ارزیابی انرژی باد در ایستگاه سینوپتیک اردبیل

مقدمه

ارزیابی منبع باد، عاملی حساس و مهم در طرح‌ریزی سطح کارایی توربین در مکانی معین است. انرژی موجود در جریان باد نسبتی از مکعب سرعت آن است و این بدان معناست که دوبرابرشدن سرعت باد، انرژی قابل دسترس را به‌صورت فاکتوری از هشت افزایش می‌دهد؛ علاوه بر این خود منبع باد به‌ندرت به‌صورت مداوم و پایدار است؛ به‌طوری‌که میزان آن بسته به زمان، مکان و فصل و همچنین ارتفاع از سطح زمین تغییر می‌یابد.

انرژی باد در سال‌های اخیر به‌ویژه از سال 1973 (دهة بحران انرژی و بحران جهانی نفت) به بعد، توجه جهان صنعتی را به‌شدت جلب کرده است (Keyhani et al, 2010: 181)؛ این توجه در قالب سیاست وابسته‌نبودن به سوخت‌های سنتی و رهاشدن از قید مشکل تأمین انرژی و همچنین حفاظت از محیط‌زیست صورت گرفته است (کاویانی، 1374: 128). تحقیق و تفحص برای تعیین استفادة بهینه از پتانسیل انرژی باد و امکان‌سنجی اقتصادی آن در کشور ضروری است (سادکین، 1380: 617). استفادة مؤثر از انرژی باد مستلزم دانش دقیق از ویژگی‌های باد در موقعیت خاص است؛ مهم‌ترین عوامل در انتخاب یک سایت مناسب‌بودن سرعت باد (Ramazan, 2004: 1632)، کفایت زیرساخت‌های موجود در سایت (عبدی و همکاران، 1390: 2)، شبکة فشار متوسط زمین و شرایط زیست‌محیطی (سادکین، 1380: 617) است. در ارزیابی، نخستین گام، امکان‌سنجی فنی‌اقتصادی احداث و استفاده از توربین‌های بادی است. با متوسط‌گیری عددی امکان نشان‌دادن تصویر واضحی از موقعیت باد و سرعت آن نیست؛ به این دلیل سرعت برداری آن را می‌باید تعیین کرد (عبدلی و همکاران، 1388: 57).

پیشینة پژوهش

وابستگی دنیای امروز به صنایع و نیاز صنایع به انرژی برای راه‌اندازی و فعالیت سبب شده است در سراسر جهان نگاه ویژه‌ای به انرژی در مقیاس‌های کوچک و بزرگ شود و دانشمندان بسیاری در پی تحلیل این موضوع برآیند؛ برای نمونه در مطالعه‌ای گوکیک و همکاران^[1] (2007) در بررسی ویژگی‌ها و انرژی بالقوة باد در کیرکلارالی^[2] ترکیه با استفاده از دو توزیع احتمالاتی ویبول و ریلی داده‌های مربوط به‌ سرعت باد را در ارتفاعات مختلف تحلیل کردند. مطالعة آنها نشان داد در این منطقه میانگین سرعت باد 17/6-74/3 متر بر ثانیه است که بیشینة سرعت در فصل زمستان و ماه ژانویه بوده است. در این منطقه میانگین سالیانة چگالی بالقوة توان باد براساس توزیع ویبول 85/138 وات ‌بر مترمربع و برای ایجاد سایت مناسب است.

فوزی و جودر^[3] (2009) به‌منظور تجزیه‌وتحلیل قدرت باد و محل تطبیق ژنراتور توربین بادی در بحرین در دورة آماری 2005 -2003، داده‌های مربوط به ‌سرعت باد را در ارتفاعات 10 متری، 30 متری و 60 متری با توزیع ویبول برازش داده‌اند و درنهایت برای هر ارتفاعی توربین مناسب را پیشنهاد کرده‌اند.

یوکار و بالو^[4] (2009) انرژی باد را در 6 نقطة ترکیه پتانسیل‌سنجی کردند. میانگین سرعت باد در این 6 منطقه، 7/8 متر بر ثانیه به دست آمد. برازش توزیع ویبول از 6 منطقة بررسی‌شده، دو منطقة ارزروم و الازیک^[5] را مناسب‌ترین مناطق برای ایجاد سایت نشان داد.

کیهانی و همکاران^[6] (2010) در مطالعه‌ای به‌منظور پتانسیل‌سنجی انرژی باد در تهران با بهره‌گیری از داده‌های 3ساعته در دوره‌ای 11ساله از توزیع ویبول به این نتیجه رسیدند که بیشینة سرعت باد در ژوئیه و کمینة آن در آگوست رخ داده است؛ همچنین نشان دادند این سایت برای تولید برق در مقیاس بزرگ مناسب نیست و فقط امکان راه‌اندازی ژنراتورهای محلی، شارژ باتری و پمپاژ آب را دارد.

