تصاویر ماهواره ای برای بسیاری از فعالیت ها در مناطق مختلف کره زمین، از جمله جستجوی منابع جایگزین و پایدار برای پاسخگویی به تقاضای رو به رشد انرژی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای (GHG) استفاده می شود. یکی از راههای به حداقل رساندن این اثرات و گسترش پارکهای انرژی تشویق تولید محلی از طریق استفاده از منابع تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی است که در بسیاری از مناطق کره زمین رایگان و مقرون به صرفه است، اما در برزیل هنوز واقعیت ندارد. برای تصمیم گیری قاطعانه در هنگام نصب یک سیستم انرژی خورشیدی، باید از ابزارهایی استفاده کرد که شامل سنجش از دور و سیستم های اطلاعات جغرافیایی (GIS) و جمع آوری اطلاعات و متغیرهای مرتبط با موضوع تولید انرژی خورشیدی و در نظر گرفتن آنهاست. فضای ذاتی جغرافیایی در این زمینه، هدف اصلی این کار، توسعه یک مدل GIS برای شناسایی مناطق با پتانسیل خورشیدی در مقیاس منطقهای با استفاده از تصاویر حسگر از راه دور فعال و مدلهای خورشیدی موجود قبلی است. برای اعتبارسنجی مدل، این مطالعه از منطقه ای در بخش جزیره ای از شهر فلوریانوپلیس در ایالت سانتا کاتارینا استفاده کرد.- برزیل، که از حوادث آب و هوایی مکرر رنج می برد که باعث قطعی طولانی مدت برق می شود، زیرا توزیع آن از طریق هوا در سراسر جزیره انجام می شود. از طریق تابع “آنالیست خورشیدی” ArcGIS و پایههای ماتریسی برگرفته از مدل دیجیتال ماموریت توپوگرافی شاتل فضایی (SRTM) با تفکیک فضایی 30 متر و طبقهبندی نظارت شده تصاویر پانتروماتیک و چند طیفی ادغام شده از ماهواره LandSat 8، تولید شد. نقشه های شاخص مناطق دارای پتانسیل خورشیدی نتایج به پتانسیل خورشیدی بالا در تمام سال اشاره کرد که می تواند توسط مدیران دولتی و همچنین مصرف کنندگان فردی بهتر مورد بررسی قرار گیرد.
کلید واژه ها
انرژی خورشیدی ، سنجش از دور ، SRTM ، سیستمهای اطلاعات جغرافیایی (GIS)
1. مقدمه
در سال 1957، یک شی زمینی که به دست انسان ساخته شده بود، به جهان پرتاب شد، جایی که طبق قوانین گرانشی مشابهی که بر حرکت اجرام آسمانی حاکم است – خورشید، ماه و چند هفته به دور زمین می چرخید. ستاره ها. درست است که ماهواره مصنوعی نه ماه بود و نه ستاره. این یک جرم آسمانی نبود که بتواند در مدار دایرهای خود برای مدتی حرکت کند که برای ما انسانهای محدود به زمان زمین، برای همیشه باقی بماند [ 1 ].
اشاره هانا آرنت به اسپوتنیک، اولین ماهواره مصنوعی در مدار جهان بود که راه را برای فناوری جدیدی به نام سنجش از دور، که هنر و علم جمعآوری اطلاعات در مورد یک شی بدون تماس فیزیکی مستقیم با آن است، هموار کرد. از انرژی الکترومغناطیسی ساطع شده یا منعکس شده توسط اهداف به عنوان یک اصل فیزیکی برای گرفتن استفاده می کند. قدیمی ترین سیستم مورد استفاده برای این عکسبرداری دوربین عکاسی است، اختراعی که در قرن نوزدهم ساخته شد [ 2 ]. پس از عکاسی، سکوهای هوایی پدیدار شدند (بالون، بادبادک، موشک، هواپیما و غیره).
بر اساس [ 1 ]، وضعیت ایجاد شده توسط علوم دارای اهمیت سیاسی زیادی است، به طوری که شناخت عکاسی از زمین در طول جنگ های جهانی اول و دوم آغاز شد و تا به امروز باقی مانده است. بر اساس [ 2 ]، مسابقه تسلیحاتی بین ایالات متحده (ایالات متحده آمریکا) و اتحاد جماهیر شوروی (اتحاد جماهیر شوروی) که در طول جنگ سرد رخ داد، بر توسعه فناوری های جمع آوری اطلاعات برای جاسوسی از زرادخانه دشمن تأکید داشت. این نژاد مفهوم جنگ را متحول کرد. با توجه به [ 3 ]، این منجر به عدم تقارن در نبردهای پست مدرن شد و از آن زمان آمریکایی ها برتری گسترده سلاح ها و ماهواره های خود را نشان دادند که بزرگترین نماینده آنها صورت فلکی سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS) است که از دهه 1990 فعالیت می کند.
تصاویر سنجش از دور رایگان برای اهداف صلح، علم، آموزش و فناوری در بسیاری از کشورها استفاده شده است. نمونه هایی از این تصاویر شامل حسگرهای فعال ماموریت توپوگرافی شاتل فضایی (SRTM) و آنهایی که از حسگرهای غیرفعال مانند آنهایی که از سری Landsat گرفته شده اند می باشد. چنین تصاویری ابزارها/منابع اساسی برای تحلیلگران برای شناسایی مشکلات، تجسم تصاویر پانوراما و پیشنهاد سیاست های جایگزین مناسب برای تصمیم گیری در مدیریت قلمرو هستند.
رابرت کاول، مهندس جنگل آمریکایی، با درک پتانسیل تصاویر ماهواره ای، در طول دهه 1960، چند مفهوم را به عنوان یک روش علمی مفید و دقیق برای تفسیر تصویر از طریق توسعه چهار نوع تجزیه و تحلیل: چند طیفی، چند رشته ای، چند مقیاسی و چند زمانی از آن زمان، تجزیه و تحلیل تصویر شامل استفاده از صحنهها، مقیاسها، تیمها، زمانها و کیفیتهای مختلف بوده است، اما همه با در نظر گرفتن تغییرات فضا و/یا زمان انجام میشوند. آنها همچنین اجازه میدهند پیشبینیهایی انجام شود و درک تأثیر مداخله انسانی بسیار مهم است.
