وقتی سایه‌ها، برق خورشیدی را خاموش می‌کنند

انرژی خورشیدی به عنوان یکی از مهم‌ترین منابع تجدیدپذیر در سال‌های اخیر جایگاه ویژه‌ای یافته است، اما چالش‌هایی مانند سایه‌اندازی بر روی پنل‌های خورشیدی همچنان مانعی مهم در مسیر بهره‌وری بالاتر این فناوری به شمار می‌آیند.

به گزارش ایسنا، انسان از دیرباز به دنبال بهره‌گیری از انرژی‌های موجود در طبیعت بوده است، اما رشد جمعیت و توسعه فناوری در دهه‌های اخیر سبب شده تقاضا برای انرژی با سرعتی بی‌سابقه افزایش یابد. از سوی دیگر، پیامدهای زیست‌محیطی ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی و نگرانی درباره محدودیت منابع آن‌ها، توجه جهانیان را به انرژی‌های پاک و تجدیدپذیر جلب کرده است. در این میان، پنل‌های فتوولتائیک که نور خورشید را به برق تبدیل می‌کنند، یکی از پرکاربردترین روش‌های تأمین انرژی تجدیدپذیر محسوب می‌شوند. دسترسی آسان به منبع انرژی خورشید و امکان استفاده در مقیاس‌های کوچک خانگی یا پروژه‌های بزرگ صنعتی، این فناوری را به گزینه‌ای محبوب در کشورهای مختلف، از جمله ایران، تبدیل کرده است.

با وجود این مزایا، عملکرد پنل‌های خورشیدی تحت تأثیر عوامل محیطی متعددی قرار می‌گیرد. عواملی مانند دما، گردوغبار، رطوبت، سرعت باد و به ویژه سایه‌اندازی می‌توانند به شدت راندمان تولید برق را کاهش دهند. سایه‌ ممکن است ناشی از درختان، ساختمان‌ها یا حتی اجزای دیگر سامانه باشد و بسته به شدت و شکل آن، نتایج متفاوتی ایجاد کند. بررسی دقیق تأثیر سایه نه تنها به بهبود طراحی سامانه‌های خورشیدی کمک می‌کند، بلکه زمینه را برای توسعه فناوری‌های جدیدی مانند میکرواینورترها و پیکربندی‌های نوآورانه فراهم می‌آورد. این امر به‌ویژه در محیط‌های شهری که سایه‌ اجتناب‌ناپذیر است، اهمیت بیشتری دارد.

اصلان غلامی و یکی از همکارانش از گروه مهندسی انرژی‌های تجدیدپذیر دانشگاه شهید بهشتی، در همین راستا، پژوهشی مروری را انجام داده‌اند. آن‌ها با تمرکز بر چالش‌های سایه‌اندازی بر پنل‌های خورشیدی و بررسی روش‌های مقابله با آن، تلاش کرده‌اند تصویری روشن از وضعیت فعلی تحقیقات و نوآوری‌های موجود ارائه دهند. این مطالعه به شکل ساده می‌کوشد نشان دهد که چگونه می‌توان با طراحی مناسب و بهره‌گیری از فناوری‌های نوین، اثرات منفی سایه را کاهش داد و بازدهی سامانه‌ها را افزایش بخشید.

روش کار این پژوهش بر مبنای بررسی و تحلیل مجموعه‌ای گسترده از تحقیقات پیشین بوده است. مجریان این تحقیق تلاش کرده‌اند تمامی ابعاد سایه‌اندازی، از انواع و شکل‌های مختلف آن گرفته تا پیامدهای مستقیم روی راندمان و عمر مفید پنل‌ها، را مورد توجه قرار دهند. سپس، راهکارهای فنی و طراحی‌های جدیدی که تاکنون برای کاهش این آثار پیشنهاد شده‌اند، دسته‌بندی و مقایسه شده‌اند.

نتایج این مرور علمی نشان می‌دهند که سایه‌های مختلف مانند افقی، عمودی، مورب و پراکنده می‌توانند پیامدهای گوناگونی داشته باشند؛ از جمله کاهش توان خروجی، ایجاد نقاط داغ و افت ضریب پرشدگی پنل‌ها. این عوامل در نهایت باعث کاهش راندمان کلی سیستم و کوتاه شدن عمر مفید آن می‌شوند. بررسی‌ها همچنین نشان داده‌اند که شکل و میزان پوشش سایه نقش مهمی در شدت این پیامدها دارد.

در گام بعدی، پژوهشگران سه دسته اصلی راهکار برای مقابله با آثار سایه‌اندازی معرفی کرده‌اند. نخست، استفاده از تجهیزات الکتریکی مانند دیود بای‌پس، اپتیمایزرها و میکرواینورترها که هرکدام به روش‌های متفاوتی جریان و ولتاژ را مدیریت می‌کنند. دوم، بهینه‌سازی طراحی سلول‌های خورشیدی با فناوری‌هایی مانند سلول‌های نیمه و شینگل که سطح مؤثر سایه را کاهش می‌دهند. و سوم، بهره‌گیری از پیکربندی‌های پیشرفته آرایه‌های خورشیدی مانند سودوکو یا پل کامل متقاطع که با بازچینی هوشمند پنل‌ها، اثر سایه را توزیع کرده و راندمان کلی را بهبود می‌بخشند.

از میان این راهکارها، پیکربندی‌های نوآورانه مانند سودوکو عملکرد بهتری نسبت به روش‌های سنتی نشان داده‌اند. به عنوان نمونه، این روش توانسته تلفات توان ناشی از سایه را در برخی مدل‌ها تا ۵۳ درصد کاهش دهد و میانگین افزایش توان خروجی را به بیش از ۲۲ درصد برساند. در مقابل، دیودهای بای‌پس اگرچه از نظر هزینه مقرون‌به‌صرفه هستند، اما بیش از همه در شرایط سایه‌ جزئی مؤثر واقع می‌شوند. اپتیمایزرها و میکرواینورترها نیز راندمان را بهبود می‌دهند، اما هزینه بالاتر آن‌ها باعث محدودیت در کاربرد گسترده می‌شود.

اطلاعات تکمیلی این پژوهش نشان می‌دهند که هر راهکار بسته به شرایط محیطی و اقتصادی کارکرد متفاوتی دارد. برای پروژه‌های کوچک، استفاده از تجهیزات الکتریکی یا طراحی‌های بهینه سلول‌ها گزینه مناسبی است. در مقابل، برای سامانه‌های بزرگ یا مناطقی که سایه‌اندازی دائمی و گسترده دارند، روش‌های پیکربندی نوآورانه مانند سودوکو بهترین انتخاب هستند. همچنین، نتایج این مطالعه بر ضرورت توسعه مدل‌های مبتنی بر هوش مصنوعی برای پیش‌بینی اثرات سایه و آلودگی تأکید می‌کند؛ موضوعی که می‌تواند آینده طراحی سامانه‌های خورشیدی در ایران و جهان را متحول کند.

گفتنی است این نتایج علمی در «فصلنامه کیفیت و بهره‌وری صنعت برق ایران» منتشر شده‌اند؛ نشریه‌ای که وابسته به انجمن علمی مهندسی بهره‌وری صنعت برق ایران فعالیت می‌کند و به انتشار پژوهش‌های روز در زمینه انرژی و صنعت برق می‌پردازد.

*