مقاله بررسی پتانسیل انرژی خورشیدی در استان زنجان

بخشی از مقاله

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

بررسي پتانسيل انرژي خورشیدی در استان زنجان
چکيده
مصرف انرژي به خصوص انرژيهاي ناشي از سوخت هاي فسيلي اثرات مخربي همچون تغيير شرايط اقليمي، اثرات گلخانه اي،گرمايش شديد زمين (گرمايش جهاني)، بارش باران هاي اسيدي و افزايش مواد سرطان زا، دود وعوامل آلاينده در محيط زيست را با خود به همراه دارد.افزايش روز افزون جمعيت موجب افزايش تقاضابراي انرژي است و نيازمند يک استراتژي متوازن و درازمدت است که شامل را ه کارهاي متفاوت و خاص و به صورت منطقه اي نظير بهره گيري بيشتر از منابع انرژي جايگزين ، تکنولوژي توليد بهينه انرژي و استفاده از تکنولوژي انرژيهاي پاک توسط بخش هاي خصوصي است . بنابه گزارش هاي برنامه محيط زيست سازمان ملل متحد، تقريباً نيمي از برق توليدي جهان امروزه از انرژيهاي پاک و تجديدپذير تأمين مي شود و اين درحالي است که هزينه هاي توليد انرژيهاي خورشيدي و بادي بسرعت روبه کاهش است . هدف از اين تحقيق ارزيابي استان زنجان از نظر پتانسيل انرژي خورشيدي و شناسايي پهنه هاي دريافت انرژي خورشيدي براي بهره گيري . در اين کار ضمن بهره گيري از داده هاي تابش اندازه .بهينه از آن براي تأمين يک انرژي پاک و تجديدپذير و پايداراست گيري شده در ايستگاه هواشناسي زنجان و برخي ايستگاه هاي مجاور استان ، از برخي روابط مانند فرمول آنگسترم -پريسکات با استفاده از داده هاي هواشناسي همچون ابرناکي، ساعت آفتابي، تابش براي نقاط ديگر استان مورد محاسبه قرار داده ايم .
نقشه GIS پتانسيبل انرژي پتانسيل خورشيدي ارزيابي و با استفاده از AHPسپس با بکار گيري نرم افزارمتلب و تحليل هاي پهنه بندي ارائه شده اند.. نتايج اين تحقيق نشان داد که استان زنجان از دريافت انرژي خورشيدي داراي پهنه هاي دريافت بسيار قوي و فوق العاده قوي ميباشد. به خصوص نقاطي در جنوب و جنوب شرقي استان مستعد احداث نيروگاه ميباشد.

مقدمه
سطح زندگي بشر همواره به ميزان و نحوه ي کاربرد انرژي براي انجام فعاليت هاي خود بستگي داشته است ؛ به طوري که شناسايي منابع انرژيزا و بهره برداري بهينه از آن ها يکي از ابزارهاي مهم در جهت توسعه و خودکفايي اقتصادي هر کشور از آغاز تاريخ تاکنون محسوب مي شده است . منابع شناخته شده ي انرژي اوليه که در حال حاضر در اختيار بشر قرار دارند، شامل منابعي نظير سوخت هاي فسيلي (زغال سنگ ، نفت ، گاز طبيعي و...)، چوب و پسماند، جريان آب هاي سطح زمين مانند رودخانه ها و آبشارها، باد، امواج دريا، جزر و مد، زمين گرمايي، واکنش هاي هسته اي و خورشيد مي باشند. منشأ تمام اين انرژيها به استثناي انرژي هسته اي ، خورشيد هستند. در حال حاضر بخش اعظم انرژي جهان از سوخت هاي فسيلي، بخصوص نفت و گاز و زغال سنگ تأمين ميشود. احتراق سوخت هاي فسيلي باعث انتشار انواع آلاينده ها نظير اکسيدهاي گوگرد، نيتروژن ، منواکسيد کربن ، گازکربنيک و... در محيط زيست مي گردد و با ورود آن ها در جو زمين سلامتي انسان ها و کليه ي موجودات زنده با خطر مواجه ميگردد.