در عصر معاصر که در آن جمعیت افزایش یافته و انرژی مصرف میکند، پیشرفت بدون غفلت از حفظ منابع طبیعی امری ضروری و مشروط است. یافتن جایگزینهایی که از منابع تجدیدپذیر انرژی استفاده میکنند نه تنها برای حفظ موجودات زنده ضروری است، بلکه حیاتی است، زیرا آسیب زیستمحیطی ناشی از انتشار گازهای گلخانهای غیرقابل برگشت است، با افزایش سوراخ ازن، گرم شدن کره زمین، ذوب شدن یخها و تغییرات آب و هوایی، فقط به ذکر چند نمونه قابل توجه.
چندین منبع انرژی را می توان به عنوان جایگزینی برای استفاده از انرژی های آلاینده استفاده کرد. این انرژیها که بهعنوان تجدیدپذیر یا نرم، همانطور که برخی از نویسندگان ترجیح میدهند، به عنوان مثال [ 4 ] در نظر گرفته میشوند، «آنهایی هستند که در طبیعت منشأ میگیرند، مانند انرژی خورشیدی، باد، اقیانوس یا زمین گرمایی که به صورت محلی و ترکیبی برای جلوگیری از هزینههای انرژی استفاده میشوند. و هزینه های حمل و نقل».
برای تجسم سناریوهای آینده در فضاهای فیزیکی و همکاری در فرآیند تصمیمگیری فعلی در شناسایی پتانسیل انرژیهای تجدیدپذیر، سیستمهای اطلاعات جغرافیایی (GIS) به عنوان ابزاری در مقیاسها، سطوح انتزاع و فضاییسازی پدیدهها استفاده شدهاند. . پدیده های انتزاعی، مانند دما و تابش خورشیدی، چند نمونه هستند.
اطلس های خورشیدی تولید شده و مدل های تابش خورشیدی که قبلا توسعه یافته و به صورت تجاری در دسترس هستند، نمونه هایی از کاربردهایی هستند که با استفاده از GIS تولید شده اند. با این حال، هر دو مدل اطلس (چون مقیاس کوچکی دارند) و مدل های تشعشعی (به دلیل اینکه در شناسایی مبتنی بر نقطه دقیق تر هستند) نیاز به بررسی پتانسیل خورشیدی برای استفاده در مقیاس های منطقه ای را برآورده نمی کنند (مدل هایی که می توان برای آنها اعمال کرد. برای مثال شهرداری ها). نسل جدیدی از مدلهای فضایی که مزایای مربوط به مدلهای تابش خورشیدی نقطهای را با تجسم اطلس در مقیاس کوچک ترکیب میکند، برای ساخت سریع و دقیق مدلهای تابش/تابش در مقیاس منطقهای مورد نیاز است.
اما برای تصمیم گیری قاطعانه در مورد تعریف مناطق با پتانسیل تولید انرژی از منابع خورشیدی در مقیاس منطقه ای، باید پیش زمینه های اساسی وجود این پتانسیل را بررسی کرد، به عنوان مثال، امداد و جنبه مناسب. مناسبترین تکنیکها برای انجام این تحلیلها همچنان شامل استفاده از محصولاتی مانند تصاویر سنجش از دور و/یا فتوگرامتری و همچنین ابزارهای GIS است. اولاً تولید مدل های دیجیتال و ثانیاً تحلیل فضایی آنها. چنین تحلیلی ضروری است تا اطلاعاتی که از سطح زمین و محیط به دست میآید، هنگامی که از نظر جغرافیایی فضایی میشوند، بتوانند به دانشی تبدیل شوند که امکان تصمیمگیری قاطعانه را فراهم میکند.
در این زمینه، هدف اصلی این کار توسعه یک مدل GIS برای شناسایی مناطق با پتانسیل خورشیدی در مقیاس منطقهای، با استفاده از تصاویر حسگر از راه دور فعال و مدلهای خورشیدی موجود قبلی، با استفاده از منطقه مطالعه جزیره Florianópolis است.
شایان ذکر است که در برزیل تولید انرژی توسط منبع خورشیدی ابتدایی بوده و در منطقه مورد مطالعه استفاده از آن ناچیز است و نزدیک به سایر نقاط جهان مانند پرتغال و اسپانیا است. تولید انرژی عمدتاً در کشور از طریق آب صورت می گیرد و از طریق خطوط انتقال در فواصل بسیار دور منتقل می شود. بهره برداری از انرژی خورشیدی، اعم از حرارتی و فتوولتائیک، می تواند به شیوه ای سازماندهی شده و یارانه ای، از جمله توسط مدیریت عمومی، در صورت وجود منافع اقتصادی و سیاسی انجام شود، زیرا جزیره (منطقه مورد مطالعه) مکانی است که از آب و هوای متعدد رنج می برد. اتفاق می افتد و زمانی که این اتفاق می افتد کمبود برق دارد زیرا انتقال و توزیع انرژی همه از طریق کابل های سقفی انجام می شود. تولید خورشیدی فردی (که می تواند به شبکه متصل شود)، در این مورد، علاوه بر تضمین انرژی در مواقع خشکسالی ناشی از تنش آبی به دلیل عدم بارندگی در واحدهای تولید برق آبی (آبی) روشی هوشمندانه برای کاهش تلفات ناشی از چنین حوادثی خواهد بود. گفته می شود که آخرین رویداد اقلیمی که فلوریانوپلیس را درگیر کرد در پایان ژوئن 2020 رخ داد و کل جزیره بدون برق بود و این غیبت بین چند ساعت در برخی محله ها (کمتر ضربه خورده) و چندین روز در برخی دیگر (بیشترین آسیب دیده) به طول انجامید. . برخی از مکان ها بیش از هفت روز متوالی بدون برق بوده اند، از جمله خانه ها و مراکز تجاری. استفاده از انرژی خورشیدی، در این جنبه، علاوه بر افزایش کیفیت زندگی مردم و همچنین حرکت اقتصاد، برای بازیابی سریعتر مکانهای متاثر از رویدادها همکاری میکند.
2. انرژی های تجدیدپذیر یا نرم
انرژی های تجدیدپذیر یا نرم آنهایی هستند که از نیروهای طبیعت برای تولید انرژی بدون آسیب رساندن به محیط زیست و بدون سیستم های لجستیک بزرگ برای حمل انرژی تولید شده استفاده می کنند. نویسنده [ 4 ] خاطرنشان می کند که فرآیند تولید انرژی، تا زمان مصرف نهایی، باید مسیری پایدار و در نتیجه هموار را طی کند:
«مسیر انرژی نرم» فرض میکند که انرژی وسیلهای برای رسیدن به اهداف اجتماعی است و به خودی خود یک هدف نیست. مسیرهای انرژی نرم شامل استفاده کارآمد از انرژی، تنوع روشهای تولید انرژی (تطبیق در مقیاس و کیفیت با مصارف نهایی)، و اتکای ویژه به تولید مشترک و فناوریهای انرژی نرم مانند انرژی خورشیدی، انرژی باد، سوختهای زیستی، انرژی زمین گرمایی است. ، قدرت موج، قدرت جزر و مد و غیره [ 4 ].
با توجه به [ 5 ]، انرژی خورشیدی یک منبع پایان ناپذیر، رایگان و غیر آلاینده است، زیرا خورشید به شکل های حرارتی و نورانی به زمین می رسد، اما جذب چنین تابشی بسته به مکان متفاوت است، زیرا به عرض جغرافیایی، فصل و فصل بستگی دارد. شرایط جوی مختلف مانند ابری و رطوبت نسبی.
برای مثال، یک سیستم فتوولتائیک برای کار کردن به نور خورشید نیاز ندارد. همچنین می تواند در روزهای ابری برق تولید کند. این به این دلیل است که انرژی مازاد موجود در شبکه به عنوان اعتباری عمل می کند که می تواند توسط مصرف کننده در زمانی که انرژی خورشیدی در دسترس نیست استفاده شود.
نرخ رشد انرژی فتوولتائیک نصبشده در سالهای اخیر از همه پیشبینیها فراتر رفته است، بنابراین پتانسیل این فناوری به عنوان منبع انرژی در سراسر جهان را نشان میدهد. نکته مهم این است که بیشتر ظرفیت نصب شده مربوط به تاسیسات متصل به شبکه است که 98 درصد ظرفیت جهانی را تشکیل می دهد، اگرچه اخیراً علاقه به تاسیسات مستقل و سیستم های مقیاس کوچک به ویژه در مناطق دور افتاده و صعب العبور وجود دارد. با توجه به شبکه سیاست انرژی های تجدیدپذیر برای قرن 21 (REN21)، سیستم های فتوولتائیک متصل به شبکه سریع ترین رشد فناوری تولید در جهان در سال های 2006 و 2007 بودند [ 6 ].
از آنجایی که برزیل کشوری است که بیشتر در منطقه بین گرمسیری واقع شده است، پتانسیل زیادی برای بهره برداری از انرژی خورشیدی در طول سال [ 7 ] و [ 8 ] با استفاده از سیستم های حرارتی و فتوولتائیک دارد. به دلیل ویژگی های آب و هوایی، اولی برای کاوش در مناطق جنوب و جنوب شرقی کشور مناسب تر است، در حالی که دومی، در مناطق شمال و شمال شرق، در جوامع ایزوله از شبکه برق برق.
این پتانسیل توسط مؤسسه ملی تحقیقات فضایی (INPE) هنگامی که اطلس انرژی خورشیدی برزیل در سال 2006 منتشر شد، از طریق سیستم سازمان ملی داده های محیطی (SONDA)، ارزیابی منابع انرژی خورشیدی و بادی (SWERA)، وجوهی از برنامه محیط زیست سازمان ملل متحد (UNEP) و همچنین بودجه صندوق جهانی محیط زیست.
از طریق تکنیکهای ژئوپردازش، دادههای مربوط به تابش خورشیدی افقی جهانی – میانگین سالانه برای سال 2006 – از اطلس انرژی خورشیدی برزیل، برای علاقهمندان قابل دسترسی است. با این حال، از آنجایی که محصولی با گستره فضایی بسیار بزرگ است، محدودیت هایی در مقیاس و دقت دارد و برای شناسایی پتانسیل خورشیدی به صورت منطقه ای یا محلی توصیه نمی شود.
با توجه به [ 9 ]، تابش خورشیدی برخوردی را می توان توسط ایستگاه های هواشناسی زمینی و ماهواره های هواشناسی اندازه گیری کرد و/یا با استفاده از مدل ها تخمین زد. چندین مدل خورشیدی موجود در ادبیات وجود دارد که در جزئیات در مورد پارامترهای ورودی و در نتیجه نقشه خروجی متفاوت است. دو نمونه متداول استفاده شده از مدل های تابش خورشیدی عبارتند از ArcGIS’ Solar Analyst [ 10 ] و سیستم اطلاعات جغرافیایی فتوولتائیک (PVGIS) [ 11 ].
3. وضعیت هنر Gis در انرژی های تجدیدپذیر و مدل های تابش فضایی
برای تداعی پدیدههای کمی و کیفی ناشی از سطح زمین، اعم از ویژگیهای گسسته، پیوسته یا انتزاعی، و تبدیل آنها به دانش قابل تحلیل و امکان تصمیمگیری در مدیریت سرزمینی، پرکاربردترین ابزار امروزه شامل GIS است، زیرا راهحلها ارائه شده تضمین کننده یک نتیجه کیفی، امکان اندازه گیری و ارزیابی کیفیت و همچنین کاهش قابل توجه هزینه و زمان است. GIS مجموعه/سیستمی از سختافزار، نرمافزار و رویههایی است که برای پشتیبانی از جمعآوری، مدیریت، تجزیه و تحلیل، مدلسازی و تجسم دادههای جغرافیایی مرجع برای حل مشکلات برنامهریزی و مدیریت طراحی شدهاند [ 12 ].
