با گسترش استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، به‌ویژه انرژی خورشیدی، یکی از چالش‌های مهم در بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌های فتوولتائیک، تأثیر گرد و غبار بر کارایی پنل‌ها است. این مشکل به‌ویژه در مناطق خشک و بیابانی مانند ایران که در معرض طوفان‌های گرد و خاک و آلودگی‌های محیطی قرار دارند، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. تجمع گرد و غبار بر سطح پنل‌ها نه‌تنها باعث کاهش تابش نور خورشید میشود، بلکه به مرور زمان راندمان سیستم‌های خورشیدی را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد، امری که نیازمند راهکارهای مؤثر برای مقابله با این چالش است.
در این مقاله، به بررسی علمی و فنی تأثیر گرد و خاک بر عملکرد پنل‌های خورشیدی پرداخته و راهکارهای مقابله با آن را بر پایه داده‌های پژوهشی روز دنیا ارائه خواهیم داد.
4 اثر کلیدی تجمع گرد و غبار بر راندمان پنل‌های خورشیدی چیست؟
پنل خورشیدی به‌عنوان یکی از بهترین منبع تولید انرژی پاک، برای عملکرد بهینه به نور مستقیم خورشید نیاز دارد. اما آیا می‌دانستید که گرد و غبار می‌تواند به‌شدت راندمان این سیستم‌ها را کاهش دهد؟ در ادامه با ما همراه باشید با ۴ مورد از اثر تجمع گرد و خاک بر راندمان سیستم‌های خورشیدی:
1. کاهش انتقال نور و عملکرد خروجی
یکی از مهم‌ترین اثرات گرد و خاک، کاهش شدت نوری است که به سطح سلول‌های فتوولتائیک می‌رسد. تجمع گرد و غبار بر روی سطح شیشه‌ای پنل، مانند یک فیلتر عمل کرده و از عبور نور جلوگیری می‌کند. کاهش شدت نور به‌طور مستقیم باعث افت راندمان خروجی سیستم میشود.
2. افزایش دمای پنل
گرد و غبار می‌تواند سبب افزایش مقاومت حرارتی سطح پنل‌ها شود. به بیان ساده تر اگر بگیم، ذرات گرد و غبار مانع از تبادل حرارت بین پنل و محیط شده و به‌این‌ترتیب، دمای سطحی پنل‌ها زیاد میشود. افزایش دما یکی از عوامل مهم در کاهش راندمان سلول‌های خورشیدی سیلیکونی است.
طبق نتایج پژوهش دانشگاه MIT، افزایش 10 درجه‌ای در دمای سطح پنل می‌تواند راندمان را تا 5 درصد کاهش دهد.
3. ایجاد خوردگی و آسیب‌های شیمیایی
گرد و خاک تنها ذرات بی‌اثر نیستند. برخی از این ذرات دارای ترکیبات اسیدی یا قلیایی هستند که در بلندمدت می‌توانند موجب خوردگی سطحی پنل و کاهش شفافیت شیشه‌ای آن شوند. این خوردگی باعث افزایش پراکندگی نور و کاهش جذب آن میشود.
4. تأثیر بر ماژول‌های خورشیدی مختلف
اثر گرد و خاک بر اساس نوع پنل نیز متفاوت است. در مطالعه‌ای یک‌ساله در مراکش، مشخص شد ماژول‌های تلورید کادمیوم (CdTe) نسبت به ماژول‌های سیلیکونی کریستالی کمتر تحت تأثیر گرد و غبار قرار می‌گیرند (13% کاهش در مقابل 15%).
اثر گرد و خاک بر عملکرد پنل های فتوولتاییک
گرد و غبار یکی از عوامل محیطی مهم و تأثیرگذار بر عملکرد پنل‌های فتوولتائیک به‌ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک محسوب میشود. تجمع ذرات گرد و خاک بر سطح شیشه‌ای پنل‌های خورشیدی منجر به کاهش شدت نور خورشیدی دریافتی و در نتیجه کاهش بازده تبدیل انرژی می‌گردد. این پدیده که به آن ” تضعیف نوری” گفته میشود، با گذشت زمان شدت بیشتری می‌گیرد و می‌تواند تا چندین درصد از عملکرد واقعی سامانه کمتر شود.
