هل يمكن شحن بطارية الطاقة الشمسية في الطقس الغائم؟

كيف تؤثر الغيوم على شحن البطارية الشمسية

العلم: الإشعاع المنتشر وانخفاض الناتج الضوئي الكهربائي

تُنتج الألواح الشمسية الكهرباء عندما تحوّل جسيمات ضوء الشمس، المُسمّاة الفوتونات، إلى تيار كهربائي. وعندما تظهر السحب، يتشتت الضوء المباشر، ما يؤدي إلى ما يُعرف بالضوء المنتشر – أي ضوء الشمس الذي يتوزع بشكل أوسع ولا يكون مركزًا بدرجة كبيرة. وعلى الرغم من أن الخلايا الشمسية قادرة على التقاط معظم أنواع الضوء المرئي وبعض أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء، فإن هذا الضوء المنتشر لا يوفر سوى حوالي 15 إلى 25 بالمئة مما نحصل عليه في الأيام المشمسة، وفقًا للدراسات الصادرة عن NREL عام 2023. فكلما قل عدد الفوتونات، انخفض الجهد الناتج عن الألواح، مما يؤدي بشكل طبيعي إلى تقليل إجمالي إنتاج الطاقة. وكلما زادت كثافة الغطاء السحابي، زاد التأثير السلبي على أداء الأنظمة الشمسية.

• تسمح السحب الخفيفة بمرور 50–70% من الضوء
• تقلل سحب العواصف الكثيفة مرور الضوء إلى 5–15% فقط

تساعد وحدات التحكم في الشحن على الحفاظ على الكفاءة من خلال تحسين تحويل الجهد، لكن معدلات شحن البطاريات الشمسية تتراجع حتمًا مع انخفاض الطاقة الداخلة.

البيانات الواقعية: خسائر الكفاءة المقاسة من قبل مختبر الطاقة المتجددة الوطني والتركيبات الميدانية

يؤكد مختبر الطاقة المتجددة الوطني (NREL) أن إنتاج الألواح الضوئية عادةً ما ينخفض بنسبة 20–50٪ أثناء الظروف الغائمة، وصولاً إلى 65٪ تحت الغطاء السحابي الكثيف في المنشآت السكنية بالولايات المتحدة (المخطط التكنولوجي السنوي لمختبر NREL، 2022). تمتد هذه الخسائر لتشمل وقت الشحن وتُعدِّد الضغط على صحة البطارية:

إن الدوران المستمر في حالة شحن جزئية يسرّع من التدهور، خاصةً في بطاريات الرصاص الحمضية، حيث يمكن أن تصل خسارة السعة إلى 40٪ سنويًا في ظل إدخال طاقة متقطعة (معهد بونيمون، 2023). تقوم وحدات التحكم في الشحن MPPT بالتخفيف من هذا التأثير من خلال تحسين جمع الطاقة بنسبة 10–25٪ مقارنةً بأنظمة PWM، رغم أنها لا تستطيع القضاء على التأخيرات الناتجة عن الطقس.

المكونات الحرجة التي تحدد الأداء في الأجواء الغائمة

أجهزة التحكم في الشحن: لماذا تتفوق وحدات MPPT على وحدات PWM في ظروف الإضاءة المنخفضة

تتفوق وحدات MPPT على وحدات PWM بشكل كبير من حيث الأداء في الظروف ذات الإضاءة المنخفضة، حيث توفر طاقة قابلة للاستخدام تزيد بنسبة 20 إلى 30 بالمئة في الأيام الغائمة. في حين تلتزم وحدات PWM بجهد بطارية محدد، تواصل وحدات MPPT البحث عن النقطة المثالية بين الجهد والتيار، مما يسمح باستخلاص أكبر قدر ممكن من الطاقة حتى في حال توفر ضوء شمسي ضعيف أو متفرق. وقد أظهرت الاختبارات المعملية أن وحدات MPPT تحافظ على كفاءة تبلغ حوالي 94% حتى وراء السحب الكثيفة، مقارنة بنحو 70% لوحدات PWM. وهذا يُحدث فرقاً كبيراً لأي شخص يعتمد على البطاريات الشمسية للعمل عندما لا يكون الضوء الشمسي ساطعاً.

