بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی پتانسیل انرژی باد در منطقه خواف استان خراسان رضوی
چکیده
در این مطالعه، بهمنظور شناسایی ویژگیها و پتانسیل باد در منطقه خواف، دادههای سرعت باد مربوط به 21 ماه مورد ارزیابی قرار میگیرند که در سال 1002 در بازههای 20 دقیقهای جمعآوریشدهاند. دادههای سرعت باد توسط دکلهای بادسنجی با ارتفاعهای 01، 01 و 01 متری ثبتشدهاند. ازآنجاکه این منطقه تحت تأثیر بادهای 021 تا 061 روزه قرار دارد که از سمت افغانستان میوزند و مستقل از بادهای 021 روزه سیستان و بلوچستان میباشند، لذا پیشبینی میشود دارای ظرفیتهای باالیی برای احداث مزارع بادی باشد. در این مقاله، نتایج بررسی دادهها نشان میدهد که این منطقه به ترتیب در ارتفاعهای ذکرشده دارای متوسط سرعت 9/705، 01/509 و 01/490 متربرثانیه در طول سال میباشد. خواهیم دید این منطقه دارای متوسط سرعت باد مناسبی در اکثر ماههای سال بهویژه در ماههای آوریل تا اوت است. با پردازش دادههای حسگرهای نصبشده در ارتفاعهای 01 و 05/7 متری و رسم گلباد، جهت باد غالب در منطقه خواف به ترتیب شمال و شمال شرقی تعیین میشود. با محاسبهی متوسط چگالی توان و انرژی به ترتیب اعدادی برابر با 0659 (W/m2) و 00517 (kWh/m2/year) به دست میآیند. موارد ذکرشده در باال باعث قرار گرفتن منطقهی خواف در باالترین کالس توان بادی )رتبه )5 میشود که بیشک این منطقه را به مکان مناسبی برای نصب توربینهای بادی با توان مگاواتی تبدیل میکند.
واژههای کلیدی: دادههای سرعت باد، گلباد، تابع توزیع ویبال، انرژی باد، خواف.
مقدمه
انرژی توانایی یک سیستم فیزیکی برای انجام کار است. انرژی نقش مهمی در توسعه اجتماعی-اقتصادی جوامع دارد، بهطوریکه میتوان سطح موفقیت و کامیابی یک کشور را توسط میزان انرژی مصرفی آن کشور ارزیابی کرد .[0] افزایش جمعیت جهان و تهی شدن سریع ذخایر سوختهای فسیلی و آلودگیهای محیطی که نتیجهی احتراق ناقص این سوختهاست، موجب تشویق پژوهشگران برای تحقیق در مورد منابع انرژی پاک و بدون آلودگی شده است 2] و .[0 از طرفی صنعتی سازی و توسعهی اقتصادی منابع انرژی بیشتری نیاز دارد بهخصوص بهصورت انرژیهای پاک که به محیط آسیب نمیرسانند. چون آلودگی حاضر اتمسفر به علت استفاده از سوختهای فسیلی است، منابع توان پاک و مساعد با محیطزیست در تولیدات انرژی صنعتی و خانگی اهمیت بیشتری پیدا کردند .[0] مواردی مانند گرمایش جهانی و تغییرات آبوهوا چالشهای بزرگی برای دولتها و مؤسسات تحقیقاتی ایجاد کرده است. تقریباً همگان افزایش گازهای گلخانهای در اتمسفر را توسط فعالیتهای انسانی در دنیای مدرن صنعتی، بهعنوان عامل اصلی گرمایش جهانی قبول دارند. فناوریهای پاک برای تولید توان یکی از کلیدهای کاهش انتشار گازهای گلخانهای بهمنظور کاهش انتشار دی اکسیدکربن است .[7]