مصطفایی‌پور و همکاران^[7] (2011) به‌منظور امکان‌سنجی انرژی باد در شهر بابک کرمان، داده‌های 3ساعتة باد را در دورة زمانی 2005 -1997 با توزیع احتمالاتی ویبول برازش داده‌اند. این مطالعه همچنین نصب توربین‌های کوچک را ازنظر اقتصادی ارزیابی کرده است. نتایج نشان می‌دهد احداث سایت در این منطقه به تولید برق در مقیاس بزرگ نمی‌انجامد و فقط برای مصرف در ساختمان‌های دولتی و ساختمان‌های عمومی مناسب است.

ندایی^[8] (2012) در راستای پتانسیل‌سنجی انرژی باد در چالوس، داده‌های مربوط به‌ سرعت باد را در فواصل زمانی 10 دقیقه در 14 ماه از 2006 تا 2007 در ارتفاعات 30 متری و 40 متری استفاده کرد؛ نتایج پژوهش وی نشان داد در هر دو ارتفاع بررسی‌شده، میانگین سرعت باد کمتر از 4 متر در ثانیه بوده است و برای تولید برق مناسب نیست؛ چنانچه برنامه‌های کاربردی در منطقه اجرا شود، امکان تأمین برق برای پمپاژ آب را خواهد داشت.

فاضل‌پور و همکاران^[9] (2015) به‌منظور ارزیابی انرژی باد در ایستگاه‌های تبریز و اردبیل از توزیع ویبول استفاده کردند. براساس نتایج پژوهش ایشان، ایستگاه تبریز بیشینة پتانسیل قدرت باد را در ماه‌های جولای و آگوست و ایستگاه اردبیل در ماه‌های سپتامبر و اکتبر دارد.

همچنین میرموسوی^[10] (2015) برای ایستگاه سهند پتانسیل باد را با توزیع ویبول ارزیابی و سرعت و توان باد را در ارتفاعات 10، 40 و 60 متری بررسی کرده است. توان تولید انرژی باد در این ایستگاه با چهار توربین مختلف ارائه شده است. براساس این مطالعه ایستگاه سهند در ماه‌های ژانویه تا سپتامبر بیشینة سرعت باد را دارد.

دباغیان و همکاران^[11] (2016) برای استان بوشهر در 4 ایستگاه مختلف پتانسیل انرژی باد را با توزیع ویبول برآورد و با بررسی 12 توربین مختلف با توان 100-1 کیلووات با مقایسة ضریب گنجایش و انرژی خروجی سالیانة آنها، بهترین توربین را معرفی کرده‌اند.

همچنین به این بحث در مطالعات داخلی نیز توجه شده است؛ برای نمونه کاویانی (1374) به‌منظور بررسی پتانسیل انرژی باد کشور، آمار 1985 -1981 را در 60 ایستگاه سینوپتیک به‌صورت ماهیانه و سالیانه تحلیل کرد. وی به تهیة اطلس انرژی باد کشور مبادرت ورزید و سرعت و جهت متوسط بادها و انرژی آن را تعیین کرد.

صلاحی (1383) در پتانسیل‌سنجی انرژی باد اردبیل با استفاده از توزیع چگالی احتمال ویبول، احتمال تجربی داده‌ها را با بهره‌گیری از تابع توزیع پیوستة احتمال ویبول محاسبه و برازش مناسب این توزیع را بر داده‌های این ایستگاه با آزمون خی‌دو اثبات کرد. وی نتیجه گرفت ایستگاه سینوپتیک اردبیل، مکان مناسبی برای بهره‌برداری از انرژی باد است.

جهانگیری و همکاران (1384) در محاسبة انرژی باد کشور با استفاده از توزیع ویبول دوپارامتره طی دورة 1995 -1986، توزیع ویبول و رایله را بهترین برازش برای مکعب سرعت باد دانستند. بررسی آنها نشان داد علاوه بر منجیل، امکان بهره‌برداری از انرژی مناطقی نظیر سردشت، اردبیل و ماهشهر نیز وجود دارد. تخمین میزان تولید انرژی الکتریکی، منبع درآمد نیروگاه را تشکیل می‌دهد.

محمدی و همکاران (1391) به‌منظور پتانسیل‌سنجی انرژی باد در استان کرمانشاه در سال‌های 1997 تا 2006، توزیع احتمال ویبول را به کار گرفتند. آنها چگالی توان باد سالیانه را در ترازهای ارتفاعی 10، 20 و 50 متر محاسبه کردند. پتانسیل انرژی باد تراز 10 متر در ایستگاه‌های روانسر، سرپل ذهاب، کنگاور، اسلام‌آباد غرب و کرمانشاه به ترتیب 254، 223، 214، 146 و 82 وات بر مترمربع در واحد سطح به دست آمده است. نتایج این مطالعه حاکی است در ایستگاه‌های روانسر، سرپل ذهاب و کنگاور، پتانسیل مناسب برای تولید انرژی باد وجود دارد؛ اما ایستگاه کرمانشاه این پتانسیل را ندارد.

