بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***


استحصال انرژي امواج ناشی از باد در منطقه چابهار


خلاصه

در این مطالعه امواج منطقه چابهار با استفاده از مدل عددي SWAN و آمار 23 سال (1985-2007) باد اندازهگیري شده در ایستگاه هواشتاسی چابهار، شبیهسازي شده است. نتایج بدست آمده از مدل با پارامترهاي اندازهگیري شده توسط بویه مورد صحتسنجی قرار گرفته است. با قرار دادن پارامترهاي شبیهسازي شده موج در رابطه انرژي، تغییرات انرژي موج براي این دورة زمانی محاسبه و انرژي قابل استحصال از امواج به صورت متوسط سالیانه برآورد شده است. در انتها ویژگیهاي منبع انرژي یعنی ارتفاع و پریود موج در منطقه بررسی شده و نشان داده شده است که بخش عمده انرژي سالیانه، توسط امواج با ارتفاع موج مشخصه کمتر از 1 متر و پریود قله طیف بین 4 تا 8 ثانیه تولید میشود.

کلمات کلیدي: انرژي امواج ، انرژيهاي تجدید شدنی ، مدل عددي SWAN


1. مقدمه

رشد روزافزون مصرف انرژي در جهان و تولید انرژي به روشهاي قدیمی محیط زیست را با مشکلات جدي مواجه نموده است. با کاهش قیمت نفت در حدود سال 1980 سرمایه گذاري بر روي منابع دیگر انرژي به شدت کاهش یافته و سوخت فسیلی به عنوان اصلی ترین منابع انرژي محسوب شده است . [1 ] در سال هاي اخیر با توجه به گرم شدن زمین و افزایش انتشار گاز دي اکسید کربن در اتمسفر، استفاده از انرژي با حداقل آلودگی نقش اساسی ایفا می نماید. سوخت فسیلی علاوه بر ایجاد آلودگی شدید براي محیط زیست، در آیندة نزدیک پایانپذیر و درنتیجه استحصال انرژي از منابع دیگر انرژي امري ضروري و اجتنابناپذیر خواهد بود.

از جمله انرژيهایی که در سالهاي اخیر توجه زیادي به آن شده و میتواند جایگزین مناسبی براي سوختهاي فسیلی محسوب شود، انرژيهاي تجدیدشدنی میباشند. انرژي قابل جذب از نور خورشید، باد، دریاها و اقیانوسها از منابع این نوع انرژي بشمار میآیند که میتوان از آنها پاکترین انرژي ها را تولید نمود. منابع این نوع انرژي در حال حاضر حدود %14 از انرژي مصرفی جهان را تامین میکنند [2] که به سرعت در حال رشد بوده و در آینده نزدیک نقش بسیار مؤثرتري در تأمین انرژي ایفا خواهند نمود .[3] دریا بعنوان یکی از منابع این نوع انرژي از گذشته مورد توجه قرار گرفته و سرمایه زیادي براي استخراج انرژي از این منبع پایانناپذیر گذاشته شده است. از جمله این انرژيها میتوان به انرژي قابل جذب از امواج دریا و اقیانوسها و همچنین جریانهاي جزر و مدي اشاره کرد.

انرژي امواج ناشی از باد یکی از پرظرفیتترین انرژيها بشمار میآید و در سالهاي اخیر در این زمینه مطالعات و پیشرفتهاي بسیار زیادي شده است. مقایسه انرژي امواج دریا و منبع تولید آنها یعنی باد، نشان می دهد که امواج بسیار ماندگارتر بوده و انرژي بیشتري را با خود منتقل میکنند .[4] علیرغم اینکه امواج تحت تاثیر اصطکاك بستر و شکست در انتقال از آب عمیق به کم عمق حدود %10 انرژي خود را از دست میدهند، استفاده از مبدل هاي انرژي نزدیک ساحل بعلت هزینه بسیار کمتر نصب و نگهداري تجهیزات مقرون به صرفه تر می باشد .[5] انرژي قابل جذب از امواجی که به سواحل جهان وارد میشود در حدود یک تراوات تخمین زده شده که با انرژي مصرفی جهان قابل مقایسه است .[6] علاوه بر این مطالعات نشان میدهد انرژي امواج دریا جزء پاکترین منابع انرژي است و تأسیسات مبدل انرژي تأثیر بسیار کمی بر محیطزیست میگذارند .[7] همچنین براي استحصال انرژي با بیشترین راندمان این موضوع بسیار اهمیت دارد که دستگاه انتخاب شده با مشخصات امواج منطقه همخوانی داشته باشد. بنابراین براي انتخاب مناسبترین مبدل انرژي، ابتدا باید ویژگیهاي منبع انرژي یعنی ارتفاع و پریود موج در منطقه مورد بررسی قرار گرفته شود .[8]
در این مطالعه به بررسی انرژي امواج ناشی از باد در منطقه چابهار پرداخته شده است. چابهار یکی از شهرهاي جنوب خاوري استان سیستان و ست بلوچ ان و تنها بندر اقیانوسی میباشد که در کرانه دریاي عمان و اقیانوس هند قرار دارد. منطقه چابهار داراي شرایط آب و هواي گرمسیري است و به همین علت تولید برق در این منطقه داراي اهمیت زیادي می باشد. با توجه به نزدیکی این منطقه به اقیانوس هند، امواج با ارتفاع و پریود بیشتري نسبت به مناطق دیگر دریایی ایران به آن وارد شده و درنتیجه گزینه مناسبی براي استحصال انرژي امواج محسوب میشود. به این منظور در این تحقیق تغییرات باد بعنوان عامل اصلی ایجاد موج در منطقه چابهار مورد بررسی قرار گرفته و پس از مدل نمودن امواج با استفاده از مدل عددي SWAN، انرژي متوسط سالیانه در این منطقه بدست آورده شده است. همچنین ویژگی پارامترهاي امواج در منطقه یعنی ارتفاع موج مشخصه و پریود موج، بعنوان یک عامل

