שיפור יעילות פוטו-וולטאית באקלים יבש באמצעות אסטרטגיות קירור

שמירה על פאנלים סולאריים קרים בחום המדברי

באזורים חמים ושמשיים, קרינת השמש שהופכת את האנרגיה הסולארית לאטרקטיבית יכולה גם לפעול לרעתה על־ידי חימום יתר של הפאנלים וירידה בתפוקתם. המחקר הזה בוחן דרכים פשוטות לקירור פאנלים על גגות באקלים הקשה של מצרים העליונה, כך שבתים ורשויות יוכלו להפיק יותר חשמל מהציוד הקיים בלי להיעזר בטכנולוגיות מורכבות או יקרות.

מדוע החום פוגע בפאנלים סולאריים

פאנלים סולאריים נבדקים בטמפרטורה סטנדרטית המקורבת לטמפרטורת חדר, אבל על גג בעיר יבשה משטחם יכול להגיע במידה ניכרת ליותר מ-50 מעלות צלזיוס. עבור פאנלים מסיליקון נפוץ, כל מעלת חום נוספת מעל הסטנדרט מורידה בערך חצי אחוז מהיעילות. במקומות כמו אסיוט במצרים העליונה, שבהם ימי הקיץ מביאים קרינה עזה ואוויר לוהט, חלק גדול מהאנרגיה הנכנסת הופך לחום במקום לחשמל. זה מגדיל את החשיבות של כל שיטה מעשית המסוגלת לפזר חום תוך שמירה על חדירת אור מספקת לתאים.

שלוש דרכים לקרר פאנל על הגג

כדי לחקור את האתגר הזה, החוקרים התקינו ארבעה פאנלים זהים על גג אוניברסיטה והפעילו אותם זה לצד זה בימי סוף הקיץ החמים. פאנל אחד שימש כנקודת ייחוס ללא קירור. השני הוקירר מקדימה בריסוס מים עדין שסופק על ידי משאבה ומכל אחסון קטן. השלישי השתמש בצינור מתכתי צר בפריסת סרפנטין על גב הפאנל, עם מים מקוררים שזורמים במעגל סגור. הפאנל הרביעי הוצב מתחת לגליון זכוכית מצועפש שהוחזק במרחק קצר מעל פניו, במטרה לשמש כמגן פסיבי שהפחית סנוור וחום ללא שימוש באנרגיה.

כיצד נערכו הבדיקות

בין תחילת ספטמבר לתחילת אוקטובר, הצוות הקליט נתונים כל שעה מאמצע הבוקר עד אמצע הצהריים, כאשר גם השמש וגם טמפרטורת האוויר היו הגבוהים ביותר. בכל רווח זמן מדדו טמפרטורת משטח הפאנל, עוצמת הקרינה, זרם ומתח, ולאחר מכן סרקו טווח עומסים חשמליים כדי למפות את עקומת ההספק המלאה של כל פאנל. נוהל זה איפשר להם לזהות במדויק את ההספק המקסימלי שכל התקנה יכלה לספק בתנאי חוץ כמעט זהים, ולשייך שינויים בתפוקה ישירות לשינויים בטמפרטורת הפאנלים.

מה עשה הקירור לתפוקת ההספק

שתי השיטות הפעילות המבוססות מים קיררו משמעותית את הפאנלים והגדילו את ההספק. מערכת הריסוס, שמשרטת את המשטח הקדמי בפרקי זמן קצרים, הובילה לירידה הגדולה ביותר בטמפרטורת המשטח בשעות החמות והעלתה את ההספק השיא בכ-20 אחוזים בהשוואה לפאנל היבש. לולאת הסרפנטין בגב נתנה עליות שיא מעט קטנות יותר אך לעתים סיפקה את ההספק הממוצע הטוב ביותר לאורך היום, הודות לקירור יציב במעגל סגור ולשימוש ממועט במים. בניגוד בולט לכך, הפאנל תחת הזכוכית פעל בטמפרטורה נמוכה יותר מהפאנל החשוף אך סבל מאובדן הספק גדול, במקרים מסוימים יותר משל שליש, מכיוון שהזכוכית המצלילה ותפיסותיה חסמו או פיזרו חלק ניכר מהאור הנכנס.

איזון בין מים, עלות וביצועים

מעבר להספק הגולמי, הצוות שקל שאלות מעשיות שבעל דירה או מתכנן מערכת עשויים לשאול. מערכת הריסוס הייתה בעלת עלות ציוד נמוכה אך צרכה את מרבית המים, דבר שעלול להוות דאגה באזורים יבשים אלא אם כן זמינים מקורות לא לשתייה. לולאת הסרפנטין דרשה יותר ציוד ראשוני וצורכת אנרגיית משאבה, אך השתמשה במים מועטים מאוד מאחר שזורמת במכל סגור. המגן הזכוכיתי, על אף פשטותו והיותו פסיבי, הראה בבירור שקירור המתבסס על הצללה יכול לפעול להיפך: כל הרווח מטמפרטורה נמוכה הוצף על ידי אובדן הקרינה השימושית.

מה משמעות הדבר לסולארי באזורים חמים

המחקר ממחיש בפשטות שקירור יכול לסייע לפאנלים סולאריים לפעול טוב יותר בחום קיצוני, אך רק אם הוא שומר על האור שהם זקוקים לו. בתנאים שנבדקו, קירור פעיל מבוסס מים, ובייחוד עיצובים של ריסוס וסרפנטין, הציע עליות הספק משמעותיות, בעוד שהכיסוי בזכוכית הפחית תפוקה למרות הורדת הטמפרטורה. לאקלים יבש ושמשי, המחברים ממליצים להשתמש בקירור בסרפנטין בעת חום מתון ולעבור לריסוס מים בשעות החמות ביותר, ולהימנע בגישות של זכוכית צל שמפחיתות את ההארה. התוצאות שלהם מספקות לתכננים ומתקינים תמונה ברורה יותר של האופן שבו תוספי קירור פשוטים יכולים להפוך את האנרגיה הסולארית לאמינה ופרודוקטיבית יותר במקומות שבהם צורך בכך ביותר.

ציטוט: Abdelsattar, M., Saleh, O.M.A., Ali, A.F.M. et al. Enhancing photovoltaic efficiency in arid climates using cooling strategies. Sci Rep 16, 16141 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50636-6

מילות מפתח: קירור פאנלים סולאריים, יעילות פוטו־וולטאית, אקלים יבש, קירור בריסוס מים, קירור בסרפנטין