سوخت هاي فسيلي علاوه بر انتشار گازهاي مضر، داراي منابعي محدود نيز ميباشند به طوري که عمر ذخاير آن ها در آينده ي نزديک به پايان مي رسد . ، سياستگزاران امور انرژي در قرن بيست و يکم بدنبال حل مشکل با طرح بهينه سازي مصرف سوخت هاي فسيلي ، استفاده از انرژي هاي تجديد پذير به خصوص انرژي خورشيدي پيشنهاد مي دهند.
انرژي هاي تجديدپذير از قرن ها پيش به عنوان منابع انرژي بشر به شمار ميرفتند؛ اما از نيمه هاي دوم قرن هجدهم با اختراع موتور بخار و انواع مولدهاي الکتريکي، استفاده از اين انرژي ها محدود شد. آسياب هاي بادي و آبي جاي خود را به آسياب هاي الکتريکي دادند و موتورهاي بزرگ بخار و سپس ديزلي جايگزين باد شدند. مطابق پيش بيني ها در دهه هاي اول سال ٢٠٠٠ ميلادي، انرژي خورشيدي و هيدروژن بايستي به منابع عمده ي انرژي در جهان تبديل شوند و از حدود سال ٢٠٥٠ ميلادي انرژي حاصل از گداخت هسته اي فراگير ميشود.
موقعيت مکاني استان زنجان
و ١٥ دقيقه استان زنجان در قسمت مرکزي و شمال باختري کشور، بين عرض جغرافيايي ٣٥ درجه و ٣٣ دقيقه تا ٣٧ درجه است . اين شمال و طول جغرافيايي ٤٧ درجه و ١٠ دقيقه تا ٤٩ درجه و ٢٦ دقيقه خاوري از نصف النهارگرينويچ واقع شده استان ، بين هفت استان قزوين ، گيلان ،کردستان ، همدان ، اردبيل وآذربايجان غربي و شرقي واقع شده است . مرکز اين استان ، شهر زنجان است

موقعيت جغرافيايي استان زنجان : ١نقشه شهر زنجان در فلات مرتفع زنجان -ابهر به وسعت ١٤٥٢٠ کيلومترمربع بين ٤٨ درجه و ٢٨ تا ٣٠ دقيقه طول خاوري و ٣٦ درجه و ٤٠ تا ٤١ دقيقه عرض شمالي قرارگرفته است . ارتفاع شهر از سطح دريا در محل ايستگاه سينوپتيک زنجان ١٦٦٣ متر ميباشد
جغرافياي منطقه مورد مطالعه
نقطه در داخل استان با ارتفاع ٣٠٠ متر بالاتر ميانگين ارتفاع استان زنجان بيش از ١٥٠٠ متر از سطح دريا است . پست ترين از سطح دريا در منطقه طارم و بلندترين قله ي آن با ارتفاع ٢٩٠٠ متر در ارتفاعات شهرستان ماهنشان قراردارد. مساحت استان ٢٢١٦٤ کيلومترمربع است که ١.٣٤ درصد مساحت کل کشور را تشکيل ميدهد.
از نظر توپوگرافي شهرستان زنجان منطقه ي کوهستاني است که به صورت فلات مرتفعي خودنمايي مي کند و دراثر تجزيه رودخانه ها، جلگه هاي حاصلخيز مستقلي در اين منطقه تشکيل شده است . شيب عمومي شهر از شمال به جنوب و در حدود ٢ درصد ميباشد
ويژگي هاي آب و هوایی شهر زنجان و منطقه ي مورد مطالعه
تير اين شهر داراي اقليم سرد است وکمينه دماي آن درحدود ٣٠- بيشينه دماي آن ٤٠ درجه سانتيگراد مي باشد. ماه هاي سال ماه سانتيگراد سردترين ٢.٥- درجه ي با معدل دي و ماه سانتيگراد گرم ترين درجه ي ٢٣ حدود و مرداد با معدل دماي است .
