20 فوریه 2024 – توسط Ecole Polytechnique Federale de Lozanne
نمودارهایی که دو استراتژی مورد مطالعه را ارائه می دهند. تعداد سقف های مورد نیاز برای دستیابی به هدف گسترش PV. اعتبار: 2023 EPFL / Alina Walch Martin Rüdisüli – CC-BY-SA 4.0
پنج میلیون پشت بام در سوئیس – بیش از نیمی از کل کل کشور – برای تولید برق مناسب است. بررسی دو استراتژی توسعه فتوولتائیک خورشیدی نشان داده است که ترکیب این دو رویکرد می تواند باعث شود بیش از دو سوم شهرهای سوئیس به خودکفایی انرژی برسند.
به عنوان بخشی از استراتژی انرژی 2050، دولت فدرال سوئیس با هدف تولید 35 تراوات ساعت (TWh) برق از انرژی های تجدیدپذیر (به استثنای انرژی آبی) در سال های 2035 و 45 TWh، توسعه سریع پایه فتوولتائیک خورشیدی نصب شده در این کشور را هدف قرار داده است. در سال 2050. چگونه می توان به این اهداف به شیوه ای کارآمد و عادلانه برای شهرها و شهرها دست یافت؟
به طور گسترده پذیرفته شده است که انرژی خورشیدی نقش کلیدی در کربن زدایی ترکیب انرژی سوئیس ایفا می کند – به همین دلیل است که پتانسیل انرژی روی پشت بام برای مدت طولانی موضوع تحقیقاتی دانشمندان در آزمایشگاه انرژی خورشیدی و فیزیک ساختمان (LESO-PB) در دانشکده معماری EPFL. مهندسی عمران و محیط زیست (ENAC) بوده است.
برای دکتری او در پایان نامه، آلینا والچ پتانسیل سیستم های انرژی تجدیدپذیر را ارزیابی کرد و رویکردی بین رشته ای را اتخاذ کرد که داده های بزرگ را با یادگیری ماشین ترکیب می کندکه اغلب به عنوان هوش مصنوعی یا AI شناخته می شود.
او با همکاری دکتر مارتین رودیسولی، متخصص در مدل‌سازی سیستم انرژی در آزمایشگاه‌های فدرال سوئیس، دو سناریو را برای گسترش پایه نصب‌شده فتوولتائیک خورشیدی سوئیس به‌منظور دستیابی به اهداف استراتژی انرژی 2050 یا حتی فراتر از آن توسعه داد و برای علم و فناوری مواد (Empa) در دوبندورف مقایسه کرد..
والش می‌گوید: «ما این تحقیق را با هم انجام دادیم و از دانش من در مورد مدل‌سازی فتوولتائیک خورشیدی و تجربه مارتین در ارزیابی سناریوهای مختلف برای گسترش این شکل از قدرت به عنوان بخشی از انتقال انرژی استفاده کردیم.
سقف های رو به شمال
والش قبل از اینکه بتواند در سال 2050 پتانسیل انرژی خورشیدی پشت بام های سوئیس را پیش بینی کند، ابتدا باید مبنایی برای تخمین های خود ایجاد می کرد و برخی مفروضات را انجام می داد. او باید چه نوع سقف هایی را برای مدل خود در نظر بگیرد؟ آیا او باید رویکردی منعطف داشته باشد و همچنین شامل پشت بام هایی باشد که نور خورشید کمتری دریافت می کنند یا جهت شمال دارند؟ برای شروع، او تصمیم گرفت که فقط پشت بام هایی را که کاملاً یا عمدتاً رو به جنوب بودند شامل شود.
والش توضیح می‌دهد: «اما در نهایت متوجه شدیم که پشت بام‌های رو به شمال با زاویه شیب کمتر از 20 درجه نیز می‌توانند کاندیدای تأسیسات انرژی خورشیدی با بهره‌وری بالا باشند». بنابراین، او این سقف‌ها را نیز به مدل خود اضافه کرد – و برآورد او از کل پتانسیل انرژی خورشیدی سوئیس 25٪ افزایش یافت. والش می گوید: ما حداکثر پتانسیل تمام پشت بام های سوئیس را محاسبه کردیم.
اما، یک سوال مبرم تر وجود دارد: چه استراتژی هایی برای دستیابی به اهداف دولت فدرال در سریع ترین زمان ممکن لازم است؟
استراتژی 1. سقف های بزرگ و مسطح را اولویت بندی کنید
کلید تولید برق کارآمد، استفاده بهینه از فضای سقف موجود است. سقف‌های بزرگ و با شیب ملایم – مانند آن‌هایی که در ساختمان‌های صنعتی و کشاورزی یافت می‌شوند – به وضوح بالاترین پتانسیل خورشیدی را ارائه می‌دهند. مهم‌تر از همه، این سقف‌ها دارای نورگیرها، دودکش‌ها و دیگر ساختارهای فوق‌العاده هستند و خود ساختمان‌ها معمولاً دور از مناطق ساخته شده قرار می‌گیرند، به این معنی که پنل‌های خورشیدی کمتر آزاردهنده هستند.
بر اساس محاسبات والش، نصب سیستم های فتوولتائیک خورشیدی بر روی تنها 4 درصد از این سقف ها، خروجی سالانه را به 15 تراوات ساعت افزایش می دهد. علاوه بر این، این رویکرد تعداد نصب‌های جداگانه را به حداقل می‌رساند و به کاهش هزینه‌ها و انتشار کربن کمک می‌کند.
تجهیز 2.5 میلیون پشت بام دیگر به پنل های خورشیدی راهی سریع و آسان برای دستیابی به هدف 2050 یعنی 45 تراوات ساعت خواهد بود. اما، مانند همه چیز، یک اشکال وجود دارد: مناطق شهری فاقد املاک و مستغلات لازم در پشت بام برای برآوردن نیازهای برق خود تحت این رویکرد هستند، به این معنی که مزایا به طور نابرابر توزیع می شود.
استراتژی 2. تعادل تولید برق
والش سپس در نظر گرفت که چگونه این استراتژی اول را می توان بهینه کرد تا تولید انرژی خورشیدی از نظر منطقه ای متعادل تر شود. به عنوان مثال، او در نظر گرفت که اگر پنل های خورشیدی در پشت بام تمام ساختمان های مسکونی نصب شود چه اتفاقی می افتد. او می‌گوید: «ما شبیه‌سازی‌ها را اجرا کردیم تا بفهمیم هر ناحیه برای خودکفایی به چه مقدار نیرو نیاز دارد. «شهرک‌های روستایی می‌توانند به راحتی نیازهای برق خود را پوشش دهند – بدون اینکه نیازی به استفاده از پتانسیل کامل خود داشته باشند.
اما برای شهرها، خودکفایی یک هدف تقریباً غیرممکن است، بنابراین یک عدم تعادل وجود دارد که ما نمی‌توانیم آن را اصلاح کنیم.» در حالی که این استراتژی دوم تقاضای برق را در سطح منطقه ای بهتر برآورده می‌کند، پنل‌های خورشیدی باید در 4 میلیون روی پشت بام نصب شوند.
به منظور دستیابی به اهداف دولت فدرال در طوفان کامل امروزی تغییرات آب و هوایی، عدم اطمینان ژئوپلیتیکی و دیگر فشارهای جهانی، امنیت انرژی به یک نگرانی اصلی تبدیل شده است.
والش معتقد است که پاسخ در تولید برق نزدیک به جایی که نیاز است نهفته است، “تحلیل اخیر ما نشان می دهد که بهترین گزینه مصالحه بین دو استراتژی است – استراتژی که از پتانسیل سقف های صنعتی و مسکونی استفاده می کند. رویکرد ایده آل شروع است. با نصب پنل‌های خورشیدی بر روی بزرگترین سقف‌های هر شهر تا رسیدن به اهداف. پس از این مرحله، زمانی که انرژی مورد نیاز شهر توسط انرژی‌های تجدیدپذیر پوشش داده شد، باید محدودیت‌هایی برای نصب‌های جدید اعمال شود.
این مطالعه در Journal of Physics: Conference Series منتشر شده است.
