1 نشريه انرژي ايران / دوره 13 شماره 2 تابستان 1389 برآورد تابش خورشيدي در ايران با استفاده از يك مدل بهينه 1* سام معيني 4 3 2 شهرام جوادي محسن كوكبي محسن دهقان منشادي تاريخ دريافت مقاله: 89/2/14 تاريخ پذيرش مقاله: 89/4/28 كلمات كليدي: انرژي هاي تجديدپذير تابش خورشيدي مدل بهينه ضرايب آنگستروم چكيده: ساعات آفتابي تنها داده بلند مدتي است كه اطلاعات مربوط به آن اندازهگيري شده موجود و قابل اعتماد ميباشد. در نتيجه ميتوان براي تخمين صحيح و دقيق ميزان تابش انرژي خورشيدي روي سطح زمين از آن استفاده نمود. در اين مقاله ساعات آفتابي براي تخمين ميانگين ماهانه ميزان تابش خورشيد بر سطح افقي استفاده شده است كه ميتوان ميزان تابش خورشيد را براي مناطق مختلف اقليمي ايران پيشبيني نمود. لازم به ذكر است كه در مقاله حاضر بر اساس طبقه بندي اقليمي كوپن و با در نظر گرفتن ساعات آفتابي ايران به پنج منطقه اقليمي تقسيم بندي شده است. يكي از بهترين مدلهاي پيشنهاد شده براي برآورد ميزان تابش خورشيد روي سطح افقي مدل آنگستروم مي باشد. ضرايب تجربي مدل آنگستروم به پارامترهاي اقليمي شرايط جغرافيايي و نوع پوشش گياهي منطقه وابستگي دارند با اين رابطه ميتوان ميزان تابش كل را براي نقاط مختلف ايران برآورد نمود. با استفاده از داده هاي تابشي ثبت شده توسط ايستگاههاي پيرانومتري و ميزان ساعات آفتابي كه از سازمان هواشناسي دريافت شده است همچنين محاسبه طول روز و تابش فراجو با كمك نرم افزار آماريSpss رابطه رگرسيوني تابش كل بر حسب ساعات آفتابي براي مناطق اقليمي ايران برازش شد. 1) كارشناس ارشد مهندسي برق- الكترونيك دانشگاه آزاد اسلامي واحد تهران مركزي 2) عضو هيات علمي دانشگاه آزاد اسلامي واحد تهران مركزي- استاديار گروه برق 3) عضو هيات علمي دانشگاه آزاد اسلامي واحد تهران مركزي- استاديار گروه رياضي و آمار * نويسنده مسي ول Sam.mii@gmail.cm
دوره 13 شماره 2 تابستان / 1389 نشريه انرژي ايران 2 مقدمه انرژي خورشيدي به فاكتورهاي هواشناسي جغرافيايي اقليمي و فراجوي بستگي دارد. بهترين راه اندازهگيري انرژي خورش يدي ن صب پيرانومتره ا در ايستگاهها و خوان دن اطلاع ات ضبط ش ده توس ط آنه ا ميباش د. در نب ود دستگاههاي اندازهگيري اطلاعات صحيح و دقيق ي از ميزان انرژي خورشيدي در دسترس نميباشد از طرفي ميزان متوسط خطا در دستگاههاي اندازهگيري گاه به 30 درصد ميرسد كه مهمترين علت آن عدم كاليبراسيون دستگاهها و وجود گرد وغبار در آنها ميباشد پسميتوان گفت مدلهاي تجربي كه بر پا ي ه برآورد انرژي خورشيدي طراحي شدهاند در نبود دستگاههاي اندازهگيري ميتوانند مفيد واقع شوند. براي بيان و تاييد مدلهاي تجربي و يا ارتباط دادههاي طولاني مدت و ساختار فضايي مدلها اطلاعاتي در سطح وسيع مورد نياز ميباشد. در مطالعات كاربردي نميتوان تمام فاكتورهاي موثر را با هم در نظر گرفت در نتيجه براي پيشبي ن ي ت خ م ين ميزان انرژي خورشيدي فقط از تعدادي از پارامترهاي اقليمي استفاده