اعتبارات هامة عند تصميم منظومات الطاقة الشمسية لرفع كفاءة و لخفض فواقد الطاقة!
Image Source: Andrew Glick
تظهر الصورة التوضيحية المساعدة تأثير زاوية الميل على تدفق تيارات الهواء
هناك العديد من العوامل التي تؤثر على كفاءة عمل منظومات الطاقة الشمسية و أهمها تأثر الألواح الشمسية بدرجات الحرارة و لذلك هناك العديد من الاعتبارات لابد من التركيز عليها خلال عملية التصميم. وسنتناول أهمها في هذا المقالة
الجدير بالذكر أن الخلايا الشمسية الكهروضوئية تعمل بكفاءة أعلى في درجات الحرارة المنخفضة, حيث يمكن أن تحصل فواقد في الطاقة الناتجة عن محطة شمسية كهروضوئية نموذجية تصل إلى 12%, عند عمل الألواح الشمسية بدرجات حرارة أعلى من درجة حرارة الوسط المحيط بـ 25˚. وبحسب دراسة أجراها المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) وجامعتي بورتلاند ويوتا, فإنّ تعرّض الخلايا الكهروضوئية للشمس الساطعة لفترات طويلة ودرجات الحرارة المرتفعة, يقلل كفاءتها بشكل كبير وبالتالي يزيد من التكاليف المتوازنة للطاقة في المزارع والمحطات الشمسية الكهروضوئية الكبيرة, من جهة أخرى يمكن تخفيض درجات الحرارة في المزارع الشمسية الكبيرة من خلال توزيع مصفوفات الألواح الشمسية بشكل مناسب يسمح لحركة الهواء بتبريدها.
Image Source: AIP Publishing
صورة توضيحية للحقل الذي تمت فيه الاختبارات والتجارب والقياس للدراسة
كل ارتفاع لدرجة حرارة التشغيل بمقدار درجة مئوية واحدة يقابله انخفاض في كفاءة الخلايا الكهروضوئية التقليدية القائمة على السيليكون بمقدار 0.5%, لذلك تصل نسبة الفواقد في محطة شمسية كهروضوئية تعمل بدرجة حرارة أعلى من درجة حرارة الوسط المحيط بـ 25 درجة إلى 12%, بينما يعادل هذا المجال في المناطق المعتدلة مثل الكولورادو, التي تتراوح فيها درجات الحرارة خلال اليوم بين 24 و 61 درجة, ما يصل إلى 70 درجة مئوية, وهذا يؤدي إلى انخفاض الكفاءة بنسبة 12% أيضاً. أمّ بالنسبة للمناطق الأكثر دفئاً وحرارة, فإنه لا بد من البحث عن طرق لتخفيض درجات حرارة الألواح الشمسية وذلك للحد من انخفاض كفاءة الخلايا الكهروضوئية, وقد تكون هندسة توزيع الألواح بالشكل المناسب أحد الحلول.
فقد تم سابقاً اعتماد طرق مكلفة للتبريد باستخدام المياه أو الرياح أو التصنيع بمواد أقل حساسية للحرارة, وأثبتت عدم فاعلية هذه الطرق, بينما وُجد أن توزيع الألواح الشمسية بشكل مثالي وباتجاهات صحيحة تسمح لحركة الرياح المحيطة بتوزيع الحمل الحراري وبالتالي تبريدها.
عملت مجموعة NREL على تحسين النماذج التي تقوم بحساب كمية الطاقة التي تقوم المحطات الشمسية الكهروضوئية بإنتاجها اعتماداً على عوامل متعددة كالمواد والظروف البيئية ودرجة حرارة اللوح, وكان التركيز على هندسة توزيع الألواح في المحطات الشمسية الكهروضوئية والمسافات بينها. حيث تمّ إجراء محاكاة عالية الدقّة لنفق هوائي باستخدام بيانات مأخوذة من الواقع العملي, وأخذ بالاعتبار عدّة عوامل مثل ارتفاع الألواح الشمسية والتباعد بين المصفوفات وزوايا الميل واتجاه الرياح. أجريت الدراسة العملية على 16 تصميم مختلف لمصفوفات شمسية كهروضوئية وتحت ظروف بيئية متنوعة, وقد تمّ جمع البيانات باستخدام ثلاثة طرق هي: large eddy simulations (LES), وتجارب نفق الرياح Wind Tunnel (WT), إضافةً للبيانات التي تمّ تجميعها من محطة Denver Federal Center (DFC) الشمسية الكهروضوئية الموجودة في Denver وباستطاعة 2MW.
Image Source: AIP Publishing
الخيارات المختلفة لزاويا الميل للألواح الشمسية والتباعد بين المصفوفات
وقد أظهرت النتائج أن زيادة ارتفاع الخلايا الكهروضوئية وزيادة التباعد بين مصفوفات الألواح أدى إلى تحسين كفاءة الخلية الكهروضوئية بنسبة 2% إلى 3%. وتمّ التوصّل إلى أنّ العلاقة بين طريقة هندسة المحطات الشمسية الكهروضوئية والكفاءة المقابلة لها يعتبر خطوة هامّة نحو تحسين التبريد بالحمل الحراري للمحطات الشمسية الكهروضوئية من أجل رفع كفاءتها وتخفيض الفواقد في الطاقة، مما يؤدي في النهاية إلى زيادة الإنتاج وعمر الخلية الشمسية الكهروضوئية.
رابط الدراسة للاطلاع