اقلیم ایران، به دلیل موقعیت جغرافیایی خاص خود، به‌طور مکرر با پدیده‌های گرد و غبار، ریزگردها و طوفان‌های محلی مواجه است و این شرایط سبب میشود که پاک‌سازی سطح پنل‌ها به یک نیاز ضروری تبدیل گردد. نحوه نشست ذرات گرد و غبار به عوامل زیادی مانند سرعت و جهت باد، رطوبت نسبی، اندازه و ترکیب ذرات، زبری سطح پنل، زاویه نصب پنل و حتی حضور الکتریسیته ساکن بر سطح آن بستگی دارد. بررسی دقیق این عوامل می‌تواند به طراحی سامانه‌های خودپاک‌شونده یا زمان‌بندی مناسب برای نظافت دستی یا مکانیزه پنل‌ها کمک کرده و بهره‌وری نهایی نیروگاه خورشیدی را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.
در نتیجه، مطالعات دقیق در زمینه اثر گرد و خاک بر عملکرد فتوولتائیک و یافتن راهکارهای مناسب برای کاهش این اثر، از اهمیت بالایی در توسعه پایدار انرژی خورشیدی برخوردار است.
بررسی تأثیر گرد و غبار بر عملکرد پنل‌های خورشیدی
سیستم‌های خورشیدی به‌عنوان یکی از منابع پایدار تولید انرژی، در معرض عوامل محیطی متعددی قرار دارند. گرد و غبار یکی از مهم‌ترین این عوامل است که می‌تواند بر کارایی و راندمان کلی سیستم تأثیر منفی بگذارد. در ادامه، به بررسی موردی مهم‌ترین اثرات گرد و غبار بر عملکرد سیستم‌های فتوولتائیک پرداخته میشود:
1. کاهش عملکرد خروجی پنل خورشیدی
گرد و غبار به‌مرور زمان بر سطح پنل‌های خورشیدی می‌نشیند و مانع از عبور نور خورشید از لایه‌ی شیشه‌ای پنل میشود.
این پدیده باعث کاهش شدت تابش موثر به سطح سلول‌ها شده و راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به برق کاهش می‌یابد.
هرچه میزان گرد و غبار بیشتر باشد، افت عملکرد خروجی نیز شدیدتر خواهد بود.
مطالعات نشان داده‌اند که حتی لایه‌ای نازک از گرد و غبار می‌تواند تا 5 درصد از راندمان سیستم را کاهش دهد.
2. افت بهره‌وری باتری
تجمع کثیفی و ذرات ریز بر سطح پنل‌ها به‌ویژه در فصول خشک و مناطق کم‌بارش، بهره‌وری سیستم را کاهش می‌دهد.
کاهش راندمان تولید برق در شرایط خاص می‌تواند تا بیش از 15 درصد نیز برسد.
به‌طور میانگین، آلودگی‌های محیطی سالانه حدود 8 درصد از بهره‌وری پنل‌ها را کاهش می‌دهند.
پراکندگی نور در اثر گرد و غبار، به‌ویژه در ماژول‌های متمرکز بیشتر از ماژول‌های توزیع‌شده است.
3. افزایش دمای پنل و افت بازده حرارتی
پوشش گرد و غبار باعث انسداد انتقال حرارت و افزایش مقاومت حرارتی سطح پنل‌ها میشود.
این امر موجب میشود پنل‌ها گرم‌تر بمانند و نتوانند گرمای جذب‌شده را به‌خوبی دفع کنند.
افزایش دما در پنل‌های سیلیکونی باعث افت شدید بازده تبدیل انرژی میشود، چرا که این نوع سلول‌ها به شدت به گرما حساس هستند.
این وضعیت می‌تواند موجب کاهش عمر مفید پنل نیز بشود.
4. خوردگی و تخریب تدریجی سطح پنل‌ها
ترکیب شیمیایی گرد و غبار غالباً شامل مواد اسیدی یا قلیایی است که در درازمدت منجر به تخریب سطوح خارجی پنل می‌شوند.
پنل‌های فتوولتائیک معمولاً از موادی مانند سیلیکون کریستالی، دی‌اکسید سیلیکون و سنگ‌آهک ساخته می‌شوند که در برابر خوردگی شیمیایی آسیب‌پذیرند.
تماس مداوم با ذرات خورنده می‌تواند باعث ایجاد سوراخ‌های سطحی، خوردگی میکروسکوپی و افت بازده نوری شود.
این نوع آسیب نه تنها ظاهر پنل را تخریب می‌کند بلکه توانایی آن در جذب و تبدیل نور را نیز کاهش می‌دهد.
گرد و غبار در اقلیم ایران
اقلیم ایران دارای ویژگی‌هایی خاص از جمله خشکی، وزش بادهای موسمی و طوفان‌های ریزگرد است. بسیاری از استان‌های مرکزی، جنوبی و شرقی ایران مانند خوزستان، سیستان و بلوچستان، یزد و کرمان، در معرض طوفان‌های مکرر گرد و خاک قرار دارند. این مناطق به دلیل تابش بالا برای نصب نیروگاه‌های خورشیدی مناسب هستند، اما در عین حال، گرد و خاک یکی از موانع اصلی بهره‌وری آن‌هاست.
به‌عنوان مثال، در خوزستان، کاهش راندمان سالانه سیستم‌های PV بر اثر گرد و خاک تا 12% گزارش شده است.
کدام پارامترها بر نشست گرد و خاک تأثیرگذارند؟
1. سرعت باد
سرعت بالای باد، یکی از عوامل محیطی تاثیرگذار بر عملکرد سامانه‌های الکترونیکی و به‌ویژه پنل‌های خورشیدی به شمار می‌رود. هنگامی که باد با شدت می‌وزد، ذرات ریز گرد و غبار را از سطح زمین بلند کرده و به سمت تجهیزات منتقل می‌کند. این ذرات، پس از نشستن بر سطح پنل‌ها، موجب کاهش راندمان جذب نور و در نتیجه افت عملکرد کلی سیستم می‌شوند.
افزون بر این، فشار باد و حرکت شدید ذرات معلق می‌تواند به مرور زمان باعث نفوذ گرد و خاک به درون محفظه‌های الکترونیکی شده و آسیب‌هایی جدی به اجزای حساس داخلی وارد کند. از این‌رو، در طراحی و نصب تجهیزات الکترونیکی، به‌ویژه در مناطق بادخیز، در نظر گرفتن حفاظت مناسب در برابر نفوذ گرد و غبار، امری ضروری و تخصصی تلقی میشود.
2. رطوبت نسبی هوا
رطوبت نسبی هوا نقش مهمی در میزان چسبندگی ذرات گرد و غبار به سطح پنل‌های خورشیدی ایفا می‌کند. در شرایطی که میزان رطوبت هوا افزایش می‌یابد، ذرات معلق موجود در فضا به‌واسطه رطوبت، خاصیتی چسبنده پیدا کرده و با شدت بیشتری به سطوح می‌چسبند. این ترکیب چسبنده، به‌صورت لایه‌ای نازک اما مقاوم بر روی سطح پنل‌ها تشکیل میشود که نه‌تنها بازدهی جذب نور را کاهش می‌دهد، بلکه فرآیند نظافت و پاک‌سازی را نیز با چالش‌هایی همراه می‌سازد.
این لایه‌ها در صورت عدم پاک‌سازی منظم، می‌توانند به مرور زمان باعث کاهش عملکرد سیستم و افزایش هزینه‌های نگهداری شوند. از این‌رو، در طراحی و بهره‌برداری از سیستم‌های خورشیدی در مناطق مرطوب، در نظر گرفتن برنامه‌های نگهداری دقیق و استفاده از پوشش‌های ضد چسبندگی می‌تواند به حفظ کارایی سیستم کمک شایانی کند.
