بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
پتانسیل سنجی انرژی باد در استان خوزستان جهت احداث نیروگاه برق بادی
چکیده
با توجّه به خطر اتمام سوختهای فسیلی در آینده و نیز آلایش و گرمایش محیطی ناشی از آن بهرهبرداری از انرژیهای تجدیدپذیر از جمله باد بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. لذا جهت بهره گیری از این انرژیها در گام اول توانسنجی آنها امری الزامی است. در این گزارش به بررسی پتانسیل باد و نیز امکان ایجاد نیروگاه بادی در چهار منطقهی استان خوزستان با نامهای آبادان، حسینیه، ماهشهر و شوشتر با استفاده از دادههایی چون جهت و سرعت باد به فواصل زمانی 10 دقیقه در طول بازهی یکساله پرداخته شده است. با تحلیلهای صورت گرفته جهت باد غالب، نمودارهای گلباد، توربولانس، چگالی انرژی و منحنی ویبول باد در ایستگاههای مورد نظر محاسبه شده اند. چگالی انرژی برای ایستگاههای آبادان، حسینیه، ماهشهر و شوشتر به ترتیب 104.699، 131.138، 105.813 و 23.521 میباشد. در نتیجه با توجه به استانداردهای موجود سه ایستگاه اوّل برای نصب مزارع بادی چندان اقتصادی نمیباشند، هر چند برای کاربردهای خارج از شبکه مناسب میباشند. امّا ایستگاه شوشتر با توجه به پتانسیل بسیار پایین آن، از لحاظ اقتصادی برای استفاده از توربینهای باد چه به صورت متصل به شبکه و چه به صورت جدا از آن مناسب نمیباشد.
-1 مقدمه
تنوع بخشی به منابع انرژی، پایانپذیر بودن سوختهای فسیلی، ، توسعهی پایدار و ایجاد امنیت انرژی، آلودگیهای زیستمحیطی ناشی از مصرف انرژیهای فسیلی از یک طرف و پاک و تجدیدپذیر بودن منابع انرژیهای نو همچون انرژی خورشید، باد، زیست توده،
... از طرف دیگر باعث توجه جدی محققان به توسعه و گسترش استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر و افزایش سهم این منابع در سبد انرژی کشورها شده است. امروزه شاهد افزایش چشمگیر فعالیتهای پژوهشی و صرف بودجههای مذکور در امر تحقیق، توسعه و عرضه-ی سیستمهایی جهت بکارگیری انرژی تجدیدپذیر می باشیم و انجام تحقیقات گوناگون همه روزه باعث کاهش قیمت تمامشدهی استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر شده و موجب رقابتپذیری بیشتر این سیستم ها با سیستمهای انرژی سنتی موجود میشود. این امر در مورد انرژی باد ا محقق شده و روند کاهش قیمتها در مورد سایر منابع انرژیهای تجدیدپذیر نیز در حال انجام است.
جابهجایی مکانی یک تودهی هوایی را باد مینامند. این جابهجایی در اثر عوامل مختلف طبیعی و مصنوعی میتواند امکانپذیر گردد. از جمله عوامل طبیعی میتوان به تابش نور خورشید، حرکت وضعی زمین و جاذبهی آن اشاره کرد. در مورد عامل مصنوعی هم میتوان گفت که این شکل از جابهجایی هوا در اثر نیروهای وارده بر یک تودهی هوا از طریق دستگاهها و یا عوامل انسانی صورت می-گیرد، مثل حرکت یک اتومبیل که پس از عبور آن یک سری اغتشاشات در تودهی هوای پشت سر آن ایجاد میگردد.
در طی دههی گذشته، در بسیاری از کشورها مطالعاتی برای تخمین منابع انرژی باد در دسترس هر منطقه انجام گرفته است. برخی از این مطالعات تا حد اطلس باد مانند اطلس منبع انرژی باد ایالات متحدهی آمریکا[1]، اطلس باد اروپا[2] و اطلس باد برای آمریکای لاتین و کارائیب (آمریکای مرکزی و جنوبی)[3]، توسعه داده شدهاند. نقشههای باد برای چین، اسپانیا، پرو، مصر، اردن، سومالی، اتیوپی، بخشی از کشورهای مستقل مشترک المنافع و ... و همچنین یک نقشهی باد هم برای کل دنیا چاپ شده است.[4]
مطالعهی امکانسنجی اوّلین گام در احداث مزارع بادی است که هدف نهایی آن ارزیابی امکانپذیر بودن تأسیس یک نیروگاه بادی به لحاظ فنی، اقتصادی، زیرساختهای مورد نیاز و غیره در یک سایت مشخص و استفاده از توربینهای معین میباشد. برآورد انرژی تولید سالیانهی نیروگاه، چگونگی اتصال به شبکهی سراسری یا محلی و مشخصات شبکه از مواردی میباشد که باید در گزارش امکان-نجیس دقیقاً مشخص گردد.
