تاثیر گرد و خاک بر پنل خورشیدی | کاهش بازدهی و راهکارها

با گسترش استفاده از انرژی خورشیدی، یکی از مهم‌ترین دغدغه‌ها کاهش تلفات سیستم‌های فتوولتائیک است. در این میان، تاثیر گرد و خاک بر پنل خورشیدی به‌ عنوان شایع‌ترین عامل کاهش بازدهی، به‌ویژه در نیروگاه‌هایی که در بیابان‌ها و مناطق باز نصب می‌شوند، شناخته می‌شود. در این مقاله با بررسی داده‌های واقعی، راهکارهای علمی و کاربردی برای کاهش اثر خاک گرفتگی بر پنل‌های خورشیدی را مرور می‌کنیم.

تاثیر گرد و خاک بر نیروگاه‌های خورشیدی

مقدار انرژی تولیدشده بوسیله سیستم های فتوولتائیک در مقیاس صنعتی که در سرتاسر بیابان جنوب غربی ایالات متحده آمریکا کارگذاری شده اند، به توانایی سیستم در سازگاری با بارهای مصرفی فصلی و در زمان های مختلف روز بستگی دارد. در طول دوره هایی که با تقاضای بالا همراهند، برخی دستگاه ها شارژ بیشتری در واحد کیلووات ساعت را نشان می دهند- که باعث افزایش بازدهی هر کیلووات ساعت تولیدی توسط هر سیستم خورشیدی میشود. در نتیجه، توسعه دهندگان پروژه، مهندسین، مالکین و اپراتورهای سیستم ها، تمرکز بر طراحی و نگهداری سیستم‌هایی دارند که تولید را در طی این دوره با ارزش را به حداکثر می‌رسانند.

شرایط آب و هوایی و تشدید خاک گرفتگی

علاوه بر این، بیابان های جنوب غربی فصل خشک بلندی را تجربه می کنند که با دوره های تقاضای بالا و افزایش مصرف انرژی همراه است. به دلیل کمبود بارش باران یا شست و شوی (پاکسازی) منظم، کاهش تولید بر اثر  خاک گرفتگی، که با نام تلفات گردوغبار هم شناخته می شود، افزایش می یابد.

علاوه بر گرد و خاک، عوامل محیطی دیگری هم می‌توانند راندمان نیروگاه‌های خورشیدی را کاهش دهند. یکی از مهم‌ترین این عوامل، اثر نور و گرما بر پنل خورشیدی است که می‌تواند بازده تولید برق را در ساعات اوج تابش تغییر دهد. برای آشنایی بیشتر با این موضوع، پیشنهاد می‌کنیم مقاله‌ی مرتبط را مطالعه کنید.

بازدهی پنل‌های خورشیدی تنها به گرد و خاک محدود نمی‌شود و شرایط محیطی هم نقش مهمی دارد. تغییرات دما، شدت تابش خورشید، رطوبت و بارش‌ها همگی می‌توانند عملکرد ماژول‌های خورشیدی را تحت تأثیر قرار دهند. برای آشنایی کامل‌تر با این موضوع، مقاله‌ی اثرات آب و هوا بر صفحات خورشیدی را مطالعه کنید.

مطالعات علمی درباره تاثیر گرد و خاک بر پنل خورشیدی

در سال 2006، در چهارمین کنفرانس جهانی IEEE در زمینه تبدیل انرژی فتوولتائیک، پاورلایت (PowerLight) مقاله ای با عنوان «تاثیر گردوغبار بر سیستم های فتوولتائیک مقیاس صنعتی در کالیفرنیا و منطقه جنوب غربی ایالات متحده» را منتشر کرد. پژوهشگران «افت تدریجی اما مشخص عملکرد سیستم را در طول فصل خشک برای سیستم های موجود در آب و هوای خشک» تایید کردند و به این نتیجه رسیدند که :

افت عملکرد به دلیل گردوغبار و کثیفی سیستم همیشه ثابت نیست، بلکه به مقدار و تناوب بارش باران بستگی دارد

با وجود نتایج مطرح شده توسط پاورلایت، چند مورد از ابزار متداول در مدلسازی تولید سیستم های فتوولتائیک و مالکین سیستم، آثار خاک گرفتگی را بر اساس مقیاس سالانه مورد ارزیابی قرار می دهند.

راهکارهای متداول مالکان سیستم‌ها

مالکین سیستم معمولا کثیفی حاصل از گردوخاک سیستم ها را را به دو شکل برطرف می کنند :

شست و شوی منظم به منظور کاهش زیان ها و خسارت های ناشی از خاک گرفتگی و شست و شوی زودهنگام و اتکا به بارش باران به منظور به حداقل رساندن خسارت ها

در صورت انجام سالانه این عملیات، این تصمیم ها همراه با بی توجهی به آثار کوتاه مدت خاک گرفتگی اتخاذ می شوند که این امر می تواند هزینه شست و شوی دستگاه به منظور افزایش تولید در طول دوره های اوج ساعات تولید را توجیه کند.

