ويطرح الشتاء مجموعة متميزة من التحديات التي تواجه نظم الطاقة الشمسية، ولا سيما في المناطق التي تعاني من شلالات ثلجية شديدة وظروف زلزال طويلة، وفي حين أن الألواح الشمسية قوية عموما، فإن الثلج والجليد يمكن أن يضعفا كثيرا من أدائها، ويقلل من إنتاج الطاقة ويتسببا في أضرار طويلة الأجل، ففهم الآليات الموجودة في مواقع العمل وينفذ تدابير مضادة ثبتت فعاليتها أمر أساسي للحفاظ على كفاءة النظام الأمثل طوال الأشهر الباردة.

ولا يحجب الثلج والثلج مجرد ضوء الشمس؛ بل يغيران الديناميات الحرارية لللوحات، ويحدثان الإجهاد الميكانيكي، ويحتاجان إلى تخطيط عملي دقيق، ولكن مع خيارات التصميم الصحيحة وبروتوكولات الصيانة، يمكن تخفيف العديد من هذه المسائل، وتستكشف هذه المادة الفيزياء وراء فقدان الأداء في الشتاء، وتدرس الآثار الاقتصادية والتشغيلية، وتوفر دليلا شاملا للاستراتيجيات التي تحافظ على إنتاج الصفوف الشمسية حتى في جو الشتاء القاسي.

فيزياء الثلج في الفريق الشمسي

وعندما يتراكم الثلج على لوحة فولطية ضوئية، فإنه يخلق حاجزا فاضحا بين الشمس وخلايا السيليكون، مما يقلل من الإشعاع الذي يصل إلى الخلايا إلى الصفر، ويتوقف إنتاج الكهرباء بشكل فعال، بل إن طبقة رقيقة من الثلج يمكن أن تعكس ما يصل إلى 80-90 في المائة من شروق الشمس، وذلك حسب كثافة الثلج والهيكل البلوري، ويزيد هذا الأثر من حدة الشمس المتوسطة التي ترتفع بالفعل إلى 30 في المائة.

كما أن هذه المادة تؤثر على السلوك الحراري للفرقة، حيث تعمل الألواح الشمسية بأقصى قدر من الكفاءة عندما تبلغ درجة حرارة سطحها نحو ٢٥ درجة مئوية )٧٧٧ درجة ف(.

Reflection and Albedo Effects

ويعود ثلج طازج إلى طلاء عال (الإنتعاش) يتراوح بين 0.8 و 0.9، مما يعني أن معظم ضوء الشمس يُرجم إلى الغلاف الجوي، وفي حين يزيد هذا الضوء المحيطي حول الألواح (التي يمكن أن تستوعب بعضها أطراف الفريق)، فإن المكاسب المباشرة من انعكاسات الانتشار ضئيلة، ويحدث الأثر الصافي انخفاضا حادا في أشعة الشعاع المباشر في المصابيح، وهو المحرك الرئيسي للأشعة الضوئية.

ومن المثير للاهتمام أن ارتفاع مستوى البطن في الأرض المحيطة يمكن أن يعزز الأداء فعلاً بمجرد أن يكشف الثلج، وذلك بتسليط الضوء الإضافي على اللوحات، ويمكن أن يؤدي " تعزيز اللحن " إلى زيادة غلة الشتاء بنسبة 10 إلى 20 في المائة في أيام واضحة بعد سقوط الثلج الطازجة، شريطة أن تكون الأفرقة نظيفة، وهذه الظاهرة موثقة جيداً في NREL) بشأن الخسائر المتصلة بالثلج .]

الجليد والجموعات المتجمدة

فتكون الجليد ينطوي على مخاطر مختلفة، وعندما يتجمد الماء على سطح اللوح - خاصة بين ليلة وضحاها أو أثناء تجميد الأمطار - يمكن أن يشكل طبقة رقيقة وشفافة لا تزال تسمح ببث بعض الإرسال الخفيف، غير أن الانصهار الجزئي يمكن أن يخلق رقائق ثلجية غير متجانسة تبعث الضوء بعيدا عن الخلايا، وقد تسبب دورات التجمّد المتكررة في حدوث آثار في التصريفات ذات الكثافة الزجاجية أو الارتاقة.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يتكون الجليد بين اللوحة والهيكل المتصاعد للسقف، مما يخلق نقاط ضغط تضغط على الأجهزة، وهذا شاغل خاص بالنسبة لنظم ثابتة الألياف ذات القدرة المحدودة على رفوف الثلج، والصفائف الأرضية في الحقول المفتوحة أقل عرضة لذلك لأن الرياح يمكن أن تنظف الثلج بشكل أكثر فعالية، ولكن أي نظام في منطقة تثلج مبللة وما يعقب ذلك من تجميد في خطر.

الآثار الاقتصادية والتشغيلية للنوافذ

أما الأثر الفوري لغطاء الثلج فيفقد الإيرادات من انخفاض إنتاج الطاقة، ففيما يتعلق بالنظم السكنية، يمكن أن يعني ذلك ارتفاع فواتير الكهرباء خلال أشهر عندما يكون الطلب على التدفئة أكبر، وبالنسبة للصفائف التجارية ذات النطاقات الصلاحية، يمكن أن تكون الخسائر المالية كبيرة: فقد يؤدي حدوث انخفاض واحد في الثلج إلى عدم إنتاج أجزاء كبيرة من المجموعة، وقدرت الخسائر السنوية التي تعزى إلى الثلج بنسبة تتراوح بين 1 و 12 في المائة من إجمالي التوليد في المناطق المعرضة للثلج، حسب خط العرض، والثلج.

ومن الناحية التشغيلية، تواجه أطقم الصيانة تحديات في الوصول إلى الألواح من أجل إزالة الثلج، كما أن الممرات الجليدية، ودرجات الحرارة الباردة، وخطر إلحاق أضرار بالألواح التي تستخدم أدوات غير سليمة (مثل المجارف المعدنية) تزيد تكاليف العمل، ويختار بعض المشغلين الانتظار للخزان الطبيعي، ولكن هذا قد يستغرق أياما أو أسابيع إذا ظلت درجات الحرارة أقل من التجميد، وعلى مدى حياة النظام، يمكن أن تصل هذه الخسائر التراكمية إلى نقص كبير في الإيرادات غير المخطط لها.

وفيما يتجاوز الإنتاج المفقود، هناك خطر حدوث ضرر مادي، ففي المناطق التي تكون فيها الثلوج المبللة ذات ثلج مشترك، مثل مصنعي البنفسج في شمال غرب المحيط الهادئ أو شمال شرق الولايات المتحدة، قد يحددون عادة تصنيفات الحملات، وقد تبين من دراسة أجريت في عام 2018 أجرتها وزارة الطاقة في الولايات المتحدة أن حالات الفشل في تحميل الثلج تمثل نسبة صغيرة ولكن مؤثرة من المطالبات المضمونة، باستخدام مبادرة بحثية

استراتيجيات التخفيف من آثار تغير المناخ

ويتطلب تجاوز الخسائر في الأداء في الشتاء مزيجا من خيارات التصميم، والتدابير الفعالة، والاستراتيجيات السلبية، ويتفاوت أفضل النهج حسب حجم النظام، والمناخ، والميزانية، ويُنظر إلى أكثر الطرق فعالية.

الفريق المعني بالتحول إلى الاستخدام الأمثل

فزيادة زاوية الألواح الشمسية هي أكثر الاستراتيجيات السلبية وضوحاً، إذ إن وجود طبقة من التلال تبلغ 45 درجة مئوية إلى 60 درجة في المناخات الجليدية - المنخفضة الجليد، قد يؤدي إلى الانزلاق تحت وزنها، ويجب أن تتجاوز الزوايا زاوية الاحتكاك الداخلي للثلج؛ كما أن قاعدة التكديس الرأسي للثبات تزيد على 10 درجات على الأقل من طول الشوارع.

أفرقة ساخنة وأجهزة للتفكيك النشط

ويمكن أن تذوب عناصر التسخين المدمجة في إطار الفريق أو في صحيفة التزلج الثلج، وهذه هي عادة حرارات المقاومة الكهربائية التي تعمل بالكهرباء أو الدائرة المخصصة، وهي تعمل عندما يكتشف مجس الثلج تراكماً أو عتبة درجة حرارة، وفي حين أنها فعالة، تستهلك الطاقة وتخفض ناتج النظام الصافي - وبالتالي فهي أفضل محجوزة لمنشآت عالية القيمة مثل الهياكل الأساسية الحرجة أو النظم غير الحادية حيث تكون درجة الحرارة مرتفعة.

