تأثر توليد الطاقة الكهروضوئية بالعوامل البيئية المحيطة

يمكن لدخان حرائق الغابات والمواد الجسيمية الأخرى أن تمنع بشكل كبير إنتاج توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV)، في حين أن منشآت الطاقة الشمسية الكهروضوئية قد لا تكون موجودة في مناطق معرضة لخطر نشوب حرائق عالية، لذلك؛ فإن الدخان الناجم عن حرائق الغابات يمكن أن يسافر مئات الكيلومترات ويؤثر على عدد كبير من المرافق.

أسباب تأثر توليد الطاقة الكهروضوئية بالعوامل البيئية المحيطة

أصبحت حرائق الغابات الشديدة تشكل خطراً متزايداً على التشغيل الآمن والموثوق لأنظمة الطاقة الكهربائية في جميع أنحاء العالم، وفي السنوات القليلة الماضية شوهدت بعض أكثر مواسم الحرائق خطورة على الإطلاق في أستراليا والبرازيل وروسيا وغرب الولايات المتحدة، في حين أن بعض معايير تخطيط النقل مثل (NERC TPL 001-5) في الولايات المتحدة تعتبر حرائق الغابات الشديدة حدثاً ذا تأثير منخفض الاحتمال، لذلك تظهر الحاجة إلى التخطيط الاستباقي لتأثير حرائق الغابات على أنظمة الطاقة الحديثة.

كذلك تبقى العلاقة بين المناخ والتأثيرات البشرية وحرائق الغابات معقدة، بحيث تظهر بعض التقارير انخفاضاً إجماليًا في عدد الأفدنة المحترقة كل عام على مستوى العالم، لكن لاحظ أن الاتجاه يختلف اختلافاً كبيراً حسب المنطقة، كذلك يتم تقديم تحليلاً يسلط الضوء على الاختلافات بين المناطق وحددوا الزيادات البشرية المنشأ في أيام مؤشر طقس الحرائق المتطرفة لـ (22٪)، وذلك من مساحة الأراضي القابلة للحرق على مستوى العالم.

منهجية تحليل الكثافة والتأثير الجوي على الطاقة الكهروضوئية

يهدف هذا القسم إلى تحليل الكثافة الضوئية للهباء الجوي في منشآت توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية خلال فترات حرائق الغابات، ثم دراسة خصائص خرج الطاقة الكهروضوئية الشمسية المقابلة، بحيث يمكن العثور على تصوير مرئي لخطوات المنهجية في الشكل التالي (1).

• وجود الهباء الجوي أثناء حرائق الغابات: تُعرِّف (NOAA) الكثافة الضوئية للهباء بأنها “مقياس لانقراض الحزمة الشمسية بواسطة الغبار والضباب، وبمعنى آخر يمكن للجسيمات الموجودة في الغلاف الجوي (الغبار والدخان والتلوث) أن تحجب ضوء الشمس عن طريق امتصاص الضوء أو نثره، كما تعبر الكثافة الضوئية للهباء عن مقدار ضوء الشمس المباشر الذي يمنعه جزيئات الهباء من الوصول إلى الأرض”.

كذلك يمكن أن تختلف الكثافة الضوئية للهباء على مقياس من (-1) إلى (5)، حيث يعكس (0.4) يوماً ضبابياً ومتوسط ​​الكثافة البصرية للهباء فوق الولايات المتحدة القارية يتراوح من (0.1 إلى (0.15)، بحيث تظهر صور الأقمار الصناعية كمصدر قيم للبيانات الجغرافية المكانية مع استمرار تحسن دقة البيانات وجودتها، ومن أجل استخدام قياسات القمر الصناعي في موقع معين؛ فإنه يجب تحويل القياسات إلى المستوى الهجائي المناسب.

• قدرة الطاقة الشمسية الكهروضوئية: تُعرَّف قدرة الطاقة الشمسية الكهروضوئية عموماً على أنها دالة للمواصفات الفيزيائية لمنشأة توليد معينة والحد الأقصى للإشعاع الشمسي المتوقع في يوم معين، بحيث تختلف هذه القيمة موسمياً ونهارياً كدالة لموضع الشمس فيما يتعلق بالأرض، كما يعكس الإشعاع الأفقي العالمي (GHI) الإشعاع الكلي وهو دالة للإشعاع العادي المباشر (DNI) والإشعاع الأفقي المنتشر (DHI) وزاوية ذروة الطاقة الشمسية (α)، كما يمكن حساب (GHI) على النحو:

• نموذج علاقة (Wildfire Smoke PV): يقترح هذا العمل نموذجاً لتوصيف العلاقة بين الكثافة الضوئية للهباء ومخرجات توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية باستخدام الانحدار الكمين، كما أن هذه هي المساهمة الرئيسية الأولى، بحيث تم اختيار هذا النموذج نظراً لقدرته على تقليل تأثير القيم المتطرفة والاحتفاظ بالدقة العالية في إسقاط الحد الأقصى من الناتج الكهروضوئي عند كثافة ضوئية عالية للهباء الجوي.

