محطات الطاقة الكهروضوئية

مقدمةمع تفاقم ظاهرة الاحتباس الحراري، تشكل ظاهرة النينيو تحديات متزايدة الخطورة لـ محطات الطاقة الكهروضوئيةتؤثر العديد من المناخات المتطرفة التي لم تحدث من قبل على معايير التصميم الصناعية الحالية لدينا. محتوياتالفصل الأول: كارثة تسقط من السماءالفصل الثاني: هجوم سفلي متتاليالفصل الثالث: زيادة مفاجئة في سرعة الرياحالفصل الرابع: تغير مفاجئ في اتجاه الرياحالفصل الخامس: صحوة الصناعة الفصل الأول: كارثة تسقط من السماء١٧ مارس ٢٠٢٥، الساعة الرابعة صباحًا، تكساس، الولايات المتحدة الأمريكية. كان المطر يتساقط طوال الليل خارج النافذة. فجأة، دوى رعدٌ خاطفٌ، كسيفٍ حاد، شقّ السماء الحالكة السواد. وبعد ذلك مباشرة، هبت ريحٌ عاتية، كوحشٍ كاسرٍ تحرر من قيوده الخفية، وزأرت بعنفٍ واجتاحت الأرض. أدت أصوات الطقطقة الغريبة التي تلت ذلك تدريجياً إلى كسر هدوء البلدة الصغيرة. كنتُ غارقةً في نوم عميق عندما أيقظني فجأةً صوتٌ عالٍ، كما لو أن أحدهم كان يقذف الحجارة على منزلي. وعندما أُجريت المقابلة، كانت ربة المنزل لونا لا تزال مرتبكة. "لكن الحجارة كانت تأتي من جميع الاتجاهات دون أي نمط. لقد كنت مرعوبة. كانت الخيول في الإسطبل تصهل بلا توقف. كان ذلك الصوت مرعبًا للغاية."▽ طقس عاصف رعدي لم يمضِ وقت طويل حتى انبلج الفجر وتوقف المطر. في الصباح الباكر، كان فرانك، ضابط الشرطة المخضرم، يقود سيارته على الطريق السريع رقم 36. في الماضي، كان بإمكان من ينعطف يمينًا عند التقاطع أمامه أن يمر بمحطة طاقة شمسية. أما اليوم، فقد كان المشهد أمام عينيه مرعبًا. لقد كان نظام تتبع مترامي الأطراف. ظهرت على المكونات ذات اللون الأسود الأصلي ثقوب مختلفة الأحجام، تغطي المكونات مثل رقاقات الثلج.▽ تحطم أحد المكونات بسبب البرد ▽ تضرر جهاز التتبع بسبب البرد في السنوات الأخيرة، وتحت التأثير العميق لظاهرة الاحتباس الحراري، برزت ظاهرة النينيو بشكل متزايد. أصبحت الظواهر المناخية المتطرفة التي كانت تُعتبر نادرة للغاية، تحدث مرة كل مئة عام أو حتى مرة كل ألف عام، تظهر الآن بشكل متكرر.غالباً ما تعتمد أساليب التصميم التقليدية على التخطيط المسبق لضمان خلو كل شيء من الأخطاء. ومع ذلك، أصبح حدوث الظواهر الجوية المتطرفة أكثر تذبذباً وعدم قابلية للتنبؤ.▽ تضرر جهاز التتبع بسبب إعصار ▽ تحدث الحرائق في محطات الطاقة الكهروضوئية بشكل متكرر من بين الظروف الجوية القاسية العديدة، هناك ظرف واحد يسبب الصداع بشكل خاص. ولا يقتصر حدوثه على زمان أو مكان محدد.وكأنها شبح غير مرئي، فإنها تحجب بهدوء المنطقة التي قد تحدث فيها أزمة، مما يشكل تهديدًا كبيرًا لمحطات الطاقة الكهروضوئية. الفصل الثاني: هجوم سفلي متتاليتُعدّ العواصف الرعدية ظاهرة جوية شائعة، وعادةً ما تتركز في وقت الغسق أو الليل. وخلال حدوثها، يتراكم الكثير من بخار الماء، مُشكّلاً سلسلة من "الحصون المتحركة" ذات الخصائص الديناميكية التي تتحرك بسرعة على الأرض.