در این مقاله درباره پنل خورشیدی می‌خوانید: ارزیابی عملکرد پنل‌های خورشیدی در شرایط قطبی با سکوی اندازه‌گیری چرخ‌وفلکی؛ جزئیات این موضوع در ادامه آمده است.

ارزیابی عملکرد پنل‌های خورشیدی در شرایط قطبی با سکوی اندازه‌گیری چرخ‌وفلکی (Carousel-Shaped PV Platform)

مقدمه

در سال‌های اخیر با گسترش مطالعات مرتبط با انرژی خورشیدی در مناطق شمالی و نزدیک به مدار قطب شمال، ضرورت بررسی رفتار سیستم‌های فتوولتائیک (PV) در شرایط آب‌و‌هوایی بسیار سرد بیش از پیش آشکار شده است. دانشمندان فنلاندی دانشگاه Oulu با هدف پاسخ به این نیاز، موفق به طراحی سکوی آزمایشی ویژه‌ای با ساختار چرخ‌وفلکی (Carousel-Shaped Measurement Platform) شده‌اند که عملکرد پنل‌های خورشیدی را در زوایای شیب و جهات مختلف جغرافیایی بررسی می‌کند.

این سیستم نه‌تنها اطلاعات کلیدی برای طراحی بهینه نیروگاه‌های خورشیدی در عرض‌های جغرافیایی بالا فراهم می‌سازد، بلکه امکان اعتبارسنجی مدل‌های شبیه‌سازی عملکرد سیستم‌های PV را نیز با دقت بالا فراهم می‌کند.

طراحی سازه چرخ‌وفلکی و هدف پروژه

پژوهشگران دانشگاه Oulu فنلاند طی دو سال مطالعه تجربی (سپتامبر ۲۰۲۱ تا اوت ۲۰۲۳)، مجموعه‌ای از پنل‌های خورشیدی را بر روی پلتفرمی نصب کردند که به شکل چرخ یا کاروسل طراحی شده است. این پلتفرم به‌گونه‌ای مهندسی شده که زاویه‌ی آزیموت (جهت جغرافیایی) و زاویه‌ی شیب پنل‌های خورشیدی را به‌صورت چندگانه و هم‌زمان پوشش دهد.

به‌بیان دیگر، این ساختار قادر است در هر لحظه داده‌های چندآزیموتی و چندزاویه‌ای را با دقت بالا ثبت کند—روشی که تا پیش از این در مطالعات فتوولتائیک مناطق قطبی به‌ندرت استفاده شده بود.

در فاز تحلیل اقتصادی، پژوهشگران علاوه بر داده‌های توان و تابش، شاخص‌های بازار برق فنلاند (قیمت بازار روزبعد) را نیز در مدل محاسبه لحاظ کردند تا تاثیر اقتصادی جغرافیا و زمان تولید انرژی را درک کنند.

جزئیات آرایش پنل‌های خورشیدی و ساختار سامانه

پلتفرم طراحی‌شده شامل شانزده ماژول فتوولتائیک ۲۷۰ واتی است که در دو گروه زاویه‌ای قرار دارند:

• ۸ پنل با زاویه شیب ۴۰ درجه
• ۸ پنل با زاویه شیب ۹۰ درجه

در هر گروه، پنل‌ها رو به هشت جهت جغرافیایی نصب شده‌اند:

شمال (N)، شمال‌شرق (NE)، شرق (E)، جنوب‌شرق (SE)، جنوب (S)، جنوب‌غرب (SW)، غرب (W) و شمال‌غرب (NW).

این چیدمان امکان بررسی دقیق اثر زاویه تابش خورشید، شدت انعکاس (Albedo)، و تجمع برف را بر عملکرد برق‌دهی پنل‌ها فراهم می‌سازد.

پلتفرم روی پشت‌بام ساختمانی در شهر Oulu نصب شده — منطقه‌ای واقع در مرز بین اقلیم قطبی و نیمه‌قطبی.

خصوصیات اقلیمی مکان آزمایش

شرایط تابشی و دمایی منطقه به‌شدت فصلی است. طبق داده‌های جمع‌آوری‌شده:

• میانگین تابش روزانه افقی در دسامبر: فقط ۰٫۰۱ کیلووات‌ساعت بر متر مربع در روز
• حداکثر تابش روزانه در ژوئن: حدود ۵٫۸۲ کیلووات‌ساعت بر متر مربع در روز
• میانگین جهانی تابش سالانه: ۲٫۴ کیلووات‌ساعت بر متر مربع در روز
• بیشترین مقدار تجمعی سالانه: حدود ۸۶۳٫۸۳ کیلووات‌ساعت بر متر مربع

بالاترین دمای میانگین ماهیانه در جولای (۱۶٫۷ درجه سانتی‌گراد) و پایین‌ترین در فوریه (منفی ۸٫۷ درجه سانتی‌گراد) ثبت شد.