ارزیابی خسارت‌های ناشی از خاک گرفتگی

در این مقاله، ویژگی های مهم خاک گرفتگی را با استفاده از داده های آب و هوایی مورد بررسی قرار می دهیم تا خسارت های ناشی از آلودگی گردوغبار در محل را بر اساس مقیاس های ماهیانه و سالیانه در دو منطقه ی بیابان جنوب غربی شبیه سازی کنیم. نتایج اشاره به تفاوت  میزان خسارت ها در طول سال در هر دو محل دارند، با  ذکر این نکته که میانگین خسارت ماهانه در ژوئن و جولای- دوره اوج تولید- بالاتر از میانگین سالانه است. همچنین، شست و شوی توصیه شده را به منظور آگاهی از تاثیر آن ها بر خسارت های سالیانه مدلسازی کردیم.

خاک گرفتگی می تواند هم به عنوان میزان انباشت آلاینده ها روی سطح ماژول و هم به عنوان کاهش میزان تولید ارزیابی شود. می بایست افت عملکرد سیستم بر اثر آلودگی را مشخص کنیم. با این فرض ثابت بودن فاکتورهای دیگر، مقایسه مقادیر تولید میان یک ماژول کنترل شده و یک ماژول آلوده، راهی برای تعیین خسارت های ناشی از آلودگی در محل است.

برای شبیه سازی خسارت ها در طول زمان، می بایست نرخ یا میزان انباشتگی آلودگی یا خاک را مشخص کنیم. با اینکه روش های مختلفی برای محاسبه میزان آلودگی وجود دارد، میزانی از آلودگی که نشان دهنده درصد کاهش روزانه تولید باشد، ارزشمندترین روش برای اهداف مدلسازی تولید سیستم فتولتائیک به حساب می آید. زمانیکه میزان آلودگی تعیین شد، می توان آن را همراه با داده های بارش باران، به منظور تخمین خسارت های گذشته، حال و آینده بکار بست.

همانطور که در مطالعه پاورلایت اشاره شد، «میزان آلودگی ارزیابی شده»، یک منحنی شیبدار را نشان می دهد که برای داده های عملکرد میان رویدادهای بارانی بکار گرفته می شود.  در این مطالعه تصور می شود که تغییر درصدی عملکرد در طول زمان – در صورت نبود باران یا شست و شو- معادل با درصد تغییر خسات ناشی از آلودگی در طول زمان است.

روش First Solar

در ژانویه سال 2003، فرست سولار (First Solar) مقاله ای تحت عنوان «نظارت مستقیم بر تلفات انرژی موثر از آلودگی ماژول های فرست سولار در کالیفرنیا» را در مجله فوتوولتائیک منتشر کرد که در آن شرحی از روش ارزیابی خاک گرفتگی در تعیین میزان خاک گرفتگی در محل را ارائه داد.

این تکنیک بر اساس روش ارائه شده در «دستگاه های پیل خورشیدی: تلفات به دلیل آلودگی» می باشد که در سال 1989 منتشر شد و هدف آن، «تجهیزات پیچیده اتوماتیک همانند ترکر های منحنی IV» است. بجای همسان سازی میزان خاک گرفتگی  با رشد خسارت های تولیدی در هر واحد زمانی، روش فرست سولار از مقایسه سطوح تولید میان یک ماژول کنترل شده، یعنی مدلی که مرتب تمیز نمی شود، و عملکرد مورد انتظار بر اساس میزان تابش و تشعشع معمول، استفاده می برد.

مقایسه روش پاورلایت و فرست سولار

روش های پاورلایت و فرست سولار می توانند برای تعیین میزان آلودگی ناشی از گردوغبار در محل بکار گرفته شوند. این کار از آن جهت ارزشمند است که میزان  آلودگی در منطقه متفاوت است و می تواند به فعالیت های انسانی از قبیل ترافیک، ساخت و ساز یا فرودگاه ها، در نزدیکی محل بستگی داشته باشد. از آنجا که میزان آلودگی، شست و شوی دستگاه را مد نظر قرار نمی دهد، می بایست مدلی با داده های بارش محلی باران ارائه شود که در تعیین خسارت ناشی از آلودگی در یک دوره زمانی مشخص مفید است. به منظور پیش بینی خسارت ها بر اساس آب و هوا و میزان آلودگی، می بایست محاسبه کنیم که چه مقدار باران برای شست و شوی کامل- یا حداقل خوب- دستگاه لازم است.

ویژگی‌های کلیدی خاک گرفتگی پنل‌های خورشیدی

پاورلایت و فرست سولار، همراه با مطالعه انجام شده توسط دانشگاه ایالت آریزونا (ASU) برخی از ویژگی های کلیدی خاک گرفتگی و کثیفی سیستم های فتوولتائیک را شناسایی کردند. علاوه بر این، شرکت ساختمانی مک کارتی این ویژگی ها و روندها را در چند منطقه از بیابان جنوب غربی مطالعه کرد. این روندها برای ارزیابی میزان تاثیر خاک گرفتگی بر تولید سیستم خورشیدی سودمند هستند. چند مورد از این ویژگی ها به عنوان فرضیات کلیدی در مدل های پیش بینی خسارت ناشی از خاک گرفتگی که با نام مدل های ارزیابی خاک گرفتگی هم شناخته می شوند، مورد استفاده قرار می گیرند.

در قسمت دوم این بررسی به  طور جزیی با این مطالعات و روش های پیاده شده آشنا خواهیم شد، با ما همراه باشید.