هل يمكن للألواح الشمسية أن تقاوم الظروف الجوية القاسية مثل البرد؟

كيف تُختبر الألواح الشمسية لمقاومة الصقيع

معايير اختبار التأثير: متطلبات IEC وASTM لمتانة الألواح الشمسية

يختبر المصنعون الألواح الشمسية بدقة وفقًا للمعايير IEC 61215 وASTM E1038 للتحقق من مدى مقاومتها للتلف الناتج عن البرد. تشمل الاختبارات إصابة الألواح بـ 11 كرة جليدية قطرها حوالي بوصة واحدة، تسافر بسرعة تقارب 51 ميلًا في الساعة. وعلى الرغم من أن معظم الألواح تجتاز هذه الاختبارات الأساسية، يعتقد العديد من الخبراء أننا نحتاج إلى طرق أفضل لتقييم أجزاء مهمة مثل الحافلات الكهربائية (busbars) وصناديق الاتصال (junction boxes). وقد كشفت المشكلات الأخيرة التي ظهرت بعد عاصفة البرد الكبيرة في كولورادو العام الماضي أن الألواح التي تجتاز الاختبارات القياسية قد تفشل عند التعرض لظروف العالم الحقيقي. وقد دفع هذا الأمر منظمات التصديق الرئيسية إلى الدفع نحو أساليب اختبار أكثر شمولاً تعكس التحديات المناخية الفعلية.

شهادة FM Global وأهميتها في مقاومة الظروف الجوية القاسية

ترفع شهادة FM Global من مستوى المتطلبات من خلال عمليات محاكاة للتأثير باستخدام حبات برد بقطر 50 مم (بوصتين) وبسرعة 30 م/ث (67 ميل في الساعة). ويستهدف هذا المعيار الثغرات الموجودة في الاختبارات التقليدية من خلال تقييم كيفية تأثير الاصطدامات المتكررة على:

• أنماط تشقق الزجاج
• انتشار التشققات الدقيقة في خلايا الطاقة الكهروضوئية
• تدهور الأداء الكهربائي

يظهر المصنعون الذين يحصلون على هذه الشهادة أن معدلات مطالبات التأمين أقل بنسبة 84٪ في المناطق المعرضة للثلج مقارنة بالبدائل غير المعتمدة (Ponemon 2022).

اختبارات تأثير الحَب الشائعة: كرات جليد قطرها 25 مم بسرعة 27 م/ث ومحاكاة الواقع الفعلي

يجمع الاختبار الحديث بين متطلبات IEC والمتغيرات الواقعية:

لماذا تختبر الاختبارات المختبرية: سد الفجوة بين البيئات الخاضعة للسيطرة والأداء الميداني

لا يمكن أن تقليد الاختبارات المعملية ما يحدث على مدى عقود من الطقس الحقيقي الذي يضرب المواد، لكنها لا تزال تعطينا نقاط انطلاق مهمة للتقييم. خذ لوحة تمر بمتوسط 25 ملم في 23 متر في الثانية - هذه عادة ما تحتفظ بنحو 97٪ من قوتها الأصلية بعد خمس سنوات من الجلوس خلال عواصف الجليد في تكساس، في حين أن اللوحات التي لم تمر بالاختبار تنخفض إلى حوالي 63٪ من سلامة الهيكل. علماً بأن مدة استمرارية شيء ما في الواقع لها علاقة كبيرة بكيفية تثبيته. عندما يقوم المثبتون بتشغيل نظام الرف بشكل صحيح، نرى انخفاضًا كبيرًا في حوادث تلف البرق -- حوالي 41% أقل من المشاكل وفقاً لنتائج مختبر الطاقة المتجددة الوطني الأخيرة من العام الماضي.