با توجه به این نوسانات شدید، بررسی زاویه‌ی نصب و جهت‌گیری ماژول‌ها در چنین پهنایی از اهمیت بالایی برخوردار است.

جمع‌آوری داده‌ها و روش تحلیل

داده‌های تولید توان هر پنل در بازه‌های زمانی ۱۵ دقیقه‌ای ثبت شد، که در مجموع بیش از دو سال داده‌ی پیوسته‌ی انرژی، تابش، دما و شدت روشنایی پراکنده جمع‌آوری گردید.

به‌منظور تحلیل اقتصادی و سنجش ارزش واقعی تولید، نرخ برق بر اساس قیمت‌های بازار روزبعد فنلاند (Nord Pool Spot) لحاظ شد تا تأثیر زمان‌بندی تولید انرژی (Time-of-Use Value) نیز ارزیابی شود.

نتایج کلیدی آزمایش‌ها

عملکرد بر اساس جهت‌گیری (Azimuth)

بر پایه داده‌ها، پنل‌هایی که رو به شمال (N)، شمال‌غرب (NW) و شمال‌شرق (NE) قرار داشتند، بین ۳۶ تا ۶۶ درصد انرژی کمتر نسبت به پنل‌های جنوب‌شرق (SE) و جنوب (S) تولید کرده‌اند. علت اصلی این اختلاف، زاویه کم تابش مستقیم و دوره کوتاه تابش خورشید در اقلیم قطبی است.

در مقابل، پنل‌های جنوب‌شرق و جنوب بیشترین تولید و ارزش اقتصادی را ثبت کردند و بازده سالانه آن‌ها تنها در محدوده ۱ تا ۳ درصد نوسان داشت—یعنی جهت‌های S و SE همچنان گزینه‌های بهینه در عرض‌های بالای جغرافیایی محسوب می‌شوند.

اثر زاویه شیب در تابستان و زمستان

در فصل تابستان، پنل‌های با زاویه ۴۰ درجه (به‌ویژه پنل‌های جنوب، جنوب‌شرق و جنوب‌غرب) عملکرد بهتری داشتند، زیرا نور خورشید تقریباً عمود بر صفحه ماژول می‌تابید و بازده نوری را افزایش می‌داد.

اما در زمستان، وضعیت کاملاً معکوس شد: پنل‌های خورشیدی با شیب ۹۰ درجه (عمودی) به‌ویژه آن‌هایی که رو به جنوب و جنوب‌شرق بودند، تا شش برابر برق بیشتری نسبت به پنل‌های ۴۰ درجه‌ای در همان جهت تولید کردند.

علت این پدیده دو عامل کلیدی است:

1. تجمع کمتر برف روی پنل‌های عمودی در زمستان.
2. افزایش بازتاب سطح زمین (Albedo) در مناطق پوشیده از برف که مقدار قابل‌توجهی نور را به سطح پنل بازمی‌تاباند.

تأثیر ارزش زمانی انرژی (ToU)

نکته جالب در نتایج این بود که جهت‌های Southeast و Southwest با زاویه ۴۰ درجه علی‌رغم داشتن بازده انرژی سالانه پایین‌تر از جهت South، ارزش اقتصادی بیشتری داشتند.

زیرا این پنل‌ها بخش عمده انرژی خود را در ساعات اوج قیمت بازار تولید می‌کردند.

این نتیجه نشان می‌دهد که با افزایش نوسانات قیمتی برق، جهت‌گیری آگاه از زمان مصرف (ToU-aware orientation) از صرفاً بالابردن انرژی کل سالانه اهمیت بیشتری خواهد داشت.

بااین‌حال، اگر هدف تنها بیشینه‌سازی بازده سالانه باشد، جهت‌های سنتی جنوب و جنوب‌شرق همچنان بهترین انتخاب باقی می‌مانند.

