ما هو جهاز إزالة الجليد من الألواح الشمسية وكيف يعمل؟

A مذيب الألواح الشمسية هو جهاز أو نظام مصمم لإزالة الجليد والصقيع والثلج المتراكم عن سطح الألواح الكهروضوئية واستعادة تعرضها لأشعة الشمس والسماح لها باستئناف توليد الكهرباء أثناء وبعد العواصف الشتوية. تشمل الأنواع الأكثر شيوعًا عناصر التسخين الكهربائية المثبتة أسفل الألواح، وأنظمة تدوير الماء الساخن أو الجليكول، والطلاءات الكارهة للماء التي تمنع الجليد من الارتباط بالزجاج. وفقا للمختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL)، فإن تراكم الثلوج والجليد يمكن أن يقلل من إنتاج الطاقة السنوي لمجموعة الطاقة الشمسية بنسبة 1% إلى 12% اعتمادًا على الموقع الجغرافي، وزاوية الميل، وتواتر العواصف الشتوية، حيث تصل الخسائر إلى ما يصل إلى 30% خلال أشهر الثلوج الغزيرة الفردية في المناخات الشمالية. فهم كيف أ مذيب الألواح الشمسية تعد الوظائف والنوع الذي يناسب تركيبًا معينًا أمرًا ضروريًا لأصحاب المنازل والمشغلين التجاريين الذين يرغبون في تحقيق أقصى قدر من استثمارهم في الطاقة الشمسية خلال أشهر الشتاء عندما يكون ضوء الشمس بالفعل في أعلى مستوياته.

كيف يؤثر الثلج والجليد على أداء الألواح الشمسية؟

يمنع الثلج والجليد ضوء الشمس من الوصول إلى الخلايا الكهروضوئية، وحتى طبقة رقيقة من الصقيع يمكن أن تقلل من إنتاج اللوحة بنسبة 20% إلى 30%، في حين أن الغطاء الثلجي الكامل يقلل من توليد الطاقة إلى ما يقرب من الصفر حتى تتم إزالة العائق. الآليات الفيزيائية واضحة ومباشرة: تقوم الألواح الشمسية بتحويل الفوتونات إلى كهرباء، وأي حاجز بين الشمس وخلايا السيليكون يمنع هذا التحويل. دراسة نشرت في مجلة الطاقة المتجددة والمستدامة وجدت أن الألواح ذات زاوية ميل تبلغ 30 درجة تتساقط الثلوج بشكل أسرع من الألواح المسطحة، ولكن حتى المصفوفات المائلة بشكل مثالي يمكنها الاحتفاظ بطبقة من الجليد أو الثلج المضغوط لمدة أيام أو أسابيع إذا ظلت درجات الحرارة أقل من درجة التجمد ولم يتم تطبيق أي تدخل في إزالة الجليد. وفي مناطق مثل شمال شرق الولايات المتحدة، والغرب الأوسط الأعلى، وكندا، تمثل خسائر الإنتاج المرتبطة بالثلوج غالبية ضعف الأداء في فصل الشتاء. أ مذيب الألواح الشمسية يعالج هذه المشكلة بشكل مباشر إما عن طريق إذابة الطبقة المجمدة من الأسفل أو منعها من الالتصاق في المقام الأول.

أنواع أجهزة إزالة الجليد من الألواح الشمسية: الطلاءات الكهربائية، والمائية، والسلبية

هناك ثلاث فئات أساسية لأنظمة إزالة الجليد من الألواح الشمسية: حصائر أو كابلات التسخين المقاومة الكهربائية المتصلة بالجزء الخلفي من الألواح، والأنظمة المائية التي تعمل على توزيع السائل الساخن، والطلاءات السطحية السلبية الكارهة للماء أو الكارهة للجليد، ولكل منها مزايا مميزة في التكلفة والفعالية واستهلاك الطاقة. ويقدم الجدول أدناه مقارنة مباشرة بين هذه الأساليب الثلاثة، مما يسمح بإجراء تقييم سريع للتكنولوجيا التي تناسب تركيبًا معينًا بشكل أفضل.