3. زاویه نصب پنل
زاویه نصب پنل‌های خورشیدی یکی از عوامل کلیدی در بهره‌وری و نگهداری بلندمدت آن‌ها به شمار می‌آید، به‌ویژه در مناطق خشک و پر گرد و غبار. نصب پنل‌ها به‌صورت افقی، زمینه را برای تجمع بیشتر ذرات گرد و خاک فراهم می‌سازد، چرا که در این حالت، نیروی گرانش و جریان هوا توانایی کافی برای جابه‌جایی و پاک‌سازی طبیعی سطوح را ندارند.
انتخاب زاویه نصب استاندارد و متناسب با شرایط اقلیمی، می‌تواند نه‌تنها میزان جذب نور خورشید را به حداکثر برساند، بلکه با ایجاد شیب مناسب، امکان خودتمیزشوندگی طبیعی توسط باران و جریان باد نیز فراهم میشود. در مناطق خشک، این زاویه باید با دقت بیشتری محاسبه شود تا علاوه بر بهره‌برداری بهینه از تابش خورشید، از تجمع آلودگی و افزایش هزینه‌های نگهداری نیز جلوگیری گردد.
تأثیر آلودگی هوا بر عملکرد پنل‌های خورشیدی در مناطق شهری
آلودگی هوا، به‌ویژه در مناطق شهری و صنعتی، یکی از موانع جدی در بهره‌برداری بهینه از انرژی خورشیدی محسوب میشود. ذرات معلق، آلاینده‌های شیمیایی و ترکیبات ناشی از فعالیت‌های صنعتی و ترافیکی، با تشکیل لایه‌ای از آلودگی بر روی سطح پنل‌های خورشیدی، موجب کاهش نفوذ تابش مستقیم خورشید به سلول‌های فتوولتائیک می‌شوند.
این پدیده منجر به افت قابل‌توجهی در توان خروجی، راندمان و ولتاژ کاری پنل‌ها می‌گردد. مطالعات دقیق نشان می‌دهند که راندمان پنل‌های مونوکریستال در شرایط آلودگی شدید، تا بیش از ۶۰ درصد نسبت به شرایط هوای پاک کاهش می‌یابد. این کاهش برای پنل‌های پلی‌کریستال نیز چشمگیر است.
در کلان‌شهرهایی نظیر تهران و اهواز که با آلودگی مزمن مواجه هستند، تأثیر این پدیده بیشتر احساس میشود و باید در طراحی سیستم‌ها، ضریب کاهش عملکرد ناشی از آلودگی حداقل تا ۵ درصد مدنظر قرار گیرد. در کشورهای در حال توسعه، که هم با آلودگی بالا و هم با محدودیت منابع مواجه هستند، لزوم انتخاب فناوری‌های مقاوم در برابر آلودگی، طراحی سیستم‌های خودپاک‌ساز و برنامه‌ریزی برای نگهداری دوره‌ای، از نظر فنی و اقتصادی امری اجتناب‌ناپذیر است.
نتیجه‌گیری
تاثیر گرد و غبار بر کارایی پنل‌های خورشیدی، یکی از چالش‌های مهم و گاه کم‌توجه در طراحی و بهره‌برداری از این سامانه‌ها است. گرد و خاک نه‌تنها میزان عبور نور خورشید به سلول‌های فتوولتائیک را کاهش می‌دهد، بلکه می‌تواند از جنبه‌های حرارتی، شیمیایی و حتی مکانیکی عملکرد پنل را مختل کند.
در این میان، سرعت باد نقش مضاعفی ایفا می‌کند؛ بادهای شدید با جابه‌جایی ذرات معلق و گرد و غبار، موجب آلودگی مداوم سطح پنل‌ها می‌شوند. این ذرات می‌توانند به مرور زمان به درون اجزای الکترونیکی سیستم نفوذ کرده و باعث کاهش طول عمر و افزایش هزینه‌های نگهداری شوند.
شناسایی دقیق شرایط اقلیمی، به‌ویژه میزان گرد و غبار و الگوهای باد در منطقه، و اتخاذ راهکارهایی مانند زاویه نصب مناسب، استفاده از پوشش‌های ضد آلودگی، و سیستم‌های نظافت خودکار، می‌تواند در حفظ عملکرد بهینه و پایدار پنل‌های خورشیدی بسیار موثر واقع شود.