Clear Sky Science
הסברים מבוססי ראיות, עם מעט ז'רגון

Clear Sky Science · he

השפעות האירוסולים האטמוספיריים על חוסר ההתאמה הספקטרלי והאי־ודאות המתקבלת בביצועי פוטו-וולטאיים

· חזרה לאינדקס

מדוע צבע האור השמשי חשוב לפאנלים סולאריים

בעלי בתים, משקיעים ומתכנני רשת נוטים להתייחס לחשמל סולארי כאל דבר צפוי: בהתחשב בכמות מסוימת של שמש, פאנל סולארי אמור לספק כמות מוגדרת של חשמל. ובפועל, עם זאת, פאנלים זהים תחת אותו מדד של אור שמש יכולים להפיק חשמל שונה במידה ניכרת. מאמר זה מסביר רועה סתר מאחורי אותם הבדלים: חלקיקים זעירים באוויר, שנקראים אירוסולים, משנים בעדינות את "תערובת הצבעים" של האור השמשי באופן שמבחני התקן הסטנדרטיים אינם לוכדים, מה שמוביל לרווחים או להפסדים שקטים בביצועי השדה של עד כעשירית מהממוצע.

Figure 1
Figure 1.

אור שמש במעבדה לעומת אור שמש בעולם האמיתי

יעילות מודולי הסולאר המסחריים מאושרת תחת תנאי בדיקה סטנדרטיים מוגדרים בקפידה. במעבדה מאירים את הפאנלים בספקטרום ייחוס המכונה AM1.5G, שמייצג שמש צהרית אידיאלית באטמוספירה צלולה, ותאי הסוללה נשמרים בטמפרטורת 25 °C. מחוץ למעבדה, עם זאת, ספקטרום האור השמשי כמעט אף פעם אינו זהה לסטנדרט זה. כשהשמש חוצה את האטמוספירה היא נבלעת ומפוזרת על ידי גזים, אדי מים, ובמיוחד אירוסולים — חלקיקים עדינים ממלח ימי, אבק מדברי, זיהום עירוני ושריפת ביומסה. חיישני הקרינה הסטנדרטיים מודדים רק את עוצמת האנרגיה הכוללת של האור ולא את המבנה הספקטרלי המפורט שלו, כך ששינויים בצורה הספקטרלית יכולים לגרום לתפוקת חשמל של פאנל לסטות מהערך המדורג גם כאשר הקרינה הנמדדת נראית ללא שינוי.

מספר פשוט לספקטרום מורכב

כדי לעקוב אחר האפקט הזה, המחברים מתמקדים בכמות שנקראת גורם ספקטרלי. הוא משווה עד כמה תא סולארי רגיש לספקטרום האור בפועל לעומת ספקטרום ה‑AM1.5G הסטנדרטי. אם הגורם הספקטרלי גדול מאחד, האטמוספירה האמיתית נותנת לפאנל "בונוס" ספקטרלי; אם הוא קטן מאחד, יש הפסד. בעזרת מודל העברה קרינתית אמין (SMARTS2), המחקר מדמה מאות אלפי ספקטרומים ריאליסטיים, תוך שינוי גובה השמש בשמיים, זווית נטיית הפאנל, אדי מים אטמוספריים ותכונות אירוסולים מפורטות. שלב מפתח הוא לשלב כל ספקטרום מדומה עם הרגישות תלויה־אורך־גל הידועה של תאי סיליקון גבישיים, הטכנולוגיה הדומיננטית בשוק כיום, כדי לראות כמה זרם חשמלי שימושי כל ספקטרום יפיק.

Figure 2
Figure 2.

מה אירוסולים שונים וזויות פאנל עושים באמת

הצוות חוקר חמש קטגוריות רחבות של אירוסולים: תרסיס ימי, אבק מדברי, חלקיקים מעורבים, זיהום עירוני‑תעשייתי ועשן משריפת ביומסה. אפילו כשהספקטרומים שלהם נראים דומים בעין בלתי מזוינת, אירוסולים אלה מזיזים את האור לקראת אורכי גל אדומים או כחולים ומשנים את היחס בין אור שמש ישיר לבין זוהר שמיימי מפוזר. המדמויות מראות שפאנלים השוכבים שטוחים נוטים לספוג הפסדים ספקטרליים, במיוחד כשקיימים אירוסולים עדינים וסופגים כגון ערפל עירוני או עשן וכשהשמש קרובה לאופק. ככל שזווית הנטייה גדלה, ההפסדים הללו מצטמצמים ואף יכולים להפוך לרווחים. פאנלים המותקנים אנכית — בדומה לחזיתות בניינים — חווים לעתים רווחים ספקטרליים ניכרים, במיוחד בתנאי עמימות עם חלקיקים עדינים, אף על פי שסך האור המנוצל שלהם עשוי להיות נמוך יותר.

ממעברי צבע לרווחים והפסדי כוח אמיתיים

בניסוי "וירטואלי" רחב, המחברים מחשבים את היעילות האפקטיבית של מודול סיליקון בעל יעילות נומינלית של 20% כמעט ב‑900,000 שילובים שונים של קוֹטבָה, נטיית פאנל, מיקום השמש ותכונות אטמוספריות. הם מגלים שחוסר ההתאמה הספקטרלי המונע על ידי אירוסולים בפני עצמו יכול לדחוף את היעילות למעלה או למטה בכ־10% בערך, ובתנאים מסוימים אף יותר. חלקיקים גסים כמו אירוסולים ימיים ואבק מדברי נוטים לתמוך ביעילות גבוהה יותר ברוחביות בינוניות, בעוד זיהום עדין ועשן יוצרים תנודתיות חזקה יותר ובדרך כלל יעילות נמוכה יותר בקוטביות הגבוהות. בדיקות סטטיסטיות מאשרות שההבדלים בין קבוצות האירוסולים הללו אינם רק רעש אלא השפעות שיטתיות. באזורים כמו סין, שבהם קיימים ציוני סולאר רחבים ותדירות גבוהה של אירועי זיהום, התוצאות מרמזות שאוויר מזוהם יכול לשחוק בשקט את תפוקת הסולאר מעבר לעמעום הברור של השמש.

מה משמעות הדבר לתכנון סולארי ולמערכות יומיומיות

ללא־מומחה, המסר המרכזי הוא שאיכות האור השמשי חשובה לא פחות מכמותו. שני ימים עם אותה כמות שמש מדודה יכולים להניב תפוקה שונה מאותו מערך סולארי משום שאירוסולים עיצבו מחדש את הספקטרום באופן שמיטיב או מזיק לתאי הסיליקון. המחברים מראים שבתנאי חוץ טיפוסיים האפקט הסמוי הזה יכול לשנות את היעילות בכ‑עשירית, והפסדים צנועים עשויים להופיע גם בימים שנראים מתונים כאשר הפאנלים כמעט שטוחים, השמש נמוכה והאוויר מכיל כמויות מתונות של חלקיקים עדינים סופגים. ככל שהאנרגיה הסולארית ממשיכה להתרחב, במיוחד באזורים מזוהמים או מדבריים ועל חזיתות בניינים, התחשבות בהשפעות ספקטרליות אלה תסייע להפוך את אומדני הביצוע לאמינים יותר ואת התכנון הפיננסי לבטוח יותר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: ספקטרום השמש, אירוסולים, יעילות פוטו-וולטאית, חוסר התאמה ספקטרלי, הערכת משאב סולארי