تحقیق مقاله توسعه کامل سازی باد از طریق پیش بینی انرژی باد

مقدمه

همانطور که سطوح نفوذ باد از لحاظ جهانی افزایش می یابد، نیاز به پیش بینی صحیح تغییرات در تولید انرژی باد - در انواع متفاوت پیش بینی افق های زمان- برای پایداری شبکه نیرو و همچنین کارآیی تولید روز به روز مهم می شود. پیش بینی های صحیح انرژی باد، از جمله اجزاء مهم و حیاتی برای بسیاری از چالش های عملیاتی و برنامه ریزی هستند که متغیر از پیگیری بار تا برنامه ریزی انتقال و اختصاص دادن سرمایه، تا بازاریابی سطح استراژی و برنامه ریزی عملیات است. وقتی برای تصمیم گیری بکار می رود، پیش بینی های صحیح انرژی باد، هزینه های فرعی خدمات را کاهش می دهند، قابلیت اعتبار شبکه از طریق برنامه ریزی مؤثرتر افزایش می یابد و اپراتورهای پروژه و شرکت های برق می توانند تصمیمات استراژی مهمی بگیرند که باعث افزایش کارآیی می گردد. پیش بینی هایی که تا سالها بعد امتداد می یابد ، به شناسایی صحیح تر مشخصات نسل بلند مدت کمک می کند و باعث فرمولاسیون های صحیح تر فاکتور ظرفیت و انتخاب پروژه های مؤثرتر می گردد. این مقاله طرح می کند که چگونه و چرا پیش بینی انرژی باد می پردازد. دومین بخش استراژی هایی را برای پیش بینی در افق های زمانی متفاوت طرح می کند. بخش3 نتایج حاصل از پیش بینی در موقعیت های متفاوت را در عرض ایالات متحده بررسی می کند. بخش آخر، خلاصه ای را فراهم کرده و مروری دارد بر آینده پیش بینی.

سابقه

پایه های هواشناسی

همانطور که همه ما می دانیم، باد، سوختی برای انرژی باد است. مادامیکه دشواری بسیار زیاد ساده کردن باد، اساساً نتیجه اختلاف های در فشارها در فواصل افقی است، با این اختلاف، گرادیان فشار مطرح می شود. در ساده ترین سطح، حاصل عدم تعادل های گرمایی هستند و در اساسی ترین سطح، حرارت غیر یکنواخت زمین، باد را به حرکت در می آور. در مقیاس های دقیقه، ساعت و روزانه، تغییرات در شرایطهای جوی در توپوسفر- پائین ترین سطح جو –   آب و هوا  نامیده  می  شوند .  از سوی دیگر، شرایط آب وهوایی یا آب و هوا بر اساس یک مقیاس زمانی فرق می کند: شرایط آب و هوا، الزاماً توده و تراکم آب و هوا روی یک قسمت طولانی زمانی است و بنابراین ایده ای درباره مشخصات متوسط آب و هوا فراهم می کند ( در مورد خاص ما، باد است) آب و هوا در تعدادی از مقیاس های هوایی فرق می کند از مقیاس های روزمره گرفته تا سال به سال و دامنه این تغییرات از لحاظ جغرافیایی وابسته است.

پیش بینی افق های زمان

یک استراژی کامل و جامع پیش بینی باید به این نکته توجه داشته باشد که تاکتیک های متفاوت باید برای فلق پیش بینی هایی به کار روند که از ساعت ها گرفته تا ماهها در آینده امتداد می یابند. شکل1، پیش بینی افق های متفاوت زمانی را نشان می دهد، اینکه چه اطلاعاتی و یا تاکتیک هایی برای پیش بینی بکار رفتند و دلایل استراژیکی و یا عملیاتی متفاوت برای پیش بینی چه چیزهایی هستند. در کوتاهترین افق زمان پیش بینی- افق کاربردی برای زمینه های عملیاتی چون پیگیری بار و پایداری باد- صحیح ترین استراژی های پیش بینی به مشاهداتی چون ورودی بستگی دارند. اساساً اطلاعات حاصل از پروژه باد و در ناحیه پیرامون، پروژه باد به صورت ورودی ها در استراژی های پیش بینی آماری متفاوت بکار برده شده است. متودهای سازشی اغلب شبکه های خنثی را بکار می گیرند و اساساً برای خلق این پیش بینی ها، کاربردی می باشند. بعد از چند ساعت، متودهای پیش بینی که بر اساس مشاهدات هستند، بهترین پیش بینی را فراهم نمی کنند. بنابراین، ما به استفاده از مدل های پیش گویی آب وهوا در افق زمان پیش گویی قطعی می پردازیم که تا چند روز طول می کشد. کلمه پیش بینی قطعی برای شرح، پیش بینی رویدادهای آب وهوای خاص در پیش بینی یک سیستم آب وهوای وارده بکار میرود. موضوع های عملیاتی در این افق پیش بینی از برنامه ریزی انتقال تا اختصاص دادن سرمایه تولید متغیر است. این اطلاعات برای تجارت نیرو روز نیز مهم است البته اگر این بازارها وجود داشته باشند. در هر کجا از چند روز گرفته تا بیش از یک هفته، جو بی نظم می شود و پیش گویی های قطعی دیگر نمی توانند با هر گونه درجه مهارت صورت گیرند. در این مقیاس ها، ما باید به انواع متفاوتی از شرایطهای خارجی- یا نیروها- تکیه کنیم، شرایطهایی که می توانند الگوهای بلند مدت را تحت تاثیر قرار دهند.

این نیروها از زمینه های مطرح شده از زیر مثل تغییرات دماهای اقیانوس ناشی از نوسان جنوب El Nino ، تا زمینه های مطرح شده از بالا مثل تغییرات در دماهای استراتوسفری و تغییرات حاصله در الگوهای آب وهوا متغیرند.

متاسفانه، یا توانایی محدود شده ای برای پیش بینی این پدیده وجود دارد و یا بطور کلی این توانایی وجود ندارد و به این ترتیب به عدم اطمینان در پیش گویی بلند مدت اضافه می شود. در بلندترین افق های زمانی، که چندین دهه در آینده امتداد می یابد، تغییرات در اجزاء سازنده اتمسفر، مثل دی اکسید کربن و یا ازن می توانند پاسخ جوی را تحت تاثیر قرار دهند. موضوعات مهم در این افق زمانی به مشخصه های تولید بلند مدت پروژه توام می شوند. مشخه هایی مثل فاکتور ظرفیت پروژه.

همانطور که از شکل1 میتوان مشاهده کرد، درستی نسبی پیش بینی ها با افق پیش گویی کاهش می یابد، اما درجه ای از قابلیت پیش گویی در همه افق های پیش بینی وجود دارد.

افق های پیش گویی، نوع نیرو و موضوع های عملکردی برای پیش بینی انرژی باد.

متودها

پیش بینی های رنج کوتاه

پیش گویی های کوتاه مدت بر اساس هواشناسی مشاهده و تولید نیرو از پروژه است و در مورد هواشناسی بر اساس تولید نیروی حاصله از مکان های نزدیک پروژه باد است ( معمولاً در100 کیلومتری). این داده ها در زمان واقعی جمع آوری شده و بصورت ورودی در روتین های پیش گویی آماری متفاوت بکار می روند. پیش بینی های تولید انرژی باد طی چند ساعت بعدی، یا مستقیماً خلق می شوند و یا در برخی از موارد در یک فرایند دو مرحله ای خلق می شوند. در فرایند دو مرحله ای، پیش بینی ها برای باد، در ابتدا خلق شده و سپس از طریق کاربرد آلگوریتم های منحنی نیروی دینامیکی، پیش گویی های نیروی پروژه خلق می شوند. چون آلگوریتم های آماری خود فراگیر اغلب بکار می روند، از اینرو پیش گویی های کوتاه مدت، برتری دارند اینکه می توانند از تجربه آموخته شوند و پیش بینی ها با زمان. بهتر می شوند. همچنین استفاده از مشاهدات خارج از سایت قرار گرفته از لحاظ استراتژیکی می تواند درستی پیش بینی را از10 تا 50 %  ورای آنچه که می تواند در غیاب مشاهدات خارج از سایت صورت بگیرد توسعه دهد.

شکل2- نمونه پیش گویی تولید انرژی باد چهارده روز – با مدت فواصل اطمینان برای پروژه بادMW 160 در ایالات متحده.

پیش گویی های رنج متوسط

پیش گویی عددی آب وهوا، پایه ای است برای تکنیک های پیش بینی رنج متوسط، مدل های کامپیوتری مقیاس فرو با تجزیه و تحلیل بالا و پیکربندی شده بطور صحیح، برای عمل کردن در صحت بالا برای پروژه های خاص باد بهینه شدند و بکار گرفته می شوند. استراتژی پیش گویی که برای رنجی از پیش بینی ها امکان پذیرند، می توانند پیش بینی مفیدتر و کاملتری را فراهم نمایند و همچنین اطلاعاتی را درباره اطمینان از پیش بینی تهیه می کنند. در مورد استراتژی های پیش گویی رنج متوسط، مدل های پیش گویی عددی آب وهوا بر اساس شرایط فیزیکی، پیش گویی های برای باد خلق می کنند، بنابراین انتقال های دینامیکی نیروی نیروی انرژی باد باید بکار روند. چون مدل های آب وهوا، پیش گویی درباره انواع متفاوت متغیرهای پیش آگهی فراهم می کنند، مثل جهت و دمای باد، از اینرو این اطلاعات می توانند در تنظیم آلگوریتم های انتقال نیروی دینامیکی بکار روند.

یک نمونه از پیش گویی چهار روز با ظرفیت وابسته در شکل2 نشان داده شده است.

پیش گویی های رنج بلند

پیش بینی هایی که از هفته های گرفته تا ماهها در آینده امتداد می یابند، رویدادهای خاص باد را پیش گویی نمی کنند بلکه می توانند اطلاعاتی در رابطه با مشخصات تولید انرژی عزیمت از حالت عادی ((DFN تهیه نمایند. علاوه بر شیب ضروری پیش گویی هایی آب و هوایی لازم برای این مرحله، فقره دیگر مورد نیاز، یک آب وهوا شناسی بلند مدت از سایت است‌ ( تا شرایطهای “ عادی” معین شوند). چون ثبت های بلندمدت با طول کافی طبیعتاً قابل دسترس نیستند، از این رو یک ثبت ساختگی/ اصلاح شده ایجاد می شود. به همین دلیل، انرژی باد یک ساله بلند مدت در شکل2 نشان داده شده است.

شکل3- نمونه عزیمت12 ماه از پیش گویی تولید انرژی باد عادی برای پروژه باد در ایالت متحده.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

پیش گویی مقیاس بررسی

پیش گویی مقیاس بررسی، تنها پیش گویی است که تنها یکبار صادر می شود و غالب اوقات در طول بخش قابلیت عملی توسعه یک پروژه اینکار صورت می گیرد. پیش گویی های مقیاس بررسی اغلب به عنوان بررسی های سایت مراجعه می شوند، گرچه تشخیص این نکته مهم است که در واقع آنچه مورد نیاز است، پیش از بررسی سایت نیست- که اغلب بر اساس داده های تاریخی نیست- بلکه پیش گویی واقعی از آنچه است که در آینده تولید خواهد شد. در دوره ای از تغییر آب وهوا، گذشته ممکن است الزاماً آینده نباشد.

پیش بینی های بررسی می توانند سر وکار زیادی با اطلاعات در رابطه با نوسان های جوی داشته باشند، و می توانند تغییر ناپذیری فصلی و سالانه را برای تولید انرژی باد تحت تاثیر قرار دهند. نمونه ای از تغییر پذیری ماه به ماه برای عامل ظرفیت انرژی باد (F) از یک سایت در ایالات متحده غربی در شکل4 نشان داده شده است.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل4- تغییر پذیری در عامل ظرفیت متوسط- ماهانه- طی آب وهواشناسی تولید شده مدل40 ساله.

می توان مشاهده کرد که فاکتور متوسط ماه به ماه می تواند از حدود30 درصد میانگین بلند مدت تغییر کند ( با خط قرمز نشان داده شده است که در ارتباط با40 درصدF  است). مادامیکه تغییر پذیری ماه به ماه درF کاملاً شناخته شده است، آنچه که کمتر مورد توجه قرار می گیرد، تغییرپذیری قابل توجه سال به سال است ، این ناشی از نوسان های بلند مدت آب وهوایی است. خط سیاه پر در شکل، متوسط چرخش3 سال عامل ظرفیت است. مشهود است حتی با ثبت مشاهده ای3 سال از سایت پروژه باد که فاکتورهای ظرفیت انرژی باد بلند مدت را برآورد می کند می تواند بیش از10 نقطه درصد از حد واقعی باشد. به عنوان مثال، برآوردی ار عامل ظرفیت در نظرگرفته شده در این سایت در اواسط دهه 1960، عامل ظرفیت پروژه بیش از8 درصد بالاتر از میانگین واقعی را نشان خواهد داد، خطایی که تقریباً یک خطای80 میلیون دلاری در کل سود تولید از این پروژه خاص هزینه خواهد داشت.

خلاصه

باد، سوختی است برای انرژی باد و بعنوان یک صنعت، ما باید محدودیت های سوخت را بپذیریم، محدودیت هایی که از تولید موقت و نوبه ای تا تغییرپذیری جغرافیایی متغیر است. پیش بینی انرژی باد برای رنج وسیعی از عوامل عملکردی و استراتژی بکار می رود و استراتژی های پیش بینی باید برای سرمایه گذاری روی نیروهای جوی و یا پدیده اتمسفری طرح شوند که برای خلق پیش بینی های صحیح، بحرانی می باشند. پیش بینی های  کوتاه مدت برای پیگیری بار و دیگر خدمات فرعی مفید می باشند و استراتژی پیش بینی اغلب تا روز را در آینده تحت پوشش قرار میدهد، پیش گویی های قطعی درباره اینکه چه موقع نیرو تولید خواهد شد، فراهم می کند. مدل های پیش گویی عددی آب وهوا برای پروژه های خاصی شکل گرفتند و در این مرحله، جزء بحرانی هستند. پیش گویی های بلند مدت و پیش گویی های مقیاس سنجش از نیروهای آب و هوایی متفاوت در فرایند پیش بینی استفاده می کنند، و برای عواملی متغیر از انتخاب سایت تا بازاریابی نیروی رنج استراتژی مفید هستند. آینده پیش بینی انرژی باد با پیشرفت های روز افزون در تکنولوژی و تکنیک های پیش بینی کننده مورد توجه قرار می گیرند.

بطور روز افزونی، راه حا های کامل شده ای از نرم ابزار و سخت ابزار ارائه می شوند که به پروژه های خاص کمک می کنند. بیشترین سود در حیطه پیش بینی بدون شک، چگونگی کامل شدن اطلاعات باارزش در فرایند تصمیم گیری توام می شوند که از این اطلاعات استفاده می کنند و سیستم تولید نیرویی را خلق می کند که می تواند مقادیر بزرگتری از انرژی باد را بطور معتبرتر کامل سازد و با هزینه های بسیار مقرون به صرفه‌ای همراه است.