ارزیابی منابع بادی

2020/10/31

ارزیابی منابع بادی

پارامترهای اساسی و اختیاری ارزیابی منابع بادی

پارامترهای اساسی و اختیاری ارزیابی منابع بادی در این متن شرح داده شده است. این عوامل برای پایش پتانسیل های بادی هر منطقه الزامی است.

پارامترهای اساسی

هسته اصلی پایش انرژی باد، جمع آوری داده های سرعت باد(wind speed)، جهت باد(wind direction) و دمای هوا است. شرح هر پارامتر، هدف آن و ارتفاع (های) مناسب پایش آن در جدول زیر ارائه شده است. این پارامترهای اسمی برای بدست آوردن اطلاعات بنیادی مورد نیاز برای ارزیابی منابع بادی و مسائل امکان سنجی انرژی باد توصیه می شود. برای درک بهتر این مفاهیم مطالعه پیش نیازهای این مطالب لازم به نظر می رسد از این رو مقاله توربین بادی برای آشنای با این نوع فناوری، مقاله میدان بادی برای آشنایی با نمودار های سرعت باد و مقاله جهت باد برای ارزیابی باد های یک منطقه، مفید خواهند بود.

سرعت باد

داده های سرعت باد مهمترین شاخص ارزیابی منابع بادی در یک سایت است. برای تعیین خصوصیات برش باد(wind shear) یک سایت، انجام شبیه سازی عملکرد توربین و پشتیبانی توربین، ارتفاع های اندازه گیری چندگانه(Multiple measurement heights) توصیه می شود. ارتفاعات معمول برنامه های اندازه گیری باد وابسته به NREL اخیر ۴۰ متر، ۲۵ متر و ۱۰ متر است.

۴۰ متر: این ارتفاع نشان دهنده ارتفاع تقریبی هاب (hub) بیشتر توربین های بادی در مقیاس صنعتی است. ارتفاع واقعی هاب معمولاً در محدوده ۵۰ متر تا ۶۵ متر است

۲۵ متر: این سطح حداقل ارتفاع نوک پره(blade) یک توربین را دارد و به شناخت جریان باد در سطح روبش(swept area) ان کمک می کند.

۱۰ متر: این ارتفاع اندازه گیری هواشناسی استاندارد جهانی است. با این حال، در مکانهایی که تداخل پوشش گیاهی (به عنوان مثال، جنگل) در این ارتفاع اجتناب ناپذیر است، ممکن است از یک ارتفاع جایگزین، ۱۰ متر بالاتر از پوشش جنگل استفاده شود.

جهت باد

برای تعریف جهت باد غالب، باد نما(wind vane) باید در تمام سطوح پایش نصب شوند. اطلاعات فرکانس جهت باد برای شناسایی اشکال و جهت گیری های ترجیحی زمین و بهینه سازی طرح چیدمان(layout) توربین های بادی در یک مزرعه بادی مهم است.

دما

دمای هوا، توصیف کننده محیط کار یک نیروگاه بادی است و به طور معمول در نزدیکی سطح زمین (۲ تا ۳ متر) یا در نزدیکی ارتفاع هاب اندازه گیری می شود. همچنین دما برای محاسبه چگالی هوا، متغیری که برای تخمین چگالی توان باد و توان خروجی توربین بادی مورد نیاز است، استفاده می شود. توربین های بادی در مناطق گرم سیر و سرد سیر، شرایط کاری و نگهداری مختلفی دارند که باید لحاظ شود.

پارامترهای اختیاری

می توان تلاش نظارتی را گسترش داد تا پارامترهای ارزیابی منابع بادی اضافی را نیز در بر بگیرید. پارامترهای اختیاری احتمالی در زیر با جزئیات ارائه شده است.

تابش خورشید

تابش خورشید در محاسبات عددی کاربرد دارد و ممکن است در گسترش برنامه پایش انرژی باد برای استفاده از انرژی خورشیدی نیز کاربرد داشته باشد. ارتفاع اندازه گیری توصیه شده ۳ تا ۴ متر از سطح زمین است.

سرعت باد عمودی

این پارامتر جزئیات بیشتری در مورد آشفتگی(turbulence) سایت ارائه می دهد که می تواند پیش بینی خوبی برای بارهای توربین بادی باشد. با گسترش انرژی باد در مناطق جدید کشور، اطلاعات منطقه ای در مورد سرعت عمودی باد ممکن است مهم باشد.

تغییر دما با ارتفاع

اندازه گیری دما با ارتفاع که به آن دمای دلتا (ΔT) نیز گفته می شود، اطلاعاتی در مورد آشفتگی باد فراهم می کند و برای نشان دادن ثبات جوی استفاده می شود.