در طول بحران انرژی در امریکا و دیگر کشورهای غربی در دههی 0951 میالدی، دولتهای کشورهای صنعتی مجبور به فکر کردن درباره استفاده از انرژیهای تجدید پذیر مانند خورشید، باد، زمینگرمایی و زیستتوده شدند. با این بحران، فاز جدیدی در استفاده از انرژیها آشکار شد. انرژیهای تجدید پذیر از منابع طبیعیای تولید میشوند که قابلتجدید پذیری هستند. در شکلهای گوناگون، آنها بهصورت مستقیم از خورشید، یا از حرارت تولیدی در اعماق زمین تولید میشوند. آنهایی که در این تعریف شامل میشوند، برق و حرارت تولیدشده توسط خورشید، باد، اقیانوس، برقآبی، زیستتوده، منابع زمینگرمایی و سوختهای زیستی و هیدروژن بهدستآمده از منابع تجدید پذیر هستند .[6] در میان منابع تجدید پذیر، توان بادی به خاطر کاهش در قیمت توربینها و نیز افزایش قیمت سوختهای فسیلی شناختهتر شد .[0] توسعه توان بادی قویاً به مواردی ارتباط دارد که مهمترین آنها عبارتاند از: الف- افزایش آگاهی عمومی در رابطه با انتشار کربن، تغییر آبوهوا و موضوعات زیستمحیطی، ب- آگاهی در مورد مصرف ذخایر نفت و گاز و افزایش ظرفیت تولید انرژی با استفاده از نفت، ج- تسهیل هزینههای تولید بادی بر اساس توسعه فناوریهای مرتبط .[5]
شرایط جغرافیایی ایران به صورتی است که فشار پایین هوا موجب ایجاد جریانهای هوایی قوی بهطورکلی در مدت بین تابستان و زمستان در مقایسه با فشار باال در نواحی شمال و شمال غربی میشود. اختالف زیادی در فشار هوای موجود در اتمسفر بر روی ایران، مرکز آسیا و همچنین اقیانوس اطلس در طی ماههای زمستان وجود دارد که باعث وزش بادهای سرد از سمت شمال و جریانهای هوای مرطوب از سمت اقیانوس اطلس و دریای مدیترانه از سمت غرب ایران میشود. ایران همچنین تحت تأثیر بادهایی از سمت اقیانوس اطلس در شمال غربی و بادهایی از سمت اقیانوس هند در سمت جنوب شرقی در طول تابستان قرار دارد که به بادهای 021 روزهی سیستان معروف است. دیگر بادهای موجود عبارتاند از: بادهای شمالی در خلیجفارس و بادهای کوچباد در جلگه گرگان، دیزباد بین مشهد و نیشابور و نیز بادهای شام در خوزستان .[4]
مشخصههای احتمالی توان بادی نقش ویژهای در برنامهریزی، طراحی و بهرهبرداری توربینهای بادی بازی میکند. ازنظر تئوری، این مشخصهها توابعی از رفتار سرعت باد هستند؛ بنابراین الزم است روابط تحلیلی بین آمار دادههای سرعت باد و مشخصههای توان بادی توسعه داده شوند .[0] از طرفی، ارزیابی پتانسیل انرژی بادی گام اولیهی مهمی قبل از انتخاب مکانی برای نصب توربینهای بادی است.پتانسیل انرژی بادی ممکن است بهصورت پتانسیل یک کشور، یک قاره و یا به یک مکان مشخص ارجاع داده شود. ارزیابی پتانسیل انرژی بادی با پیشبینی فرق دارد، چراکه اولیمعموالً با انرژی تولیدی سالیانه سروکار دارد ولی پیشبینی به محاسبهی دادهها در 20 الی 52 ساعت آینده میپردازد .[9]از کارهای صورت گرفته درزمینهی ارزیابی پتانسیل باد میتوان به پژوهش آقای جانگ )Jung( اشاره کرد که تأثیر عدم قطعیتهای موجود به علت کمبود دادههای هواشناسی در مکان اصلی موردنظر، عدم قطعیتهای ذاتی سرعت باد، چگالی هوا، شاخص ناهمواری سطح و منحنی عملکرد توان توربین را در محاسبهی انرژی تولیدی سالیانه بررسی کرده است. او با در نظر گرفتن اینکه در اکثر موارد دادههای سرعت باد در مکان اصلی درنظرگرفته شده برای مزرعه بادی موجود نمیباشند ولیعموالً یک ایستگاه هواشناسی در نزدیکی محل قرار دارد، این موضوع را دلیلی بر ایجاد عدم قطعیت در محاسبات دانست . وی با استفاده از روشهای بیزی )Bayesian( و مقایسه آنها با روشهای قطعی احتمالی، در انتها تابع توزیع احتمالی را برای انرژی تولیدی سالیانهی محل نیروگاه به دست آورد .[9]
گراسی )Grassi( با استفاده از سیستم اطالعات جغرافیایی )GIS( مقدار انرژی سالیانه را برای ایالت آیووا در امریکا محاسبه کرد. در بهکارگیری ابزار GIS مالحظات و قیود محیطی و انسانی درنظرگرفته شده است. او با استفاده از آنالیز حساسیت مقادیر توافق خرید توان را محاسبه نمود و درنهایت در نقشههای ماهوارهای زمینهای ایالت آیووا با تطبیق بر GIS، ضریب ظرفیتی تعریف کرد و بهصورت طیف رنگی در نقشهها نمایش داد .[7] آلتانکایناک )Altunkaynak( با استفاده از تئوری آشوب به دنبال فرمولی برای توان خروجی توربین بادی بهصورت استفاده از روابط آماری است که موجب دستیابی به فرمول عمومی برای مقدار انتظاری خروجی توان و دیگر پارامترها مانند انحراف معیار و ضریب واریانس شد. او بامطالعه سه مکان مختلف در کشور ترکیه و رسم نمودارهای چگالی برحسب سرعت و رسم تابع توزیع تجمعی و برازش آنها با تابع ویبال، دقت باالی محاسباتش را نشان داد. همچنین با در نظر گرفتن دو سطح ریسک، برتری مناطق را برای احداث نیروگاه بادی مقایسه نمود .[0]
مطالعات ارزیابی پتانسیل انرژیهای تجدید پذیر بهویژه باد در ایران نیز در سالهای اخیر بیشتر بچشم میخورد که از نمونههای آن میتوان به مطالعه آقایان بهرامی و عباس زاده اشاره کرد. آنها با نگاهی به روند رو به رشد مصرف انرژی در جهان و ایران و نیز گرایش به استفاده از منابع انرژی پاک، مانند خورشید، باد و زمینگرمایی استعدادهای ایران را در این زمینه با آوردن نقشههای جغرافیایی و نمایش مکانهای مستعد مشخص کردند .[01] علمداری، نعمت اللهی و میرحسینی به ارزیابی مهمترین مشخصههای انرژی بادی در 64 ایستگاه هواشناسی در سراسر ایران پرداختهاند و با استفاده از روش آماری و برازش با توزیع ویبال، سرعت متوسط باد، تابع توزیع باد و متوسط چگالی انرژی باد و گلباد را برای آن مکانها نمایش دادند. نتیجه کار مناسب بودن تمامی مکانهای موردمطالعه برای نصب توربینهای بادی است .[6] ارزیابی پتانسیل انرژی در ایران در نواحی دیگری مانند یزد [00]، منجیل در استان گیالن [02] و تهران [0] انجامشده است. به این دلیل که مطالعه اختصاصی بر روی منطقه خواف بهمنظور کشف مشخصههای سرعت باد و معرفی استعدادهای منطقه صورت نگرفته است لذا انگیزشی برای این پژوهش ایجاد شد.
معرفی منطقه
منطقه خواف با قرار گرفتن در استان خراسان رضوی و دارا بودن زمینهای معدنی در سالهای آینده به قطب صنعتی شرق کشور تبدیل خواهد شد که این باعث ازدیاد مصرف انرژی در این ناحیه خواهد شد. این شهرستان از شمال به شهرستان رشتخوار،از غرب به شهرستان گناباد، از جنوب به شهرستان قاینات و از شرق به تایباد متصل بوده و مرز 020 کیلومتری با افغانستان دارد.[00 ] موقعیت بخشهای این شهرستان در شکل 0 دیده میشود.
