الألواح الشمسية المثبّتة على الأرض تعمل بالضوء لا بالحرارة
يمكن للألواح الشمسية أن تعمل بكفاءة عالية في الطقس البارد لأنها تعتمد على الضوء لا على الحرارة. وهذه هي النقطة التي يسيء كثيرون فهمها عندما ينظرون إلى الألواح في الهواء الطلق ويفترضون أن حرارة الصيف لا بد أن تكون الوقود الحقيقي.
اللوح الكهروضوئي هو في الأساس ملتقط للضوء. فعندما تسقط أشعة الشمس على الخلايا الشمسية، تُحرِّر شحنات كهربائية داخل المادة، ويحوّل اللوح حركة هذه الشحنات إلى كهرباء قابلة للاستخدام. أما الدفء الذي تشعر به في يوم مشمس فليس في الغالب سوى أثر جانبي لامتصاص ضوء الشمس، وليس هو ما يحتاج إليه اللوح لإنتاج الطاقة.
قراءة مقترحة
لماذا تبدو الفكرة البسيطة صحيحة لكنها تكون خاطئة في النهاية
من السهل أن نفهم مصدر هذه الخرافة. فالأيام الحارة والأيام المشمسة تأتي غالبًا معًا، لذلك يدمج الناس بين الأمرين في فكرة واحدة: لا بد أن مزيدًا من الحرارة يعني مزيدًا من إنتاج الطاقة الشمسية. لكن اللوح الشمسي لا يتصرف مثل سحلية فوق صخرة. بل يتصرف أكثر كجهاز إلكتروني يحتاج إلى ضوء قوي وظروف تشغيل مناسبة.
تأمل للحظة تركيبًا خارجيًا بسيطًا: ألواح مائلة نحو السماء المفتوحة، وأشجار قريبة قد تُلقي بظلالها على الأطراف بحسب موقع الشمس. والعنصر المفيد هنا هو الضوء الذي يسقط على سطح اللوح. فإذا كان هذا الضوء قويًا ومباشرًا، كانت لدى الخلايا مادة خام جيدة للعمل عليها قبل أن نبدأ أصلًا في الحديث عن درجة الحرارة.
وهذا هو النمط الذي تظهره الأنظمة الحقيقية أيضًا. فقد تناول تقرير وزارة الطاقة الأمريكية لعام 2022 بعنوان Understanding Solar Photovoltaic System Performance أداء 75 نظامًا للطاقة الشمسية الكهروضوئية في مواقع اتحادية، وخلص إلى أن الإنتاج في الميدان يعتمد على عوامل مثل شدة الإشعاع الشمسي، واتجاه الألواح، وظروف التشغيل.
إلى ماذا تشير الأدلة الميدانية
| العامل | ما معناه | لماذا يهم |
|---|---|---|
| شدة الإشعاع | مدى قوة ضوء الشمس | كلما زاد الضوء المتاح، ازدادت الطاقة التي تستطيع الخلايا تحويلها |
| الاتجاه | كيفية توجيه الألواح نحو الشمس | تحسين الزاوية يجعل الضوء يسقط على السطح بصورة أكثر مباشرة |
| ظروف التشغيل | الظروف الفعلية في الموقع المحيط بالنظام | الظل والحرارة وتفاصيل التركيب تؤثر في الإنتاج الفعلي |
ثم تأتي النقطة التي تفاجئ كثيرين: حين ترتفع حرارة الألواح، تنخفض كفاءتها عادة قليلًا. وتتعامل إرشادات النمذجة التي يستخدمها المختبر الوطني للطاقة المتجددة مع تغير خرج الوحدة النموذجية على أنه يبلغ نحو 0.5% لكل درجة مئوية من حرارة اللوح. وبصياغة أبسط: عندما ترتفع حرارة اللوح نفسه كثيرًا فوق درجة الاختبار القياسية، فإنه يفقد عادة جزءًا يسيرًا من أدائه حتى لو ظلت الشمس قوية.
حوالي 0.5% لكل °C
ينخفض خرج الوحدة النموذجية عادة بهذا المقدار تقريبًا مع كل ارتفاع بدرجة مئوية واحدة في حرارة اللوح فوق درجة الاختبار القياسية.
وهنا ينبغي التوقف عند الحقيقة الأساسية. فالضوء هو الذي يصنع الكهرباء. أما الحرارة فغالبًا ما ترافقه فحسب، لكن زيادتها المفرطة تعمل عادة ضد اللوح بدلًا من أن تساعده.
