نقشه برداری تابش خورشیدی
هدف نقشه برداری تابش خورشیدی تخمین توزیع مکانی و زمانی تابش خورشیدی بر روی سطح زمین است. در مقیاس منظره، توپوگرافی تأثیر زیادی بر میزان برخورد انرژی خورشیدی در مکانی در سطح زمین دارد (مور و همکاران، ۱۹۹۱).
تنوع در ارتفاع، شیب، ابعاد و سایه های ایجاد شده توسط ویژگی های زمین تفاوت های قابل توجهی در خورشید ایجاد می کند که منجر به تغییرات مکانی و زمانی قابل توجهی در انرژی و تعادل آب محلی می شود ، بنابراین محیط های محلی (مانند دمای هوا و خاک، رطوبت خاک و در دسترس بودن نور) و فرآیندهای بیوفیزیکی (مانند فتوسنتز، تبخیر و تعرق و تولید اولیه) را تحت تأثیر قرار می دهد. این عوامل و فرایندها به نوبه خود بر توزیع و فراوانی گیاهان و جانوران تأثیر می گذارد. بنابراین نگاشت تابش خورشید در مقیاس منظره کاربردهای زیست محیطی زیادی دارد. ایستگاه های هواشناسی به طور کلی اندازه گیری تابش خورشیدی را ارائه می دهند، اما آنها نقطه ای هستند و به شدت تحت تأثیر تغییرات توپوگرافی محلی هستند. پوشش محدود ایستگاه های هواشناسی اندازه گیری تابش خورشیدی نمی تواند تنوع لازم را توصیف کند. به سادگی درون یابی داده های تابش خورشیدی نقطه ای معمولاً نقشه های تابش خورشیدی نادرست تولید می کند. نقشه برداری دقیق تابش خورشیدی اغلب بر اساس مدل های تابش خورشیدی است که در GIS ادغام شده است.
تابش خورشیدی انرژی تابشی است که توسط خورشید ساطع می شود. تابش خورشید (تابش) که از طریق جو به سطح زمین می رسد را می توان در سه قسمت تابش مستقیم ، تابش پراکنده و تابش منعکس شده طبقه بندی کرد. تابش مستقیم در خط مستقیم از خورشید به سطح گیرنده منتشر می شود. تشعشع پراکنده توسط اجزای اتمسفر، مانند ذرات معلق هوا، بخار آب و گرد و غبار پراکنده می شود. تابش منعکس شده، تشعشع مستقیم و پراکنده ای است که توسط زمین های مجاور به سمت مکان مورد نظر منعکس می شود. مجموع تابش مستقیم، پراکنده و منعکس شده به عنوان تابش کل یا کلی خورشید شناخته می شود. بسیاری از مدلهای تابش خورشیدی برای برآورد تابش و اجزای آن در یک مکان معین توسعه یافته اند (احمد و تیواری، ۲۰۱۱ ؛ بشارت و همکاران، ۲۰۱۳). با این حال اکثر آنها دارای اثرات توپوگرافی نیستند. مدلهای تابش خورشیدی توپوگرافی مبتنی بر GIS در اوایل دهه ۱۹۹۰ ظاهر شد (ریچ و دوبیاه، ۱۹۹۵). آنها برای ارائه برآورد دقیق تابش خورشیدی در یک مکان معین یا در یک منطقه بزرگ، با در نظر گرفتن شیب سطح، جهت گیری و اثرات سایه ایجاد شدند. نمونه‌هایی از اولین مدلهای تابش خورشیدی مبتنی بر GIS شامل SolarFlux (هتریک و همکاران ۱۹۹۳a، ۱۹۹۳b)، توسعه‌یافته برای ARC/INFO GIS، و Solei (Miklánek 1993) است که می‌تواند به IDRISI GIS مرتبط شود. این مدل‌ها اثر محلی توپوگرافی را با روابط تجربی ترکیب می‌کنند. مدلهای پیشرفته‌تر تابش خورشیدی در GRASS GIS و جعبه ابزار تابش خورشیدی ArcGIS پیاده‌سازی شده‌اند.
مدل r.sun در GRASS سه مولفه تابش خورشیدی را برای یک روز معین، عرض جغرافیایی، سطح و شرایط جوی (آسمان صاف یا ابری) برای مناطق بزرگ با توپوگرافی پیچیده تخمین می زند. این انسداد آسمان (سایه) توسط ویژگی های زمین محلی محاسبه شده از DEM محاسبه می شود. این مدل برای تخمین پتانسیل خورشیدی برای سیستم های فتوولتائیک در اروپا به کار گرفته شد (شوری و همکاران ۲۰۰۵). جزئیات معادلات مدل و رویکرد کاربردی را می توان در (سوری و هوفیرکا، ۲۰۰۴) یافت.
مدل موجود در جعبه ابزار تابش خورشیدی ArcGIS ، تابش خورشید را در منظره یا مکانهای خاص بر اساس الگوریتم نیمکره ای نمایشی که توسط ریچ و همکاران توسعه یافته است، محاسبه می کند. (۱۹۹۴) و توسط (فو و ریچ ۱۹۹۹) توسعه یافته است. این شامل ابتدا ایجاد نمای نیمکره ای رو به بالا برای هر مکان است. چنین نمای نیمکره ای توزیع زاویه ای دید و انسداد آسمان را نشان می دهد که در سیستم مختصات نیمکره ای مشخص شده است (شکل ۷-۳۰). نمای نیمکره ای بر اساس DEM با جستجو در مجموعه ای از جهت های مشخص در اطراف مکان مورد نظر ساخته می شود. شکل ۷-۳۱ a و تعیین حداکثر زاویه انسداد آسمان یا زاویه افق در هر جهت (شکل ۷-۳۱ b) را نشان میدهد. زوایای افق در جهات دیگر درون یابی شده اند. نمای درخشان رستر است که در آن به هر سلول مقداری اختصاص داده می شود که مربوط به قابل مشاهده یا مسدود شدن جهت آسمان است (شکل ۷-۳۱ c). محل سلول (ردیف و ستون) مربوط به زاویه اوج θ و زاویه آزیموت α در نیمکره جهات است. سپس از منظره های نیمکره ای به همراه اطلاعات موقعیت خورشید و جهت آسمان که به ترتیب با نقشه خورشید و نقشه، برای محاسبه تابش خورشید برای هر مکان استفاده می شود.
نقشه خورشیدی رستر، در همان سیستم مختصات نیمکره ای برای نمای نیمکره ای است که نشان دهنده خورشید یا موقعیت ظاهری خورشید در حین حرکت در آسمان در یک دوره زمانی است. نیمکره جهتهای آسمان را به بخشهای آسمان تقسیم می کند که هر کدام یک قطعه فرعی را مشخص می کند (شکل ۷-۳۲ a). موقعیت خورشید بر اساس عرض جغرافیایی با توجه به زمان روز و سال محاسبه می شود. به عنوان مثال با فواصل نیم ساعته در طول روز و فواصل ماه در طول سال محاسبه می شود. از نقشه ی آفتابی برای محاسبه ی تابش مستقیم ناشی از جهت در امتداد خورشید استفاده می شود. نقشه آسمان نیز رستر در همان سیستم مختصات نیمکره ای همانند نمای نیمکره ای است. این به طور متقارن تمام آسمان را به یک سری محدوده از زوایای اوج و آزیموت تقسیم می کند. (شکل ۷-۳۲ b). نقشه آسمان برای محاسبه تشعشعات منتشر شده از تمام جهات آسمان استفاده می شود.
شکل ۷-۳۰ سیستم مختصات نیمکره ای
شکل ۷-۳۱ ساخت نیمکره نیمکره ای: (الف) DEM و جهت محاسبه زوایای افق ، (ب) زاویه های افق در امتداد پروفیل و (ج) نیمکره ای از یک مکان مشخص (خاکستری روشن – قابل مشاهده ؛ خاکستری تیره – مسدود شده).
تابش مستقیم خورشید برای مکان به عنوان مجموع تابش مستقیم از تمام بخش های آسمان بدون مانع در نقشه خورشید محاسبه می شود. با پوشاندن نمای نیمکره ای آن بر روی نقشه خورشید (شکل ۷-۳۳ a). تابش مستقیم برای بخش آسمان با مرکز در (θ، α)، Idir، به صورت زیر محاسبه می شود ( فو و ریچ، ۱۹۹۹).
شکل ۷-۳۲ نمونه هایی از نقشه خورشیدی و نقشه آسمانی: (الف) نقشه خورشیدی و (ب)
که در آن SC ثابت خورشیدی است ۱۳۶۷ وات بر متر مربع ، τ انتقال پذیری جو (به طور متوسط در تمام طول موج ها) در جهت اوج است، θ بر حسب متر، طول مسیر نوری نسبی است که به عنوان نسبتی نسبت به طول مسیر اوج، h ارتفاع از سطح دریا (بر حسب متر)، SDθ، α مدت زمانی است که توسط بخش آسمان نشان داده شده است، SGθ، α کسر شکاف (نسبت آسمان مرئی) برای بخش آسمان، Aθ است، α زاویه تابش بین مرکز بخش آسمان و محور نرمال به سطح، Sz زاویه اوج سطح و Sa زاویه آزیموت سطح است.
تابش پراکنده خورشیدی برای یک مکان به عنوان مجموع آفتاب پراکنده از تمام بخشهای آسمان بدون مانع در نقشه نقشه برآورد می شود. بخشهای skymap بدون مانع با همپوشانی نمای نیم‌کره‌ای روی نقشه آسمان پیدا می‌شوند ( شکل ۷-۳۳ b). تابش پراکنده برای بخش skymap با مرکز در (θ، α) ، Idiff ، با استفاده از معادلات زیر محاسبه می شود (فو و ریچ، ۱۹۹۹).
شکل ۷-۳۳ پوشاندن نمای نیمکره ای روی: (الف) نقشه خورشید و (ب) نقشه ای
جایی که Rg تابش عادی جهانی است ، Pdiff نسبت شار تابشی عادی جهانی است که پخش می شود (معمولاً برای شرایط آسمان بسیار روشن ۲/۰ و برای شرایط آسمان بسیار ابری ۷/۰)، رنگ فاصله زمانی برای مدل سازی است، KGθ ، α کسر شکاف برای بخش آسمان و Wθ ، α نسبت تابش منتشر ناشی از بخش آسمان معین نسبت به همه بخش ها است. هنگامی که تابش پراکنده ورودی از همه جهات آسمان یکسان فرض می شود (برای مدل پخش یکنواخت آسمان) :
که در اینجا θ۱ و θ۲ زوایای اوج محدود کننده بخش آسمان هستند و da تعداد تقسیمات آزیموت در نقشه کلید است. هنگامی که شار تابش پراکنده با زاویه اوج متفاوت در نظر گرفته می شود (برای مدل پراکنده آسمان استاندارد ابری) :
با این مدل، تابش خورشیدی جهانی به عنوان مجموع تابش مستقیم و پراکنده (یعنی Idir + Idiff) از تمام جهات آسمان در یک بازه زمانی معین محاسبه می شود، با این فرض که سهم تابش بازتابی ناچیز است.
فرآیند فوق ساخت نمای نیمکره ای، نقشه خورشیدی و نقشه آسمان، شناسایی بخش های بدون مانع آسمان در نقشه خورشیدی و نقشه آسمان، و محاسبه تابش مستقیم، پراکنده و جهانی را می توان برای هر مکان روی یک سطح توپوگرافی تکرار کرد که منجر به ایجاد یک خورشیدی می شود. نقشه تشعشع یا تابش برای یک منطقه جعبه ابزار ArcGIS Solar Radiation اجازه می دهد تا تابش خورشیدی ورودی برای مجموعه ای از مکان های خاص (مخصوص نقطه) استخراج شود یا برای هر مکان روی یک منظره (مبتنی بر منطقه) نقشه برداری شود. در حالی که مدل r.sun در GRASS یک ابزار مفید برای نقشه برداری تابش خورشیدی در یک منطقه بزرگ است، مدل در ArcGIS برای مطالعات در مقیاس دقیق مناسب است (شوری و هوفیرکا ۲۰۰۴). به یک DEM، قابلیت انتقال اتمسفر و نسبت انتشار به عنوان ورودی مدل نیاز دارد. دو پارامتر ورودی اخیر را می توان از ایستگاه های هواشناسی مجاور یا با استفاده از مقادیر معمولی تخمین زد. کادر ۷-۷ نحوه ترسیم تابش خورشیدی در ArcGIS را نشان می دهد.
بدون دیدگاه