استخدام تكنولوجيات الاستشعار عن بعد لأغراض رسم خرائط الموارد في الرياح الدقيقة

مزايا الاستشعار عن بعد على الرياضيات الالأرصاد الجوية التقليدية

ويعتمد تقييم موارد الرياح التقليدية على أبراج الأرصاد الجوية التي تُستخدم في شكل رجل أو مجاناً والمجهزة بمسافات عُمرية، وشاحنات الرياح، ومجسات درجة الحرارة في مستويات متعددة، وفي حين أن هذه السلاسل دقيقة للغاية، فإن لديها عيوب كبيرة يمكن أن يتغلب عليها الاستشعار عن بعد:

• Cost and Logistics:] Erecting a 100-meter mast costs hundreds of thousands of dollars, requires extensive permitting, and may take months. Offshore masts are even more expensive. Remoteens units (LIDAR or SODAR) can be deployed in days at a fraction of the cost.
• Spatial Coverage:] A single mast provides data at one point. Remoteens, especially mobile LIDAR or satellite, can cover many kilometers, capturing spatial variability critical for optimizing turbine layout.
• ]Vertical Resolution:] Masts measure only at discrete altitudes (usually 6-10 levels) - LIDAR can profile every 10 -20 meters from near ground to over 300 meters, capturing the full wind shear curve and turbulence intensity at allighs relevant to modern turbines.
• Accessibility:] In remote mountainous regions, dense forests, or offshore environments, deploymenting a mast is often impractical. Remoteens instruments can be placed on existing structures, boats, or drones to gather data otherwise unobtainable.
• Data Quality:] Remote Sen devices can operate continuously and automatically, reducing human error and maintenance needs. Modern LIDARs have demonstrated excellent correlation with mast-mounted glass anemometers (r2 > 0.98).

وهذا يعني أن الاستشعار عن بعد ليس بديلا كاملا؛ بل هو أكثر فعالية عندما يستخدم بالاقتران مع ما لا يقل عن مقياس واحد جيد النوعية من أجل تسويق البيانات وتصحيح التحيزات، فالمعيار الصناعي الآن نهج هجين: مقياس قصير الأجل )٦-١٢ شهرا( مقترنا بحملات أطول أجلا من طراز LIDAR أو SODAR، وبيانات ساتلية طويلة الأجل للتباينات السنوية.

تطبيقات في تنمية الطاقة في الشتاء

Site Selection and Pre-Construction Assessment

وقبل تركيب أي تربين، يجب على المطورين فهم موارد الريح عبر موقع محتمل، ويتيح الاستشعار عن بعد إجراء مسح سريع للمناطق الكبيرة لتحديد المناطق ذات الرياح العالية، والمناطق التي تعاني من اضطراب مفرط في التضاريس أو المناطق المتأثرة بالوقوف من المشاريع المجاورة، كما أن حملات الارتفاع عن الريح تستغرق عادة ما تتراوح بين 6 و 24 شهرا، وتلتقط التغيرات الموسمية، وتُدرَج خرائط الموارد الريحية الناتجة في نماذج الاضطرابات الافتراضية

تحقيق الاستخدام الأمثل لأداء السلاحف

وما أن تُعمَل مزرعة رياحية، فإن الاستشعار عن بعد لا يزال يضيف قيمة، إذ يُقيس الساتل " نشيل " السرعة والتوجهات الريحية القادمة مباشرة أمام الدوار، ويمكن استخدام هذه البيانات في القذف المتجه إلى الخارج وفي التحكم في الصبغة الصاعقة، مما يتيح للتوربين توقع علواك الحد من الحمولات، وقد أظهرت عدة دراسات أن التحكم في الطاقة البحرية المزودة بالبطاقة يمكن أن يزيد من إنتاج الطاقة السنوية بنسبة تتراوح بين ٢ و ٥,٢ و٥ في المائة في الوقت نفسه.