مدلسازی جغرافیایی یکی از گامهای اصلی GIS است و در سالهای اخیر در نتیجه پیشرفتهای روششناختی و تکنولوژیکی اهمیت پیدا کرده است. از یک سو، جغرافیا، نقشهبرداری و سایر علوم مرتبط با زمین ابزارهای تحلیلی را توسعه دادهاند و از سوی دیگر، اجزای سختافزاری و نرمافزاری نیز بهطور اساسی تکامل یافتهاند و امکان تحلیل فضایی را فراهم میکنند. در عین حال، وجود چندین پروژه تولید داده و در دسترس بودن، تکمیل کننده پیشنهاد و پشتیبانی برای پیاده سازی و آزمایش مدل های مختلف بوده است.
مدلهای تابش فضایی نیز مدلهای جغرافیایی هستند و میتوان آنها را به دو نوع تقسیم کرد: نقطهای خاص و مبتنی بر منطقه. مدلهای نقطهای، تابش نور را برای یک مکان بر اساس هندسه جهت سطح و آسمان قابل مشاهده محاسبه میکنند. اثر محلی توپوگرافی با روابط تجربی، تخمین بصری یا به طور دقیق تر، با کمک دیدگاه های نیمکره ای رو به بالا توضیح داده می شود [ 13 ].
مدلهای نقطهای میتوانند برای یک مکان خاص بسیار دقیق باشند، اما ساخت یک مدل خاص سایت در یک منطقه امکانپذیر نیست. در مقابل، مدلهای مبتنی بر ناحیه، تابش نور را برای یک منطقه جغرافیایی محاسبه میکنند، و جهتگیری سطح و اثرات سایه را از یک DEM محاسبه میکنند. این الگوها ابزارهای مهمی برای درک فرآیندهای یک منطقه فراهم می کنند.
مدل SolarFlux [ 14 ] [ 15 ] و [ 16 ]، که برای استفاده در پلت فرم ARC/INFO GIS (موسسه تحقیقات سیستم های محیطی، ESRI) توسعه یافته است، تأثیر الگوهای سایه را بر تابش مستقیم با استفاده از تابع Hillshade در فواصل گسسته شبیه سازی می کند. زمان.
مدل Solar Analyst بر اساس نقاط قوت مدلهای مبتنی بر نقطه و منطقه مبتنی است. به طور خاص، یک نمای نیمکره ای رو به بالا ایجاد می کند، که اساساً معادل یک عکس نیمکره (ماهی چشم) [ 17 ] و [ 18 ] برای هر مکان در یک DEM تولید می کند. نماهای نیمکره ای برای محاسبه تابش نور برای هر مکان و تولید یک نقشه تابش دقیق استفاده می شود. تابش یکپارچه را برای هر دوره زمانی با استفاده از عرض جغرافیایی و ارتفاع سایت، جهت سطح (جهت)، سایه های ایجاد شده توسط توپوگرافی اطراف، تغییرات روزانه و فصلی در زاویه خورشید و میرایی جو محاسبه می کند. به عنوان یک توسعه ArcGIS پیاده سازی شده است.
با توجه به وب سایت https://ec.europa.eu/jrc/en/pvgis [ 19 ]، PVGIS دسترسی رایگان و باز اینترنت به داده های تابش خورشیدی و دما را برای ارزیابی عملکرد پتانسیل فتوولتائیک فراهم می کند. ویژگی های آن عبارتند از: پتانسیل فتوولتائیک. تابش خورشیدی و دما؛ سری زمانی کامل مقادیر ساعتی تابش خورشیدی و عملکرد فتوولتائیک؛ داده های معمولی سال آب و هوا برای نه متغیر آب و هوا. نقشه های آماده چاپ (بر اساس کشور یا منطقه) از منابع خورشیدی و پتانسیل فتوولتائیک. این شامل پایگاه داده های مختلف تابش خورشیدی (بر اساس داده های ماهواره ای و محصولات تجزیه و تحلیل مجدد) است که کل قلمرو زمینی را پوشش می دهد. همچنین نقشه های آماده چاپ پتانسیل خورشیدی و فتوولتائیک را در قالب های PDF و PNG برای مناطق و کشورها جداگانه ارائه می دهد.
مطالعات متعددی برای گنجاندن مدلسازی جغرافیایی در فعالیتهای برنامهریزی و تصمیمگیری چند منظوره انجام شده است، نه فقط آنهایی که شامل ساختار پایگاهداده میشوند. به منظور شفاف سازی فرآیندهای تصمیم گیری شامل پروژه ها و مشکلات مختلف که نیاز به راه حل فضایی دارند، انطباق مدل های GIS در جستجوی جایگزین ها در تولید برق یک واقعیت بوده است.
4. تعریف و خصوصیات منطقه مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه (نگاه کنید به شکل 1 ) بزرگترین جزیره شهر فلوریانوپلیس را با 421.23 کیلومتر مربع پوشش می دهد . در اقیانوس اطلس، در مرکز ساحل سانتا کاتارینا- برزیل، در عرض جغرافیایی 27 درجه جنوبی و طول جغرافیایی 48 درجه غربی واقع شده است.
شکل 1 . منطقه مطالعه
جزیره فلوریانوپلیس شکلی کشیده و باریک دارد و طول متوسط آن 55 کیلومتر و عرض متوسط آن 18 کیلومتر است. با خط ساحلی بسیار ناهموار، چندین خلیج، نوک، جزایر، خلیج و تالاب دارد. این قاره به موازات قاره قرار دارد و توسط یک کانال باریک از هم جدا شده است. نقش برجسته آن را پشته های کوهستانی و ناپیوسته تشکیل می دهند که به عنوان حوضه آبخیز عمل می کنند. بلندترین نقطه تپه Ribeirão با 532 متر ارتفاع است. به موازات کوه ها، دشت های پراکنده ای به سمت شرق و در قسمت شمال غربی پدیدار می شوند. در ضلع شرقی جزیره، تپههایی وجود دارد که در اثر وزش باد ایجاد شدهاند.
در مورد تعداد سواحل جزیره فلوریانوپلیس اتفاق نظر وجود ندارد. می تواند بین 42 تا 100 ساحل باشد که همه آنها از نظر دسترسی، میزان ساحل (شن)، زیرساخت، زیبایی، دمای آب، تشکیل موج و غیره بسیار متفاوت هستند.
