Climate-Driven Performance Assessment and Loss Mechanisms of Utility- Scale Photovoltaic Systems

ملخص تقني: تقييم الأداء المدفوع بالمناخ وآليات الفقد في أنظمة الطاقة الكهروضوئية على نطاق المرافق

بيان المشكلة
تمتلك المملكة العربية السعودية موارد شمسية استثنائية، تتميز بارتفاع الإشعاع الأفقي العالمي (GHI)، مما يجعلها مرشحاً رئيسياً لنشر أنظمة الطاقة الكهروضوئية على نطاق المرافق. ومع ذلك، فإن تحويل هذا المورد إلى كهرباء ليس عملية خطية؛ إذ يتأثر بشدة بالظروف المناخية والبيئية الخاصة بكل موقع. فبينما يشير الإشعاع العالي إلى إمكانات طاقة عالية، إلا أن درجات الحرارة المحيطة المرتفعة، والغبار المحمول جواً (التلوث بالتراب/Soiling)، والرطوبة الساحلية يمكن أن تؤدي بشكل كبير إلى تدهور كفاءة الألواح وكفاءة العاكسات (Inverters). غالباً ما تركز الأدبيات الحالية على التحليلات الخاصة بموقع واحد أو الأنظمة صغيرة النطاق، مما يترك فجوة في فهم كيفية أداء أنظمة الطاقة الكهروضوئية على نطاق المرافق عبر المناطق المناخية المتنوعة في المملكة العربية السعودية—وتحديداً التباين بين الصحاري الداخلية، والمناطق القاحلة الحارة، والمناطق الساحلية الرطبة. تعالج هذه الدراسة الحاجة إلى تقييم منهجي متعدد المواقع لقياس كيفية ترجمة الاختلافات في الإشعاع، ودرجة الحرارة، والعوامل البيئية إلى اختلافات في مؤشرات الأداء الرئيسية مثل نسبة الأداء (PR) والإنتاجية النوعية.

المنهجية
تستخدم الدراسة إطار تقييم هجين لتقييم أنظمة الطاقة الكهروضوئية على نطاق المرافق عبر ثلاث مناطق مناخية ممثلة في المملكة العربية السعودية:

1. القصيم: تمثل مناخ الصحراء الداخلية.
2. مكة المكرمة: تمثل المناخ القاحل الحار.
3. جازان: تمثل المناخ الساحلي الحار والرطب.

تدمج المنهجية مدخلات مناخية مستمدة من بيانات الأقمار الصناعية والأرصاد الجوية طويلة المدى من NASA POWER وSolargis وMeteonorm مع عمليات محاكاة تفصيلية باستخدام برنامج PVsyst. تم نمذجة تكوين مرجعي لمحطة طاقة كهروضوئية على نطاق المرافق لكل موقع باستخدام قائمة مواد (BOM) واقعية ومواصفات عاكسات نموذجية للمشاريع الكبيرة في المنطقة. ولضمان مقارنة عادلة، تم الحفاظ على قدرة التيار المستمر (DC) الاسمية وتخطيط النظام ثابتاً في جميع المواقع، بينما تباينت المدخلات المناخية وفقاً للظروف المحلية.

شملت مقاييس الأداء الرئيسية ما يلي:

• الإنتاجية النوعية (Specific Yield): إجمالي إنتاج طاقة التيار المتردد (AC) السنوي مقسوماً على قدرة التيار المستمر (DC) المثبتة (كيلوواط ساعة/كيلوواط ذروة).
• نسبة الأداء (Performance Ratio - PR): النسبة بين طاقة المخرجات الفعلية والمخرجات النظرية تحت الظروف القياسية.
• تحليل الفقد (Loss Analysis): تحليل مفصل لفقد النظام بما في ذلك الفقد الحراري، وفقد التلوث بالتراب (Soiling)، وعدم كفاءة العاكسات، والفقد الكهربائي.

أُجريت تحليلات الحساسية لقياس تأثير درجة الحرارة المحيطة على نسبة الأداء (PR)، والعلاقة غير الخطية بين الإشعاع الأفقي العالمي (GHI) وإنتاجية الطاقة، وتأثير نسبة التيار المستمر إلى التيار المتردد (DC/AC ratio) على أداء النظام تحت ظروف مناخية مختلفة.

النتائج الرئيسية
تكشف الدراسة أن الإشعاع الشمسي العالي وحده ليس مؤشراً كافياً للتنبؤ بتوليد الطاقة الكهروضوئية في البيئات الصحراوية بسبب التأثيرات المضادة من الخسائر البيئية ودرجات حرارة تشغيل الألواح المرتفعة.

