مقاله مکانیابی مزارع نصب توربین های بادی

بخشی از مقاله

مکانیابی مزارع نصب توربین های بادی

چکیده

بهره برداری از انرژی بادی از جمله کاربردهای سبز تولید انرژی و مورد علاقه جامعه کنونی بشری است. همچنین از عمده کاربردهای دیگر آن، بهره برداری به منظور پمپاژ آب در نواحی مختلف جهت کشاورزی،دامپروری، آبیاری مراتع و جنگل هاو غیره می باشد .این عمل با استفاده از پمپ توربین های بادی میسر می شود.مسأله انتخاب مکان جهت نصب توربین های بادی مولد برق،به دلیل حجم سرمایه گذاری بالا نسبت به پمپ توربین های بادی، با دقت بیشتری صورت می گیرداصولاً. ایجاد مزارع توربین های بادی دارای چند مرحله ی اساسی می باشد.در این مقاله سعی شده است به طور دقیق و مفصل به بررسی پارامترهای لازم برای انتخاب مکان مناسب- به عنوان اولین و به نوعی مهم ترین مرحله ی امکان سنجی مزارع توربین های بادی- نصب مولدهای بادی پرداخته شودمعمولاً. ویژگیهای اقلیمی محل که وضعیت باد،بادغالب،فشار،دما و مخاطرات جوی را شامل می شود،ویژگی های جغرافیایی محل که شیب و ارتفاع را شامل می شود،ویژگی های افتصادی – اجتماعی،مسائل زیست محیطی و زمین شناسی محل از مهمترین پارامترهای لازم برای انتخاب مکان مناسب احداث مزارع توربین های بادی هستند. بدیهی است مکان نصب مولد بادی باید دارای سرعت متوسط بالا و تداوم مناسب وزش باد باشد. از این رو بررسی سرعت و سایر پارامترهای باد، اولین و مهمترین گام در ارزیابی استعداد یک منطقه برای نصب نیروگاه های بادی محسوب می شود. مکان مولد بادی باید علاوه بر موقعیت مناسب از نظر بادخیز بودن به گونه ای انتخاب گردد که بالاترین بهره اقتصادی، کمترین تأثیر تخریبی بر روی محیط اطراف(عدم نیاز به تغییر شرایط موجود در منطقه و تجهیزات پیچیده) و دوام بالا در برابر لرزشهای زمین را دارا باشد .بنابراین مکان و ساختارنصب توربین های بادی نقش بسیار مهم و اساسی در عملکرد بهینه مولد بادی خواهد داشت و کوتاهی در مطالعات مربوط به پارامترهای مکانیابی مزارع توربین های بادی،هدر رفت سرمایه را به دنبال خواهد داشت.

کلمات کلیدی:مکانیابی،پارامترهای مکانیابی،توربین های بادی،برق بادی،مزارع نصب.

1

مقدمه

توسعه صنعتی با استفاده از انرژی میسر شده است .در حالی که امنیت کشورها به انرژی وابسته می باشد، بشر با دو بحران بزرگ یعنی آلودگی محیط زیست در اثر احتراق سوختهای فسیلی و دیگر،شتاب فزاینده در راستای به پایان بردن این منابع روبرو می باشد .برای رسیدن به توسعه پایدار، اعمال مدیریت مصرف انرژی و استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر از ضروریات بسیار مهم می باشد .در کشورهای صنعتی این انرژیها همگام با پیشرفت فناوری رایج شده و مراحل پیشرفت و توسعه خود را روز به روز سریعتر طی می نماید(سرمستی امامی،1390، .(38

سابقه ی استفاده از انرژی باد به5تا6هزار سال قبل می رسد.در آن زمان مصریان قایق های خود را به بادبان مجهز کرده و از انرژی باد برای رفت و آمد بر روی رودخانه ی نیل استفاده می کردند.گرچه کشور چین و حوزه ی شرقی مدیترانه نیز به زادگاه مولدهای بادی تعلق دارند،با این وجود افتخار ابداع اولین آسیاب بادی در 2200سال قبل به نام ما ایرانی ها به ثبت رسیده است(کاویانی،1374، .(130