آب و هوا، بر اساس طبقه بندی Köeppen [ 20 ]، که دما و بارش را به طور همزمان تجزیه و تحلیل می کند، به عنوان آب و هوای مزوترمال مرطوب با تابستان های گرم، زمستان های سرد و رطوبت در تمام طول سال در نظر گرفته می شود. بر اساس طبقه بندی اقلیمی Strahler [ 21 ] که بر اساس کنترل های اقلیمی و ویژگی های بارندگی است، آب و هوای نیمه گرمسیری مرطوب در نظر گرفته می شود که توسط توده های هوای گرمسیری و توده های هوای قطبی کنترل می شود، با بارندگی فراوان، در تمام طول سال، با حداکثر نرخ ها رخ می دهد. در تابستان، بیشتر در ژانویه.
با توجه به بادها، طبق داده های مرکز یکپارچه هواشناسی و منابع آب سانتا کاتارینا (CLIMERH)، در 80 سال گذشته، غالب بادهای شمالی (36.9٪) و به دنبال آن بادهای جنوب شرقی (16.9٪) بوده است. بادهای جنوبی (7/15%)، بادهای شمال شرقی (0/10%)، بادهای شمال غربی (8/2%) و بادهای جنوب غربی (1/1%). بادهای غالب در فلوریانوپلیس از ربع شمالی با سرعت متوسط 3.5 متر بر ثانیه می وزند، اما سریعترین بادها از سمت جنوب با سرعت متوسط 10 متر بر ثانیه می وزند. بادهای جنوبی قبل از ورود جبهه های سرد و تندبادهایی وجود دارد که تا 22 متر بر ثانیه می رسد [ 22 ].
میانگین دمای ثبت شده توسط ایستگاه اصلی و سینوپتیک اقلیم شناسی فلوریانوپلیس طی دوره 1911 تا 2009 20.6 درجه سانتیگراد بود. سه ماهه با بیشترین میانگین دما مربوط به ژانویه، فوریه و مارس با 24.5 درجه سانتی گراد و کمترین میانگین دما در ماه های ژوئن، جولای و مرداد با 17.6 درجه سانتی گراد به ثبت رسیده است. تنوع پوشش گیاهی بسیار زیاد است زیرا در یک منطقه ساحلی قرار دارد.
در اصل، «90 درصد از مساحت جزیره را پوشش گیاهی تشکیل می داد. 74 درصد از این پوشش گیاهی جنگل اقیانوس اطلس بود. 9٪، حرا؛ 7 درصد سواحل، تپهها و سواحل ماسهای و بقیه را تپههای بدون پوشش گیاهی (4 درصد) و تالابها (6 درصد) اشغال کردهاند. با این حال، به ویژه در نتیجه فعالیت مستمر توسعه مسکن در چندین منطقه، پوشش گیاهی در چندین منطقه ویران شده است [ 23 ].
این جزیره دارای یک جغرافیای زیستی منحصر به فرد با چندین اکوسیستم است: حرا، سواحل شنی، تالاب ها، تپه های شنی، سواحل، سواحل سنگی، جنگل ها. هر یک از آنها نقش حیاتی در تعادل اکولوژیکی و حفظ کیفیت زندگی دارند، از این رو بسیاری از آنها به طور قانونی به عنوان واحدهای حفاظت (CUs) تاسیس شده اند. 13 CU در جزیره وجود دارد: 7 پارک، 1 ذخیره گاه استخراجی، 1 ذخیره گاه میراث طبیعی خصوصی، 1 منطقه حفاظت از محیط زیست، 2 بنای تاریخی زیست محیطی و 1 ایستگاه اکولوژیکی. نکته مهم این است که در این مناطق، ساخت و ساز مجاز نیست، بنابراین سازه هایی برای جذب انرژی از طریق منابع تجدیدپذیر قابل نصب نیستند.
اقتصاد فلوریانوپلیس حول بخشهای عمومی، بازرگانی و خدمات متمرکز است و تمرکز اصلی آن بر گردشگری است. صنعت و کشاورزی به دلایل زیست محیطی مورد بهره برداری قرار نمی گیرد. با این حال، سرمایه در صنعت فناوری با حدود 300 شرکت برجسته است. ماهیگیری صنایع دستی، بخشی جدایی ناپذیر از فرهنگ جزیره، که زمانی امرار معاش بسیاری از خانواده های بومی بود، در دهه 1990 با پیشرفت ماهیگیری صنعتی کاهش یافت. از سوی دیگر، در دو دهه اخیر رشدی در کشت صدف و صدف مشاهده شده است که فلوریانوپلیس را به بزرگترین تولیدکننده صدف در برزیل تبدیل کرده است.
با توجه به تولید و مصرف انرژی توسط منابع تجدیدپذیر، داده های کافی برای انجام تحلیل کمی از وضعیت واقعی جزیره فلوریانوپلیس وجود ندارد. مشخص است که زنده ماندن تولید برق بادی، پیش از این، مستلزم شرایطی است که در اکثر شهرداری های برزیل، از جمله فلوریانوپلیس، که دارای مناطق وسیعی از پوشش گیاهی، تپه ها و همچنین رویدادهای شدید آب و هوایی مانند طوفان های خارج از حاره است که از ساخت باد جلوگیری می کند، وجود ندارد. برای مثال مزارع پتانسیل قرار دادن گیاهان مستقل در خانوارها باید مورد بررسی قرار گیرد، اما داده های کافی از ایستگاه های هواشناسی در ارتفاعات اندازه گیری باد مختلف برای شناسایی این پتانسیل باد احتمالی در فلوریانوپلیس وجود ندارد. تنها داده ها در مورد میانگین سرعت باد به مقدار ثابت تنها 3.5 متر بر ثانیه اشاره می کنند.22 ]، این برای اطمینان از حداقل پتانسیل 3.6 متر بر ثانیه، همانطور که توسط [ 5 ] نشان داده شده است، کافی در نظر گرفته نمی شود .
