بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
برآورد پتانسيل تابش خورشيدي در ايران و تهيه اطلس تابشي آن
چکيده
يکي از ارکان اصلي براي توسعه تحقيقات کاربردي انرژي خورشيدي در هر منطقه ، مطالعه و برآورد پتانسيل انرژي تابشي خورشيدي درآن منطقه است . در اين کار تحقيقي از ميان ٢١ ايستگاه تشعشع سنجي کشور فقط ٩ ايستگاه سينوپتيک که داده هاي تشعشع سنجي آن در دوره هاي آماري پنج الي يازده ساله بدست آمده است ، قابل استفاده بودند. که بعد از پالايش اين داده ها که داراي خلاءهاي آماري و بعضاً اطلاعات ناصحيح بوده اند،از آنها براي انتخاب مدل مناسب استفاده شده است .
پس از مطالعه و بررسي مدلهاي موجود براي تخمين ميانگين ماهيانه تابش کلي روزانه در سطح افق ، سه مدل رياضي آنگستروم –پريسکات ، روش حداکثر احتمال و مدل هيبريد بکار گرفته شدند.
با استفاده از روابط آماري هر يک از مدلها و برنامه کامپيوتري مناسب و بکارگيري داده هاي تشعشع سنجي پردازش شدة ٩ ايستگاه ياد شدة فوق و حل معادلات همبستگي مربوطه ، ضرائب معادلة مربوط به هريک از سه مدل فوق براي ايران بدست آمد. اين مدلهاي رياضي از نظر آزمون هاي آماري براي ايران بررسي شدند و از اين ميان ، مدل هيبريد که بهترين برازش را با داده هاي فوق دارا بود انتخاب گرديد.
حاصل اين کار تحقيقي عبارت است از ١٢ نقشه مربوطه به ميانگين روزانه تابش کل خورشيدي در هر ماه ، ٤ نقشه مربوط به مجموع انرژي تابشي کل رسيده به واحد سطح افقي براي هر فصل ، ١ نقشه مربوط به مجموع انرژي تابشي دريافتي در سطح افقي در طول سال مي باشد.
مقدمه
اطلاعات درست در مورد تابش خورشيدي اولين و مهمترين نياز در طراحي هاي کاربردي انرژي خورشيدي مي باشد. بنابر اين براي تعيين ميانگين واقعي انرژي دريافتي از خورشيد بر هر سطحي مي بايست از انداره گيريهاي دقيق سنجش تابش خورشيدي در پريودهاي زماني طولاني مدت استفاده نمود.
متأسفانه ايستگاههاي سنجش تابش خورشيدي در بسياري از مناطق وجود ندارد و برخي از اندازه گيريهاي موجود نيز داراي خطا بوده و از دقت کافي برخوردار نمي باشند. بنابر اين برآورد ميزان انرژي خورشيدي دريافتي در هر منطقه با استفاده از داده هاي سينوپتيکي و بکار بردن مدلي که بهترين نتيجه را ارائه دهد،امري بسيارضروري است .
مطالعة وسيع و چشمگير روي برآورد انرژي خورشيدي از دهة ١٩٧٠ که کاربرد انرژي خورشيدي بصورت جدّي مطرح گرديد، در اقصي نقاط جهان صورت گرفته و مدل هاي مناسبي با توجه به شرايط جغرافيايي و اقليمي مناطق مختلف ارائه گرديده است .
تغييرات زياد عرض جغرافيايي در کشور ما يکي از عوامل مهمي مي باشد که تفاوت فاحش بين شمال و جنوب کشور را به لحاظ ميزان دريافت انرژي تابشي خورشيدي موجب مي شود. بنابر اين مدلسازي مناسب جهت برآورد ميانگين ماهانه انرژي خورشيدي دريافتي روزانه در سطح افق براي مناطق مختلف کشور و در نتيجه استفاده صحيح و کارآ از انرژي خورشيدي نقش مهمي در تأمين انرژي مورد نياز کشور و بالتبع کاهش مصرف انرژيهاي فسيلي و کاهش آلودگيهاي زيست محيطي ايفاء خواهد نمود.
مطالعة حاضر بر اساس داده هاي تشعشع سنجي ايستگاههاي سيتوپتيک تهران ، اقدسيه (شمال تهران )، بندرعباس ، کرمانشاه ، اصفهان ، تبريز، يزد، رامسر و مشهد در دوره هاي آماري يازده الي پنج ساله صورت گرفته و پس از پالايش اين داده ها که داراي خلاءهاي آماري و اطلاعات نا صحيح فراواني بوده است ، از آنها براي انتخاب مدل مناسب استفاده شده است . جدول شماره (١) حاوي مشخصات جغرافيائي ايستگاههاي مورد مطالعه در ايران مي باشد.
