تهديد التلوث الخفيف بالطاقة الشمسية الحضرية

ومع التزام المدن في جميع أنحاء العالم بأهداف طموحة في مجال الطاقة المتجددة، فإن المنشآت الشمسية ذات الطاقة الفلكية تتكاثر على أسطح المباني، وهياكل وقوف السيارات، والأماكن الشاغرة، ومع ذلك فإن العدو الخفي يضعف العائد المتوقع لهذه الاستثمارات: التلوث الخفيف، ونفس التصور الصناعي الذي يجعل الحياة الحضرية ممكنة بعد أن تسودها الأضواء السوداء، ولوحات الإعلانات، وتشييد المظاهرات، وتذوب الرياضة في الجو.

وقد درس التلوث الخفيف دراسة مستفيضة لما يترتب عليه من آثار إيكولوجية و فلكية، ولكن أثره على البنية الأساسية للطاقة لا يكتسب الآن سوى الاهتمام، ففي المناطق المتروبولية الكثيفة، فإن تركيبة الضوء الاصطناعي المباشر، تعكس الضوء من السطح، والضوء المتناثر في الغلاف الجوي يمكن أن يقلل من كمية ضوء الشمس الصالحة للاستخدام التي تصل إلى لوح شمسي، وبالنسبة للتكنولوجيا التي تواجه بالفعل خسائر في الكفاءة من جراء التربة والظل ودرجة الحرارة، وحتى من جراء توليد كميات صغيرة من الطاقة.

ما هو "لايت بولشن"؟

التلوث الخفيف هو الضوء الإفراطي أو غير المُوجه أو الاصطناعي المُتَوَسِّر الذي ينتجه النشاط البشري، ويتخذ أشكالاً مختلفة، لكل منها آثار مختلفة على الألواح الشمسية:

  • Skyglow: ] The brightening of the night sky over populated areas caused by light escaping upward from fixtures and reflection off airborne particles. Skyglow can extend for tens of kilometers, affecting suburban and exurban solar installations well beyond the city core.
  • Glare:] Intense, direct light that reduces visual contrast and can momentarily blind sensors or panel monitoring systems. On a macro scale, glare from nearby floodlights can cause stray light to strike panels at oblique angles, reducing the effective irradiance.
  • Light trespass:] Unwanted light that spills onto adjacent properties. For a rooftop solar array, light trespass from a neighbours’s security floodlight or a streetlamp can create localized shading patterns or uneven illumination across the panel surface.
  • Clutter:] The excessive grouping of light sources, often seen in commercial zones with multiple signs, canopy lights, and landscape lighting. Clutter raises the ambient luminance level of the entire environment, making it difficult for panels to discriminate between sunlight and background artificial light during twilight or cloudy conditions.

ومن بين هذه العوامل، فإن سجق السحاب هو أكثر ما يمكن التخفيف منه من حدة، ولا يتطلب الأمر وجود بصيرة مباشرة إلى مصدر خفيف؛ فهو قبعة نصفية من الضوء المتناثر، مما يقلل من التناقض العام بين القرص الشمسي والسماء، لأن الألواح الشمسية تعتمد على الفرق بين الإشعاع العادي المباشر (DNI) وإشعال الشمس الأفقي المتباعد، وذلك على وجه الخصوص.

آليات التدخل: كيف يمكن للأفرقة الشمسية للضوء الأثري

انخفاض التعرض المباشر للضوء الشمسي

والأهم من ذلك هو أن الضوء الاصطناعي يمكن أن يحجب أو يخفف من ضوء الشمس، وفي حين أن ضوء الشارع القريب لا يلقي بظله في عمق المبنى، فإن توهجه المشرق يمكن أن يرفع العتبة التي يعمل بها الخوارزمي الأقصى لأجهزة الطاقة في المنطقة، وفي بعض الحالات، عندما تستهدف الأضواء المتحركة المتعددة 5 في المائة من مواقع وقوف السيارات الشمسية، يمكن أن يترجم الضوء الاصطناعي إلى كمين.

سكايغلو وفقدان كونتراست

والخلايا الشمسية هي أجهزة شبه موصل تولد الكهرباء عندما تصيب الصور ذات الطاقة الكافية الزنبق، وتفترض تصميمها أن المصدر الخفيف الرئيسي - الذي يُنتج إشارة واضحة عالية التردد ضد السماء المظلمة، وأن الأشعة السيكولوجية المتصاعدة تُحدث في السماء بأكملها، وتُغسل الفرق بين الشرائح الشمسية وما حولها، وهذا أمر مضر بوجه خاص بالتصوير الضوئي المحتوي على مادة متجانسة.