رزمجو و شیرمحمدی (1395) داده‌های سرعت و پتانسیل انرژی باد را برای بندر دیر ارزیابی آماری کرده‌اند. کمینة سرعت باد در این ایستگاه در ماه آگوست و بیشینة آن در ماه مارس است. آنها این ایستگاه را برای نصب توربین‌های کوچک مناسب می‌دانند. با توجه به اینکه منبع تولید انرژی نیروگاه‌های تجدیدپذیر نظیر باد در اختیار طبیعت است و دسترسی همیشگی به آن میسر نیست، بنابراین تعیین میزان انرژی تولیدی سالیانة نیروگاه همواره به‌صورت تخمینی و تقریبی ممکن خواهد بود.

درزمینة معرفی توربین بادی برای بهره‌برداری از انرژی باد مطالعات زیادی انجام نشده است؛ از این رو در این مطالعه سعی شده است ضمن بررسی توربین مناسب، متناسب با سرعت‌های مختلف باد، گنجایش پتانسیل انرژی باد بررسی و تجزیه‌وتحلیل شود.

روش‌‌شناسی پژوهش

در این مطالعه به‌منظور ارزیابی توان باد در ایستگاه اردبیل از داده‌های مربوط به‌ سرعت و جهت باد، دما، رطوبت و فشار طی دورة آماری 1369 (1990) تا 1387 (2008) در ساعات اصلی (00، 06، 12 و 18) و ساعات فرعی (03، 09، 15 و 21) به وقت گرینویچ بهره گرفته شده است که در ارتفاع 10 متری سطح زمین اندازه‌گیری شده‌اند. علت انتخاب این بازة زمانی این بود که دادة گمشده در این دوره وجود نداشت. برای انجام تجزیه‌وتحلیل داده‌ها نرم‌افزار WINDOGRAPHER به کار رفته است؛ سپس برای ارزیابی این نرم‌افزار، نتایج حاصل از آن با نرم‌افزار WRPLOT مقایسه و نیز به‌منظور حصول اطمینان بیشتر، بعضی از محاسبات به‌صورت دستی انجام شد. در ادامه ضریب ظرفیت انرژی باد با رابطة 1 محاسبه شده است (Manwell, 2002: 63):

 میانگین ظرفیت انرژی باد ( ) در واحد سطح (A) است (kwn/ /yr)؛  متوسط چگالی توان باد
( ) در واحد سطح (A) است. چگالی هوا، جرم از مقدار هوا و تقسیم بر حجم آن تعریف شده است. برای محاسبة چگالی هوا در هر گام زمان، از قانون گاز ایده‌آل و برای محاسبة چگالی توان باد از رابطة 2 استفاده می‌شود (همان):

در این رابطه:

 توان (قدرت چگالی باد/ وات بر مترمربع در واحد سطح)،  چگالی هوا (کیلوگرم بر مترمکعب kg/m³) و  میانگین سرعت باد به متر در ثانیه (ساعتی و ماهیانه برای هر سال در دورة زمانی بررسی‌شده) است که در این فرمول P خود از رابطة 3 حساب می‌شود:

P فشار به پاسکال (KPA)،   چگالی/کیلوگرم بر مترمکعب (8.314412 )، M جرم مولی (Kg/Kmol)،T  میانگین دما برحسب کلوین است. برای هوای خشک جرم مولر برابر با kg/mol 9664/28 است؛ اما برای محاسبة آن از رابطة 4 استفاده می‌شود (همان):

برای بیان چگالی از رابطة 5 استفاده می‌شود:

P برابر با فشار هوا (Kpa) است که با رابطة 6 به دست می‌آید:

z معادل ارتفاع است.

 Tبرابر با دمای هواست که با رابطة 7 محاسبه می‌شود:

Z ارتفاع و  دمای استاندارد سطح دریاست، معادل:  K 16/288.

B، میزان استاندارد افتاهنگ محیطی و میزان آن برابر با K/m 00650/0 است.

محدودۀ پژوهش

استان اردبیل، بخشی از فلات مثلثی‌شکل ایران در شرق فلات آذربایجان است که حدود دوسوم آن بافت کوهستانی با اختلاف ارتفاع زیاد دارد و بقیه را مناطق هموار و پست تشکیل داده است (شکل 1). مساحت این استان ۱۷۹۵۳ کیلومترمربع (تقریباً ۱٫۰۹ درصد از مساحت کل کشور) است. با توجه به اینکه استان اردبیل ارتفاعات بلندی دارد، همچون سبلان (۴۸۱۱ متر)، کوه‌های طالش و قوشه‌داغ در غرب سبلان و بزغوش در جنوب و جنوب ‌غربی آن (همگی با ارتفاع متوسط ۲۲۰۰ متر) یا رشته‌کوه پلنگان در حوالی دریاچة نئور و قلة آق‌داغ (۳۳۲۲ متر)، اقلیم این استان متأثر از آنها از ویژگی‌های خاصی برخوردار شده است.

