جستجو در   
امکانات

محاسبه انرژی باد با استفاده از توزیع ویبال دوپارامتره
پدیدآورنده : جهانگیری، زهره-رحیم زاده، فاطمه-کمالی، غلامعلی
بازدید : 1382
تاریخ درج : 1386/6/17
منبع :

 

محاسبه انرژی باد با استفاده از توزیع ویبال دوپارامتره


چکیده

گستردگی نیاز انسان به منابع انرژی همواره از مسائل اساسی و مهم در زندگی بشر محسوب می شود و تلاش برای دستیابی به یک منبع پایان پذیر انرژی از آروزهای دیرینه انسان بوده است.انرژی های فسیلی مانند نفت گاز و زغال سنگ سرانجام روزی به پایان خواهند رسید.این امر سبب شده است که کشورهای توسعه یافته و صنعتی با جدیت هرچه تمام تر استفاده از سایر انرژی های موجود در طبیعت و به خصوص انرژی های نو را مورد توجه قرار دهند.افزایش آلودگی های زیست محیطی ناشی از سوزاندن منابع فسیلی بحث گرمایش جهانی و اثر پدیده گلخانه ای و ریزش باران های اسیدی همگی لزوم صرفه جویی در مصرف سوخت های فسیلی و توجه مضاعف به استفاده از منابع انرژی های تجدیدپذیر را ایجاب می نمایند.استفاده از انرژی خورشید، باد، امواج، زمین گرمایی، هیدروژن، زیست توده 1 و غیره که به انرژی های نو موسومند.مستلزم مطالعات و تحقیقات فراوان، قبل از استفاده می باشند.در کشور ما نیز قابلیت ها و پتانسیل های خوبی جهت نصب و راه اندازی توربین های برق-بادی وجود دارد که با توجه به توجیه پذیری اقتصادی آن و تحقیقات در این زمینه، سرمایه گذاری هایی صورت گرفته است.توسعه و کاربرد این تکنولوژی چشم انداز روشنی را فراروی سیاستگزاران بخش انرژی کشور قرار داده است.در این مقاله با استفاده از داده های سه ساعته چند ایستگاه سینوپتیک کشور در دوره زمانی ده ساله 1986 الی 1995، چگالی توان باد با دو Biomass. .(1)

روش مستقیم و توزیع فراوانی سرعت ویبال محاسبه شده است.تحقیقات نشان داده که توزیع های ویبال و رایله بهترین برازش را برای معکب سرعت باد ارایه می دهند و به خصوص اولین توزیع کاربرد بیشتری در سراسر دنیا داشته است.برای شناسایی اقلیم منطقه از نقطه نظر رژیم باد، تعیین مشخصات سینوپتیکی و نوع توپوگرافی هر ایستگاه لازم است.بدین ترتیب مناطق مستعد برای تولید نیروی برق از انرژی باد با توجه به اقلیم هر منطقه و بادهای محلی موجود شناخته می شوند.منتایج نشان می دهد به به غیر از دره منجیل مناطق مستعدی نظیر سردشت و ماهشهر از نظر تولید انرژی باد وجود دارند. سرمایه گذاری در این زمینه مستلزم تحقیقات فراوان از نقطه نظر اقلیمی و شرایط هواشناسی می باشد.

کلیه واژه ها:انژی های تجدیدپذیر، باد کوهستان دره، توده زنده، چگالی توان باد، نسیم دریا و خشکی، توزیع ویبال و رایله ایران.

مقدمه

انژی باد نظیر سایر منابع انرژی های تجدیدپذیر از نظر جغرافیای گسترده و در عین حال به صورت پراکنده و غیر متمرکز و تقریباً همیشه در دسترس می باشد.وزش باد طبیعتی نوسانی، متناوب و غیر دائمی دارد.این انرژی تا پیش از انقلاب صنعتی به عنوان یک منبع انرژی، به طور وسیعی مورد بهره برداری قرار می گرفت، ولی در دوران انقلاب صنعتی، استفاده از سوخت های فسیلی به دلیل ارزانی و قابلیت اطمینان بالا، جایگزین انرژی باد شد.در این دوره توربین های بادی قدیمی قابل رقابت با بازار انرژی های نفت و گاز نبودند ولی مجدداً در سال های 1973 و 1978 در اثر دو شوک بزرگ نفتی، ضربه بزرگی به اقتصاد انرژی های حاصل از نفت و گاز وارد آمد به این ترتیب هزینه انرژی های تولید شده به وسیله توربین های بادی در مقایسه با نرخ جهانی قیمت انرژی بهبود یافت.پس از آن مراکز و مؤسسات تحقیقاتی و آزمایشگاه های متعددی در سراسر دنیا به بررسی تکنولوژی جدید استفاده از انرژی باد پرداختند.به علاوه این بحران باعث تمایلات جدیدی در زمینه کاربرد تکنولوژی انرژی باد جهت تولید برق متصل به شبکه، پمپاژ آب و تأمین انرژی الکتریکی نواحی مختلف شد.از سال 1975 به بعد پیشرفت های شگرفی در زمینه توربین های بادی در جهت تولید برق به عمل آمده است.در سال 1980

