بخشی از مقاله
چکیده
پتانسیل باد، برای تولید انرژی پاک، در بسیاری از نقاط ایران قابل توجه است. در این مقاله یک تحلیل آماری روی دادههای بادی ایستگاه فدشک در استان خراسان جنوبی انجام شده و همچنین یک توربین محور افقی برای این ایستگاه طراحی شده است. به منظور برآورد اولیه انرژی باد در این ایستگاه محاسبات لازم بر روی اطلاعات آماری اندازهگیری شده توسط سازمان انرژیهای نو ایران انجام شده است. با توجه به نوع دادهها سعی شده محاسبات در یک بازه یکساله انجام گیرد. ابتدا سرعت باد در ارتفاعهای متری، متری ومتری در ماههای مختلف مطالعه شده است. این ایستگاه دارای میانگین سرعت به ترتیب ومتر بر ثانیه در ارتفاع های یاد شده است. همچنین گلباد بیشترین جهت وزش باد بررسی گردیده است. جهت غالب باد نیز در طول سال برای ایستگاه فدشک بدست آمده است که تقریبا در طول سال جهت باد ثابت و از سمت جنوب شرقی میباشد. این موضوع در امر چیدمانی توربینها مهم است و ثابت بودن جهت باد مزیت عمدهای برای نیروگاه میباشد. با تخمین پتانسل انرژی باد توسط تابع توزیع احتمال ویبول برای دوره مورد بررسی، چگالی توان باد بدست آورده شده و با انتخاب دو توربین باد متفاوت در حالت واقعی، میزان انرژی که سالانه از این سایت حاصل می شود، برآورد شده است.
واژههای کلیدی: انرژی باد، ایستگاه فدشک، توربین بادی محور افقی، توزیع ویبول، چگالی توان، گلباد.
مقدمه
در سال ًًٍَ مصرف انرژی جهان معادل ُُْ اگزاژول - - 4.74 1020 J بوده که ًَ تا ًُ درصد انرژی مصرفی جهان از منابع فسیلی حاصل شده است] ٌ.[ این در حالیست که پتانسیل انرژی باد به عنوان یکی از منابع تجدیدپذیر انرژی حدود ٌِ برابر مصرف انرژی جهان است] ٍ.[ امروزه استفاده از این منبع انرژی با نرخ رشد فزاینده ای در حال افزایش است. بر اساس آمارهای منتشر شده از سوی انجمن انرژی باد اروپا، در سال ًًٍَ حدود َُ درصد از تجهیزات نصب شده جدید جهت تولید انرژی در اروپا مربوط به انرژی باد بوده است]َ.[ در ایران، به عنوان اولین تمدنی که ًًُ سال قبل از میلاد از انرژی باد برای پمپ آب و خرد کردن دانه استفاده کرده است] ُ[، فعالیتهایی در راستای تولید توان از منابع بادی در حال انجام است.
در ایران، ظرفیت تولید ًٌ هزار مگاوات برق از نیروگاههای بادی پیشبینی شده است که در حال حاضر نیروگاه بادی منجیل باظرفیت ًْ مگاوات و نیروگاه بادی بینالود با ظرفیت ٍَ مگاوات برق تولید میکند] ِ.[ طبق گزارش سازمان جهانی انرژی باد]ّ [، ایران با َ/ٍَ% رشد در رده سی و پنجم تولید برق بادی جهان در سال ًًٍَ قرار داشته است. آمریکا، آلمان، اسپانیا، چین و هند با تولید ًٍ هزار تا ًٌ هزار مگاوات در ردههای نخست قرار دارند. در زمینه بررسی منابع انرژی باد در ایران جهت تولید برق کارهای متعددی تاکنون انجام شده است که از آن جمله میتوان به تهیه اطلس باد کشور توسط سازمان انرژیهای نو اشاره کرد]ِ.[ رحیم زاده و جهانگیری] ْ[
با استفاده از روشهای آماری و اطلاعات هواشناسی سرعت و چگالی انرژی باد را در چند ایستگاه هواشناسی کشور بررسی نمودند. گندمکار و همکاران] َ[ تغییرات سالانه و روزانه سرعت باد در منطقه سیستان را جهت تولید برق بادی مورد مطالعه قرار دادند. عامری و همکاران]ُ[، پیشرفتهای اخیر در توسعه انرژی باد در کشور را با اشاره ای به تهیه نقشه صفر اطلس بادی کشور بیان نمودند. آنها با یک مطالعه نرم افزاری توسط ECOWIND و با استفاده از دادههای آماری باد، منحنی عملکرد توربین باد و پارامترهای اقتصادی تخمین مناسبی برای قیمت تمام شده برق پیدا کردند که بررسیهای آنها حاکی از اقتصادی بودن برق تولیدی در نیروگاه بادی منجیل و بینالود است.