أجهزة إزالة الجليد الكهربائية من الألواح الشمسية: الحل النشط الأكثر شيوعًا

تعد عناصر التسخين بالمقاومة الكهربائية هي تكنولوجيا إزالة الجليد من الألواح الشمسية الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لأنه من السهل نسبيًا تعديلها على المصفوفات الموجودة، ويمكن تشغيلها آليًا باستخدام أجهزة استشعار درجة الحرارة والثلج، وسحب الطاقة مباشرة من الشبكة أو من نظام تخزين البطارية عند الحاجة. تتكون هذه الأنظمة من حصائر تسخين رفيعة مقاومة للعوامل الجوية أو حلقات كابلات ملتصقة بالسطح الخلفي لكل لوحة كهروضوئية. عند تفعيلها، فإنها ترفع درجة حرارة اللوحة بمقدار 5 درجات فهرنهايت إلى 15 درجة فهرنهايت (3 درجات مئوية إلى 8 درجات مئوية) أعلى من درجة الحرارة المحيطة، وهي كافية لإذابة طبقة من الجليد وكسر الرابطة بين الثلج والزجاج. بمجرد كسر الرابطة، تتسبب الجاذبية في انزلاق الثلج عن اللوحة المائلة. كهرباء سكنية نموذجية مذيب الألواح الشمسية نظام لمجموعة مكونة من 20 لوحة يرسم تقريبًا 2 إلى 3 كيلووات أثناء التشغيل، وإذا تم تشغيله لمدة 3 إلى 4 ساعات بعد عاصفة ثلجية، فإن إجمالي تكلفة الطاقة بمتوسط معدل كهرباء سكني في الولايات المتحدة يبلغ 0.15 دولار لكل كيلووات/ساعة تقريبًا 1.00 دولار إلى 1.80 دولار لكل دورة إزالة الجليد . غالبًا ما يتم تعويض هذه التكلفة بقيمة الكهرباء التي تولدها الألواح بمجرد إزالتها، خاصة إذا كان البديل يخسر عدة أيام من الإنتاج أثناء انتظار الذوبان الطبيعي.

يتم عادةً التحكم في أنظمة إزالة الجليد الكهربائية الحديثة عن طريق مجموعة من أجهزة الاستشعار. يكتشف مستشعر الثلج وجود هطول الأمطار، ويؤكد مستشعر درجة الحرارة أن درجة الحرارة منخفضة بما يكفي لتكوين الجليد، وقد يقيس مستشعر حالة السطح سمك الجليد الفعلي أو مخرجات اللوحة لتحديد متى يتم تنشيط عناصر التسخين. تضمن هذه الأتمتة تشغيل النظام عند الحاجة فقط، مما يقلل من إهدار الكهرباء. تم تصنيف كابلات التدفئة المستخدمة في هذه الأنظمة للتعرض الخارجي وهي مصممة لتحمل درجات الحرارة القصوى -40 درجة فهرنهايت إلى 185 درجة فهرنهايت (-40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية) دون تدهور.

