تأثير الحرارة علي الخلايا

1- الألواح الشمسية تتأثر سلبا بارتفاع دراجات الحرارة علي عكس ما يتوقع البعض.

2- الخلايا تنتج الكهرباء من اشعة الشمس و ليس الحرارة الناتجة عنها

3- و قد تندهش عندما تعلم ان جميع الأقمار الصناعية تعمل بكفائة عالية بالطاقة الشمسية رغم ان درجة الحرارة في الفضاء -200 درحة مئوية بالسالب مع سطوع شمسي دائم و غياب تام للسحب و الأمطار.

4- كلما اتجاهنا نحو الجنوب نحو خط الأستواء تزيد كمية الأشعاع الشمسي السنوي الساقط علي كل متر مربع بشرط عدم وجود ايام غيوم و امطار كثيرة خلال العام و لذلك نجد المنطقة العربية تتمتع بمعدلات انتاجية للألواح الشمسية ممتازة نتيجة قربها من خط الأستواء مع قلة السحب و الغيوم, رغم ارتفاع دراجات الحرارة.

5- و لكن عموما المكسب في الأنتاجية الذي يحدث نتيجة سطوع الشمس يفوق بكثير الفاقد الناتج عن ارتفاع الحرارة.

6- لذلك فصل الصيف هو افضل توقيت من حيث انتاجية الخلايا رغم المفاهيم الخاطئة التي يتصورها بعض المشتغلين في المجال . فالكثير منهم يعتقد ان افضل فصول السنة من حيث انتاجية الخلايا هو الخريف او الربيع و هذه معلومة خاطئة.

خريطة الأشعاع الشمس حول العالم

عند النظر في خريطة الأشعاع الشمسي حول العالم لتحديد انتاجية الخلايا تتضح الحقائق الأتية:

1- بصفة عامة كلما اتجهنا نحو خط الأستواء يزيد الأشعاع الشمسي السنوي لكل متر مربع

2- المناطق الصحراوية تتمتع بأشعاع شمسي اكبر من المناطق الممطرة و لذلك نجد الدول العربية تستقبل اشعاع شمسي اكبر من الدول الواقعة مباشرة علي خط الأستواء نتيجة تعرض هذه المناطق للأمطار الأستوائية

3- الأشعاع الشمسي الواقع علي معظم الدول العربية يتراوح ما بين 2300 الي 3000 كيلو وات/ متر مربع و هي من اعلي المعدلات في العالم

4- الدول الاوروبية مثل المانيا و اسبانيا التي اتشرت بها تطبيقات الطاقة الشمسية لا تستقبل الأ 800 الي 1500 كيلو وات / متر مربع

معامل درجة الحرارة للألواح pMax

اذا نظرتم الى ورقة البيانات المقدمة من قبل الشركة المصنعة للخلايا هناك فقرة اسمها معامل درجة الحرارة pMax.
هذه القيمة تعطى في شكل نسبة مئوية سلبية و تكشف عن تأثير الحرارة علي الخلايا
الألواح يتم اختبارها في درجة حرارة 25 مئوية
pMax هو التغيير في كفاءة للأسفل او الأعلي عند التغيير في درجة مئوية واحدة في حرارة الخلية.
و مثلا إذا كان pMax -0.5٪، و درجة الحرارة الخلية 35 هذا يعني ان اللوحة الشمسية تقل كفائتها بنسبة 5% عندما يكون درجة حرارة الخلايا 35.
و يلأحظ هنا ان pMax يعتمد علي درجة حرارة الخلية و ليس درجة حرارة الجو. فدائما ما نجد ان درجة حرارة الخلية يكون اعلي من درجة حرارة الجو نتيجة تعرض الخلية لسطوع اشعة الشمس المباشر, و قد تم بالفعل في البرنامج هنا الأخذ في الأعتبار هذا العنصر و حساب الفقد او الأضافة في انتاجية اللوح بناء علي درجة حرارة الخلية و ليس حرارة الجو.
كل نوع من الألواح لديها pMax مختلف كالأتي:

• الخلايا الأحادية Mono و المتعددة الكريستالات لديها pMax من -0.35٪ إلى -0.50٪
• الألواح الرقيقة Thin Film لديها تصنيف من -0.20٪ إلى -0.25٪.
• الخلايا الهجينة Hybrid الموجودة حاليا في الأسواق لديها المعامل درجة الحرارة pMax حوالي -0.32٪

خطوات حساب درجة حرارة الخلية

يتم استخدام معادلة Homer لحساب درجة حرارة الخلية

1- أولا يتم حساب الأشعاع الشمسي بالكيلو وات للمتر المربع في الظهر:
من معادلة مسطح ellipse = الأشعاع الشمسي اليومي × 4 / عدد ساعات اليوم × 3.14
فمثلا لو الأشعاع اليومي = 6.6 كيلو وات / م2
عدد ساعات اليوم من الشروق حتي الغروب = 12.5 ساعة
الأشعاع خلال الظهر = 6.6 × 4 / 12.5 × 3.14 = 0.673 كيلو ات/م2

2- ” To get the cell temperature we have to calculate two variables from 2 equations …..”A” and “B
A= (NOCT – 20) / 0.8
حيث NOCT قيمة ثابتة موجودة في مواصفات الخلية
If we have NOCT = 45
A = (45 -20) / 0.80 = 31.25

3- حساب معامل “B”
B = 1- cell efficiency/0.9
حيث cell efficiency هي كفائة الخلية و قيمتها موجودة في المواصفات
مثال: كفائة الخلية = 17%
B = 1- (0.017/0.90) = 0.81111

3- Solar cell temperature = Ambient temperature + Solar radiation at Mid day × A × B
مثال: درجة حرارة الجو = 40 درجة مئوية

تأثير طريقة التركيب في درجة حرارة الخلايا

1- في حال تركيب الألواح الشمسية علي هياكل تثبيت مفتوحة و جيدة التهوية, لأ يكون هناك اي ارتفاع اضافي في درجة حرارة الخلايا عن القيمة السابق حسابها

2- في حال تركيب الألواح علي اسطح خشبية أو اسطح عازلة للحرارة مثل القرميد أو الفوم, تتعرض الخلايا الي درجات حرارة اعلي من السابق حسابها نتيجة عدم تهويتها من الخلف و احتباس الحرارة.
الزيادة في درجة حرارة الخلية = درجة حرارة الجو × 0.2

3- في حال تركيب الألواح علي اسطح معدنية صاج مثل في جمالونات المصانع , تتعرض الخلايا الي درجات حرارة مرتفعة نتيجة عدم تهويتها من الخلف واكتساب حرارة اضافة من السطح المعدني الجيد التوصيل للحرارة.
الزيادة في درجة حرارة الخلية = درجة حرارة الجو × 0.4
مثال: درجة حرارة الجو 40 درجة مئوية
درجة حرارة الخلية حال تركيبها علي هيكل مفتوح = 57.05

حساب الفاقد نتيجة ارتفاع درجة الحرارة

يتم استخدام المعادلة الأتية:

1- حساب ΔT الفرق بين درجة حرارة الخلية و درجة حرارة 25 – و هي حرارة اختبار الخلايا في المعمل
ΔT = درجة حرارة الخلية – 25
مثال: درجة حرارة الخلية = 73.05
ΔT = 73.05 -25 = 48.05

2- الفاقد = ΔT × pMax
مثل: ΔT = 48.05°C
pMax = -0.4% (هذا رقم ثابت مكتوب في ظهر اللوح الشمسي)

افضل مناطق انتاجية الخلايا في الوطن العربي

نجد في المناطق المحددة بالخريطة هنا تحقيق اكبر قدر ممكن من الثلأث شروط:
القرب من خط الأستواء —- درجات حرارة معتدلة (ليست حارة جدا مثل دول الخليج العربي) — عدم وجود امطار كثيفة طول العام تؤثر في سطوع الشمس المباشر

و يلاجظ ان هذه المناطق عند خط التماس بين الصحراء و مناطق الغابات الأستوائية , و عندما نتجه اكثر من ذلك حنوبا تبداء انتاجية الخلايا تقل نتيجة زيادة الأمطار و قلة سطوع الشمس المباشر, رغم القرب من خط الأستواء! فنجد هنا عند النقر في اي مكان بالخريطة داخل الحزام الأزرق الممطر و مقارنته باي مكان داخل الحزام الأحمر المشمش, ان انتاجية الألواح تقل بنسبة تصل الي 20% بسبب غيوم السماء و الأمطار الغزيرة في خط الأستواء