ميشود. اولين فاكتوري كه در بيشتر فرمولهاي تجربي مورد توجه قرار ميگيرد ساعات آفتابي است كه براي برآورد ميزان انرژي خورشيد استفاده ميشود. ساعات آفتابي تنها پديده طولاني مدت است كه اطلاعات اندازهگيري شده آن حاضر دقيق قابل اعتماد و قابل استفاده براي دستيابي به ميزان دقيق تابش خورشيدي و تخمين آن به سطح زمين ميباشد. ايران داراي مناطق مختلف و متنوع اقليمي ميباشد و در منطقه اي از جهان قرار دارد كه از نظر ساعات آفتابي پتانسيل بالايي دارد. بسياري از محققين در بيان مدلهاي تجربي ساعات آفتابي رطوبت نسبي عرض جغرافيايي و دما را براي برآورد انرژي خورشيدي مورد برسي قرار ميدهند.صباغ( sabbagh ) [19] انر يژ خورشيدي را با استفاده از ساعات آفتابي دماي ماكزيمم هوا و رطوبت نسبي براي مناطق مختلف مصر لبنان و كويت تخمين زد. پالتريج و پروكتور( Practr (Paltridge & [17] با به كار بردن ضريب ابر و زاويه سمت الراس خورشيدي در مدل تجربيشان توانستند ميزان تابش روزانه مستقي م و پراكنده را بر سطح افقي زمين تعيين كنند. دانشيار [9] با استفاده از مدل پالتريج ميزان تابش خورشيدي را براي تهران و نقاط مختلف ايران ت خ م ين زد. صميمي [21] بيشترين وابستگي تابش را به ارتفاع ميداند و از مدل اراي ه شده توسط ماينل و ماينل Miel) (Miel ad [16] استفاده كرد وضرايب آنرا براي شهرههاي ايران بدست آورد. يعقوبي و سبزه واري[ 24 ] با استفاده از ساعات آفتابي ضريب گذردهي جو را براي شيراز محاسبه كردند. جعفرپور ويعقوبي [13] از چهار مدل مختلف براي تخمين ميزان تابش ماهانه و سالانه در شيراز استفاده نمودند. سبزي پرور [20] از ساعات آفتابي ضريب ابر رطوبت نسبي و ميانگين ماكزي مم دما استفاده نمود و با قرار دادن پارامترها در مدلهاي تجربي مختلف توانست ميزان ميانگين روزانه انرژي خورشيدي را براي شهر هاي مختلف ايران محاسبه نمايد. اشجهاي [5] ميزان انرژي خورشيدي را براي چند منطقه خاص ايران پيشبيني با استفاده از دو مدل دانشيار و برد هولستروم( ulstrm & (Bird [7] توانست نمايد. مطالعات ديگري در نقاط مختلف جهان صورت گرفته است كه ميزان انرژي خورشيدي را بر سطح افقي با استفاده از ساعات آفتابي ت خ م ين زدهاند كه از آن جمله ميتوان از سدرمير گلووسور( R (Tasdemirglu E ad Sever [23] كه با استفاده از ساعات آفتابي ميزان تابش كل را در تركي ه محاسبه نمودهاند نام برد. همچنين مي توان از روابط اراي ه شده توسط محمد (Al-Mhammad) [3]
3 نشريه انرژي ايران / دوره 13 شماره 2 تابستان 1389 الموروكس (Almrx) [4] ژو( zhu ) [25] و سورك (Suehrcke) [22] كه با استفاده از مدل آنگستروم ميزان تابش كل را بر سطح افقي زمين بررسي نمودند نام برد. اهداف اين مقاله عبارتند از اراي ه يك رابطه براي برآورد انرژي خورشيدي در ايران با استفاده از ساعات آفتابي محاسبه ضرايب آنگستروم براي مناطق مختلف اقليمي ايران با در نظر گرفتن اقليم هر منطقه -1-2 مطالعات انجام شده اخذ داده هاي هواشناسي