▽ صورة سحابية لطقس العواصف الرعدية تحمل هذه الحصون المتنقلة عادةً العديد من الأسلحة القوية. وعندما تتهيأ الظروف المناسبة، تشن هذه الحصون هجمات على الأرض، مما يتسبب في ظواهر جوية قاسية مثل الأمطار الغزيرة والبرد والرياح العاتية.إن التأثير الأكثر أهمية على أجهزة تتبع الخلايا الكهروضوئية هو المناخ المحلي الناجم عن العواصف الرعدية: العواصف الهابطة.▽ اندفاعة الضربة السفلية العاصفة الهابطة، والمعروفة أيضاً باسم العاصفة الهابطة باللغة الإنجليزية، هي تيار هوائي هابط قوي محلي النطاق. عندما يصطدم هذا التيار الهوائي القوي بالأرض، فإنه يُولّد رياحاً قوية خطية مدمرة.إنها أشبه بـ "قنبلة جوية". ينبع خطر هذه "القنبلة الجوية" على أجهزة تتبع الخلايا الكهروضوئية بشكل رئيسي من جانبين: • زيادة مفاجئة في سرعة الرياح، حيث ترتفع سرعة الرياح بسرعة خلال فترة زمنية قصيرة؛ • يتغير اتجاه الرياح فجأة وبسرعة خلال فترة زمنية قصيرة. الفصل الثالث: زيادة مفاجئة في سرعة الرياحينبغي على من لديهم خبرة في أنظمة تتبع الخلايا الكهروضوئية أن يعلموا أنه عندما تتجاوز سرعة الرياح حدًا معينًا، يدخل النظام في وضع الحماية من الرياح العاتية. يتطلب هذا الوضع من النظام الدوران إلى الزاوية المثلى والتوقف عندها لمقاومة سرعات الرياح القصوى. ومن هنا يمكننا أن نجد أن هناك معيارين رئيسيين لسرعة الرياح بالنسبة لجهاز التتبع:• سرعة الرياح التشغيلية: الحد الأدنى للرياح التي تؤدي إلى تشغيل وضع الرياح القوية• سرعة الرياح القصوى: أقصى سرعة رياح يمكن تحملها عند زاوية الرسو لا يسعنا إلا أن نتساءل: إذا قام جهاز التتبع بتشغيل وضع الرياح القوية واستمرت سرعة الرياح في الارتفاع أثناء دورانه، فما نوع التأثير الذي سيحدثه ذلك على هيكل جهاز التتبع؟لمناقشة هذه المسألة، نحتاج إلى تقديم مصطلح أرصادي: "الزيادة المفاجئة في سرعة الرياح". ▽ يتسبب نوعان من تيارات الرياح الهابطة في زيادة حادة في سرعة الرياحالانفجار المصغر (الجزء 1)ديريتشو (الجزء الثاني)يمكن أن تؤدي الزيادة المفاجئة في سرعة الرياح، أي الارتفاع المفاجئ في سرعة الرياح خلال فترة زمنية قصيرة، إلى عدم قدرة جهاز التتبع على التكيف مع زاوية الرياح القوية في الوقت المناسب، وقد يدمر بسببها. تُعد هذه الظاهرة خطيرة بشكل خاص بالنسبة لأجهزة التتبع ذات نقطة القيادة الواحدة التي تعتمد وضعية الإرساء في اتجاه الريح.▽ رسم بياني يوضح الزيادة الحادة في سرعة الرياح في منطقة معينة من الشرق الأوسط على مر السنين(مرجع 15 م/ث، 3 ثوانٍ عند 10 م)يمكن أن ترتفع سرعة الرياح من 15 مترًا في الثانية إلى 33 مترًا في الثانية كحد أقصى خلال دقيقتينارتفعت سرعة الرياح إلى 9 أمتار في الثانية في الدقيقة بالنسبة لأجهزة التتبع ذات نظام الدفع أحادي النقطة، تُعدّ زاوية 0° هي الزاوية الأقل ملاءمة. فكلما اقتربت من 0°، تراجعت استقرارية الجهاز. إذا كان الجهاز متوقفًا في مواجهة الرياح ولكنه في وضعية الحماية منها، فبعد دخوله وضع الحماية من الرياح، يحتاج إلى الدوران في الاتجاه المعاكس، وهي عملية تُعرف عادةً باسم "الالتفاف". سيؤدي هذا النوع من تتبع الانعطاف العكسي حتمًا إلى تجاوز النظام لنقطة الصفر. ونتيجة لذلك، سيصبح جهاز التتبع غير مستقر بشكل متزايد أثناء دورانه، وستنخفض سرعة الرياح الحرجة (Ucr) أكثر فأكثر. سيدخل جهاز التتبع تدريجيًا "منطقة الخطر". إذا ارتفعت سرعة الرياح بسرعة في هذه الحالة، فقد يتحول ما يُسمى بوضع الحماية من الرياح القوية إلى "وضع انتحاري في مواجهة الرياح القوية"، وسيصبح تتبع "الانعطاف العكسي" بمثابة انعطاف عكسي فعلي. ▽ نظام الدفع أحادي النقطة "الرسو عكس اتجاه الريح"من المستحيل تجنب المخاطر الناجمة عن الزيادة المفاجئة في سرعة الرياح تتفاقم مشكلة الزيادة المفاجئة في سرعة الرياح، لا سيما في مناطق صحراء جوبي. ونظرًا للاختلاف الكبير في درجات الحرارة بين الليل والنهار، فقد تعرضت العديد من أجهزة التتبع لأضرار متفاوتة، معظمها مرتبط بالزيادة المفاجئة في سرعة الرياح. ومع ذلك، فإنه إلى جانب الزيادة المفاجئة في سرعة الرياح، يُعد التغير المفاجئ في اتجاهها تهديدًا محتملاً آخر.▽ تسبب ارتفاع مفاجئ في سرعة الرياح في إلحاق أضرار بأجهزة التتبع في منطقة معينة من الشرق الأوسط الفصل الرابع: تغير مفاجئ في اتجاه الرياحمن أجل تقليل ضغط الرياح على الوحدات وتعزيز استقرارها الهيكلي، تعتمد أنظمة التتبع الكهروضوئية التقليدية عادةً استراتيجية الحماية المتمثلة في "الالتحام عكس اتجاه الرياح"، أي جعل الوحدات تواجه اتجاه الرياح.لكن اتجاه الرياح ليس ثابتاً. ففي ظل ظروف جوية قاسية معينة، كما هو الحال عند حدوث عاصفة هوائية هابطة، قد يتغير اتجاه الرياح فجأة.في هذه المرحلة، يحتاج جهاز التتبع إلى تعديل زاويته على الفور لمنع حدوث أضرار ناجمة عن هبوب الرياح من الجزء الخلفي للمكون.▽ تم اعتماد محرك سريع لتقليل زمن دوران جهاز التتبع يتميز التغير المفاجئ في اتجاه الرياح الناتج عن العاصفة الهابطة بقصر مدتها وسرعتها العالية، ويمكنه حتى تحقيق دوران 180 درجة في غضون خمس دقائقهذا يعني أن أمام جهاز التتبع خمس دقائق فقط لإتمام ضبط الزاوية. وقد أدرك العديد من مصنعي أجهزة التتبع هذه المشكلة، فاستخدموا محركات سريعة لزيادة سرعة دورانها.▽ تغير اتجاه الرياح بمقدار 180 درجة خلال خمس دقائق لسوء الحظ، تعتمد معظم شركات تصنيع أجهزة التتبع استراتيجية ركن بزاوية كبيرة تبلغ 60 درجة في اتجاه الريح. في أسوأ الأحوال، يتطلب الانتقال من 60 درجة شرقًا إلى 60 درجة غربًا دوران الجهاز بزاوية 120 درجة. ونظرًا للتغير السريع في اتجاه الريح، حتى مع استخدام محرك سريع، لا يتبقى للجهاز سوى خمس دقائق، مما يجعل الوصول إلى الموقع المحدد في الوقت المناسب قبل تغير اتجاه الريح أمرًا صعبًا. لهذا السبب، اقترح مصنعو أجهزة التتبع استراتيجية إيقاف الرياح "كاملة الزاوية"، مما يعني أنه بغض النظر عن كيفية تغير اتجاه الرياح، سيتوقف جهاز التتبع عند أقصى زاوية أقرب إلى زاوية التتبع الحالية. ▽ اضطر العديد من مصنعي أنظمة التتبع إلى التخلي عن إمكانية الإرساء عكس اتجاه الرياحغيّر إلى استراتيجية ركن السيارة إلى "زاوية كبيرة بدون اتجاه الرياح".