اولین توربین برق-بادی متصل به شبکه سراسری نصب گردید.بعد از مدت کوتاهی اولین مزرعه برق-بادی چند مگاواتی در آمریکا نصب و به بهره برداری رسید.در پایان سال 1990، ظرفیت توربین های برق-بادی متصل به شبکه در جهان به 200 مگاوات با توانایی سالانه 3200 Gwh رسید که تقریباً تمام این تولید مربوط به ایالت کالیفرنیا در آمریکا و کشور دانمارک بود(سازمان انرژی های نو-سانا، گزارش سوم، 1383، 5). امروزه کشورهای دیگری نظیر هلند، آلمان، بریتانیا، ایتالیا و هندوستان برنامه های ملی و ویژه ای را جهت توسعه و عرضه تجاری انرژی باد آغاز کرده اند.در دهه گذشته، هزینه تولید انرژی به کمک توربین های بادی به طور قابل ملاحظه ای کاهش یافته است.

1. مزایای بهره برداری از از انرژی باد

انرژی باد نسبت به سایر منابع انرژی تجدیدپذیر از ویژگی ها و مزایای بالاتری برخوردار است که اهم آنها عبارتند:

الف-عدم نیاز توربین های بادی به سوخت های فسیلی که در نتیجه از میزان مصرف آنها می کاهد.

ب-رایگان بودن انرژی باد.

ج-توانایی تأمین بخشی از تقاضای انرژی برق.

د-کمتر بودن هزینه های جاری و سرمایه گذاری انرژ باد در بلندمدت.

ه-تنوع بخشیدن به منابع انرژی و ایجاد سیستم پایدار آن.

و-قدرت مانور زیاد جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه(از چند وات تا چندین مگاوات).

ز-عدم نیاز به آب.

ح-عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب توربین های بادی.

ط-نداشتن آلودگی های زیست محیطی نسبت به سوخت های فسیلی.

منشأ باد

تابش نور خورشید در عرض های جغرافیایی مختلف کره زمین موجب تغییراتی در فشار و دما می شود و در نتیجه باد به وجود می آید.در مناطق استوایی تابش نور خورشید سبب افزایش دمای محیط و در نواحی قطبی باعث کاهش آن می شود.بر روی خط استوا

(به تصویر صفحه مراجعه شود)

(عرض صفر درجه)هوای گرم صعود کرده و در سطوح بالای جوی به سمت شمال و جنوب منحرف می شود.درهمان زمان هوای قطبی نزول کرده و سطوح پایین جوی به سمت استوا حرکت می کند.این انتقال همرفتی 2 هوا بین استوا و قطبین تحت تأثیر گردش زمین واقع شده و سه سلول چرخشی جداگانه را به وجود می آورد.سلول جنب حاره ای را هادلی 3 ، سلول میانی را فرل 4 و سومی را سلول قطبی 5 می نامند.در نیمکره شمالی در اثر نیروی کوریولیس جهت باد به سمت راست منحرف می شود، در نتیجه در عرض های کمتر از 30 درجه شمالی بادهای سطوح پایین دارای جهت شرقی و بالاتر از آن، غربی می باشند.درهمان زمان هوا بالای قطب شمال به سمت راست منحرف شده و در عرض های بالاتر از 60 درجه شمالی جهت بادها شرقی می شوند.جهت باد بین عرض 30 تا 60 درجه شمالی غربی است.در نیمکره جنوبی جهت وزش باد معکوس می باشد (13,2003, Sorbjan ).کمربند پرفشار تقریباً دائمی(با حرف H نمایش داده شده است) نزدیک عرض جغرافیایی 30 درجه در هر دو نیمکره شکل می گیرد(شکل 1).