استمرارية الألواح الشمسية بعد الصقيع: أداء في الطقس القاسي

مقاومة لتدهور الأشعة فوق البنفسجية، الدورة الحرارية، والتعرض للرطوبة

يمكن للألواح الشمسية الحديثة أن تدوم لسنوات عديدة على الرغم من التعرض المستمر لأشعة فوق البنفسجية، وذلك بفضل تحسينات مثل الأغشية الخلفية البوليمرية الخاصة والطلاءات المضادة للانعكاس المتطورة. ووفقاً لأبحاث أجرتها NREL في عام 2023، فإن هذه التصاميم الحديثة تقلل من أضرار الأشعة فوق البنفسجية بنسبة تصل إلى حوالي 58% مقارنة بالإصدارات القديمة. ولاختبار مدى قدرتها على التحمل، يخضع المصنعون هذه الألواح لاختبارات مكثفة في بيئات خاضعة للرقابة تتراوح درجات الحرارة فيها بشكل كبير بين -40 درجة مئوية و85 درجة مئوية، إضافة إلى تعريضها لمستويات عالية من الرطوبة. وتُمكّن هذه الاختبارات المتسارعة من محاكاة ما يحدث على امتداد 25 سنة في العالم الواقعي خلال ستة أيام فقط، وذلك باستخدام المعايير المنصوص عليها في البروتوكول IEC 61215 الخاص بالدورات الحرارية. كما تُجرى اختبارات تجميد الرطوبة المحددة للتأكد من أن أغطية اللوحة تعمل بشكل سليم ومنع دخول الماء، وهي نقطة مهمة بشكل خاص في المواقع الواقعة في المناطق الحارة والرطبة حيث يشكل التكاثف دائماً مصدر قلق.

سلامة الهيكل لأنظمة الألواح الكهروضوئية أثناء العواصف ورياح الشدة العالية

تتحمل أنظمة تركيب الألواح الكهروضوئية (PV) المعتمدة سرعات رياح تصل إلى 140 ميل في الساعة—ما يعادل الأعاصير من الفئة الرابعة—من خلال اختبارات الأحمال الديناميكية. تتطلب شهادة FM Global من المصفوفات الشمسية إثبات عدم حدوث أي أعطال هيكلية بعد تعرضها لرياح مستمرة بسرعة 120 ميل في الساعة، وهي معيارية تحققها 90% من أنظمة الرفوف التجارية.

تدهور الأداء على المدى الطويل بعد وقوع أحداث طبيعية شديدة

تشير بيانات الحقل من NREL إلى أن الألواح في المناطق المعرضة للزوابع البرَدِية تحتفظ بكفاءة بنسبة 92% بعد 15 عامًا، مع فقدان سنوي في الأداء لا يتجاوز 0.8% في المناطق الساحلية. ومع ذلك، يمكن للإجهاد الحراري المتكرر الناتج عن موجات الحر الشديدة أن يسرّع من تآكل صندوق الاتصال، مما يبرز الحاجة إلى مواد تغليف قوية.

أدلة من الواقع حول مقاومة الألواح الشمسية للبرد

دراسة حالة: عاصفة البرد في كولورادو عام 2017 وأثرها على أنظمة التصنيع الكهروضوئية

في عام 2017، تعرضت ولاية كولورادو لعاصفة بَرَدٍ ضخمة أسقطت كتل جليدية بحجم كرات الغولف يبلغ قطرها حوالي 45 مم، وتتحرك بسرعة مذهلة تصل إلى 32 متراً في الثانية. تجاوزت هذه السرعات بكثير ما تأخذه معظم اختبارات الألواح الشمسية بعين الاعتبار عادةً. وعلى الرغم من أن المصنّعين غالبًا ما يروّجون لمنتجاتهم على أنها مقاومة للبَرَد، فقد وجد المختبر الوطني للطاقة المتجددة أن حوالي 14٪ من صفوف الألواح الشمسية المتضررة احتاجت إلى استبدال بعض أجزائها بعد وقوع العاصفة. بل إن إحدى محطات الإنتاج الكبيرة فقدت فعليًا 5٪ من جميع ألواحها لأنها لم تستطع تحمل قوة الاصطدام، في حين بدأت نسبة أخرى تبلغ 22٪ بإنتاج طاقة أقل بسبب تشققات صغيرة لم يكن بالإمكان رؤيتها على الفور. وبعد ملاحظة مدى الضرر الذي سببته هذه الظروف الواقعية الشديدة، اقترح الخبراء في مركز اختبار الطاقة المتجددة تغيير الطريقة التي نختبر بها الألواح مقابل أضرار البَرَد. وهم يرغبون في وضع بروتوكولات جديدة تعكس بشكل أفضل المسارات غير المتوقعة التي يسلكها البَرَد خلال العواصف الفعلية، بدلاً من اصطدامه بالألواح بشكل مباشر فقط.

تكرار أضرار البرد في المناطق عالية المخاطر واتجاهات مطالبات التأمين

تشهد المناطق المعرضة للبرد مثل تكساس وكولورادو زيادة بنسبة 3.7 مرة في مطالبات أضرار الألواح الشمسية مقارنة بالمناطق الساحلية (kWh Analytics 2024). ويُظهر بيانات التأمين:

• 73% من المطالبات المتعلقة بالطقس تنطوي على أضرار ناتجة عن البرد
• متوسط تكلفة الإصلاح: 18,200 دولار لكل نظام تجاري
• زيادة بنسبة 40% في تركيب أغطية الحماية من البرد منذ عام 2020

تشير وكالة إدارة الطوارئ الفيدرالية إلى تحسن نتائج المطالبات للأنظمة التي تستخدم زوايا ميل تزيد عن 35°، والتي تقلل التعرض للتأثير المباشر بنسبة 60%.