الصورة أعلاه: PVHالصورة التالية: تغيير قواعد اللعبة يكسر هذا التصميم وضع "الرسو في اتجاه الريح" التقليدي، حيث يحتاج جهاز التتبع في هذه الحالة إلى تحمل أقصى سرعة للرياح عند أقصى زاوية على الجانب المواجه للريح. وهذا يفرض متطلبات عالية للغاية على الموثوقية الهيكلية لجهاز التتبع بأكمله، كما أنه يشكل تحديًا شديدًا لقدرة المكونات على تحمل الضغط. ▽ يكون ضغط الرفع للمكونات مرتفعًا جدًا بشكل عام عندما تكون محمية من الرياح الفصل الخامس: صحوة الصناعةبعد كارثة إعصار الأردن عام 2018، انطلقت أولى خطوات قطاع هندسة الرياح نحو مزيد من الاهتمام. وتم استثمار مبالغ طائلة من الموارد المالية والبشرية في هذا المجال، ما رسّخ أهمية هندسة الرياح في أذهان الناس. وقد أتقن العديد من المهندسين المتميزين تخصصاتٍ دقيقة في هندسة الرياح، حتى أنهم باتوا ينافسون كبار علماء هذا المجال. في الوقت الراهن، دقّت الأضرار التي تُلحقها الظروف الجوية القاسية بمحطات الطاقة الكهروضوئية ناقوس الخطر مجدداً في قطاع أنظمة التتبع. ويواجه عدد كبير من المشاريع ظروفاً لم يسبق لها مثيل، إذ لم يتم التحقق من معظم الظروف الجوية القاسية وتحليلها في المراحل الأولى من التصميم. لذلك، يمكننا أن نتوقع أنه في المستقبل، سيصبح "علم الغلاف الجوي" اعتبارًا مهمًا في تصميم أجهزة التتبع، ومن المؤكد أنه سيقود الصحوة الثانية لصناعة أجهزة التتبع. ▽ علم الغلاف الجوي هو فرع من فروع علوم الأرض في الوقت نفسه، لاحظت جهات خارجية عديدة التحديات الجسيمة التي تفرضها الظروف الجوية القاسية على حوامل الخلايا الكهروضوئية. فعلى سبيل المثال، مؤسسات مثل VDE وRETC التي حققت أداءً متميزًا في مجال أبحاث مقاومة البرد. لنأخذ منظمة RMI المستقلة غير الربحية في الولايات المتحدة مثالاً. فقد نشرت المنظمة ثلاثة تقارير تحليلية حول تأثير الظروف الجوية القاسية على حوامل الألواح الكهروضوئية. تتميز هذه التقارير بتفاصيلها الدقيقة واحترافيتها العالية، مما يجعلها مرجعاً هاماً في هذا المجال. إضافةً إلى المساعدة المقدمة من مؤسسات خارجية، يسعى مصنّعو أجهزة التتبع أنفسهم بنشاط إلى استكشاف طرق للحصول على بيانات أرصاد جوية حقيقية. ومن خلال مقارنة النتائج وتحليلها مع اختبارات نفق الرياح، يهدفون إلى تحسين تصميم أجهزة التتبع وتعزيز قدرتها على مواجهة الظروف الجوية القاسية.▽ حرم فلاتيرونز التابع للمختبر الوطني للطاقة المتجددةقاعدة اختبار مزارع الرياح الخارجية لشركتي NX و ATI ▽ مشروع شبكة بويرتويانو المتكاملة الصغيرة في إسبانياقاعدة اختبار مزرعة الرياح الخارجية من أركتيك لقد واجهت صناعة أنظمة تتبع الخلايا الكهروضوئية العديد من الصعوبات والتحديات على مرّ السنين. صحيح أن الظواهر الجوية المتطرفة مخيفة، لكنها ليست مستعصية على الحل. ومع ذلك، عندما نقف على مفترق طرق التحول الصناعي، تبرز أزمة أكبر بهدوء. ➡️نتطلع إلى زيارتكم لموقعنا الإلكتروني ومناقشة المزيد من المعلومات التقنية حول الطاقة الشمسية معكم: https://www.esolarfirst.com