هل الطاقة الشمسية مناسبة للاستخدام في المناطق الباردة؟

كيف تحسن درجات الحرارة المنخفضة كفاءة الألواح الشمسية

علم معاملات درجة الحرارة وأداء الألواح الشمسية

عندما تنخفض درجة الحرارة في الخارج، تعمل الألواح الشمسية بشكل أفضل فعليًا بسبب ظاهرة تُعرف باسم المعامل الحراري السلبي. وهذا يوضح لنا ببساطة مقدار تغير إنتاج الطاقة مع كل انخفاض بمقدار درجة مئوية واحدة. وتأتي معظم الألواح الشمسية العادية بمعاملات تتراوح بين -0.3% إلى -0.5% لكل درجة، وبالتالي فإن أداؤها يكون أفضل بشكل ملحوظ عندما تنخفض درجات الحرارة دون نقطة الاختبار القياسية البالغة 25°م (أو حوالي 77°ف). والعلم وراء هذا الأمر مثير للاهتمام أيضًا. ففي درجات الحرارة المنخفضة، تكون هناك مقاومة أقل أمام حركة الإلكترونات عبر المواد شبه الموصلة داخل الألواح. وهذا يعني أن الخلايا الكهروضوئية يمكنها تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بكفاءة أكبر، دون فقدان الكثير من الطاقة في الطريق.

لماذا تعزز المناخات الباردة إنتاج الجهد في الأنظمة الكهروضوئية

تعمل الألواح الشمسية في الواقع بشكل أفضل في الطقس البارد لأن المواد الموجودة بداخلها لا تسخن كثيرًا، ما يعني أنها تُنتج جهدًا كهربائيًا أكبر. كما أن الأسلاك التي تنقل الكهرباء تكون مقاومتها أقل عندما يكون الجو باردًا. وعندما تنخفض درجات الحرارة عن 25 درجة مئوية، فإن كل انخفاض درجة يساعد الألواح الشمسية على استعادة بعض الكفاءة المفقودة بناءً على ما يُعرف بالمعامل الحراري. وهذا يُحدث فرقًا حقيقيًا في الأماكن التي تنخفض فيها درجات الحرارة في الشتاء إلى ناقص 20 درجة مئوية أو أقل. تشير الدراسات التي تبحث أداء الألواح الشمسية في المناخات المتجمدة إلى أن تضافر كل هذه العوامل يمكن أن يزيد من إنتاج الطاقة بنسبة تتراوح بين 12 و15 بالمئة مقارنةً بالتثبيتات المماثلة في المناطق الأكثر دفئًا والتي تتلقى نفس كمية أشعة الشمس.

الكفاءة المُحسّنة للألواح الشمسية من النوع N في البيئات منخفضة الحرارة

عندما يتعلق الأمر بالأداء في الطقس البارد، فإن الألواح السيليكونية أحادية البلورة من النوع N تتفوق على الألواح العادية بسبب معاملات درجة الحرارة الأفضل. فبينما تنخفض كفاءة الألواح القياسية بنسبة 0.35٪ لكل درجة مئوية، فإن هذه الألواح المتطورة تخسر حوالي 0.25٪ فقط. وتكمن الحيلة في تصميم التلامس الخلفي الذي يقلل من إعادة اتحاد الإلكترونات المزعجة. ما المغزى العملي من ذلك؟ تواصل هذه الألواح العمل بكفاءة أفضل بنسبة 8 إلى 10٪ حتى عند انخفاض درجات الحرارة دون نقطة التجمد. ولهذا السبب يُفضّلها العديد من مثبتي أنظمة الطاقة الشمسية في المناطق القطبية. إذ تحافظ الألواح على إنتاجيتها رغم البرد، وهي ميزة كبيرة بالنظر إلى أن أيام الشتاء لا تحتوي أصلاً على قدر كافٍ من أشعة الشمس. بالنسبة للمجتمعات في المناخات القطبية، يمكن أن يعني هذا الاستقرار الفرق بين الحصول على طاقة موثوقة أو حدوث انقطاعات متكررة.

تأثير تغطية الثلج على إنتاج الطاقة الشمسية: رؤى من شمال أوروبا

عندما تتراكم الثلوج على الألواح الشمسية، فإنها تقلل بشكل كبير من قدرتها على توليد الطاقة. فالتثلجات تحجب أشعة الشمس المباشرة وتغير طريقة انعكاس الضوء عن السطوح بسبب ظاهرة تُعرف باسم تأثير الانعكاسية (الألبيدو). تشير الأبحاث التي أجريت في محطات الطاقة الشمسية الكبيرة في إسكندنافيا إلى أن مجرد تغطية جزئية بسيطة للوحة بالثلوج يمكن أن تقلل إنتاج الطاقة بنسبة تتراوح بين 40 و60 بالمئة تقريبًا خلال أشهر الشتاء المزدحمة. وإذا كانت هناك طبقة سميكة من الثلج، فقد يتم حجب أكثر من 90% من أشعة الشمس تمامًا. علاوةً على ذلك، وبما أن الثلج مادة عاكسة للغاية، فإنه يعكس ضوء الشمس بعيدًا بدلًا من السماح له بالوصول إلى خلايا اللوحة حيث يُحتاج إليه لتوليد الكهرباء. وهذا يعني أن المزارع الشمسية تحتاج إلى صيانة دورية لإزالة الثلوج، خاصة في المناطق الباردة حيث تحدث هذه الحالة بشكل متكرر خلال مواسم الشتاء.

