دراسة تأثير تغير كثافة الهواء على إنتاج طاقة الرياح في مدينة كربلاء

ازهار كاظم مشعل

وزارة التعليم العالي والبحث العلمي / هيئة البحث العلمي  ، بغداد – العراق

azhaaarkadhum83@mohesr.edu.iq

009647763648505

الملخص

في هذا البحث يتم دراسة عامل كثافة الهواء لأنها تعتبر احد المتغيرات الرئيسة في حساب الطاقة المنتجة من الرياح حيث تم  دراسة العوامل التي تؤثر على الكثافة والتي شملت  (درجة الحرارة والارتفاع ) لمدينة كربلاء والتي تقع في وسط العراق وكانت البيانات ضمن فترات زمنية معينة شملت الفصول المختلفة لغرض معرفة نسبة التغير في كثافة الهواء  والذي بالتالي يؤثر على الطاقة الكهربائية المنتجة من طاقة الرياح وتم  ذلك بالاعتماد على تحليل البيانات الانوائية وحساب مدى تأثيرها على عامل الكثافة باستخدام برنامج Wasp وهو احد البرامج المهمة في مجال طاقة الرياح  ، وجد من خلال هذه الدراسة ان عاملي درجة الحرارة والارتفاع اكثر العوامل تأثيرا على قيم الكثافة حيث توصف العلاقة بانها علاقة عكسية  .                                       

الكلمات المفتاحية : كثافة الهواء  ، طاقة الرياح ، المناخ  ، بيانات ، برنامج Wasp  

Studying the effect of changing air density on wind energy production in Karbala city

Azhaar K. Mishaal

^* Ministry Higher Education & Scientific Research / Scientific Research Commission, Baghdad , Iraq.

E-mail: : azhaaarkadhum83@mohesr.edu.iq

Abstract

In this search, the air density factor is studied because it is considered one of the main variables in calculating the energy produced from wind , The factors that affect the density were studied, which included (temperature and altitude) for the city of Karbala, which is located in central Iraq , The data was collected over specific time periods, including different seasons, in order to determine the rate of change in air density, which consequently affects the electrical energy produced from wind energy. This was done by relying on analyzing the anaerobic data and calculating the extent of its impact on the density factor using the Wasp program, which is one of the important programs in the field of wind energy, This study found that temperature and altitude are the most influential factors on density values, and the relationship is described as an inverse relationship .

Key Words: air density , Data , Climate ,  wind energy , Wasp program

 المقدمة -1

ابتدأ مفهوم استغلال طاقة الرياح في توليد اشكال من الطاقة (الطاقة الكهربائية على الاخص)، و برز ذلك بشكل اوضح في بداية السبعينات عندما بدأت مجموعات علمية في مناطق متعددة من العالم بالتفكير في استغلال طاقة الرياح. و قد انشات الكثير من مراوح الهواء (Wind Turbines) في الولايات المتحدة و اوربا .ان مصادر الرياح الجيدة موزعة بشكل واسع على سطح الأرض وهي لا تنضب ولا تنفذ والمصادر نفسها لا يمكن خزنها ولا شحنها ولكن يمكن تحويلها إلى طاقة أخرى. تعتبر طاقة الرياح الأسرع نمواً لتوليد الكهرباء في العالم فقد قفزت الطاقة الآن بنسبة 26%)) عام 2003)) .

تنشا الرياح بسبب الاختلاف في درجات التسخين للكرة الأرضية بواسطة الإشعاع الشمسي الواصل من   الشمس، فتتكون مناطق عالية الضغط واخرى ذات ضغط منخفض، فينتقل الهواء من مناطق الضغط العالي الى المناطق ذات الضغط المنخفض نتيجة لأسباب حرارية أو ديناميكية. ( الخياط ، 2006 ) وتعتبر المنظم للغلاف الجوي وبسببها تحدث كافة الظواهر الجوية ، فهي تعمل على تسوية درجات الحرارة والرطوبة والضغط الجوي بين مكان أخر ( ابو العينين ،1996) ان الطاقة الحرارية الواصلة الى المناطق المختلفة من الغلاف الجوي تؤدي الى تسخينه بدرجات متفاوتة وهذا بدوره يسبب اختلاف كثافة الهواء، وبالتالي انتقال الهواء من مكان الى اخر وينتج عنه اختلاف الضغط الجوي، فالرياح هي حركة الهواء الأفقية والتي تعمل على تسوية الفروق في درجات الحرارة والرطوبة والضغط الجوي بين مكان و اخر، فهي تعتبر المنظم للغلاف الجوي وبسببها تحدث كافة الظواهر الجوية                             ( ابو العينين ، 1996 ) ويمكن وصف او تمثيل ظاهرة الرياح بالسرعة والاتجاه .