ایستگاه سینوپتیک اردبیل که در این مطالعه بررسی شده است، طول جغرافیایی 48 درجه و 17 دقیقة شرقی و عرض جغرافیایی 38 درجه و 15 دقیقة شمالی دارد. ارتفاع این ایستگاه از سطح دریا 1332 متر است و براساس طبقه‌بندی‌های اقلیمی نیمه‌خشک محسوب می‌شود.

شکل- 1: موقعیت جغرافیایی و سیمای توپوگرافی استان اردبیل

یافته‌های پژوهش

ویژگی‌های توصیفی باد در منطقه

برنامه‌ریزی برای به‌دست‌آوردن انرژی از توان بالقوة باد در هر منطقه نخست نیازمند شناخت ویژگی‌های اولیه و بلندمدت در هر منطقه است تا نگاهی جامع حاصل شود. در این راستا محاسبة ویژگی‌های توصیفی و سادة آماری گامی کوچک و ابتدایی جلوه می‌کند، اما در رسیدن به دیدگاهی جامع از وضعیت این پدیده به پژوهشگر یاری می‌رساند. جدول (1) بعضی از مشخصات آماری باد را در منطقه نشان می‌دهد. از مجموع کل باد منطقه، 43درصد آن باد آرام است. دامنة تغییرات، همان‌طور که از جدول برمی‌آید، m/s 58، یعنی برابر با بیشترین سرعت باد در منطقه و این امر بیان‌کنندة تغییرات شدید باد در منطقه است؛ همچنین پراش 25/66 تأییدی بر این گفته است. زیادبودن چولگی و کشیدگی و همچنین یکسان‌نبودن میانه و مد و میانگین، بیان‌کنندة توزیع نابهنجار باد در محدودة پژوهش است. چندک‌ها برای شناخت فراوانی یا درصد تراکمی آستانه‌های مدنظر استفاده می‌شود؛ به بیان دیگر، متغیرها را براساس تفاضل کمینه و بیشینة باد و همچنین براساس تعداد داده‌ها به فاصلة چندکی مدنظر تقسیم می‌کند. چگالی انرژی باد که به‌صورت وات در هر مترمربع (W/m²) اندازه‌گیری می‌شود، نشان‌دهندة این است که چقدر انرژی برای بازدهی یک توربین بادی در مکان موجود است. میزان متوسط انرژی حاصل از باد طی دورة مطالعه‌شده، KW/m² 2/128197 است؛ این در حالی است که قدرت چگالی آن برابر با W/m² 14634 است.

جدول- 1: مشخصات عمومی باد در منطقة مطالعه‌شده

در شکل (2) گلبادهای مربوط به ‌سرعت و انرژی باد در ایستگاه مطالعه‌شده به تفکیک ساعتی با چرخه‌های سه‌ساعته برای ساعات 00، 03، 06، 09، 12، 15، 18 و 21 آورده شده است. برای ایجاد وصفی بهتر از حالات موجود در شبانه‌روز ساعات 21، 00 و 03 به‌منزلة ساعات شب، ساعات 06 و 09 به‌منزلة ساعات صبح و ساعات 12، 15 و 18 به‌منزلة ساعات بعدازظهر تحلیل خواهند شد.

بررسی گلبادهای سرعت برای مقطع زمانی شب در ایستگاه اردبیل نشان داد در هر سه ساعت بررسی‌شده نمود کلی گلبادها یکسان و بیشترین فراوانی مربوط به ‌سرعت باد در جهت شرقی با فراوانی 14درصد و بیشتر و میزان باد آرام به ترتیب 47% برای ساعت 21، 54% برای ساعت 00 و 57% برای ساعت 03 بوده است. بیشینة میزان انرژی دست‌یافتنی برای هر سه ساعت از وزش‌های با جهت جنوب غربی و جنوبی خواهد بود. این انرژی برای ساعات 00 و 03 برای جهت جنوب غربی حدود W/m²45000 و برای جهت جنوبی حدود W/m²36000 بوده است؛ اما در ساعت 21 با اینکه جهت تغییری نکرده، میزان بیشینة انرژی که از جهت جنوب غربی دست‌یافتنی است، به حدود W/m²36000 کاهش یافته است.