پس از مطالعه و بررسي مدلهاي موجود، سه مدل رياضي آنگستروم – پريسکات ، روش حداکثر احتمال و مدل هيبريد براي تخمين ميانگين ماهانه تابش کلي روزانه در سطح افق بکار گرفته شده است .
با استفاده از روابط آماري هريک از مدلها و برنامه کامپيوتري مناسب و بکارگيري داده هاي تشعشع سنجي پردازش شدة ٩ ايستگاه ياد شدة فوق و حل معادلات همبستگي مربوطه ، ضرائب معادلة مربوط به هر يک از سه مدل فوق براي ايران بدست آمد.
اين مدلهاي رياضي از نظر آزمون هاي آماري براي ايران بررسي شدند و از اين ميان ، مدل هيبريد که بهترين برازش را دارا بود انتخاب گرديد.
با استفاده از مدل هيبريد ١٢ نقشه مربوط به ميانگين روزانه هر ماه از تابش کلي خورشيد و ٤ نقشه مربوط به مجموع انرژي تابشي کلي رسيده به واحد سطح افقي در سطح زمين براي فصول مختلف و يک نقشه مربوط به مجموع انرژي تابشي دريافتي ساليانه در سطح افقي براي کل کشور ترسيم شده است .
برآوردميزان تابش کلي خورشيدي رسيده به سطح زمين
اولين رابطه پيشنهاد شده براي تخمين تابش کلي خورشيدي (T.S.R) رابطة مشهور آنگستروم مي باشد. آنگستروم در سال ١٩٢٤ رابطه خطي بين T.S.R و ساعات آفتابي را بدست آورد[١]. بعدها رابطة آنگستروم توسط محققين ساير کشورهاي جهان اصلاح گرديد. در سال ١٩٢٨ فريتز (Fritz) رابطة آنگستروم را بصورت زير در آورد[ ١].
در اين رابطه Q ميانگين انرژي تابشي رسيده به يک سطح افقي و Qo ميانگين انرژي تابشي رسيده به يک سطح افقي در روزهاي صاف و بدون ابر مي باشد. a و b ضرايب بدون ديمانسيون و n ساعات آفتابي و N تعداد ساعات آفتابي ممکن مي باشد.
فريتز مطالعه خود را روي يازده ايستگاه در ايالات متحده آمريکا شروع نمود. پس از آن مک دونالد (Mac Donald)
بر اساس اندازه گيري هاي ده ساله يازده ايستگاه فوق توانست رابطه اي بصورت زير ارائه نمايد.
که ضريب همبستگي رابطه (٢) برابر ٠.٨٨ مي باشد.
دانشمندان ديگري هم کوشش نمودند تا مقادير a و b را بدست آورند [٢].مانند:
مدل آنگستروم يا به عبارت ديگر مدل آنگستروم پريسکات راحت ترين و مناسب ترين روشي است که مي توان با آن به آساني ميزان انرژي دريافتي در يک سطح افقي در روي زمين را محاسبه نموده ضرائب a و b توسط محققين کشورهاي مختلف بدست آمده است .آنها به اين نتيجه رسيده اند که ضرائب فوق مقادیر ثابتی نبوده بلکه به بسیاری از پارامتر از قبل عرض جغرافیایی و فصول سال و غیره بستگی دارد .
حتي عده اي عقيده دارند که ضرائب a و b به شرايط جغرافيايي و اقليمي هر منطقه بستگي دارد. در هر صورت رابطة آنگستروم و پريسکات بصورت زير مي باشد:
در اين روابط H=T.S.R ميزان انرژي رسيده به واحد سطح در سطح افقي و Ho ميزان انرژي رسيده به واحد سطح در سطح افقي بالاي جو که Ho=Ra مي باشد.
همانطور که ديده مي شود مقادير a و b بدست آمده توسط علماي اين رشته همگي با يکديگر فرق مي کند و در تحقيقات انجام شده در دهه اخير به ويژه در بخش مديترانه فرانسه توسط A.Louche و G.Notton و P.Poggi و G.Simonnot با طول آماري پنجساله به رابطه زير رسيده اند.
Clover و Mc Culloch بر اين باورند که ضريب a به عرض جغرافيايي بستگي دارد و از اين رو رابطه زير را جهت برآورد ميزان انرژي رسيده به سطح زمين پيشنهاد نموده اند.
سازمان جهاني خواربار FAO جهت محاسبه پتانسيل تبخير و تعرق نياز به داشتن ميزان انرژي دريافتي از خورشيد دارد و از اين رو پروفسور مونتيس پيشنهاد نموده است که در مناطق خشک هنگامي که دستيابي به داده هاي تشعشع سنجي امکان پذير نباشد مقادير ٠٢٥=a و ٠٥٠=b در نظر گرفته شود[٣].