فشار بارومتریک

برای تعیین تراکم هوا از فشار بارومتریک(Barometric Pressure) همراه دمای هوا استفاده می شود. اندازه گیری دقیق در محیط های بادی دشوار است زیرا فشارهای دینامیکی هنگام عبور باد از محیط بادسنج ایجاد می شوند. یک محیط داخلی یا اداری مکان مناسب برای حسگر فشار است. بنابراین، بیشتر برنامه های ارزیابی منابع بادی، فشار بارومتریک را اندازه گیری نمی کنند و در عوض از داده های گرفته شده توسط یک ایستگاه خدمات ملی هواشناسی منطقه استفاده می کنند و سپس برای هر ارتفاع تنظیم می شوند.

فواصل نمونه برداری

پارامترهای اندازه گیری شده، به وسیله data logger داده ها را ثبت می کنند. همه پارامترها باید هر یک یا دو ثانیه یک بار نمونه برداری شده و به صورت میانگین، انحراف معیار و حداکثر و حداقل مقدار ثبت شوند. ثبت داده ها باید ماهیتی سریالی داشته و با برچسب مربوط به زمان و تاریخ تعیین شوند.

میانگین

مقدار میانگین باید برای همه پارامترها به صورت ده دقیقه محاسبه شود، که دوره(period) استاندارد بین المللی برای اندازه گیری باد است. برای جهت باد، میانگین باید یک مقدار برداری باشد. از داده های متوسط در گزارش تغییرپذیری(variability) سرعت باد و همچنین توزیع فرکانس سرعت و جهت باد استفاده می شود.

انحراف معیار

انحراف معیار باید برای سرعت باد و جهت باد تعیین شود و به عنوان انحراف معیار استاندارد جامعه حقیقی(true population standard deviation) (σ) برای هر یک یا دو ثانیه در هر بازه زمانی متوسط تعریف می شود. انحراف معیار سرعت باد و جهت باد شاخص آشفتگی و ثبات جوی است. انحراف معیار همچنین در تشخیص داده های مشکوک یا اشتباه هنگام تأیید مقادیر متوسط مفید است.

حداکثر و حداقل

حداقل و حداکثر سرعت باد و درجه حرارت باید حداقل روزانه تعیین شود.

پارامترهای تکمیلی برای طبقه بندی سایت های انرژی بادی

هدف اصلی برنامه ارزیابی منابع بادی جمع آوری داده ها برای استفاده در برنامه های اساسی انرژی بادی است. با این حال، پردازش اضافی این داده ها شامل حداکثر سرعت ثبت شده ده دقیقه ای و اختلاف سرعت باد بین سطوح اندازه گیری، اطلاعات جدیدی را برای استفاده در طبقه بندی دقیق سایت های انرژی بادی فراهم می کند. این طبقه بندی ها مطابق با استانداردهای جدید کمیسیون بین المللی الکتروتکنیک(IEC) برای سایت های بادی و توربین های بادی است.

حداکثر مقدار یک ثانیه سرعت باد و جهت باد متناظر با آن سرعت برای هر فاصله ده دقیقه ثبت می شود.
اختلاف سرعت باد بین دو بادسنج نصب شده در ارتفاعات مختلف باید تعیین شود.

مقادیر میانگین، انحراف معیار و حداکثر اختلاف سرعت یک ثانیه ای برای هر فاصله ده دقیقه ثبت می شود. برای بادسنجهای نصب شده در ارتفاع ۱۰ متر، ۲۵ متر و ۴۰ متر، اختلاف سرعت برای سه لایه ارتفاعی ۱۰ متر تا ۴۰ متر، ۱۰ متر تا ۲۵ متر و ۲۵ متر تا ۴۰ متر تعیین می شود.

داده های فوق به کمک روش های آماری برای ارزیابی منابع بادی استفاده می شود.

نحوه تخمین ظرفیت نیروگاه بادی

استفاده از نیروگاه های بادی به عنوان یکی از منابع تولید پراکنده جهت نیل به مزایای تولید برق تجدید پذیر، مستلزم استفاده از روشی برای تخمین قابل قبولی از ظرفیت نیروگاه بادی (توان خروجی) است.