يتحرك نظام الرياح فوق سطح الأرض ضمن مستويات مختلفة من الغلاف الجوي (Atmosphere) لتحقيق التوازن في توزيع الهواء ، غير أن هذا النظام عرضة  للتغير  زمانيا ومكانيا  على وفق  نظام  حركي  متنوع  عمودي ( الصاعدة  والهابطة )  (  Vertical) و أفقي  ( Horizontal)  ناشئ  من الاختلاف  في  توزيع درجات الحرارة والضغط الجوي ، فضلا عن اختلاف طبيعة سطح الأرض إذ تغطي المسطحات المائية والصحاري والسهول والمرتفعات والوديان والأراضي الزراعية والمدن والمجمعات السكنية والمواقع الصناعية ، واجزاء من ذلك السطح وقد أدت تلك المتغيرات إلى جعل الحركة العمودية اقل ثباتا بالموازنة مع الحركة الأفقية .

الطاقة الهوائية هي الطاقة المستمدة من حركة الهواء والرياح ، وتتوافر الطاقة في الرياح على شكل طاقة       حركة ، وتستخدم وحدات الرياح في تحويل الطاقة الى طاقة ميكانيكية تستخدم مباشرة ، او يتم تحويلها الى طاقة كهربائية من خلال مولدات ( هراط ، 2006 ) . وتعرف قدرة الرياح Wind Power هي القدرة التي تمتلكها الرياح والتي تمكنها من تحريك الاشياء, اي انها الطاقة الحركية (الميكانيكية) التي يمتلكها الهواء نتيجة الحركة, وتنتج عادة بسبب اختلاف درجات حرارة لسطح الارض الناتج من عدم استواء سطحها  ( التميمي ، 2007 ) تعتمد طاقة الرياح على سرعة الرياح فكلما ازدادت السرعة ازدادت معها الطاقة.

2– الدراسات السابقة Literature Review

استعملت طاقة الرياح لآلاف السنين لأغراض عدة، إلا انه في القرن الماضي وبالأخص العقود الثلاثة الاخيرة توجهت الدراسات والبحوث لاستخدام هذه الطاقة في توليد الطاقة الكهربائية ، في عام 1945 قام توماس(Thomas)      ( Thoms , 1945  ) بتقدير قدرة الرياح الكامنة والمحتملة لتوليد طاقة كهربائية لمواقع مختلفة في الولايات المتحدة اذ اعتمد على التحليل الاحصائي لمعدل سرعة الرياح الشهري والسنوي ، اجرى ريد (Reed,1974) ( Reed , 1974 ) دراسة لايجاد العلاقة بين التوزيع الجغرافي لسطح الارض و طاقة الرياح ، في عام 1978نشر كلا من بيترسون وهنسي (Peterson &Hennessey)  )   ( Peterson & Hennessey , 1987بحثاً وضحا فيه أهمية قوانين القدرة لحساب طاقة الرياح الكامنة ، وكذلك في عام 1986 قام كل من العزاوي وزكي بدراسة مقارنة بين خصائص حساب طاقة الرياح وطاقة الاشعاع الشمسي من بعض المناطق الرصدية في العراق ( Al-Azzawi & Zeki , 1986 ). اما في تركيا فقد اجريا دينر و انام  )  (Dunder & Inam , 1996 دراسة عن تناسب كثافة الهواء والقوة الثالثة لمعدل سرعة الرياح مع  معاملات ويبل ، نشر روسر (Rosas,2003) أطروحته الذي قدم فيها معالجة لتذبذب الطاقة الناتج من انقطاع الرياح في الدنمارك ، وفي عام 2006 درست الباحثة ( الخياط , 2006 ) اختيار مناطق مناسبة لبناء محطات لتوليد الطاقة الكهربائية بواسطة طاقة الرياح في العراق ، وفي عام 2007 درست  ( التميمي ) تقدير طاقة الرياح في العراق( التميمي , 2007 ) .