شکل 1 گردش عمومی جو، سیستم های کم فشار و پر فشار

هوای اطراف عرض 60 درجه و منطقه کم فشار جنب قطبی 6 (با حرف L نمایش داده شده است)در دو نیمکره صعود می کند.کم فشار جنب قطبی، هوای سرد در حال حرکت به سمت جنوب را از هوای معتدل در حال حرکت به طرف قطب شمال جدا . Convective .(2)

. Hadley .(3)

. Ferrel .(4)

. Polar .(5)

. Subpolar .(6)

(به تصویر صفحه مراجعه شود)

می کند.مرز بین سلول های قطبی و فرل جبهه قطبی 7 نامیده می شود.در منطقه تروپوپاز و بالاتر از جبهه قطبی، جریانی از بادهای غربی وجود دارد که جت استریم نامیده می شود. در جت استریم، هوا باسرعت 150 کیلومتر بر ساعت حرکت می کند.سرعت این جریان چند صد کیلومتر بوده در حالی که عمق آن چند کیلومتر می باشد.منطقه نزدیک استوا کمربند 8 ( ITCZ )نامیده می شود.این کمربند دارای آب و هوایی یکنواخت و بادهای ضعیف بوده و به منطقه آرامگان استوایی 9 معروف است.بادهای ثابت شرقی بین عرض صفر و 30 درجه را بادهای تجارتی 10 می گویند.عرض های صفر و 30 درجه به عرض های راسبی معروفند.بنابراین با توجه به این جریانات دائمی کره زمین جهت های باد غالب طبق جدول 1 تقسیم بندی می شوند[15].

جدول 1 جهت بادهای غالب کره زمین

باد غالب در استفاده از انرژی باد، نقش مهمی دارد و توربین های بادی در مکان هایی نصب می شوند که در این جهت ها دارای کمترین مانع باشند.شرایطی وجود دارد که این سیستم های بزرگ مقیاس دارای شدت کمتری بوده و جریانات محلی بر این الگوها حاکم می شوند و آنها را تحت تأثیر قرار می دهند.

بادهای محلی

بادهای محلی همان جریانات میان مقیاس 10 با اندازه ای از مرتبه چند ده متر تا چند صد کیلومتر می باشند.این جریانات در اثر توپوگرافی به صورت مکانیکی یا گرمایی در سطح زمین یا جو آزاد تشکیل می شوند.به عنوان مثال بادهای کوهستان-دره به صورت مکانیکی در اثر توپوگرافی سطح زمین شکل می گیرند.از جریاناتی که به صورت گرمایی در جو آزاد تشکیل می شوند می توان به هاریکن ها و توفان های شدید همرفتی اشاره نمود.از جریانات میان مقیاس می توان به نسیم دریا و خشکی، جزایر گرمایی نسیم دریاچه و مونسون اشاره کرد(20,2003, Sorbjan ). . PolarFront .(7)

. Intertropicalconvergencezone .(8)

. Doldrums .(9)

. TradeWinds .(10)

. Meso-Scale .(11)

(به تصویر صفحه مراجعه شود)

3-1-نسیم دریا و خشکی:خشکی ها در طول روز نسبت به دریاها سریع تر گرم شده و هوای مجاور آنها صعود می کند.سپس جریان هوا در سطوح بالای جو به سمت دریا حرکت می کند.در نتیجه یک کم فشار در سطح زمین تشکیل شده و هوای سرد را از دریا جذب می کند.این پدیده نسیم دریا نامیده می شود، یعنی طی روز جریان هوای خشک در سطح زمین از سمت دریا به خشکی می وزد.شب هنگام این پدیده عکس شده که به آن نسیم خشکی می گویند.نسیم خشکی عموماً در شب دارای سرعت کمتری است زیرا اختلاف دما بین خشکی و دریا در شب کمتر از روز است(شکل 2).

شکل 2 نمای شماتیکی از نسیم دریا

جریان مونسون شرقی آسیا همان نسیم دریا و خشکی است و جهت آن با فصل تغییر می کند.این جریان باعث بارندگی هایی در منطقه جنوب ایران از ماه های فروردین تا آبان می شود(ثقفی، 1382، 143).

3-2-بادهای کوهستان-دره:زمانی که هوای دره و مناطق مجاور آن گرم می شود، چگالی آن کاهش پیدا کرده و در امتداد شیب به طرف بالا حرکت می کند.این جریان در روز اتفاق می افتد.در شب جهت حرکت عکس شده و باد روی شیب به سمت پایین وزیده می شود(شکل 3).

شکل 3 نمای شماتیکی از بادهای کوهستان-دره

بادهای کوهستان-دره ممکن است مفید باشند مانند پدیده فون 12 در کوه های آلپ و شمال ایران، شینوک 13 در کوهستان راکی و زوندا 14 در رشته کوه آند(منبع شماره 16).درایران . Foehn .(12)

. Chinook .(13)

. Zonda .(14)

(به تصویر صفحه مراجعه شود)

هم یکی از بادهای کوهستان-دره همان باد صد و بیست روزه سیستان است که از کوه های افغانستان به سمت بیابان های شرقی ایران می وزد، از اردیبهشت شروع شده و تا مرداد ادامه می یابد سرعت آن گاهی تا بیشتر از 110 کیلومتر بر ساعت نیز می رسد(ثقفی، 1382، 143).