در مقطع زمانی صبح گلباد سرعت بیان‌کنندة این است که در ساعت 06، بیشترین فراوانی مربوط به جهت شرقی بوده و درصد وزش‌های آرام در این ساعت 55% است. بیشینة انرژی حدود W/m²45000 برای جهت جنوب غربی و W/m²36000 برای جهت جنوبی است. در ساعت 09 نسبت به چهار زمان پیشین، تغییراتی در هر دو گلباد سرعت و انرژی دیده می‌شود. فراوانی باد غالب همچنان در جهت شرقی است؛ اما ازنظر درصد به 21% افزایش و درصد وزش‌های آرام به 45% کاهش یافته است؛ همچنین میزان انرژی از جهت جنوب غربی به W/m²54000 و در جهت غربی و جنوبی به W/m²36000 رسیده است.

در ادامه، بررسی حاصل از گلبادهای ساعتی ظهر و بعدازظهر نشان داد کمترین درصدهای وزش‌های آرام شبانه‌روز در این ساعات به وقوع پیوسته است که به ترتیب برای ساعت 12، 30%، ساعت 15، 26% و ساعت 18، 32% را به خود اختصاص داده‌اند. در هر سه ساعت، باد وزشی شرقی داشته است که در ساعت 15 وزش‌های رخ‌داده، بیشترین فراوانی را به خود اختصاص داده‌اند و این میزان 37درصد بوده است؛ پس از آن در ساعت 18، 34% و در ساعت 12، 30% وزش‌ها در این جهت بوده‌اند.

شکل - 2: گلباد سرعت و انرژی به تفکیک ساعت طی دورة 1387-1369 در ایستگاه اردبیل

بیشینة انرژی دست‌یافتنی در هر سه ساعت از جهت‌های جنوب غربی و غربی بوده است که در ساعت 12 این میزان برای جهت جنوب غربی، حدود W/m²54000 و در جهت غربی، حدود W/m²48000 بوده است. در ساعت 15 در جهت جنوب غربی، W/m²46000 و در جهت غربی، W/m²46000 و در ساعت 18 در هر دو جهت گفته‌شده، W/m²36000 بوده است.

بررسی و تحلیل حاصل از چگونگی وزش در جهات مختلف و انرژی دست‌یافتنی از هر جهت در جدول (2) به‌صورت سالیانه ارائه شده است.

جدول- 2: ویژگی‌های سالیانة سرعت و انرژی برای جهت‌های اصلی طی دورة 1387-1369

چنانچه دیده می‌شود بیشترین فراوانی وزشی در جهت شرق و کمترین فراوانی در جهت شمال به وقوع پیوسته است؛ این در حالی است که بیشترین انرژی دست‌یافتنی به ترتیب از جهت جنوب غرب، غرب و جنوب بوده است. گنجایش ظرفیت انرژی نیز در همین جهات بیشینة خود را داشته است؛ با این تفاوت که دربارة میزان انرژی تفاوت در نخستین جهت که بیشترین وزش را داشته و دو جهت نامبردة دیگر، کمتر از W/m²10000
بوده است؛ در حالی‌ که دربارة گنجایش ظرفیت انرژی، این میزان به حدود 10 برابر تفاوت پیشین رسیده است. کمترین درصد وزش‌های آرام مربوط به جهت جنوب غرب و بیشترین درصد وزش‌های آرام مربوط به جهت شمال بوده است.

در شکل (3) میانگین سرعت باد ساعتی برای ماه‌های مختلف نشان داده شده است. بیشترین سرعت باد در مقاطع زمانی بررسی‌شده مربوط به ساعات ظهر و بعدازظهر و بیشینة آن در ساعت 15 در فصل تابستان رخ داده است.

شکل- 3: نمودار مربوط به‌ سرعت باد در ساعات مختلف هر ماه

بیشینة سرعت‌ها در ساعات شب و صبح مربوط به فصل زمستان است؛ این در حالی است که بیشینة سرعت بعدازظهر مربوط به فصل تابستان است. نکتة جالب توجه در این نمودارها این است که در فصول بهار و پاییز در تمام ساعات شبانه‌روز کاهش در سرعت باد دیده می‌شود؛ به گونه‌ای که در نمودارها حالت نوسانی حاکم شده است. با توجه به اینکه کمینة سرعت برای دستیابی به انرژی از باد 4 متر بر ثانیه است، فقط در ساعت 03 و 06 در ماه خرداد سرعت باد از این آستانه کمتر و میانگین سرعت باد در سایر ساعات شبانه‌روز در تمام ماه‌ها بیش از این میزان بوده است.