3– طاقة الرياح

الطاقة الريحية هي عملية تحويل حركة ( طاقة ) الرياح الى شكل اخر من الطاقة التي يستعملها الانسان واهمها الطاقة الكهربائية ويتم ذلك باستعمال توربينات (Turbines ) تديرها الرياح وتحول دورانها الى كهرباء بواسطة مولدات كهربائية  ( غانم , 2001 ) .

وهي من انواع الطاقة المستمدة من الظواهر الطبيعية التي تتجدد باستمرار ولا يمكن ان تنفذ ولها علاقة

قوية  بالمناخ ( احمد ، 2014 )

ان طاقة الرياح طاقة محلية متجددة ولا ينتج عنها غازات تسبب ظاهرة ( الاحتباس الحراري ) أو ملوثات، مثل ثاني أكسيد الكربون أو أكسيد النتريك أو الميثان، وبالتالي فإن تأثيرها الضار بالبيئة طفيف ( شنشول , 2021 )   , يعتمد تقدير الطاقة الحركية الكامنة في الرياح في اية منطقة على سرعة الرياح وكثافتها ومساحة المنطقة التي تهب عليها ( السيد ، 2020 ) .

عند مرور الرياح على مروحة الهواء فأن ريشة المروحة تبدأ بالحركة وان الطاقة المحركة لها تدعى بالطاقة الحركية ( Kinetic Energy K.E ) وتعطى الطاقة الحركية للهواء بالمعادلة الاتية ( احمد ، 2014) :

          K.E=   m . v²( 1)  …………..   

اذ  ان :

m : كثافة الهواء (غرام )

V : سرعة الرياح ( متر / ثانية )

وتعطى كتلة الهواء بالمعادلة التالية :

…………..(2)                                            

اذ ان :

ρ : كثافة الهواء ( كيلوغرام / مثر مكعب )

V : حجم الهواء ( متر مكعب )

A : مساحة المقطع العرضي المار منه الهواء ( متر مربع )

X: مسافة الهواء المتحرك ( متر )

t : الزمن ( الثانية )

وبتعويض المعادلة (2) في المعادلة (1) نحصل على :

          K.E=   ρ . v³……….(3)                                                    

اذ ان القدرة هي مقدار الشغل المنجز في وحدة الزمن وطبقا لذلك فأن قدرة الرياح في وحدة المساحة    ( واط / متر مربع ) تعطى بالعلاقة التالية [2014]  :

                                                               (4)…………..P =   ρ . v³

اذ ان :

P : قدرة الرياح ( واط / متر مربع )

ρ : كثافة الهواء ( كيلوغرام / متر مربع )

V : سرعة الرياح ( متر/ ثانية )

4– العوامل المؤثرة في انتاج طاقة الرياح

1– سرعة الرياح

لا تتناسب الطاقة الكامنة في الرياح طرديا مع سرعة الرياح فقط وانما تتناسب مع مكعب سرعة الرياح ( داموك , 2022 و الاسدي , 2022 )

2– كثافة الهواء

طاقة الرياح تتناسب طرديا مع كثافة الهواء والتي هي دالة للارتفاع والضغط الجوي ودرجة الحرارة .اذ ان الهواء الكثيف يسبب الكثير من الضغط على الدوارات مما ينتج عنه زيادة في انتاج الطاقة . ان كثافة الهواء القصوى تكون عند مستوى سطح البحر لها فأن الكثير من مزارع الرياح تنشأ بالقرب من البحار او المحيطات ( الغضبان , 2020 )

3– قطر الدوار ( التوربين )

انتاج طاقة الرياح له علاقة مباشرة بالقطر اذ ان مضاعفة قطر الدوار سيضاعف انتاج الطاقة الى اربعة اضعاف ( الغضبان , 2020 )

4– ارتفاع البرج والتركيب

تعتمد سرعة الرياح على ارتفاع التوربين عن سطح الارض حيث هناك العديد من العوائق مثل المباني والمنازل وما الى ذلك والتي تعيق تدفق الرياح وبالتالي تقلل من سرعتها ( الغضبان , 2020 )

5– نوعية الهواء ( جودة الهواء)