كيمياء البطارية: مقارنة استجابة بطاريات LiFePO4 ورصاص-حمض للمدخلات الشمسية المتقطعة

تعمل بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم أو LiFePO4 بشكل جيد للغاية مع الأنظمة الشمسية التي تتلقى مدخلات متقلبة. وعادةً ما توفر هذه البطاريات كفاءة دورانية تتراوح بين 95 و98 بالمئة، وتتقبل الشحن حتى عند مستويات تيار منخفضة. كما تحافظ على استقرار الجهد الكهربائي لديها حتى عند الشحن الجزئي، وهو أمر تواجه فيه البطاريات الرصاصية التقليدية صعوبات. إذ تميل نسخ الحمض الرصاصي إلى حدوث انخفاض في الجهد وظهور مشاكل التكبريت كلما تم تشغيلها عند مستوى شحن أقل من حوالي 50%. وعندما تكون الظروف الشمسية غير مستقرة، تفقد معظم بطاريات الحمض الرصاصي ما بين 15 و20% من سعتها كل عام. في المقابل، تحتفظ خلايا LiFePO4 بنسبة حوالي 80% من سعتها الأولية بعد إتمام نحو 2000 دورة شحن، حتى وإن لم تُشحن بالكامل. مما يجعلها أكثر ملاءمة بكثير لفترات الطقس الغائم الطويلة التي قد تعاني منها أنظمة الطاقة الشمسية.

استراتيجيات عملية لتعظيم شحن بطاريات الطاقة الشمسية في الظروف الغائمة

رغم أن الغطاء السحابي يقلل من الإشعاع الشمسي، يمكن للتصميم والاستراتيجيات الاستباقية للنظام أن تعزز كفاءة الشحن بشكل كبير. نفّذ هذه الأساليب المُثبتة للحفاظ على أداء بطارية الطاقة الشمسية خلال فترات قلة الضوء:

• تحسين وضع الألواح : قم بتركيب الألواح بزوايا ميل معدّلة وفقًا لخط العرض لالتقاط أكبر قدر ممكن من الضوء المنتشر، وتخلص من الظلال الناتجة عن الأشجار أو الهياكل. ويمنع التنظيف المنتظم تراكم الغبار الذي قد يقلل الإنتاج بنسبة تصل إلى 25%.
• إعطاء الأولوية لتكنولوجيا MPPT : تستخرج وحدات التحكم بنظام التعقب الأقصى للقدرة (MPPT) طاقة تزيد بنسبة تصل إلى 30% مقارنةً بالبدائل ذات نظام PWM في ظل الأجواء الغائمة، وذلك من خلال التكيف الديناميكي مع علاقات الجهد والتيار المتغيرة.
• تقوية حجم المصفوفة الشمسية : يؤدي زيادة سعة الألواح بنسبة 30–50% إلى تعويض انخفاض العائد، مما يساعد في الحفاظ على شحن كافٍ خلال أيام متتالية غائمة.
• اختيار كيمياء بطارية متقدمة : توفر بطاريات LiFePO4 كفاءة أعلى في الاحتفاظ بالشحن تحت ضوء خافت (أكثر من 95%)، وقدرة أفضل على تحمل عمليات التفريغ والشحن العميقة، وعمرًا أطول مقارنةً ببطاريات الرصاص الحمضية عند تغير مدخلات الطاقة الشمسية.
• تنفيذ دورات شحن ذكية : استخدم وحدات تحكم مع مراقبة في الوقت الفعلي لجدولة الشحن خلال أقصى شدة ضوء نهارية — بهدف تعظيم جمع الطاقة عندما تكون في أعلى توفر لها.

تضمن هذه التدابير أن تظل أنظمة بطاريات الطاقة الشمسية قوية وفعالة رغم التقلبات الجوية، حيث يُعد التصميم المناسب واختيار المكونات بشكل سليم أساسيين لتحقيق موثوقية مستمرة في التشغيل دون اتصال بالشبكة.