Energy Yield Estimation and Uncertainty Reduction

وتُعد تقديرات غلة الطاقة الدقيقة أمراً حاسماً لتمويل مشاريع الرياح، إذ تُقلل بيانات الاستشعار عن بعد من عدم اليقين في تقديرات موارد الرياح من 15 في المائة مع بيانات أكبر إلى 5.8 في المائة فقط عندما يقترن ذلك بالسجلات الخاصة بالشبكة الدولية للطاقة الذرية والسواتل، وهذا الشك الأقل من شأنه أن يقلل بدرجة كبيرة من حالة الطوارئ في النماذج المالية، مما يقلل من تكلفة رأس المال، وقد نشرت المهمة الحادية عشرة للوكالة الدولية للطاقة ممارسات موصى بها لإدماج مادة LIDAR في تقييم الموارد، وهي ممارسات معتمدة على نطاق واسع.

تقييم الأثر البيئي والأحياء البرية

كما يساعد الاستشعار عن بعد في الدراسات البيئية اللازمة للسماح بذلك، فعلى سبيل المثال، يمكن للشركة أن تكتشف نشاط الطيور والضرب عندما يقترن بكاميرات رادارية أو بصرية، ويمكن استخدام الصور الساتلية لرسم خرائط الغطاء النباتي والموائل الحساسة قبل البناء، كما أن رسم خرائط الموارد المريحة يساعد على التقليل من آثاره إلى أدنى حد ممكن عن طريق السماح بتركيبات التربين في المناطق ذات الرياح العالية، مما يقلل من مجموع مساحة الأراضي أو البحر التي تضطرب.

التحديات والحدود

تفسير البيانات وعدم اليقين

وتقيس أدوات الاستشعار عن بعد الرياح بصورة غير مباشرة، وتتوقف دقتها على افتراضات الغلاف الجوي، فمثلا يفترض أن الجسيمات الأيروسولية التي تتحرك بالرياح تمثل التدفق الجوي السائب، وفي المناطق التي يوجد فيها هواء نظيف جدا )مثلا ارتفاع مستوى العرض أو القطب(، يمكن أن تكون قوة الإشارة ضعيفة، مما يزيد من عدم اليقين في القياس.

الحاجة إلى معايرة والتحقق

ويجب أن تُعادل أجهزة الاستشعار عن بعد مع أدوات مرجعية (عادة ما تكون أجهزة قياس على مقياس الكؤوس) لضمان الدقة، وتتطلب الطوافات العائمة على سطح البحر تصحيح الحركة والتحقق من صحتها ضد الهياكل الثابتة، التي هي منطقة نشطة من مجالات البحث، وتعمل الصناعة على تطبيق إجراءات موحدة لتحديد معايرة، ولكن حاليا قد يتطلب كل نشر معايرة محددة للمواقع، مما يضيف وقتا وتكلفا.

التحديات التشغيلية

وتتطلب وحدات البحث والتطوير في مجال الطاقة الأرضية والوحدات التابعة لوزارة الصحة والتنمية الاجتماعية وجود منبر ثابت وحماية من الأحوال الجوية القصوى، وفي ظل المناخ البارد، يمكن أن يعمي التلقيم على النافذة البصرية، كما أن الإمداد بالطاقة والاتصالات هما اعتبارات لوجستية إضافية، لا سيما في المناطق النائية، وبالنسبة إلى " ليدار " العائمة، فإن حركة الموجات والضغط الحيوي هي شواغل مستمرة تؤثر على جودة البيانات وطأى الأجهزة.

التكلفة والتعقيد

وفي حين أن الاستشعار عن بعد أرخص من إنشاء سلاسل طويلة، فإن النظم العالية المستوى التي تستخدم فيها هذه الشبكة لا تزال تكلف ٠٠٠ ١٠٠ دولار - ٠٠٠ ٢٠٠ دولار للوحدة الواحدة، لا تشمل النشر والصيانة، ويمكن أن يكون ذلك في حالة المشاريع الأصغر تكلفة كبيرة، كما أن " " SODAR " أكثر تكلفة )حوالي ٠٠٠ ٣٠ دولار - ٠٠٠ ٦٠ دولار( ولكن توفر نطاقا عموديا أقل وأكثر غموضا، ويجب أن يقي المطورون التكلفة مقابل قيمة عدم التي تبعث على الارتيابتها، والتي عادة ما يبررها للمشاريع الهامشية بالنسبة للمشاريع ذات النطاق.