پس از وقوع بحران جهانی نفت در دهه 70 میلادی، کشورهای صنعتی و پیشرفته جهان به این نتیجه رسیدند که نمی باید تنها بر یک منبع تأمین انرژی، یعنی سوخت فسیلی اعتماد و تکیه نمایند. در نتیجه تنوع بخشیدن به منابع تأمین انرژی به عنوان یکی از اصول راهبردی کشورهای مذکور در آمد. انرژیهای نو (باد، خورشید، زمین گرمایی، زیست توده، هیدروژن) به دلیل رایگان بودن منبع انرژی و نیز جنبههای مثبت زیست محیطی آن به عنوان یکی از منابع اصلی تأمین انرژی کشورهای پیشرفته انتخاب گردید. اقتصادی و پیشرفته نبودن تکنولوژی انرژیهای نو یکی از مشکلات و موانع اولیه این انتخاب بود. کشورهای صنعتی پیشرفته جهان، برای رفع مشکلات مذکور پشتیبانی و حمایت گسترده ای از انجام تحقیق و توسعه 1(R&D) در زمینه انرژیهای نو به عمل آوردند(پرخیال و همکار،1386، .(1

ایران به دلیلموقعیّت خاص جغرافیایی و قرارگرفتن در یک منطقه کم فشار نسبت به مناطق پر فشار شمال و شمال غرب به طور کلی در زمستان و تابستان در مسیر بادهای عمده زیر قراردارد:

-1 بادهایی که در زمستان از اقیانوس اطلس و دریای مدیترانه و نیز از آسیای مرکزی می وزد.

-2 بادهایی که در تابستان از طرف اقیانوس هند و هم چنین از شمال غرب به سمت ایران می وزد.

2

در مطالعه ای که توسط محققین دانشگاه صنعتی شریف برای مرکز مطالعات انرژی وزارت نیرو انجام گرفته در مناطق شمال غرب، شمال، شمال شرق و شرق کشور ( 26 منطقه شامل 45 ساعت) 6500 مگاوات پتانسیل انرژی باد شناسایی شده که با چنین ظرفیتی می توان 19900 مگاوات ساعت برق تولید نمود(چاپارزاده،1378، .(5

قابل توجه است که ظرفیت جهانی تولید انرژی پاک از باد،درهر سه سال، دو برابر می شود.مجموع ظرفیت مزارع بادی نصب شده در ایران تا پایان سال 1388معادل 83 مگاوات بوده است که در مزارع بادی در نیروگاه های بادی منجیل، سایت بینالود واقع در استان خراسان رضوی و سایت لوتک واقع در شهر زابل؛ نصب گردیده است(رجبعلی نژاد،.)www.payamenaft.com

انرژی باد اغلب در دسترس بوده و هیچ نوع آلودگی بر جای نمیگذارد و میتواند از نظر اقتصادی نیز در دراز مدت قابل مقایسه با سایر منابع انرژی شود. لذا تولید انرژی از باد با استفاده از تکنولوژی پیشرفته و در ابعاد بزرگ لازم و ضروری جلوه کرده است.

به طور کلی انواع نیروگاههای بادی شامل:

-1 نیروگاههای ساحلی: سرعت باد در این مکان از مشخصههای سرعت باد در دو ناحیه دریا و ساحل دریا برخوردار میشود. -2 نیروگاههای دور از ساحل در دریاهای آزاد: توربینهای بادی نصب شده در این مکان کمتر از توربینهای نصب شده در روی خشکی مزاحم هستند چون از فاصله دور صدای آنها کمتر به گوش میرسد. از آنجائی که ناهمواریهای سطح آب مخصوصاً در ناحیه عمیقتر بسیار کمتر از پستی و بلندیهای روی زمین است میانگین سرعت باد در منطقه باز آب به مراتب بیشتر از میانگین سرعت آن در خشکی است.

-3 نیروگاههای هوایی(معلق در هوا): این نیروگاهها هنوز تکمیل نشده و در حال ساخت می باشند. آنها براساس توربین بادی با محور عمودی کار می کنند وتوسط بادبادکهایی در هوا شناور می مانند.بادهایی با سرعت 322 کیلومتر در ساعت پره های آنها را می چرخاند و هر توربین می تواند 20 مگاوات برق تولید کند(گروه بوم سا،.)webgozar.com

برای مطالعات مربوط به امکان سنجی و یا مکانیابی احداث و ایجاد مزارع نصب توربین های بادی چند مرحله ی مجزا وجود دارد.در این چند مرحله که شامل انتخاب سایت مناسب برای مزرعه ی بادی،انتخاب مدل مناسب توربین بادی،وضعیت موضعی باد و ارزیابی سایت و تخمین انرژی سالیانه خروجی سایت می باشد،مهمترین مرحله همان مرحله ی اول،یعنی انتخاب یک سایت مناسب می باشد زیرا درصورتی که مکانیابی اولیه دقیق و علمی صورت پذیرد مراحل دیگر نیز با موفقیت طی می شوند.به همین دلیل در این مقاله سعی شده است تا به بررسی پارامترهای اقلیمی،جغرافیایی،اقتصادی – اجتماعی ، زیست محیطی و زمین شناسی مؤثر درمکانیابی و امکان سنجی اولیه ی نصب توربین های بادی پرداخته شود.