انرژی تولید شده توسط منابع آب، حتی در قالب های کوچک، نیاز به امداد مناسب و مناطق وسیعی از زمین برای سیل دارد (برای بدست آوردن ارتفاع قطره آب کافی برای تولید انرژی بالقوه). بنابراین برای اکتشاف در شهرها یا مناطق حفاظت از محیط زیست مناسب نیست. از این رو در جزیره فلوریانوپلیس وجود ندارد.
برخی از عوامل بر حفظ انرژی خورشیدی در زیر سطح تأثیر میگذارند، مانند عوامل جغرافیایی (نقاط برجسته و ظاهر) و اقلیمی (دینامیک اتمسفر، دریا و قاره). شهرداری هایی که بالاترین سطح احتباس خورشیدی را دارند از ساحل دور هستند. اما تجزیه و تحلیل داده های ارائه شده توسط اطلس خورشیدی برای جزیره فلوریانوپلیس وجود تابش مطلق خورشیدی جهانی بین 4500 وات بر متر مربع و 4700 وات ساعت بر متر مربع (وات ساعت بر متر مربع) را نشان می دهد [ 24 ].
انرژی خورشیدی فتوولتائیک در خانوارها و در برخی شرکت ها مانند Eletrosul و همچنین در پروژه های تحقیقاتی (مانند UFSC Fotovoltaica) مورد بررسی قرار می گیرد. انرژی حرارتی خورشیدی نیز در خانه ها مورد بررسی قرار می گیرد.
5. مواد و روش ها
برای توسعه روش پیشنهادی، ابتدا یک تحقیق کتابشناختی در منابع مختلف کتابشناختی انجام شد. سپس، یک ماتریس انرژی (با منبع تجدیدپذیر) با در نظر گرفتن نیازهای جزیره فلوریانوپلیس انتخاب شد. مشخص شد که انرژی خورشیدی به دلیل در دسترس بودن، موقعیت جغرافیایی ممتاز، عدم نیاز به حمل و نقل/تدارکات برای استفاده و استفاده کمیاب، مناسب ترین منبع انرژی برای بررسی است.
مرحله دوم شناسایی اطلاعات و محصولات کارتوگرافی معمولی و اولیه برای تولید اطلاعات ثانویه به منظور شناسایی پتانسیل انرژی خورشیدی و همچنین بررسی در دسترس بودن رایگان و آنلاین آنها ضروری است. ArcGIS ESRI به عنوان نرم افزار GIS برای توسعه مدل تعریف شد.
استفاده از DEM برای جمعآوری اطلاعات در مورد ارتفاع، شیب، شیب برای تولید پتانسیل خورشیدی بر اساس جنبهای از سطح نقشهبرداری شده ضروری است. DEM از موزاییکی از تصاویر SRTM پیکسلی 30 متری به عنوان ورودی برای تولید پتانسیل خورشیدی در هر جنبه استفاده کرد.
برای تخمین پتانسیل خورشیدی بر اساس جنبه، وزنها برای مسیرهای مختلف خورشیدی اعمال شده به منطقه مورد مطالعه (با توجه به موقعیت جغرافیایی جزیره فلوریانوپلیس) از طریق فرآیند تحلیل سلسله مراتبی (AHP) تعریف شد. مناطق برجستگی مسطح (به سمت بالا یا مسطح) پتانسیل بسیار خوبی برای جذب خورشید دارند، بنابراین وزن 5 به آنها اختصاص داده شد. سطوح رو به شمال دارای پتانسیل بسیار بالایی هستند و وزن آنها 4 است. سطوح رو به شمال شرقی و شمال غربی دارای پتانسیل بالایی هستند. وزن 3 به سطوح رو به شرق و غرب اختصاص داده شد. سطوح رو به شرق و غرب دارای پتانسیل متوسط هستند و وزن 2 به آنها اختصاص داده شد. سطوح رو به جنوب شرقی و جنوب غربی به دلیل داشتن پتانسیل کم وزن 1 و سطوح رو به جنوب به دلیل پوچ بودن وزن 0 اختصاص یافتند. بالقوه (در طول سال تابش نور دریافت نکنید).شکل 2 و جدول 1 جزئیات این تعریف را در رز باد نشان می دهد.
شکل 2 . باد گل شد.
همچنین نیاز به جمعآوری اطلاعات در مورد کاربری و اشغال زمین وجود داشت، که میتوانست از طبقهبندیهای تصاویر ماهوارهای نظارت شده یا از بازیابی فتوگرامتری هوایی یا از پایگاههای نقشهنگاری موضوعی برای تعریف محدودیتهایی که باید در نقشهبرداری پتانسیل انرژی خورشیدی در نظر گرفته شوند، به دست آید. به عنوان مثال، به عنوان CU. بر اساس این تعریف، موزاییکی از تصاویر LandSat 8 (United States Geological Survey, USGS) با پیکسل 30 متر استفاده شد. آنها از نوارهای قرمز، سبز و پانکروماتیک با وضوح نهایی 15 متر ذوب شدند و پس از آن طبقهبندی نظارت شده برای استخراج 6 طبقه کاربری و اشغال زمین (درخت، درختچه، شهری، خاک در معرض تپهها و مزرعه) انجام شد. طبقه پوشش گیاهی درختی به دلیل اینکه می تواند با جنگل بومی منطقه همبستگی داشته باشد به عنوان مهمترین طبقه برای تعریف محدودیت در نظر گرفته شد. 13 CU شناسایی شده در Florianópolis، که قبلا در بند 3 ذکر شد، به عنوان مناطق ممنوعه در نظر گرفته شدند. بنابراین، این نواحی پس از شطرنجی کردن به پیکسل 15 متری، کلاس محدودیت دیگری به نام CU را تشکیل دادند.