كما يمكن أن توفر النظم الهجينة ذات الطاقة الحرارية الفوتوفولطية التي تستخدم مضخة حرارية أو حلقة حرارية شمسية الذوبان الثلجي، وهذه أكثر تعقيداً، ولكنها يمكن أن تحسن كفاءة النظام عموماً عن طريق سد حرارة النفايات. وتبرز البحوث التي تجري من برنامج PVT التابع للمؤسسة الإنمائية الأوروبية التطورات الواعدة بالنسبة للمناخات الباردة.

جوز الهند

إن المعاطف المميزة التي تُعدها هيدروفيا أو ذات كراهية الولوف يمكن أن تقلل من ظفر الثلج، وهذه المعاطف تخلق سطحاً متكرراً للمياه يُلقي بسرعة ويمنع الثلج من الارتباط بحزم، كما أن بعض المعاطف تقلل من نقطة التجميد على السطح، مما يجعل من السهل التفشي على الجليد، وتتوقف الفعالية على نوع الثلج: التلال الجليدي الجاف والمسج، بينما نبقى أكثر صعوبة.

كتيب وتطهير الثلج الآلي

كما أن إزالة المواد اليدوية بواسطة السقف الليني البكر أو المشابك الرغاوي شائعة بالنسبة للنظم السكنية، وهي كثيفة اليد العاملة، ولكن يمكن القيام بها بأمان إذا كانت اللوحات في متناول اليد، وكثيرا ما تستخدم المصفوفات التجارية منظفات آلية يمكن أن تعمل في ظروف باردة، وبعضها مجهز بمفجرات لإزالة الثلج الخفيف، ويجب أن يتم التخلص من الكتيب دون خدش الزجاج أو أوامر الإبطال؛ ولا يوصى باستخدام أدوات الارتداد.

دراسات الحالة وبيانات الأداء الحقيقي في العالم

وقد أدت دراسات ميدانية عديدة إلى خسائر كمية متصلة بالثلوج، حيث تعقّبت مجموعة بيانات معروفة جيداً من مختبر الطاقة الشمسية التابع لجامعة مينيسوتا 17 نظاماً سكنياً على مدى ثلاثة شتاء، وتراوحت الخسائر السنوية في الثلج بين 1 في المائة و12 في المائة، تبعاً لتواتر تذبذب النظم وثبات الثلج، وحدثت نظم تزيد على 45 درجة مئوية، بينما ظلت تلك التي توجد فيها دراسات ثلجية مسطحية أو منخفضة (دون 20 في المائة) تتجاوز الخسائر 10 في المائة.

واستخدمت دراسة أخرى من " الخسائر الحالية في النفط الخام المائي " (المتاحة في صفحة البحث الشمسي NREL) التصوير الساتلي لتقدير مدة الغطاء الجليدي في جميع أنحاء الولايات المتحدة، ونموذجاً بأن التسوية المثلى للثدي يمكن أن تسترد وحدها 50-80% من الخسائر الناجمة عن الجليد.

وعلى نطاق المرافق العامة، يستخدم مصنع سولار الأول البالغ ٢٠ ميغاواط في أوريغون لوحات ساخنة بصورة انتقائية على المباني اللافقرية للحفاظ على الربط الشبكي، ووجدوا أن استثمارا صغيرا في إزالة السمات بالنسبة للعناصر الحاسمة يحول دون حدوث انخفاض كبير، وبالمثل، فإن مزرعة شمسية مجتمعية في في فيرمونت تستخدم أجهزة تتبع قابلة للتكيف تتحول إلى زاوية شتوية حادة تستند تلقائيا إلى التنبؤات الجوية.

استحقاقات الطقس الباردة:

وفي حين أن الثلج والجليد يمثلان تحديات، فإن أشهر الشتاء توفر أيضا مزايا الأداء، فاللوحات الشمسية تعمل بكفاءة أكبر عند درجات حرارة أقل، أما معامل درجة الحرارة في معظم لوحات السيليكون البلوري فهو يتراوح بين 0.35% و0.5 في المائة لكل درجة مئوية فوق 25 درجة مئوية. وفي ظل ظروف الطقس الباردة، يمكن أن تكون كفاءة الأشعة بين 10 و15 في المائة عن مستوى الحرارة 25 مئوية، وهذا يعني أن الشمس الباردة قد تكون أكثر وضوحا.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن ارتفاع الطلاء من الثلج الطازج يمكن أن يزيد من الإشعاعات الخلفية لللوحات ذات الوجهين، أما النماذج الثنائية الوجوه التي تلتقط الضوء من الجانبين، فتشهد زيادة كبيرة في الشتاء، وقد وجدت دراسة من مزرعة كندية للطاقة الشمسية في ألبرتا أن النظم الثنائية الوجه تنتج طاقة أكبر بنسبة تتراوح بين 15 و25 في المائة خلال فترات الثلوج مقارنة بالألوج الأحادية الوجه من نفس الوتاج، وذلك بفضل الضوء من الأرض الباردة.

ويمكن أن يساعد الفوز أيضا على إزالة الثلج من الألواح، لا سيما بالنسبة للنظم الأرضية ذات التدفق الجوي تحته، وبعض التصميمات تخلق بصورة متعمدة ثغرات لتعزيز إزالة الثلج بواسطة الرياح، غير أن الرياح القوية يمكن أن تسبب أيضا انجرافات ثلجية في القذف على الألواح، بحيث ينبغي أن يُراعى توجه الصفوف مقارنة بالرياح السائدة في تصميم مخططات.

إعداد نظامك الشمسي للفوز

فالتخطيط الاستباقي ضروري، فعندما يوضع نظام جديد في منطقة ثلجية، ينظر في عناصر التصميم هذه:

  • Panel tilt:] Minimum 40 -60° for permanent installations, or use adjustedable tilt mounts.
  • الارتفاع المتصاعد: ] ينبغي رفع الصفائف المتجهة نحو الأرض للسماح بالثلج بأن يمر من تحته، مما يقلل من تراكم العواصف.
  • Snow guards:] Install ice guards on the roof above panels to prevent avalanches of snow from damaging equipment.
  • Hating cables:] For roof edges and inverters, electrical heating tapes can prevent ice damming.
  • Choose bifacial panels:] Bifacial modules capture reflected light from snow, boosting production.

وبالنسبة للنظم القائمة، وضع خطة صيانة شتوية - وضع معايير واضحة لإزالة الثلج يدويا: مثلا، إزالة الثلج فقط إذا كان من المتوقع أن يتجاوز فقدان الإنتاج 5 في المائة من الغلة اليومية، واستخدام عقد خدمة مع تقني للطاقة الشمسية مؤهل على نحو مألوف مع السلامة الحرارية الباردة، وإنتاج نظام الرصد من خلال بوابة اللافقاريات الخاصة بك، وانخفاض حاد في الناتج الصباحي مقارنة بالجيران يشير إلى الغطاء الجليدي.

Finally, consider battery storage or net metering contracts that allow you to run panels at partial load while waiting for snow to clear. Some utilities offer winter dedicated rates that compensate for lower production. Check local regulations: jurisdictions like Minnesota allow solar customers to average their annual production, smoothing out winter losses. For detailed policy information, refer to the DSIRE database for renewable energy incentives.

خاتمة

إن الثلج والجليد يشكلان دون شك تحديات حقيقية أمام أداء الصفائح الشمسية في الشتاء، تتراوح بين كتلة الإنتاج الكلي والأضرار المادية وزيادة التكاليف التشغيلية، غير أن هذه العقبات لا يمكن التغلب عليها، ومن خلال خيارات التصميم المستنيرة مثل الزوايا الخفيفة، ومعاطف العصيان، والتدفئة الانتقائية، ومن خلال الاستفادة من الفوائد السلبية مثل كفاءة استخدام الطاقة المنخفضة الأجل، وتعزيز النظام الشمسي.

كما أن الصيانة الإيجابية والرصد المستمر يحدان من المخاطر، حيث أن الصناعة الشمسية تكتسب مزيدا من الخبرة في المناخ البارد، والابتكارات مثل النماذج الثنائية الوجهية، ونماذج التحميل الجليدي التنبؤية، ستستمر في تحسين القدرة على التكيف في الشتاء، والطريق الرئيسي هو أنه مع الإعداد المناسب، لا ينبغي أن يعني الشتاء الإنتاج الصفري، وبفهم فيزياء الثلج والجليد وتطبيق مزيج من التخفيف السلبي والفعال، يمكنك الاحتفاظ بصفوفتك الشمسية التي تولد طاقة نظيفة قيمة.