كيف تؤثر الظروف الصحراوية القاسية على أداء وموثوقية تقنيات خلايا الطاقة الشمسية المتقدمة TOPCon وSHJ؟

مقدمة: لماذا تمثل التقنيات الشمسية المتقدمة مستقبل الطاقة في الصحارى القاسية؟

مع توقع زيادة الطلب العالمي على الكهرباء بنسبة 4% سنويًا بين 2025 و2027، تتزايد الحاجة إلى مصادر طاقة نظيفة ومستدامة بشكل كبير. تعد الطاقة الشمسية الضوئية (PV) من أكثر الحلول الواعدة، خاصة بعد انخفاض تكلفتها بشكل كبير خلال العقد الماضي، لتصبح من أرخص مصادر توليد الكهرباء عالميًا. على الرغم من أن الطاقة الشمسية تمثل حوالي 5% فقط من إجمالي التوليد العالمي في 2023، من المتوقع أن تشكل أكثر من 40% من الطاقة الجديدة بحلول عام 2030، مما يجعل التطورات التقنية في خلايا وموديولات الطاقة الشمسية أمرًا حيويًا لاستدامة هذه الوتيرة.

حاليًا، تقنيات خلايا TOPCon وSHJ  تعد من أبرز التقنيات المتقدمة التي تحل تدريجياً مكان تقنية PERC التقليدية، حيث تقدم كل منها مزايا فريدة من حيث الكفاءة والأداء والموثوقية والتكلفة. تقنية SHJ حققت أرقامًا قياسية في كفاءة التحويل تصل حتى 26.8%، متفوقة على TOPCon التي تصل كفاءتها إلى 26% وPERC التي تصل إلى 25%. كما يتميز SHJ بمقاومة أعلى لدرجات الحرارة وانخفاض تأثيرات الأداء السلبية تحت الظل الجزئي، وهو أمر مهم في البيئات الحارة التي قد تؤدي إلى تدهور أداء الموديولات الشمسية التقليدية.

منهجية الدراسة: كيف تم تقييم أداء وحدات الطاقة الشمسية في صحراء قطر؟

تم تركيب وحدات طاقة شمسية تجارية من تقنيات PERC وTOPCon  وSHJ  في موقع صحراوي بقطر، حيث الظروف البيئية القاسية تشمل درجات حرارة عالية، إشعاع شمسي قوي، ونسب رطوبة متفاوتة. استمرت الدراسة لمدة حوالي 3 سنوات، تخللتها اختبارات داخل المختبر وفي الموقع لتقييم تدهور الأداء عبر الزمن، ونسب الأداء (Performance Ratio)، والعائد الطاقي الموسمي.
كما شملت الدراسة فحوصات بصرية وفنية باستخدام تقنيات متقدمة مثل تصوير الفلورسنت بالأشعة فوق البنفسجية للكشف عن علامات التدهور مثل انفصال التغليف وتدهور الحواف، مما سمح بتحديد أسباب التدهور المبكر والآثار البيئية عليه.

نتائج الأداء: من هي التقنية التي تصمد أمام حرارة وصقيع الصحراء؟

• وحدات SHJ : أظهرت أعلى نسب تدهور بلغت حوالي 8.73% خلال فترة الدراسة، مع خسائر واضحة في الجهد المفتوح والتيار القصير الدائرة، وذلك بسبب ظاهرة انفصال طبقة التغليف (Encapsulant Delamination)  التي حدثت بشكل رئيسي خلال السنة الأولى، مما يهدد عمر الوحدة ويقلل من موثوقيتها على المدى الطويل.
• وحدات TOPCon : أظهرت نتائج متفاوتة بين النماذج، حيث تمكن نموذج منها من المحافظة على استقرار عالٍ مع أقل معدل تدهور، في حين تدهور نموذج آخر بشكل ملحوظ، ما يعكس أهمية جودة المواد وتصميم الوحدة في تحديد الأداء الفعلي. بالمقارنة مع  PERC، أظهرت TOPCon معدلات تدهور سنوية أقل وخصائص حرارية أفضل، مع كفاءات أعلى بشكل عام.
• وحدات PERC : رغم تدهورها الملحوظ في السنة الأولى، فقد أظهرت استقرارًا في الأداء بعد ذلك، مع بعض النماذج التي تفوقت على توقعات الأداء، مما يشير إلى اختلافات في جودة التصنيع والمواد المستخدمة.