ابزار ModelBuider برای ساخت مدل GIS و تابع Area Solar Radiation برای محاسبه تابش جهانی منطقه مورد مطالعه انتخاب شدند. هر دو از ArcGIS هستند. تابع Area Solar Radiation نیز از یک DEM به عنوان ورودی استفاده می کند. برای این منظور از همان موزاییک تصویر SRTM با وضوح 30 متر برای تولید پتانسیل بر حسب استفاده استفاده شد. پارامترهای ورودی زیر وارد شد: سال 2019؛ 14 ساعت تابش روزانه؛ فرکانس 30 دقیقه؛ میانگین عرض جغرافیایی 27.5˚S; وضوح اندازه آسمان 200; ضریب انتشار 0.3; قابلیت انتقال 0.5e. مدل انتشار یکنواخت آسمان تشعشعات جهانی محاسبه شده، مقدار کل انباشته شده در سال را برمی گرداند. بنابراین، یک محاسبه برای به دست آوردن مقدار متوسط تابش روزانه در KW∙h/m2 انجام شد .با استفاده از ماشین حساب شطرنجی میانگین جهانی مطلق مقادیر روزانه (تابش مطلق) تعیین شد.
برای نمایش بهتر واقعیت پتانسیل خورشیدی منطقه مورد مطالعه، پتانسیل خورشیدی بر حسب جنبه در مقادیر میانگین مطلق روزانه (تابش مطلق) ضرب شد که مقادیر پتانسیل خورشیدی نسبی را ایجاد کرد. برای بررسی پتانسیل نهایی خورشیدی، محدودیت نسبت به پوشش گیاهی درخت (همبستگی قوی با وقوع منطقه حفاظت دائمی (PPA)) – و همچنین کلاس CU – نیز به عنوان مقدار صفر (وزن 0) ضرب شد. هیچ محدودیت دیگری در نظر گرفته نشد زیرا به طور پیشینی، پنل های خورشیدی را می توان در محیط های شهری (بام) و همچنین در مخازن آب نصب کرد. در پایان، امکان شناسایی مناطق دارای پتانسیل برای تولید انرژی از منبع خورشیدی برای منطقه جزیره فلوریانوپلیس وجود داشت. شکل 3نمودار جریان مواد و روش های مورد استفاده در این مطالعه را نشان می دهد.
6. نتایج و بحث
توسعه مدل و کاربرد آن باعث ارائه نتایج در دو سطح مجزا می شود: کاربرد در Modelbuilder که در آن جریان برای شناسایی مناطق با پتانسیل خورشیدی تولید شده است ( شکل 4 )، و تولید نقشه هایی که مناطق دارای پتانسیل تولید را شناسایی می کنند. انرژی از منبع تجدید پذیر خورشیدی در شکل 4 مشاهده می شود که در رنگ آبی پایه های نقشه برداری مورد استفاده (اشکال یا شطرنجی ها)، در رنگ زرد توابع یا عملیات مورد استفاده برای انجام تبدیل در مدل و در رنگ سبز محصولات تولید شده، یعنی نتایج ادغام ها یا جبرها انجام شد.
جدول 2 و شکل 5 میزان پتانسیل خورشیدی را بر اساس جنبه جغرافیایی منطقه مورد مطالعه نشان می دهد. برای ارزیابی جغرافیایی منطقه مورد مطالعه در رابطه با پتانسیل خورشیدی، متغیرهایی وجود دارد که باید مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرند که اصلی ترین آنها تمایل ایده آل در رابطه با دریافت نور خورشید در طول سال است.
شکل 3 . مواد و روش ها.
شکل 4 . کاربرد مدل.
شکل 5 . پتانسیل خورشیدی بر حسب جنبه
بنابراین، این مطالعه بر تجزیه و تحلیل اینکه آیا منطقه جزیره فلوریانوپلیس واقعاً پتانسیل کافی برای بهرهبرداری از انرژی خورشیدی را دارد، یعنی اینکه آیا عرض جغرافیایی مکان (تقریباً 27 درجه جنوبی) و جهتگیریهای آن برای وقوع تابش بیشتر، با شمال جغرافیایی مطابقت دارد یا خیر، متمرکز شد. صورت های صاف یا صاف ارتفاع خورشیدی که مکان خورشید را در فضا در هر روز از سال مشخص می کند، در نظر گرفته نشد. این اثر از مقادیر تشعشعات جهانی برای کل سال 2019 بدون توجه به فصل یا روزهای خاص استفاده کرد.
به این ترتیب، هم بهترین استفاده از تابش مستقیم خورشیدی که در هنگام برخورد پرتوهای خورشید بیشتر و نزدیکتر به اهداف در طول تابستان (بیش از 14 ساعت خورشید در روز) رخ می دهد و هم بدترین استفاده از تابش خورشیدی که زمانی اتفاق میافتد که پرتوها در طول زمستان کمتر و بیشتر از اهداف دورتر میشوند (فقط 9 ساعت در روز خورشید).
نکته قابل توجه این است که موقعیت جغرافیایی برزیل به خورشید اجازه می دهد فقط به مکان هایی که عرض جغرافیایی تا 23 درجه جنوبی است، عمود برخورد کند، نه در مورد منطقه مورد مطالعه خاص.
جدول 2 و شکل 5 نشان می دهد که تقریباً 84 درصد از منطقه مورد بررسی به دلیل موقعیت آن نسبت به خورشید دارای پتانسیل خورشیدی پیشینی است و پتانسیل خورشیدی بر اساس جنبه بین کم و عالی طبقه بندی می شود. جبهه جنوبی مربوط به 15.66 درصد مساحت است و پتانسیل خورشیدی ندارد. پیشینی، صورت صاف و شمال غرب، شمال شرق و شمال با بالاترین پتانسیل اختصاص داده شده مطابقت دارد که در نتیجه 55.93 درصد از کل مساحت، یعنی منطقه دارای پتانسیل خورشیدی از جنبه بین زیاد و عالی است. 28.4 درصد از منطقه مورد بررسی نیز دارای پتانسیل است. با این حال، بین کم و متوسط متغیر است. به دلیل موقعیت جغرافیایی جزیره فلوریانوپلیس، باید به صورت های شمالی، شمال شرقی و شمال غربی اشاره کرد که 48 درصد از کل مساحت را شامل می شود.