گلباد

گلبادها نمودارهای گرافیکی هستند که توزیع فراوانی سرعت و جهت باد را نشان می دهند.این نمودارها معمولاً بادهای غالب مناطق مختلف را نشان می دهند و بهترین راهنمای نصب توربین های بادی به حساب می آیند.گلبادها می توانند 8، 12، 16، و 32 جهتی باشند که نوع 12 جهتی آن در بیشتر مناطق دنیا استفاده می شود(منبع شماره 17). گلباد در یک ایستگاه هواشناسی و مناطق اطراف آن تقریبا یکسان است و می توان با روش های مناسب درون یابی(میانگین گیری)، گلباد مناطق فاقد ایستگاه هواشناسی را محاسبه نمود.در مناطق کوهستانی و ساحلی ممکن است این ساده سازی، جواب صحیح و قابل قبولی را ارایه ندهد(شکل 4).

شکل 4 گلباد(رحیم زاده، 1373، 5 و 6)

5.تغییرپذیری سرعت باد

باد دارای تغییرات روزانه، فصلی و سالانه است.در ضمن باد دارای تغییرات کوتاه مدتی است که باعث می شود محتوای انرژی باد همیشه متغیر باشد.(وزارت نیرو-دفتر انرژی های نو، 1375، 197).در اغلب جاهای دنیا به دلیل تغییرات دما، سرعت باد در روز بیشتر از شب است.همچنین باد روز متلاطم تر بوده و جهت آن بیشتر تغییر می کند.باد زمستان نسبت به تابستان دارای سرعت بیشتری بوده و سرعت متوسط آن از سالی به سال دیگر تغییر می یابد(منبع شماره 18).

6.عوامل کاهش دهنده محتوای انرژی باد

6-1-موانع:ساختمانها، درختان، صخره ها و...سرعت باد را به طور قابل ملاحظه ای

(به تصویر صفحه مراجعه شود)

کاهش می دهند و در پشت خود تلاطم 15 ایجاد می کنندمعمولاً پشت موانع تاوه هایی 16 شکل می گیرد که افت و خیزهای سرعت و جهت باد را افزایش می دهند، بنابراین محتوای انرژی باد به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد.معمولاً وسعت منطقه تلاطم تا سه برابر ارتفاع موانع می باشد(شکل های 5 و 6)، (منبع شماره 19).

شکل 5 گسترش منطقه تلاطم در جهت باد سوی جریان وقتی که از کنار به آن توجه شود.

شکل 6 گسترش منطقه تلاطم وقتی که از بالا به آن توجه شود.

بعضی موانع مانند درختان که در تابستان دارای شاخ و برگ بیشتری هستند، سرعت باد را عمدتاً کاهش می دهند در حالی که در زمستان نیمی از جریان هوا به راحتی از آنها عبور می کند، در تابستان این مقدار به 3/1 خود می رسد.سازندگان توربین های بادی اثر موانع را تا یک کیلومتر و کمتر، در جهت وزش باد غالب در نظر می گیرند.همچنین با در نظر گرفتن ارتفاع مانع، توربین نباید با فاصله ای به اندازه 5 برابر ارتفاع مانع تا آن قرار بگیرد(منبع شماره 20).

6-2-اثر وک 17 :هوایی که توربین را ترک می کند دارای محتوای انرژی کمتری نسبت به جریانی است که به توربین می رسد(اصل پایستاری انرژی).به عبارت دیگر توربین خود مانند یک سایبان 18 در مقابل باد عمل می کند، یعنی دنباله ای از باد متلاطم و با سرعت کم در پشت توربین تشکیل می شود.توربین های داخل پارک ها معمولاً با فاصله سه برابر قطر پره های آنها در کنار یکدیگر نصب می شوند(منبع شماره 21).

6-3-ناهمواری 19 و چینش باد 20 :نیروی مالش تا ارتفاع یک کیلومتری از سطح زمین، باد را به شدت تحت تأثیر قرار می دهد.یعنی سطوح ناهموار مانند جنگل ها و . Turbulence .(15)

. Vortex .(16)

. Wake .(17)

. WindShade .(18)

. Roughness .(19)

. Shear .(20)

شهرهای بزرگ به طور قابل ملاحظه ای سرعت باد را کاهش می دهند در حالی که بزرگراه ها و باند فرودگاه ها هموارتر هستند.گیاهان بلند درختچه ها، بوته زارها، چمن زارها و...سرعت باد را خیلی کاهش می دهند.گفته می شود گوسفندان به واسطه عمل چریدن، بهترین دوستان توربین های بادی هستند و سطح زمین را صاف و هموار نگاه می دارند. امروزه تقسیم بندی های معتبری در اکثر اطلس های انرژی در سرتاسر دنیا برای طبقه بندی ناهمواری وجود دارد.به طور مثال مناطقی با درختان و ساختمان های زیاد دارای ناهمواری 3 تا 4 هستند در حالی که سطح دریا در طبقه صفر ناهمواری قرار می گیرد. سطوح آسفالت(باند فرودگاه ها)دارای ناهمواری 5/0 می باشند.همچنین عدد 5/0 برای سطوح صاف و پهناور و بازی که توسط گوسفندان چریده می شوند به کار می رود.چینش باد به معنی تغییر سرعت با ارتفاع می باشد.یعنی نمایه قائم باد با نزدیک شدن به سطح زمین به طرف سرعت های پایین منحرف می شود.رابطه چینش باد به شکل زیر است:

(1) V عبارت است از سرعت باد در ارتفاع Z از سطح زمین.سرعت باد در ارتفاع می باشد که تابع لگاریتمی طبیعی است. Z ارتفاع بالای سطح زمین برای سرعت مطلوب V می باشد.طول ناهمواری در جهت جریان باد است.ارتفاعی است که در آن سرعت دقیق باد یارا می دانیم.رابطه(1)در شرایط پایدار خنثی صادق است که سطح زمین نه گرم و نه سرد می شود(منبع شماره 22).

7.عوامل افزایش دهنده انرژی باد

7-1-بادهای محلی:می توان توربین را در مناطقی نصب کرد که دارای بادهای محلی نسبتاً مساعد هستند.این بادها(مانند باد دره منجیل)دارای دوره های زمانی مشخصی هستند که در این دوره ها می توان از انرژی باد بیشترین استفاده را به عمل آورد.

7-2-اثر تونل:اگر یک تلمبه باد دوچرخه را فشار دهیم متوجه می شویم سرعت هوایی که دهانک تلمبه را ترک می کند نسبت به هوایی که در حال فشرده شدن در داخل استوانه پمپ قرار دارد، بیشتر است و اگر بین ساختمان های بلند و یا در یک جاده باریک بین کوهستان ها قدم بزنیم همین اثر را تجربه می کنیم.هوا تا زمانی که به ساختمان ها و یا کوهستان ها می وزد فشرده شده و سرعت آن افزایش می یابد.این پدیده را اثر تونل

می گویند.به عنوان مثال اگر سرعت باد در یک زمین باز و مسطح 6 متر بر ثانیه باشد، سرعت آن در یک تونل طبیعی به 9 متر بر ثانیه خواهد رسید.این پدیده زمانی مؤثر خواهد بود که تونل های طبیعی، صاف و هموار باشند تا از سرعت باد بر اثر ناهمواری کاسته نشود.ناهمواری باعث به وجود آمدن تلاطم و بادهای متغیر شده و سرعت باد کاهش می یابد، در نتیجه توربین ها فرسوده می شوند.

7-3-اثر تپه:روی تپه ها سرعت باد بیشتر از اطرافشان می باشد.بردارهای باد وقتی به تپه می رسند فشرده شده و وقتی که از آن عبور می کنند از حالت فشردگی خارج می گردند.بنابراین اگر تپه دارای شیب تند یا سطح ناهموار نباشد می توان از آن به عنوان مکانی برای به دست آوردن انرژی بیشتر استفاده کرد(منبع شماره 23).

8.انتخاب سایت های توربین باد

طبیعت یک منطقه بهترین راهنمای انتخاب سایت توربین های بادی می باشد.اگر در یک منطقه درختان و یا درختچه هایی وجود داشته باشد، جهت تکان خوردن آنها در اثر وزش باد، نشان دهنده بادهای غالب آن منطقه می باشد.در مناطق ساحلی، نواحی ناهموار نشان دهنده این است که فرسایش بادی طی قرن ها در آن منطقه انجام نگرفته است. گلبادهای 30 ساله شاید بهترین راهنمای استفاده از انرژی باد باشند.انتخاب مزارع توربین های باد نیاز به زمین های پهناور و بازی دارد که تا حد امکان در جهت باد غالب قرار گرفته باشند.مثلاً تپه های بزرگ، هموار و تقریباً گرد بهترین محل نصب توربین های بادی هستند.شرایط خاک از اهمیت ویژه ای برخودار است یعنی باید طوری باشد که امکان تأسیس سازه های مرتبط وجود داشته باشد.همچنین اشکالاتی که در داده های هواشناسی مخصوصاً داده های باد وجود دارد که بایستی به دقت مورد توجه قرار بگیرند.به عنوان مثال داده های باد برای استفاده در پیش بینی های هوا و مقاصد هوانوردی باید دقیق باشند ولی در محاسبات انرژی باد، لازم است دقت از این هم بالاتر رود.در مواردی که داده های هواشناسی مستقیماً استفاده می شوند، پتانسیل انرژی باد کمتر از مقدار واقعی تخمین زده می شود(منبع شماره 24).

