آلودگی زیست محیطی جدی، سلامت انسان را تهدید می کند که منجر به نگرانی های عمومی بسیاری شده است. سوخت های فسیلی به عنوان منابع انرژی اصلی در جامعه کنونی پایدار نیستند و به دلایلی از جمله منابع محدود، مصرف سریع، تغییر آب و هوایی، گرم شدن کره زمین و غیره در آینده ای قابل پیش بینی به اتمام می رسد (1). در دانشگاه و سطح آکادمیک، محققان بسیاری در حال بررسی این هستند که چگونه از انرژی تجدید پذیر مانند انرژی خورشیدی، زیست توده و انرژی باد به عنوان جایگزینی برای منابع انرژی قدیمی استفاده کنند. در همین حال، اکثر کشورها سعی می کنند که از انرژی تجدید پذیر برای جایگزینی سوخت های فسیلی استفاده کنند تا محیط زیست بهتری داشته باشند. با توجه به انرژی بادی، نرخ تبدیل بالاتر، تمیز و امن مزیت اصلی در مقایسه با دیگر انواع انرژی تجدیدپذیر می باشد (1-6) با این حال، انواع متنوع، عدم قطعیت و دیگر عوامل غیرقابل پیش بینی و مسائل دیگر برآورد انرژی باد و راندمان جذب انرژی را تحت تاثیر قرار می دهد (6-1). در ایالت متحده، ظرفیت نیروی بادی تجمعی نصب شده تنها برابر با حدود 3.3% از الکتریسیته ی تقاضا شده ی ملت در اواخر سال 2011 می باشد (7). به منظور افزایش خروجی نیرو و عملکرد اقتصادی مزرعه بادی، برآورد سرعت باد، توربین باد و طرح گیربکس و بهینه سازی طرح چند حوزه ی کانونی و اصلی تحقیقات هستند. Liu و همکاران (8)، یک روش کمی برای ایجاد مدل ARMA-GARCH-M معرفی کردند تا میزان پیش بینی شده ی سرعت باد را بهبود بخشند. محمدی و مصطفیی پور (9) نشان دادند که توزیع Weibull بر مبنای روش انحراف معیار و روش تراکم نیرو می توانست میانگین نیروی باد را به عنوان روش جایگزین بسیار بهتر برآورد کند. Hall و همکاران (10)، گیربکس نسبت متغیر را پیشنهاد کردند که در توربین بادی سرعت ثابت ادغام شد تا برای سرعت های متغیر منطبق شود تا کارایی را افزایش دهد. Kenway و Martin (11)، یک چارچوب بهینه سازی چند رشته ای برای طراحی روتورهای توربین بادی ارائه دادند تا با تغییر هندسه تیغه و اندازه ساختاری بدون تغییر در هزینه و عدم سازگاری با بقیه اجزای سیستم توربین، خروجی نیروی توربین های بادی را به حداکثر رسانند. Ramos و همکاران (12)، عواملی که خروجی انرژی مزرعه بادی را تحت تاثیر قرار داد، مورد تحلیل قرار دادند و نشان دادند که انتخاب موقعیت مزرعه باید بسیار حائز اهمیت باشد. در رفرنس (13-21) محققان سعی داشتند که طرح مزرعه بادی را با استفاده از الگوریتم هوشمند با هدف به حداکثر رساندن خروجی نیرو یا حداقل رساندن هزینه اش در هر واحد نیرو بهینه سازند.