همچنین پتانسیل انرژی باد در منطقه منجیل توسط مصطفایی پور و ابرقوئی] ًٌ[ بررسی شد که این منطقه به عنوان یکی از مناطق بادخیز جهان معرفی شده است.در این مقاله پتانسیل انرژی باد در ایستگاه فدشک] ِ[ در استان خراسان جنوبی، در ٌٍ ماه متوالی مورد بررسی قرار گرفته است. پتانسیل انرژی باد در این ایستگاه با استفاده از تابع توزیع احتمال ویبول برآورد شده است. همچنین پتانسیل تولید توان توسط دو توربین باد که نمودارهای عملکرد آنها در سرعتهای مختلف موجود است محاسبه شده است.
ٍ-ایستگاه مورد مطالعه
فدشک دهی است از دهستان مرکزی بخش خوسف شهرستان بیرجند، واقع در ّ هزارگزی جنوب باختری خوسف و َ هزار گزی جنوب جاده شوسه ع مومی خوسف به خور. ناحیهای است واقع در جلگه و گرمسیر که از قنات و رودخانه مشروب میشود. محصولاتش غلات و پنبه است. اهالی به کشاورزی گذران زندگی میکنند. بر اساس سرشماری سال ٌََِ مرکز آمار ایران جمعیت آن بالغ بر ًٌََ نفر بوده است. لذا توان kWًٌ برای این منطقه مناسب میباشد. اطلاعات سرعت و جهت باد از تاریخ ٌ/ٌ/ًًٍْ - ٌٌ/ًٌ/ٌََِ - تا ٌ/ٌ/ًًٍَ - ٌٌ/ًٌ/ٌََّ - ، در فواصل زمانی ًٌ دقیقه برای هر داده برداری، استفاده شده است]ِ.[
تحلیل آماری دادههای بادی
-توزیع ویبول - Weibull distribution -
برای تعیین پتانسیل انرژی باد در یک سایت مورد نظر و تخمین انرژی خروجی از این سایت از روشهای آماری استفاده می شود. اگر سری زمانی دادههای اندازهگیری شده در یک ارتفاع خاص موجود باشد میتوان تابع توزیع چگالی احتمال سرعت را بصورت زیر نوشت]ُ:[
که در آن U نمایانگر سرعت و 1p - U - dU یکی از این توابع که صحت آن با اندازهگیری در نقاط مختلف جهان ثابت شده است، تابع توزیع چگالی احتمال ویبول است که نیازمند دو پارامتر k - ضریب شکل - و c - ضریب مقیاس - است و به فرم زیر میباشد:
همچنین تابع توزیع انباشتگی - - cumulative distribution function که برای تخمین زمانی که سرعت باد در یک بازه خاص قرار میگیرد به صورت رابطه - َ - است است]ٌٌ،ُ:[
برای تعیین c و k از روابط تجربی زیر استفاده می شود ]ٌٍ،ُ:[
رابطه تجربی ارائه شده توسط Justus
با داشتن انحراف معیار و سرعت متوسط میتوان ضرایب k و c را مطابق فرمول زیر بدست آورد.در رابطه اخیر، تابع گاما میباشد.
رابطه تجربی Lysen
در روش فوق ابتدا ضریب k از معادله - ُ - بدست آمده و سپس به کمک معادله زیر مقدار c بدست میآید.در رابطه اخیر U ، انحراف معیار استاندارد و U، سرعت متوسط دادهها است.
چگالی توان
چگالی توان باد - توان باد بر واحد سطح - به دانسیته هوا - در شرایط استاندار سطح دریا kg 1.225 - و توان سوم سرعت باد بستگی دارد. توان باد علاوه بر این به مساحت جاروب شده توسط روتور توربین باد - قطر روتور - وابسته است. چگالی توان متوسط به صورت زیر تعریف می شود:
همچنین چگالی انرژی باد در یک بازه زمانی داده شده عبارتست از:
نسبت Ke بعنوان ضریب الگوی انرژی تعریف شده که برابر توان کل در دسترس باد به توانی که از مکعب کردن سرعت متوسط حاصل می شود، است.برای تخمین توان کلی که از نصب یک توربین باد میتوان در یک سایت بدست آورد، Pw با داشتن تابع توزیع چگالی احتمال سرعت باد، p - U - ، و نمودار توان توربین، - Pw - U ، داریم:
