో నష్టానికి ఒక కాలంలో సగటు శక్తి నష్టం యొక్క నిష్పత్తిగా నిర్వచించబడింది. లోడ్ ఫ్యాక్టర్ (LF) అనేది దాని మొత్తం జీవితకాలంలో ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ యొక్క సగటు లోడ్, సగటు నుండి గరిష్ట లోడ్ కు సమానమైన శాతంగా వ్యక్తీకరించబడింది. మా సందర్భంలో, ఫోటోవోల్టయిక్ పవర్ ప్లాంట్ల కోసం, LF=25%, అందువల్ల LLF సమానం 0.15625 (పటం 1).

సమీకరణాలు (4,5) నుండి, క్యాపిటలైజేషన్ ఫ్యాక్టర్స్ (A, B) లెక్కించవచ్చు. సమీకరణాలు (4,5) లో, 8760 అనే ఫ్యాక్టర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ యొక్క వార్షిక పని గంటలను సూచిస్తుంది. సమీకరణం (B) లో, లోడ్ లాస్ ఖర్చు లెక్కించబడుతుంది. అన్ని ట్రాన్స్‌ఫార్మర్లలో, TCO ని కనిష్ఠీకరించేది అత్యంత ఖర్చు-సమర్థవంతమైన మరియు శక్తి-సమర్థవంతమైన ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ (పటం 2).

A. కార్బన్ ఫుట్ ప్రింట్ విశ్లేషణ ఉద్దేశ్య ఫంక్షన్

TCO సూత్రంతో సమానంగా, పవర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ల యొక్క కార్బన్ ఫుట్ ప్రింట్ (CF) ను అంచనా వేయడానికి ఉద్దేశ్య ఫంక్షన్ పరిచయం చేయవచ్చు:

TCO2 = BCP + A* · PNLL + B* · PLL

ఇక్కడ TCO2 అనేది లెక్కించబడిన కార్బన్ ఫుట్ ప్రింట్ (g), BCP అనేది యంత్రం తయారీ ప్రక్రియలో లెక్కించబడిన కార్బన్ ఫుట్ ప్రింట్. A* మరియు B* అనేవి ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ యొక్క ప్లాన్ చేసిన సేవా జీవితంలో కార్బన్ డయాక్సైడ్ ఉద్గారాలను (kg/kW) లెక్కించడానికి క్యాపిటలైజేషన్ ఫ్యాక్టర్స్.

ఈ సమాన క్యాపిటలైజేషన్ ఫ్యాక్టర్స్ లెక్కించడానికి, విద్యుత్ గ్రిడ్ లో ఉపయోగించే ప్రతి ఇంధన రకానికి మూడు గ్రీన్ హౌస్ వాయువులు (GHG): కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO2), మీథేన్ (CH4), మరియు నైట్రస్ ఆక్సైడ్ (N2O) పరిగణనలోకి తీసుకుంటారు. ఎందుకంటే, మేము సౌర విద్యుత్ ప్లాంట్ల నుండి సున్నా ఉద్గారాలతో లెక్కిస్తే, ఫలితంగా ఉన్న ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ సైద్ధాంతికంగా కనిష్ఠ ద్రవ్యరాశి మరియు గరిష్ఠ నష్టాలను కలిగి ఉంటుంది. మీథేన్ మరియు నైట్రస్ ఆక్సైడ్ ఉద్గారాలను వాటి సంబంధిత గ్లోబల్ వార్మింగ్ పొటెన్షియల్ ఫ్యాక్టర్స్ (I) తో గుణించడం ద్వారా CO2 సమాన ఉద్గారాలుగా మారుస్తారు:

ఇక్కడ ei అనేది (tCO2/MWh) యూనిట్లలో ఉద్గార కారకం, అయితే eCO2,i, eCH4,i మరియు eN2O,i అనేవి అధ్యయనం చేసిన ఇంధన రకం (i) కోసం కార్బన్ డయాక్సైడ్, మీథేన్ మరియు నైట్రస్ ఆక్సైడ్ కోసం ఉద్గార కారకాలు, అన్నీ (t/GJ) యూనిట్లలో. GJ ను MWh కు మార్చడానికి 0.0036 అనే ఫ్యాక్టర్ ఉపయోగించబడుతుంది. ఇంధనం i కోసం, ni అనేది ప్రసార వ్యవస్థలో ఇంధనం i యొక్క మార్పిడి సామర్థ్యాన్ని సూచిస్తుంది (% లో), మరియు λi అనేది ప్రసార వ్యవస్థలో ఇంధనం i కోసం పవర్ నష్ట శాతాన్ని సూచిస్తుంది. ఈ పత్రం λi = 8% ని ప్రతి ఇంధన రకానికి లెక్కింపుల కోసం ఉపయోగిస్తుంది.