پس از محاسبه پتانسیل به ازای هر جنبه، تابش مطلق جهانی انباشته شده برای سال 2019 با استفاده از ابزار “مساحت تابش خورشیدی” ArcGIS محاسبه شد. سپس با استفاده از ابزار Raster Calculator، میانگین مقدار تابش روزانه بر حسب wh/m2 برای سال 2019 محاسبه شد که به مقادیری بین 2.188 تا 4.564 wh/m2 رسید . نقشه در شکل 6 و شرح نتایج در جدول 3 نشان می دهد که تابع محاسبه تابش جهانی از مساحت به عنوان یک کل استفاده می کند و جهت گیری های خورشید را در نظر نمی گیرد. بر اساس این نتیجه، کل منطقه دارای پتانسیل خورشیدی بین 2188 و 4.564 wh/m2 است که با واقعیت مطابقت ندارد.
برای نمایش بهتر واقعیت پتانسیل خورشیدی، پتانسیل خورشیدی در هر جنبه به پتانسیل خورشیدی مطلق ضرب شد، و پتانسیل نسبی خورشیدی را ایجاد کرد، که در شکل 7 و جدول 4 نشان داده شده است ، جایی که می توان دید که مناطق شناسایی شده به رنگ سیاه است. به دلیل موقعیت خود (جنوب) پتانسیل خورشیدی ندارند. این مربوط به 7.89٪ از منطقه مورد بررسی است.
شکل 7 همچنین نشان می دهد که مناطق زیادی با پتانسیل خورشیدی در 92.11٪ از منطقه شناسایی شده است که تابش بین 2.188 و 4.564 wh/m2 ( میانگین روزانه برای سال 2019) محاسبه شده است.
به منظور شناسایی پتانسیل خورشیدی با در نظر گرفتن محدودیتها، واحدهای حفاظت جزیره فلوریانوپلیس از نقشه پتانسیل نسبی خورشیدی کسر شد و در نتیجه نقشه نشان داده شده در شکل 8 به دست آمد. مشاهده می شود که تقریباً 17٪ از جزیره از واحدهای حفاظتی (به رنگ آبی نشان داده شده است) تشکیل شده است و جدول 5 مقادیر هر منطقه پتانسیل نسبی خورشیدی را با محدودیت نشان می دهد.
شکل 8 و جدول 5 نشان می دهد که اگرچه مساحت تقریباً 17 درصد CU در جزیره وجود دارد، بنابراین بدون انتظار بهره برداری از پتانسیل خورشیدی، هنوز 76.73 درصد از منطقه با پتانسیل نسبی خورشیدی با مقادیر تابش قابل کاوش است. بین 2.188 و 4.564 wh/m2 ( میانگین روزانه برای سال 2019)، و بیشتر منطقه (63.14%) دارای پتانسیل خورشیدی بالا با مقادیر بین 3.903 و 4.564 wh/m2 است . هیچ محدودیت دیگری بررسی نشده است زیرا در نظر گرفته می شود که انرژی خورشیدی را می توان در مناطق شهری و حتی در دریاچه ها / تالاب ها اکتشاف کرد.
7. نتیجه گیری و اظهارات پایانی
به این نتیجه رسیدیم که همه اهداف به دست آمده اند زیرا: اطلاعات و محصولات نقشه برداری مورد نیاز برای توسعه مدل و کاربرد تعریف شده است. مدلی در Modelbuilder پیاده سازی شد که منجر به شناسایی مناطق احتمالی با پتانسیل خورشیدی شد. مدل در Modelbuilder در یک منطقه مورد مطالعه برای اعتبار سنجی استفاده شد. نقشههای حاصل نتایج رضایتبخشی را ارائه کردند که به پتانسیل خورشیدی برای منطقه مورد مطالعه، یعنی جزیره فلوریانوپلیس اشاره میکند.
در نظر گرفته شده است که: کاربرد Modelbuilder در مناطق مختلف جغرافیایی به چند عامل بستگی دارد و نیاز به پیشفرضهایی مانند استفاده از DEM برای استخراج ارتفاع و جهت (جهتهای خورشید)، تصاویر ماهوارهای یا زمین شطرنجی دارد. استفاده و نقشه های اشغال برای تعریف محدودیت های احتمالی.
شکل 6 . پتانسیل مطلق خورشیدی – میانگین روزانه برای سال 2019.
در مورد پتانسیل خورشیدی منطقه، نتیجه گیری می شود که این پتانسیل برای اکتشاف خورشیدی بالا است، زیرا بیش از 76 درصد از منطقه دارای پتانسیل خورشیدی بین کم و عالی است که عمدتاً به دلیل نقش برجسته و موقعیت جغرافیایی جزیره است. ، با جبهه های شمالی، شمال شرقی و شمال غربی فراوان.
برای مناطق با پتانسیل خورشیدی شناسایی شده در این کار، مطالعات بیشتری باید در مورد نوع تجهیزاتی که باید نصب شود (حرارتی برای گرمایش سیال یا فتوولتائیک برای تولید برق)، و همچنین در مورد استفاده از مدلهای دیگر با وضوح بالاتر، مانند به عنوان مدلهای سطح دیجیتال (DSM) از بررسیهای لیزری یا وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپاد)، برای اعتبارسنجی و بهبود نتایج.
همچنین توصیه می شود که برای کاربردهای این مدل جغرافیایی در سایر مناطق کره زمین، پیش فرض های زیر در نظر گرفته شود: وجود DEM و DSM، پیکربندی پارامترها برای نیمکره، عرض جغرافیایی و ظاهر سایت، به عنوان مثال. همچنین بررسی تعداد ساعات آفتابی در سال، ابری و بارندگی.
شکل 7 . پتانسیل نسبی خورشیدی – میانگین روزانه برای سال 2019.
نتیجهگیری میشود که در منطقه مورد مطالعه و همچنین در سراسر برزیل، هنوز نیاز به مطالعات و بحثهایی با مشارکت مدیران، شرکتهای دولتی و خصوصی، دانشگاهها، مراکز تحقیقاتی و غیره برای تعریف یک استراتژی بلندمدت وجود دارد.
شکل 8 . پتانسیل نسبی خورشیدی محدود – میانگین روزانه برای سال 2019.
برای تأمین تولید انرژی خورشیدی، با هدف افزایش تقاضای انرژی و در دسترس بودن تابش خورشیدی سطح بالا که می تواند در طول سال استفاده شود.
بدون دیدگاه