هل يبالغ المصنعون في تقدير مقاومة البرد؟ استعراض الجدل

بينما تجتاز 92% من الألواح اختبارات IEC 61215 في المختبر، تُظهر الدراسات الميدانية أن 34% منها لا تحافظ على أدائها المصنّف بعد حدوث عواصف برد شديدة (SolarBuilder 2023). ويجادل المنتقدون بأن المعايير الحالية:

1. لا تأخذ في الاعتبار التأثيرات المتتالية
2. تستخدم جليداً كروياً بدلاً من أشكال البرد غير المنتظمة
3. اختبار الوحدات بشكل منفصل بدلاً من التكوينات المصفوفة

يُشير المصنعون إلى أن الأضرار في العالم الواقعي غالبًا ما تنجم عن زوايا تركيب غير صحيحة أو عيوب سابقة في اللوح. وتستمر المناقشات بينما تتنبأ نماذج المناخ بزيادة شدة العواصف البرَدِية بنسبة 17٪ في المناطق الغنية بالطاقة الشمسية بحلول عام 2030.

الابتكارات في تصميم الألواح الشمسية المقاومة للبرد

تقنيات الزجاج المعالج والإطارات المعززة لمقاومة تأثيرات الصدمات الفائقة

تأتي الألواح الشمسية الحديثة بزجاج مُعالَج يكون أقوى بثلاث مرات تقريبًا من الزجاج الفوتوفولطي العادي. ويمكن لهذا الزجاج الخاص أن يتحمل تعرّضه مباشرةً لحبات الجليد التي يصل قطرها إلى 25 مم وتسافر بسرعة تزيد عن 23 مترًا في الثانية. كما تُصنع الإطارات من ألومنيوم مقوى، ومُصممة بشكل أفضل لتوزيع الضغط بحيث لا تنتشر الشقوق الصغيرة عبر اللوحة. وحتى عند تعرّضها لعدة ضربات، تظل هذه الألواح سليمة من الناحية الهيكلية. ووفقًا لما تُظهره الدراسات الصناعية، فإن المنشآت الشمسية التي تستخدم هذا النوع من التكنولوجيا تسجّل ما بين 70 و75% أقل من المطالبات التأمينية في المناطق التي تكون فيها العواصف الرعدية المصحوبة بالبرد شائعة، مقارنةً بالألواح القديمة.

مواد التغليف وأغشية الخلفيات من الجيل التالي التي تعزز المتانة

التطورات الحديثة في تقنيات المواد تُحدث تغييرات مذهلة في بناء الألواح الشمسية. تعزز المواد المغلفة الهجينة التي تدمج EVA مع طبقات الفلوروبوليمر من الحماية ضد دخول الرطوبة بنسبة تصل إلى 40% تقريبًا، كما أنها تتحمل الصدمات بشكل أفضل أيضًا. بالنسبة لطبقة القاعدة الخلفية في الألواح، يستخدم المصنعون الآن تصميمات ذات طبقتين تشمل أفلام البولي أميد والطلاءات الخاصة المقاومة للأشعة فوق البنفسجية، والتي تساعد على حماية الألواح من أضرار البرد وتباطؤ آثار التعرية بمرور الوقت. وفقًا لدراسة نُشرت في مجلة Solar Builder العام الماضي، فإن هذه المواد الجديدة تزيد فعليًا من عمر الألواح الشمسية من 8 إلى 12 عامًا إضافيًا عند تركيبها في المناطق المعرضة لظروف جوية قاسية، مع الحفاظ في الوقت نفسه على كفاءتها في نقل الضوء. هذا النوع من التقدم مهم لأي شخص ينظر في استثمارات طويلة الأجل في أنظمة الطاقة المتجددة.

اختيار وحماية الألواح الشمسية في المناطق المعرضة للبرد

اختيار وحدات معتمدة ومقاومة عالية للصدمات من العلامات التجارية الرائدة

عند شراء الألواح الشمسية، ابحث عن تلك التي تفي بمعايير IEC 61215 وFM Global. تعني هذه الشهادات أن الألواح قادرة على تحمل تأثيرات حبات البرد بقطر 25 مم تتحرك بسرعة تقارب 23 مترًا في الثانية، وهو ما يشبه الظروف الموجودة في الأعاصير من الفئة 3. عادةً ما تُبلغ الشركات التي تتبع إجراءات اختبار صارمة عن معدلات نجاة تصل إلى حوالي 98٪ عند اختبارها في بيئات خاضعة للرقابة. يحصل الزجاج المقسّى المستخدم في هذه الألواح على تصنيف الفئة 4 وفقًا لمعايير ASTM E1038-22، مما يعني أنه يمكنه امتصاص طاقة تصادم تقدر بحوالي 44.7 جول. وهذا يعادل متانة أكبر بنسبة 35٪ مقارنة بالألواح العادية، ما يجعلها خيارًا ذكيًا للمناطق المعرّضة لظروف الطقس القاسية.

