یکشنبه, ۲۹ تیر ۱۳۹۹ ۰۹:۳۳ ۱۰۳
طبقه بندی: آزمایشگاه Rs
چچ
با استفاده از یک سیستم سه بعدی GIS مبتنی بر تصویر برداری مکانی

مدیریت منابع تولید انرژی خورشیدی

با استفاده از یک سیستم سه بعدی GIS مبتنی بر تصویر برداری مکانی

انرژی خورشیدی می تواند جایگزین بسیار مناسبی برای منابعی باشد که در حال حاضر برای تامین انرژی مورد نیاز ما مورد استفاده قرار می گیرد. به خصوص در کشورهایی مانند ایران که از پتانسیل بسیار بالایی در تولید این انرژی برخوردار هستند.

امروزه نصب پنل های خورشیدی در پشت بام تمامی خانه ها به یک موضوع مهم وسیاست مدیران حوزه انرژی تبدیل شده است. با توسعه صنعت تولید انرژی خورشیدی، هزینه های راه اندازی پنل های خورشیدی و نگهداری از آن ها بسیار کمتر از هزینه های تولید انرژی به روش های سنتی مانند سوخت های فسیلی خواهد شد. بنابرین پیشبرد این برنامه بسیار حائز اهمیت است.


سیستم تامین برق خانگی به کمک پنل های خورشیدی( منبع: سایت برق نیوز)

تصویر1: سیستم تامین برق خانگی به کمک پنل های خورشیدی( منبع: سایت برق نیوز)


در کنار مزایای استفاده از پنل های خورشیدی، چالش هایی نیز وجود خواهد داشت. یکی از مهم ترین چالش ها، عدم توازن مابین پتانسیل تولید انرژی خورشیدی هر یک از پارسل های ساختمانی است. در واقع یک واحد ساختمانی امکان تامین انرژی مورد نیاز خود را نخواهد داشت و این در حالی است که واحد دیگر بیش از حد نیاز خود انرژی تولید می کند. به همین دلیل لازم است یک شبکه برای انتقال انرژی و یک سامانه برای مدیریت آن وجود داشته باشد. این سامانه همواره به داده های به روزی از پتانسیل تولید انرژی هر واحد نیاز خواهد داشت.

تصویر برداری مکانی(1) از پتانسیل تولید انرژی خورشیدی به کمک مدل های رقومی

در گذشته نقشه های پتانسیل تولید انرژی منطقه با استفاده از تصاویر ماهواره ای، به روش تحلیل تابش و به کمک مدل رقومی ارتفاع ((2)DEM) بدست می آمد. خروجی این روش اغلب نقشه های بزرگ مقیاسی (با قدرت تفکیک مکانی پایین حدود 30 متر) بود که برای پیشبرد پروژه های مرتبط با صنعت تولید انرژی خورشیدی، فاقد دقت کافی است. برای رفع این مشکل، محققین از تصاویر ماهواره ای با کیفیت مکانی بالا استفاده می کنند (به عنوان مثال دقت DEM استخراج شده از ماهواره IKONOS بین 2-5 متر است) همچنین از شیوه مدل سازی زمین، مدل رقومی زمین ((3)DTM) استفاده کردند. با توجه به اینکه در DTM، تمامی عوارض زمین لحاظ می شود ( و نه فقط ارتفاع از دریا) لذا دقت نقشه های پتانسیل انرژی افزایش پیدا می کرد و از آن ها برای مکان یابی تاسیسات و نیروگاه های خورشیدی استفاده می شد. اگرچه این نقشه ها قابلیت شناسایی پتانسیل تولید انرژی را در تمام فصول سال داشت (مانند تصویر2)، اما کمتر مورد توجه تولیدکنندگان قرار می گرفت.


تصویر2: پتانسیل تولید  <strong class='sis-keyword'>انرژی خورشیدی</strong> ماهانه یک منطقه

تصویر2: پتانسیل تولید انرژی خورشیدی ماهانه یک منطقه که به کمک DSM محاسبه شده است.


