بخشی از مقاله
چکیده
کشور ایران با توجه به موقعیت جغرافیایی آن به تناوب در فصول گرم و سرد سال تحت تاثیر سیستمهای مختلف آب و هوایی قرار میگیرد. قرار گرفتن شهر آبادان در میان دریای خلیج فارس و دامنههای رشته کوه زاگرس باعث وجود استقرار الگو های متناوب فشار در فصول مختلف سال گردیده، همچنین اختلاف ارتفاع از سطح دریا و دمای هوا ما بین دریای خلیج فارس و مناطق معتدلتر دامنههای زاگرس، باعث ایجاد یکی از انواع بادهای نسبتا شدید محلی در جنوب غربی ایران شده است. در این مقاله ابتدا تاثیر عوامل آب و هوایی در ایجاد باد در یک منطقه و روابط مربوط به آنالیز انرژی و توان حاصله از باد ارایه شده است، سپس به منظور امکانسنجی احداث نیروگاه بادی در شهر آبادان، دادههای انرژی باد ثبت شده در ایستگاه باد سنجی که در طول یکسال بدست آمده است، تحلیل گردیده است. در نهایت و بر طبق نتایج بدست آمده از آنالیز آماری سرعت باد، دما و فشار منطقه مذکور، نشان داده میشود که این منطقه طبق کلاس بندی جهانی، در کلاس 4 قرار گرفته است و این بدان معناست که شهر آبادان دارای شرایط خوبی به منظور احداث نیروگاه بادی است.
- 1 مقدمه
باد از عناصر اقلیمی است، که در اثر اختلاف فشار بین دو نقطه مجاور هم به وجود می آید. اختلاف فشار تحت تاثیر عوامل مختلف دینامیکی جو، عوارض سطح زمین و تغییرات متوسط تابش خورشید قرار دارد. به طوری که اختلاف فشار بین دو نقطه کانون فشار به هر اندازه بیشتر باشد، به همان اندازه سرعت باد بیشتر خواهد بود .[1] تغییرات مستمر سرعت باد در طول روز و نیز در طول سال تاثیر مستقیمی بر قدرت تولیدی نیروگاه بادی و قیمت تمام شده برق برای مصرف کننده دارد. این تغییر در سرعت ممکن است باعث بالا رفتن وپایین آمدن قیمت و ارزش برق تولیدی در هر منطقه شود. از این رو می بایست به منظور تشخیص و شناسایی مکانهایی که قابلیت تولید برق از انرژی باد دارند و ساعاتی که میتوان برق تولید نمود، به بررسی دقیق آب و هوا و عوامل موثر بر آن پرداخت .سطح انرژی حاصله از توربین بادی وابستگی مستقیم به فاکتورهای همچون سرعت باد، جهت باد، چگالی هوا، اوقات مختلف شبانه روز و فصل های مختلف سال دارد. با توجه به اینکه این فاکتور ها در طول زمان تغییر و نوسان دارند، در نتیجه انرژی حاصله از نیروگاه بادی نیز می تواند در زمانهای مختلف، مقادیر مختلفی را به خود اختصاص دهد .[3] با این وجود باز هم از انرژی باد استفادههای گستردهای در نقاط مختلف جهان می شود، چرا که مرجع اصلی تولید انرژی رایگان بوده، و از محاسن آن همچنین می توان به عدم آلایندگی و کمک به حفظ محیط زیست، عدم استفاده از سوخت فسیلی برای برق، زمان نصب و راه اندازی اندک و ایجاد اشتغال نام برد.کشور ایران از سال 1373 با احداث نیروگاه توربینهای بادی در منجیل توسط سازمان انرژیهای نو و وزارت نیرو شروع به تولید برق از انرژی باد نمود. در حال حاضر در ایران تنها در منجیل و نیشابور نیروگاههای بادی احداث شده است و توان برق بادی تولیدی کشور 130مگاوات است که با توجه به مقدار قابل توجه پتانسیل باد در ایران و نیز اینکه ایران جزء مناطق باد خیز جهان محسوب میشود، این مقدار بسیار ناچیز است و می بایست مطالعات لازم برای شناسایی محلهای مستعد و باد خیز کشور صورت گیرد . در همین راستا، در این مقاله به پتانسیل سنجی شهر آبادان به منظور احداث نیروگاه بادی پراخته شده است. در مطالعات اولیه که به منظور تهیه اطلس باد کشور صورت گرفته است، این منطقه جزء مناطق باد خیز کشور شناسایی شده است بدین منظور رژیم و پتانسیل جریان باد، با استفاده از داده های روزانه و در یک بازه زمانی یک ساله ایستگاه باد سنجی مستقر در منطقه آبادان و نیز تحلیل های آماری داده ها بررسی گردیده است. نتایج تحلیل ها نشان می دهد که این منطقه طبق تقسیم بندی اطلس باد امریکا دارای کلاس4 می باشد، و از این رو برای احداث نیرو گاه بادی دارای شرایط مناسب و خوبی است.