موثر براي انتخاب مبدل انرژي با بیشترین راندمان مورد بررسی گرفته است.


2. رابطه انرژي موج

شار انرژي موج، نرخ عبور انرژي در جهت پیشروي موج از صفحه قائم بر مسیر حرکت آن است که تمام عمق را پوشش می دهد و از رابطه زیر بدست میآید:


که در آن Cg سرعت گروه موج، E انرژي موج، چگالی سیال شتاب گرانش زمین چگالی انرژ ي است.

n نسبت سرعت گروه موج به سرعت تک موج و C سرعت تک موج است و با در نظر گرفتن شرایط آب عمیق، میباشد. T پریود موج است و با بسامد موج نسبت عکس دارد با جایگزین نمودن روابط معرفی شده در رابطه (1) داریم:



لنگر nام طیف و همچنین پارامترهاي Te و Hs در شرایط آب عمیق بر حسب لنگرهاي طیفی، به صورت زیر تعریف میشوند:.


که Te پریود انرژي و Hs ارتفاع موج مشخصه میباشد. از دو رابطه (5) و (6)، m-1 بر حسب Te و Hs به صورت زیر بدست میآید:

m-1 = 116 Te H s 2

بنابر تعاریف بیان شده، میزان انرژي موج در آب عمیق بر حسب کیلووات در هر متر عرض موج را میتوان از رابطه زیر محاسبه نمود:
ضریب بدست آمده در رابطه (8) با در نظر گرفتن شرایط آب عمیق میباشد و در حالت کلی میتوان رابطه انرژي را بصورت J = α T eHs2 تعریف نمود. ضریب α با توجه به مشخصات امواج منطقه مورد نظر قابل محاسبه است.

همانطور که از این رابطه مشخص است، انرژي امواج با پریود و مجذور ارتفاع موج مشخصه ارتباط مستقیم داشته و با در اختیار داشتن این دو پارامتر میتوان انرژي موج را بدست آورد. از آنجا که دادههاي دراز مدت امواج به صورت پیوسته در این منطقه موجود نیست، براي برآورد میزان انرژي قابل استحصال از امواج باید این دادهها توسط یکی از روشهاي تجربی، روشهاي نرم و یا روشهاي عددي تولید شوند. امروزه استفاده از مدلهاي عددي نسل سوم براي پیشیابی و پسیابی مشخصات امواج بسیار گسترش یافته است. در این تحقیق از مدل عددي SWANشبی براي هسازي امواج منطقه مورد مطالعه استفاده شده است.

3. مدل عددي SWAN

مدل عددي SWAN یک مدل نسل سوم میباشد که در سال 1999 در دانشگاه صنعتی دلفت هلند توسعه یافته است. این مدل براي هر دو هدف پیشیابی و پسیابی قابل استفاده و براي شبیهسازي امواج نزدیک ساحل بسیار مناسب میباشد 9] و.[10 از مزایاي مهم این مدل قابل دسترس، رایگان و منبع باز بودن آن است و این امر باعث شده است که به طور وسیعی توسط محققین براي مدلسازي امواج بکار گرفته شود. در این مدل سرعت باد باید در ارتفاع 10 متري وارد شود و در صورتی که سرعت باد در ارتفاع دیگري ثبت شده باشد، باید از رابطه زیر اصلاح شود:[11]

در مدل عددي SWAN ازطیف چگالی کنش(N) 1 استفاده میشود و نه از طیف چگالی انرژي .(E) علت این امر این است که در حضور جریانات تعادل چگالی کنش حفظ میشود، اما تعادل چگالی انرژي حفظ نخواهد شد. چگالی کنش از تقسیم چگالی انرژي بر بسامد نسبی بدست میآید. این طیف ممکن است با زمان و مکان تغییر نماید. رشد چگالی کنش توسط معادله تعادل کنش موج وابسته به زمان کنترل می شود و به صورت زیر میباشد :[8]