شکل شماره -1 بخشهای تشکیلدهنده منطقه خواف
آنالیز دادههای باد
در این مطالعه، دادهها در طول بازهی زمانی یک سال از ابتدا تا انتهای سال 2114 در فاصلههای زمانی 01 دقیقهای جمعآوری شده است. ثبتکننده داده از 0 حسگر در ارتفاعهای 01، 01 و 01 متری برای ثبت سرعت باد و از 2 حسگر در ارتفاعهای 01 و 05/7 متری برای ذخیره جهت باد استفاده کرده است .[00]
روششناسی
آگاهی از توزیع فراوانی سرعت باد نقش مهمی برای تخمین پتانسیل باد در هر مکان بازی میکند. با شناخته شدن توزیع سرعت باد، هم پتانسیل توان باد و هم امکانپذیری اقتصادی محل قابلمحاسبه است. تابع توزیع دو پارامتری ویبال عموالً بهعنوان بهترین تابع برازش شناخته میشود، چراکه سادگی و دقت زیادی در آنالیز دادهها دارد. تابع چگالی توزیع ویبال بهصورت رابطهی 0 است :[09-07]
که در آن fw(v) احتمال سرعت باد برای سرعت v، k پارامتر بیبعد شکل )k >0( و c پارامتر اندازه است .)c>1( از میان روشهای موجود برای محاسبه پارامترهای تابع ویبال، از روش انحراف معیار در این مطالعه استفاده میکنیم. با استفاده از این روش k و c از روابط 2 و 0 محاسبه میشوند :[04-06]
برای محاسبه متوسط سرعت باد و انحراف معیار از روابط معرفیشده در زیر میتوان استفاده کرد:
که در آنها n تعداد مشاهدات است. همچنین تابع گاما بوده و بهصورت زیر تعریف میشود 04] و :[09
برای ارزیابی منبع باد موجود در یک محل، الزم است تا چگالی توان باد محاسبه شود و نشان میدهد چه مقدار انرژی برای تبدیل به الکتریسیته در محل وجود دارد. توان بادی بهصورت پر یونیت برحسب مساحت )A( بهصورت زیر قابلمحاسبه است:
بر اساس تابع چگالی احتمال ویبال، توان بادی را میتوان بهصورت رابطهی 4 محاسبه کرد : [09-06 ]
که در آن ρ چگالی هوا در سطح دریا در متوسط دمای 07 درجه سانتیگراد و فشار 0 اتمسفر با مقدار 0/227 )kg/m3( است. ما در این مطالعه با مقدار متوسط 0/156 برای چگالی هوا در منطقه خواف به علت ارتفاع از سطح دریای منطقه سروکار داریم. با در نظرگیری روابط 5 و 4، چگالی انرژی بادی برای یک بازهی زمانی مشخص T بهصورت زیر به دست میآید :[21]
دادههای جمع آوری شده در نرم افزار اکسل 2100 مرتب شده و توسط نرمافزار تحلیل شده اند.
نتایج و تحلیل
در جدول شماره 0 سرعت متوسط به ازای هرماه از سال 2114 میالدی و برای 0 ارتفاع ذکرشده نمایش دادهشده است. بر اساس دادههای این جدول، شکل 0 رسم شده است که متوسط سرعت را برای 0 ارتفاع و نیز ارتفاع نمونه 67 متر نشان میدهد که ارتفاع رایج برای یک توربین با توان بیش از 0 مگاوات رایج است. با دقت در جدول و شکل 0 میتوان دریافت بیشترین مقدار سرعت متوسط اندازهگیری شده در همه ارتفاعها مربوط به ماه جوالی با مقدار 07/520 متربرثانیه بوده و کمترین سرعت متوسط با مقدار 7/05 متربرثانیه در ماه ژانویه تقریباًمصادف با دی ماه اتفاق میافتند )جدول .)0 از ماه آوریل تا اوت که مصادف با اواسط فروردین تا دهه اول شهریورماه میباشند، رژیم باد مقادیر باالیی را نشان میدهد که این به معنای قابلیت تولید توان بیشتر است.
جدول 1 – سرعت متوسط سالیانه در 3 ارتفاع و ثوابت توزیع ویبال سالیانه