హంగేరియన్ పవర్ గ్రిడ్ యొక్క శక్తి నిర్మాణ డేటాను ఉపయోగించి, A*=425 kgCO2/kW మరియు B*=66.5 kgCO2/kW విలువలు లెక్కించబడ్డాయి.

4 ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ మోడల్

పవర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ మోడలింగ్ సరళీకృత రెండు-వైండింగ్ క్రియాశీల భాగాన్ని (కోర్ మరియు వైండింగ్స్) ఉపయోగిస్తుంది. క్రియాశీల భాగం యొక్క కొలతలు మొత్తం ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ పరిమాణాన్ని నిర్ణయిస్తాయి కాబట్టి ఈ విధానం ప్రారంభ డిజైన్ ఆప్టిమైజేషన్ దశలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతుంది. ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ యొక్క జ్యామితి మరియు విద్యుత్ లక్షణాలు కీలక డిజైన్ పారామితులతో మోడల్ చేయబడతాయి. ఈ అంచనాలు పరిశ్రమలో విస్తృతంగా అంగీకరించబడతాయి, వివిధ సాధ్యమైన కోర్ మరియు వైండింగ్ కాన్ఫిగరేషన్లను గణనీయంగా సరళీకరిస్తూ కాపర్ మరియు కోర్ నష్టాలను అంచనా వేయడంలో తగినంత ఖచ్చితత్వాన్ని అందిస్తాయి.

ప్రారంభ డిజైన్ ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ మోడల్ ప్రధాన క్రియాశీల భాగాల బాహ్య సరిహద్దులను స్పష్టంగా నిర్వచిస్తుంది, ఇది ప్రారంభ దశ ఖర్చు లెక్కింపులకు తగినంతగా ఉంటుంది. ఈ కీలక డిజైన్ పారామితులను అర్థం చేసుకోవడం ఇంజనీ

ఒక 16MVA శక్తి ట్రాన్స్‌ఫอร్మర్‌లో 120kV/20kV వోల్టేజ్ నిష్పత్తితో అప్టిమైజేషన్ పరీక్షలు నిర్వహించబడ్డాయి. మొదటి కేసులో అప్టిమైజేషన్ లక్ష్యం మొత్తం మాలకం (TCO) మరియు కనిష్ఠ కార్బన్ ఫుట్‌ప్రింట్ (CF). గ్రిడ్ తరంగద్రుతి 50Hz, అవసరమైన ఛాట్-సర్క్యూట్ ప్రతిబంధక శక్తి 8.5% గా ఉన్నది. ప్రమాణాల ప్రకారం పారామెటర్లు ఎంచుకోబడ్డాయి. ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ ఆక్సిజెన్ మెథడ్ ONAN గా ఎంచుకోబడింది, పర్యావరణ తాపం 40°C గా నిర్దిష్టం చేయబడింది. కాబట్టి, ప్రధాన వైపు వైద్యుతి ప్రవాహ సాంద్రత పరిమితి 3A/mm², టాప్ చేంజర్ వైపు 3.5A/mm² గా నిర్ధారించబడింది.

చిన్న వోల్టేజ్ (ప్రాథమిక) వైపు CTC (Continuously Transposed Cable) తో హెలికల్ వైపు రూపొందించబడింది, అంతర్భుతిష్ట వోల్టేజ్ (సెకన్డరీ) వైపు ద్విపరిపథ వాహకులతో డిస్క్ వైపు రూపొందించబడింది. కోర్ పదార్థ సమృద్ధి మరియు గ్రిడ్ ఓవర్వోల్టేజ్ దృష్టిని పరిగణించి, గరిష్ట ఫ్లక్స్ సాంద్రత 1.7T వరకు పరిమితం చేయబడింది. కనిష్ట పరికటన దూరాలు అనుభవించిన నియమాల ప్రకారం ఎంచుకోబడ్డాయి. వైద్యుతి ఇస్టిల్ ఖర్చు 3.5€/kg, వైపు పదార్థ ఖర్చు 8€/kg. వైద్యుతి ఇస్టిల్ నిర్మాణంలో కార్బన్ ఫుట్‌ప్రింట్ ఖర్చు 1.8kgCO2/kg, కాప్పర్ 6.5kgCO2/kg.