أنظمة التذويب الهيدروليكية: كفاءة عالية للمصفوفات الكبيرة

يقوم جهاز إزالة الجليد من الألواح الشمسية المائية بتدوير خليط الماء الساخن والجليكول من خلال شبكة من الأنابيب المثبتة خلف الألواح، وعلى الرغم من أن تكلفة التركيب الأولية أعلى، إلا أن كفاءة التشغيل يمكن أن تتفوق على التسخين الكهربائي للمصفوفات التجارية الكبيرة وعلى نطاق المرافق. يمكن أن يكون مصدر الحرارة لنظام التذويب المائي عبارة عن غلاية غازية أو كهربائية مخصصة، أو مضخة حرارية أرضية، أو حتى حرارة مهدرة مستردة من عملية صناعية مجاورة. ونظرًا لأن السائل يتمتع بقدرة حرارية أعلى بكثير من الهواء، فيمكن للنظام الهيدروني نقل نفس كمية طاقة الذوبان مع استهلاك أقل للكهرباء مقارنة بالنظام الكهربائي البحت، بشرط أن يكون مصدر الحرارة فعالاً. بالنسبة لمزرعة طاقة شمسية كبيرة مثبتة على الأرض في منطقة ثلجية، تصبح الحالة الاقتصادية لإزالة الجليد المائي مقنعة: تكلفة التوليد المفقود خلال فصل الشتاء يمكن أن تتجاوز تكلفة تركيب وتشغيل نظام إزالة الجليد المركزي الذي يزيل جميع الألواح في غضون ساعات بدلا من أيام.

الطلاءات السلبية: النهج الوقائي صفر الطاقة

تمثل الطلاءات السلبية المقاومة للماء والمضادة للجليد نهجًا مختلفًا جذريًا في إزالة الجليد من الألواح الشمسية: فبدلاً من ذوبان الجليد بعد أن يتشكل، تمنع هذه الطلاءات الجليد والثلج من الالتصاق بالسطح الزجاجي، مما يسمح له بالانزلاق تحت ثقله أو بمساعدة نسيم خفيف. يتم تصنيع هذه الطلاءات عادةً من السيليكون أو البوليمر الفلوري أو المواد المركبة النانوية التي تخلق طبقة منخفضة الطاقة على الزجاج. عادةً ما تكون زاوية تلامس قطرة الماء على لوح زجاجي غير معالج 30 إلى 50 درجة ، لكن الطلاء عالي الجودة الكاره للماء يمكن أن يزيد من ذلك 100 درجة أو أكثر ، مما يتسبب في تكوّن الماء وتدحرجه بدلاً من انتشاره وتجميده في ورقة متواصلة. بحث منشور في المجلة المواد والواجهات التطبيقية لـ ACS أثبت أن الطلاء المضاد للجليد المطبق بشكل صحيح يمكن أن يقلل من قوة التصاق الجليد بنسبة 80% إلى 90% مقارنة بالزجاج العاري، مما يتيح تساقط الثلوج من الألواح المائلة بزوايا منخفضة تصل إلى 15 درجة. يتمثل القيد الرئيسي للطلاءات السلبية في أنها لا تذيب الجليد الذي تشكل بالفعل بشكل فعال، كما أن فعاليتها تتدهور بمرور الوقت بسبب التعرض للأشعة فوق البنفسجية، والتآكل الناتج عن الغبار الذي تحمله الرياح، والتلوث الناتج عن فضلات الطيور أو التلوث. توصي معظم الشركات المصنعة بإعادة التطبيق كل مرة من 1 إلى 3 سنوات للحفاظ على أعلى مستويات الأداء.

