ابتكار بيئي مزدوج: طاقة أكثر ومياه أقل تبخرًا فوق مجاري الري

في ظل التسارع العالمي نحو تقنيات الطاقة النظيفة، يبرز التحدي المزدوج المتمثل في ندرة الأراضي وشُح الموارد المائية، لا سيما في المناطق الجافة والدافئة. ورغم توسّع استخدام أنظمة الطاقة الشمسية الأرضية، إلا أنها تواجه عراقيل حقيقية أبرزها الانخفاض في الأداء نتيجة ارتفاع درجات الحرارة، والتنافس على استخدام الأرض مع الزراعة أو التنمية العمرانية. ضمن هذا السياق، تقدم أنظمة الألواح الشمسية المثبّتة فوق القنوات (Canal-Mounted PV – CM-PV)  حلًا تكامليًا يجمع بين توليد الكهرباء بكفاءة أعلى، وتوفير المياه عبر تقليل التبخر. وهنا تأتي دراسة تجريبية حديثة من جامعة فان يوزونجو يل في تركيا لتُقدّم تقييمًا عمليًا معمقًا حول أداء هذه الأنظمة، مركزةً على زاوية ميل الألواح كعامل حاسم في الكفاءة.

الطاقة والمياه: العلاقة الحرجة في معادلة الاستدامة

تشير البيانات العالمية إلى أن أكثر من 70% من إنتاج الطاقة لا يزال يعتمد على الوقود الأحفوري، مما يعزز الانبعاثات ويضعف جهود الاستدامة. وعلى الرغم من تسجيل الطاقة الشمسية نموًا بنسبة 14% عام 2023، فإن تحقيق تحول جذري يتطلب حلولًا مبتكرة ومتكاملة. من جهة أخرى، تتزايد التحديات المتعلقة بالمياه، حيث يُعد التبخر من القنوات والسدود من أكبر مصادر الفقد المائي، خاصة في المناخات الحارة. لذا فإن أنظمة (CM-PV)Canal-Mounted PV  تُوفّر ميزة مزدوجة من خلال:

• تقليل درجات حرارة الألواح ورفع كفاءتها.
• تقليل تبخر المياه بنسبة كبيرة.
• استخدام البنية التحتية القائمة دون الحاجة لمساحات إضافية.

أهمية الميل في أداء الألواح الشمسية

تؤثر زاوية ميل الألواح الشمسية بشكل مباشر على:

• كمية الإشعاع الشمسي المستقبَل.
• التهوية والتبريد الطبيعي.
• التظليل المُتبادل بين الألواح.

كما أن ارتفاع درجة حرارة الخلية الشمسية يؤثر سلبًا على الجهد المفتوح، وبالتالي على كفاءة التحويل. وتُظهر الدراسات أن كل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية في درجة حرارة اللوح قد تؤدي إلى مضاعفة معدل تدهور الأداء على المدى الطويل.

تصميم الدراسة: تجربة حقيقية في بيئة حارة وجافة

أجرى الفريق التركي تجربة ميدانية في جامعة فان التركية، المعروفة بمناخها شبه الجاف، بهدف تقييم الأداء العملي لنظام CM-PV مقارنةً بالنظام الأرضي. وقد تم تصميم قناتين نصف أسطوانيتين، وتم تركيب ألواح بقدرة 250 واط عند ثلاث زوايا ميل 8°، 23°، و38°، مع قياس الأداء على مدار اليوم.

المؤشرات التي تم قياسها:

• درجة حرارة سطح اللوح.
• كفاءة الطاقة الكهربائية.
• كمية المياه المتبخرة من القناة.

النتائج التفصيلية: تفوق الزاوية الصغيرة (8 درجات)

أبرز الاستنتاجات:

• الزاوية 8° أظهرت الأداء الأفضل في خفض درجة الحرارة وتعزيز الكفاءة وتقليل التبخر.
• تقارب الألواح من سطح الماء عند الزوايا الصغيرة يُعزز التبريد بالتبخر.
• تحسّن الكفاءة بنسبة 1.86% في CM-PV مقارنةً بالنظام الأرضي يمثل فائدة تقنية واقتصادية ملموسة.

مقاربة تقنية وبيئية متقدمة

تُعد أنظمة CM-PV من تقنيات التبريد السلبي التي لا تحتاج إلى طاقة إضافية، مما يجعلها أكثر جدوى مقارنة بأساليب التبريد النشط (مثل التبريد بالسوائل أو المواد متغيرة الطور)، والتي تتطلب بنى تحتية مكلفة ومعقدة.

كما تُسهم هذه الأنظمة في:

• تحسين جودة المياه عبر الحد من نمو الطحالب.
• تقليل الانبعاثات المرتبطة بضخ المياه للتبريد.
• تكييف تصميم الألواح بشكل أفضل مع جغرافية القنوات، خاصة في المناطق ذات الزوايا المنخفضة لأشعة الشمس.

التحديات المتبقية

رغم المزايا العديدة، أشارت الدراسة إلى بعض القيود في تطبيق أنظمة  CM-PV

• ارتفاع تكلفة التركيب والصيانة.
• تحديات ميكانيكية وهيدروليكية مرتبطة باختلاف تصميم القنوات.
• ارتفاع تكاليف التوصيل الكهربائي بسبب المسافات.
• الحاجة إلى تصميم مرن يراعي تغيرات الزاوية والاتجاه في القنوات غير الخطية.

ومع ذلك، اعتبرت الدراسة أن معظم قنوات الري مستقيمة وطويلة، ما يجعل التصميم القائم على الزاوية المنخفضة قابلاً للتطبيق الواسع.

خلاصة وتوصيات:

تُقدّم هذه الدراسة التجريبية دليلاً عمليًا على فعالية أنظمة CM-PV، خصوصًا عند زاوية ميل تبلغ 8 درجات، في تحقيق مكاسب مزدوجة في الطاقة والمياه. وهي تفتح المجال أمام مزيد من الأبحاث والتجارب في دول الشرق الأوسط وشمال إفريقيا، حيث التحديات المائية والمناخية تستدعي حلولًا هندسية مستدامة وذكية.

📚  المصدر العلمي:

Canbaz, A., Karakoyun, Y., & Uzmus, H. (2025). An experimental performance analysis of canal-mounted photovoltaic systems regarding energy production and water conservation. Solar Energy, 299, 113749.
https://doi.org/10.1016/j.solener.2025.113749