σ . بسامد نسبی و θ جهت انتشار را نشان میدهند. جمله اول در معادله بالا، نرخ تغییر در چگالی کنش است. عبارت دوم، نشان دهنده انتشار انرژي موج در فضاي جغرافیایی دو بعدي است که در آن Cg سرعت گروه موج و U جریان محدود پیرامونی است. جمله سوم، اثر جابجایی فرکانس نسبی را در اثر تغییرات در عمق و جمله چهارم، انکسار را در اثر عمق یا جریان نشان میدهد. کمیتهاي Cσ و Cθ در این دو عبارت سرعت هاي انتشار در فضاي طیفی (σ, θ) را بیان میکنند. سرعتهاي انتشار فوق از تئوري خطی موج بدست میآیند. جمله S در سمت راست معادله تعادل کنش نشان دهنده اثرات تولید موج توسط باد، استهلاك ناشی از بستر، استهلاك ناشی از شکست موج و اندرکنش غیرخطی موج-موج میباشد. ویرایش سوم2 این مدل عددي قادر به بررسی امواج در دو حالت ایستا و غیرایستاي3 زمانی بوده و در مختصات کارتزین یا منحنی الخط4 و یا کروي تهیه شده است. در این مطالعه مدل SWAN Cycle III version 40.72 براي مدل نمودن امواج منطقه چابهار استفاده شده است.

4. منطقه مورد مطالعه و داده هاي میدانی

بندر چابهار با موقعیت 60/61 درجه طول شرقی و 25/28 عرض شمالی، در جنوب شرقی استان سیستان و بلوچستان و در نزدیکترین فاصله به آبهاي آزاد جهان از طریق اقیانوس هند قرار گرفته است. اطلاعات موج استفاده شده در این مطالعه مربوط به بویه موجنگار سازمان هواشناسی و ساخت شرکت هلندي Datawell میباشد. بویه در طول و عرض جغرافیایی 60/65 درجه شرقی و 25/267 درجه شمالی قرار گرفته و عمق متوسط آب در محل استقرار بویهاس17 متر ت. با توجه به این که در منطقه مورد مطالعه اندازه گیري پارامترهاي باد بر روي دریا وجود ندارد، باید از دادههاي باد ماهوارهها، مدلهاي عددي جوي و یا ایستگاههاي سینوپتیک مجاور استفاده نمود. در این تحقیق از اطلاعات باد ثبت شده در ایستگاه سینوپتیک چابهار بعنوان ورودي مدل استفاده شده است. این ایستگاه هواشناسی نزدیک به دریا و منطقه مورد مطالعه بوده و میتواند با دقت بالایی نشان دهنده سرعت و جهت باد در حاشیه مورد نظر ما باشد. واسنجی و صحتسنجی خروجی مدل با پارامترهاي موج ثبت شده توسط بویه نیز موید این موضوع است. شکل 1 موقعیت ایستگاه اندازهگیري امواج و نیز ایستگاه هواشناسی چابهار را نشان میدهد.


اطلاعات باد اندازهگیري به صورت سه ساعته و در ارتفاع 8 متري از سطح زمین ثبت شده است. با توجه به اینکه میبایست سرعت باد براي معرفی به مدل باید در تراز 10 متري باشد، این مقدار با استفاده از رابطه (9) اصلاح شده است. این اطلاعات از سال 1963 در سازمان هواشناسی کشور موجود میباشد که البته بررسی انجام شده نشان میدهد این دادهها تا سال 1985 بطور منظم ثبت نشده است. در این مطالعه براي شبیهسازي امواج ناشی از باد، از پارامترهاي سرعت و جهت باد از سال 1985 تا 2007 استفاده شده است.


5. واسنجی و صحت سنجی مدل

در این مطالعه، مدل عددي SWAN در نسل سوم و غیر ایستا و در مختصات کروي اجرا شده است. براي واسنجی مدل، دادههاي ثبت شده توسط بویه از ساعت 24 تاریخ پانزدهم فوریه تا ساعت 24 تاریخ هفتم مارس سال 2000 انتخاب شده است. از آنجا که براي پارامترهاي باد ورودي مدل استفاده از رابطه [12] Komen منجر به پیشبینی دقیقتر ارتفاع موج مشخصه میشود [10]، از این رابطه براي رشد نمایی ورودي باد استفاده شده است. همچنین اثرات عوامل مختلف مانند اصطکاك بستر، شکست ناشی از کاهش عمق و افت ناشی از ایجاد سفیدك در راس موج مورد بررسی قرار گرفته است. تحلیل حساسیت نشان داد که از میان عوامل مستهلک کننده، پدیدههاي ایجاد سفیدك در راس موج و اصطکاك بستر بیشترین تاثیر را در نتایج حاصل از مدل سازي داشته و شکست موج تاثیر چندانی بر پارامترهاي شبیهسازي شده موج ندارد.

شاخصهاي خطاي در نظر گرفته شده براي مقایسه نتایج مدل با مشخصات موج اندازهگیري شده، ضریب همبستگی (R)، اریبی (Bias)، جذر میانگین مربع خطا (RMSE) و شاخص پراکندگی (SI) هستند که مطابق روابط زیر تعریف میشوند:

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید