كيف يمكن محاكاة أداء أنظمة الطاقة الشمسية ثنائية الوجه على الأراضي المائلة؟
في خطوة مبتكرة نحو تعظيم إنتاجية محطات الطاقة الشمسية على الأراضي غير المستوية، طوّر باحثون من جامعة East West البنغالية طريقة جديدة لتحليل أداء الألواح الشمسية ثنائية الوجه (Bifacial PV) على التضاريس المائلة. تهدف هذه المنهجية إلى سد فجوة بارزة في أدوات النمذجة الرقمية، التي غالباً ما تقتصر على أسطح أفقية، متجاهلة واقع أن نسبة كبيرة من الأراضي حول العالم ذات تضاريس مائلة.
تحديات النمذجة على التضاريس غير المستوية
تلعب النماذج الرقمية دوراً محورياً في تصميم المزارع الشمسية وتقييمها الاقتصادي والتقني، كما تُستخدم في بناء “التوأم الرقمي” لأنظمة الطاقة الشمسية من أجل تحسين عمليات التشغيل والصيانة. ومع أن أدوات مثل PVsyst وPV-MAPS تُعد مرجعية في هذا المجال، إلا أنها تفترض أرضاً أفقية ثابتة، مما يضعف دقة المحاكاة في البيئات الجبلية أو الوعرة.
وعلى الرغم من وجود بعض المحاولات لنمذجة الأنظمة أحادية الوجه على المنحدرات، فإن نمذجة الأنظمة ثنائية الوجه لا تزال غير ممثلة بشكل كافٍ في الأدبيات العلمية، خصوصاً مع دخولها المتسارع إلى الأسواق.
مقاربة ذكية: خطوة أولية بدل إعادة بناء النموذج
بدلاً من إعادة بناء النموذج بالكامل، قدّم الباحثون خطوة أولية (Precursor Formulation) يتم إضافتها إلى النماذج التقليدية. تقوم هذه الخطوة بحساب مسار الشمس والإشعاع الشمسي كما لو أن “المراقب” موجود على سطح مائل، ثم تُغذى هذه القيم المعدلة إلى نموذج الأداء الكهروضوئي القائم.
“أردنا الاستفادة من النماذج الحالية وتوسيع قدرتها دون الحاجة إلى إعادة بنائها من الصفر”
— د. محمد ريان خان، المؤلف الرئيسي
كيف تعمل الطريقة الجديدة؟
تتكون منهجية الباحثين من ثلاث مراحل مترابطة:
- تحديث مسار الشمس وفقاً لميل الأرض واتجاهها:
يتم تدوير الإحداثيات العالمية بما يتناسب مع زاوية السطح، مما يغيّر موقع الشمس كما يراه النظام الكهروضوئي من هذا السطح.
- تعديل قيم الإشعاع الشمسي:
- الإشعاع المباشر (DNI) يُحسب بناءً على زاوية السقوط المعدّلة.
- الإشعاع المنتشر (DHI) يُعاد تقديره بناءً على “معامل الرؤية” من السطح نحو السماء، مع افتراض توزيع متساوٍ (isotropic) للإشعاع، وهو المجال الوحيد الذي قد يسبب بعض الخطأ في الحالات الشديدة الميل.
- دمج النتائج المعدّلة في النماذج التقليدية:
تُدخل القيم الجديدة مباشرة إلى نموذج الأداء، الذي يعمل وكأن النظام على سطح أفقي، لكن مخرجاته تعكس الواقع المائل.
دقة عالية وتحقق ثلاثي
للتأكد من صحة المنهجية، تم إجراء ثلاث تجارب تحقق:
- تحقق ذاتي أظهر أخطاء تقل عن 2%
- مقارنة مع PVsyst أظهرت تطابقاً قريباً، مع فروقات بسيطة تُعزى إلى اختلافات في التنفيذ.
- تجربة ميدانية تمت في حرم جامعة East West، باستخدام نظام ثنائي الوجه مائل بزاوية 20° نحو الشرق، وتم قياس الطاقة المنتجة كل دقيقتين على مدار 10 أيام.
النتائج أكدت أن النموذج المعدّل يُعطي توقعات دقيقة للغاية، بفرق أقل من 3% عن القيم الفعلية.
قدرات تحليل متقدمة: من الأداء السنوي إلى توزيع الضوء الأرضي
باستخدام النموذج، تمكن الباحثون من توليد بيانات تفصيلية حول:
- الإنتاج الشمسي اليومي والشهري والسنوي.
- توزيع الضوء على الأرض أسفل الألواح الشمسية، وهي معلومة مهمة لحساب الانعكاس الأرضي (Albedo) في الأنظمة ثنائية الوجه، وكذلك لتحليل إنتاجية المحاصيل في مشاريع الزراعة الكهروضوئية.
أنظمة متعددة وتطبيقات واعدة
تفتح هذه المقاربة الباب أمام تطبيقات متعددة، منها:
- محطات ثنائية وأحادية الوجه بثبات أو بتتبّع شمسي (Fixed/Tracking)
- أنظمة الزراعة الكهروضوئية في المناطق الريفية والجبلية.
- المزارع الشمسية متعددة الوصلات (Tandem Cells)
- تحليل الكفاءة الاقتصادية والتقنية للمشاريع على مختلف التضاريس.
وقد أظهر النموذج قدرته على محاكاة أداء أنظمة بزاوية ميل 20 درجة وباتجاهات مختلفة (شمال، جنوب، شرق، غرب)، حيث تراوحت الإنتاجية السنوية للألواح ثنائية الوجه بين 211 و290 كيلوواط.ساعة/م²، مقابل 187–259 كيلوواط.ساعة/م² للألواح أحادية الوجه.
الخلاصة: تبسيط النمذجة ورفع الدقة
يُعد هذا الابتكار إضافة نوعية للنمذجة الرقمية في قطاع الطاقة الشمسية، حيث يمكّن المهندسين والمخططين من الحصول على نتائج دقيقة دون الحاجة إلى إعادة تطوير أدوات جديدة بالكامل. كما يعزز إمكانيات التحليل لأنظمة الطاقة الشمسية في المناطق ذات التضاريس المعقدة، ما يساهم في التوسع الذكي والمستدام لمشاريع الطاقة المتجددة حول العالم.
المصدر العلمي:
Noor Mohammed Naushad, Shakil Hossain, M. Ryyan Khan, modeling any bifacial solar panel array configuration on sloped terrain: Generalization using a precursor formulation, Energy Conversion and Management: X, 2025, 101035, ISSN 2590-1745, https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2025.101035.