كذلك تم النظر في نماذج أخرى أكثر تعقيداً، وذلك بدايةً من التعلم العميق والتعلم الآلي، ولكن لم يتم اختيارها في النهاية لأن مثل هذه النماذج قد تكون عرضة للتركيب الزائد بسبب حجم البيانات المستخدمة في دراسة الحالة هذه، كذلك قد تكون هذه النماذج مفيدة في المستقبل لمناطق تشغيل محددة بكميات أكبر من البيانات التاريخية.

تأثير حرائق الغابات على قدرة الطاقة الشمسية الكهروضوئية

يتم توضيح فعالية المنهجية المقدمة في هذا القسم باستخدام بيانات توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحقيقية خلال موسم حرائق الغابات لعام (2020)م في كاليفورنيا على فترتين من الأحداث، والسيناريو الأول يمثل فترة أسبوعين في سبتمبر تغطي أهم الحرائق، أما السيناريو الثاني يمثل فترة ممتدة تصل الى الشهر، كذلك يتم إجراء التحليل تحليل البيانات باستخدام حزم (numpy) و (pandas).

ونظراً لأنه من الواضح أن الدخان يمكن أن يكون له تأثير كبير على أداء الإنتاج الكهروضوئي؛ فإن التنبؤ الدقيق لانتشار دخان حرائق الغابات سيصبح ذا أهمية متزايدة مع استمرار إزالة الكربون من الشبكة الكهربائية، ولتحقيق هذا الهدف أدخلت (NOAA) نظام التنبؤ بالدخان الخاص بها لتوفير توقعات يومية لنقل وانتشار الدخان الناتج عن حرائق الغابات الكبيرة.

النمذجة الخاصة بمراقبة قدرة الطاقة الشمسية الكهروضوئية

تستخدم هذه النمذجة مجموعة متنوعة من متغيرات الأرصاد الجوية المقاسة عند مستويات ضغط مختلفة ولكنها تتطلب حقولًا ثلاثية الأبعاد كحد أدنى لمكونات الرياح المتجهة ودرجة الحرارة، حيث تلعب الرياح دوراً رئيسياً في نقل الدخان، كذلك يمكن العثور على تاريخ نموذج المسار الهجين أحادي الجسيمات المتكامل (HYSPLIT) التابع لـ (NOAA)، وذلك جنباً إلى جنب مع تطبيقات النقل الجوي، كما وتشتت وترسب الملوثات والمواد الخطرة.

كما قامت “الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي” (NOAA) مؤخراً بتحسين نظام التنبؤ بالدخان لنمذجة مسارات نقل أعمدة الدخان، وذلك مع تحسن دقة ودقة هذه المنتجات، بحيث ستمكن مشغلي الشبكة من وضع المزيد من الثقة في التكاثر المتوقع للطاقة الشمسية.

أيضاً يُعتقد أن التغطية المتزايدة لبيانات الأقمار الصناعية ومحطات الطقس ستعمل على معالجة أحد القيود الأساسية في العمل الحالي وهو التغطية غير الكاملة لبيانات الكثافة البصرية للهباء الجوي التاريخية، ونظراً لطرق الجمع والقياس؛ فإنه لم تكن بيانات الكثافة الضوئية للهباء متاحة لأجزاء مهمة من الحالة، لذلك قد تكون إحدى طرق معالجة فجوات البيانات هذه استخدام بعض تقنيات التقريب للكثافة الضوئية للهباء الجوي أو تقنية الاستيفاء.

وأخيراً تشكل حرائق الغابات خطراً كبيراً على التشغيل المرن للشبكة الكهربائية، وعلى الرغم من أن مرافق توليد الطاقة الكهروضوئية قد لا تكون موجودة في مناطق عالية الخطورة للحرائق؛ إلا أن دخان حرائق الغابات يمكن أن يسافر لمسافات كبيرة ويؤثر على مناطق جغرافية كبيرة. نقترح نموذج قدرة كهروضوئية جغرافية مكانية للحرائق الهائلة يعكس النتائج الزمنية المتوقعة لأداء الطاقة الشمسية الكهروضوئية بسبب دخان حرائق الغابات.

كذلك تم إثبات الدقة العالية لهذا النموذج باستخدام سجل تشغيل الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحقيقي وبيانات حرائق الغابات، بحيث يوفر عملنا لمخططي ومشغلي أنظمة الطاقة فهماً أكثر اكتمالاً للتحدي الذي يشكله دخان حرائق الغابات حيث يسعى مشغلو الشبكة إلى موازنة الحمل والتوليد الكهربائي.

أيضاً تم عرض مثالين عمليين لكيفية قيام هذا النموذج بإضافة قيمة لمشغلي أنظمة الطاقة ومطوري التوليد، كما يترجم النموذج صور الأقمار الصناعية والتنبؤات بكثافة الدخان من حرائق الغابات إلى انخفاضات في السعة الكهروضوئية، مما يحتمل أن يعزز قرارات جدولة مشغل الشبكة والتنبؤات قصيرة المدى.