השוואת ביצועים ניסויית בין תתי-שדות קבועים ובעלי ציר יחיד בתחנת כוח פוטו־וולטאית חיצונית בקנה מידה גדול

תחנת כוח מדברית כמעבדה אמיתית

המחקר נערך בתחנת כוח סולארית בקיבולת של 1.1 מגה־וואט בסמוך לגרדאיה, על קצה הסהרה. כאן הקרינה חזקה אך התנאים קשים: טמפרטורות בקיץ יכולות להתקרב ל־50 °C, הרוח נושאת חול דק ולחות נעה בין אדיום יבש בבקרים ללחות בבקרים. בתוך התחנה התמקדו החוקרים בארבעה תת־שדות של כ־100 קילוואט כל אחד, כולם מוטים בזווית של 30 מעלות ופונים דרומה. שני תת־שדות השתמשו בלוחות סיליקון מונוקוריסטליים ושניים בלוחות פוליקריסטליים. בכל חומר אחד תת־שדה הותקן על מסגרות קבועות והשני על מעקבים בעלי ציר יחיד המסתובבים מזרח–מערב לעקוב אחרי השמש.

מעקב אחר השמש והלוחות לאורך העונות

במקום להסתמך רק על סימולציות, החוקרים מדדו את מה שקרה בשטח בפועל. בארבעה ימי מדידה ב־2016 — יום בחורף, באביב, בקיץ ובסתיו — הם רשמו את תפוקת הכוח של כל תת־שדה כל ארבע דקות משקיעת השמש ועד לזריחה. במקביל, תחנת מזג אוויר על גג חדר הבקרה עקבה אחר בהירות השמש, טמפרטורת האוויר, טמפרטורת הלוחות, מהירות הרוח ולחות. הצוות גם בחן מודל מתמטי ידוע של קרינה על משטחים מוטים, כדי לבדוק האם הוא יכול לחזות במדויק את האנרגיה הסולארית הנכנסת באמצעות נתונים גאוגרפיים ואטמוספיריים מקומיים. תחזיות המודל התאימו למדידות באופן הדוק, במיוחד בקיץ ובסתיו, ואישרו שניתן להעריך באמינות את הקרינה הזמינה באזור זה גם בהיעדר חיישנים ייעודיים.

לוחות קבועים מול לוחות עוקבי שמש

עקומות ההספק חשפו כיצד הסדרים השונים מתנהגים לאורך יום טיפוסי. ביום אביב בהיר, תת־השדה המונוקוריסטלי הקבוע הגיע לזמן קצר לשיא ההספק הגבוה ביותר — כ־96 קילוואט — מעט יותר מאחיו העוקב, כיוון שבתנאי הצהריים הוטבה בדיוק כיוונו. אך כאשר בוחנים את כל היום ולא רק את הרגע היחיד של השיא, התמונה השתנתה. בכל ארבע העונות המערכות העוקבות סיפקו הספק ממוצע גבוה יותר וסך אנרגיה יומית גבוה יותר מהמערכות הקבועות. בקיץ, תת־שדה מונוקוריסטלי בעל ציר יחיד סיפק כ־19% הספק ממוצע יותר מאשר התת־שדה הקבוע שלו, ותת־השדה הפוליקריסטלי העוקב הרוויח כ־21% לעומת התאום הקבוע. גם האנרגיה היומית הראתה את אותו הדפוס: ביום הבדיקה ביולי, השדות העוקבים הגיעו לכ־788 ו־715 קילוואט־שעה, עקפו בבירור את השדות הקבועים שנותרו מתחת ל־640 ו־560 קילוואט־שעה בהתאמה.

כיצד מזג האוויר מעצב את ביצועי השדה

כיוון שכל קריאה הייתה מקושרת לנתוני מזג אוויר, המחקר הצליח להבחין כיצד הטבע מסייע או מפריע לתחנה. קרינה חזקה הגבירו באופן טבעי את ההספק, והשדות העוקבים קלטו יותר ממנה על ידי שמירה על פני הלוחות מותאמים לשמש לאורך היום, במיוחד בבוקר ובדמדומים. הטמפרטורות, שמדאיגות פעמים רבות את המתכננים הסולאריים, נשארו בטווח שהגביל את איבודי היעילות באופן מתון; ביום הקיץ החם ביותר, טמפרטורות גבוהות וקרינת שמש חזקה יחדיו עדיין ציינו את הרווחים הגבוהים ביותר בהספק למערכות העוקבות. הרוח התגלתה לבעלת ברית שקטה: רוחות קלות קיררו את הלוחות ולפעמים ניפו אבק, מה שסייע לתפוקה, בעוד שלחות גבוהה ועננות בחורף ובסתיו הפחיתו את הביצועים על ידי החלשת האור ואפשרות של עיבוי לחות על פני הלוחות.

הצבת מספרים על יתרון המעקב

כדי להבהיר את ההשוואה, החוקרים חישבו "אחוז הגברה" שמראה כמה הספק ממוצע נוסף ייצרו השדות העוקבים בהשוואה לשדות קבועים מאותו סוג לוח. אפילו בימי המבחן הפחות מזהירים של חורף וסתיו, מעקב בעל ציר יחיד הגדיל את התפוקה המונוקוריסטלית בכ־3–9% ואת התפוקה הפוליקריסטלית בכ־כ־12%. במבחני האביב והקיץ השמשיים יותר, ההישגים הגיעו לכ־10–19% עבור לוחות מונוקוריסטליים ולכ־20–21% עבור לוחות פוליקריסטליים. בסך הכל, תת־השדה העוקב הפוליקריסטלי הראה רווחים אחוזיים מעט גבוהים יותר, בעוד שתת־השדה העוקב המונוקוריסטלי סיפק את האנרגיה היומית המוחלטת הגבוהה ביותר.

מה המשמעות עבור חוות סולאריות עתידיות

למי שחושב על עתיד האנרגיה הנקייה, המסקנה ברורה: במדבריות חמות ושמשיות כמו דרום אלג'יריה, התקנת לוחות סולאריים על מערכות מעקב פשוטות מזרח–מערב יכולה להגדיל בצורה ניכרת את החשמל המופק מאותה תפוקה מותקנת. המחקר מראה שמעקבים אלה לא רק מיישרים את ההספק לאורך היום אלא גם מגיבים היטב לתנאי מזג אוויר מקומיים, ומנצלים טוב יותר את שמש הקיץ החזקה והרוחות המקררות. המחברים מסכמים שמעגלי מעקב בעל ציר יחיד — ובמיוחד בשילוב עם לוחות פוליקריסטליים עמידים — מהווים אפשרות חזקה לחוות סולאריות גדולות באקלימים סהראניים, ושמודלי שמש אמינים יכולים לסייע בתכנון מערכות כאלה גם איפה שחסרים מדידות מפורטות.

ציטוט: 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

מילות מפתח: מעקב שמש, תחנת כוח פוטוולטאית, אנרגיה סולארית מדברית, לוחות מונוקוסטריליים ופוליקריסטליים, מודליזציה של הקרינה הסולארית