مع تزايد الطلب العالمي على الطاقة المتجددة، استُخدمت تقنية الطاقة الكهروضوئية (الشمسية) على نطاق واسع كمكون أساسي للطاقة النظيفة. وأصبحت كيفية تحسين أداء أنظمة الطاقة الكهروضوئية لتحسين كفاءة الطاقة أثناء تركيبها مسألةً مهمةً للباحثين والمهندسين. وقد اقترحت دراسات حديثة زوايا ميل وارتفاعات ارتفاع مثالية لأنظمة الطاقة الكهروضوئية على الأسطح، مما يوفر أفكارًا جديدة لتحسين كفاءة توليد الطاقة الكهروضوئية.
العوامل المؤثرة على أداء أنظمة الطاقة الكهروضوئية
يتأثر أداء نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية المُثبّت على السطح بعدد من العوامل، من أهمها زاوية الإشعاع الشمسي، ودرجة الحرارة المحيطة، وزاوية التركيب، والارتفاع. وتؤثر ظروف الإضاءة في مختلف المناطق، وتغير المناخ، وهيكل السقف، جميعها على كفاءة توليد الطاقة من الألواح الكهروضوئية. ومن بين هذه العوامل، تُعدّ زاوية الميل والارتفاع العلوي للألواح الكهروضوئية متغيرين مهمين يؤثران بشكل مباشر على استقبالها للضوء وكفاءة تبديد الحرارة.
زاوية الميل المثالية
أظهرت الدراسات أن زاوية الميل المثلى لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية لا تعتمد فقط على الموقع الجغرافي والتغيرات الموسمية، بل ترتبط ارتباطًا وثيقًا أيضًا بالظروف الجوية المحلية. بشكل عام، يجب أن تكون زاوية ميل الألواح الكهروضوئية قريبة من خط العرض المحلي لضمان أقصى استقبال للطاقة الإشعاعية من الشمس. ويمكن عادةً تعديل زاوية الميل المثلى وفقًا للموسم للتكيف مع زوايا الإضاءة الموسمية المختلفة.
التحسين في الصيف والشتاء:
1. في الصيف، عندما تكون الشمس قريبة من سمت الرأس، يمكن خفض زاوية إمالة الألواح الكهروضوئية بشكل مناسب لالتقاط أشعة الشمس المباشرة الشديدة بشكل أفضل.
2. في فصل الشتاء، تكون زاوية الشمس منخفضة، وزيادة زاوية الميل بشكل مناسب يضمن حصول الألواح الكهروضوئية على المزيد من ضوء الشمس.
بالإضافة إلى ذلك، وجد أن تصميم الزاوية الثابتة (عادة ما يكون ثابتًا بالقرب من زاوية خط العرض) يعد أيضًا خيارًا فعالًا للغاية في بعض الحالات للتطبيقات العملية، لأنه يبسط عملية التثبيت ولا يزال يوفر توليد طاقة مستقرًا نسبيًا في ظل معظم الظروف المناخية.
الارتفاع العلوي الأمثل
عند تصميم نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية على السطح، يُعدّ الارتفاع العلوي للألواح الكهروضوئية (أي المسافة بينها وبين السطح) عاملاً مهماً يؤثر على كفاءة توليد الطاقة. يُحسّن الارتفاع المناسب تهوية الألواح الكهروضوئية ويُقلّل تراكم الحرارة، مما يُحسّن الأداء الحراري للنظام. وقد أظهرت الدراسات أنه عند زيادة المسافة بين الألواح الكهروضوئية والسطح، يُقلّل النظام من ارتفاع درجة الحرارة بشكل فعّال، وبالتالي يُحسّن الكفاءة.
تأثير التهوية:
٣. في حال عدم وجود ارتفاع علوي كافٍ، قد تعاني ألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية من انخفاض أدائها بسبب تراكم الحرارة. كما أن ارتفاع درجات الحرارة بشكل مفرط سيقلل من كفاءة تحويل ألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وقد يُقصّر من عمرها الافتراضي.
4. تساعد زيادة ارتفاع المسافة الفاصلة على تحسين دوران الهواء أسفل الألواح الكهروضوئية، مما يؤدي إلى خفض درجة حرارة النظام والحفاظ على ظروف التشغيل المثالية.
ومع ذلك، فإن زيادة الارتفاع العلوي تعني أيضًا ارتفاعًا في تكاليف البناء ومتطلبات مساحة أكبر. لذلك، يجب أن يكون اختيار الارتفاع العلوي المناسب متوازنًا مع الظروف المناخية المحلية والتصميم الخاص لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية.
التجارب وتحليل البيانات
حددت دراسات حديثة بعض حلول التصميم المُثلى من خلال تجربة توليفات مختلفة من زوايا الأسقف وارتفاعاتها العلوية. ومن خلال محاكاة وتحليل بيانات فعلية من عدة مناطق، استنتج الباحثون ما يلي:
٥. زاوية الميل المثلى: عمومًا، تتراوح زاوية الميل المثلى لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية على السطح بين ١٥ درجة و١٥ درجة من خط العرض المحلي. ويتم تحسين التعديلات المحددة وفقًا للتغيرات الموسمية.
٦. الارتفاع العلوي الأمثل: بالنسبة لمعظم أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية على الأسطح، يتراوح الارتفاع العلوي الأمثل بين ١٠ و٢٠ سم. قد يؤدي انخفاض الارتفاع إلى تراكم الحرارة، بينما قد يؤدي الارتفاع المفرط إلى زيادة تكاليف التركيب والصيانة.
خاتمة
مع التقدم المستمر في تكنولوجيا الطاقة الشمسية، أصبح تعظيم كفاءة توليد الطاقة من أنظمة الطاقة الكهروضوئية قضيةً بالغة الأهمية. تُقدم زاوية الميل المثلى والارتفاع العلوي لأنظمة الطاقة الكهروضوئية المثبتة على الأسطح، والمقترحة في الدراسة الجديدة، حلولاً نظريةً لتحسين الكفاءة تُسهم في تحسين الكفاءة الكلية لأنظمة الطاقة الكهروضوئية. في المستقبل، ومع تطور التصميم الذكي وتكنولوجيا البيانات الضخمة، من المتوقع أن نتمكن من تحقيق استخدام أكثر كفاءةً واقتصادًا للطاقة الكهروضوئية من خلال تصميم أكثر دقةً وشخصية.
وقت النشر: ١٣ فبراير ٢٠٢٥