9.محاسبات مربوط به انرژی باد

9-1-محاسبه چگالی توان باد:انرژی جنبشی باد متناسب با مربع سرعت است. وقتی که باد به سطحی وزیده شود، انرژی جنبشی تبدیل به نیروی وارد برآن سطح

می شود.حاصلضرب نیرو در سرعت، توان را می دهد.چون نیروی باد متناسب با مربع سرعت است، توان باد متناسب با معکب سرعت خواهد بود(ثقفی، 1382، 162).انرژی جنبشی عبارتست از:

(2)که K انرژی جنبشی و M جرم هوای متحرک(باد)و V سرعت باد می باشد.

(3) P چگالی و V حجم

(4)حجم را می توانیم به صورت حاصل ضرب سطح در طول بنویسیم. V A.J که A سطح و J فاصله است.

(5)سرعت عبارتست از فاصله تقسیم بر واحد زمان:

(6)(7)توان عبارتست از انرژی جنبشی در واحد زمان:

(8) A سطح پره توربین هم می تواند باشد.

اما چگالی توان عبارتست از توان بر واحد سطح عمود بر جریان باد(سطح پره های توربین):

(9)همچنین می توانیم به جای سطح A ،قرار دهیم که r شعاع سطح پره های توربین است. چگالی توان برحسب وات بر متر مربع، p چگالی هوا برابر با 225/1 کیلوگرم بر متر مکعب در فشار سطح تراز دریا و دمای 15 درجه سانتی گراد و سرعت باد بر حسب متر بر ثانیه خواهد بود(منبع شماره 25).

9-2-محاسبات مربوط به چگالی هوا

روش اول:می توان چگالی هوا را مساوی با مقدار ثابت 225/1 کیلوگرم بر متر مکعب در نظر گرفت.

روش دوم:می توان از رابطه تجربی زیر استفاده نمود(1,2000, Hughes ).

(10)که Z ارتفاع ایستگاه در سطح تراز دریا بر حسب متر می باشد.

روش سوم:اگر فشار و دما را داشته باشیم:

(11) P فشار هوا بر حسب پاسکال یا نیوتن بر مترمربع و R ثابت گازها برابر 287 ژول بر کیلوگرم درجه کلوین و T دمای هوا بر حسب درجه کلوین است.

روش چهارم:اگر دمای هوا معلوم و فشار مجهول باشد:

(12)فشار استاندارد در سطح تراز دریا و برابر است با 101325 پاسکال و g ثابت گرانشی برابر است 8/9 متر بر مجذور ثانیه و z ارتفاع ایستگاه در بالای سطح تراز دریا بر حسب متر می باشد.در ایران رابطه تجربی زیر برای محاسبه چگالی هوا استفاده شده است(اطلس انرژی باد در کشور، 1376، 66).

(13)که Amix همان نسبت آمیزه 21 (جرم بخار آب موجود بر واحد جرم هوای خشک بر حسب گرم و کیلوگرم)و QFE فشار ایستگاه می باشد.

9-3-میانگین سرعت باد:کمیت میانگین سرعت باد 22 ( MWS )شاخصی است که پتانسیل باد را نشان می دهد.مثلا میانگین سالانه باد با مقدار 6 متر بر ثانیه در ارتفاع 10 متری می تواند یک کمیت مطلوب اقتصادی در مزارع توربین های بادی باشد (11,1998, Rosen ). . Mixingratio .(21)

. MeanWindSpeed .(22)

میانگین سرعت باد از نظر ریاضی به صورت زیر تعریف می شود:

(14) N اندازه نمونه وسرعت باد در i امین مشاهده می باشد.اندازه نمونه بزرگ است و برای گروهی از داده های سرعت باد با فاصله های مشخص مفید می باشد.این داده ها هیستوگرامی از توزیع سرعت باد به وجود می آورند.احتمال اینکه سرعت باد مشاهده شده در یک فاصله معین قرار گرفته باشد عبارتست از:

(15)که میانه 23 وتعداد مشاهدات در فاصله j ام می باشد.

بنابراین میانگین سرعت باد عبارتست از:

(16)که M تعداد فواصل می باشد.بنابراین داریم:

(17)که تابع توزیع احتمال غیرتجمعی است.توزیع فراوانی سرعت باد می تواند به صورت توزیع ویبال 24 نمایش داده شود.در اکثر نقاط دنیا برای نشان دادن توزیع فراوانی سرعت باد از روابط ویبال و رایله 25 استفاده می نمایند.رابطه توزیع تجمعی ویبال به صورت زیر نوشته می شود.