3

عوامل مؤثر در مکانیابی مزارع نصب توربین های بادی:مطالعات امکان سنجی اولین گام در احداث مزارع بادی است که هدف نهایی آن، ارزیابی امکان پذیر بودن تأسیس یک نیروگاه بادی به لحاظ فنی، اقتصادی، زیر ساختهای مورد نیاز و غیره دریک سایت مشخص با استفاده از توربینهای بادی معین می باشد.عوامل تأثیرگذار بر اطلاعات مورد نیاز جهت امکان سنجی احداث یک نیروگاه بادی عبارتند از :داده های پتانسیل سنجی، داده ها و نقشه های توپوگرافی و کاربری اراضی منطقه، مشخصات فنی کلی توربین و درنهایت تلفات انرژی در مزرعه بادی می باشد(حسینی،1391، .(3186

به منظور احداث یک نیروگاه بادی مراحل ششگانه زیر باید به طور موازی انجام گیرد:

-1 در این مرحله با فراهم نمودن زمین مورد نظر طرح با توجه به تعداد توربین ها و ظرفیت کل آنها اقدام می شود .بررسی مسائل حقوقی شامل موارد زیر می باشد:
1-1 خریداری، رهن و یا اجاره زمین مورد نظر چنانکه زمین از طرف دولت و یا صاحب ملک، اهدایی نباشد. 1-2 راه های ارتباطی به زمین مورد نظر بررسی و اقدامات ضروری از هر حیث در این خصوص به عمل می آید. 1-3 از سازمان های ذیربط با طرح از جمله سازمان منابع طبیعی مجوز لازم اخذ می شود.

1-4 از سازمان حفاظت محیط زیست مجوزهای زیست محیطی لازم اخذ می شود. -2 در این مرحله از نظر زمین شناسی سه گونه بررسی به عمل می آید:

2-1 بررسی استحکام زمین (سختی و سستی توده خاک). 2-2 بررسی از نظر لایه های استراتیگرافی زمین. 2-3بررسی از نظر زلزله خیز بودن زمین.

-3 بررسی از نظر مورفولوژی یا شکل زمین(پستی و بلند یهای زمین) و تهیه نقشه های دیجیتالی منطقه: 3-1دشت(زمین صاف و مسطح).

3-2 کوه ها و تپه ها با پستی و بلند ی های زیاد و کوهپایه ها. 3-3 زمین های ساحلی دریاها با و بدون کو هها در نزدیکی.

3-4 زمین های وسیع وتقریباً مسطح دامنه کو هها با و بدون در ه ها.

-4 بادسنجی و مشخص نمودن جریانات باد در منطقه(حداقل به صورت میان مدت و در دو ارتفاع متفاوتمثلاً در 20 متری و 40 متری سطح زمیناخیراً. نیز انداز ه گیری در 3 ارتفاع متفاوت 10 متری (استاندارد) و دو ارتفاع دیگر بنا به ظرفیت و ارتفاع توربین ها متداول می باشد.

4-1 تعیین جهت باد غالب منطقه(تهیه گلبادهای منطقه). 4-2 تداوم باد منطقه.

4

4-3 سرعت میانگین باد منطقه(در صورت امکان میا نمدت و یا بلندمدت). 4-4 تعیین مشخصه های باد منطقه

4-4-1پارامترهای ویبولkوcمنطقه. 4-4-2مشخص نمودن تابع احتمال باد منطقه.

4-4-3 تعیین پتانسیل انرژی باد منطقه برحسب وات بر مترمربع. 4-4-4 محتمل ترین سرعت باد منطقه.

4-4-5 سرعتی که حداکثر توان را در توربین ایجاد می کند.

-5 تعیین ظرفیت مورد نیاز و نهایی نیروگاه بادی و تعداد توربی نهای لازم و خریداری آنها.