ميانگين بارندگي دردوره آماري ٣٣ ساله حدود ٣٠٩ ميليمتراست که بيش ترين .متوسط روزهاي يخبندان ١١٦ روز است ميزان بارندگي درفصل بهار با ٣٥.٧ درصد وکم ترين ميزان آن درفصل تابستان با ٤.٢ درصد اتفاق ميافتد. مقدار بيشينه بارندگي روزانه با تداوم ٢٤ ساعت بادوره هاي برگشت ٢، ٥، ١٠، ٢٥ سال به ترتيب ٢٥، ٣١، ٣٥، ٤٠ ميليمتر ميباشد.
ميانگين سرعت باد در ايستگاه سينوپتيک شهر زنجان در ارتفاع ١٠متري با دوره هاي برگشت ٢، ٥، ١٠، ٢٥ سال به ترتيب متر در ثانيه است و جهت باد غالب در امتداد ٩٠ درجه نسبت به امتداد شمال است . يعني بيش تر ١٢.٧، ١٥.٩، ١٨.٥، ٢١.٤ باد از سمت خاور به باختر ميوزد.
شهر زنجان داراي چندين مسيل اصلي و فرعي ميباشد که سيلاب حوضه بالادست شهر از طريق اين مسيل ها به محدوده شهري وارد شده و به همراه آب هاي سطحي شهر به خارج از شهر هدايت ميشود. تخليه گاه نهايي سيلاب ها، رودخانه زنجان -
.]٣و٤[رود درضلع جنوبي شهر است که از سمت خاور به باختر درجريان است
محاسبه تابش وپهنه بندي
جهت توسعه تحقيقات کاربردي انرژي خورشيدي در هر منطقه برآورد پتانسيل انرژي تابشي خورشيدي در آن منطقه کاملاً ضروري ميباشد. در طراحيهاي کاربردي انرژي خورشيدي اطلاعات درست درباره تابش خورشيدي، نياز اصلي مي باشد. براي تعيين ميانگين واقعي انرژي دريافتي بر هر سطح بايد بتوان از اطلاعات دقيق تابش خورشيدي در يک دوره زماني طولاني استفاده کرد. با مراجعه به مراکز هواشناسي مشاهده ميگردد که اطلاعات دقيقي در مورد تابش خورشيدي وجود ندارد و علت آن نيز عدم وجود ايستگاه هاي تابش سنجي در بسياري از مناطق کشور ميباشد و گاهي نيز تابش سنجي هاي موجود نيز داراي خطاي اندازه گيري تا ٣٠% هستند که مهم ترين علت آن عدم کاليبراسيون دستگاه ها و يا به علت وجود گرد و غبار در آن هاست .