الرياح المتغيرة بشكل كبير يصعب الاستفادة منها في توليد الطاقة في حين ان الرياح ذات السرعة الثابتة تمثل حالة مثالية ( الغضبان , 2020 )

 5–  المواد وطرائق العمل

 1-5  منطقة الدراسة

الدراسة شملت محافظة كربلاء و التي تتمثل بالموقع الجغرافي التي حيث تقع على خط طول 44 درجة وعلى خط عرض 36 درجة والارتفاع عن مستوى سطح البحر هو 22 م ، الشكل ( 1 ) يمثل صورة فضائية للعراق بواسطة القمر  الاصطناعي ( Terra  ) والمأخوذة بواسطة المتحسس (MODIS ) والتي توضح منطقة الدراسة حيث ان الدقة المكانية للصورة كانت ( 1 ) كم “MODIS web side  ”

(http://modis.atmos.gcfc.nasa.gov./IMAGES/MOD02/GRAUIE )

شكل ( 1 ) يمثل منطقة الدراسة على صورة فضائية للقمر الاصطناعي ( Terra-MODIS ) [18] .

 5–2 البیانات

       البيانات التي تم الاعتماد عليها في هذا البحث هي معدلات شهرية لدرجة الحرارة وكذلك معدلات شهرية لسرعة الرياح في مدينة كربلاء حث تم اختيار اربعة اشهر من العام ( 2012  ) وهذه الاشهر هي ( كانون الاول – اذار – تموز – ايلول ) حيث ان هذه الاشهر تتمثل بالفصول الاربعة والتي تكون ذات مناخ مختلف لغرض حساب كثافة الهواء ومدى التغيير الذي يمكن ان يحصل بقيمها ومدى تأثره بالظروف المناخية ( لاحظ الجدول 1 )

الجدول ( 1 ) يمثل المعدلات الشهرية لسرعة الرياح ودرجة الحرارة

6 – النتائج والمناقشة

تهدف الدراسة الى معرفة مدى التغير بكمية الطاقة  الكهربائية المنتجة من طاقة الرياح ( سواء زيادة او نقصان ) بالاعتماد على عامل الكثافة ( حسب قانون طاقة الرياح ( P )) ومعرفة مدى تاثير هذا العامل على الطاقة في العراق وقد تم اختيار محافظة كربلاء ضمن فترات زمنية معينة شملت الفصول المختلفة لغرض معرفة نسب التغير في الكثافة والذي بالتالي يؤثر على الطاقة المنتجة من طاقة الرياح ، وهذه الاشهرهي ( 1 ، 3 ، 7 ، 9 ) للعام 2012 حيث تم حساب الكثافة كما في الجدول ( 2 )

الجدول (  2) يمثل حسابات طاقة الرياح والكثافة

باستخدام برنامج  (  WAsP ) تم حساب  قيمة الكثافة لكل فصل ومدى تغيرها من فصل لاخر وجد ان التغير بقيمة الكثافة يكون طفيف ، كثافة الهواء غير مرئية , غير ملموسة ودوما لا يتم الانتباه الى العامل الذي يساعد على تقوية شدة الرياح ، كثافة الهواء هو ثاني أهم العوامل في توازن قوة الرياح .لهذا لا يمكن فصل تأثير تغير الكثافة عن تأثير تغير سرعة الرياح وهذا يتم ملاحظته في الجدول ( 2 ) .

من خلال تحليل بيانات الجدول ( 2  ) نلاحظ ان كثافة الهواء تتغير خلال فصول السنة ففي فصل الشتاء تصل الى اعلى قيمة بينما تصل الى ال قيمة في فصل الصيف أي ان علاقة كثافة الهواء بدرجة الحرارة هي علاقة عكسية .اما بالنسبة لقدرة الرياح فانها على العكس تماما حيث انها تزداد في فصل الصيف وتصل الى اقل قيمة في فصل الشتاء ولهذا فان قدرة الرياح تتناسب عكسيا مع كثافة الهواء .

