كيف تؤثر الأمواج على كفاءة الألواح الشمسية العائمة؟ نموذج جديد يكشف الحقيقة

مقدمة

في خطوة مهمة نحو تحسين أداء أنظمة الطاقة الشمسية العائمة، طوّر فريق من الباحثين بقيادة المعهد النرويجي لتكنولوجيا الطاقة (IFE) نموذجًا مبتكرًا لقياس الخسائر الناتجة عن حركة الأمواج في المنشآت الشمسية العائمة. وقد أثبتت هذه التقنية أن تصميم النظام وموقعه الجغرافي يلعبان دورًا رئيسيًا في تحديد كمية الفقد في الإنتاجية.

ما هو نموذج الخسائر الناتجة عن الأمواج  (WIL)؟

ابتكر الباحثون ما يُعرف بنموذج الخسائر الناتجة عن الأمواج  (Wave-Induced Losses – WIL)، الذي يعتمد على ثلاث خطوات رئيسية:

1. تفاعل الهيكل مع الأمواج: تحليل حركة المنصة العائمة بفعل الأمواج باستخدام نموذج أمواج محيطي قياسي، مع افتراض أن الألواح تتبع الحركة العمودية للأمواج دون انزلاق أفقي.
2. نمذجة الإشعاع الشمسي: وذلك باستخدام زاوية ميل الألواح الناتجة عن حركة الأمواج لتقدير كمية الإشعاع الساقط على كل لوح.
3. النمذجة الكهربائية: يتم حساب المخرجات الكهربائية باستخدام مكتبة المحاكاة PVMismatch، مع مقارنة النتائج مع وضع الألواح الساكنة لتقدير نسبة الخسائر.

تفاصيل الاختبارات الميدانية

لاختبار دقة النموذج، أُجريت تجربة عملية باستخدام نموذج أولي من شركة Sunlit Sea  في مضيق أوسلو بالنرويج. تكون النموذج من مصفوفتين، تحتوي كل منهما على أربعة ألواح شمسية، وزُوّدت بأربعة مجسات إشعاعية، ومقياس تسارع، وجيروسكوب ثلاثي الأبعاد لجمع البيانات.

وأظهرت التحاليل أن البيانات المُقاسة تتطابق بشكل جيد مع نتائج النمذجة، حيث بلغ متوسط ​​الخطأ الجذري التربيعي (RMSE) بين القياسات والنموذج 2.8  واط/متر مربع فقط، مما يعزز موثوقية النموذج. ورغم ذلك، لاحظ الباحثون أن النموذج يميل إلى التقليل الطفيف من القيم القصوى للإشعاع.

نتائج النموذج تحت سيناريوهات مختلفة

بعد التحقق من دقة النموذج، تم تطبيقه على عدة سيناريوهات شملت مواقع جغرافية مختلفة مثل خط العرض 0° شمالاً و50° شمالاً، مع اختبار ارتفاعات أمواج تراوحت بين 0.25  متر و3  أمتار،  كما تم اختبار تأثير اتجاه حركة الأمواج عبر المصفوفة الشمسية بزاويا مختلفة (0°، 45°، و90°).

كانت النتائج كما يلي:

• الخسائر الناتجة عن الأمواج تزيد مع زيادة طول السلاسل الشمسية.
• الأنظمة الأبعد عن الوضعية المثالية للألواح كانت أكثر عرضة للخسائر.
• الخسائر كانت أكبر عندما كانت الأمواج تسير بمحاذاة طول السلاسل بدلاً من اتجاه عمودي عليها.

فعلى سبيل المثال، تراوحت الخسائر بين 3.3%  عند ارتفاع موجي 0.25 متر، وصولاً إلى 6.7%  عند ارتفاع موجي قدره 1 متر. مما يوضح أن تأثير الأمواج على كفاءة الأنظمة الشمسية العائمة قد يكون جوهريًا ولا ينبغي تجاهله في تحليلات الأداء.

خاتمة

تكشف هذه الدراسة عن أهمية بالغة لفهم سلوك الألواح الشمسية العائمة تحت تأثير العوامل البيئية الديناميكية مثل حركة الأمواج. إن تجاهل هذه الخسائر قد يؤدي إلى تقديرات غير دقيقة لإنتاجية محطات الطاقة الشمسية العائمة، مما يؤثر على الجدوى الاقتصادية لهذه المشاريع الواعدة.

وبينما تتوسع تقنيات الألواح الشمسية العائمة حول العالم مستهدفة استغلال المسطحات المائية كمساحات بديلة لتركيب الأنظمة الكهروضوئية، يصبح من الضروري إدخال مثل هذه النماذج التحليلية في مرحلة التصميم لضمان أداء مستدام وفعال.

يمهد هذا النموذج الطريق نحو تطوير استراتيجيات تصميم محسنة لتثبيت الألواح بشكل يقلل من تأثير الأمواج، وقد يدفع المطورين والمستثمرين إلى إعادة تقييم اعتبارات الموقع والتخطيط الهيكلي لمشاريع الطاقة الشمسية العائمة المستقبلية.

مع تطور التكنولوجيا وتزايد أهمية الطاقة المتجددة، تزداد الحاجة إلى أدوات دقيقة تساهم في تحسين الأداء وضمان استدامة الاستثمارات البيئية على المدى الطويل.

المصدر

تم تقديم هذا النموذج في الدراسة العلمية:

“Modeling wave-induced losses for floating photovoltaics: Impact of design parameters and environmental conditions”
المنشورة في مجلة Solar Energy، بمشاركة باحثين من المعهد النرويجي لتكنولوجيا الطاقة  (IFE)، وجامعة أوسلو  (UiO)، وجامعة Himachal Pradesh في الهند.

للاطلاع على الدراسة كاملةً من هنا