بنابراين براي برآورد ميزان انرژي تابشي خورشيدي دريافت شده در هر منطقه با استفاده از داده هاي همديدي و کمک گرفتن از مدل هاي تجربي که بر پايه برآورد انرژي خورشيدي طراحي شده اند ميتوانند در نبود دستگاه هاي ثبات مفيد واقع شوند. اما براي شرح و تأييد مدل ها و يا همچنين ارتباط داده هاي طولاني مدت و ساختار فضايي مدل ها، اطلاعاتي بسيار گسترده و وسيع مورد نياز است در مطالعات کاربردي نيز از تمام فاکتورهاي مؤثر نميتوان همزمان استفاده کرد به همين دليل براي پيش بيني تخمين ميزان انرژي خورشيدي فقط مي توان از تعدادي از پارامترهاي اقليمي استفاده کرد. ساعات آفتابي اولين عاملي است که در بيشتر فرمول هاي تجربي جهت برآورد ميزان انرژي خورشيدي مورد توجه قرار ميگيرد. علت آن نيز داشتن اطلاعات طولاني مدت از اين داده ها در مراکز ثبات هواشناسي ميباشد. بنابراين از داده هاي دقيق ، قابل اعتماد و هميشه حاضر براي دستيابي به ميزان دقيق تابش خورشيدي و تخمين آن به سطح زمين ميباشد. ايران به علت گستردگي طولانياش بر روي کره زمين داراي مناطق اقليمي متنوع و مختلف ميباشد و از نظر انرژي خورشيدي در منطقه اي از جهان ، با پتانسيل بالا واقع شده است . در کل فعاليت هاي نسبتاً زيادي براي برآورد انرژي خورشيدي و تخمين آن در ايران صورت گرفته است . صباغ [١٩] انرژي خورشيدي را با استفاده از ساعات آفتابي، دماي ماکزيمم هوا و رطوبت نسبي براي مناطق مختلف مصر، لبنان ، کويت تخمين زد، پالتريج و پروکتور [٢٠]١ با استفاده از ضريب ابر و زاويه سمت الرأس خورشيدي در مدل تجربي شان توانستند ميزان تابش روزانه را بر سطح افقي تعيين کنند. دانشيار [٢٣] با استفاده از مدل پالتريج – پروکتور[٢٠] و داده هاي تابش تهران اقدام به تصحيح ضرايب نمود و ميزان تابش براي تهران را با کمک اين ضرايب تخمين زد و براساس تابش مستقيم و تابش پخشي و تابش کل ضوابطي را براي محاسبه در ٣٤ شهر ايران پيشنهاد داد. صميمي [٢١]از فرمول ماينل و ماينل [٢٢]٢ استفاده کرد چون بيشترين وابستگي تابش را به ارتفاع ميدانست بنابراين توانست ضرايب ابر را براي شهرهاي ايران به دست آورد. يعقوبي و سبزواري[٢٤] با استفاده از ساعات آفتابي ضريب گذردهي جو را براي شيراز محاسبه کردند.
جعفرپور و يعقوبي [٢٥]ضرايب معادله آنگستروم را براي شهر شيراز به دست آوردند. سبزي پرور[٢٦] از ساعات آفتابي، ضريب ابر، رطوبت نسبي و ميانگين ماکزيمم دما را در مدل هاي تجربي مختلف قرار داد تا توانست ميزان ميانگين روزانه انرژي خورشيدي را براي شهرهاي مختلف ايران محاسبه نمايد. اشجه اي [٢٧]با استفاده از دو مدل دانشيار[٢٣] و برد هوستروم [٢٨]٣ توانست ميزان انرژي خورشيدي را براي چند منطقه خاص در ايران پيش بيني کند. از جمله مطالعات ديگري که در نقاط مختلف جهان انجام شده است که بر اساس استفاده از ساعت آفتابي براي تخمين ميزان انرژي خورشيدي بر سطح افق بوده است ميتوان به کارهاي ميراوغلو[٢٩]، سور که ٤[٢٩] با استفاده از ساعات آفتابي ميزان تابش را در کل ترکيه محاسبه نمودند اشاره کرد. از ديگر موارد نيز ميتوان به روابط ارائه شده توسط ال محمد ٥[٢٨]، المرکس [٣٠]٦ ژو[٣١]٧ و سورک [٣٢]٨ که با استفاده از مدل انگستروم ميزان تابش کل را بر سطح افق زمين بررسي نمودند اشاره نمود. در اين رساله سعي بر اين شد که با بررسي موارد انجام شده در نقاط مختلف جهان و بالاخص ايران و برآيند گيري از نتايج مدل هاي تجربي استفاده شده مدلي انتخاب گردد که بتوان از داده هاي موجود بهترين نتيجه را به دست آوريم .