-6 بررسی و انتخاب نوع شبک های که قرار است برق تولیدی نیروگاه بادی را دریافت نماید(صادقیان وسیبنی،1384، .(2

همانگونه در بالا نیز بیان گردید احداث مزارع و نصب توربین های بادی شامل چند مرحله می باشد که در اینجا تنها به بررسی مرحله ی اول یعنی انتخاب یک سایت مناسب پرداخته می شود. معمولاً پارامترهایی که در مکانیابی اولیه ی نیروگاههای بادی مورد بررسی قرار می گیرند عبارتند از اقلیم،عوامل توپوگرافی و جغرافیایی،مسائل اقتصادی-اجتماعی،مشکلات زیست محیطی وبالاخره مسائل و مشکلات زمین شناسی، بویژه بحث زلزله خیزی و فاصله از گسل ها می باشند(شکل.(1

5

شکل(1 ) عوامل مؤثر در مکانیابی اولیه ی نیروگاه های بادی

-1 اقلیم:اقلیم مهمترین فاکتور تعیین کننده ی موقعیت نصب توربین های بادی می باشد زیرا باد،سرعت و جهت و تداوم آن که محرکه ی اصلی به حرکت در آوردن توربین های بادی می باشد از عناصر اقلیمی می باشد. همچنین،فشار و دما نیز به سبب کاهش آنها همزمان با افزایش ارتفاع از عناصری هستند که در هنگام مکانیابی مزارع توربین های بادی باید مورد بررسی قرار گیرند.از سوی دیگر بسیاری از مخاطرات جوی مانند طوفان،ریزگردها،یخبندان ها و غیره فعالیت توربین های بادی را مختل می نمایند که باید جزو مؤلفه های اقلیمی مؤثر در مکانیابی ها مورد بررسی قرار گیرند.

1-1 باد:حرکات افقی هوا را باد گویند.این حرکات موجب می شود تا اختلافات مربوط به دما،رطوبت و فشار که در جهات افقی جو وجود دارد،از بین رفته و هوا به حالت تعادل در آید.هرچند این تعادل هیچ وقت حاصل نمی شود،زیرا به محض اینکه در یک جا تعادل برقرار شد اختلافات جدیدی درجای دیگربه وجود آمده و این روند مرتب ادامه خواهد داشت،اما جریان باد نیز

6

برای جبران این تفاوتها متوقف نمی شود.بنابراین باد یک تعدیل کننده ی مهم در طبیعت است(علیزاده و همکاران،1386، .(179

بدیهی است مکان نصب مولد بادی باید دارای سرعت متوسط بالا و تداوم مناسب وزش باد باشد .ازاین رو بررسی سرعت و سایر پارامترهای باد، اولین و مهمترین گام در ارزیابی استعداد یک منطقه برای نصب نیروگاه های بادی محسوب می شود . پارامترهایی که می توان از دوره های زمانی اندازه گیری باد به دست آورد عبارتند از:

الف) سرعت متوسط باد.

ب) سرعت باد به صورت تابعی از جهت آن.

ج) توزیع تناوبی سرعت (تابع کلاس سرعت باد).

د) توزیع پیوستگی(تداوم) سرعت باد (تابع جهت و کلاس سرعت باد). ه) پارامترهای ویبول برای توزیع احتمالی سرعت باد.

و) پارامترهای ویبول به صورت تابعی از جهت باد.

ز) سرعت لحظه ای باد برای پریود ساعات روز(صادقیان و سیبنی،1384، .(2

کمکهایی که هواشناسی و اقلیم شناسی درپروژه های تبدیل انرژی باد می تواند ارائه دهد به 3فاز اکتشاف،طراحی و کاربردی تقسیم می شود.کمکهای هواشناسی و اقلیم شناسی در فاز اکتشاف می تواند شامل:-1 ارائه ی اطلاعات در زمینه ی داده های در دسترس هواشناسی،به ویژه در زمینه ی باد و دیگر اطلاعات اقلیمی باشد-2فراهم نمودن تحلیل های اقلیمی براساس انرژی باد-3 تحلیل سری های زمانی و غیره باشددر فاز طراحی جایگاه توربین های بادی کمکهای اقلیم شناسی می تواند در زمینه ی ارائه ی اطلاعات پردازش شده ی ویزه در زمینه ی قابلیت دسترسی و غیره باشد و بالاخره در -3 فاز کاربردیمثلاً، در زمینه ی پیش بینی انرژی باد تولید شده در مقیاس زمانی ویژه باشد(جدول)(1عزتیان،1382، .(3