7– الاستنتاجات و التوصيات

1– تأثر كثافة الهواء بالظروف المناخية المختلفة حسب الفصول والظروف المرافقة لها حيث انها تزداد خلال فصل الشتاء وتقل خلال فصل الصيف أي ان هناك علاقة عكسية بين الكثافة ودرجة الحرارة وكذلك بالارتفاع عن مستوى سطح البحر

2 – يمكن اعتبار كثافة الهواء من العوامل المؤثرة على الطاقة الكهربائية المنتجة من طاقة الرياح بفعل تأثيرها على قدرة الرياح

3 – تعتبر مدينة كربلاء من المدن التي يمكن استغلال طاقة الرياح فيها ويمكن اعتبارها من المناطق الواعدة في العراق في مجال انتاج الطاقة الكهربائية من طاقة الرياح .

4 – دراسة عامل الكثافة وتأثيرها على الطاقة الكهربائية المنتجة  في مناطق مختلفة من العراق وفق ظروف مناخية مختلفة  لمعرفة المناطق الواعدة في العراق والتي يمكن استغلال طاقة الرياح فيها لغرض انشاء مزارع للرياح لغرض توليد الطاقة الكهربائية .

8 – المصادر

1. الخياط . ا. ع . ( 2006 ) . اختيار مناطق مناسبة لبناء محطات لتوليد الطاقة الكهربائية بواسطة طاقة الرياح في العراق . رسالة ماجستير ، كلية العلوم ، الجامعة المستنصرية  .
2. ابو العينين . ح . س . ( 1996 ) أصول الجغرافية المناخية . مؤسسة الثقافة الجامعية الإسكندرية : مطبعة النهضة العربية ، بيروت.
3. هراط . ا . ع . (2006 ) . تباين اتجاه ونوعية الرياح في العراق وإمكانية استثمارها . رسالة  ماجستير. كلية التربية ، الجامعة المستنصرية.
4. التميمي .أ . ا . (2007 ) . تقدير طاقة الرياح في العراق . اطروحة دكتوراه ، كلية العلوم ، الجامعة المستنصرية.

• Thomas . N . (1945) . Electric Power from the wind. Federal Power commission  .
• Reed .J.w ( 1974) .Wind Power Climatology. Weathewise .( 27)  234-247.
• Peterson . E.W. & Hennessey. (1987) . on the use of power Laws for estimates of wind power potential. Journal of Applied Meteorology , 17(3) , 390-394.
• . Al-Azzawi .S.I &  Zeki . N.A (1986) . The Wind Power Potential in Iraq
• Dunder .C. & Inam .D (1996) .  The analysis of Wind Data and Wind Energy Potential in Bardirwa , Turkey.
• Rosar . P. (2003) . Dynamic Influence of Wind Power on the Power System . Risø National Lab. Denmark .                                       .

1. غانم .ع . ا. (2001) . المناخ التطبيقي . عمان : دار المسيرة للنشر والتوزيع والطباعة،.
2. احمد .ج .ه . (2014 ) . دراسة قدرة الرياح على توليد الطاقة الكهربائية في محطات مختارة في العراق . مجلة علوم المستنصرية , 25 (3) .
3. اسماعيل .م .ك .( 2024 ). الرياح وامكانية انتاج وتوليد الطاقة الكهربائية في الهضبة الغربية ( العراق, سوريا , الاردن والسعودية . مجلة الجامعة العراقية , 65 ( 1) .
4. شنشول .ع .م . (2021 ) . طاقة الرياح في المنطقة الوسطى والجنوبية من العراق وتحديد الموقع الامثل باستخدام GIS . جامعة بغداد , كلية الاداب , قسم الجغرافية .
5. منصور . ا . ( 2008 ) . طاقة الرياح وتطبيقاتها المختلفة تشغيل وصيانة وتركيب توربينات الرياح . هيئة الطاقة الجديدة والمتجددة , مصر.
6. داموك .ل .ح والاسدي .ك .ع . (2022 ) . امكانية طاقة الرياح في توليد الكهرباء في محافظتي البصرة وكربلاء . مجلة اداب البصرة , 101 .
7. الغضبان .ص .ح . ( 2020) . الطاقات المتجددة . منشورات جامعة دمشق .
8. http://modis.atmos.gcfc.nasa.gov./IMAGES/MOD02/GRAUIE
9. وزارة التعليم العالي والبحث العلمي / هيئة البحث العلمي ( وزارة العلوم والتكنولوجيا سابقا ) / مركز بحوث البيئة والمياه والطاقات المتجددة / قسم الطاقات المتجددة / بيانات غير منشورة , 2012, بغداد ، العراق .