تولید یک نیروگاه خورشیدی بهتنهایی ثابت نیست؛ شب، فصل، ابر و شرایط جوی خروجی آن را تغییر میدهند. اما وقتی نیروگاههای خورشیدی در مناطق دور از هم و مناطق زمانی متفاوت به شبکه متصل شوند، افت تولید یک منطقه میتواند تا حدی با تولید منطقهای دیگر جبران شود و خروجی مجموع شبکه هموارتر شود.
پژوهش Scientific Reports این موضوع را با دادههای ساعتی هفتساله در مقیاس جهانی بررسی کرده است. نتیجه اصلی روشن است: هرچه مقیاس تجمیع بزرگتر و اختلاف زمانی مناطق بیشتر باشد، تغییرپذیری مجموع تولید خورشیدی کاهش پیدا میکند.
چرا تولید نیروگاه خورشیدی ثابت نیست؟
توان خروجی پنلهای خورشیدی مستقیماً به تابش دریافتی وابسته است. این تابش در طول شبانهروز تغییر میکند، شبها به صفر میرسد و در ساعات میانی روز افزایش پیدا میکند. تغییر فصل نیز زاویه خورشید و طول روز را تغییر میدهد.
در کنار این چرخههای قابلپیشبینی، حرکت ابرها، گردوغبار و شرایط جوی میتواند خروجی نیروگاه را در فاصله زمانی کوتاه کاهش یا افزایش دهد. به همین دلیل شبکه برق نمیتواند تولید خورشیدی را مانند یک منبع کاملاً ثابت فرض کند.
نوسان کوتاهمدت و تغییرپذیری بلندمدت
مقاله میان تغییرات کوتاهمدت از چند ثانیه تا چند ساعت و تغییرات بلندمدت از ساعتها و روزها تا فصلها تفاوت قائل میشود. تمرکز اصلی پژوهش روی تغییرات بلندمدت ناشی از چرخه شبانهروزی و فصلی است.
تجمیع جغرافیایی یعنی چه؟
تجمیع جغرافیایی یعنی خروجی چند نیروگاه یا مجموعه خورشیدی در مناطق مختلف را بهعنوان یک منبع واحد بررسی کنیم. وقتی همه نیروگاهها در یک منطقه محدود باشند، ابر یا غروب میتواند تقریباً همزمان تولید همه آنها را کاهش دهد.
اما با پراکندگی نیروگاهها، شرایط جوی و ساعت محلی یکسان نیست. ممکن است در یک منطقه هوا ابری باشد و در منطقهای دیگر آسمان صاف بماند. در مقیاس بینقارهای نیز زمانی که خورشید در آسیا غروب میکند، در آمریکای شمالی ممکن است تابش رو به افزایش باشد.
پژوهشگران چگونه موضوع را بررسی کردند؟
پژوهش از دادههای بازتحلیل هواشناسی ERA5 برای سالهای ۲۰۱۱ تا ۲۰۱۷ استفاده کرده است. دادهها دارای تفکیک مکانی ۰٫۲۵ درجه، معادل تقریبی ۲۸ در ۲۸ کیلومتر، و تفکیک زمانی یک ساعت بودند.
پژوهشگران خروجی خورشیدی را در پنج سطح بررسی کردند: کشور یا استان، منطقه، قاره، ترکیب چند قاره و در نهایت مقیاس جهانی. برای سنجش نوسان از ضریب تغییرات و برای سنجش ساعات در دسترس بودن تولید از منحنی تداوم استفاده شد.
با بزرگتر شدن محدوده، نوسان کمتر میشود
ضریب تغییرات تولید خورشیدی با افزایش مقیاس تجمیع کاهش پیدا کرد. تجمیع منطقهای برای ۹۷٫۸ درصد کشورهای، استانها یا ایالتهای بررسیشده نوسان را کاهش داد و تجمیع قارهای برای تمام مناطق مورد مطالعه باعث کاهش شد.
| نمونه | سطح تجمیع | ضریب تغییرات | کاهش نسبت به سطح پایه |
|---|---|---|---|
| مغولستان داخلی | سطح محلی | ۱۲۹٫۶۵٪ | مبنای مقایسه |
| آسیا | قارهای | ۱۰۵٫۶۵٪ | حدود ۲۴٪ |
| آسیا + آمریکای شمالی | بینقارهای | ۵۶٫۱۱٪ | حدود ۷۳٫۵۴٪ |
| جهانی | تمام قارهها | ۴۳٫۵۰٪ | حدود ۸۶٫۱۵٪ |
پراکندگی در یک قاره مفید است، اما وقتی مناطق دارای اختلاف زمانی زیاد با هم ترکیب شوند، کاهش نوسان بسیار چشمگیرتر میشود.
چرا منطقه زمانی اهمیت زیادی دارد؟
ترکیب مناطقی که تقریباً در یک منطقه زمانی قرار دارند، مزیت محدودی دارد؛ زیرا طلوع و غروب آنها نزدیک به هم است. برای نمونه، اروپا و آفریقا اختلاف زمانی کمی دارند و مکملبودن تولید آنها محدودتر است.
در مقابل، اختلاف زمانی آسیا و آمریکای شمالی میتواند تا حدود ۱۳ ساعت برسد. همین اختلاف باعث میشود زمانهای تولید دو قاره مکمل یکدیگر باشند و دورههای بدون خروجی بهطور محسوسی کاهش پیدا کند.
تجمیع آسیا و آمریکای شمالی در مدل پژوهش توانست دسترسی به تولید غیرصفر را در تمام سال فراهم کند؛ درحالیکه ترکیب برخی قارههای نزدیکتر هنوز دورههایی با خروجی صفر داشت.
کاهش نوسان چه کمکی به شبکه برق میکند؟
شبکه برق باید در هر لحظه میان تولید و مصرف تعادل برقرار کند. هرچه تولید خورشیدی قابلپیشبینیتر و هموارتر باشد، نیاز به فعالکردن منابع پشتیبان سریع، خرید خدمات متعادلسازی و محدودسازی تولید کمتر میشود.
- کاهش نیاز به ظرفیت پشتیبان لحظهای
- کاهش هزینه متعادلسازی بازار برق
- استفاده بهتر از ظرفیت خطوط انتقال
- کاهش محدودسازی تولید خورشیدی
- افزایش قابلیت اطمینان شبکه
- امکان سهم بیشتر خورشیدی در سبد انرژی
البته دستیابی به این مزایا به خطوط انتقال، هماهنگی اپراتورها و امکان تبادل برق میان مناطق وابسته است. تجمیع آماری بهتنهایی جایگزین زیرساخت واقعی شبکه نمیشود.
تجمیع جغرافیایی تنها راهحل نیست
پراکندگی نیروگاهها نوسان را کاهش میدهد، اما محدودیتهای تولید خورشیدی را کاملاً حذف نمیکند. یک شبکه با سهم بالای خورشیدی معمولاً به ترکیبی از راهکارهای مختلف نیاز دارد.
- باتری و سایر فناوریهای ذخیرهسازی
- پیشبینی دقیق تولید خورشیدی
- مدیریت و پاسخگویی بار
- تقویت خطوط انتقال بین مناطق
- ترکیب خورشیدی با باد و برقآبی
- محدودسازی هوشمند تولید در مواقع ضروری
این نتیجه برای ایران چه معنایی دارد؟
ایران گستره جغرافیایی بزرگی دارد و شرایط تابش، دما و الگوی ابرناکی در استانهای مختلف یکسان نیست. توسعه متوازن نیروگاهها در مناطق مرکزی، شرقی، جنوبی و غربی میتواند خروجی کل خورشیدی را نسبت به تمرکز ظرفیت در یک ناحیه هموارتر کند.
بااینحال، اختلاف زمانی شرق و غرب ایران محدود است و مزیت آن با ترکیب بینقارهای قابل مقایسه نیست. بنابراین برای شبکه ایران، پراکندگی جغرافیایی باید در کنار ذخیرهساز، پیشبینی تولید، مدیریت بار و تقویت شبکه انتقال استفاده شود.
انتخاب محل نیروگاه فقط براساس بیشترین تابش کافی نیست. ظرفیت شبکه، تنوع جغرافیایی، فاصله از مراکز مصرف، امکان اتصال و نیاز به ذخیرهسازی نیز باید همزمان بررسی شوند.
دانلود PDF مقاله Scientific Reports
عنوان مقاله: Solar power generation intermittency and aggregation
نویسندگان: Cong Wu، Xiao-Ping Zhang و Michael Sterling
مجله: Scientific Reports، جلد ۱۲، مقاله ۱۳۶۳
سؤالات رایج درباره نوسان تولید خورشیدی
خیر. تجمیع نوسان را کاهش میدهد و ساعات تولید غیرصفر را افزایش میدهد، اما نیاز به ذخیرهساز، شبکه انتقال و مدیریت انعطافپذیر همچنان باقی میماند.
چون ساعات طلوع، اوج تابش و غروب در مناطق دور از هم یکسان نیست. تولید منطقهای که هنوز روز است میتواند افت منطقهای را که وارد شب شده جبران کند.
معمولاً یک راهحل واحد کافی نیست. ترکیب پراکندگی جغرافیایی، ذخیرهساز، پیشبینی تولید، مدیریت بار و تقویت شبکه بهترین نتیجه را ایجاد میکند.