قياس الفاقد في الطاقة الناتج عن تراكم الثلوج خلال الأشهر الباردة

تكشف أنماط إنتاج الطاقة في المناطق الثلجية عن خسائر متوقعة تعتمد على عمق الثلوج:

• تتسبب الطبقة الخفيفة من الغبار (أقل من 1 بوصة) في تقليل إنتاج الطاقة اليومي بنسبة 15–25%
• تؤدي التراكمات المعتدلة (من 1 إلى 3 بوصات) إلى تقليل الإنتاج بنسبة 45–60%
• يمكن أن تتسبب الكتل الثلجية الكثيفة (أكثر من 6 بوصات) في وقف التوليد بالكامل لعدة أيام

تتعرض الأنظمة المثبتة في المناطق الجبلية لخسائر في الإنتاج خلال الشتاء بنسبة 35% أكثر من الأنظمة في السهول بسبب تساقط الثلوج المتكرر والتراكم المستمر

استراتيجيات سلبية وفعالة لمنع تراكم الثلج على صفائف الألواح الشمسية

تقنيات إزالة الجليد وإزالة الثلج الآلية لأداء موثوق خلال فصل الشتاء

في الوقت الحاضر، تُحافظ العمليات الشتوية على سيرها بسلاسة بفضل مزيج من التقنيات الحرارية والميكانيكية. حيث تمنع عناصر التسخين التي تُضبط حسب درجة الحرارة تراكم الثلج من خلال إبقاء الألواح دافئة بدرجة كافية لمنع التجمد. وفي الوقت نفسه، تساعد الطلاءات الخاصة التي تم تطويرها في جامعة ميشيغان على جعل الثلج الطازج ينزلق تلقائيًا عن معظم الأسطح. في حوالي 9 من كل 10 حالات، سيختفي الثلج الجديد خلال ساعتين فقط من تعرضه لأشعة الشمس. كما تُظهر الاختبارات الميدانية في أنحاء إسكندنافيا نتائج واعدة أيضًا. وعندما تعمل هذه الأساليب المختلفة معًا، تنخفض نسبة الفقد في الطاقة الناتج عن الثلج إلى أقل من 5٪ سنويًا، مما يحدث فرقًا كبيرًا في العمليات المنفذة في المناخات الباردة.

الميل الأمثل للوحة الشمسية، والتوجيه، والتصميم للمناخات الباردة

تعظيم استخلاص ضوء الشمس من خلال الميل والاستوائية الاستراتيجية في المناطق ذات العرض العالي

تعمل الألواح الشمسية في تلك المناطق الشمالية الباردة التي تقع فوق حوالي 45 درجة بشكل أفضل خلال أشهر الشتاء عندما تكون بزاوية أشد ميلاً بنحو 15 إلى 25 درجة مقارنةً بالزاوية المتوافقة مع موقعها الجغرافي الفعلي. وعادة ما يعني ذلك ضبطها بزاوية ميل تتراوح بين 60 و75 درجة. يمكن أن يؤدي إجراء هذا التعديل إلى زيادة كمية الكهرباء التي تُنتجها في الشتاء بنسبة تتراوح بين 18 و23 بالمئة مقارنةً بالإعدادات العادية. كما يظل توجيه الألواح نحو الجنوب مهمًا جدًا أيضًا، لأنه يستقطب تقريبًا أكبر قدر ممكن من ضوء الشمس في نصف الكرة الشمالي - ونتحدث هنا عن التقاط ما يقارب 97% من ضوء النهار المتاح. تدعم الأبحاث الحديثة الصادرة عن شركة موزربر سولار (Moserbaer Solar) في عام 2023 هذه النتائج بشكل قوي، حيث تُظهر أن هذه التعديلات تحدث فرقًا حقيقيًا في الأداء.

كما أن الميل الأكبر يحسّن التصريف السلبي للثلوج، ويقلل من الخسائر الناتجة عن التراكم بنسبة تصل إلى 11٪ مقارنة بالأنظمة التقليدية.

