تركيب الألواح الشمسية على أسطح المباني وتأثيرها على درجات الحرارة في المدن
كشفت دراسة حديثة من الهند أن أنظمة الطاقة الشمسية المركبة على أسطح المباني قد تحمل آثاراً غير متوقعة على درجات الحرارة في المناطق الحضرية، حيث يمكن لهذه الألواح أن ترفع درجات الحرارة نهاراً بمقدار يصل إلى 1.5 درجة مئوية، بينما قد تسهم في خفض درجات الحرارة ليلاً بمقدار يصل إلى 0.6 درجة مئوية. وقام فريق دولي من العلماء بتطوير نموذج جديد لتقييم تأثير الألواح الكهروضوئية المثبتة على الأسطح (RPVSPs) في المناخات الحضرية.
يعتمد هذا النموذج على أحدث نظم الأبحاث والتنبؤات المناخية، حيث تم دمج نموذج الطاقة للمباني (BEM) ومعامل تأثير المباني (BEP) لزيادة دقة التوقعات. وتمت مقارنة النتائج بنماذج تجريبية من عشر محطات رصد في مدينة كولكاتا بالهند.
وأشار الباحثون إلى أن الدراسات السابقة تفتقر إلى تحليل شامل متعدد المدن وتعتمد في الغالب على التجارب الميدانية أو المحاكاة على نطاق المباني، مما يغفل النقل الحراري بين سطح السقف وخلفية الألواح الشمسية. ويقول الباحثون إن دراستهم تسد هذه الثغرات من خلال دمج معاملات جديدة تنظر في النقل الحراري الحراري مما يوفر نتائج أكثر دقة وواقعية.
تم اختبار هذا النموذج المشترك، المعروف باسم WRF/BEP + BEM، ليحسب التبادل الحراري والرطوبة والطاقة الحركية بين المباني والبيئة الخارجية في ظروف مناخية مستقرة. جرى اختبار النموذج أولاً في كولكاتا، ومن ثم تم التحقق من فعاليته في مدن مثل سيدني وأوستن وأثينا وبروكسل، لضمان صلاحيته للمناطق المناخية المختلفة.
أجرى الباحثون خمس تجارب لدراسة الأثر الإقليمي للانتشار الواسع للألواح الشمسية على أسطح المباني خلال موجة الحر في كولكاتا، واعتمدوا في المحاكاة على معامل انعكاس أسطح بمقدار 0.15 دون وجود ألواح شمسية، بينما شملت التجارب الأخرى نسب تغطية تتراوح من 0.25 إلى 1.0 على أسطح المدينة. وتم تحديد معايير الألواح من حيث الانعكاس والكفاءة والانبعاث الحراري لتكون 0.11 و0.19 و0.95 على التوالي.
أظهرت البيانات المجمعة من كولكاتا أن الألواح الشمسية قد ترفع درجات الحرارة السطحية نهاراً بمقدار 1.5 درجة مئوية، إذ تمتص الألواح حوالي 90% من الطاقة الشمسية، بينما يُحول نحو 20% منها إلى كهرباء ويؤدي الباقي إلى ارتفاع حرارتها. وفي الليل، يمكن للتغطية الكاملة بالألواح أن تخفض درجات الحرارة السطحية القصوى بمقدار يصل إلى 0.6 درجة مئوية. في أوقات ذروة الحرارة، قد ترتفع درجة حرارة السطح بمقدار 3.2 درجة مئوية نهاراً وتنخفض بمقدار 1.4 درجة ليلاً.
سجلت مدن أخرى نتائج مشابهة، حيث سجلت سيدني انخفاضاً ليلياً قدره 0.8 درجة مئوية وزيادة نهارية بمقدار 1.9 درجة. فيما سجلت أوستن انخفاضاً قدره 0.7 درجة ليلاً وزيادة نهارية بمقدار 1.8 درجة. أما أثينا، فقد سجلت انخفاضاً ليلياً بمقدار 0.4 درجة وزيادة نهارية بمقدار 1.2 درجة. بينما سجلت بروكسل انخفاضاً ليلياً قدره 0.3 درجة وزيادة نهارية بمقدار 1.1 درجة.
وأضاف الباحثون: “تكشف دراستنا أن الألواح الشمسية على أسطح المباني تغيّر بشكل كبير ميزانية الطاقة السطحية في المناطق الحضرية، وخصائص المناخ القريب من سطح الأرض، وديناميكيات الطبقة الحدودية الحضرية، وتيارات الهواء البحري”. يؤدي ارتفاع درجات الحرارة في المدن نتيجة لتركيب الألواح إلى تعزيز الخلط الجوي وتقوية الطبقة الحدودية الكوكبية (PBL) بمقدار يصل إلى 615.6 متر، مما يقلل من التلوث السطحي.
تم نشر نتائج هذه الدراسة بعنوان “الألواح الشمسية على الأسطح تحافظ على توازن الحرارة في المدن” في مجلة Nature Cities. وقام بإجراء البحث علماء من جامعات عالمية عدة مثل جامعة كلكتا وجامعة تكساس ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والأكاديمية الصينية للعلوم.