(18)توزیع غیر تجمعی ویبال عبارتست از:

(19). Median .(23)

. Weibull .(24)

. Rayleigh .(25)

عبارتست از پارامتر شکل 26 وپارامتر مقیاس 27 می باشد.توزیع ویبال بهترین روش برای برازش به داده های باد می باشد و برای برآورد توزیع پیوسته سرعت باد از مقادیر گسسته مشاهده ای بسیار مناسب است.اگر پارامترهای تعیین گردند میانگین سرعت باد با استفاده از روابط(17)و(19)به صورت زیر محاسبه می شود.

(20)معادله(20)با استفاده از توزیع گاما، ساده سازی می گردد:

(21)(22)بنابراین میانگین سرعت باد عبارتست از:

(23)9-4-چگالی توان باد:با امید ریاضی گرفتن از رابطه چگالی توان باد داریم (275,1977, Hennessy ):

(24)با در نظر گرفتن استقلال بین دو پارامتر p و v ، امید ریاضی توان باد به شکل زیر درمی آید:

(25)(26)(27)می توان نتیجه گرفت که میانگین مکعب سرعت باد از رابطه گشتاور سوم حول نقطه صفر به دست می آید.

(28)که در آن به ترتیب میانگین، انحراف معیار و چولگی توزیع سرعت . Shapeparameter .(26)

. Scaleparameter .(27)

باد هستند.در صورتی که توزیع سرعت باد متقارن باشدمیانگین سرعت باد از رابطه زیر به دست می آید.

(29) r امین گشتاور متغیر تصادفی x حول نقطه صفر از رابطه زیر به دست می آید[26].

(30)میانگین و واریانس و سایر مشخصات توزیع ویبال به ترتیب عبارتند از:

(31)(32)(33)9-5-روش آغازین نیوتن-رافسون در تخمین پارامترهای توزیع ویبال به شیوه پیشینه درست نمایی 28 :تخمین های پیشینه درست نمایی برای پارامترهای با حل دستگاه معادلات زیر امکان پذیر است [11].

(34)که در آن lnL لگاریتم تابع احتمال درست نمایی است و با معادله(35)نوشته می شود.

(35)در صورتی که نمونه اطلاعاتی ما به حجم N دارای توزیع ویبال باشد، روش نیوتن- رافسون برای حل معادلات چند مجهولی فوق با الگوریتم زیر مورد استفاده قرار می گیرد. برآورد پارامترها به روش گشتاورهابه عنوان مقادیر اولیه مناسب در روش آغازگری در نظر گرفته می شوند.

(36)که در آن h)r(و k)r(جملات تصحیح شده ای هستند که در r امین مرحله آغازگری به دست می آیند.

. Likelihood .(28)

(به تصویر صفحه مراجعه شود)

10.برآورد سرعت باد در راستای قائم

برای برآورد قائم سرعت باد از مدل قانون توان 29 استفاده می شود.سرعت باد در اثر نیروی مالش سطح زمین کاهش یافته و با افزایش ارتفاع بیشتر می شود.ارتفاع استاندارد دیدبانی سرعت باد 10 متر است.به دلیل آنکه ارتفاع مؤثر 30 توربین های بادی بین 20 تا 50 متر متغیر است، معمولاً برای تخمین پتانسیل انرژی باد نیاز به برون یابی سرعت باد در ارتفاع های مطلوب داریم.مثلاً برای مناطق نسبتاً هموار و با پوشش گیاهی اندک بهترین روش همان قانون توان طبق معادله زیر می باشد.

(37) z ارتفاع سرعت باد مطلوب است، v)z(سرعت بادی است که باید برآورد شود وبه ترتیب ارتفاع مرجع و سرعت باد مرجع هستند{محل ارتفاع 10 متری } (روزن، 1998، 13).

11.طبقه بندی توان باد

در اطلس انرژی باد آمریکا طبقه بندی از 1 تا 7 برای توان باد استفاده می شود و عدد 7 بالاترین پتانسیل انرژی باد را نشان می دهد(جدول 1)(روزن، 1998، 14).

جدول 1 سرعت باد، چگالی توان و طبقه بندهای آن

روش انجام کار

با توجه به یکنواخت بودن توزیع سرعت باد و استفاده بهینه از اطلاعات موجود، برای محاسبه چگالی توان باد از یک دوره آماری ده ساله(1986 تا 1995)همراه با کمترین . Power-Lowmodel .(29)

. hubheight .(30)

(به تصویر صفحه مراجعه شود)