داده ها جهت مدل سازي تابش خورشيد از سازمان هواشناسي افزار آماري Spss دريافت شدند( IRIMO ) [12]. داده هاي تابشي ابتدا توسط نرم كنترل كيفيت شدند و آنهايي كه خارج ازمحدوده( deviati (stadard بودند حذف شدند. به عنوان مثال مقاديري از تابش كل كه از تابش فراجو بيشتر بود در نظر گرفته نشد. دستگاههاي ساعات آفتابي و تابش كل انرژي خورشيدي به ترتيب توسط آفتاب نگار مدل كمبال- استوكس( Cmbal-Stkes ) و پيرانومترهاي مدل CM1 وCM5 مستقر در ايستگاههاي هواشناسي اندازهگيري ميشوند. برآورد تابش كل خورشيد روي سطح زمين ا و ل ين مدلي كه بر اساس پارامتر ساعات آفتابي ميزان تابش را بر روي سطح افقي برآورد كرد رابطه تجربي آنگستروم[ 2 ] پريسكات[ 18 ] بود. = a + b( ) N (1) در رابطه بالا بيانگر ميانگين تابش كل روزانه در هر ماه مي باشد. (2) ميباشد و براي محاسبه آن مي توانيم از رابطه زير استفاده كنيم Beckma) (Duffie & [10]. بيانگر تابش اندازهگيري شده در خارج از جو 24 3600 G = sc 360 π ω s (1 + 0.033cs ) csφ csδ si ω s + si φ si δ π 365 180 G sc ثابت تشعشعي خارج از جو است و مقدار آن در اين مقاله 1373 وات بر متر مربع در نظر گرفته شده است. φ عرض جغرافيايي محل مورد نظر δ زاويه ميل خورشيدي نسبت به استوا بر حسب درجه (23,45 δ 23,45-) ميباشد كه مقدار آن را ميتوان از معادله تقريبي كوپر( cper ) [8] محاسبه نمود. محاسبه ميشود. ω s زاويه ساعت خورشيدي بر حسب درجه مي باشد و مقدار آن از رابطه (4)
دوره 13 شماره 2 تابستان / 1389 نشريه انرژي ايران 4 284 + δ = 23.45si(360 ) 365 ω = cs 1 ( taφ taδ) s N بيانگر ميانگين ماهيانه ساعات آفتابي روزانه و (3) (4) از رابطه زير محاسبه ميشود. (5) بسيا ير از محققين از جمله اكينوگلو و اكوي ت ريتول( Rietvel ) [15] و عبداالله بغدادي( Baghdady [6](Abdalla ad پارامتره يا جغرافيايي و اقليمي همانند عرض ميانگين ماهيانه ماكزيمم ساعات آفتابي( طول روز) مي باشد و مقدار آن 2 N = ω S 15 [11] [ 1 ] گوپيناتهان( Gpihatha ) (Akiglu ad Ecevit) جغرافيايي ارتفاع ساعات آفتابي دما و بارندگي ميدانند. ضرايب تجربي آنگستروم براي 21 ايستگاه تابشي ايران مطابق جدول (1) محاسبه شدند. وابستگي ضرايب تجربي آنگستروم را بر پايه جدول 1 : ضرايب آنگستروم محاسبه شده براي 21 ايستگاه تابشي ايران شهر رديف b a 1 بندر عباس 0/306 0/34 جاسك 2 0/202 0/404 بوشهر 3 0/331 0/359 بيرجند 4 0/351 0/373 بجنورد 5 0/342 0/348 رامسر 6 0/204 0/404 زنجان 7 0/372 0/352 همدان 8 0/37 0/341 اروميه 9 0/305 0/402 تبريز 10 0/301 0/375 تهران 11 0/343 0/346 مشهد 12 0/332 0/335 يزد 13 0/398 0/345 طبس 14 0/35 0/372 كرمان 15 0/421 0/322 شيراز 16 0/405 0/317 17 كرمانشاه 0/396 0/331 كرج 18 0/256 0/338 19 اصفهان 0/35 0/361 20 خوربيابانك 0/404 0/321 21 زاهدان 0/433 0/28
ي ال 5 نشريه انرژي ايران / دوره 13 شماره 2 تابستان 1389 طبقه بندي اقليمي آب و هواشناسي يا اقليمشناسي معادل با Climatlgy است كه از واژه يوناني Klima به معني شيب يا ميل گرفته شده است. اين واژه يوناني به تغييرات زاويه تابش خورشيد اشاره دارد. آب و هواي غالب در يك منطقه اقليم آن منطقه ناميده ميشود [14].از آنجايكه ضرايب تجربي معادله آنگستروم به شرايط آب و هوايي منطقه وابستگي دارند تصميم به اراي ه طبقه بندي اقليمي شد. در اينجا براساس طبقه بندي اقليمي كوپن كه معيار تقسيم بندي آب و هوايي در آن دما و بارندگي ميباشد مناطق هم پتانسيل از نظر اقليمي شناسايي شدند و در يك گروه قرار گرفتند (حدود 140 ايستگاه سينوپتيك). سرانجام با توجه به تشابه آب و هوايي و ساعات آفتابي 5 منطقه اقليمي براي ايران تعيين شد. شكل 1 : مناطق هم پتانسيل اقليمي نتيجه گيري با اخذ اطلاعات ايستگاههاي تابشي و ساعات آفتابي روزانه براي سالهاي مختلف كه بوسيله دستگاهه يا سازمان هواشناسي رگرسيو ين اندازهگيري مستقر در جمع آوري ميشود و محاسبه تابش فراجو و طول روز طبق روابط (2 و) (5) با كمك نرم افزار آماري Spss رابطه تابش بر حسب ساعات آفتابي براي اين 5 ناحيه اقليمي برازش شد(جدول ساعات آفتابي براي اين 5 منطقه مطابق اشكال زير است(شكل 2 (6 2). نمودار ضريب گذردهي جو بر حسب كسر با در نظر گرفتن ساعات آفتابي كه فاكتور مهمي براي برآورد تابش كل خورشيدي ميباشد و قبول اين مطلب كه ايران كشوري است كه در آن ساعات آفتابي قابل ملاحظه ميباشد لذا مدل تجربي آنگستروم به خوبي ميتواند ميزان تابش كل را برآورد توجه به نتايج بدست آمده ضرايب آنگستروم در محدوده نرمال و نزديك به هم ميباشند(حدود نمايد. با 0,3) و فاصله گرفتن اين ضرايب از
دوره 13 شماره 2 تابستان / 1389 نشريه انرژي ايران 6 يكديگر نشان دهنده آب و هواي خاص در آن منطقه ميباشد. همانطور كه مشاهده ميشود براي اقليم ايران ميباشد فاصله ضرايب آن نسب به مناطق ديگر بيشتر است. جدول 2: معادلات آنگستروم براي مناطق اقليمي ايران 5 كه براي نواحي شمالي climate 1 2 3 4 5 Relatiship = 0.352 + 0.373( N = 0.317 + 0.386( N = 0.343+ 0.347( N = 0.360 + 0.359( N = 0.404 + 0.204( N ) ) ) ) ) شكل 2: فرم خطي معادله آنگستروم براي ناحيه اقليمي 1
7 نشريه انرژي ايران / دوره 13 شماره 2 تابستان 1389 شكل 3: فرم خطي معادله آنگستروم براي ناحيه اقليمي 2 شكل 4: فرم خطي معادله آنگستروم براي ناحيه اقليمي 3
دوره 13 شماره 2 تابستان / 1389 نشريه انرژي ايران 8 شكل 5: فرم خطي معادله آنگستروم براي ناحيه اقليمي 3 شكل 6 : فرم خطي معادله آنگستروم براي ناحيه اقليمي 5
9 نشريه انرژي ايران / دوره 13 شماره 2 تابستان 1389 منابع [1] Akiglu, B.G. ad Ecevit A.,1990"Cstruc fa quadra c mdel usig mdified Agstrm cefficiets t estimate glbal slar radia ", 45, 85. [2] A. Agstrm., 1924 Slar ad terrestrial radia. Q.J.R. Meterl. Sc. 50, 121. [3] Al-Mhammad,A Glbal., 2004 direct ad diffuse slar-radiati i Syria. Appl Eergy;79:191 200. [4] Almrx,J ad Beit, M ad tria, C., 2005 Estimati f mthly Agstrm Presctt equati cefficiets frm measured daily data [5] Ashjaee, M ad Rmia, MR ad Ghafuri,A.,1993 Es ma g direct, diffuse ad glbal slar radiati fr varius cities i Ira by tw [6] methds ad their cmparis with the measured data. Sl Eergy ;50:441 6. [7] Badescu,V Mdelig Slar Radiati at the Earth's Surface [8] Bird,R.E.,ad ulstrm,r.e., 1981, A Simplified Clear Sky Mdel Fr Direct ad Diffuse Islati riztal Surface, U. S. Slar Eergy Research Istitute(SERI) [9] Cper,PI., 1969 The absrp f slar radia i slar s lls. Sl Eergy,;12(B):333 46. [10] Daeshyar, M.,1978 Slar radia sta s cs fr Ira. Sl Eergy 1978;21:345 9. [11] Duffie, J.A. ad Beckma, W.A.,1992 Slar Eergy Egieerig, Jh Wiley, U.S.A. [12] GOPINATAN.K. K,(1988), A simple methd fr predic g glbal slar radia a hriztal surface, Shw & Wid Teclml9) Vl 3. N. 5, pp. 581 583. 1988 [13] Islamic Republic f Ira Meterlgical Office (IRIMO). Aual year bk reprts, Data Ceter, Tehra, Ira, 1982 2005 [14] Jafarpur, K ad Yaghubi MA., 1989 Slar radia fr Shiraz, Ira. Sl Wid Techl;6(2):177 9. [15] Kavyai,M,Alijai,B The Fudatis f climat [16] M. R. Rietveld, Agric.Meter., 19, 1978, 243. [17] Meiel, A.B., ad Meiel, M.P., 1977 Applied Slar Eergy, A Itrduc, Addis-Wesley Publishig, Cmpay, Tusc, Ariza. [18] Paltridge, GW ad Prctr, D.,1976, Mthly mea slar radia sta s cs fr Australia. Sl Eergy ;18:235 43. [19] Presc,JA., 1940 Evapra frm a water surface i rela t slar radia. Tras. Ry. Sc. S. A. 64: 114 118.
دوره 13 شماره 2 تابستان / 1389 نشريه انرژي ايران 10 [20] Sabbagh,J ad Sayigh, AAM Al-Salam EMA.,1977, Estimati f the ttal slar radiati frm meterlgical data. Sl Eergy ;19:307 11. [21] Sabziparvar,A ad Shetaee,., 2007 Estimati f glbal slar radiati i arid ad semi-arid climates f East ad West Ira, Eergy, Vl. 32,, pp 649 655 [22] i Tled, Spai. Reewable Eergy;30:931 6. [23] Samimi J., 1994 Estimati f height-depedet slar irradiati ad applicati t the slar climate f Ira. Sl Eergy;52:5401 9. [24] Suehrcke., 2000 O the rela ship betwee dura f sushie ad slar radia the Earth s surface: Agstr m s equa revisited. Slar Eergy 68: 417 425. [25] Tasdemirglu, E ad Sever, R 1989 Es ma f ttal slar radia frm bright sushie hurs [26] i Turkey. Eergy 14: 827 830. [27] Yaghubi, M. A. ad Sabazevari, A. Further data slar radiati i Shiraz, Ira, Reewable Eergy, vl. 7,. 4, pp. [28] Zhu J, Yezheg W, Gagm Y., 2005 Geeral frmula fr estimati f mthly average daily glbal slar radiati i Chia. Eergy Cversi Maage;46:257 68.