دانلود رایگان ترجمه مقاله تولید انرژی زیست توده توزیع شده (ساینس دایرکت – الزویر 2013)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

از بررسی مدل های موجود آشکار است که مدل های برنامه ریزی جایابی تجهیزات برای مکان یابی کردن سیستم های انرژی غیرمتمرکز اعمال نمی شوند. تمام مطالعات اختصاصی مکان یابی که در مقالات پیشین انجام شده دارای مجموعه ای از نقاط تقاضا و نقاط انتهایی مشخص هستند، یعنی، تعدادی از مکان ها از قبل شناخته شده است. زمانی که نقاط موردنظر مکان ها شناخته نشده اند، مدل های اختصاصی مکان یابی کلاسیک نمی توانند اعمال شوند. در مطالعات اخیر، ما الگوریتم خوشه بندی PAM (جزء بندی سراسری medoid)(همچنین به عنوان خوشه بندی k-mediod شناخته می شود) را برای تعیین و موازئیکی کردن مکان و یا منطقه در نقشه پیشنهاد داده ایم و با تکرار در این الگوریتم به تعدادی از مکان های بهینه برای ایجاد نیروگاه ها به منظور کاهش کل هزینه حمل و نقل زیست توده ای، انتقال و نصب سیستم رسیده ایم. طرح موزائیک کاری بهینه در یک GIS (سیستم اطلاعات جغرافیایی) برروی نقشه نشان داده می شود. در بخش های بعدی موزائیک کاری با استفاده از الگوریتم خوشه بندی و الگوریتم k-medoid براساس مدل فرمول سازی ارائه می شود. پارامترهای ورودی کلیدی در الگوریتم پیشنهادی از پتانسیل زیست توده ای برای تولید برق، تقاضا برای برق، پیک بار و پارامترهای متفاوت هزینه استفاده می کنند. الگوریتم در این مسیر بطور همزمان تعداد بهینه سیستم های برق زیست توده ای و مکان هایشان و اندازه واقعی حمل و نقل و انتقال و توزیع را تعیین می کند.

1.1. الگوریتم های خوشه بندی—موزائیک کاری فضایی
خوشه بندی یک بخش مهم از داده کاوی است. این خوشه بندی فرآیند ترکیب هر مجموعه از اهداف فیزیکی و انتزاعی را در گروه ها یا کلاس های از اهداف مشابه ارجاع می دهد. اهداف بطوری ترکیب شده اند که اهداف مشابه یکدیگر در یک خوشه و غیرمشابه ها در خوشه های دیگر هستند[13]. بسیاری از الگوریتم های خوشه بندی برای کمک به داده های فضایی در محاسبه نتایج کیفی توسط موزائیک کاری فضای داده بکار می روند. موازئیکی کاری توسط تکرار یک شکل برای پوشش یک سطح، بدون هیچ گونه شکافی یا همپوشانی ایجاد می شود. به عبارت دیگر، موزائیک کاری مجموعه ای از سطوح دوطرفه غیرمتقاطع پوششی یک منطقه می باشد.

از چند الگوریتم خوشه بندی، روش جزء بندی بطور گسترده ای برای مراکز داده های بزرگ و در برنامه های کاربردی مبتنی بر GIS ویژه استفاده می شود[15]. روش خوشه بندی جزء بندی شامل، جزء بندی مراکز داده D از n هدف در یک مجموعه خوشه k است. با توجه به مقدار k، جزئی از خوشه های k را پیدا می کند که معیار بهینه سازی را برطرف کند. در خوشه بندی k-medoid، medoidها از هر خوشه یک نقطه را به عنوان مرجع خوشه در نظر می گیرند. الگوریتم های عموما پذیرفته شده برای خوشه بندی k-medoid الگوریتم PAM (جزءبندی سراسری medoid) است که در آن k برای پیش بردن اهداف مشخص شده و الگوریتم تعیین می کند که k جزء بندی از n هدف با استفاده از medoidها k خوشه به عنوان نقطه مرجع برای تفاوت با دیگر اهداف پیدا کند[13]. در مطالعات اخیر، نهادهای جغرافیایی (روستاها) با مقادیر متناظر طول و عرض جغرافیایی مرکز داده ها را تبدیل به داده های جزءبندی شده می کنند. k سیستم برق زیست توده ای در k medoid واقع می شوند.