خلأ آماری استفاده شد.بدین منظور از داده های سه ساعته سرعت باد مربوط به ایستگاه های سینوپتیک کشور که دارای بالاترین کیفیت هستند استفاده شده است.بعد از جمع آوری داده های مورد نیاز، کنترل کیفیت بر روی آنها انجام شده و شاخص آماری سرعت باد، مکعب آن و همچنین توزیع فراوانی سرعت باد محاسبه شده است.به منظور کنترل کیفیت داده ها و انتخاب صحیح آنها از ایستگاه هایی باید استفاده کرد که ادوات اندازه گیری ها سالم بوده و به طور صحیح کالیبره گردند و درصد خطای دستگاه مشخص باشد و سپس داده های استخراج شده در چندین مرحله کنترل کیفیت می شوند.در ابتدا با استفاده از رابطه ریاضی شماره 9 و 13 و همچنین داده های سرعت باد در ارتفاع 10 متری، چگالی توان باد به طور مستقیم محاسبه شده است.این روش چگالی توان باد را در یک نقطه با استفاده از مقادیر گسسته سرعت باد به دست می دهد.اما برای داشتن یک توزیع پیوسته از سرعت باد و در نتیجه مکعب آن، لازم است از یک توزیع فراوانی مناسب برای بازش به داده های سرعت باد استفاده شود، که بهترین آنها همان توزیع ویبال دو پارامتره می باشد(رابطه ریاضی شماره 19).مراحل انجام این محاسبات به ترتیب از رابطه شماره 20 تا 36 آمده است.بدین ترتیب میانگین های سالانه و ماهانه چگالی توان باد محاسبه شده اند. در پایان می توان مناطق مستعد تولید انرژی باد در کشور مانند سردشت، ماهشهر و غیره را به دست آورد.لازم به تذکر است که بادهای محلی نقش به سزایی در افزایش توان باد دارند.نمودارهای 1-الف تا 4-الف به ترتیب میانگین های سالانه چگالی توان باد در سال های 1986 تا 1995 را برای چهار ایستگاه تهران-مهرآباد، سردشت، ماهشهر و اردبیل نشان می دهند.نمودارهای 1-ب تا 4-ب نیز میانگین های ماهانه چگالی توان باد را با استفاده از توزیع ویبال و مستقیم برای چهار شهر ذکر شده درهمان فاصله زمانی ارایه می دهند.

نمودار 1-الف میانگین سالانه چگالی توان باد در تهران در سال های 1986 تا 1995

(به تصویر صفحه مراجعه شود)

نمودار 1-ب میانگین ماهانه چگالی توان باد(مقایسه بین محاسبه مکعب سرعت باد لحظه ای و برازش مکعب سرعت باد با توزیع ویبال)در تهران در سال های 1986 تا 1995

نمودار 2-الف میانگین سالانه چگالی توان باد در سردشت در سال های 1986 تا 1995

نمودار 2-ب میانگین ماهانه چگالی توان باد(مقایسه بین محاسبه مکعب سرعت باد لحظه ای و برازش مکعب سرعت باد با توزیع ویبال)در سردشت در سال های 1986 تا 1995

(به تصویر صفحه مراجعه شود)

نمودار 3-الف میانگین سالانه چگالی توان باد در بندر ماهشهر در سال های 1986 تا 1995

نمودار 3-ب میانگین ماهانه چگالی توان باد(مقایسه بین محاسبه مکعب سرعت باد لحظه ای و برازش مکعب سرعت باد با توزیع ویبال)در بندر ماهشهر در سال های 1986 تا 1995

نمودار 4-الف میانگین سالانه چگالی توان باد در اردبیل در سال های 1986 تا 1995

(به تصویر صفحه مراجعه شود)

نمودار 4-ب میانگین ماهانه چگالی توان باد(مقایسه بین محاسبه مکعب سرعت باد لحظه ای و برازش مکعب سرعت باد با توزیع ویبال)در اردبیل در سال های 1986 تا 1995

منابع و مأخذ

1.ثقفی، محمود(1382)؛انرژی های تجدیدپذیر نوین، انتشارات دانشگاه تهران، 2172.

2.از انرژی های نو چه می دانید؟انرژی باد-سازمان انرژی های نوین ایران(سانا)، گزارش سوم.

3.اطلس انرژی باد در کشور، 1376، سازمان هواشناسی کشور.

4.جهانگیری، زهره و فاطمه رحیم زاده(1383)؛بررسی انرژی باد در استان آذربایجان غربی، اولین کنفرانس اکولوژی ایران دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اورمیه.

5.رحیم زاده، فاطمه و زهره جهانگیری(1382)؛مکان یابی مناسب برای استفاده از انرژی باد در کشور، سومین همایش بین المللی بهینه سازی مصرف سوخت در ساختمان، تهران.

6.رحیم زاده، فاطمه، گلبادهای ماهیانه ایستگاه تهران-مهرآباد در ساعات سینوپتیک کشور، طرح اطلس اقلیمی ایران، سازمان هواشناسی کشور.

7.شورای جهانی انرژی(1375)؛منابع انرژی های تجدیدپذیر نوین، چاپ اول، وزارت نیرو.

کليه حقوق برای پرتال علوم انسانی محفوظ است