برای بدست آوردن توان خروجی تخمینی قابل قبول نیروگاه های بادی از ترکیب الگوریتم خوشه بندی فازی FCM و زنجیره گسسته مارکوف استفاده می شود. این مسئله از آنجا اهمیت دارد که سرعت باد همواره در حال تغییر بوده و به دست آوردن توان خروجی این نیروگاه مستلزم استفاده از روش های کاربردی است. در این مقاله با استفاده از الگوریتم خوشه بندی FCM، سرعت باد را به چند سطح تقسیم بندی کرده و با استفاده از زنجیره چند حالته گسسته مارکوف، توان خروجی هر سطح و در نهایت توان تجمعی قابل استخراج بدست می آید.

برگرفته از هندبوک ارزیابی منابع بادی

الگوریتم خوشه بندی فازی FCM

داده های مربوط به سرعت باد در یک منطقه به چند سطح دسته بندی شده و با استفاده از مدل زنجیره گسسته مارکوف، توان چند سطحی احتمالی خروجی این نیروگاه برآورد می شود. بدیهی است هر چه میزان توان قابل استحصال نیروگاه بادی با عدم قطعیت کمتری همراه شود، مکان یابی نصب و تعیین ظرفیت بهینه این واحد ها از اعتبار بیشتری برخوردار است.

الگوریتم خوشه بندی فازی FCM برای ارزیابی منابع بادی

که در آن iتعداد خوشه ها و k تعداد داده ها است. همچنین، می توان نشان داد که با کمینه کردن تابع هدف زیر، داده های موجود در هر خوشه نسبت به داده های موجود در خوشه های دیگر از شباهت بیشتر برخوردار خواهند بود.

تابع توان

M عدد بزرگتر از یک است که میزان درجه عضویت کنترل می کند. X_k بردار داده ها، V_i مرکز خوشه iام و ²|X_k-V_i| فاصله اقلیدسی بین بردار ها و مراکز خوشه ها است.

مدل چند حالته زنجیره مارکوف:

یکی از روش های کاربردی برای ارزیابی و تحلیل داده ها برای محاسبه ظرفیت نیروگاه بادی، دسته بندی آن ها با الگوریتم خوشه بندی FCM است. با این روش می توان داده های مربوط به سرعت ثبت شده باد را به چند خوشه دسته بندی کرد. سپس با استفاده از فرایند زنجیره گسسته مارکوف مقدار احتمال حدی حالت ها و مقادیر آهنگ گذر بین آن ها را به دست آورد. قابل ذکر است برای اعمال زنجیره گسسته مارکوف به مسئله، باید مقادیر احتمالی حدی هر یک از خوشه های مربوط به سرعت باد و آهنگ گذر بین خوشه ها را بدست آوریم.

دیاگرام حالت زنجیره مارکوف داده های سرعت باد برای ارزیابی منابع بادی

مقادیر آهنگ های گذر از یک حالت (یک خوشه) به حالت دیگر (خوشه دیگر)را می توان با استفاده از رابطه زیر بدست آورد

مقادیر آهنگ های گذر از یک حالت (یک خوشه) به حالت دیگر (خوشه دیگر)

برای بدست آوردن احتمال حدی هر یک از حالت ها (خوشه ها)، روابط زیر مورد استفاده قرار میگیرد:

احتمال حدی هر یک از حالت ها (خوشه ها)

و داریم: P1+P2+P3+P4=1

به عنوان مثال، داده های مربوط به سرعت باد در منطقه چالدران مربوط به یک بازه زمانی ۲۴ ساعته مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از روش ارائه شده، این داده ها به ۴ دسته خوشه بندی خواهند شد. شکل زیر نتیجه بدست آمده از خوشه بندی داده های سرعت باد به ۴ دسته در بازه زمانی ۲۴ ساعت را نشان می دهد.

داده های مربوط به سرعت باد در منطقه چالدران مربوط به یک بازه زمانی 24 ساعته

داده های مربوط به سرعت باد در منطقه چالدران مربوط به یک بازه زمانی ۲۴ ساعته

با استفاده از مقادیر به دست آمده مراکز خوشه ها، دیاگرام زنجیره چند حالته مارکوف مطابق شکل زیر تشکیل خواهد شد.

دیاگرام زنجیره چند حالته مارکوف

با توجه به شکل مراکز خوشه ها ۱ الی ۴ به تربیت ۱۷ ، ۶٫۴ ، ۱۷٫۳ ، ۱۷٫۳ متر بر ثانیه می باشد.

جدول زیر مقادیر آهنگ گذر بین حالت های دیاگرام فوق را نشان می دهد.

مقادیر آهنگ گذر بین حالت های دیاگرام

در نهایت، مقدار توان خروجی توربین های بادی برای چهار حالت فوق با استفاده از روابط بالا تعیین شده که نتایج بدست آمده با روش FCM در جدول زیر داده شده است.