الآثار الحرارية والتحولات العنكبوتية

وثمة آلية هامة أخرى هي الحرارة، حيث تفقد الألواح الشمسية الكفاءة حيث ترتفع درجة حرارتها إلى نحو 0.4 في المائة لكل درجة مئوية بالنسبة لوحدات السيليكون البلورية، وتتسبب الإضاءة الفلكية، ولا سيما المصابيح العالية الدقة، والضوء المائي، والعلامات الجديدة، في زيادة درجة حرارة الفرسان المحلية قرب الألواح بعد ذلك بدرجات عدة.

فأكثر من الضوء الاصطناعي، حيث يستخدم الضوء الحضري اليوم أجهزة التلقيح ذات الطيف الأزرق الغنية (درجة الحرارة ذات الصلة 4000-6500 K). وعلى الرغم من أن هذا الضوء أقل حدة من ضوء الشمس، فإنه يتداخل مع مجموعة الاستجابة الطفيفة من الخلايا الشمسية (مقابل 300-1100 نانوغرام) وعندما يتعرض أحد الألوان لخلفية ثابتة من الضوء الاصطناعي الأزرق، فإنه يمكن أن يخدع MPPar

الأدلة العملية والبحث

ورغم أن الموضوع لا يزال آخذاً في الظهور، فقد حددت عدة أفرقة بحثية الأثر كمياً، فقد تبين من دراسة أجريت في عام 2022 بواسطة مختبر الطاقة المتجددة الوطني باستخدام اختبارات التعرض المراقَب أن فريقاً قد تعرض لسلسلة من المواد الكيميائية الحضرية (0.2 دولار فوق مستوى السماء الطبيعية) قد شهد انخفاضاً بنسبة 0.8 في المائة في ناتج الطاقة السنوي، وقد أصبح التأثير أكثر وضوحاً في ظروف غير مستقرة أو كئيبة لأن سلسلة من المواد السمية (x) قد وزعت بشكل موحد.

External link:] Read the full NREL publication on light pollution effects (]PDF).

الآثار المترتبة على المشاريع الحضرية الشمسية

أما الأثر المالي لتلوث الضوء فهو ليس نظريا فحسب، إذ إن فقدان الأداء السنوي بنسبة 3 في المائة بالنسبة لنظام سطحي يبلغ 100 كيلوواط في مركز المدينة يساوي تقريبا 500 4 كيلوواط في السنة، مع أن هذا المعدل يصل إلى طاقة منزل أمريكي متوسط لمدة خمسة أشهر، وعلى مدى 20 سنة، يمكن أن يترجم إلى خسارة قيمة صافية تبلغ 000 15 دولار إلى 000 25 دولار، رهنا بالمعدلات المحلية للكهرباء، بالنسبة للمزارع الشمسية الرخيصة على نطاق ضيق.

وبدأ المستثمرون وممولو المشاريع في الإحاطة علما، فبعض العناية الواجبة تشمل الآن تقييما " لمخاطر التلوث بالضوء " ، والتحقق من أوامر الإضاءة المحلية والتصوير الساتلي الليلي قبل الموافقة على موقع ما، وقد يقوم المؤمنون أيضا بتعديل أقساط المشاريع الواقعة في المناطق المرتفعة السكك الحديدية لأن انحراف الأداء يزيد من عدم التيقن من التوقعات.

الاستراتيجيات الرامية إلى التخفيف من آثار التلوث الخفيف على الأرصفة الشمسية

أفرقة التصميم للتسامح والتسامح المحدود

(أ) أن تكون الألواح الشمسية الحديثة تضم أجهزة فرعية وأجهزة ذات بنية مائلة أو ممزقة، تُعالج بشكل أفضل من التظليل الجزئي، وتساعد هذه التصميمات أيضاً على تخفيف أثر الضوء الاصطناعي الذي ينتشر بشكل غير متساو في المجموعة، وينبغي أن تحدد الأفرقة التي لديها درجات أعلى من مستوى الأداء المنخفض (مقاسة بمعامل الإشعاع المنخفض) أقل عرضة للارتباك بين الأطراف العاملة في إنتاج المواد الكيميائية (100 في المائة).

الفريق الاستراتيجي

وينبغي أن توجه الألواح، حيثما أمكن، بعيدا عن أذكى مصادر الضوء الاصطناعي، وقد يعني ذلك على سطح الأرض، استخدام وحدات نموذجية نحو الجزء الأظلم من السماء أو استخدام نظام مركب يُسمح بجعل زاوية التلال أمثل لمحرك التلوث الخفيف المحلي.