همچنین نتایج حاصل از بررسی میانگین سرعت باد در هر ماه به تفکیک ساعات مختلف بیان‌کنندة این است که ‌جز در ماه دی و بهمن که وقوع بیشینة سرعت در ساعت 12 بوده است، در سایر ماهها این بیشینه در ساعت 15 رخ ‌داده است. در شکل (4) نمودار مربوط به میانگین سرعت باد در جهت‌های مختلف برای تمام ماه‌ها آورده شده است؛ چنانچه در نمودار دیده می‌شود، کمترین میانگین‌ها در تمام ماه‌ها در این ایستگاه از وزش‌های با جهت شمالی حاصل شده است؛ بیشترین نوسان در نمودارها در جهت‌های جنوبی، جنوب غربی و غربی دیده می‌شود؛ به‌طوری‌که در این سه جهت در فصل تابستان کمترین سرعت‌ها دیده می‌شود؛ بیشینة میانگین سرعت باد در تمام ماه‌های سال ‌جز تیر، مرداد و شهریور، از جهت جنوب غربی رخ داده است؛ این در صورتی است که بیشینة میانگین سرعت در این ماه (تیر، مرداد و شهریور) از جهت شرقی بوده است. شکل (5) نوسانات انرژی را در ماه‌های مختلف برای هر جهت نمایش می‌دهد. چنانچه دیده می‌شود در وزش‌های با جهت شمالی، تولید انرژی کمترین میزان را دارد. بیشینة میزان انرژی مربوط به ماه فروردین در جهت جنوب غرب است. چنانچه نمایان است این جهت نسبت به سایر جهات بیشترین انرژی را در تمام ماه‌ها جز خرداد تا شهریور و اسفند داشته است. نوسانات انرژی در جهت‌های شمال شرقی، شمال غربی و جنوب شرقی بسیار مشابه و در سطح کمتری نسبت به دیگر جهت‌ها بوده است؛ درواقع بیشترین اعتماد در تولید انرژی به جهت‌های جنوب غربی، غربی و جنوبی است؛ زیرا در این جهت‌ها در تمام ماه‌ها میزان انرژی بسیار است.

شکل- 4: نمودار مربوط به ‌سرعت باد در جهت‌های مختلف

شکل- 5: نمودار مربوط به انرژی باد در جهت‌های مختلف

شکل (6) درصد تجمعی سرعت باد را به‌صورت سالیانه طی دورة 1370 تا 1388 نشان می‌دهد. همان‌طور که در شکل هم پیداست، درمجموع 43درصد از سرعت باد منطقه بین m/s 0 – 4، یعنی بادی آرام بوده است. بیشترین سرعت باد درمجموع در بازة  m/s20 – 10 رخ داده است؛ به‌طوری‌که نزدیک به 25درصد باد منطقه در این بازه رخ داده است. کمتر از 2درصد باد منطقه سرعتی بیش از m/s 30 داشته است.

شکل (7) نیمرخ سرعت باد متناسب با ارتفاع را نشان می‌دهد. سرعت باد با افزایش ارتفاع زیاد می‌شود. در ارتفاعات کم‌اثر، ناهمواری‌ها بر سرعت باد تأثیر فاحشی دارد؛ اما با افزایش ارتفاع این تأثیر بسیار ناچیز است؛ تا جایی که در ارتفاعات زیاد به دلیل ازبین‌رفتن آثار اصطکاک، ناهمواری‌ها بر سرعت باد اثری ندارند؛ بنابراین سنجش واقعی باد در سطح زمین به دلیل تأثیر عوامل محلی با مشکلاتی مواجه است و از طرفی سرعت باد با افزایش ارتفاع از سطح زمین زیاد می‌شود و جهت آن نیز تغییر می‌کند.

شکل- 6: نمودار تابع توزیع تجمعی سالیانه (تهیه و ترسیم: نگارندگان)

شکل- 7: پروفیل سرعت باد متناسب با ارتفاع (تهیه و ترسیم: نگارندگان)

کلاس‌بندی توربین‌ها

اختلاف فشار در لایه‌های مختلف اتمسفر روی تیغه‌ها نیروی کشنده ایجاد می‌کند. در اثر این نیرو تیغه‌های توربین به چرخش درمی‌آیند. تغییر زاویة تیغة توربین در راستای وزش باد، این نیرو را افزایش یا کاهش می‌دهد؛ به‌طوری‌که اگر این زاویه از حد مشخصی بیشتر شود که نسبت به ‌سرعت باد تعیین می‌شود، نیرو از بین می‌رود و درنتیجه توربین می‌ایستد.

شکل (8) چگونگی نحوة اثر باد را بر تیغه‌های توربین نشان می‌دهد. در این شکل، n زاویة حملة ایستا یا زاویة بین تیغة پرة توربین و وزش باد طبیعی (C) و B راستای وزش نسبی باد است. A راستای وزش باد ناشی از حرکت توربین و m زاویة حملة طبیعی است؛ بنابراین راستای سرعت نسبی، برآیند راستای وزش باد طبیعی و بادی است که توربین در اثر حرکت خود به وجود می‌آورد. زاویة حملة باد در حالت ایستادن و چرخش توربین متفاوت است. در صورتی که میزان باد طبیعی از میزان تولید باد حاصل از توربین بیشتر شود، m یا زاویة حمله به سمت زاویة راستای وزش باد طبیعی (C) تمایل می‌یابد. در صورتی که A بر C غلبه کند، راستای وزش حملة واقعی باد یا m به سمت A تمایل می‌یابد؛ بنابراین میزان چرخش و درنتیجه تولید انرژی به میزان اختلاف تولید باد حاصل از توربین و وزش باد طبیعی بستگی دارد.