تحليل التكلفة والعائد للألواح الشمسية المقاومة للبرد المتميزة

في حين أن النماذج المقاومة للثلج تكلف 8 15 ٪ أكثر في المقدمة ، أظهرت دراسة أجريت في عام 2023 على 12،000 تركيب معدلات تلف أقل بنسبة 72 ٪ في المناطق الجوية الشديدة. على مدى 25 عاما، هذه الألواح تحافظ على إنتاجية 93٪ مقابل 78٪ للوحدات التقليدية، وتوليد قيمة طاقة إضافية 3،100 + لكل نظام 6 كيلوواط. تقدم شركات التأمين عادةً خصومات على قسط 18 إلى 22٪ للمنشآت المعتمدة المقاومة للثلج.

تحسين الحماية: واقيات البَرد، الطلاءات، واستراتيجيات الميل المثلى

أظهرت أبحاث NREL لعام 2022 أن واقيات الحَبَل المصنوعة من البولي كربونات يمكنها تقليل قوى التصادم بنسبة تقارب 65 بالمئة، كما أنها لا تزال تسمح بمرور نحو 97% من الضوء المتاح. كما توجد أنظمة ميل أوتوماتيكية تقوم بتعديل وضع الألواح قبل وصول العواصف مباشرة، وأثبتت الاختبارات التي أجريت في تكساس أن هذه الأنظمة تقلل من التأثيرات المباشرة بنحو 80%. وعند دمج هذه الأنظمة مع طلاءات خاصة تطرد الماء وتمنع تفاقم الشقوق الصغيرة، فإن جميع هذه الترقيات معًا تجعل نظم الطاقة الشمسية تدوم عادةً من 9 إلى 12 سنة إضافية في المناطق التي يشكل فيها الحَبَل مشكلة متكررة.

أسئلة شائعة

ما هي المعايير المستخدمة لاختبار مقاومة الحَبَل في الألواح الشمسية؟

تُختبر الألواح الشمسية لمعرفة مقاومتها للحَبَل وفقًا للمعايير IEC 61215 وASTM E1038. وتشمل هذه الاختبارات إلقاء كرات جليدية بقطر حوالي بوصة واحدة على الألواح بسرعة تبلغ نحو 51 ميلًا في الساعة.

كيف تختلف شهادات FM Global عن الاختبارات التقليدية الخاصة بالألواح الشمسية؟

تتضمن شهادة FM Global إجراء محاكاة للتأثير باستخدام حبات بَرَد أكبر (50 مم) وبسرعات أعلى (30 م/ث) مقارنة بالاختبارات التقليدية، مع التركيز على تأثيرات الاصطدام المتكررة وتماسك الهيكل وانخفاض الأداء الكهربائي.

لماذا يُعد اختبار مقاومة البَرَد في ظروف العالم الحقيقي مهمًا للألواح الشمسية؟

يأخذ الاختبار في ظروف العالم الحقيقي متغيرات إضافية بعين الاعتبار مثل سرعة التأثير وكثافة كرات الجليد والاصطدامات الزاوية العشوائية، وهي عوامل تحاكي بشكل أفضل الظروف الجوية القاسية التي قد تؤثر على متانة اللوحة.

ما التطورات التكنولوجية التي تساعد الألواح الشمسية على مقاومة أضرار البَرَد؟

إن الابتكارات الحديثة مثل الزجاج المقوى والإطارات المصنوعة من الألومنيوم المعزز والمغلفات الهجينة والطبقات الخلفية تُحسّن إلى حد كبير من متانة الألواح الشمسية ضد أضرار البَرَد، مع ضمان انتقال فعال للضوء.

كيف يمكن أن تساعد استراتيجيات حماية الألواح الشمسية في المناطق المعرضة للبَرَد؟

يمكن لاستراتيجيات مثل تركيب واقيات من البَرد، واستخدام طلاءات، وتحسين أنظمة الميل أن تقلل بشكل كبير من قوى تأثير الحَبْل وتُطيل عمر الألواح الشمسية في المناطق المعرّضة للبَرد.