تأثير الهباء الجوي على الاختلاف الطيفي وعدم اليقين الناتج في أداء الخلايا الفوتوفولطية

لماذا تهم «لون» ضوء الشمس ألواح الطاقة الشمسية

يتعامل أصحاب المنازل والمستثمرون ومخططو الشبكات غالبًا مع الطاقة الشمسية على أنها متوقعة: بقدر معين من ضوء الشمس، ينبغي للوحة شمسية أن تنتج قدرًا معينًا من الكهرباء. ومع ذلك، في الواقع، قد تنتج ألواح متطابقة تحت نفس ضوء الشمس المقاس طاقة مختلفة بشكل ملحوظ. توضح هذه الورقة سببًا خفيًا وراء تلك التباينات: جسيمات دقيقة في الهواء، تُسمى الهباء الجوي، تغيّر بخفوت «مزيج الألوان» في ضوء الشمس بطرق لا تلتقطها الاختبارات القياسية، مما يؤدي إلى مكاسب أو خسائر هادئة في الأداء الفعلي لنظم الطاقة الشمسية تصل إلى حوالي عشرة بالمائة.

ضوء الشمس في المختبر مقابل ضوء الشمس في العالم الحقيقي

تُعتمد كفاءة الوحدات الشمسية التجارية بموجب شروط اختبار معيارية محددة بعناية. في المختبر تُضاء الألواح بطيف مرجعي يُعرف باسم AM1.5G، الذي يمثل شمس منتصف النهار المثالية في غلاف جوي صافٍ، وتُحفظ الخلايا عند 25 °C. خارج المختبر، مع ذلك، نادرًا ما يكون طيف ضوء الشمس مطابقًا لهذا المعيار. أثناء مروره بالغلاف الجوي يُمتص ضوء الشمس ويتشتت بواسطة الغازات وبخار الماء، وخاصة الهباء الجوي—الجسيمات الدقيقة الناجمة عن رذاذ البحر والغبار والتلوث وحرائق الكتلة الحيوية. تقيس حساسات الإشعاع القياسية فقط القدرة الكلية لهذا الضوء، وليس طيفه المفصل، لذلك يمكن أن تسبب التغيرات في الشكل الطيفي انحرافًا في إنتاج الطاقة للوحة عن قيمتها المقننة حتى عندما يبدو الإشعاع المقاس دون تغيير.

رقم بسيط لطيف معقَّد

لمتابعة هذا التأثير يركز المؤلفون على كمية تُدعى العامل الطيفي. تقارن هذه الكمية مدى استجابة الخلية الشمسية لطيف ضوء الشمس الفعلي مقابل طيف AM1.5G القياسي. إذا كان العامل الطيفي أكبر من واحد، يمنح الغلاف الجوي الحقيقي اللوحة «مكافأة» طيفية؛ وإذا كان أقل من واحد فهناك خسارة. باستخدام نموذج انتقال إشعاعي موثوق (SMARTS2)، تُحاكي الدراسة مئات الآلاف من الأطياف الواقعية المختلفة، متغيرة في ارتفاع الشمس في السماء، وزاوية ميلان اللوحة، وبخار الماء في الغلاف الجوي، وخصائص الهباء الجوي التفصيلية. خطوة أساسية هي دمج كل طيف مُحاكى مع معرفة حساسية الخلايا من السيليكون البلوري على مستوى الطول الموجي بموجبه، التكنولوجيا المهيمنة في السوق اليوم، لمعرفة كمية التيار الكهربائي المفيد الذي ستولده كل طيف.