شکل- 8: چگونگی اثر باد بر پره‌های توربین (تهیه و ترسیم: نگارندگان)

مکان‌گزینی توربین‌های بادی مناسب برای بهره‌برداری از پتانسیل انرژی باد همواره با محاسبات پیچیده‌ای همراه بوده است؛ به‌ طوری ‌که در مطالعات پیشین درزمینة توربین‌های بادی متناسب با سرعت باد منطقه، قطر توربین در اندازه‌های مختلف بررسی می‌شد و سپس دربارة توان انرژی آن تصمیم‌گیری می‌کردند. به‌تازگی کمسیون الکترونیکی بین‌المللی (IEC)^[12] سه طبقة استاندارد را برای کلاس‌بندی توربین‌های بادی ارائه کرده است. در این کلاس‌بندی متناسب با سرعت باد، نوع توربین را برای استقرار و نصب آن پیشنهاد می‌دهد؛ بدین صورت که سرعت بین m/s 5/7 – 5/5 در کلاس 3، سرعت بین m/s 5/8 – 5/7 برای کلاس 2 و درنهایتm/s  5/9 و بیشتر برای کلاس 1 ارائه شده است. این سازمان کلاس‌بندی را برمبنای سرعت متوسط باد سالیانه تعریف کرد. در این کلاس‌بندی متناسب با سرعت‌های خاص، نوع توربین متناسب با آن سرعت را پیشنهاد می‌دهد؛ بنابراین با دردست‌داشتن این نوع کلاس‌بندی و همچنین میانگین سالیانة سرعت باد در منطقة مدنظر، توربین متناسب برای بهره‌برداری انرژی نصب می‌شود.

میانگین سرعت سالیانة باد اردبیل در طول دورة مطالعه‌شده m/s 4/7 بوده است؛ بنابراین در کلاس 3 قرار دارد. پس از مشخص‌شدن کلاس توربین در مرحلة بعد، نوع توربین مشخص شده است؛ بدین منظور نرم‌افزار WINDOGRAPHER به کار رفته است؛ بنابراین توربینی که گنجایش و میانگین قدرت توان انرژی آن بیشتر بود، به‌منزلة توربین مناسب انتخاب شد.

در شکل (9) کلاس‌بندی توربین‌های بادی متناسب با سرعت‌های مختلف نشان داده شده است. با توجه به اینکه میانگین سرعت سالیانه در اردبیل طی دورة مطالعه‌شده m/s 4/7 بوده است و برمبنای شکل (4) این میانگین سرعت در کلاس 3 قرار دارد، با دستیابی به اطلاعات انواع توربین موجود تولیدشده در جهان که برای این نوع کلاس و محیط خشکی (توربین‌های تولیدی برای محیط دریا و خشکی در بیشتر کارخانه‌های تولیدی متفاوت‌اند) تولید می‌شوند، برای هریک از توربین‌های بالا شاخص‌های مدنظر به‌منظور قراردهی توربین در منطقه و بازدهی آن با توجه به ویژگی‌های باد در منطقه استخراج شده است. ملاک انتخاب بهترین توربین این است که توربین مدنظر در مرحلة اول ضریب فاکتور زیاد و در مرحلة بعد میانگین انرژی زیادی داشته باشد؛ بر این اساس بهترین نوع توربین برای منطقة مطالعه‌شده، توربین WinWinD WWD-3-120 و Vestas V112-3.0MW شناخته شد.

شکل- 9: کلاس‌بندی توربین متناسب با سرعت باد (منبع: کمیسیون الکترونیکی بین‌المللی)

در جدول (3) و (4)، ضریب فاکتور و میانگین انرژی توربین برای ماه‌های مختلف در توربین‌های منتخب آورده شده است. همان‌طور که دیده می‌شود بیشترین درصد فاکتور مربوط به ضریب گنجایش انرژی و میانگین انرژی تولیدی در هر دو نوع توربین برگزیده برای ماه‌های اردیبهشت و اسفند است.

جدول- 3: ضریب فاکتور و میانگین انرژی توربین 3.0MW- WESTAES V112 برای ماه‌های مختلف در ایستگاه اردبیل

جدول- 4: ضریب فاکتور و میانگین انرژی توربین WIWIND WWD- 3 120برای ماه‌های مختلف در ایستگاه اردبیل

نمودار مربوط به تولید انرژی توربین‌ها در شکل (10) آورده شده است. چنانچه دیده می‌شود برای شروع تولید انرژی به دست‌کم سرعت 4 متربرثانیه نیاز است و چنانچه میزان سرعت به 25 متربرثانیه برسد، تولید انرژی متوقف می‌شود.