هل لاحظت أن الألواح تواصل العمل في الأيام الباردة المشمسة؟
إذا سبق أن رأيت ألواحًا شمسية تولّد الطاقة في يوم بارد صافٍ واعتقدت أن ذلك يبدو غريبًا، فهو ليس غريبًا على الإطلاق. بل هذا بالضبط ما ينبغي أن تتوقعه ما دمت تفصل بين ضوء الشمس ودرجة الحرارة.
غالبًا ما تُقاس قدرة الألواح الشمسية وفق شروط اختبار قياسية تتضمن معيارًا لدرجة حرارة الخلية يبلغ 25°C. وبمجرد أن تصبح الخلايا أكثر سخونة من ذلك، يبدأ الإنتاج عادة في التراجع. وهنا تكمن لحظة الإدراك: فقد يكون اليوم الساطع ممتازًا لإنتاج الطاقة الشمسية، لكن إذا أصبحت الوحدات شديدة السخونة، فإن كفاءتها تكون غالبًا أقل قليلًا مما كانت ستصبح عليه في هواء أبرد مع الشمس القوية نفسها.
جرّب هذا الاختبار السريع بنفسك. قارن بين ظهيرة باردة ذات سماء زرقاء صافية وظهيرة أخرى خانقة يغشاها الضباب.
أي الظهيرتين توفر ظروفًا أفضل للألواح؟
غالبًا ما توفر أشعة الشمس القوية والأكثر صفاءً مع برودة الألواح ظروفًا أفضل لكفاءتها.
يمكن للضباب أن يضعف الضوء الوارد، كما أن ارتفاع حرارة الألواح يجعلها غالبًا أقل كفاءة قليلًا.
إذا كان البرد يساعد، فلماذا يبدو إنتاج الشتاء أقل في كثير من الأحيان؟
هنا تظهر الحدود الحقيقية للأمر: البرودة وحدها لا تضمن تحسن إنتاج الطاقة الشمسية. فالكفاءة وإجمالي الطاقة أمران مرتبطان، لكنهما ليسا الشيء نفسه.
قد يعمل اللوح بكفاءة في يوم بارد، ومع ذلك ينتج كهرباء أقل إجمالًا خلال ذلك اليوم، لأن الشتاء غالبًا ما يعني ساعات نهار أقل. كما تكون الشمس أخفض في السماء، ما قد يقلل من مباشرة سقوط الضوء على اللوح ما لم تكن زاوية النظام مناسبة لذلك الفصل.
وغالبًا ما يُفهم إنتاج الشتاء من خلال بعض المقارنات البسيطة.
ما الذي يفيد وما الذي يضر الطاقة الشمسية شتاءً
يمكن للهواء البارد أن يحسّن الكفاءة، لكن إجمالي الإنتاج يظل معتمدًا على ما إذا كان الضوء يصل إلى الألواح بصورة جيدة فعلًا.
السطوع أفضل من الضباب
كلما كانت أشعة الشمس أكثر صفاءً، حصلت الخلايا على مادة خام أفضل من الضوء الباهت الذي يسطحه الضباب.
البرودة أفضل من السخونة الزائدة
تؤدي الألواح عملها بكفاءة أعلى عادة عندما لا ترتفع حرارتها أكثر من اللازم.
الشمس المباشرة أفضل من الظل
ظلال الأشجار والغيوم تقلل كمية الضوء المتاحة للمصفوفة.
اللوح النظيف أفضل من اللوح المغطى بالثلج
إذا غطى الثلج سطح اللوح، فلن يعوض الهواء البارد ضوء الشمس المحجوب.
ولهذا قد تبدو الطاقة الشمسية في الشتاء صورة مختلطة. ففي يوم بارد مقرمش وصافٍ، قد تعمل الألواح بكفاءة وارتياح. لكن على امتداد الفصل كله، يمكن لقِصر النهار والغيوم والثلج والظل أن تخفض إجمالي الإنتاج.
القاعدة العملية التي تنجح فعلًا في الواقع
حين تريد تقييم ظروف الطاقة الشمسية، فانظر أولًا إلى السطوع والتعرّض المباشر، ثم فتّش عن العوامل التي تسرق الأداء: الحرارة الزائدة، أو الضباب، أو الظل، أو الثلج المتراكم على الألواح.