 العوامل المؤثرة: كيف تكشف درجات الحرارة المرتفعة عن نقاط القوة والضعف في هذه التقنيات؟

تتسم المناطق الصحراوية بظروف مناخية شديدة القسوة على الوحدات الشمسية، منها:

• ارتفاع درجات الحرارة:  تجاوزت درجات حرارة الوحدات 85 درجة مئوية في بعض المواقع، ما يزيد من الإجهاد الحراري على الخلايا ويؤثر سلبًا على الجهد والتيار، ويزيد من معدل التدهور.
• الأشعة فوق البنفسجية القوية:  تؤدي إلى تدهور المواد البلاستيكية المستخدمة في التغليف والحواف، كما لوحظ في تقنيات SHJ وTOPCon  مما يسبب ضعف عزل الوحدة وتأثر أدائها.
• الغبار والأتربة:  تسبب فقدانًا في طاقة الإنتاج يصل إلى 70% سنويًا في مناطق مثل الشرق الأوسط وشمال أفريقيا، كما تؤثر على استقرار الحرارة داخل الوحدة وتعزز التفاعلات الكيميائية الضارة.
• الرطوبة والاحتباس الحراري:  بالرغم من جفاف الصحارى، إلا أن الرطوبة الموسمية أو الليلة قد تؤدي إلى تفاعلات كيميائية بين مكونات الوحدة، خاصة مع التداخل بين المواد المختلفة، مما يزيد من معدلات التدهور.

نقاش: ما الذي يجعل SHJ وTOPCon  يتفوقان رغم التحديات؟

رغم التحديات البيئية، تتميز تقنيات SHJ وTOPCon  بعدة مزايا تجعلها خيارات واعدة:

• كفاءة تحويل عالية:  قدرة تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء أعلى مقارنة بـPERC، خصوصًا مع التصميمات ثنائية الوجه (bifacial) التي تستغل الإشعاع المنعكس من الأرض.
• خصائص حرارية متفوقة:  تقلل من فقدان الأداء مع ارتفاع درجات الحرارة، وهو أمر أساسي للبيئات الحارة.
• إمكانية تطوير وتصميم متقدمة:  مثل استخدام بنى خلفية متداخلة (IBC) التي تعزز من كفاءة شحن الناقلات وتحسن من الاستقرار الحراري.

لكن ما يزال هناك حاجة لمواجهة مشكلات مثل التدهور السريع في طبقات التغليف، والحساسية للرطوبة، وارتفاع التكاليف الإنتاجية، وهو ما يتطلب بحوثًا مكثفة لتحسين المواد والتقنيات التصنيعية.

التوصيات: كيف نختار التقنية الأمثل للطاقة الشمسية في الصحارى القاسية؟

توصي الدراسة بضرورة:

• تعزيز جودة مواد التغليف للحماية من الأشعة فوق البنفسجية والرطوبة، مع اختبارات ميدانية مكثفة في بيئات صحراوية.
• تطوير حلول تصميمية لتحسين مقاومة التدهور الحراري والكيميائي.
• دعم البحوث في تصنيع خلايا SHJ وTOPCon  لتقليل التكاليف وتبسيط خطوط الإنتاج.
• تبني ممارسات صيانة وتنظيف دورية للحد من تأثير التربة والغبار.

في الختام، توفر تقنيات SHJ وTOPCon  فرصًا كبيرة لتعظيم إنتاج الطاقة الشمسية في الظروف القاسية، لكنها تحتاج إلى مواجهة تحديات الموثوقية لضمان استدامتها على المدى الطويل.

خاتمة

في ظل التحديات البيئية القاسية التي تفرضها المناطق الصحراوية مثل قطر، تبرز تقنيات خلايا الطاقة الشمسية المتقدمة TOPCon وHJT  كخيارات واعدة لتعزيز إنتاج الطاقة المتجددة بكفاءة أعلى وموثوقية محسنة مقارنة بالتقنيات التقليدية مثل PERC ، ورغم وجود بعض العقبات المتعلقة بتدهور طبقات التغليف والتأثيرات الحرارية، فإن التطورات المستمرة في المواد والتصميمات تعد بتحسين استدامة هذه التقنيات في المستقبل. بناءً على النتائج، من الضروري التركيز على تعزيز جودة التصنيع وإجراء اختبارات ميدانية موسعة في البيئات الصحراوية لضمان تحقيق أقصى استفادة من هذه التكنولوجيا. بذلك، تمثل هذه التقنيات خطوة مهمة نحو تحقيق أمن الطاقة المستدامة في المناطق ذات الظروف المناخية الصعبة.

المصدر:

Nassar, M. M., El-Amrousi, M. I., Mostafa, M., Khalil, H., & Al-Zaqri, N. (2024). Performance and degradation analysis of commercial PERC, TOPCon, and HJT solar modules under harsh desert environment in Qatar. Solar Energy, 252, 110243. Paper Link