لماذا تقل كفاءة الألواح الشمسية عندما ترتفع درجة حرارتها؟ وكيف يمكن حل هذه المشكلة؟

المقدمة

تُعد الطاقة الشمسية من أهم مصادر الكهرباء المتجددة، لكن إنتاج الألواح الشمسية لا يتوقف على شدة أشعة الشمس وحدها؛ إذ تؤثر فيه أيضاً درجة حرارة الخلايا والظروف الجوية المحيطة. ومن المفارقات أن شدة الإشعاع قد تزيد الكهرباء المنتجة، بينما تؤدي الحرارة المرتفعة إلى خفض كفاءة تحويل الضوء إلى كهرباء. فكيف يحدث ذلك، وما وسائل التبريد التي تساعد على الحد منه؟ [1]

أولاً: كيف تعمل الألواح الشمسية؟

تُحوّل الخلايا الكهروضوئية (PV)، المصنوعة غالباً من السيليكون، جزءاً من ضوء الشمس إلى كهرباء. أما الطاقة التي لا تتحول إلى كهرباء، فيُفقد بعضها بالانعكاس ويتحول جانب كبير منها إلى حرارة. لذلك قد تصبح الخلايا أثناء التشغيل أسخن من الهواء المحيط، ولا سيما في الأيام المشمسة والحارة [1، 2].

ثانياً: لماذا تنخفض الكفاءة الكهربائية عند ارتفاع درجة الحرارة؟

عند ارتفاع درجة حرارة خلايا السيليكون، ينخفض الجهد الكهربائي عادةً بمقدار يفوق الزيادة الطفيفة في التيار، فتتراجع القدرة الكهربائية القصوى. ولهذا تُعد درجة حرارة الخلايا، وليس درجة حرارة الهواء فقط، مؤشراً مهماً عند تقييم أداء اللوح. وتبلغ خسارة القدرة في بعض ألواح السيليكون البلوري التقليدية نحو 0.4%–0.5% لكل ارتفاع بمقدار درجة مئوية واحدة، مع اختلاف المعامل الحراري بين التقنيات والشركات المصنّعة [1].

ولتقريب الفكرة، لنفترض لوحاً بقدرة اسمية تبلغ 400 واط ومعامل حراري للقدرة مقداره −0.4% لكل درجة مئوية. إذا ارتفعت درجة حرارة خلاياه من 25 إلى 55 درجة مئوية، فإن الزيادة البالغة 30 درجة تؤدي حسابياً إلى فقدان يقارب 12% من القدرة، أي 48 واط؛ فتكون القدرة المتوقعة نحو 352 واط. وهذا مثال تقديري عند ثبات الإشعاع عند 1000 واط لكل متر مربع وبقية شروط الاختبار القياسية، وليس قياساً ميدانياً فعلياً [1].

ثالثاً: ما العلاقة بين المناخ الحار وأداء الألواح الشمسية؟

تكتسب هذه المشكلة أهمية خاصة في العراق والمناطق الحارة، حيث يمكن أن تجتمع درجات حرارة الجو المرتفعة مع الإشعاع الشمسي القوي، فترتفع حرارة الخلايا ويقل مردودها الكهربائي. لكن هذا لا يعني أن الإنتاج في الصيف أقل دائماً؛ فكمية الكهرباء تتحدد بتفاعل الإشعاع وحرارة الخلايا ومدة سطوع الشمس والتهوية وظروف التشغيل. لذلك ينبغي تقييم إنتاج النظام الفعلي بدلاً من الحكم عليه من درجة حرارة الجو وحدها [1، 4].

رابعاً: كيف يمكن تبريد الألواح الشمسية؟

طوّر الباحثون عدة طرق لاستخلاص الحرارة من الألواح الشمسية. وتنقسم الحلول الشائعة إلى التبريد بالهواء أو الماء، والتبريد السلبي الذي يستفيد من مواد أو تصاميم لا تتطلب تشغيل مراوح أو مضخات بصورة مستمرة [4].

التبريد بالهواء (Air Cooling)

التبريد بالهواء (Air Cooling): يُمرَّر الهواء خلف اللوح لسحب جزء من الحرارة، إما بحركة طبيعية وإما باستخدام مروحة. ويمكن إضافة زعانف معدنية أو تحسين شكل القناة الهوائية لزيادة انتقال الحرارة. تمتاز الطريقة بعدم استهلاك المياه، لكن التبريد القسري يحتاج إلى كهرباء لتشغيل المروحة؛ لذلك يجب حساب فائدته الصافية. وبيّنت دراسة منشورة في مجلة Renewable Energy أهمية الزعانف وتحسين قنوات الهواء في مجمعات PV/T [3].

التبريد بالماء (Water Cooling)

التبريد بالماء (Water Cooling): يمر الماء في أنابيب أو قنوات متصلة حرارياً بالجزء الخلفي من اللوح، فيمتص حرارة يمكن استخدامها لاحقاً إذا وُجد تطبيق مناسب. وقد يحقق الماء تبريداً جيداً، لكن النظام يحتاج عادةً إلى أنابيب ومضخة وصيانة، مع مراعاة احتمالات التسرب واستهلاك الطاقة والمياه بحسب تصميم الدائرة [2، 4].

التبريد السلبي (Passive Cooling)

التبريد السلبي (Passive Cooling): تُستخدم مشتتات حرارية معدنية أو مواد متغيرة الطور (PCM) تمتص الحرارة عند الانصهار، من غير الاعتماد على مراوح أو مضخات أثناء التشغيل المعتاد. وتختلف فاعلية هذه الحلول باختلاف المناخ والتصميم وقدرة المادة على التخلص من الحرارة المخزنة لاحقاً [4].

خامساً: ما المقصود بالأنظمة الشمسية الهجينة PV/T؟

تجمع الأنظمة الكهروضوئية والحرارية (PV/T) بين إنتاج الكهرباء واستخلاص الحرارة داخل منظومة واحدة. فعند مرور الهواء أو الماء خلف اللوح، يمكن تخفيف سخونة الخلايا واستعادة جزء من الحرارة لاستخدامات مفيدة؛ لكن الفائدة ليست مضمونة في كل تصميم. وقد تناولت الدراسات مزايا هذه الأنظمة ودور تحسين القنوات والزعانف في تطوير أدائها [2، 3].

كما عرضت مراجعة علمية منشورة عام 2026 في مجلة Thermal Science مقارنة بين التبريد النشط والسلبي والهجين، ومزايا كل حل وتحديات تطبيقه [4].

سادساً: ما التحديات المستقبلية لتقنيات التبريد؟

رغم هذه الإمكانات، فإن أفضل طريقة للتبريد ليست بالضرورة الأقوى في خفض درجة الحرارة؛ بل الأكثر جدوى بعد حساب كلفة التركيب والصيانة والطاقة التي تستهلكها المراوح أو المضخات. كما تحتاج الأنظمة إلى اختبارات ميدانية في المناخ الحار وعلى مدار فصول السنة، للتأكد من أن التحسن المخبري يتحقق في الاستخدام اليومي [4].

الخاتمة:

إن ارتفاع حرارة الخلايا الشمسية قد يقلل الكهرباء المنتجة حتى في الأيام كثيرة الإشعاع. وتساعد تقنيات التبريد بالهواء والماء والمواد متغيرة الطور على الحد من هذا الأثر بدرجات متفاوتة، فيما تتيح أنظمة PV/T الاستفادة من الحرارة المستخلصة أيضاً. ويبقى نجاح أي حل مرتبطاً بتصميمه وظروف تشغيله وجدواه الاقتصادية.

وهكذا فإن تطوير الطاقة الشمسية لا يعني زيادة عدد الألواح فقط، بل تحسين الاستفادة من الطاقة المتاحة وتقليل الفاقد منها.