با پیشرفت حسگرهای سنجش از دور( مانند LIDAR) و فناوری های آن ( مانند پهپاد ها) امکان تصویربرداری بسیار دقیق از روی ساختمان ها فراهم شده است. اگرچه دقت مدل های زمین بسیار افزایش پیدا کرده است همچنان DTMها دقت مورد نیاز نقشه های پتانسیل تولید انرژی امروزی را تامین نمی کنند. حتی DTM های بسیار دقیق برای نشان دادن تاثیر ساختمان های همجوار و سایر پارامترهای تابش خورشیدی بر روی نمای ساختمان و سایر سطوح عمودی کافی نیستند. به علاوه درمناطقی که عرض جغرافیایی بالایی دارند، قرار دادن پنل های خورشیدی روی نمای ساختمان ها ضروری است چرا که عملاً پرتو خورشید به پشت بام آن ها نمی رسد. بنابرین محاسبات مرتبط با پتانسیل تولید انرژی خورشیدی به شیوه مدل سازی نیاز دارد که بازتاب سطحی تمام سطوح را نمایش دهد و نه فقط ارتفاع آن ها. مدل های این چنینی با نام مدل ارتفاعی سطح ((4)DSM) شناخته می شوند.
تصویر 3، اختلاف ما بین DTM و DSM را نشان می دهد. DTM نشان دهنده ارتفاع از سطح زمین و تمامی عوارض روی آن است و این در حالی است که DSM ها معرف بازتاب سطحی زمین و عوارض روی آن می باشند. در مورد پتانسیل تولید انرژی خورشیدی، DSMها می توانند پتانسیل تمامی سطوح یک واحد ساختمانی از جمله پشت بام و دیوارهای کناری آن و یا هر سطحی که قابلیت نصب پنل ها را داشته باشد، نمایش دهند و به همین دلیل در سال های اخیر محققین به استفاده از DSM ها در تولید این نقشه ها روی آوردند.


تفاوت DTM و DSM در مدل سازی سطح زمین

تصویر3: تفاوت DTM و DSM در مدل سازی سطح زمین


تصویر 4، مثالی از پتانسیل تولید انرژی خورشیدی یک منطقه است. در این تصویر، پتانسیل تمامی سطوح اطراف واحد های ساختمانی با رنگی ما بین آبی تا قرمز مشخص شده است. به کمک این تصویر امکان مدیریت محل قرارگیری پنل ها در پشت بام و یا دیواره های کناری ساختمان ها به گونه ای که حداکثر بازدهی را داشته باشند فراهم می شود.


تصویر سه بعدی پتانسیل تولید انرژی یک منطقه

تصویر 4: تصویر سه بعدی پتانسیل تولید انرژی یک منطقه، در این تصویر نقاطی که بالاترین بازدهی را دارند با رنگ قرمز و نقاطی که بازدهی کمتری دارند با رنگ آبی مشخص شده اند.


سامانه مدیریت منابع تولید انرژی

در مطالب پیشین به اهمیت استفاده از تصویر برداری مکانی به کمک فناوری های سنجش از دور در صنعت تولید انرژی خورشیدی اشاره و در بخش پیشین، اهمیت مدل سازی 3 بعدی منطقه مشخص شده است که به طور خلاصه شامل موارد زیر می باشد:

  • پهپاد ها با توجه به دقت بالا و هزینه پایین در مکان یابی و کنترل پنل های خورشیدی کاربرد متنوعی دارند. این کاربرد ها، ساخت نیروگاه ها و یا نصب پنل ها بر روی ساختمان ها را در بر می گیرد.
  • فناوری های سنجش از دور در تمامی مقاطع سال امکان تصویر برداری مکانی از پنل های خورشیدی و تولید نقشه های پتانسیل انرژی را دارند.
  • میزان تابش ورودی به هر واحد مسکونی در مناطق شهری متوازن نیست. بنابرین وجود یک سامانه مبتنی بر تصویر برداری مکانی برای مدیریت تولید انرژی نیاز است.
  • از آنجایی که در برخی موارد، پشت بام ساختمان ها همواره محل مناسبی برای قرار گیری پنل های خورشیدی نیست، مدل های تصویربرداری منطقه باید به گونه ای باشد که تمامی سطوح اطراف واحد های ساختمانی را در بر بگیرد.( تصویربرداری 3 بعدی)

برای مدیریت منابع تولید انرژی یک منطقه لازم است علاوه بر اینکه محل قرارگیری پنل های خورشیدی به درستی مشخص شود میزان انرژی تولیدی آن ها در مقاطع مختلف، تخمین زده شود. همچنین سامانه باید قابلیت ذخیره سازی داده های ورودی از جمله میزان انرژی تولید شده پنل های نصب شده و یا اطلاعات هواشناسی را در کنار قدرت تحلیل، داده کاوی و پیش بینی داشته باشد. یک سامانه تحت وب 3 بعدی GIS پاسخگوی این مشکلات خواهد بود. در تصویر5، فرایند تولید نقشه پتانسیل انرژی منطقه نشان داده شده است. پس از برنامه ریزی، تصویر برداری هوایی از منطقه به کمک پهپادها انجام می شود و مدل 3 بعدی شهری منطقه به کمک DEM و DSM بدست می آید. پس از تهیه مدل 3 بعدی پتانسیل تولید انرژی خورشیدی هر واحد به کمک اندازه گیری تابش ورودی محاسبه و در یک سامانه تحت وب نمایش داده می شود ( تصویر 6). این سامانه به خوبی مناطقی که برای نصب پنل ها مناسب هستند را نشان می دهد. از سوی دیگر پس از راه اندازی، این سامانه به خوبی برای توسعه و کنترل وضعیت پنل ها مورد استفاده قرار می گیرد. هر بار که وضعیت کلی منطقه نیاز به بازرسی داشته باشد فرایند تصویر برداری از منطقه تکرار شده و داده های آن درون سامانه ذخیره سازی شده و به نمایش گذاشته می شود.