در این مقاله، نویسندگان اساسا بر بهینه سازی طرح مزرعه بادی متمرکز هستند. اکثر تحقیقات پیشین که بر این موضوع انجام شدند از الگوریتم ژنتیک (GA) استفاده کردند تا اهداف تحقیق مختلف را درک کنند. Mosetti و همکاران (13) در ابتدا از GA برای بهینه سازی طرح مزرعه بادی تحت سه موقعیت استفاده کردند: سرعت و جهت ثابت باد، سرعت ثابت باد و جهت های مختلف باد و سرعت ها و جهت های متفاوت باد. بر مبنای تحقیق Mosetti و همکاران، Grady و همکاران افراد (600) و نسل های بیشتری (3000) را در GA به کار گرفتند تا به طرح بهتری برای مزرعه بادی دست یابند. Mittal (15) روش micro-sitting با GA را پیشنهاد دادند تا موقعیت های دقیق تری در مزرعه بادی بیابند و اندازه سلول در تحقیق اش 1 m 1m بود که از اندازه سلول 200 m 200m مورد استفاده در رفرنس (13،14) متفاوت بود. در مقایسه با نتایج Grady و همکاران، نتایج Mittal نشان داد که هزینه در هر واحد نیرو می تواند در هر سه موقعیت کاهش یابد. به منظور افزایش خروجی نیروی مزرعه بادی، Acero و همکاران (16) احتمال به کار بردن توربین های بادی با دو ارتفاع هاب متفاوت در خط مستقیم را مورد بررسی قرار دادند و نتایج نشان داد که استفاده از ارتفاع هاب متفاوت توربین های بادی ممکن است خروجی نیروی بیشتری تولید کند. Chen و McDonald (17)، تصیم صاحبان زمین بر نصب توربین های بادی در بهینه سازی طرح مزرعه بادی در حال اجرا را در نظر گرفتند. با توجه به هزینه، هزینه های ماشین توربین و هزینه تاسیس، Mora و همکاران (18) الگوریتم تکاملی بر مبنای GA پیشنهاد دادند تا طرح مزرعه بادی با حداقل سرمایه گذاری و کاربرد موثر منبع باد را طراحی کنند. سپس، Gonzalez و همکاران (19) مدل هزینه توسعه یافته در رفرنس (18) را به مدل هزینه اصلی بر رویکرد هزینه چرخه زندگی بسط دادند. علاوه بر GA، Marmidis و همکاران (20) سعی داشتند که از الگوریتم مونت کارلو برای طرح بهینه سازی مزرعه بادی تحت شرایط سرعت و جهت ثابت باد استفاده کنند. و تحت شرایط بادی یکسان در رفرنس (20)، Chowdhury و همکاران (21) از الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات (PSO) استفاده کردند تا نشان دهند که توربین های بادی با قطرهای متفاوت می توانند خروجی نیروی مزرعه بادی را بهبود بخشند.
در این مقاله، نویسندگان از GA در متلب استفاده کردند تا طرح مزرعه بادی داده شده با ارتفاع هاب متفاوت توربین های بادی را بهینه سازند تا مزیت های استفاده از توربین های بادی با ارتفاع هاب متفاوت را مورد بررسی قرار دهند. در میان همه ی انواع عوامل تاثیرگذار طرح مزرعه بادی، نویسندگان تنها عوامل زیر را بر مبنای محدوده این مطالعه در نظر گرفتند: (1) تعداد توربین های نصب شده در مزرعه بادی داده شده، (2) ارتفاع هاب های توربین های بادی، (3) جهت و سرعت باد و (4) خروجی نیرو و هزینه در هر واحد نیروی داده شده ی مزرعه بادی. همانند عواملی از جمله توپوگرافی محلی، شرایط خاک مزرعه بادی، ساخت و ساز جاده ها، ظرفیت اسمی مزرعه بادی و پوشش گیاهی محلی (21)، در محدوده ی این مطالعه در نظر گرفته نمی شوند. نویسندگان در ابتدا بهینه سازی طرح مزرعه بادی 500 m 500 m را در سه موقعیت انجام دادند: (1) سرعت و جهت ثابت باد، (2) سرعت ثابت باد و جهت های متفاوت باد، و (3) سرعت و جهت متفاوت باد. در هر مورد، خروجی های نیروی طرح های بهینه با استفاده از ارتفاع هاب یکسان و استفاده از ارتفاع هاب متفاوت توربین های بادی مقایسه شده اند، تا اینکه تاثیر ارتفاع هاب متفاوت توربین های بادی بر خروجی انرژی را بتوان مورد بررسی قرار داد. مدل های مختلف هزینه نیز در این تحلیل در نظر گرفته شده اند و نتایج نشان داد که ارتفاع هاب متفاوت توربین های بادی می توانند هزینه در هر واحد نیروی مزرعه بادی را بهبود بخشد. در آخر، یک مزرعه بادی بزرگ با توربین های بادی تجاری مورد تحلیل بیشتر قرار گرفت تا مزایای استفاده از ارتفاع هاب های متفاوت توربین های بادی را در موقعیت های واقعی تر مورد بررسی قرار دهد.