تحسين الهياكل الأساسية للضوء الحضري

ويتمثل الحل الأكفأ الطويل الأجل في الحد من تلوث الضوء في مصدره، ويمكن للمدن أن تعتمد ممارسات إضاءة " ودية للدارك " ، مثل:

  • استخدام المحركات المحمية بالكامل التي تُوجه الضوء نحو الأسفل بدلاً من الصعود أو الجانب
  • اعادة اصلاح اضواء فيضان عالية التردد مع أجهزة التلقيح الخفيف والدفء (2700-3000 K) التي تنتج انسكابات أقل اثراء
  • تركيب أجهزة استشعار الحركة أو مراقبة القذف التي تقلل من مستويات الإضاءة عندما تكون المناطق غير مأهولة، ولا سيما بعد منتصف الليل
  • تطبيق حظر التجول للإضاءة للعلامات التجارية والإضاءة المعمارية

External link:] The International Dark — Sky Association provides guidelines for responsible outdoor lighting (]visit IDA website).

استخدام أجهزة الاستشعار والتصوير الارشادي

ويمكن أن تساعد المحاولات المتقدمة ونظم الرصد على التعويض عن آثار التلوث الخفيف، إذ أن بعض المحاورين الجدد يتضمّنون أجهزة استشعار للضوء ذات الترددات الكبيرة التي تقيّم الإشعاع الفعلي للشبكة العريضة النطاقات القادمة من القرص الشمسي، وليس فقط الضوء الكلي للانتشار، وإذا اكتشف النظام مستوى عال جدا من الضوء الخلفي (الدليل على التلويث المغناطيسي)، فإنه يمكن أن يعدل خوارزمية الأشعة المتعددة الكلور بدلا من الاعتماد على المقاييس الحالية.

التخطيط العمراني والتزحلق

ويمكن أن تشمل البلديات حماية الأداء الشمسي في رموزها المتعلقة بالتقسيم إلى المناطق، فعلى سبيل المثال، فإن اشتراط أن تُحدِّد التطورات الجديدة مواقع المصفوفة الشمسية على الأقل 50 متراً من أشرق مناطق الإضاءة (مثل الحقول الرياضية أو محطات الغاز) يمكن أن يقلل من التعرض، وقد بدأت بعض المدن في تكليف " مناطق خالية من الضوء " حول المزارع الشمسية المخططة، حيث لا يسمح بالإضاءة الصعودية في نطاق معين.

التوقعات المستقبلية: المدن الذكية ومبادرات السماء المظلمة

والتوتر بين التضخيم الحضري والطاقة الشمسية ليس أمراً لا مفر منه، فحيث أن المدن تتطور إلى " المدن الذكية " ، فإن البنية التحتية للإضاءة ستزداد ترابطاً وقابلية للتحكم فيها، كما أن أضواء الشوارع التي تهب استجابة لحركة المشاة في الوقت الحقيقي، والعلامات التكييفية التي تضبط الات اللامعية على أساس الظروف المحيطة، وبناء حركات مدمجة للكربون تؤدي إلى زيادة طفيفة في كل شيء ممكن.

ويجري حالياً إجراء بحوث لوضع نظم للإضاءة " وعي سول " تستخدم الهوائيات والبرامجيات لتجنب لوحات مضللة مباشرة، ويمكن لهذه النظم أن تستخدم الصور المتحركة لوضع الضوء تماماً حيثما يلزم لصناعة السواحل على الرصيفات البشرية والطرق البرية - مع ترك أسطح السقف ومواقف السيارات في ظلام قريب، مع تركيب طبقات للملابس تعكس بشكل انتقائي التلوث الموجي.

الاستنتاج: فوز مزدوج للاستدامة الحضرية

إن التلوث الخفيف ليس إزعاجا ثلاثيا للطاقة الشمسية، بل هو جرة أداء قابلة للقياس تتغذى على عائدات المشاريع وتبطئ الانتقال إلى الطاقة المتجددة، والخبر الجيد هو أن الحلول متآزرة، والحد من الضوء الاصطناعي غير الضروري لا يعزز إنتاج الفريق الشمسي فحسب، بل يوفر أيضا الكهرباء مباشرة عن طريق خفض الطلب على الإضاءة، ويحسن الصحة العامة عن طريق استعادة أوبئة السيركادي الطبيعية، ويحافظ على البيئة الطبيعية.

ويجب على المخططين الحضريين، والمطورين الشمسيين، والمهندسين الخفيفين، وواضعي السياسات أن يتعاونوا على تحقيق هذه الأهداف، وباعتماد أوامر الإضاءة الودية المظلمة، واختيار المعدات الشمسية ذات الأداء المنخفض، ونشر ضوابط التكيف، يمكن للمدن أن تحقق زيادة صافية في توليد الطاقة المتجددة دون التضحية بالسلامة أو التخدير، ويقتضي الطريق إلى مستقبل حضري مستدام حقاً أن نستعيد الليلة التي تحت النجوم أعلاه.

External link:] Learn about the Global Lighting Association’s certification program for low —лglare fixtures (]GLA website).