طريقة جديدة تساعد في تحليل التغيرات في توليد الطاقة الشمسية في أنحاء العالم

التحول نحو مصادر الطاقة المتجددة يقلل من اعتمادنا على الوقود الأحفوري، مما يوفر بديلاً أنظف وأكثر استدامة، ومع ذلك، مع تزايد استخدامها وتطويرها، فإننا نواجه أيضًا تحديات جديدة.

على سبيل المثال، تخضع محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية لتقلبات الطقس والعديد من الظروف البيئية الأخرى، يؤدي هذا التباين إلى إنتاج طاقة غير متناسق من هذه المحطات.

أراد البروفيسور ماهيش باندي، رئيس وحدة الفيزياء غير الخطية وغير المتوازنة في معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا (OIST) إيجاد طريقة للتنبؤ بالتغيرات في كمية الطاقة المنتجة من أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

في الدراسة المنشورة في مجلة Physical Review Applied ، طور الباحثون طريقة لدراسة الاختلافات في إنتاج الطاقة من محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع مرور الوقت، مع مراعاة تقلبات الطاقة المتميزة التي لوحظت عبر مناطق جغرافية مختلفة.

تحدي تكامل الشبكة

يعتمد نظام الكهرباء على مزيج من مصادر الطاقة التي توفر كهرباء ثابتة، ولكن الطلب يختلف على مدار اليوم.

ويتمثل التحدي في تحقيق التوازن بين التقلبات في توليد الطاقة (جانب المدخلات) مع تغير الطلب على الطاقة (جانب الطلب).

تساعد توربينات الغاز وتجارة الطاقة على استقرار العرض والطلب، وهو أمر بالغ الأهمية للمستخدمين ذوي المهام الحرجة مثل المستشفيات ومراكز البيانات.

ومع ذلك، تفتقر شبكات الكهرباء إلى القدرة التخزينية، لذلك يجب أن يتطابق الإنتاج والاستهلاك لتجنب انقطاع التيار الكهربائي.

تنشأ “مشكلة تكامل الشبكة” عند تضمين مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية في شبكة الطاقة، تشكل هذه الموارد تحديات فريدة بسبب تقلبها وعدم اليقين مقارنة بمصادر الطاقة التقليدية.

ومن الممكن أن تكون الشبكات الذكية، المزودة بأجهزة استشعار لرصد العرض والطلب، جزءا من الحل. يمكنهم إعادة توجيه الطاقة عند الحاجة أو تعديل استخدام الطاقة بمهارة.

ومع ذلك، فإن تصميم مثل هذه الشبكة يتطلب فهم سيناريوهات مختلفة لإنتاج الطاقة. ولأن مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لا يمكن التنبؤ بها، فإنها تحتاج إلى تحليلها بعناية لتحقيق التوازن بين العرض والطلب والتكنولوجيا.

يتغير الإشعاع الشمسي عبر مواقع مختلفة

يستخدم العلماء مفهومًا يُعرف باسم طيف الطاقة لدراسة التغيرات في إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

يساعد طيف الطاقة في قياس هذه التقلبات في توليد الطاقة عبر محطات الطاقة الشمسية الفردية في جميع أنحاء العالم وعلى فترات زمنية مختلفة، مما يساعد في تخطيط وتشغيل أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل فعال.

ومع ذلك، فإن مقارنة القياسات عبر محطات الطاقة الشمسية المختلفة يمثل تحديًا بسبب العوامل البيئية المتغيرة مثل التغطية السحابية وجزيئات الغبار، والتي تسبب إنتاجًا متقطعًا وغير مؤكد للطاقة.

تحليل مؤشر السماء الصافية

وتوسع البروفيسور باندي والبروفيسور بيل في دراستهما لعام 2019، حيث قاما بتحليل مؤشر السماء الصافية لحساب التغيرات في توليد الطاقة الشمسية عبر مواقع مختلفة.

يخبرنا مؤشر السماء الصافية بكمية الإشعاع الشمسي الإجمالي الذي يصل إلى سطح الأرض في ظل ظروف السماء الصافية.

يساعد هذا المؤشر خبراء الأرصاد الجوية والباحثين على فهم الانحرافات عن ظروف السماء الصافية المثالية بسبب السحب والهباء الجوي والظروف الجوية الأخرى.

وقال البروفيسور باندي “مع طاقة الرياح، لدينا ميزة نظرية الاضطرابات الجوية لمساعدتنا على فهم هذه التقلبات، وذلك لأن الطاقة المولدة من توربينات الرياح ترتبط مباشرة بمكعب سرعة الرياح. ومع ذلك، بالنسبة للطاقة الشمسية، لا يوجد، “هذه العلاقة موجودة.

وهذا يعني أنه ليس لدينا طريقة منهجية أو إطار نظري للتنبؤ بالتغيرات في إنتاج الطاقة الشمسية“.

وأضاف “في تحليلنا، قمنا على وجه التحديد بفحص كثافة الإشعاع العالمي المقاسة على سطح الأرض، وأردنا أن نفهم كيف تتغير هذه الشدة مع مرور الوقت وكيف تتأثر بالعوامل التي تسبب انحرافات عن ظروف السماء الصافية المتوقعة، وقبل ذلك، كان هناك لم تكن هناك دراسة أساسية تأخذ هذه العوامل في الاعتبار لمقارنة الإشعاع الشمسي عبر مناطق جغرافية مختلفة.”

تعتمد تقلبات الإشعاع الشمسي على إشارات السماء الصافية (قياسات ظروف السماء الصافية في الموقع) وبعض العوامل البيئية.

يمكن التنبؤ بإشارات السماء الصافية لأنها تعتمد على مكان تواجدك (خط العرض) ومدة استمرار ضوء النهار، في حين لا يمكن التنبؤ بالعوامل البيئية، مثل تلك التي تؤثر على جودة الهواء.

وباستخدام بيانات من موقعين جغرافيين، صحراء النقب وعوامة تقع عند خط الاستواء في المحيط الهندي، قام العلماء بحساب إشارة السماء الصافية وإشارة الإشعاع الشمسي المقاسة فعليا في هذه المواقع.

ووجدوا أن التغيرات المتكررة في الإشعاع الشمسي كانت مرتبطة بتغيرات بيئية لا يمكن التنبؤ بها، في حين ارتبطت التغيرات المتوسطة بأنماط السماء الصافية.

فهم سبب اختلاف تقلبات الطاقة عبر المواقع

في المستقبل، يمكن للعلماء استخدام هذه الطريقة الجديدة لدراسة كيفية تأثير حجم محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية والعوامل المحددة التي تؤثر على امتصاص الطاقة على توليد الطاقة الشمسية في مواقع مختلفة.

يمكن أن يساعد هذا في فهم سبب اختلاف تقلبات الطاقة عبر المواقع. في حين أن بعض التغيرات غير المنتظمة في مستويات الطاقة تصبح أقل حدة عندما ننظر إلى مواقع مختلفة، إلا أن بعضها الآخر قد يستمر.

للحصول على صورة أوضح، يمكن للباحثين جمع ومقارنة البيانات من محطات الطاقة الكهروضوئية عبر العديد من المواقع المتنوعة.