در زمینهی بررسی انرژی باد در ایران در جهت تولید برق کارهای متعددی تاکنون انجام شده است که از آن جمله میتوان به تهیهی اطلس باد کشور توسط سازمان انرژیهای نو(سانا)، اشاره کرد.[5] همچنین پتانسیل انرژی باد در منطقهی منجیل توسط مصطفایی پور و ابرقوئی [6]، بررسی شد که این منطقه به عنوان یکی از مناطق مناسب جهت احداث نیروگاه بادی معرفی شد. در پژوهش دیگری میرحسینی و همکاران [7]پتانسیل انرژی باد را در استان سمنان مورد ارزیابی قرار دادند و نهایتاً شهرستان دامغان بهترین مکان برای نصب نیروگاه بادی تعیین گردید. در پژوهش دیگر نیز میرحسینی و همکاران[8] به بررسی پتانسیل انرژی باد در استانهای خراسان شمالی و جنوبی پرداختند که در نهایت این استانها جهت نصب توربینهای باد مناسب دیده شدند. همچنین در پژوهشی دیگر علمداری و همکاران [9] پتانسیل انرژی باد را در استان اردبیل مورد بررسی قرار دادند و در نهایت این استان جهت احداث نیروگاه بادی مناسب دیده شد. در نهایت در پژوهش دیگر مصطفایی پور و همکاران[10] پتانسیل انرژی باد در شهربابک را مورد بررسی قرار دادند که در نهایت این منطقه برای نصب مزارع بادی مناسب نمیباشد ولی برای کاربردهای خارج از شبکه قابل بهره-برداری میباشد.
در پژوهش حاضر با استفاده از اطلاعات یکسالهی چهار ایستگاه آبادان، حسینیه، ماهشهر و شوشتر در استان خوزستان، و با فواصل زمانی 10 دقیقه که از سازمان انرژیهای نو ایران (سانا) دریافت شدهاند پتانسیل این مناطق مورد بررسی قرار گرفته است. پتانسیل انرژی باد در این مناطق با استفاده از تابع توزیع احتمال ویبول برآورده شده است. سپس گلبادهای هر ایستگاه رسم شده و در نهایت چگالی توان باد برای ایستگاههای مورد نظر محاسبه شده است. علاوه بر آن با استفاده از گلبادهای فرکانس سرعت و آشفتگی، جهت مناسب برای نصب یک توربین بادی نیز مشخص گردیده است.
-2 استان خوزستان
استان خوزستان یکی از استانهای جنوب غربی ایران است. این استان دارای مساحت 64236 کیلومتر مربع است. این استان بر اساس سرشماری سال1391دارای جمعیت 4 531 720 نفر است. این استان از شمال به استان لرستان، از شمال شرقی به استان اصفهان، از شمال غربی به استان ایلام، از شرق و جنوب شرقی به استانهای چهار محال بختیاری و کهکیلویه و بویر احمد، از جنوب به خلیج فارس و از غرب به کشور عراق محدود می شود. استان خوزستان دارای 16 شهرستان و 29 شهر، 36 بخش، 112 دهستان و 3880 آبادی مسکونی می باشد. نقشه تقسیمات این استان در شکل (1) مشاهده میشود.
شکل (1) نقشهی تقسیمات استان خوزستان
-3 ایستگاههای مورد مطالعه
در این پژوهش از اطلاعات یکسالهی ایستگاههای بادسنجی مناطق آبادان، حسینیه، ماهشهر و شوشتر واقع در استان خوزستان و با فواصل زمانی 10 دقیقه در بین سالهای 2007 تا 2009 میلادی (متفاوت برای هر ایستگاه) استفاده شده است.[5] در هریک از این مناطق یک دکل بادسنجی به ارتفاع 40 متر نصب شده است که سه عدد سنسور سرعتسنج در ارتفاعات 10 و 30 و 40 متر و دو عدد سنسور جهت در ارتفاع 30 و 37.5 بر روی آن قرار داده شده است. مختصات جغرافیایی ایستگاههای مذکور در جدول (1) مشاهده میشود.
-4 تحلیل آماری دادههای بادی
برای تعیین پتانسیل انرژی باد در منطقهای خاص و تخمین چگالی توان خروجی از آن، از روشهای آماری استفاده میشود. یکی از این توابع که صحت آن با اندازهگیری در نقاط مختلف جهان ثابت شده است، تابع توزیع چگالی احتمال ویبول است. تابع ویبول حالت خاصی از تابع توزیع گاماست. این توزیع به طور معمول برای رسم توزیعهای باد مکانهای معین، در دورهی زمانی ماهانه و سالانه به کار میرود و نسبت به توابع دیگر انعطاف بیشتری دارد و به صورت زیر تعریف میگردد:[11]
که در این رابطه K ضریب شکل (بدون بعد) و c ضریب مقیاس (m/s) میباشند K>0) و .[11](C>1
روشهای مختلفی برای محاسبهی پارامترهای مقیاس و شکل تابع ویبول وجود دارد. در اینجا برای تعیین K و C از روابط جاستاس (Justus, 1978) استفاده شده است:[11]
که در آن ، انحراف معیار استاندارد و ̅ سرعت متوسط دادهها است.