افضل مناطق انتاجية الخلايا في العالم

نجد في المناطق المحددة في الخريطة في الحدود بين شيلي و الأرجنتين و بوليفيا تحقيق القدر المثالي من الثلأث شروط السابقة :
القرب من خط الأستواء —- درجات حرارة منخفضة نتيجة وجود هذه المنطقة في سلسلة جبال الأندير التي يصل معدل ارتفاعها 4000 متر فوق سطح البحر — عدم وجود امطار كثيفة خلأل العام تؤثر علي سطوع الشمس المباشر

البحر يلطف من الحر

كلنا نعلم في منطقاتنا العربية ان المناطق الساحلية تتمتع اكثر اعتدالا من المناطق الداخلية لان البجر يساعد في تقليل درجات الحرارة.
و من هنا يمكنك ان تذهب الي خريطة الطاقة الشمسية حول العالم و تنقر في اي منظقة بالبحر الأحمر مثلا و تقارن النتائج بمنطقة قريبة داخلية وسط الصحراء حيث درجات الحرارة اكبر.
سوف تندهش من فرق الأنتاجية للألواح, حيث ان النتائج في عرض البحر افضل بكثير!.

و كمثال عملي لهذه الحقائق عند النقر في الخريطة بالمناطق المبينة في الدوائر و هي مدينة قنا و الغردقة و في عرض البحر….. و هي مناطق قريبة جدا من بعضها
سوف نحد الأثبات العملي لهذه النظرية العلمية
تأثير الحرارة علي الخلايا في عرض البحر موجب …. الأنتاجية في قنا اقل بنسبة 15% نتيجة ارتفاع الحرارة… اما الغردقة فتقع في الوسط بين الحالتين

تأثير الحرارة علي الخلايا في القطب الجنوبي

من البديهي اننا كلما اتجاهنا بعيدأ عن خط الأستواء تقل عدد ساعات سطوع الشمس فتقل انتاجية الخلايا
و لكن الحال لا ينطبق بصورة صحيحة علي القطب المتجمد الجنوبي
ف رغم غياب الشمس تماما عن 4 شهور من شهور العام, الأ ان انعدام الحسب و الغيوم تماما عن هذه المنطقة يساعد في تحقيق انتاجية صيفية للنظم الشمسية عالية جدا تتفوق علي اي مكان في العالم خلال 6 شهور من السنة, و بذلك يصل الناتج الأجمالي في العام الي ارقام لأ باس بها, تتفوق علي مدن و اماكن كثيرة اخري توجد بها نسب غيوم عالية, مثل مدن شمال اوروبا و حتي باريس و لندن!
فهل كنت ممكن ان تتخيل ان النظام الشمسي في القطب المتجمد الجنوبي يحقق انتاجية افضل من برلين و باريس و ميلان؟ بالطبع لأ
و حتي اني شخصيا اثناء اعداد برامج الطاقة الشمسية تصورت ان هناك خطاء ما في قاعدة البيانات….. حتي تأكدت لي المعلومة
اما المناطق الشمالية من الكرة الأرضية فلا نتطبع عليها حالة الفطب الجنوبي, لان بها امطار و غيوم تقلل من كفائة النظم الشمسية

امثلة عملية في منطقتنا العربية

المنطقة عند سواحل مصر الشمالية تقع علي نفس خط عرض منطقة حنوب العراق و الكويت
و ه المنطقتين يتمتعان بجو غير ممطر بصفة عامة
الفرق هنا في درجات الحرارة…… ف بالطبع كلنا نعلم ان منطقة السواحل المصرية تتمتع بدرحات حرارة اقل….
و تستطيع الأن ان تكتشف عند تجربة النقر في الخريطة ان تري بنفسك ان انتاجية النظم الشمسية في المناطق الساحلية في مصر افضل من الكويت و جنوب العراق بسبب ارتفاع درجات الحرارة في الأخيرة, و ذلك علي عكس ما كنت تتصور قبل قراءة هذا المقال