ما وراء اللوحة: حلول تكميلية لتشغيل موثوق لبطاريات الطاقة الشمسية

الأنظمة الهجينة، والنسخ الاحتياطي المتصل بالشبكة، والإدارة الذكية للطاقة

يمكن أن تقلل الأيام الغائمة بشكل كبير من إنتاج الطاقة الشمسية، ولكن الأنظمة الهجينة التي تجمع بين بطاريات الطاقة الشمسية والاتصال بالشبكة أو مصادر طاقة أخرى مثل توربينات الرياح تحافظ على استمرار التشغيل بسلاسة. عندما لا يكون هناك ما يكفي من أشعة الشمس لفترات طويلة، فإن الأنظمة المتصلة بالشبكة ستدخل حيز العمل تلقائيًا، وتحول إلى الكهرباء العادية من شركة المرافق. وهذا يساعد على ترشيد استهلاك البطارية مع الاستمرار في تشغيل المعدات الأساسية. كما تعمل وحدات التحكم الذكية في الطاقة على تحسين تكامل جميع هذه المكونات، مما يضمن استمرار توفير الطاقة للمنازل والشركات حتى في ظل الظروف الجوية غير المثالية للألواح الشمسية.

• إعطاء الأولوية للأحمال الأساسية أثناء النقص
• تأجيل الاستهلاك غير الأساسي إلى فترات ذروة الإنتاج
• التحويل السلس بين المصادر بناءً على توافرها الفعلي والمتوقع في الوقت الحقيقي

تقلل عمليات النشر السكنية التي تستخدم استراتيجيات متكاملة من هذا القبيل الاعتماد على الشبكة بنسبة 37٪ (دراسة الطاقة السكنية في NREL، 2023)، وتحول إدخال الطاقة الشمسية المتقطع بطبيعته إلى طاقة قابلة للتنبؤ بها ويمكن التصرف فيها.

قسم الأسئلة الشائعة

كيف تؤثر السحب على كفاءة الألواح الشمسية؟

يقلل غطاء السحب من كمية ضوء الشمس المباشر الذي يصل إلى الألواح الشمسية، مما يؤدي إلى انخفاض في إنتاج الطاقة. يمكن للألواح الشمسية أن تعمل تحت الضوء المنتشر، ولكن بكفاءة أقل بكثير، وعادة ما ينتج عنه انخفاض في الإنتاج بنسبة 15-25٪ في الأيام الغائمة.

ما دور وحدات التحكم في الشحن MPPT في الأنظمة الشمسية؟

تحسّن وحدات التحكم في الشحن MPPT كفاءة الأنظمة الشمسية من خلال تعديل الحمل الكهربائي ديناميكيًا وتحسين استخلاص الطاقة حتى في ظروف الإضاءة المتغيرة، وتوفير طاقة إضافية تبلغ حوالي 20-30٪ مقارنة بوحدات التحكم PWM، خاصة في الأجواء الغائمة.

لماذا تُفضّل بطاريات LiFePO4 في الأنظمة الشمسية؟

توفر بطاريات LiFePO4 كفاءة عالية، واحتفاظًا ممتازًا بالشحنة، وعمرًا افتراضيًا طويلًا، كما أنها تُؤدّي أداءً جيدًا حتى في ظل ظروف إدخال الطاقة الشمسية المتقطعة، مما يجعلها مثالية للأنظمة الشمسية ذات مستويات الطاقة المتغيرة.

كيف يمكن تعظيم كفاءة الألواح الشمسية خلال الظروف الغائمة؟

تُعد تحسين وضعية الألواح، واستخدام تقنية MPPT، وتضخيم حجم المصفوفات الشمسية، واختيار كيمياء بطاريات متقدمة، وتطبيق دورات شحن ذكية استراتيجيات فعالة للحفاظ على كفاءة عالية للألواح الشمسية خلال الظروف الغائمة.