داده ا وروش کار
١. معرفي رابطه خطي آن گستروم وتعيين ضرايب آن براي شهر زنجان ؛
٢. استفاده ازضرايب فوق وتعميم آن به شهر هاي استان ؛
٣. استتتارات ت ت ت اب ک م رس ت ت ت س ت ت ا اش ن ت ت ا ه واش ت اس ت ت يب ت ت ا ات س ت ت ف اده از م ت وس ت ت م ا ه ان ت ت ه وس ت ت ت س ا ه ال يان ه ض ريب اب ر درف رم ول آن گ س ت روم ؛
٤.ترسيم نقش هن ق ا ا ه م پ ت ان س ي ازنظر انرژي در مراس ث ب ا ه واش ت اس ي.
داده ها جهت مدل سازي تابش خورشيد از سازمان هواشناسي زنجان دريافت شدند که اين داده ها شامل داده هاي تابش شهر زنجان ، داده هاي ابرناکي، ساعات آفتابي، رطوبت نسبي دما استان زنجان شامل زنجان ، ابهر، ماهنشان ، خدابنده ، خرمدره ، آببر، مورد کنترل کيفي و کمي قرار گرفتند و عده اي از آن ها اصلاح MATLABخيرآباد بودند اين داده ها ابتدا توسط نرم افزار وعده اي نيز که خارج از محدده بودند حذف شدند.
تبديل بود که به شايان ذکر است که داده هاي تابش فقط مختص خود شهر زنجان بود که بر حسب گرديد. براي بقيه مراکز داده هاي تابش نداشتيم بنابراين براي برآورد يک مدل تجربي مناسب مي بايست م توانستيم از ساير اطلاعات و داده هاي هواشناسي کمک بگيريم .
ب رآوردت اب ش کل خ ورش يد درس ط ح زم ين
طريقه برآورد ميزان شدت تابش انرژي خورشيدي با استفاده از داده هاي ساعت آفتابي، نخست به وسيله کمبال در سال ١٩١٩ و مبناي رياضي آن پنج سال بعد توسط آنگستروم [١٧]در سال ١٩٢٤ ارائه شد که يک رابطه خطي بين تابش کلي خورشيدي و ساعتهاي آفتابي بود امروزه بعد از گذشت سال ها، هنوز هم شکل اصلي آن به نام معادله آنگستروم و هم فرم اصلاح شده آن توسط پريسکات [٣٤]و پيچ [٣٣] به صورت رابطه (١) کاربرد دارد.

ميزان انرژي تابشي روزانه به واحد سطح در ميزان انرژي تابشي روازنه به واحد سطح افقي و در اين روابط مقادير ثابتي نيستند، بلکه به b و a ضرايب بدون ديمانسيون ، ضرايب b و aاست . سطح افقي بالايي جو که بسياري از پارامترها از جمله پارامترهاي جغرافيايي و اقليمي همانند عرض جغرافيايي، ارتفاع ، ساعات آفتابي، دما و بارندگي که بيانگر تابش اندازه دارند اکينوگلو و اکويت ٩[١٥]، گو پينناتهان [٣٦]١٠، ريتول ١١ و عبدالله و بغدادي ١٢ براي محاسبه گيري شده در خارج از جو مي باشد مي توانيم به رابطه دافيه و بکمن [٣٨]١٣ اشاره کنيم که در اين رساله استفاده شد.

عرض ثابت تشعشعي خارج از جو است و مقدار آن در اين مقاله ١٣٧٣ وات بر مترمربع در نظر گرفته شده است .
مي باشد که زاويه ميل خورشيدي نسبت به استوا بر حسب درجه جغرافيايي محل موردنظر، زاويه ساعت خورشيدي بر حسب درجه مي باشد و مقدار آن را مي توان از معادله تقريبي کوپر[٣٩]١٤ محاسبه نمود.
.xمقدار آن از رابطه محاسبه مي شود

ميانگين ماهيانه ماکزيمم ساعات آفتابي (طول روز) مي باشد و مقدار آن آن از Nبيانگر ميانگين ماهيانه ساعات آفتابي و n رابطه زير بدست آوريم .

که تمامي فرمول هاي ذکر شده در اين رساله درنرم افزار مطلب تعريف گرديد.