فرایند تولید سامانه نمایش دهنده نقشه پتانسیل تولید انرژی

تصویر5: فرایند تولید سامانه نمایش دهنده نقشه پتانسیل تولید انرژی


به طور کلی سامانه مدیریت منابع تولید انرژی خورشیدی باید دارای قابلیت های زیر باشد:

  • امکان تولید و نمایش نقشه های پتانسیل تولید انرژی و مکان یابی پنل های خورشیدی را به صورت 3 بعدی داشته باشد.
  • امکان کنترل وضعیت سلامت پنل های خورشیدی را به کمک تصاویر پهپاد ها داشته باشد.
  • امکان ذخیره سازی و تحلیل آنی داده های مورد نیاز شرکت های فعال در زمینه تولید انرژی را داشته باشد.
  • سناریو های مختلف را در هنگام کاهش میزان انرژی تولید شده برنامه ریزی کرده و در اختیار تصمیم گیران قرار دهد.
  • سناریو های مختلف را برای توسعه شبکه تولید و انتقال انرژی تولید کند.
  • برنامه ریزی زمانی برای پرواز پهپاد های کنترل را به گونه ای انجام دهد که کمترین هزینه را داشته باشد.

تابش ورودی به منطقه به کمک DSM  و قشه تابش منطبق شده به مدل 3 بعدی شهری

تصویر 6: سمت چپ: تابش ورودی به منطقه که به کمک DSM محاسبه شده است. سمت راست: نقشه تابش منطبق شده به مدل 3 بعدی شهری


چنانچه سامانه، موارد بالا را به خوبی پوشش دهد ابزاری قدرتمند برای برنامه های آتی دولت ها در زمینه تولید انرژی خورشیدی خواهد بود. البته این تحت شرایطی است که برای توسعه فناوری های نوین سنجش از دور در حوزه تصویر برداری مکانی، سیاستی قدرتمند و برنامه ریزی صحیحی انجام شود.


مثالی از یک سامانه 3 بعدی GIS مدیریت منابع تولید انرژی

تصویر7: مثالی از یک سامانه 3 بعدی GIS مدیریت منابع تولید انرژی


-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

(1): تصویربرداری مکانی (Geospatial imaging) طیف گسترده ای از محصولات گرافیکی را در بر می گیرد که اطلاعات مربوط به پدیده های طبیعی و بشرساز در سطح زمین را منتقل می کنند و به کمک تصاویر با دقت بالای مکانی ماهواره ها، پهپادها و یا هواپیماها تولید می شوند. در مقایسه با تصویر برداری هوایی و یا ماهوراه ای در این نوع تصویر برداری، منطقه مورد مطالعه محدودتر و اهداف تصویربرداری به طور کلی کشف روابط مکانی ما بین المان های مشخص مانند پنل های خورشیدی است که معمولاً به کمک پهپادها انجام می شود. در برخی منابع، واژه تصویربرداری مکانی تنها برای تجمیع واژه های تصویر برداری هوایی و ماهواره ای استفاده شده است.
(2): مدل رقومی ارتفاع (Digital Elevation Model)، فایل رستری است که مقدار پیکسل آن ارتفاع از سطح دریا است. هر چه قدرت تفکیک مکانی تصویر بیشتر باشد اندازه پیکسل DEM کوچکترخواهد بود و جزئیات بیشتری از پستی بلندی های زمین مشخص می شود.
(3): مدل رقومی زمین (Digital Terrain Model )، مدل سه بعدی از سطح زمین بوده و حاوی داده های X ،Y و Z سطح یک منطقه می باشند. ارتفاع در این مدل ها صرفا ارتفاع سطح زمین نیست، بلکه سایر عوارض زمین مانند رودخانه ها، دریاچه ها و خط الراس ها و مرزها نیز در این مدل ها لحاظ شده است. در مقایسه با DTM ،DEM ها جزئیات بیشتری از سطح زمین را ارائه می کنند و با توجه به افزایش قدرت رایانه ها در نمایش مدل های 3 بعدی، DTM ها بیشتر مورد توجه علوم مهندسی قرار گرفته است.
(4): مدل رقومی سطح ( Digital Surface Model) نشان دهنده بازتاب سطحی درختان، ساختمان ها، و دیگر عوارض بالای سطح برهنه زمین و خود سطح زمین می باشد. DSM در واقع نشان دهنده تمامی جزئیات موجود سطح زمین به صورت 3 بعدی هستند. برای تولید این مدل نیاز است تصویربرداری به روش فتوگرامتری ( به صورت قائم و هر دو تصویر متوالی دارای پوشش عرضی باشد) انجام شود.


آدرس کوتاه شده: