تقييم فعالية محطات الطاقة الكهروضوئية في إزالة الثلوج باستخدام تقنية التصوير الطيفي الفائق

تقع محطة دالاد توب رانر للطاقة الكهروضوئية في لواء دالاد، بمنطقة منغوليا الداخلية، في منطقة متوسطة العرض عند خط عرض 40 درجة شمالاً. تتميز المنطقة بانخفاض درجات الحرارة شتاءً وكثرة تساقط الثلوج. يعكس الثلج المتراكم ضوء الشمس، ويتشكل الجليد بسهولة على سطح الزجاج المقوى للألواح الكهروضوئية أسفل الثلج، مما يصعب ذوبانه بسرعة، ويحجب ضوء الشمس، ويؤثر سلبًا على كفاءة توليد الطاقة. لذا، فإن إيجاد طريقة فعالة واقتصادية لإذابة الثلج وإزالته بسرعة لا يساهم فقط في زيادة إنتاج الطاقة في محطة الطاقة الكهروضوئية وتقليل أعباء وتكاليف التشغيل والصيانة، بل له أيضًا قيمة تطبيقية كبيرة.

حلول شائعة لإزالة الثلوج لمحطات الطاقة الكهروضوئية

1. إزالة الثلج يدوياً
في الظروف العادية، لا تستطيع محطات الطاقة الكهروضوئية الاعتماد إلا على كوادر متخصصة لإزالة الثلوج باستخدام مواد لينة. هذه الطريقة غير فعالة وتستهلك الكثير من القوى العاملة والموارد، خاصةً عند التعامل مع التضاريس المعقدة أو الوحدات المرتفعة عن سطح الأرض. حاليًا، لا تزال معظم محطات الطاقة الكهروضوئية تستخدم الطريقة التقليدية لإزالة الثلوج يدويًا.

2. إزالة الثلج بواسطة الروبوت

تُعدّ روبوتات التنظيف الكهروضوئية ذاتية الدفع شائعة الاستخدام، وهي مناسبة لمحطات الطاقة الكهروضوئية الكبيرة، لكنها باهظة الثمن وغير مناسبة لمحطات الطاقة الكهروضوئية الصغيرة. علاوة على ذلك، فإن استقرارها في بيئات درجات الحرارة المنخفضة يحتاج إلى مزيد من التحقق.

3. إزالة الثلج تلقائيًا بواسطة دعامة التتبع

يُسهّل ضبط وحدات البطارية على أقصى زاوية ميل لها أثناء تساقط الثلوج انزلاق الثلج ويقلل بشكل فعال من تراكمه على سطح الوحدة. وبمجرد ذوبان الثلج، تُعاد وحدات البطارية إلى زاويتها الطبيعية. مع ذلك، فإن هذه الطريقة مناسبة فقط لأنظمة التتبع ذات الأقواس، مثل التتبع الأفقي أحادي المحور، والتتبع المائل أحادي المحور، والتتبع ثنائي المحور؛ ويصعب تطبيقها مع الأقواس الثابتة.

4. مزايا إزالة الثلج باستخدام الوحدات ثنائية الوجه ذات الزجاج المزدوج

بعد تساقط الثلوج، تُغطى الأرض بالثلوج، مما يزيد من قدرتها على عكس ضوء الشمس. وهذا بدوره يزيد من انعكاسية الجزء الخلفي من الألواح الشمسية، وبالتالي يعزز قدرتها على توليد الطاقة. ويستمر الجزء الخلفي من الألواح الشمسية ثنائية الوجه ذات الزجاج المزدوج في توليد الكهرباء من خلال التحويل الكهروضوئي عبر الانعكاس المنتشر من الثلج على الأرض. كما تعمل الحرارة المنبعثة خلال عملية التحويل هذه على إذابة الثلج المتراكم على الجزء الأمامي من الألواح بسرعة، مُشكلةً طبقة مائية. وهذا بدوره يقلل الاحتكاك بين الثلج والألواح، وتسمح الجاذبية للثلج بالانزلاق، مما يقلل من مساحة ومدة تراكم الثلج على الجزء الأمامي من الألواح. ويُقدر أن إزالة الثلج من الجزء الأمامي من الألواح الشمسية ثنائية الوجه ذات الزجاج المزدوج تستغرق ما بين ساعة إلى ثلاث ساعات تقريبًا. وتكون فعالية إزالة الثلج أفضل عند استخدامها مع نظام إزالة الثلج المُثبت على دعامة تتبع.

حلول شائعة لإزالة الثلوج لمحطات الطاقة الكهروضوئية

5. تقنية إذابة الثلج القائمة على المبدأ الكهروحراري لوصلة PN في وحدة الخلايا الكهروضوئية

عند استخدام وحدة كهروضوئية كحمل وتطبيق جهد موجب على طرفيها الموجب والسالب، يتولد تيار أحادي الاتجاه نتيجة لبنية وصلة PN داخل الوحدة. يشبه مبدأ عملها مبدأ عمل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). وبسبب اختلاف مستوى الطاقة في وصلة PN ومقاومة منطقة أشباه الموصلات، عند مرور الإلكترونات، تتولد طاقة في منطقة أشباه الموصلات داخل الوحدة الكهروضوئية وتتحول إلى حرارة، مما يرفع درجة حرارة الوحدة ويعمل كعامل لإذابة الثلج.

مع ذلك، في المناطق ذات درجات الحرارة المحيطة المنخفضة، ونظرًا لتركيب الألواح الكهروضوئية في الهواء الطلق وتبديد صفائحها الخلفية للحرارة بسرعة، فإن ارتفاع درجة الحرارة باستخدام مبدأ التوصيل الكهروحراري لوصلة PN يكون محدودًا للغاية. لذا، لا يُحدث هذا الحل تأثيرًا يُذكر على ذوبان الثلوج، وله بعض القيود. إضافةً إلى ذلك، يتطلب الأمر مصدر طاقة خارجيًا، حيث يُخصص مصدر طاقة لكل سلسلة أو سلسلتين. هذا يعني أن محطة الطاقة ذات السعة الكبيرة ستحتاج إلى تجهيزها بوحدات متعددة، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الاستثمار ومحدودية التطبيق.

6. ترتيب كابلات التسخين

يتكون اللب الداخلي لكابل التسخين من أسلاك باردة وساخنة، بينما تتألف الطبقة الخارجية من طبقة عازلة، وطبقة تأريض، وطبقة حماية، وغلاف خارجي. عند توصيله بالكهرباء، تسخن الأسلاك الساخنة وتعمل ضمن نطاق درجة حرارة يتراوح بين 40 و60 درجة مئوية. ينقل كابل التسخين، المدفون داخل طبقة الحشو، الحرارة إلى الجسم المستقبل عبر التوصيل الحراري (الحمل الحراري) والإشعاع تحت الأحمر البعيد (8-13 ميكرومتر). يمكن تركيب محطات الطاقة الكهروضوئية الموزعة حول الألواح الكهروضوئية، والمزاريب، وأنابيب تصريف مياه الأمطار. عند تراكم الثلوج، يتم تفعيل وضع التسخين لإذابة الثلج بسرعة، ولكن تكلفة الاستثمار مرتفعة نسبيًا.

يستخدم مشروع دالات المرحلة الثانية ألواحًا كهروضوئية ثنائية الوجه ذات زجاج مزدوج مع نظام دعامة تتبع لإزالة الثلوج، مما يمكن أن يحسن بشكل كبير من سرعة إزالة الثلوج ويزيد من كفاءة توليد الطاقة بنحو 15٪.

△ الشكل 1: مقارنة بين امتداد الغطاء الثلجي والمرحلتين الأولى والثانية من دالات

△ الشكل 2 مقارنة انعكاسية الألواح الكهروضوئية في المرحلة الأولى/المرحلة الثانية من مشروع داليت (تمت زيادة الانعكاسية بمقدار 10000 مرة)

△ الشكل 3 مقارنة انعكاسية الألواح الكهروضوئية بعد ذوبان الثلوج في المرحلة الأولى والمرحلة الثانية من مشروع دالاتي (زادت الانعكاسية بمقدار 10000 مرة)

شركة CAS Xiguang Aerospace - مراقبة الغطاء الثلجي

باستخدام الأقمار الصناعية فائقة الطيف لمراقبة محطة الطاقة الكهروضوئية في دالاتي بشكل مستمر، حصلنا على بيانات صور تم التقاطها خلال فترات الغطاء الثلجي وعدم وجود الثلج، وقمنا بإجراء تصحيحات جوية لحساب متوسط ​​الانعكاس للمرحلتين الأولى والثانية من المشروع.

يوضح الشكل 1 منطقة المشروع بصريًا، مما يسهل تحديد الغطاء الثلجي. يُظهر مشروع المرحلة الأولى غطاءً ثلجيًا أكبر بكثير، بينما لا يُظهر مشروع المرحلة الثانية أي تراكم ملحوظ للثلوج. يوضح الشكل 2 متوسط ​​فرق الانعكاسية بين مشروعي المرحلتين الأولى والثانية تحت الغطاء الثلجي. تُظهر المرحلة الأولى انعكاسية أعلى بكثير من المرحلة الثانية، مع زيادة قصوى في الانعكاسية تبلغ حوالي 11.8% في نطاق الأطوال الموجية من 450 إلى 850 نانومتر، مما يشير إلى غطاء ثلجي أكبر. تؤدي هذه الانعكاسية الأعلى إلى فقد الطاقة وانخفاض كفاءة توليد الطاقة. يقارن الشكل 3 انعكاسية المرحلتين الأولى والثانية بعد ذوبان الثلج، موضحًا أن انعكاسية المرحلتين تعود إلى مستويات متقاربة بعد ذوبان الثلج.

نتائج البحث وتطبيقاته

أثبت الفرق في الانعكاسية بين المرحلتين الأولى والثانية من المشروع أن وحدات الخلايا الكهروضوئية الجديدة ذات الوجهين والزجاج المزدوج المستخدمة في المرحلة الثانية، بالإضافة إلى نظام دعامة التتبع، لها تأثير أفضل في إزالة الثلوج.

مزيج مراقبة الغبار على الألواح الكهروضوئية باستخدام الاستشعار عن بعد فائق الطيفيشير هذا إلى أن تقنية الاستشعار عن بعد فائقة الطيف لها قيمة تطبيقية معينة في مراقبة حالة الألواح الكهروضوئية واسعة النطاق في ظل بيئات مختلفة.