1.2. مشخصات محل مورد مطالعه
منطقه تومکور مجاور بنگلادش در کمربند نیمه خشک در نیمه شرقی ایالت کارناتاکا واقع شده است. این منطقه دارای 10 بخش است و مساحتی بالغ بر 10596 کیلومتر مربع دارد. این منطقه بین عرض جغرافیایی 13250 و 13400 شمالی و طول جغرافیایی 76240 و 77300 شرقی قرار گرفته است. محل مطالعات در شکل 1 نشان داده شده است.

در این منطقه تعدادی واحدهای اداری محلی از جمله 50 محله، 321 بخش، 11 ناحیه شهری، 2574 روستای دارای ساکن، 134 روستای خالی از سکنه و 1315 آبادی وجود دارد. و جمعیت کل در این منطقه از سال 1991 و 2011 حدود 11.87 دصد رشد داشته است. باتوجه به سرشماری سال 2001 جمعیت کل در این منطقه به 2.58 میلیون از 2.30 میلیون در سال 1991 رسیده است[16].
تراکم جمعیت 244 نفر در هر کیلومتر مربع و میزان سواد 67 درصد می باشد. بیش از 60 درصد جمعیت در مناطق روستایی متمرکز شده اند. چشم انداز در این مناطق عمدتا شامل دشت ها با تپه ها می باشد. حدود 45.177 هکتار (4 درصد) از زمین ها را جنگل پوشانده است. استخراج بیش از اندازه جنگل ها به علت چرای مجاز دام منجر به تغییر در الگوی بارش باران شده است. متوسط سالیانه بارش باران در این منطقه بسیار متغییر است و از 834 میلی متر در سال 2005 به 470 میلی متر در سال 2006 کاهش یافته است. همه ی 10 بخش اجرایی در مقاله [16] ویژگی های جمعیت شناختی و جغرافیایی مشابه را در منطقه تومکور نشان می دهد. در میان این بخش ها، بخش کونیگال برای تجزیه و تحلیل حساسیت نتایج به تقاضای تغییرات توان و عرضه بصورت تصادفی انتخاب شده بود.

2. ارزیابی زیست توده برای تولید برق
منابع زیست توده مهم موجود برای تولید برق در مناطق علوفه ای و جنگلی هستند که با رشد مزارع اختصاص داده شده در زمین های بایر، پسماند محصول و پسماند مزارع بدست می آیند. پسماند های محصول شامل ساقه های ذرت، توده های چوب ذرت، پوست بادام زمینی و پوست برنج می باشند. پسماندهای شایع تر مزارع شامل پوست نارگیل، برگ، چوب پنبه و مغز میوه می باشند.
جزئیات بیشتری از ویژگی های کاربری اراضی در سطح روستاها با نقشه GIS کاربری و پوششی زمین در مقاله [17] در مقیاس 063 ، 134 ، 1:1 بدست آمده است. این ویژگی ها کاربری زمین ها اعم از گندم زار، جنگل تخریب شده، مخازن، مزارع نارگیل و آجیل، جنگل اسکراب، زمین های آیش و زمین های سنگی خشک را نشان می دهد. گندم زارها و جنگل های تخریب شده برای استخراج ماده های زیستی چوبی مورد توجه قرار نگرفتند. پسماندهای مزارع و محصول مازاد به عنوان منبعی برای زیست توده در نظر گرفته شده است. تنها زمین های بایر برای رشد زیست توده به منظور تولید برق در نظر گرفته شدند.
تقاطع نقشه کاربری و پوششی زمین و نقشه مرزی روستاها منجر به جدولی جدید که متشکل از نام روستاها، گروه های کاربری زمین و نواحی تحت کاربری مختلف برای تمام منطقه می شود. براساس تحقیقات پیشین [18-20]، مصاحبه با روستاییان و سازگاری اراضی، جدول شاخصی به منظور پتانسیل فنی کل زیست توده برای هر روستا برآورد شد. شاخص سازگاری اراضی آماده شده و کل زیست توده موجود تحت انواع مختلف کاربری زمین تعیین شده بود. این شاخص، براساس دانش تخصصی در کشاورزی و مقالات پیشین، نشان می دهد که قابلیت یک مکان خاص به رشد زیست توده برای تولید برق در شرایط حداکثر عملکرد قابل دسترسی (هزاران تن زیست توده) در هر هکتار از گروه کاربری اراضی کمک می کند[18]. حداکثر بازده قابل حصول تحت گروه های کاربری اراضی مختلف برای منطقه تومکور و بخش کونیگال در جدول 1 نشان داده شده است. بررسی دقیقی از انواع اراضی نشان می دهد که در میان انواع اراضی قابل استفاده، مزارع حداکثر پتانسیل لازم برای تولید برق زیست توده ای توسط اراضی با / بدون اسکراب را دارند.
با توجه به نرخ رشد و شاخص های سازگاری اراضی برای انواع مختلف کاربری اراضی ، مطالعه ما نشان می دهد که کل پتانسیل زیست توده قابل دسترس در میان مدت، برای مثال سال 2015 مقدار زیست توده موجود 1.39 میلیون تن در منطقه تومکور و 0.13 میلیون تن در بخش کونیگال است. در سناریوی بلند مدت، برای مثال در سال 2030، با فرض کاهش 10 درصدی در زمین های بایر به علت افزایش زمین های زراعی، برآورد عرضه کل زیست توده 11 میلیون تن در منطقه تومکور و 0.11 میلیون تن در بخش کونیگال است.

2.1. ارزیابی تقاضای برق در منطقه تومکور
مجموع پیک بار سالیانه و تقاضای کل برای انرژی به عنوان جمع کل تقاضاها برای روشنایی خانگی و لوازم خانگی، روشنایی خیابان، پمپاژ آب کشاورزی و بخش های صنعتی با استفاده از مقالات پیشین محاسبه شده بود. بررسی اولیه در طول سال های 2008 تا 2009 در خانواری نمونه که بصورت تصادفی از روستایی تصادفی انتخاب و برای جمع آوری داده های مصرف انرژی مصرف کنندگان انجام شد. برآوردهای انجام شده از نمایندگان روستاها برای محاسبه تقاضای کل در منطقه تومکور و بخش کونیگال در سال2015 [20,22] استفاده شده است.

از آنجا که تقاضا برای برق بشدت وابسته به وضعیت اجتماعی- اقتصادی روستاییان می باشد، تلاش برای دریافت تغییرات تقاضای برق در سراسر روستاها که وابسته به گروه های مختلف اجتماعی- اقتصادیست ایجاد می شود. برای تسهیل در ارزیابی، روستاهای تومکور به پنج دسته اجتماعی-اقتصادی ازجمله بسیار بالا، بالا، متوسط، پایین و بسیار پایین، براساس عوامل اجتماعی – اقتصادی مانند جمعیت، در اختیار داشتن حیوانات اهلی، متوسط سواد، درآمد، مایملک، دسترسی به امکانات اولیه و غیره تقسیم بندی می شوند. عوامل اجتماعی- اقتصادی با انجام یک بررسی براساس پرسشنامه در منطقه مورد مطالعه در طول سال های 2008 تا 2009 تعیین شد. از خانوار ها خواسته شد تا جزئیات را در مورد اینکه آیا خانوار نیاز به برق دارد یا نه و جزئیات اتصال، تعداد کل دستگاه های مورد استفاده مانند چراغ، تلویزیون، پنکه و دیگر لوازم خانگی در صورت وجود و الگوی مصرف برق روزانه خود را مطرح کنند. کشاورزان نیز در مورد کل زمین های آبی و خشک، کل محصولات کشت شده، تعداد پمپ های آبیاری، الگوی آبیاری و الگوی کشت مورد مصاحبه قرار گرفتند. داده های اضافی در مورد سطح سواد و کل جمعیت دام و طیور در خانوارها نیز برای تعیین وضعیت اجتماعی-اقتصادی خانوارها جمع آوری شد. برای هر دسته اجتماعی-اقتصادی از روستاها، نماینده ای از پروفیل های تقاضای برق ایجاد شد و پیک بار با اتخاذ تابع حداکثر(حداکثر) تعیین شد[22]. نماینده ای از تقاضای پیک بار در جدول 2 داده شده است. مقادیر سالیانه تقاضای انرژی برای روستاها با گروه های مختلف اجتماعی- اقتصادی در جدول 3 نشان داده شده است.