التكيفات الهندسية لتحسين استخدام الإشعاع الشمسي في البيئات الباردة

تتضمن أنظمة الطاقة الشمسية المُحسّنة للظروف الباردة ثلاث تحسينات رئيسية في التصميم:

1. تعزيز الهيكل : إطارات ألومنيوم مصنفة لدرجة حرارة -40°م تتحمل الانكماش الحراري الشديد
2. خلايا ضوئية منخفضة الحرارة : تحافظ الألواح من نوع TOPCon ذات الطابع السالب (N-type) على كفاءة بنسبة 94٪ عند درجة حرارة -25°م (-13°ف)، مما يجعلها أفضل أداءً من وحدات PERC القياسية (88٪)
3. التراكيب ثنائية الوجه : تلتقط الألواح ذات الوجهين الضوء المنعكس من الثلج، مما يزيد الإنتاج في الشتاء بنسبة 19–27٪

تتيح أنظمة التركيب المتقدمة تعديلات مائلة موسمية عن بُعد، في حين تقلل طلاءات الزجاج الكارهة للماء التصاق الجليد بنسبة 53٪، مما يضمن الموثوقية خلال دورات التجميد والذوبان. معًا، تستفيد هذه التكيفات من مكاسب الفولتية الناتجة عن البرودة، مع تقليل العيوب البيئية.

معالجة انخفاض توفر أشعة الشمس خلال أشهر الشتاء

التغيرات الموسمية في ساعات ضوء النهار وشدة الإشعاع الشمسي في المناطق الباردة

الشتاء البارد يعني أيامًا أقصر بكثير وأشعة شمس أضعف، خاصة في المناطق الشمالية حيث قد يحصل الناس على حوالي 4 إلى 5 ساعات فقط من ضوء النهار الخافت كل يوم. قلة أشعة الشمس تعني وصول عدد أقل من الفوتونات إلى الألواح الشمسية، مما يقلل إنتاجها للطاقة بنسبة تتراوح بين 40% و60% مقارنة بإنتاجها خلال أشهر الصيف. وعلى الرغم من أن الألواح الشمسية الحديثة تعمل بشكل جيد نسبيًا في درجات الحرارة المتجمدة، إلا أنه لا يزال هناك عدم كفاية في كمية الضوء الداخلة بمرور الوقت لتوليد كميات كبيرة من الكهرباء. المشكلة الحقيقية ليست في درجة الحرارة نفسها، بل في قلة أشعة الشمس التي تصل فعليًا إلى تلك الألواح طوال اليوم.

تحديات إنتاج الطاقة خلال أيام الشتاء القصيرة وكيفية التخفيف منها

هناك ثلاث استراتيجيات مجربة تساعد في التغلب على عجز الطاقة في الشتاء:

• ألواح أحادية البلورة عالية الكفاءة التي تؤدي أداءً أفضل في ظروف الإضاءة المنتشرة
• أنظمة التتبع ثنائية المحور التي تُحسّن التعرض بأقصى قدر ممكن خلال فترات ضوء النهار القصيرة
• مصارف البطاريات المخزنة حراريًا التي تخزن الطاقة الفائضة من ذروة منتصف النهار

عند دمج هذه الأساليب مع حلول التخزين الذكية للطاقة، يمكن تعويض ما يصل إلى 80٪ من خسائر الإنتاج الموسمية. ودمجها مع زوايا ميل أكثر انحدارًا ومُحسّنة للشتاء — خاصةً بالقرب من 60° في المناطق ذات العرض العالي — يعزز بشكل أكبر من التقاط أشعة الشمس والانزلاق الطبيعي للثلوج.

الأسئلة الشائعة

كيف تحسن درجات الحرارة المنخفضة كفاءة الألواح الشمسية؟

تقل درجات الحرارة المنخفضة من المقاومة داخل المواد أشباه الموصلة في الألواح الشمسية، مما يسمح للإلكترونات بالتحرك بحرية أكبر وزيادة الكفاءة.

هل يؤثر تراكم الثلج على الألواح الشمسية تأثيرًا سلبيًا؟

نعم، يمكن أن يحجب الثلج ضوء الشمس ويقلل من إنتاج الطاقة بشكل كبير، وأحيانًا بنسبة تصل إلى 90٪ إذا لم يتم إزالته.

ما الاستراتيجيات التي يمكن أن تساعد في منع تراكم الثلج على الألواح الشمسية؟

يمكن لكل من الطرق السلبية مثل تعديل ميل الألواح، والطرق النشطة مثل أنظمة التنظيف الروبوتية، أن تقلل بشكل فعال من تراكم الثلج.

كيف يمكن للألواح الشمسية تعويض انخفاض أشعة الشمس خلال فصل الشتاء؟

يمكن أن تساعد استخدام الألواح عالية الكفاءة، وأنظمة التتبع ثنائية المحور، وبنوك البطاريات المخزنة حراريًا في التخفيف من آثار ساعات النهار القصيرة.