جدول(1)چگالی نیروی باد در سرعت های مختلف(عزتیان،1382، .(3

برای تعیین محل مناسب جهت استقرار سایت می بایست داده های کافی در زمینه آستانه های باد ‚ سمت و سرعت باد ‚ میانگین سالانه فراوانی وقوع و تداوم آن فراهم گردد ‚تحلیل های آماری روی این داده ها صورت گیرد و پروفایل باد در منطقه ترسیم گردد .در هر اقلیمی می بایست زمان مصرف حداکثر و حداقل انرژی – نوع کاربری آن و متوسط میزان مصرف انرژی تعیین شود .برای اقالیمنسبتاً گرم حداکثر مصرف انرژی در مصارف مسکونی3750کیلووات ساعت و حداقل آن 600 کیلووات ساعت می باشد.کل مصرف انرژی سالانه در منازل مسکونی 21430 کیلووات ساعت است در حالیکه در کشاورزی کل مصرف انرژی سالانه 8550 کیلووات ساعت می باشد .در اواسط فصل زمستان میزان مصرف سوخت در منازل به حداکثر خود می رسد در حالی که حداکثر میزان مصرف انرژی در کشاورزی در اواخر تابستان می باشد(عزتیان و بهیار،1383، .(4

معمولاً هنگام بررسی داده های مربوط به باد به منظور امکان سنجی و مکان یابی مزارع توربین های بادی از منابع مختلفی استفاده می شود که برخی از آنها از درجه ی اعتماد و مقبولیت بیشتری برخوردار بوده و برخی دیگر قابلیت اعتماد کمتری دارند در زیر این منابع تشریح شده اند.

-1استفاده از اطلاعات اهالی محل و بازدیدهای میدانی:این نوع اطلاعات صرفاً با هدف آگاهی اولیه از وضعیت بادها در منطقه ی مورد مطالعه می باشد و به هیچ وجه قابل اطمینان نیستند.

-2 برداشت مستقیم اطلاعات مربوط به سرعت و وضعیت باد:این نوع از اطلاعات با نصب دکل های باد سنجی و ثبت اطلاعات حداقل یکساله ی آنها حاصل می شود.این داده ها دقیق ترین و قابل اعتمادترین اطلاعات در این زمینه می باشد.

-3 استفاده از اطلاعات مربوط به سایت های مجاور:در صورتی که سایت هایی در پیرامون منطقه ی مورد مطالعه وجود داشته باشد از داده های آنها نیز می توان بهره گرفت.

8

-4 استفاده از اطلاعات مربوط به ایستگاههای هواشناسی:در هر صورت در مکانیابی ها و امکان سنجی ها نیاز مند اطلاعات ثبت شده توسط ایستگاههای هواشناسی و سینوپتیکی حواشی و پیرامون هستیم.

به منظور برآورد پتانسیل باد منطقه باید از ایستگاههای بادسنجی استفاده نمود.این ایستگاهها دارای سنسورهایی جهت،سرعت و دما می باشند.به سبب اینکه توربین های بادی متوسط دارای ارتفاع هاب بالاتر از 40متر هستند،لذا جهت مطالعه ی رژیم باد منطقه در سطح زمین،سرعت باد در ارتفاع 20،10و40متری و حداقل یک سنسور جهت در ارتفاع 20متری استفاده می گردد.اندازه گیری ها حداقل برای برای یک سال انجام می پذیرد و نهایتاً پس از تحلیل داده ها،گلباد و نمودارهای سرعت و جهت باد تهیه می گردد(.(suna.org.ir

در اطلس انرژی باد ایالات متحده آمریکا،طبقات استاندارد چگالی توان باد برای ارتفاعات مختلفی از سطح زمین با دامنه ی یک تا هفت تعریف شده است(جدول(2،امکان تولید نیرو با متوسط سرعت باد کلاس یک از طریق تکنولوژی توربینهای بادی امروزه وجود ندارد.کلاسهای دو و سه نیز با پیشرفت تکنولوژی در توربینهای بادی سالهای آتی قابل بهره برداری است(پروین،1389، .(6

جدول((2طبقات استاندارد چگالی توان باد برای ارتفاعات مختلف(پروین،1389، .(6