هل تعمل الألواح الشمسية بفعالية في الظل؟

تواجه الألواح الشمسية غالبًا تظليلًا من مصادر مختلفة، والتي يمكن أن تكون موسمية وفريدة لكل منزل. يختلف التظليل في طبيعته، حيث يتراوح بين التظليل الديناميكي مثل السحب المتحركة، الثلج، فضلات الطيور، أو الغبار إلى التظليل الثابت مثل المباني أو الأشجار. ينتج التظليل عن العوائق البيئية، حيث تكون المصادر الديناميكية مؤقتة والمصادر الثابتة أكثر ديمومة.

رغم ذلك، تعمل الألواح الشمسية تحت الظل. تبدأ معظم الألواح الشمسية على الأسطح في توليد الكهرباء بعد فترة وجيزة من شروق الشمس في الأيام الصافية. لكن هل يؤثر الظل على كفاءة توليد الطاقة من الألواح الشمسية؟

في هذه المقالة، سنشرح أثر التظليل على أدائها وكفاءتها، وسنقدم 3 حلول مرنة لتظليل الألواح الشمسية.

 

 

ماذا يحدث إذا تم تظليل لوحة شمسية واحدة في مجموعة الألواح الشمسية

تولد الألواح الشمسية الكهرباء من خلال تأثير الخلايا الشمسية، الذي يحدث عندما تضرب أشعة الشمس سطح الخلايا الشمسية داخل اللوحة. عادةً ما تصنع هذه الخلايا الشمسية من مواد شبه موصلة، مثل السيليكون، التي تمتص الفوتونات من ضوء الشمس وتحرر الإلكترونات. يولد تدفق الإلكترونات تيارًا كهربائيًا يمكن استغلاله ككهرباء.

تشير مبدأ الألواح الشمسية إلى أنها تنتج الكهرباء بشكل مباشر وفقًا لتعرضها لأشعة الشمس. إن وجود ظل على اللوح الشمسي يقلل من كمية الضوء الشمسي التي تصل إلى الخلايا، مما يؤدي إلى انخفاض إنتاجها الكهربائي.

يمكن توصيل الألواح الشمسية على التوالي أو بالتوازي. ومع ذلك، حتى تحت ظروف الإضاءة المتطابقة ومواصفات نظام الألواح الشمسية، يؤثر الظل على الألواح بشكل مختلف اعتمادًا على طريقة توصيلها.

 

كيف يؤثر الظل على الألواح الشمسية المتسلسلة؟

في معظم الحالات، يتم توصيل الألواح الشمسية على التوالي. عادةً ما يتم توصيل الألواح الشمسية على التوالي لزيادة الجهد، وتقليل خسائر التيار، وتبسيط تصميم وتركيب العاكس.

ومع ذلك، إذا كان موقع التركيب يحتوي على ظل، فإن إضافة الألواح الشمسية على التوالي ليست أفضل تكوين. إذا كان أحد الألواح مظللاً، ستنخفض التيار. في الاتصال التسلسلي، يتم تحديد التيار بواسطة أدنى قيمة في السلسلة.

افترض أن ثلاثة ألواح شمسية بقدرة 200 واط بجهد طاقة أقصى قدره 21 فولت وتيار طاقة أقصى قدره 9.52 أمبير متصلة على التوالي. تحت ظروف مثالية، ستنتج السلسلة 600 واط من الطاقة.

إذا كان أحد الألواح الشمسية مظللاً، فإن التيار قد ينخفض إلى 5A، بينما يبقى الجهد دون تغيير. ستكون النتيجة النهائية 315W (5A × 21V × 3)، وستنخفض كفاءة السلسلة الإجمالية بنسبة 48.5%.

في هذه الحالة، يمكن أن يؤدي تثبيت صمامات التجاوز إلى عزل الألواح الشمسية المظللة، وإعادة توجيه التيار و"تجاوز" الألواح ذات الأداء المنخفض بحيث لم تعد تؤثر على النظام بأكمله. ومع ذلك، لا يزال هذا يؤدي إلى فقدان الإنتاج من الألواح التي تم تجاوزها. في السيناريو الموصوف، سيكون إجمالي إنتاج الطاقة من السلسلة 400 واط.

 

كيف يؤثر الظل على الألواح الشمسية المتصلة على التوازي؟

في أنظمة الألواح الشمسية المتصلة بالتوازي، يكون تأثير الظل نسبيًا ضئيلًا لأن في الدوائر المتوازية، يبقى الجهد ثابتًا بينما تتجمع التيارات. على سبيل المثال، عند أخذ ثلاثة ألواح بجهد أقصى للطاقة يبلغ 21 فولت وتيار أقصى للطاقة يبلغ 9.52 أمبير، عندما يتم توصيلها بالتوازي، من الناحية المثالية، سيولد النظام 600 واط من الطاقة.

إذا كان أحد الألواح الشمسية مظللاً، مما يقلل التيار إلى 5 أمبير، فإن إجمالي الطاقة الناتجة عن نظام الألواح الشمسية سيكون حوالي 505 واط ((9.52 + 9.52 + 5)A × 21V). وهذا يمثل انخفاضًا بنسبة 16% في كفاءة توليد الطاقة.

 

ما مدى فعالية الألواح الشمسية في الظل؟

كقاعدة عامة، فإن الطاقة التي تنتجها الألواح الشمسية تكون تقريبًا نصفها عندما تكون مظللة عن أشعة الشمس المباشرة.

ومع ذلك، فإن كفاءة الألواح الشمسية تحت الظل لا تمتلك قيمة دقيقة، حيث تتأثر بعدة عوامل. حتى مع وجود مواصفات متطابقة للألواح الشمسية ومساحات مظللة متساوية، يختلف التأثير تحت ظروف مختلفة. تلعب عوامل مثل شدة الضوء، والموقع الجغرافي، وزاوية ميل السقف، والاتجاه دورًا جميعها.

على الرغم من ذلك، فإن التظليل لا يعني أنه لا يمكنك الاستفادة من الألواح الشمسية السكنية إذا كان سقفك مظللاً طوال اليوم. من خلال تصميمات مدروسة بعناية أو استخدام تقنيات معينة، من الممكن التغلب على مشاكل التظليل.

 

حلول تظليل الألواح الشمسية

يمكن أن تخفف الثنائيات الجانبية والألواح الشمسية المتوازية المذكورة سابقًا من تراجع كفاءة توليد الطاقة الناتج عن الظل، لكنها ليست دائمًا الحلول الأفضل.

على سبيل المثال، قد لا تفي الأسلاك المتوازية بمتطلبات الجهد، ويمكن أن تقلل الصمامات الجانبية فقط من مساهمة الطاقة للألواح الشمسية المظللة إلى الصفر.

لا يمكنهم تعظيم الطاقة المجمعة من الألواح المظللة لتقليل الفقد.

بجانب هاتين الطريقتين، سنقدم 4 أنواع من الأجهزة لزيادة كفاءة توليد الطاقة من أنظمة الألواح الشمسية بشكل أكثر مرونة، مع ضمان أن الألواح المظللة لا تؤثر على أداء الألواح الأخرى في النظام.

 

الحل 1 - العاكس الصغير

المحولون الصغار مناسبون للتعامل مع مشاكل الظل لأنهم يقومون بتحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب على مستوى اللوحة، مما يسمح لكل لوحة شمسية بالعمل بشكل مستقل عن الأخرى في المجموعة. هذا يعني أنه حتى إذا كانت لوحة شمسية واحدة مظللة، يمكنها لا تزال تولد الكهرباء من ضوء الشمس المتاح، بينما تستمر الألواح الأخرى في إنتاج الطاقة بأقصى سعة لها.

 

الحل 2 - العاكس المدرك للظل

بعض الشركات المصنعة تدمج ثنائيات التجاوز في ألواحها الشمسية. نظرًا لأن ثنائيات التجاوز تسمح للمحول "بتخطي" الألواح المظللة بدلاً من العمل عند تيار أقل، فإن منحنى الطاقة لمجموعة مظللة جزئيًا يبدو مختلفًا عن ذلك الخاص بمجموعة غير مظللة. كما هو موضح في الشكل أدناه، سيكون للأولى قمم متعددة.

ومع ذلك، فإن خوارزميات تتبع نقطة القدرة القصوى التقليدية (MPPT) لا تستطيع تتبع نقطة القدرة القصوى العالمية (GMPP) تحت الظل الجزئي، مما يتسبب في اختيار العاكس لنقطة قدرة قصوى غير مثالية (نقطة القدرة القصوى المحلية).

لمعالجة هذه المشكلة، يمكنك اختيار عكس الطاقة المدرك للظل، مثل سلسلة SOLXPOW لعكس الطاقة التخزينية من PowMr. يتميز بخوارزمية تتبع نقطة الطاقة القصوى مع مسح الظل المتقدمة، التي تقوم بمسح نقاط الطاقة على مستوى السلسلة على فترات منتظمة لتحديد نقطة الطاقة القصوى الدقيقة (GMPP). بعد ذلك، يقوم بضبط نقطة التشغيل بناءً على هذه GMPP لتعظيم إنتاجية محطة الطاقة الشمسية الخاصة بك في حالة وجود ظل.

 

الحل 3 - عاكس شمسي متعدد نقاط الطاقة القصوى

محولات متعددة MPPT تُستخدم عادةً على الأسطح ذات الاتجاهات المختلفة وتقدم حلاً قويًا للتظليل. من خلال التخطيط بعناية لعدد وترتيب الألواح الشمسية على السطح بناءً على هيكل السقف وظروف الإضاءة، يمكن توصيل كل مجموعة بمحولات مزودة باثنين أو أكثر من متعقبات نقطة الطاقة القصوى (MPPT). تقوم هذه المتعقبات بضبط الجهد لتتناسب باستمرار مع نطاق الإدخال المفضل للمحول، م maximizing استخراج الطاقة من كل سلسلة من الألواح الشمسية، حتى تحت التظليل الجزئي.

بشكل أساسي، تتيح العواكس متعددة نقاط الطاقة (multi-MPPT) التشغيل المستقل لكل سلسلة، مما يحسن الإنتاج تحت ظروف التظليل المتغيرة. تضمن هذه المرونة أن يؤثر التظليل بشكل ضئيل على أداء النظام، مما يقلل من فقدان الطاقة ويعزز الكفاءة العامة.

 

Solution4 - جهاز التحكم بالشحن / العاكس للتشغيل المتوازي

وحدة تحكم شحن الطاقة الشمسية للتشغيل المتوازي

على غرار العاكسات متعددة MPPT، يمكنك تصميم كل سلسلة بشكل مرن وفقًا للظروف الفعلية وربطها بكل وحدات التحكم في الشحن الشمسية في اتصال متوازي.

بمجرد تجميع نظام الطاقة الشمسية بالكامل، يقوم كل جهاز تحكم بالشحن بتتبع النقاط التشغيلية بشكل مثالي لأنظمة الألواح الشمسية المختلفة. بعد ذلك، يضمن الاتصال المتوازي المتخصص تبادل البيانات لتعظيم إنتاج الطاقة وشحن البطاريات بأمان.

محول الطاقة الشمسية للتشغيل المتوازي

تدير المحولات للعمل بالتوازي داخل النظام سلاسل منفصلة، مما يضمن أن تعمل مجموعات الألواح الشمسية المظللة والمشمسة بشكل مستقل وفعال. لا تعمل هذه الإعدادات فقط على تحسين توليد الكهرباء ولكن أيضًا تسهل قابلية التوسع لنظام الألواح الشمسية الحالي.

تتمتع هذه العواكس بالقدرة على استيعاب أحمال التيار المتردد الأكبر والتوسعات، مما يجعلها متعددة الاستخدامات وفعالة من حيث التكلفة مقارنة بالعواكس الصغيرة. يضمن هذا التصميم أن تعمل كل مجموعة بأقصى أداء لها، دون تأثر بظروف المجموعات المجاورة.

بشكل عام، توفر العاكسات المتوازية متانة في تصميم النظام، داعمةً كل من العمليات الحالية والنمو المستقبلي في سعة الطاقة الشمسية، كل ذلك مع إمكانية تقليل تكاليف التركيب الإجمالية.

 

المخاوف الشائعة بشأن إضاءة الطاقة الشمسية

هل يمكن أن تعمل الألواح الشمسية بدون ضوء مباشر

يمكن للألواح الشمسية توليد الكهرباء حتى بدون ضوء الشمس المباشر. لا تزال قادرة على إنتاج الطاقة في الأيام الغائمة أو عندما يكون السماء ملبدة جزئيًا بالغيوم. وذلك لأنها تستطيع استغلال ضوء الشمس المنتشر وتحويله إلى كهرباء من خلال خلاياها الكهروضوئية. على الرغم من أنها الأكثر كفاءة تحت ضوء الشمس المباشر، إلا أنها يمكن أن تعمل بمستويات كفاءة منخفضة تحت ظروف الضوء غير المباشر.

 

هل تعمل الألواح الشمسية في الأيام الغائمة أو الممطرة؟

نعم، يمكن أن تعمل الألواح الشمسية في الأيام الغائمة والممطرة. على الرغم من أن كفاءتها قد تكون أقل مقارنة بالأيام المشمسة، إلا أنها لا تزال قادرة على توليد الكهرباء. الطقس الغائم يقلل من شدة ضوء الشمس الذي يصل إلى الألواح، لكنها لا تزال قادرة على تحويل الضوء المتاح إلى كهرباء. الأمطار عادة لا تؤثر على وظيفتها، على الرغم من أن الأمطار الغزيرة جداً أو الحطام قد تقلل مؤقتاً من الإنتاج حتى يتم تنظيفها.