با در اختیار داشتن پارامترهای شکل و مقیاس (K,C) و با استفاده از تابع گاما میتوان به محاسبهی چگالی توان باد در ارتفاع 10 متری پرداخت که از رابطهی شمارهی (3) بهدست میآید:[11]
که تابع گاما، K و C پارامترهای تابع ویبول و چگالی هواست. مقدار چگالی هوا در شرایط متعارف دما و فشار برابر 1.225کیلوگرم در متر مکعّب استبا. توجّه به رابطهی شمارهی (2) و نیز واحد بودن سطح، میتوان دریافت که مقدار چگالی انرژی باد یک منطقه، وابستگی کامل به پارامترهای تابع ویبول دارد.
هرگاه در برآورد انرژی باد یک منطقهی مورد مطالعه، بیشترین مقدار انرژی در طول یک سال مد نظر باشد، از سرعتی به نام سرعت نامی باد، Ume ، به عنوان سرعتی که بیشترین انرژی را در طول سال مورد نظر تولید میکند استفاده میشود. این سرعت از رابطهی (4) بهدست میآید:[11]
( ) (4) که در آن K و C به ترتیب ضرایب شکل و مقیاس میباشند.
همچنین میتوان محتملترین سرعت باد را که برای یک ناحیه میتوان انتظار داشت از رابطهی (5) محاسبه نمود:[11]
همچنین در این پژوهش از نمودارهای گلباد نیز استفاده شده است. گلباد نموداری است که توزیع پارامترهای مختلف باد از جمله سرعت و آشفتگی را در جهات مختلف نمایش میدهد. کاربرد بسیار مهم این نمودارها برای تعیین جهت مناسب برای نصب توربینهای باد میباشد. هرچند توربینهای امروزی دارای سنسورهای به منظور تشخیص جهت باد و چرخش به سمت آن میباشند، ولی طبیعتاً با قرارگیری توربین در جهت باد غالب (جهتی که سرعت در آن بیشینه و آشفتگی در آن کم است) موجب کاهش مصرف انرژی ناشی از توربین در جهت باد است.
-5 بحث و نتایج
برای بررسی پتانسیل انرژی باد در این استان، چهار ایستگاه ذکر شده به صورت جداگانه مورد بررسی قرار گرفته است.
-1-5 ایستگاه آبادان
تعداد دادهها در این ایستگاه 90654 و با فواصل زمانی 10 دقیقه میباشند. اندازهگیری سرعت در سه ارتفاع 10 و 30 و 40 متر و همچنین اندازهگیری جهت نیز در دو ارتفاع 30 و 37.5 انجام شده است. نمودارهای گلباد فرکانس، آشفتگی باد به همراه نمودارهای ویبول و نمودار تغییرات ماهیانهی سرعت و جهت باد در ارتفاعهای 10، 30، و 40 متری این ایستگاه در شکلهای 2 الی 7 آورده شده-اند.
شکل (2) گلباد فرکانس باد ارتفاع 10 متر ایستگاه آبادان شکل (3) گلباد آشفتگی باد ارتفاع 10 متر ایستگاه آبادان
با توجّه به نمودارهای گلباد در بالا در ارتفاعات 10 و 30 متر با توجه به فرکانس سرعت بالای جهت WNW و آشفتگی به نسبت پایین آن، این جهت مناسبترین جهت به منظور نصب توربین باد میباشدامّا. در ارتفاع 40 متر دو جهت N و NNW برای نصب توربین باد مناسبتر میباشند. نمودار ویبول ایستگاه آبادان در ارتفاعهای 10، 30 و 40 متری در شکلهای 8 الی 10 رسم شده اند. همچنین نمودار تغییرات ماهیانه ایستگاه آبادان در ارتفاع 40 متری در شکل 11 رسم شده است.
-2-5 ایستگاه حسینیه
تعداد دادهها در این ایستگاه 84272 و با فواصل زمانی 10 دقیقه میباشند. اندازهگیری سرعت در ارتفاعهای10 و 30 و 40 متر و همچنین اندازهگیری جهت نیز در دو ارتفاع 30 و 37.5 انجام شده است. نمودارهای گلباد فرکانس، آشفتگی باد به همراه نمودارهای ویبول و نمودار تغییرات ماهیانهی سرعت و جهت باد در ارتفاع 40 متری این ایستگاه در شکلهای زیر آورده شدهاند.