- 2 منطقه مورد مطالعه
جزیره آبادان در 30 درجه و 22 دقیقه عرض شمالی و 48 درجه و 15 دقیقه طول شرقی در گوشه شمال غربی خلیج فارس مابین مصب رود بهمنشیر و اروندرود واقع است. از شمال به رود کارون و از شرق به رود بهمنشیر و از غرب به اروند رود و از جنوب به خلیج فارس محدود میشود. حداکثر طول جزیره 46 کیلومتر و عرض آن در نقاط مختلف متفاوت و میان 3 تا 20 کیلومتر است و از راه آبی بهمنشیر و اروندرود به خلیج فارس ارتباط دارد. حداکثر ارتفاع آن از سطح دریا 3 متر است. آب و هوای آن گرم و مرطوب و در منطقه معتدله قرار دارد. میانگین دمای سالانه برابر با 26.5 درجه سانتی گراد می باشد .[7]
-1-2باد های آبادان
بادهای آبادان بر سه نوع است.
نخست »بادهای منظم فصلی« که در اثر تغییرات فشار هوا در فصلهای مختلف سال به وجود میآیند و معمولاً شدید نیستند، مگر عامل جوی دیگری موجب تشدید آنها شود.
دوم »بادهای محلی« که خود بر دو نوع است: »باد شمال« و »باد شرجی.« باد شمال از جریانهای مدیترانهای است که به ایران میرسد. این باد در تابستان به طور خشک و دایمی میوزد. باد شمال در زمستان اغلب طوفانهای ناگهانی و خطرناکی بوجود میآورد ولی در تابستان از 15 خرداد تا آخر تیر - 40 روز - با نظم و شدت فوقالعاده میوزد. باد شمال کلاً 9 ماه در آبادان میوزد.باد شرجی از جنوب غربی میوزد و با عبور از خلیج فارس مرطوب شده و با توجه به بالا بودن درجه حرارت هوا این باد بسیار نامطلوب است و سبب تغییرات کلی در آب و هوای آبادان میشود. این تغییرات آب و هوایی جزیزه آبادان و حوالی آن را به شدت تحت تأثیر قرار میدهد. این باد از زمستان تا اواسط بهار در آبادان میوزد، اما معمولاً در اوایل تابستان هم احساس میشود.
نوع سوم بادهای آبادان »باد سموم« یا »سام« است که از عربستان میوزد و همیشه خاک و شن همراه دارد. این باد بسیار خشک، گرم و سوزان است .
-3مشخصات سایت و ایستگاه هواشناسی نصب شده و داده های مورد استفاده
یک دکل هوا شناسی به ارتفاع 40 متر توسط مرکز توسعه انرژیهای نو سازمان انرژیهای نو و هوا شناسی در محل مناسب نصب شده است. دیتالایگر استفاده شده دارای سه عدد سنسور سرعت باد در ارتفاع 10، 30 و40 متر، دو سنسور جهت در ارتفاع 37.5 و 30 متر، سنسور دما در ارتفاع 5 متر و سنسور رطوبت می باشد.دقت سنسور سرعت 0.1 متر بر ثانیه و بازه اندازه گیری آن از 0 تا 96 متر بر ثانیه می باشد .این داده ها به صورت هر 10 دقیقه یکبار ثبت گردیده است. در این مقاله از داده های مربوط سنسور سرعت در ارتفاع 40 متر و سنسور دما در بازه زمانی 2008/8/15 تا 2009/8/14 - یکسال - استفاده شده است و حاصل نتایج بررسی به صورت نمودار بیان شده است
-4آنالیز تئوری
همانطور که میدانیم باد ماهیت تصادفی دارد، و نیروگاههای بادی بر خلاف نیروگاههای مرسوم دیگر که توان خروجی ثابتی دارند، دارای توان خروجی متغیری است. برای اینکه بتوانیم از عملکرد نیروگاههای بادی در برابر سایر نیروگاهها دفاع کنیم و کار کرد آنها را توجیه کنیم، توانایی لازم برای پیش بینی و محاسبه انرژی حاصله ممکن از این نیروگاه بسیار لازم و حیاتی است. که به این منظور روش های مجزا و گوناگونی وجود دارد، که اغلب بر پایه مقایسه و ترکیب اطلاعات وابسته به هواشناسی و در پروسه های زمانی تقریبا بلند مدت استوار است .سیستم های تولید برق سرعت متغیر، فرکانس متغیر، نسبت به حالت های دیگر که دارای سرعت ثابت میباشند، انعطاف و کارایی بیشتری برای استفاده در نیروگاه های بادی دارند چراکه در این حالت فشار کمتری بر روی توربین بادی وارد می شود و موجب دستیابی به ماکزیمم بهره وری در تمامی سرعت های باد می شود .