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

التكامل مع التعلم في مجال الآلات واستيعاب البيانات

ومن أكثر الاتجاهات واعدة استخدام خوارزميات التعلم الآلي لبث البيانات من مصادر متعددة للاستشعار عن بعد (LIDAR، SODAR، السواتل، نماذج إعادة التحليل) في خرائط موارد الرياح ذات الاستبانة العالية، ويمكن للشبكات العصبية أن تتعلم تصحيح التحيزات وسد الثغرات، مما ينتج عنه تمثيل أكثر دقة ومستمر في ميدان الرياح، ويجري تكييف تقنيات استيعاب البيانات، مماثلة لتلك المستخدمة في التنبؤات الجوية، لتحسين التكامل في مجال الطاقة القصيرة الأجل.

زهرة ليدار لعمود المياه الجوفية

ومع توسع الرياح البحرية إلى مياه أعمق حيث يتعذر استخدام التربينات الثابتة القاحلة، تصبح الطفافات العائمة التي تطفو من طراز LIDAR أساسية، ويجري تصميم الجيل القادم بنظم طاقة زائدة (السول والريح والموجة) ونقل البيانات في الوقت الحقيقي عبر السواتل، وخوارزميات التعويض عن الحركة التي تتنافس على دقة المنصات الثابتة، ويقدم عدد من الصانعين حاليا خدمات تقنية بديلة عن طريق البحر.

السلف في مجال تكنولوجيا السواتل

وستستمر البعثات الساتلية الجديدة ذات التسوية المكانية العالية والمزيد من فترات إعادة النظر في الخرائط الريحية البحرية، وستوفر بعثة ناسا - إسارو القادمة )٢٠٢٤( والمفرقعات المستقبلية التابعة للإيسا مقاييس محسنة لاسترجاع الريح يمكن أن تفصل بين التأثيرات الموجية من الرياح الحقيقية، أما بالنسبة للشاطىء، فإن السواتل الفائقة الأطياف تستكشف لتنفير سرعة الرياح عن حركة النبات، وإن كانت هذه التجارب لا تزال.

شبكات الاستشعار المتعددة والتكامل بين استخدام الأراضي

ومن شأن انخفاض تكلفة هذه الشبكة وغيرها من أجهزة الاستشعار أن يتيح شبكات قياس الكثافة عبر مواقع المزارع الريحية، إذ يمكن لهذه الشبكات، مع شبكة الإنترنت من المنابر، أن توفر بيانات آنية لمراكز العمليات من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل الدينامي لضوابط التربين وتحديد مواعيد الصيانة، وعلى سبيل المثال، يمكن لشبكة من الوحدات المنخفضة التكلفة لرصد آثار التصحاح عبر مزرعة كبيرة للريح، مما يتيح للمشغلين زيادة الخسائر في الإنتاج الزراعي بصورة نشطة.

النشرات المستقلة (الدنيا والجليدات)

ويمكن برمجة مركبات جوية غير مأهولة تحمل وزنا خفيفا أو أجهزة قياس صوتية للزرق لتحليقها بانتظام على موقع ما، وتوفر بيانات عالية الاستبانة في أوقات النهار أو في ظروف جوية محددة تكون حاسمة لفهم أداء التربين، ويمكن أن تحل في نهاية المطاف محل الوحدات الأرضية للرصد المستمر، والحواجز الرئيسية هي عمليات البطاريات، والموافقة التنظيمية على عوامل الوزن فيما وراء البحار.

خاتمة

إن تكنولوجيات الاستشعار عن بعد - وخاصة LIDAR وSODAR والنظم الساتلية - قد أصبحت أدوات أساسية لرسم خرائط دقيقة لموارد الرياح، وهي توفر مزايا كبيرة في التكلفة والتغطية ونوعية البيانات على سلاسل الأرصاد الجوية التقليدية، مما يمك ِّن المطورين من تقييم المواقع بمزيد من الكفاءة، ويقلل من عدم اليقين، ويحقق الأداء التربوي على أفضل وجه طوال عمر المشروع، وعلى الرغم من التحديات المستمرة المتصلة بأساليب الاحتكام والترجمة الشفوية والوسائل الأساسية التشغيلية