ما الذي تفعله أنواع الهباء وزوايا الألواح فعلاً

يستكشف الفريق خمسة أنواع عريضة من الهباء الجوي: رذاذ بحري، غبار صحراوي، جسيمات مختلطة، تلوث حضري‑صناعي، ودخان ناتج عن احتراق الكتلة الحيوية. حتى عندما تبدو أطيافها متشابهة للعين، فإن هذه الجسيمات تحوّل ضوء الشمس بهدوء نحو أطوال موجية أحمَر أو أزرَق وتغير التوازن بين ضوء الشمس المباشر وتوهّج السماء المنتشر. تُظهر المحاكاة أن الألواح المستوية تميل إلى تكبد خسائر طيفية، خاصة عند وجود هباء دقيق ماص مثل الضباب الحضري أو الدخان وعندما تكون الشمس منخفضة على الأفق. ومع زيادة زاوية الميلان تتضاءل هذه الخسائر وقد تتحول إلى مكاسب. غالبًا ما تُظهر الألواح المركبة عمودياً—مشابهة لواجهات المباني—مكاسب طيفية ملحوظة، لا سيما في ظروف ضبابية مع جسيمات دقيقة، رغم أن إجمالي ضوء الشمس الذي تلتقطه قد يكون أقل.

من تحويلات اللون إلى مكاسب وخسائر في الطاقة الحقيقية

في «تجربة افتراضية» كبيرة، يحسب المؤلفون الكفاءة الفعالة لوحدة سيليكون بكفاءة اسمية 20% تحت ما يقرب من 900,000 تركيبة مختلفة من خط العرض وزاوية اللوحة وموقع الشمس وخصائص الغلاف الجوي. يجدون أن الاختلاف الطيفي الناجم عن الهباء الجوي وحده يمكن أن يرفع أو يخفض الكفاءة بنحو 10%، وفي بعض الظروف الخاصة أكثر من ذلك. تميل الجسيمات الخشنة مثل رذاذ البحر وغبار الصحراء إلى تفضيل كفاءات أعلى عند خطوط العرض المتوسطة، بينما تخلق الجسيمات الدقيقة من التلوث والدخان تباينًا أقوى وكفاءات أقل عمومًا عند خطوط العرض الأعلى. تؤكد الاختبارات الإحصائية أن هذه الاختلافات بين فئات الهباء ليست مجرد ضوضاء بل تأثيرات منهجية. بالنسبة لمناطق مثل الصين، حيث توجد أساطيل شمسية كبيرة وحلقات تلوث متكررة، تشير النتائج إلى أن الهواء الملوث يمكن أن يقوّض إنتاج الطاقة الشمسية بهدوء إلى ما يتجاوز تعتيم الشمس الواضح.

ما الذي يعنيه هذا لتخطيط الطاقة الشمسية والأنظمة اليومية

بالنسبة لغير المتخصص، الرسالة المركزية هي أن «جودة» ضوء الشمس تهم بقدر كميته. يومان لهما نفس الإشعاع المقاس قد يقدمان طاقة مختلفة من نفس المصفوفة الشمسية لأن الهباء الجوي أعاد تشكيل الطيف بطرق تفيد أو تضر خلايا السيليكون. يُظهر المؤلفون أنه تحت ظروف خارجية نموذجية يمكن أن يغيّر هذا التأثير الخفي الكفاءة بحوالي عُشر، وقد تظهر خسائر متواضعة حتى في أيام تبدو معتدلة عندما تكون الألواح شبه مستوية، والشمس منخفضة، والهواء يحتوي على كميات معتدلة من الجسيمات الدقيقة الماصة. مع استمرار توسع الطاقة الشمسية، لا سيما في المناطق المليئة بالغبار أو التلوث وعلى واجهات المباني، سيساعد أخذ هذه التأثيرات الطيفية في الحسبان على جعل تقديرات الأداء أكثر موثوقية والتخطيط المالي أكثر أمانًا.

الاستشهاد: Hategan, SM., Paulescu, E. & Paulescu, M. Atmospheric aerosol effects on spectral mismatch and the resulting uncertainty in photovoltaic performance. Sci Rep 16, 5339 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36144-7

الكلمات المفتاحية: طيف الشمس, الهباء الجوي, كفاءة الخلايا الضوئية, الاختلاف الطيفي, تقييم موارد الطاقة الشمسية