مقارنة أداء تجريبية بين الحقول الثابتة والحقول ذات المحور الواحد في محطة طاقة ضوئية واسعة النطاق في الهواء الطلق

لماذا تهم هذه الدراسة الشمسية

مع اتجاه المزيد من الدول إلى الشمس لتزويد المنازل والمدن بالطاقة، يصبح سؤال أساسي حاسماً: كيف نرتب الألواح الشمسية في العالم الحقيقي لاستخراج أكبر قدر من الكهرباء؟ تبحث هذه الدراسة في هذا السؤال في محطة شمسية كبيرة بالصحراء في الجزائر، مقارِنةً الألواح الثابتة بالألواح التي تتبع الشمس ببطء. تساعد النتائج في توضيح كيفية تصميم مزرع شمسي أفضل في المناطق الحارة والمشمسة حيث كل نسبة إضافية من الطاقة تهم.

محطة طاقة صحراوية كمختبر واقعي

أُجريت الأبحاث في محطة طاقة شمسية بقوة 1.1 ميغاواط قرب غرداية، على حافة الصحراء الكبرى. هنا، يكون ضوء الشمس قويًا لكن الظروف قاسية: يمكن أن تقترب درجات حرارة الهواء الصيفية من 50 °م، وتحمل الرياح رمالاً دقيقة، والرطوبة تتقلب من جفاف شديد في الظهيرة إلى رطوبة في الصباح. داخل هذه المحطة، ركز الفريق على أربعة حقول فرعية كل منها بحجم نحو 100 كيلوواط، جميعها مائلة بزاوية 30 درجة ومتجهة نحو الجنوب. استخدمت حقلتان ألواح سيليكون أحادية البلورية واثنتان ألواح سيليكون متعددة البلورية. بالنسبة لكل مادة، وُضع حقل فرعي واحد على قواعد ثابتة والآخر على متتبِّعات ذات محور واحد تدور شرق–غرب لمتابعة الشمس.

مراقبة الشمس والألواح عبر الفصول

بدلاً من الاعتماد على المحاكاة وحدها، قاس الباحثون ما حدث فعليًا في الميدان. على مدار أربعة أيام في 2016—يوم واحد في كل من الشتاء والربيع والصيف والخريف—سجلوا إنتاج الطاقة من كل حقل فرعي كل أربع دقائق من شروق الشمس حتى غروبها. في الوقت نفسه، راقب محطة أرصاد على سقف غرفة التحكم سطوع الشمس ودرجة حرارة الهواء ودرجة حرارة الألواح وسرعة الرياح والرطوبة. اختبر الفريق أيضًا نموذجًا رياضيًا معروفًا للإشعاع على الأسطح المائلة، ليتحقق مما إذا كان بإمكانه التنبؤ بدقة بالطاقة الشمسية الواردة باستخدام بيانات جغرافية وغلافية محلية. تطابقت تنبؤات النموذج مع القياسات عن كثب، خاصة في الصيف والخريف، مؤكدة أنه يمكن الاعتماد عليه لتقدير ضوء الشمس المتاح في هذه المنطقة عندما لا تتوفر أجهزة استشعار مخصصة.

الألواح الثابتة مقابل الألواح المتتبِّعة للشمس

كشفت منحنيات القدرة كيفية تصرف الترتيبات المختلفة خلال يوم نموذجي. في يوم ربيعي مشرق، بلغ الحقل الأحادي البلورية الثابت ذروة قدرة قصيرة الأمد نحو 96 كيلوواط—أعلى قليلاً من نظيره المتتبِّع، لأن ظروف الظهيرة فضلت توجيهه الدقيق. لكن عند النظر إلى كامل اليوم بدلاً من اللحظة الأعلى فقط، تغيّر المشهد. عبر جميع الفصول الأربعة، أنتجت أنظمة التتبع قدرة متوسطة وطاقة يومية إجمالية أكثر من الأنظمة الثابتة. في الصيف، قدم الحقل الأحادي البلورية ذو المحور الواحد نحو 19% قدرة متوسطة أكثر من نظيره الثابت، بينما حقق حقل متعدد البلورية المتتبِّع نحو 21% زيادة عن شقيقه الثابت. اتبعت الطاقة اليومية نفس النمط: في يوم الاختبار في يوليو، وصلت الحقول المتتبِّعة إلى نحو 788 و715 كيلوواط-ساعة، متفوقة بوضوح على الحقول الثابتة التي بقيت دون 640 و560 كيلوواط-ساعة.

كيف يشكل الطقس أداء النظام الشمسي

بما أن كل قياس رُبط ببيانات الطقس، تمكنت الدراسة من تفكيك كيفية تأثير الطبيعة على المحطة. عزز ضوء الشمس الأقوى القدرة بالطبع، والتقطت الحقول المتتبِّعة المزيد منه عبر الحفاظ على محاذاة أفضل مع الشمس طوال اليوم، لا سيما في الصباح والمساء المتأخر. بقيت درجات الحرارة، التي تقلق مصممي الأنظمة الشمسية في كثير من الأحيان، ضمن نطاق مقبول بحيث كانت خسائر الكفاءة معتدلة؛ ففي أشد أيام الصيف حرارة، تزامنت درجات الحرارة العالية والإشعاع الشديد مع أكبر مكاسب قدرة لأنظمة التتبع. تبين أن الرياح حليف هادئ: فقد برّدت الألواح أحيانًا ونفثت الغبار بعيدًا، مما ساعد الأداء، بينما قللت الرطوبة العالية والغيوم في الشتاء والخريف الأداء بتعتيم الضوء وبتكثف الرطوبة على أسطح الألواح.

تركيب أرقام حول ميزة التتبع

لتوضيح المقارنة، حسب الباحثون «نسبة التعزيز» التي تظهر مقدار الزيادة في القدرة المتوسطة التي أنتجتها الحقول المتتبِّعة مقارنة بالحقول الثابتة من نفس نوع اللوح. حتى في أيام الاختبار الأقل ملاءمة في الشتاء والخريف، عزز التتبع ذو المحور الواحد إنتاج الأحادي البلورية بنحو 3–9% والألواح متعددة البلورية بحوالي 12%. في اختبارات الربيع والصيف الأكثر إشراقًا، وصلت المكاسب إلى نحو 10–19% للألواح الأحادية البلورية و20–21% للمتعددة البلورية. عموماً، أظهر حقل التتبع متعدد البلورية زيادات نسبية أكبر قليلًا، بينما قدم حقل التتبع الأحادي البلورية أعلى طاقة يومية مطلقة.

ماذا يعني هذا لمزارع الطاقة الشمسية المستقبلية

بالنسبة للقراء المهتمين بمستقبل الطاقة النظيفة، الخلاصة واضحة: في الصحاري الحارة والمشمسة مثل جنوب الجزائر، يمكن لتركيب الألواح الشمسية على متتبِّكات بسيطة شرق–غرب أن يزيد بشكل ملحوظ الكهرباء المنتجة من نفس القدرة المركبة. تُظهر الدراسة أن هذه المتتبِّكات لا تكتفي بتسوية قدرة الإنتاج على مدار اليوم فحسب، بل تتجاوب جيدًا أيضًا مع أنماط الطقس المحلية، مستغلة أشعة الصيف القوية والرياح المبردة بشكل أفضل. يخلص المؤلفون إلى أن التتبع ذو المحور الواحد—لا سيما مع الألواح متعددة البلورية المتينة—يمثل خيارًا قويًا لمزارع شمسية كبيرة في مناخات الصحراء، وأنه يمكن لنماذج ضوء الشمس الموثوقة أن تساعد في تصميم مثل هذه الأنظمة حتى حيث تكون القياسات التفصيلية نادرة.

الاستشهاد: Abderraouf, B., Lakhdar, L.M., Abdelkader, B. et al. Experimental performance comparison of fixed and single-axis subfields in a large-scale outdoor photovoltaic power plant. Sci Rep 16, 12293 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41570-8

الكلمات المفتاحية: تتبُّع شمسي, محطة طاقة ضوئية, طاقة شمسية صحراوية, ألواح أحادية ومتعددة البلورية, نمذجة الإشعاع الشمسي