بررسی کیفیت توان الکتریکی و بهبود آن

چکیده

کیفیت توان الکتریکی برای بسیاری از کاربردهای فناوری از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. هدف این مطالعه پیش‌بینی میانگین ماهانه و الگوهای تابش جهانی بر روی سطح افقی در Maha Sarakham، تایلند می‌باشد. دو معادله همبستگی به‌طور موفقیت‌آمیز توسعه یافته‌اند: یکی بر اساس مدل آنگستروم و دیگری از مدل لیو-جوردن. برای معادله‌ای که از مدل آنگستروم استخراج شده، حداقل و حداکثر شاخص شفافیت به‌ترتیب ۰.۴۵ و ۰.۶۵ بوده و برای معادله‌ای که از مدل لیو-جوردن به‌دست آمده، این مقادیر ۰.۳۰ و ۰.۹۵ است. همچنین داده‌های ساعات آفتابی، تابش جهانی و پراکنده خورشیدی در محل گردآوری شد و با استفاده از معادلات توسعه‌یافته، پیش‌بینی‌هایی نیز انجام گردید. پس از اعتبارسنجی، داده‌های تجربی با داده‌های پیش‌بینی شده مقایسه و بررسی شدند. می‌توان نتیجه‌گیری کرد که معادلات توسعه‌یافته به‌خوبی قادر به برآورد تابش پراکنده و جهانی خورشیدی در Maha Sarakham تایلند هستند و همچنین نشان‌دهنده قابلیت دسترسی به انرژی خورشیدی در این منطقه با سطح رضایت‌بخش می‌باشند. این اطلاعات و دانش حاصل، می‌تواند به سایر مناطق با شرایط جغرافیایی مشابه منتقل شده و در تحقیقات آینده به کار برده‌شود.

مقدمه

انرژی خورشیدی یکی از منابع اصلی انرژی تجدیدپذیر در جهان به شمار می‌رود. این نوع انرژی نه‌تنها برای سایر موجودات زنده بر روی زمین، بلکه برای بقای انسان‌ها نیز حیاتی است. از زمان‌های دور، انسان‌های باستان راه‌های استفاده از نور و گرمای خورشید را برای بهبود کیفیت زندگی روزمره خود کشف کرده‌اند. امروزه ظهور فناوری‌های نوآورانه متعدد در زمینه انرژی خورشیدی مانند سیستم‌های الکتریکی فتوولتائیک، فرآیندهای حرارتی خورشیدی برای گرمایش و سرمایش، و نورپردازی خورشیدی، بهره‌برداری از انرژی خورشیدی را در سطوح وسیع‌تری در سراسر جهان ترویج کرده است. علاوه بر این، این تکنولوژی‌ها به‌منظور حفظ محیط زیست نیز در برابر چالش‌های ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی مورد تأیید قرار گرفته‌اند.

قابلیت دسترسی به انرژی خورشیدی به عوامل مختلف جغرافیایی بستگی دارد که ممکن است در طول زمان تغییر کنند. بنابراین، این عوامل باید به دقت در هنگام طراحی و نصب سیستم‌های انرژی خورشیدی مورد توجه قرار گیرند.

تابش خورشیدی

تابش خورشیدی به عنوان یکی از پارامترهای کلیدی در قابلیت دسترسی به انرژی خورشیدی شناخته می‌شود و برای طراحی سیستم‌های انرژی خورشیدی ضروری است. مانند هر عامل شرایطی دیگر، تابش خورشیدی نیز تحت تأثیر تغییرات جغرافیایی و زمانی (شامل زمان‌های روز و شب، فصل‌ها و اقلیم‌های محلی) قرار دارد. از این رو، الگوهای خاص تابش خورشیدی باید به‌دقت توسط طراحان و تولیدکنندگان جهانی مورد بررسی قرار گیرد تا بهترین تجهیزات خورشیدی که نیاز بازار را برآورده کند، تولید گردد.

معادلات همبستگی

تعدادی از معادلات همبستگی که شامل تابش خورشیدی جهانی و ساعات آفتابی در مکان‌های مختلف هستند، توسط محققان مختلف پیشنهاد شده است. بین این معادلات، مدل آنگستروم مورد توجه بیشتری قرار گرفته و توسط پژوهشگران جهانی به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. به‌عنوان مثال، Hirunlabh J. و همکاران (۱۹۹۴) همبستگی را با استفاده از ساعات آفتابی در مکان‌های مختلف مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند.

موقعیت مرکز منطقه‌ای Maha Sarakham به عنوان نماینده‌ای مناسب از ۱۹ استان شمال شرق تایلند محسوب می‌شود. بنابراین، قابلیت دسترسی به انرژی خورشیدی که در این مطالعه بررسی شده، می‌تواند در تحقیقات آینده به‌ویژه برای دیگر استان‌های شمال شرق تایلند نیز کارآیی داشته باشد.

تصویر ۱: موقعیت استان Maha Sarakham، تایلند

روش‌شناسی

ایستگاه و قابلیت دسترسی به نور روز

۲.۲ مدل‌سازی تابش خورشیدی افقی

۲.۲.۱ تحلیل داده‌ها

در این بخش، داده‌های روزانه تابش خورشیدی در ساعات آفتابی از ایستگاه اندازه‌گیری نور روز واقع در سقف مسطح یک ساختمان پنج طبقه در دانشکده مهندسی دانشگاه ماهاساراکام (Mahasarakham University – MSU) در استان ماهاساراکام تایلند جمع‌آوری شده‌اند. این ایستگاه در موقعیت جغرافیایی ۱۶ درجه و ۱۴ دقیقه شمالی و ۱۰۳ درجه و ۱۵ دقیقه شرقی قرار دارد، که در شکل ۲ به تصویر کشیده شده است. ایستگاه مذکور به عنوان ایستگاه عمومی تحت برنامه بین‌المللی اندازه‌گیری نور روز (International Daylight Measurement Program – IDMP) کمیسیون بین‌المللی روشنایی (Commission International de l’ Eclairage – CIE) شناخته می‌شود و در نزدیکی مرکز شمال شرق تایلند واقع گردیده است (عرض جغرافیایی ۱۶ درجه و ۱۱ دقیقه شمالی، طول جغرافیایی ۱۰۳ درجه و ۴ دقیقه شرقی) [۶]. داده‌های جمع‌آوری شده در این مطالعه شامل پنج سال گذشته (۲۰۰۵-۲۰۰۹) می‌باشد.

شکل ۲. موقعیت ایستگاه اندازه‌گیری نور روز

۲.۲.۲ تحلیل ریاضی

برای پیش‌بینی میانگین روزانه تابش خورشیدی جهانی بر اساس داده‌های قابل اندازه‌گیری از اقلیم، چندین رابطه پیشنهادی وجود دارد [۷, ۸]. در میان این روابط، ساده‌ترین آنها معادله رگرسیون آنگستروم-پرسکات است که میانگین روزانه تابش خورشیدی جهانی را با تعداد ساعات نور روز ترکیب می‌نماید. این معادله علاوه بر این، قابلیت پیش‌بینی تابش خورشیدی جهانی در مکان‌های مختلف با دامنه وسیع‌تر را نیز دارد [۹]. معادله به صورت زیر ارائه می‌شود:

.

در اینجا، H̅ تابش خورشیدی جهانی روزانه میانگین شده بر روی سطح افقی اندازه‌گیری شده، n̅ ساعات روشنایی روزانه میانگین، N̅ حداکثر ساعات ممکن تابش آفتابی روزانه یا طول روز، n̅/N̅ کسری از ساعات تابش آفتابی و H̅۰ تابش خورشیدی جهانی میانگین ماهانه بر روی سطح افقی است، که طبق داده‌های ایگبال (Igbal) (۱۹۸۳) به صورت زیر بیان می‌شود:

.

در اینجا، Isc ثابت خورشیدی، Eo عامل اصلاح انحرافی، ϕ عرض جغرافیایی و δ زاویه انحراف خورشید است که می‌توان آن را به‌طور تقریبی به صورت زیر ارائه داد:

.

در اینجا، DN تعداد روزهای سپری‌شده در سال مشخص تا یک دوره خاص جمع‌آوری داده‌ها تعریف می‌شود [۱۰]. ωs زاویه ساعت غروب خورشید است که به‌صورت زیر قابل محاسبه است:

.

رابطه‌ای که ارتباط بین مقادیر میانگین ماهانه تابش دیفوز و تابش جهانی را بررسی می‌کند ابتدا توسط لیو و جوردن (Liu and Jordan) (۱۹۶۰) با استفاده از روش رگرسیون توسعه یافته است، که در آن D̅/H̅ به عنوان تابعی از K̅T معرفی می‌شود. در این رابطه، D̅ الگوی تابش دیفوز روزانه میانگین ماهانه بر روی افق [۱۱]، K̅D نسبت دیفوز و K̅T شاخص وضوح است.

.

۲.۲.۳ شاخص‌های آماری

دو شاخص آماری که در ارزیابی مدل‌های برآورد تابش خورشیدی به‌طور وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرند، انحراف مربع میانگین (Root Mean Square Deviation – RMSDS) و انحراف میانگین بی‌نقص (Mean Bias Deviation – MBD) [۱۲-۱۵] هستند که به ترتیب به‌صورت زیر تعریف می‌شوند:

.

در اینجا، Emean میانگین داده‌های متغیر وابسته تست، Emodel متغیر وابسته پیش‌بینی‌شده از همان مجموعه متغیر مستقل که در بالا ذکر شد (به‌دست‌آمده از مدل) و Emeas ارزش اندازه‌گیری شده متغیر وابسته مربوط به مجموعه خاص متغیر مستقل است و N تعداد رکوردهای داده در مجموعه تست را نشان می‌دهد. به منظور کسب دقت و صحت بیشتر، چند شاخص آماری دیگر نیز باید به‌صورت زیر تعریف شوند:

.

که در اینجا، R2 ضریب تعیین است.

ساعات آفتابی روشن روزانه میانگین ماهانه، شاخص وضوح و داده‌های نسبت دیفوز برای مشخص‌کردن همبستگی در شکل‌های ۳ و ۴ و جدول ۱ ارائه شده‌اند.

شکل ۳. رابطه بین شاخص وضوح و کسری تابش آفتاب:
الف) داده‌های میانگین ماهانه، ب) داده‌های روزانه

شکل ۳ نشان‌دهنده رابطه‌ای بین شاخص وضوح و کسری تابش آفتاب است. در شکل ۳(a)، همبستگی به‌دست‌آمده به‌خوبی با داده‌های روزانه میانگین ماهانه همخوانی دارد. همبستگی به صورت زیر نشان داده می‌شود:

.

نتایج نشان می‌دهد که ضریب همبستگی برابر با ۰.۸۸۶۲، نمایانگر یک رابطه مثبت قوی بین کسری ساعات تابش آفتابی میانگین روزانه اندازه‌گیری شده و شاخص‌های وضوح روزانه میانگین ماهانه است. در عین حال، ضریب تعیین برابر با ۰.۹۴۱۴ نشان می‌دهد که با استفاده از داده‌های کسری تابش آفتابی می‌توان تا ۹۴.۱۴% از شاخص وضوح را پیش‌بینی کرد. در شکل ۳(b)، نتیجه حاصل از تحلیل رگرسیون به صورت زیر ارائه می‌شود که به‌خوبی با داده‌های روزانه همخوانی دارد:

.

که در آن، KT شاخص وضوح روزانه است. ضریب همبستگی برابر با ۰.۷۵۴۶ و ضریب تعیین برابر با ۰.۸۶۸۷ نشان می‌دهد که با استفاده از داده‌های کسری تابش آفتابی، می‌توان به ۸۶.۸۷% از شاخص وضوح دست یافت.

شکل ۴. رابطه بین نسبت دیفوز و شاخص وضوح:
الف) داده‌های میانگین ماهانه، ب) داده‌های روزانه

شکل ۴ رابطه‌ای بین نسبت دیفوز و شاخص وضوح را به تصویر می‌کشد. در شکل ۴(a)، نتیجه به‌دست‌آمده از تحلیل رگرسیون نشان می‌دهد که به‌خوبی با داده‌های روزانه میانگین ماهانه مطابقت دارد. حداقل و حداکثر مقادیر شاخص‌های وضوح به ترتیب ۰.۴۵ و ۰.۶۵ هستند، و ضریب همبستگی برابر با ۰.۸۷۱۱ نشان‌دهنده همبستگی مثبت بالا بین کسری ساعات تابش آفتابی روزانه اندازه‌گیری شده و شاخص وضوح روزانه است. ضریب تعیین برابر با ۰.۹۳۳۳ نیز بیان می‌کند که می‌توان با استفاده از داده‌های کسری تابش آفتابی به ۹۳.۳۳% از شاخص وضوح دست یافت.

در شکل ۴(b)، نتیجه‌گیری حاصل از تحلیل رگرسیون به‌صورت زیر ارائه می‌شود که به‌خوبی با داده‌های روزانه همخوانی دارد:

.

حداقل و حداکثر مقادیر دیفوز روزانه به ترتیب ۰.۳۰ و ۰.۹۵ هستند. ضریب همبستگی برابر با ۰.۷۴۳۵ نشان می‌دهد که روابط مثبت متوسط درون این همبستگی وجود دارد، در حالی که ضریب تعیین برابر با ۰.۸۶۲۳ بیان می‌کند که می‌توان با استفاده از داده‌های کسری تابش آفتابی تا ۸۶.۲۳% از شاخص وضوح را پیش‌بینی کرد.

شکل ۵. مقادیر اندازه‌گیری‌شده و محاسبه‌شده شاخص‌های وضوح ماهانه میانگین روزانه

شکل ۶. مقادیر اندازه‌گیری‌شده و محاسبه‌شده نسبت‌های دیفوز ماهانه میانگین روزانه

شکل ۷. مقادیر اندازه‌گیری‌شده و محاسبه‌شده شاخص‌های وضوح روزانه

شکل ۸. مقادیر اندازه‌گیری‌شده و محاسبه‌شده نسبت‌های دیفوز روزانه

شکل‌ها و جدول‌ها

شکل‌های ۵ و ۶ به ترتیب نشان‌دهنده‌ی شاخص شفافیت اندازه‌گیری شده در مقایسه با محاسبه شده و نسبت دفیوز اندازه‌گیری شده در برابر محاسبه شده، به صورت میانگین روزانه‌ی ماهیانه می‌باشند. در حالی که شکل‌های ۷ و ۸ نیز ترسیمات مشابهی را در قالب روزانه ارائه می‌دهند. بهترین خط روند تطبیق یافته با داده‌ها در شکل‌های ۵، ۶، ۷ و ۸ در جدول ۲ نمایش داده شده است.

جدول ۲. شاخص‌های آماری معادلات رگرسیون

نتیجه‌گیری

این مطالعه به طور عمده بر روی توسعه‌ی چند معادله کارا در رابطه با الگوی تابش جهانی و دفیوز روزانه میانگین ماهانه تمرکز دارد، که هدف آن پیش‌بینی دسترسی به انرژی خورشیدی بر روی سطح افقی زمین در اطراف ماها ساراکام، تایلند است. می‌توان نتیجه گرفت که معادله زیر، با حداقل و حداکثر شاخص شفافیت به ترتیب ۰.۴۵ و ۰.۶۵، بهترین گزینه برای برآورد دسترسی به انرژی خورشیدی می‌باشد.

معادله دیگری که به عنوان دومین معادله قابل قبول شناسایی شده، دارای حداقل و حداکثر شاخص شفافیت ۰.۳ و ۰.۹۵ است.

مقادیر محاسبه شده به‌دست‌آمده از هر معادله، با مقادیر اندازه‌گیری تجربی در سطح قابل قبولی قابل مقایسه است. به علاوه، مقادیر a و b حاصل از معادله پیشنهادی (معادله اول) به وضوح نزدیک به مقادیر گزارش‌شده قبلی توسط Hirunlabh و همکاران [۴] به نظر می‌رسد. معادلات توسعه‌یافته به همراه اطلاعات جمع‌آوری‌شده از این مطالعه می‌تواند به طراحان و تولیدکنندگان در ساخت بهترین تجهیزات بهره‌برداری از انرژی خورشیدی متناسب با شرایط محلی کمک کند و به محققان در این حوزه به عنوان راهنما در پروژه‌های آینده یاری رساند.

منابع

• [1] Ibrahim SMA. Predicted and measured global solar radiation in Egypt. Solar Energy 35(2):185-188, 1985.
• [2] Exell RHB. The intensity of solar radiation. King Mongkut’s University of Technology Press, Thornburi: 549-554, 2000.
• [3] Angstrom,A.S., Solar and Terrestrial radiation. Meteorological Society. 50:121-126, 1924.
• [4] Hirunlabh, J., Santisirisomboon, J. and Namprakai, P., Assessment of Solar Radiation for Thailand. Proceedings of International Workshop: Calculation Methods for Solar Energy Systems, 29-30.09, University of Parpignan, France, 1994.
• [5] Laosuwan,T., Pattanasethanon,S., and Sa-Ngiamvibool W., Using GIS, RS for soil erosion mapping. Available from: http://geospatialworld.net/Regions/ArticleView.aspx?aid=30407#sthash.j9E5Cqqp.dpuf [Last accessed on 2014 June 12].
• [6] Pattanasethanon S, Lertsatithanakorn C, Atthajari yakul S, Soponrpnnarit S., All sky modeling daylight availability and illuminance/irradiance on horizontal plane for Mahasarakham, Thailand. Energy conversion and Management, 48(5):1601-1614, 2007.
• [7] Igbal M., An introduction to solar radiation. Academy press. New York: 6-51, 1983.
• [8] Klein, S.A., Calculation of Monthly Average isolations on Tilted Surfaces, Solar Energy. 19: 307-311, 1977.
• [9] De Cario, F., Groppi, C., Festa, R., and Rao, C.F.R., A procedure to Obtain Global Solar Radiation Maps from Sunshine Duration at isolated Stations in a Region with a Complex Orography, Solar Energy, 37: 91-108, 1986.
• [10] Laosuwan, T., Pattanasethanon, S., Sa-ngiamvibool, W., Automated Cloud Detection of Satellite Imagery Using Spatial Modeler Language and ERDAS Macro Language. IETE Technical Review, 30: 183-90, 2013.
• [11] Liu, B.Y.H. and Jordan, R.C. The interrelationship and characteristic distribution of direct, diffuse and total solar radiation. Solar Energy 4, (1), 1960.
• [12] Enrique R, Solar Alfonso, Robledo Luis. Statistical assessment of a model for global illuminance on inclined surface from horizontal global illuminance. Energy Convers Manage, 43: 693-708, 2002.
• [13] Kjaersgaard, J.H., Plauborg, F.L., and Hansen, S., Comparison of models for calculating daytime long-wave irradiance using long term data set. Agricultural and Forest Meteorology 143: 49-63, 2006.
• [14] Gueymard C.A. and Myers D.R., Solar radiation measurement: Progress in radiometry for improved modeling, in Modeling Solar Radiation at the Earth Surface, V. Badescu, Ed., Springer, 2008.
• [15] Anusasananan, P., Masiri, I., Janjai, S., Comparison of clear sky models for estimating downward longwave radiation in Thailand. 5th International Conference on Sustainable Energy and Environment (SEE 2014): Science, Technology and Innovation for ASEAN Green Growth, Bangkok, Thailand, 2014.

آدرس مکاتبات

Wutthisat Chokkuea, Faculty of Engineering, Mahasarakham University Khamriang, Kantharawichai, Maha Sarakham 44150 Thailand e-mail: wutthisat.c@msu.ac.th

منبع و شناسه ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN ۰۰۳۳-۲۰۹۷, R. ۹۱ NR ۸/۲۰۱۵. doi:۱۰.۱۵۱۹۹/۴۸.۲۰۱۵.۰۸.۲۸

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

مشاهده پست‌های بیشتر

پرسش‌های متداول

کیفیت توان الکتریکی چیست؟

کیفیت توان الکتریکی به معنای قابلیت تأمین انرژی مطلوب و پایدار برای بارهای الکتریکی است.

چگونه می‌توان کیفیت توان الکتریکی را اندازه‌گیری کرد؟

کیفیت توان الکتریکی معمولاً با استفاده از آنالایزرهای کیفیت توان اندازه‌گیری می‌شود.

دلایل کاهش کیفیت توان الکتریکی چیست؟

عوامل مختلفی از جمله نوسانات ولتاژ، وجود هارمونیک‌ها و عدم تعادل بار می‌تواند باعث کاهش کیفیت توان الکتریکی شود.

فیلترهای هارمونیک چه نقشی در بهبود کیفیت توان دارند؟

فیلترهای هارمونیک به‌منظور حذف یا کاهش هارمونیک‌های ناخواسته از سیستم‌های برق به کار می‌روند.

منبع: powerquality.blog