• الإنتاجية النوعية: تباينت الإنتاجية النوعية السنوية بشكل كبير عبر المواقع، حيث تراوحت تقريباً بين 1,650 إلى 2,050 كيلوواط ساعة/كيلوواط ذروة. حققت موقع الصحراء الداخلية (القصيم) أعلى إنتاجية بسبب الإشعاع العالي المستمر، ومع ذلك لم تحقق دائماً أعلى إنتاجية شهرية خلال ذروة الصيف بسبب الخسائر الحرارية.
• نسبة الأداء (PR): تراوحت قيم نسبة الأداء السنوية بين 0.76 و0.84. أظهرت المواقع الداخلية والقاحلة الحارة (القصيم ومكة المكرمة) قيم نسبة أداء أقل (0.76–0.81) مقارنة بالموقع الساحلي (جازان، 0.78–0.84). يشير هذا إلى أن الإجهاد الحراري في المناطق الصحراوية يقلل بشكل كبير من كفاءة النظام رغم توافر الموارد العالية.
• آليات الفقد:
  • الخسائر الحرارية: كانت مهيمنة في المناطق الداخلية والقاحلة الحارة، حيث شكلت 7-13% من إنتاج الطاقة السنوي. وتنتج هذه الخسائر عن ارتفاع درجات الحرارة المحيطة وارتفاع الإشعاع على مستوى الألواح.
  • خسائر التلوث بالتراب (Soiling): كانت أكثر وضوحاً في البيئة الساحلية الرطبة (جازان)، حيث تراوحت بين 3-8%، نتيجة التأثيرات المشتركة لترسب الغبار والالتصاق المعزز بالرطوبة للجزيئات. شهدت المواقع الداخلية خسائر أقل في التلوث بالتراب (2-6%).
• نتائج الحساسية:
  • يوجد ارتباط سلبي واضح بين درجة الحرارة المحيطة ونسبة الأداء (PR). ويشير التحليل إلى أن نسبة الأداء تنخفض بنحو 0.35-0.45% لكل زيادة قدرها 1 درجة مئوية في درجة الحرارة المحيطة.
  • العلاقة بين الإشعاع الأفقي العالمي (GHI) وإنتاجية الطاقة هي علاقة غير خطية في البيئات ذات الإشعاع العالي؛ حيث تساهم الزيادات التدريجية في الإشعاع خلال أشهر الصيف الذروة بشكل أقل في صافي الإنتاج بسبب التدهور المتزامن في الكفاءة الناتج عن الحرارة وظاهرة قص القدرة (clipping) في العاكسات.

الأهمية والمساهمات
تدعي الورقة أن مساهمتها الأساسية تكمن في تقديم تقييم أداء مقارن مدفوع بالمناخ لأنظمة الطاقة الكهضوئية على نطاق المرافق عبر مناطق مناخية متميزة في المملكة العربية السعودية باستخدام إطار نمذجة متسق. وتوضح الدراسة أن:

1. الإشعاع العالي ليس كافياً: الاعتماد فقط على شدة الموارد الشمسية للتنبؤ بالإنتاجية في المناخات الصحراوية يؤدي إلى المبالغة في التقدير. يجب دمج أداء الألواح المعتمد على درجة الحرارة وعمليات الفقد البيئي في التقييمات.
2. التحسين الخاص بكل موقع أمر بالغ الأهمية: تختلف آليات الفقد المهيمنة حسب الموقع. تتطلب المناطق الداخلية استراتيجيات تركز على الإدارة الحرارية (مثل تحسين نسب التيار المستمر/التيار المتردد، واختيار العاكسات)، بينما تتطلب المناطق الساحلية استراتيجيات محسنة للحد من التلوث بالتراب واستراتيجيات التنظيف.
3. تحسين موثوقية الاستثمار: من خلال تحديد التأثيرات المحددة لدرجة الحرارة والتلوث بالتراب، تقدم الدراسة رؤى خاصة بالمناخ يمكن أن تقلل من عدم اليقين في التقييمات التقنية الاقتصادية وتحسن دقة التنبؤ بالإنتاجية لمشاريع الطاقة الكهروضوئية على نطاق المرافق في المناخات الصحراوية ذات الإشعاع العالي.

يشير المؤلف إلى أنه بينما تعتمد الدراسة على المحاكاة وبيانات الأقمار الصناعية، إلا أنها تضع إطاراً مقارناً قوياً. كما يقر بوجود قيود تتعلق بنقص بيانات SCADA التشغيلية طويلة المدى للتحقق المباشر، واستبعاد آليات التدهور طويلة المدى مثل التدهور الناجم عن الجهد المستحث (PID)، مقترحاً هذه المجالات كأبحاث مستقبلية.