يفاجئ كثيرين أن الألواح الشمسية تعمل بصورة أفضل في البرد. فقد ينتج يوم شتوي صافٍ ومنعش بعضًا من أعلى القدرات اللحظية التي تشهدها المحطة طوال العام. لكن المناخات الباردة تجلب أيضًا الثلوج وقصر النهار وظروفًا قاسية على المعدات. ويشرح هذا المقال ما يفعله البرد بأداء الطاقة الكهروضوئية (PV)، وما تفعله الثلوج، وكيف يُقاس الأمران.
لماذا تنتج الوحدات الباردة أكثر
يرتفع جهد الخلية الشمسية كلما انخفضت درجة حرارتها. وتعبّر أوراق بيانات الوحدات عن ذلك بمعامل درجة الحرارة للقدرة: وهو في وحدات السيليكون البلوري يقع عادةً في نطاق نحو -0.3% إلى -0.5% لكل °C، ويُقاس انطلاقًا من شرط الاختبار القياسي بدرجة حرارة خلية 25 °C. والمهم هو الإشارة: فكل درجة دون 25 °C تضيف خرجًا، وكل درجة فوقها تنتزعه.
خذ وحدة بمعامل -0.4%/°C. في يوم حار تبلغ فيه الخلايا 60 °C، تخسر نحو 14% من قدرتها المقنّنة بسبب الحرارة وحدها. وفي يوم بارد مشمس تبلغ فيه الخلايا 0 °C، تكسب نحو 10%. وهذا تفاوت يقارب الربع في الخرج لأشعة الشمس نفسها.
ولهذا التأثير نفسه نتيجة في التصميم. فلأن الجهد يرتفع في البرد، يكون جهد السلسلة في أبرد صباح من السنة هو الأعلى الذي سيشهده النظام. ويجب تصميم أطوال السلاسل بحيث يبقى هذا الجهد ضمن حدود المموّج والوحدات.
لماذا قد تخيّب الأماكن الباردة الآمال
- قصر النهار وانخفاض الشمس: عند خطوط العرض العالية في الشتاء، تكون الشمس منخفضة والنهار قصيرًا والطاقة المتاحة يوميًا قليلة، رغم أن كل ساعة شمس تُستغل بكفاءة.
- تراكم الثلوج: الوحدة المغطاة بالثلج تنتج قليلًا أو لا تنتج شيئًا. وتتوقف سرعة انزلاق الثلج عنها على الميل والإطار ودرجة الحرارة.
- الجليد والصقيع: تشتت طبقة رقيقة على الزجاج الضوء قبل وصوله إلى الخلايا.
- الإجهاد على المعدات: للإلكترونيات والكابلات والبطاريات والأجزاء الميكانيكية جميعها حدود دنيا لدرجات حرارة التشغيل، كما أن تكرار التجمد والذوبان قاسٍ على موانع التسرب والهياكل.
لماذا قد تفيد الثلوج أيضًا
يعكس الثلج الطازج على الأرض معظم ضوء الشمس الساقط عليه، أكثر بكثير من العشب أو التربة. ويرفع ذلك الضوء المنعكس الإشعاع الواصل إلى الوحدات المائلة، ويفيد بصفة خاصة الوحدات ثنائية الوجه التي تجمع الضوء من وجهها الخلفي أيضًا. وعلى الارتفاعات العالية، حيث الهواء أرق وأكثر صفاءً في الغالب، قد يكون الإشعاع عاليًا كذلك. ويفسّر اجتماع الخلايا الباردة والسماء الساطعة والثلج العاكس لماذا تسجّل المواقع الباردة المشمسة أداءً ممتازًا في الأيام المناسبة.
قياس ما يفعله البرد
لمعرفة ما إذا كانت محطة في مناخ بارد تعمل كما ينبغي، على مالكها أن يفصل الطقس عن المحطة. ويتطلب ذلك محطة رصد طقس تقيس:
- الإشعاع على المستوى الأفقي وفي مستوى الوحدات، وعلى الجانب المواجه للأرض حيث تكون الوحدات ثنائية الوجه؛
- درجة حرارة الوحدة، التي قد تبتعد كثيرًا عن درجة حرارة الهواء في الطقس البارد والعاصف؛
- درجة حرارة الهواء والرطوبة والرياح؛
- التلوث بالأتربة، بما في ذلك الثلج: إذ يقارن نظام قياس التلوث وحدة مرجعية نظيفة بوحدة معرّضة، فيُظهر مقدار الطاقة التي يكلّفها الثلج أو الغبار.
ويجب أن تصمد المعدات أمام الظروف التي تقيسها. فمحطات رصد الطقس من Aeron محددة للعمل من -40 °C إلى +80 °C، وتقيس مستشعرات درجة حرارة الوحدة Rigel 2 من Aeron ابتداءً من -40 °C بعنصر PT1000 من الفئة A وفق IEC 60751.
مثال على مناخ بارد: منغوليا
وفّرت Aeron محطة رصد الطقس لمحطة شمسية بقدرة 5 MW مع تخزين بطاريات بسعة 3.6 MWh في منغوليا، وُصفت بأنها أول محطة طاقة شمسية مع تخزين بطاريات في البلاد، وبُنيت ضمن "مشروع توسيع قطاع الطاقة المتجددة". ومتوسط درجة الحرارة السنوي في منغوليا نحو 0.2 °C، ومتوسطات الشتاء بين -10 °C و-30 °C، لذلك اختيرت المستشعرات والملحقات لتلك الظروف.
وتقيس المحطة الإشعاع الأفقي الكلي والإشعاع في مستوى المصفوفة ودرجة حرارة الوحدة والهواء والرطوبة وسرعة الرياح واتجاهها والتلوث بالأتربة من الغبار والثلج معًا، مع نظام كشف الصواعق. ويقرأ مسجّل البيانات Xtreme XG-930 من Aeron المستشعرات بمحوّله ذي 24-bit ويرسل البيانات إلى SCADA المحطة عبر Modbus TCP. وتتيح البيانات أيضًا للمالك دراسة كيف يؤثر تراكم الثلج في التوليد. وقد نُشرت المحطة في يونيو 2022. اطّلع على دراسة حالة منغوليا.
باختصار
البرد جيد للخلايا وقاسٍ على كل ما عداها. ويمكن للمحطات في المناخات الباردة أن تؤدي أداءً جيدًا جدًا، لكن ذلك مشروط بأن يراعي تصميمها الجهود العالية في الطقس البارد، وأن تكون معداتها مقنّنة لدرجات الحرارة، وأن يقيس مالكوها الإشعاع ودرجة حرارة الوحدة وفواقد الثلج بما يكفي للتمييز بين مشكلة طقس ومشكلة محطة. وللحديث عن المراقبة في محطة بمناخ بارد، تواصل مع فريقنا.