را به کمک فرمولهاي شماره از ژانويه تا دسامبر از ساعت در تئوري ساعت آفتابي کل روزانه زنجان ( لغايت ساعت ١٤.٥ بدست آورديم .
.n داده هاي تجربي کل ساعات آفتابي روزانه زنجان از داده هاي هواشناسي گرفته شد
سپس از ژانويه تا دسامبر محاسبه گرديد.
٣. استفاده ازضريب ابرب ه ج ايس اع ات آفتابي در جهان
امروزه معادله آنگستروم به عنوان يک فرمول پايه براي اکثر مدل هاي رگرسيون به کار مي رود. در دهه شصت عده اي از دانشمندان و محققين سعي کردند که در معادله آنگستروم به جاي ساعات آفتابي از متوسط ماهيانه ابر استفاده کنند و برآيند آن فرمول (٢) بود.

در سال ١٩٦٥ بنت ١٥ به بررسي رابطه بين نسبت تابش با ضريب ابر و ساعت آفتابي پرداخت .
در سال ١٩٦٨ رابطه (٦) توسط نوريس ١٦ مورد بازبيني قرار گرفت ، در اين مطالعه نوريس نشان داد که به کار بردن ساعت آفتابي دقت بالاتري نسبت به ضريب ابر دارد و مزيت کاربردي معادله (٦) در معادله آنگستروم اين بوده که ضريب ابر احتياج به دستگاه اندازه گيري ندارد و يک پارامتر ديداري است . جعفرپور در اکثر ايستگاه هاي هواشناسي نيز داده هاي مربوط به ضريب ابر بيشتر از ساعات آفتابي در دسترس است . در اين راستا پالتريج و پروکتور در سال ١٩٧٦ چندين رابطه را که بر اساس ضريب ابر استوار بود براي استراليا ارائه دادندکه نتايج خوبي داشت و از دقت خوبي برخوردار بود. صميمي دانشيار و جعفرپور نيز در ايران در محاسباتشان از ضريب ابر استفاده نمودند. صميمي در مطالعاتش سعي نمود به جاي نسبت ساعت آفتابي از ضريب ابر استفاده کند و به همين دليل به بررسي رابطه ضريب ابر و نسبت ساعات آفتابي براي ايران پرداخت .
براي شهر زنجان تعداد روزهاي داراي داده ٢٥٦٢(٢٠١٢-٢٠٠٣) روز بود که در نمودارهاي مربوطه لحاظ شده است .
تابش آفتاب در بالاي جو بر حسب ژول بر متر مربع با استفاده از فرمول (٢) با داده گذاري اطلاعات جغرافيايي و زاويه زاويه ساعت خورشيدي با کمک فرمول (٣) بدست آمد و مقدار ميل خورشيدي نسبت به استوا و تابش روزانه زنجان که از داده هاي هواشناسي پردازش شده توسط نرم افزار در طي Hگرديد. مقدار قرار گرفت و در نهايت با کمک نمودار سال از سال ٢٠٠٣ ميلادي لغايت ٢٠١٢ استخراج شده بود در فرمول a,b ضرايب آنگسترم پريسکات شهر زنجان از سطوح زير نمودار بدست آمد. ضرايب a,b و به ترسيم شده با استفاده از پردازش a,bبدست آمده با ضرايب بدست آمده توسط محققين کمي متفاوت بود. بنابراين اين بار ضرايب داده هاي ابرناکي شهر زنجان و فرمول (ابرناکي) محاسبه گرديد که در اين محاسبات داده هاي ابرناکي از ساعت ٦ صبح همانطور که قبلاً نيز توضيح داده شد بين ٠ تا ١ CF لغايت ١٨ بعدازظهر پردازش و متوسط گيري و سپس لحاظ گرديد.
بدست آمده از رابطه a,bمتغير است که در واقع ميزان ابري بودن يا عدم ابري بودن را به صورت ٠ و ١ بيان مي کند.