مستندات نرم افزار مهراس (Mahras)

مهندسی هوشمند و رایانه ای انرژی های سبز

معرفی کلی

نرم افزار مهراس یک پلتفرم جامع و تخصصی برای طراحی، شبیه سازی و تحلیل مزارع بادی است. این نرم افزار با رویکردی یکپارچه و مبتنی بر دانش مهندسی انرژی، امکان طراحی از سطح منطقه تا تحلیل دقیق اثر ویک (Wake) و تلاطم (Turbulence) را برای مهندسان، محققان و توسعه دهندگان پروژه های انرژی بادی فراهم می کند.

مهراس با بهره گیری از الگوریتم های پیشرفته محاسباتی و مدل های فیزیکی معتبر، ابزاری قدرتمند برای بهینه سازی چیدمان توربین ها، تخمین تولید انرژی سالیانه (AEP) و تحلیل اقتصادی پروژه های بادی ارائه می دهد.

قابلیت های اصلی نرم افزار

1. طراحی گرافیکی مزرعه بادی

محیط گرافیکی نرم افزار مبتنی بر فناوری QGraphicsView طراحی شده است. کاربر می تواند توربین ها را به صورت بصری روی نقشه جانمایی کند، جابجا نماید و ویرایش کند. این محیط از زوم، پیمایش و انتخاب چندضلعی منطقه پشتیبانی می کند.

2. مدل سازی توپوگرافی

نرم افزار قادر به دریافت داده های ارتفاعی از منابع مختلف از جمله وب سرویس های استاندارد و فایل های GeoTIFF است. داده های مدل رقومی ارتفاع (DEM) با دقت مکانی قابل تنظیم (30 یا 90 متر) دریافت و در پایگاه داده پروژه ذخیره می شود. همچنین شیب و جهت شیب زمین محاسبه و تحلیل می گردد.

3. شبیه ساز ویک (Wake Simulation)

هسته محاسباتی مهراس قادر به شبیه سازی اثر سایه اندازی توربین ها با استفاده از مدل های پیشرفته است:

• مدل جنسن (Jensen/Park): مدل ساده و سریع مناسب برای طراحی های اولیه

• مدل گوسی (Bastankhah-Gaussian): مدل دقیق با پروفیل گوسی برای محاسبات دقیق تر

• مدل آینزلی (Ainslie): مدل لایه مرزی برای شرایط جوی پیچیده

4. تحلیل تلاطم (Turbulence Analysis)

نرم افزار میدان باد را با استفاده از مدل های طیفی و آماری شبیه سازی می کند. طیف کایمل (Kaimal) برای تولید سری های زمانی تلاطم پیاده سازی شده است. همچنین شدت تلاطم (Turbulence Intensity) در نقاط مختلف مزرعه محاسبه می گردد.

5. تحلیل جریان های همرفتی (Convection Analysis)

مهراس قادر به محاسبه جریان های همرفتی ناشی از تابش خورشیدی و توپوگرافی است. این قابلیت شامل محاسبه دمای سطح، دمای محیط، شتاب شناوری (Buoyancy) و سرعت عمودی همرفت می باشد. این تحلیل برای ارزیابی اثرات زیست محیطی و میکروکلیما اهمیت دارد.

6. محاسبه تابش خورشیدی

نرم افزار موقعیت خورشید را با استفاده از الگوریتم های دقیق نجومی محاسبه می کند. پارامترهایی مانند ارتفاع خورشید، آزیموت، زاویه ساعت و معادله زمان برای هر ساعت از روز محاسبه می شوند. همچنین تابش مستقیم، منتشر و بازتابیده روی سطوح شیبدار با در نظر گرفتن سایه اندازی توپوگرافی محاسبه می گردد.

7. تحلیل اقتصادی

مهراس محاسبات اقتصادی کامل پروژه های بادی را انجام می دهد:

• هزینه سرمایه گذاری (CAPEX)

• درآمد سالیانه حاصل از فروش برق

• هزینه های عملیاتی سالیانه (OPEX)

• ارزش فعلی خالص (NPV)

• نرخ بازده داخلی (IRR)

• دوره بازگشت سرمایه (Payback Period)

8. نمایش سه بعدی

نمایش تعاملی سه بعدی از مزرعه بادی بر روی توپوگرافی واقعی منطقه. در این نمایش، ستون های ویک با گرادیان رنگی شفاف به تصویر کشیده می شود و شدت تلاطم و کاهش سرعت در پایین دست هر توربین قابل مشاهده است.

مدل های فیزیکی و ریاضی

پروفیل باد

نرم افزار از دو مدل اصلی برای پروفیل باد استفاده می کند:

• مدل لگاریتمی: مناسب برای زمین های با پوشش گیاهی و موانع

• مدل توانی: مناسب برای مناطق باز و دریایی

مدل های ویک

نرخ گسترش ویک

مقدار k (نرخ گسترش ویک) بر اساس نوع توربین و شدت تلاطم محیطی محاسبه می شود. برای توربین های محور افقی (HAWT) مقادیر بین 0.04 تا 0.07 و برای توربین های محور عمودی (VAWT) مقادیر بین 0.06 تا 0.12 معمول است.

شدت تلاطم

شدت تلاطم (TI) نسبت انحراف معیار نوسانات سرعت به سرعت متوسط باد است. مقادیر معمول بین 0.05 تا 0.25 متغیر است. نرم افزار افزایش تلاطم ناشی از ویک توربین ها را با استفاده از مدل کرسپو هرناندز محاسبه می کند.

توان توربین

توان خروجی توربین با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

P = 0.5 × ρ × A × Cp × V³

که در آن ρ چگالی هوا، A مساحت روتور، Cp ضریب توان و V سرعت باد است.

سناریوهای کاربردی

طراحی مزرعه بادی جدید

1. انتخاب منطقه با استفاده از نقشه تعاملی WebGIS

2. دریافت خودکار داده های توپوگرافی از API

3. جانمایی توربین ها در محیط گرافیکی

4. تنظیم پارامترهای شبیه سازی

5. اجرای تحلیل ویک و بهینه سازی چیدمان

6. محاسبه AEP و تحلیل اقتصادی

7. نمایش سه بعدی نتایج

تحلیل مزرعه بادی موجود

1. بارگذاری داده های توپوگرافی منطقه

2. وارد کردن مختصات توربین های موجود

3. تنظیم سرعت و جهت باد غالب

4. اجرای شبیه سازی و محاسبه اتلاف ها

5. شناسایی توربین های با بیشترین اتلاف

6. ارائه پیشنهاد برای بهبود چیدمان

تحلیل اثرات زیست محیطی

1. محاسبه جریان های همرفتی ناشی از توپوگرافی

2. تحلیل تلاطم در نقاط مختلف منطقه

3. بررسی اثر مزرعه بادی بر میکروکلیما

4. ارزیابی نویز و اثرات صوتی

5. 

فرمت های فایل پشتیبانی شده

ورودی ها: CSV، JSON، TXT، NPY

تصاویر: PNG، JPG، BMP، GIF، TIFF

مدل های سه بعدی: OBJ، STL، PLY

خروجی ها: CSV، JSON، PNG، PDF، SVG

محدودیت ها و مفروضات

محدودیت های فیزیکی

• مدل های ویک برای زمین های با شیب کمتر از 10 درجه معتبر هستند

• اثرات لایه بندی حرارتی اتمسفر در نظر گرفته نشده است

• جو در تمام جهات خنثی فرض می شود

محدودیت های عددی

• گرید شبیه سازی حداکثر 500 در 500 نقطه محاسباتی دارد

• زمان اجرا با افزایش تعداد توربین ها به صورت نمایی افزایش می یابد

• دقت نتایج وابسته به کیفیت داده های توپوگرافی ورودی است

مفروضات اصلی

• باد کاملا افقی و با پروفیل یکنواخت فرض می شود

• چگالی هوا در تمام فصول ثابت فرض می شود

• اثر رطوبت و تغییرات دمای فصلی نادیده گرفته می شود

اعتبارسنجی

نرم افزار مهراس با استفاده از سه روش اعتبارسنجی شده است:

1. تست های واحد: صحت عملکرد مدل های ویک با داده های تحلیلی مقالات معتبر مقایسه شده است

2. مقایسه با نرم افزارهای مشابه: نتایج با نرم افزارهای WindPRO، WAsP و FLORIS مقایسه شده و اختلاف کمتر از 5 درصد بوده است

3. اعتبارسنجی با داده های میدانی: نتایج شبیه سازی با داده های SCADA مزارع بادی عملیاتی مقایسه و مستند شده است

معیارهای خطای مجاز

• سرعت متوسط: کمتر از 10 درصد

• توان خروجی: کمتر از 15 درصد

• اتلاف ویک: کمتر از 5 درصد

• AEP: کمتر از 10 درصد

اطلاعات تماس و توسعه

نام نرم افزار: مهراس (Mahras)

نسخه: 1.0.0 (در حال توسعه - انتشار زمستان 1404)

توسعه دهنده: تیم توسعه دیتاپ

وبسایت: datop.ir | mahras.ir

جمع بندی

نرم افزار مهراس یک ابزار حرفه ای و جامع برای مهندسان و طراحان مزارع بادی است. با ترکیب مدل های فیزیکی دقیق، الگوریتم های بهینه سازی پیشرفته و رابط کاربری گرافیکی قدرتمند، این نرم افزار امکان طراحی بهینه، تحلیل دقیق و ارزیابی اقتصادی کامل پروژه های بادی را فراهم می کند. قابلیت های پیشرفته تحلیل تلاطم، جریان های همرفتی و نمایش سه بعدی، مهراس را به یکی از کامل ترین نرم افزارهای حوزه انرژی بادی در کشور تبدیل کرده است.