رابطه بين تابش خورشيدي با ساعات آفتابي که توسط رايتولد (Rietveld) از رابطه آنگستروم و پريسکات بدست آمده [٤]، بصورت زير مي باشد:
با استفاده از مدل آنگستروم – پريسکات و بکارگيري داده هاي تشعشع سنجي پردازش شدة ٩ ايستگاه فوق و حل معادلات همبستگي مربوطه ، ضرائب ٠.٢٥٥١ =a و ٠.٤٤٦٦ = b بدست آمد.
در رابطه فوق ، معادله رگرسيون مربوطه با در نظر گرفتن روش حداقل مربعات بدست آمده است و ضريب رگرسيون ٠.٩ مي باشد.
اگر از ٩ ايستگاه ياد شده ، داده هاي رامسر و کرمانشاه حذف شود ضرائب بدست آمده برابر 0.25=a و ٠.٤٨ =b مي شود.
Gopinathanبراي رابطه (٣) مقادير a وb را بصورت تابعي از عرض جغرافيائي محل ، ارتفاع محل از سطح دريا و نسبت ساعات آفتابي روزانه به طول روز ارائه داده است [٥].در صورتيکه Ecevit و Akinoglu رابطه بين تابش خورشيدي با ساعات آفتابي رابصورت يک معادله درجه دوم از نسبت ساعات آفتابي روزانه به طول روز ارائه دادند[٦].
برآورد ميزان انرژي تابشي کل خورشيدي (T.S.R)
براساس روش حداکثر احتمال
(Maximum Likelihood quadratic equation)
مدل Maximum Likelihood quadratic equation (MLQM) که در اين بررسي مورد مطالعه قرار گرفته است ، تحت عنوان مدل حداکثر احتمال بيان مي گردد. يا به عبارت ديگر هدف بدست آوردن يک معادله درجه دوم نسبت به مي باشد که بتوان به آساني ميزان انرژي تابشي گلوبال خورشيدي (T.S.R) را محاسبه نمود. بر مبناي داده هاي تشعشع سنجي ٩ ايستگاه سينوپتيک ياد شده رابطه اي باضريب همبستگي ٠.٩١ و در فاصله اطمينان ٩٥% بدست آمد. اين رابطه بصورت زير مي باشد.
مدل هيبريد
اين روش توسط يانگ (K.Yang) و هوانگ (G.Huang) و تامائي (N.Tamai) جهت برآورد ميزان انرژي تابشي گلوبال خورشيدي در سال ١٩٩٩ ارائه گرديد و از نتايج درخشاني برخوردار است [٧].
اساس کار دانشمندان ژاپني بر مبناي روش آنگسترم پريسکات استوار است با اين تفاوت که به جاي استفاده از داده هاي هواشناختي از متد بينابي و اندازه گيري هاي ساعتي انرژي دريافتي مدل خود را ارائه نمودند.
هنگاميکه نور خورشيد از اتمسفر مي گذرد پنج نوع فرآيند افت يا Radiation damping در تابش خورشيد رخ مي نمايد که عبارتند از : پراکندگي رايله ، کم فروغي يا تضعيف (Extinction) بر اثر ذرات معلق در هوا (هوآويز ، يا آئروسل ها)، جذب انرژي تابشي توسط لايه ازن و بخار آب و گازهاي دائمي جو که اين عوامل توسط توابع تراگسيله نشان داده مي شود ( طول موج مي باشد). براي بررسي اثر همه تراگسيله ها بايستي ابتدا تراگسيله شعاعي و تراگسيله پخشي يا ( را تعريف نمائيم .
و اندازه تراگسيله پخشي متناسب است با
که مقدار Io از رابطه زير بدست مي آيد.
Ioi شدت تابش هر طول موج نور بر حسب است .
اکنون با توجه به روابط فوق به آساني تابش موثر شعاعي وتابش پخشي بدست مي آيد.
در روابط فوق زاويه فراز يا زاويه ارتفاعي خورشيد مي باشد.
تابش شعاعي و پخشي اصولاً بستگي به موقعيت خورشيد دارد و مقدار از طلوع تا غروب خورشيد تغيير مي کند و اندازه آن بستگي به مکان خورشيد و زمان دارد.
در روزهاي ابري قسمتي از انرژي تابشي خورشيد توسط ابر پخش و پراکنده و جذب مي شود که ميزان آن بستگي به نوع و ضخامت و ارتفاع ابر و طول مسير ديدگاني نور يا air mass دارد.
تراگسيلندگي تابش خورشيد از ميان ابرها (آسمان تمام ابري )
هارويتز (Haurwitz) رابطه بين انرژي رسيده بيک سطح افقي در روي زمين و نوع ابر در منطقه بلوهيل ماساچوست (Blue Hill Mass) را در شرايط تمام ابري مورد مطالعه قرار داد و نسبت خورتاب گيري (Insolation) در آسمان تمام ابري به خورتاب گيري در آسمان صاف با توجه به مسير ديدگاني نور خورشيد، بعبارت ديگر Optical airmass را بصورت جدول زير ارائه نمود.
