تمثل المناخات الباردة مفارقة للطاقة الشمسية: فالتحديات (الثلج والجليد ودرجات الحرارة المنخفضة) حقيقية ولكن يمكن التحكم فيها، في حين أن المزايا (الإشعاع العالي من الأسطح الثلجية العاكسة، وكفاءة الألواح الممتازة في درجات الحرارة المنخفضة) غالبا ما يتم الاستهانة بها. إن النظام المصمم بشكل صحيح لظروف المناخ البارد يمكن أن يتفوق على نظام المناخ الدافئ الذي تم تحسينه بشكل سيئ بنسبة 10-20٪ سنويًا. يغطي هذا الدليل الاعتبارات الهندسية الخاصة بروسيا وكازاخستان وأوروبا الشمالية وكندا والأسواق المماثلة في مناطق خطوط العرض العليا.
ميزة المناخ البارد: درجات حرارة منخفضة وكفاءة عالية
الألواح الشمسية هي أجهزة شبه موصلة، ومثل جميع أشباه الموصلات، فإنها تؤدي أداءً أفضل عندما تكون باردة. يؤدي كل ارتفاع بمقدار درجة مئوية واحدة فوق 25 درجة مئوية إلى تقليل خرج طاقة اللوحة من خلال معامل درجة الحرارة (عادةً من -0.35% إلى -0.40%/درجة مئوية للألواح أحادية البلورية). يعمل هذا في الاتجاه المعاكس: عند -10 درجة مئوية (35 درجة مئوية أقل من 25 درجة مئوية STC المرجعية)، تنتج اللوحة التي تم تصنيفها عند 400 واط في الواقع ما يقرب من 405-414 واط. عند -20 درجة مئوية، يرتفع الإنتاج أكثر.
في المناخ الحار (درجة الحرارة المحيطة 40 درجة مئوية، ودرجة حرارة الخلية 65 درجة مئوية)، تنتج نفس اللوحة 384 واطًا فقط - أي خسارة بنسبة 4%. يعد الفرق التراكمي خلال عام الإنتاج كبيرًا في أسواق مثل آسيا الوسطى، حيث يمكن أن تصل درجات حرارة الخلايا في الصيف إلى 65-70 درجة مئوية ويمكن أن تصل في الشتاء إلى -30 درجة مئوية. تقع المزيد من ساعات الإنتاج في موسم البرد عندما تكون كفاءة اللوحة في أعلى مستوياتها.
فقدان الثلوج والأتربة
يمنع الثلج الموجود على الألواح التكوّن تمامًا طوال مدة تغطية الثلوج - على عكس التربة الجزئية أو التظليل الذي يسبب فقدانًا جزئيًا. ومع ذلك، فإن تساقط الثلوج يكون سريعًا إذا تم تصميم النظام بشكل صحيح:
- إمالة اللوحة ≥ 20 درجة يعزز تساقط الثلوج عن طريق الجاذبية. عند درجة حرارة 30 درجة مئوية، يتساقط معظم تساقط الثلوج الخفيفة (أقل من أو يساوي 10 سم) خلال ساعات من ارتفاع طفيف في درجة الحرارة.
- درجة حرارة سطح اللوحة تشرق بسرعة بمجرد أن تضرب الشمس أي منطقة مكشوفة من اللوحة، مما يخلق طبقة دافئة تعمل على تسريع تساقط الشعر حتى في درجات الحرارة المحيطة التي تبلغ -5 درجة مئوية.
- الجسور الثلجية بين صفوف اللوحة - اترك فجوة كافية بين صفوف اللوحات حتى لا يتراكم الثلج المتساقط على صف الوحدة السفلية.
عادةً ما تتراوح خسارة الثلوج السنوية لنظام جيد التصميم في موسكو أو ألماتي ما بين 2 إلى 5% من الجيل السنوي، وليس 20 إلى 30% كما كان يُخشى في كثير من الأحيان. يمكن أن يعاني النظام ذو التصميم السيئ (الإمالة المنخفضة، والتباعد غير المناسب بين الصفوف) من خسارة سنوية بنسبة 10-15% بسبب الثلوج.
تصميم حمل الثلج
يجب أن تكون هياكل التركيب مصممة لحمل الثلوج في الموقع، والذي يتم تعريفه على أنه وزن الثلج لكل وحدة مساحة (كيلو نيوتن/م²). ويختلف هذا عن وزن الثلج الذي قد يتراكم على الألواح نفسها، حيث تتساقط الثلوج من الألواح؛ تتحمل الهياكل وزن الثلج على الأرض بالإضافة إلى أي ثلوج متراكمة على الجزء السفلي من المصفوفة.