-1-4انرژی باد
انرژی حاصله از باد طبق رابطه 1 به عوامل مختلفی بستگی دارد، که مهم ترین عامل در آن سرعت باد V می باشد، چرا که انرژی حاصله با توان سوم سرعت رابطه مستقیم دارد
که در آن 0 چگالی هوا در دما و فشار استاندارد
100 kPa - و - c 25 می باشد که برابر است با - kg - 1.225، Rd
ثابت گاز برای هوای خشک، T دمای محیط بر حسب درجه
کلوین، درصد خطای دما برای اتمسفر استاندارد - c - 6.5، z
ارتفاع توربین از سطح دریا و g شدت جاذبه می باشد. همانطور که از رابطه 2 مشخص است به دلیل اینکه دما در فصل زمستان پایین تر از فصل های دیگر سال است و در این رابطه مقدار چگالی هوا با دما رابطه عکس دارد، در نتیجه چگالی هوا در فصل زمستان بالا تر است و بالطبع انرژی دریافتی از توربین بیشتر می شود. عامل بسیار مهم دیگر در میزان توان استحصالی از یک توربین بادی تعداد ساعات امکان تولید برق می باشد، به این ترتیب که یک توربین تنها در شرایطی قابلیت تولید برق را دارد که سرعت باد برخورد کننده به پره های توربین از سرعت وصل بیشتر و از سرعت قطع کمتر باشد، در غیر این صورت امکان تولید برق به دلیل غیر اقتصادی بودن وجود ندارد .[3]
-2-4استفاده از تابع توزیع ویبول در محاسبه انرژی باد
از آنجا که باد ماهیت تصادفی دارد، با اندازه گیری های طولانی در بازه های زمانی مختلف از تابع توزیع ویبول1 برای محاسبه انرژی باد استفاده می شود .[4] که در رسم نمودار مربوط به سرعت- تناوب از این تابع استفاده شده است.
که در آن V سرعت باد - m - ، C ضریب اندازه و k ضریب شکل می باشند، که به ترتیب از روابط 4 و 5 بدست می آیند .که در آن V i سرعت باد در بازه زمانی i و n تعداد تعداد سرعت غیر صفر باد است با ترکیب رابطه 1 و مفاهیم و رابطه های تابع توزیع ویبول، می توان چگالی توان باد2 در یک سایت نیروگاه بادی را از رابطه 6 بدست آورد که در آن تابع ریاضی گاما می باشد. اگر بخواهیم انرژی تولیدی توربین را در بازه زمانی T بدست آوریم، از رابطه 7 استفاده می کنیم و داریم :
در این رابطه V I سرعت وصل - - Cut-in ، V R سرعت نامی و V O
سرعت قطع - - Cut-off و PR توان نامی ثابت در سرعت نامی V R می
باشد. اگر P را با رابطه 1 و F - V - را با رابطه 3 جایگزین کنیم،
آنگاه می توانیم به رابطه 8 برسیم
-3-4شدت توربولانس
فاکتور مهم دیگر در انتخاب یک سایت برای احداث نیروگاه بادی شدت توربولانس3 جریان باد منطقه میباشد. شدت توربولانس به زبری سطح، سرعت باد، ارتفاع، پایداری اتمسفر و عوارض طبیعی منطقه وابسته است. خستگی سازه توربین، کنترل توان خروجی به توربولانس باد حساس هستند و با افزایش توربالانس بارهای خستگی مضر برای سازه توربین افزایش می یابند. شدت توربالانس از رابطه زیر بدست می آید .