مقایسه داده‌های واقعی با مدل‌سازی نرم‌افزاری

برای بررسی دقت مدل‌های شبیه‌سازی، داده‌های تجربی با خروجی سه نرم‌افزار مختلف مقایسه شدند:

1. Skelion Plugin (پلاگین طراحی سه‌بعدی برای SketchUp)
2. Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS)
3. NREL PVWatts Model

نتایج مقایسه:

• برای پنل‌های با زاویه ۴۰ درجه، میانگین درصد خطای مطلق (APE) تقریباً ۳٪ بود؛ یعنی همخوانی قابل قبول.
• در پنل‌های ۹۰ درجه، میزان خطا حدود ۱۱٪ به‌دست آمد.

شبیه‌سازها در بیشتر جهت‌ها عملکرد ۴۰درجه‌ای‌ها را بیشتر از واقع تخمین زدند و در مقابل، توان خروجی ۹۰درجه‌ای‌ها را کمتر از واقع محاسبه کردند.

تحلیل فنی و اقتصادی (Techno-Economic Insights)

این پژوهش نه‌تنها بر داده‌های فنی تولید و تابش تمرکز دارد، بلکه ارزش مالی انرژی تولیدی را نیز در مقیاس زمان واقعی بررسی کرده است.

از آن‌جایی که مناطق قطبی شاهد طول روز بسیار زیاد در تابستان و تاریکی طولانی در زمستان هستند، ارزش اقتصادی هر وات انرژی در زمان‌های متفاوت، تأثیر چشمگیری بر سود خالص سیستم دارد.

در واقع، اگرچه حجم انرژی تولیدی در تابستان زیاد است، اما افزایش قیمت برق در زمستان باعث می‌شود انرژی تولیدی در فصول تاریک ارزش بالاتری پیدا کند. این امر اهمیت طراحی‌های زاویه و آزیموت بر اساس الگوی قیمت برق را به‌خوبی نشان می‌دهد.

اهمیت نتایج در سیاست‌گذاری انرژی در مناطق شمالی

داده‌های این مطالعه به سیاست‌گذاران کمک می‌کند تا الزامات طراحی نیروگاه‌های خورشیدی برای مناطق قطبی و نیمه‌قطبی را به‌صورت علمی تعیین کنند. با تحلیل دقیق رابطه میان جهت نصب، زاویه ماژول و نوسانات قیمتی، می‌توان دستورالعمل‌های بهینه برای نصب پنل در عرض‌های بالای جغرافیایی (مانند شمال اسکاندیناوی، کانادا و آلاسکا) را تدوین کرد.

این اطلاعات می‌تواند بر طراحی شبکه‌های مستقل (Off-Grid Systems)، پشتیبانی از ایستگاه‌های مخابراتی، و بهبود سیاست‌های انرژی پایدار در مناطق سردسیر تأثیر گذارد.

جمع‌بندی و چشم‌انداز آینده

پژوهش انجام‌شده نشان داد که حتی در شرایط اقلیمی بسیار سرد و نامطلوب از نظر تابش، انرژی خورشیدی می‌تواند بخشی پایدار از سبد انرژی باشد — مشروط بر آن‌که زاویه، جهت‌گیری و طراحی سازه ماژول‌ها هوشمندانه انتخاب شود.

ویژگی‌های اصلی سکوی چرخ‌وفلکی عبارت‌اند از:

• ثبت هم‌زمان داده در ۸ آزیموت و ۲ زاویه شیب مختلف
• امکان تحلیل دقیق اثر فصلی و قیمتی بر عملکرد PV
• فراهم‌سازی داده‌ی تجربی برای بهبود مدل‌های شبیه‌سازی جهانی (PVGIS, NREL)

این پروژه در مقاله‌ای با عنوان

📝 “Optimising solar photovoltaic azimuth performance in Arctic conditions: An empirical techno-economic analysis”

در مجله Renewable Energy منتشر شده است و به عنوان یکی از اولین ارزیابی‌های واقعی عملکرد PV در اقلیم قطبی فنلاند شناخته می‌شود.

مزایای کلیدی برای صنعت خورشیدی

✅ افزایش دقت طراحی نیروگاه‌ها در عرض‌های جغرافیایی بالا

✅ درک عمیق‌تر از تأثیر جهت و زاویه نصب بر بازده اقتصادی

✅ کاهش اثر برف‌نشستگی از طریق طراحی عمودی (۹۰°)

✅ بهبود شبیه‌سازی‌های فنی PVGIS و PVWatts

✅ پشتیبانی داده‌ای از سیاست‌گذاران انرژی پاک در نواحی سردسیر

جمع‌بندی درباره پنل خورشیدی

برای اطلاعات بیشتر درباره روند جهانی می‌توانید گزارش‌های آژانس بین‌المللی انرژی درباره فتوولتائیک را مطالعه کنید.