| المنطقة | حمل الثلوج الأرضية (نموذجي) | معيار التصميم |
|---|---|---|
| موسكو / روسيا الوسطى | 1.8-3.2 كيلو نيوتن/م² | SP 20.13330 (روسيا) |
| كازاخستان (ألماتي) | 1.5-2.5 كيلو نيوتن/م² | SP RK 2.04-10 (كازاخستان) |
| الدول الاسكندنافية (فنلندا، النرويج) | 2.5-5.5 كيلو نيوتن/م² | إن 1991-1-3 (الرمز الأوروبي) |
| شمال ألمانيا / بولندا | 0.5-1.5 كيلو نيوتن/م² | إن 1991-1-3 |
| كندا (أونتاريو) | 1.8-3.0 كيلو نيوتن/م² | ان بي سي 2020 |
تم تصميم هياكل التركيب Econo Solar وفقًا لمعايير EN 1991-1-3 (Eurocode) مع شهادة منطقة الثلج. لدينا كتالوج التركيب يحدد حمل الثلج المعتمد لكل عائلة منتج.
أسلاك التيار المستمر والجهد في درجات حرارة منخفضة
في درجات الحرارة الباردة، يزداد جهد الدائرة المفتوحة (Voc)، وهو عكس خرج الطاقة. الصيغة هي:
Voc(T) = Voc(STC) × [1 + (T − 25) × βVoc]
حيث يكون βVoc عادةً +0.25–0.30%/درجة مئوية للوحدات أحادية البلورية. عند -30 درجة مئوية:
Voc(–30) = Voc(STC) × [1 + (–30 – 25) × 0.003] = Voc(STC) × 1.165
سلسلة من وحدات 30 × 400 Wp عند STC Voc = 37.2 فولت لكل وحدة تحتوي على سلسلة Voc = 1,116 فولت عند STC. عند -30 درجة مئوية: 1,116 × 1.165 = 1300 فولت. وهذا يتجاوز تصنيف 1000 فولت للمحولات القياسية – وسيؤدي إلى إتلافها.
يجب أن يستخدم حجم سلسلة المناخ البارد الحد الأدنى من درجة الحرارة المتوقعة في الموقع، وليس ظروف STC. وهذا يعني في كثير من الأحيان تقليل طول السلسلة (وحدات أقل لكل سلسلة) مقارنة بتصميم المناخ الدافئ، أو تحديد عاكس 1500 فولت تيار مستمر مع مساحة رأس كافية للمركبات العضوية المتطايرة للظروف الباردة.
استراتيجيات مكافحة الجليد والتدفئة
بالنسبة للمنشآت الحيوية (المستشفيات ومراكز البيانات والجيش) حيث يكون فقدان التوليد المؤقت المرتبط بالثلوج أمرًا غير مقبول، توجد حلول فعالة:
- إطارات ألواح مُدفأة أو حصائر تسخين السطح الخلفي — عناصر مسخنة كهربائيًا في الجزء الخلفي من الوحدات التي تعمل على إذابة الثلج من الأسفل. التكلفة: حوالي 0.05-0.10 دولار أمريكي/Wp إضافي. ونادرا ما تكون التكلفة مبررة لأسباب اقتصادية وحدها.
- بروتوكولات التنظيف اليدوي — بالنسبة لأنظمة الأسطح الأصغر حجمًا، غالبًا ما تكون عملية التنظيف اليدوية المجدولة بعد تساقط كميات كبيرة من الثلوج (باستخدام الفرش الرغوية أو المطاطية لتجنب خدش السطح) أكثر فعالية من حيث التكلفة من التسخين النشط.
- أنظمة التنظيف بالروبوت — الناشئة للأنظمة الأرضية الكبيرة؛ تم تصنيف بعض المنظفات الآلية لإزالة الثلج بالإضافة إلى تنظيف الغبار والأوساخ.
- زاوية الميل الأمثل — الإجراء الأكثر فعالية من حيث التكلفة لمكافحة الثلوج. تؤدي زيادة الميل من 15 درجة إلى 35 درجة إلى تقليل وقت تغطية الثلوج بنسبة 60-70% ولا تكلف شيئًا بعد التثبيت الأولي.
متطلبات البداية الباردة العاكس
تتمتع العاكسات بتقديرات الحد الأدنى لدرجة حرارة التشغيل، والتي تتراوح عادة من -25 درجة مئوية إلى -40 درجة مئوية للنماذج الخارجية من فئة المنفعة. تم تصنيف محولات Sungrow الخارجية (SG150CX، SG320HX-20) إلى -25 درجة مئوية دون تسخين إضافي. في درجات الحرارة المنخفضة، يلزم وجود سخان يتم التحكم فيه حراريًا في حاوية العاكس - وهذا هو المعيار للتركيبات في سيبيريا أو المناطق الشمالية من كازاخستان.
يستهلك تسخين الخزانة عادة 50-200 واط لكل عاكس. يجب إدراج هذا الاستهلاك الطفيلي في النموذج المالي للمحطة - عند -30 درجة مئوية لمدة 3 أشهر/سنة، قد تستهلك السخانات 100-400 كيلووات ساعة سنويًا لكل عاكس.