అప్టిమైజేషన్ ఫలితాలు టేబుల్ 2 లో సమగ్రీకరించబడ్డాయి. ఫలితాల నుండి, CF అప్టిమైజేషన్ యొక్క ఆధారంగా సాధించబడిన ట్రాన్స్‌ফอร్మర్ కార్యకారణత టీసీও విశ్లేషణ తర్వాత ఉన్న కార్యకారణత కంటే తక్కువగా ఉన్నట్లు గమనించవచ్చు. ట్రాన్స్‌ফอร్మర్ ప్రతి టర్న్ వైదానికి బాహ్య వోల్టేజ్ కాప్పర్-ఇట్ నిష్పత్తితో సంబంధం కలదు, రెండు సందర్భాలలో విలువలు దగ్గరగా ఉన్నాయి. మూల నష్టాలు రెండు సందర్భాలలో సామాన్యంగా తక్కువగా ఉన్నాయి, చాలా మార్పు లేదు. సౌర శక్తి ప్లాంట్ల చాలా తక్కువ LLF కారణంగా, మూల నష్టాల ఖర్చు లోడ్ నష్టాల ఖర్చు కంటే ఎక్కువగా ఉంది. ప్రధాన వ్యత్యాసం కాప్పర్ నష్టాలలో ఉంది, TCO సందర్భంలో ఉన్న కాప్పర్ నష్టాల కంటే చాలా తక్కువగా ఉన్నాయి. కాప్పర్/ఇట్ వస్తువుల యొక్క శోధన విలువ నాన్-ఫరోస్ మెటల్ శోధన విలువ కంటే ఎక్కువగా ఉన్నందున, మరియు ఉపయోగించబడిన వస్తువుల యొక్క CF విద్యుత్ నష్టాల యొక్క CF కంటే ఎక్కువగా ఉన్నందున, అప్టిమైజేషన్ అల్గోరిథం తక్కువ కాప్పర్ ఉన్న డిజైన్‌లను ఎంచుకోవడం వద్ద ఏర్పడుతుంది. విద్యుత్ వிலైనుపై CF మరియు కాప్పర్/ఇట్ శోధన విలువ మధ్య చాలా వ్యత్యాసం కారణంగా, అల్గోరిథం TCO ఆధారిత కాల్కులేషన్‌ల కంటే తక్కువ, తక్కువ కార్యకారణత కలిగిన డిజైన్‌ను అందిస్తుంది.

7 సారాంశం

ప్రస్తుతం, విద్యుత్ ట్రాన్స్‌ఫార్మర్‌ల యొక్క కార్బన్ ఫుట్‌ప్రింట్‌ను నిర్ధారించడానికి ఒక ప్రస్తుతం స్వీకరించబడిన, వ్యాపకంగా అంగీకరించబడిన పద్ధతి లేదు. పోస్ట్-ఇకోనమిక్ కాలంలో, ప్రచురణలో కార్బన్ ఫుట్‌ప్రింట్ విశ్లేషణలు అనుకొన్న ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ జతల మీద నిర్వచించబడ్డాయి. అయినా, పెద్ద విద్యుత్ ట్రాన్స్‌ఫార్మర్‌లు వివిధ ఆర్థిక పరిస్థితులకు కస్టమైజ్ చేయబడతాయి. అప్టిమైజేడ్ డిజైన్‌లను పోల్చడానికి, ఒక ప్రామాణిక ఉదాహరణలో రెండు అప్టిమైజేషన్ డిజైన్‌లు నిర్వహించబడ్డాయి. మొదటి సందర్భంలో, TCO అప్టిమైజేషన్ నిర్వహించబడింది; రెండవ సందర్భంలో, ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ యొక్క కార్బన్ ఫుట్‌ప్రింట్ తగ్గించబడింది. ఫలితాలు కార్బన్ ఫుట్‌ప్రింట్ విశ్లేషణ ద్వారా ట్రాడిషనల్ TCO పద్ధతుల కంటే తక్కువ కార్యకారణత కలిగిన ట్రాన్స్‌ఫార్మర్‌లను ప్రాప్తం చేయగలమని చూపించుతున్నాయి. ఇది పెద్ద మోటర్‌ల యొక్క నిర్మాణంలో విద్యుత్ గ్రిడ్‌లో వాటి నష్టాల కంటే పర్యావరణ ఖర్చు ఎక్కువగా ఉండటం కారణంగా ఉంటుంది. మరింత పరిశోధన నిర్మాణ సమయం, మెయింటనన్స్, కొత్త బయోడిగ్రేడబుల్ ఇన్సులేటింగ్ ఆయిల్‌ల ఉపయోగం, లేదా ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ రిసైకిల్ యొక్క పర్యావరణ ప్రభావాన్ని ముఖ్యంగా విశ్లేషించవచ్చు.