شکل- 10: نمودار تولید انرژی برای توربین‌های برگزیده در منطقة مطالعه‌شده

نتیجه‌گیری

به‌منظور بهره‌برداری از پتانسیل‌های موجود انرژی و روند تحولات حامل‌های انرژی‌های تجدیدپذیر در کشور، شناخت دقیق محدودیت‌ها، موانع و امکانات موجود برای استفاده از منابع انرژی در کشور ضروری است. نیروی برق بادی، انرژی ذخیره‌شده را افزایش می‌دهد و ارزش اقتصادی زیاد این انرژی به‌ویژه در زمان اوج تقاضای برق آشکار می‌شود. درآمد حاصل از این پتانسیل، هزینه و ضایعات ذخیره‌سازی را کاهش می‌دهد.

کشور ایران ازلحاظ منابع مختلف انرژی، یکی از غنی‌ترین کشورهای جهان محسوب می‌شود؛ زیرا از یک‌سو منابع گستردة سوخت‌های فسیلی و تجدیدناپذیر نظیر نفت و گاز و از سوی دیگر پتانسیل فراوانی برای تولید انرژی‌های تجدیدپذیر ازجمله باد دارد. در این مطالعه به‌منظور پتانسیل‌سنجی باد در ایستگاه اردبیل از داده‌های ساعتی سرعت و جهت باد، دما، رطوبت و فشار استفاده شد. به‌منظور انجام تجزیه‌وتحلیل و ترسیم همة نمودارها، نرم‌افزار WINDOGRAPHER به کار رفت. میانگین سرعت سالیانة باد در ایستگاه اردبیل طی دورة مطالعه‌شده (1387 – 1369)، m/s 4/7 حاصل شد. براساس استاندارد کمیسیون الکترونیکی بین‌المللی (IEC) برای کلاس‌بندی توربین‌های بادی و از آنجایی که سرعت باد در ایستگاه اردبیل m/s 4/7 است، توربین‌های کلاس سه برای این ایستگاه پیشنهاد می‌شود.

بیشترین سرعت باد در مقاطع زمانی بررسی‌شده مربوط به ساعات ظهر و بعدازظهر است و بیشینة آن در ساعت 15 در فصل تابستان رخ داده است. بیشینة سرعت‌ها در ساعات شب و صبح مربوط به فصل زمستان است؛ این در حالی است که بیشینة سرعت بعدازظهر مربوط به فصل تابستان است.

بیشترین نوسان سرعت باد در جهت‌های جنوبی، جنوب غربی و غربی دیده می‌شود؛ به‌طوری‌که در این سه جهت در فصل تابستان، کمترین سرعت‌ها دیده می‌شود. بیشینة میانگین سرعت باد در تمام ماه‌های سال جز تیر، مرداد و شهریور از جهت جنوب غربی رخ داده است.

تحلیل طبقات مختلف رخداد سرعت باد در منطقه نشان داد تقریباً در 67% مواقع سرعت باد بیش از m/s 4 بوده است که از این درصد نزدیک به %25 مربوط به وقوع سرعت در بازة m/s 20–10 است. توزیع میانگین سرعت در تمام ماه‌ها به‌صورت چوله به چپ بوده است؛ به این معنا که تعداد رخداد سرعت‌های بزرگ‌تر از میانگین بیشتر از سرعت‌های کوچک‌تر از میانگین بوده است. در ماه فروردین و آذر بیشترین دامنة سرعت بین m/s58-0 و در ماه مرداد کمترین دامنه بین صفر تا حدود m/s 33 بوده است. به‌طور کلی در سال‌های مختلف متوسط سرعت باد تغییرات زیادی می‌یابد؛ به ‌طوری ‌که در بیشتر نواحی جغرافیایی، اختلافات چشمگیر فصلی در سرعت متوسط باد حاصل می‌شود. معمولاً بادهای زمستانی سرعت متوسط بیشتری دارند؛ ولی استثنا هم وجود دارد. در استان اردبیل به علت فعال‌شدن بادهای غربی و همچنین توپوگرافی، بیشترین سرعت باد در فصل زمستان دیده می‌شود. به سبب تغییرات فصلی، ممکن است انرژی بالقوة باد در فصول مختلف برای تولید قدرت به‌طور چشمگیری بیش از سرعت متوسط سالیانة باد باشد. از آنجایی‌که سرعت باد بسته به شرایط اتمسفری و ارتفاع طی سال‌های مختلف، هم به لحاظ مکانی و هم به لحاظ زمانی متفاوت است، در محاسبة میان بازدهی انرژی توربین‌های بادی در یک منطقه علاوه بر سرعت متوسط باد، باید توزیع تناوبی (سالیانه، ماهیانه، فصلی و روزانه) سرعت باد را مدنظر قرار داد. برای استقرار و نصب توربین در منطقه نیاز به بررسی ایستگاه‌های بیشتری است که از پراکندگی یکنواختی برخوردار باشند.