تحليل آثار الارتفاع على ناتج الطاقة وكفاءة وحدات الخلايا الكهروضوئية المركبة على الأرض

لماذا يهم ارتفاع اللوح أكثر مما قد تظن

أصبحت الألواح الشمسية مشهداً مألوفاً على الأسطح وفي الحقول المفتوحة. لكن بعيداً عن عدد الألواح التي نركبها أو زاوية ميلانها، ثمة خيار تصميم بسيط يمكن أن يغير بشكل ملحوظ كمية الكهرباء التي تنتجها: مدى ارتفاعها عن سطح الأرض. تستعرض هذه الدراسة سؤالاً بسيطاً له عواقب عملية كبيرة للمنازل والمزارع ومحطات الطاقة الشمسية—ما هو ارتفاع التركيب الذي يمنح الوحدات الكهروضوئية المركبة على الأرض أفضل توازن بين التبريد والتعرض لأشعة الشمس، وكم من الطاقة الإضافية يمكن أن يوفره هذا الاختيار على المدى الطويل؟

اختبار ثلاث إعدادات بسيطة في العالم الحقيقي

أجرى الباحثون تجربة ميدانية في حرم جامعي بالمجر باستخدام ثلاث وحدات كهروضوئية متطابقة مركّبة فوق سطح خرساني. الاختلاف الوحيد بينها كان ارتفاع الحافة السفلية عن الأرض: 0.7 متر، 1.1 متر، أو 1.6 متر. كانت الثلاثة مواجهات للجنوب بنفس زاوية الميل 45 درجة لضمان تعرض متساوٍ للشمس. في يوم خريفي صافٍ، من أواخر الصباح حتى أواخر الظهيرة، سجّلت الأجهزة باستمرار مستويات الإشعاع الشمسي ودرجة هواء المحيط وسرعة الرياح ودرجات حرارة الألواح والمخرجات الكهربائية—الفولتية، والتيار، القدرة، والكفاءة—لكل وحدة.

كيف يغير الهواء وضوء الأرض سلوك اللوحات

يغيّر الارتفاع عن الأرض عاملين رئيسيين يؤثران في اللوح. أولاً، تدفق الهواء: حين يتحرك الريح تحت اللوح وحوله، يحمل الحرارة بعيداً، مبرداً خلايا الشمس ويساعدها على العمل بكفاءة أعلى. القليل جداً من الهواء يؤدي إلى ارتفاع حرارة الخلايا؛ والمزدحم جداً يقوّض فعالية التبريد. ثانياً، الضوء المنعكس من الأرض، المعروف بالألبيدو: الخرسانة الساطعة تعكس ضوء شمس إضافي نحو اللوح، ما قد يزيد حصيلة الطاقة لكنه يضيف حرارة أيضاً. بمقارنة الثلاثة ارتفاعات في نفس ظروف الطقس، تمكن الفريق من رؤية كيف تجسدت هذه التأثيرات المناخية الدقيقة عملياً على مدار اليوم.

النقطة المثلى: ارتفاع متوسط يفوز

كانت النتائج واضحة. أدت الوحدة المركبة على ارتفاع 1.1 متر إلى تشغيل أبرد باستمرار وإنتاج طاقة أكبر مقارنة بتلك الموضوعة أدنى أو أعلى. كانت درجة حرارة خلاياها أقل بنحو 4–5 °مق من وحدة 0.7 متر و7–9 °مق أقل من وحدة 1.6 متر. ونظراً لأن الخلايا الشمسية تفقد الفولتية مع ارتفاع حرارتها، تحوّل هذا الامتياز الحراري إلى أداء كهربائي أفضل. في المتوسط، قدّمت وحدة 1.1 متر نحو 31.6 واط بفعالية 6.67%، مقارنةً بـ 25.3 واط و5.36% عند 0.7 متر وفقط 19.7 واط و4.29% عند 1.6 متر. في أوقات الذروة، وصل اللوح بارتفاع 1.1 متر إلى نحو 39 واط—أي عدة واط أكثر من الجيران.

التحقق من أن الفوارق حقيقية

للتأكد من أن هذه المكاسب لم تكن مجرد تذبذبات عشوائية في الإشعاع أو الطقس، طبق المؤلفون تقنيات إحصائية معيارية. أظهر تحليل من نوع ANOVA، تلاه اختبار مقارنة أكثر تفصيلاً، أن الفروق في القدرة والكفاءة بين الارتفاعات الثلاثة كانت أكبر بكثير مما يمكن أن تفسره الصدفة وحدها. بعبارة أخرى، كان الارتفاع عاملاً تصميمياً حقيقياً ويمكن قياسه. أظهرت فحوص دقة الأجهزة أن قراءات القدرة والكفاءة دقيقة، مع أخطاء تبلغ نحو واحد بالمئة فقط. تدعم البيانات معاً فكرة أن الارتفاع المتوسط يوفر أفضل مزيج من تدفق الهواء المستقر والضوء المنعكس المفيد، لكن غير المفرط، من الخرسانة.

فواتير الطاقة، مكاسب مناخية، وخيارات تصميم بسيطة

على الرغم من أن التجربة استخدمت لوحاً صغيراً نسبياً، فإن النتائج قابلة للتوسع إلى أنظمة أكبر. باستخدام صيغ اقتصادية معيارية، يقدر الباحثون أن نظاماً مركباً على الأرض مصمماً وفق هذه المعايير يمكن أن يولد كهرباء بتكلفة تقارب 0.084 دولار لكل كيلوواط-ساعة على مدى عمر افتراضي 25 عاماً، مع تجنّب ما يقرب من 580 كيلوغراماً من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون مقارنة بالشبكة. بالنسبة لأصحاب المنازل والمزارعين ومخططي مزارع الطاقة الشمسية، يشير هذا إلى أن اختيار ارتفاع التركيب بعناية—نحو 1.1 متر في ظروف مشابهة لتلك الدراسة—يوفر وسيلة منخفضة التكلفة لاستخراج المزيد من الطاقة والموثوقية من التكنولوجيا الحالية. تذكّرنا هذه النتيجة أنه في السعي نحو طاقة نظيفة، يمكن للتفاصيل الهندسية الصغيرة أن تجمع بهدوء لتتحول إلى مكاسب ذات معنى لكل من الميزانيات والمناخ.

الاستشهاد: Altaye, A.T., Farkas, I. & Víg, P. Analysis of effects of elevation on the power output and efficiency of ground-mounted photovoltaic modules. Sci Rep 16, 6311 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37413-1

الكلمات المفتاحية: الألواح الشمسية, الأنظمة الكهروضوئية, ارتفاع التركيب, كفاءة الطاقة, تصميم الطاقة المتجددة