هل يستحق جهاز إزالة الجليد من الألواح الشمسية الاستثمار؟

تعتمد فترة الاسترداد الخاصة بجهاز إزالة الجليد من الألواح الشمسية على المناخ المحلي، وحجم المصفوفة، وتكلفة الكهرباء، وقيمة الجيل المفقود، ولكن بالنسبة للمنشآت في المناطق التي تتلقى أكثر من 50 بوصة من تساقط الثلوج سنويًا، غالبًا ما تكون الحالة المالية قوية، مع إمكانية تحقيق الاسترداد في غضون 3 إلى 5 مواسم شتاء. يمكن إجراء تحليل مبسط من خلال تقدير إجمالي الطاقة المفقودة بسبب الغطاء الثلجي خلال فصل الشتاء وضربها بمعدل الكهرباء المحلي. بالنسبة لمجموعة سكنية بقدرة 10 كيلووات في شمال ولاية نيويورك تفقد ما متوسطه 400 كيلووات/ساعة كل شتاء بسبب الثلوج، ومع معدل كهرباء يبلغ 0.18 دولار لكل كيلووات/ساعة، تبلغ الخسارة السنوية تقريبًا 72 دولارًا . سيتطلب تركيب نظام إزالة الجليد الكهربائي الأساسي الذي تبلغ تكلفته 600 دولار ما يقرب من 8 سنوات لتسديد تكاليف توفير الطاقة وحدها. ومع ذلك، فإن هذا الحساب يتجاهل عاملين مهمين: فائدة الراحة والسلامة المتمثلة في عدم الاضطرار إلى إزالة الثلوج يدويًا من ألواح الأسطح، وحقيقة أن العديد من برامج حوافز المرافق وائتمانات الطاقة المتجددة تدفع علاوة لتوليد الشتاء عندما يكون الطلب على الشبكة مرتفعًا. غالبًا ما يؤدي تضمين هذه العوامل إلى تقصير فترة الاسترداد بشكل كبير.

الأسئلة المتداولة حول أجهزة إزالة الجليد باستخدام الألواح الشمسية

هل يمكن لجهاز إزالة الجليد من الألواح الشمسية أن يلحق الضرر بالألواح الكهروضوئية؟

عند التثبيت وفقًا لتعليمات الشركة المصنعة، أ مذيب الألواح الشمسية لن تضر الألواح. تم تصميم حصائر التسخين الكهربائية للعمل في درجات حرارة أقل بكثير من الحد الأقصى لدرجة الحرارة المقدرة للطبقة الخلفية للوحة، وعادةً ما تبقى تحتها 140 درجة فهرنهايت (60 درجة مئوية) . التسخين يكون تدريجي وليس صدمة حرارية مفاجئة حتى لا يتم الضغط على الزجاج والمادة المغلفة. يأتي الخطر الأساسي من التركيب غير الصحيح، مثل محاصرة الرطوبة بين المدفأة والغطاء الخلفي أو استخدام نظام غير منظم يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة. إن اختيار منتج إزالة الجليد المدرج في قائمة UL أو ETL واتباع تعليمات الأسلاك والتركيب يزيل هذه المخاطر.

هل يمكنني استخدام كابل إزالة الجليد من السقف على الألواح الشمسية الخاصة بي؟

لم يتم تصميم كابلات إزالة الجليد القياسية للسقف للتوصيل المباشر بالألواح الشمسية. تم تصميم كابلات السقف ليتم وضعها في المزاريب وعلى طول الحواف لإنشاء قنوات تصريف، وليس لتسخين السطح الزجاجي للوحدة الكهروضوئية. قد يؤدي توصيل كابل سقف عام بالجزء الخلفي من اللوحة الشمسية إلى إبطال ضمان اللوحة ويمكن أن يؤدي إلى إنشاء نقاط ساخنة تلحق الضرر بالخلايا. مناسب مذيب الألواح الشمسية يستخدم عناصر التسخين المصممة خصيصًا لتناسب الحجم والشكل والخصائص الحرارية للألواح الكهروضوئية.

هل يستخدم جهاز إزالة الجليد من الألواح الشمسية طاقة أكثر مما تنتجه الألواح؟

رقم ومصممة بشكل جيد مذيب الألواح الشمسية تستهلك طاقة أقل بكثير مما تنتجه الألواح بمجرد إزالتها. يمكن إنشاء لوحة بقدرة 300 واط يتم تنظيفها من الثلج 1.2 إلى 1.5 كيلووات/ساعة من الكهرباء في يوم شتوي مشمس، في حين أن دورة إزالة الجليد التي أزالتها ربما تكون قد استهلكت فقط 0.1 إلى 0.2 كيلووات/ساعة . يعتبر صافي مكاسب الطاقة إيجابيًا، وهذا هو السبب في أن إزالة الجليد أمر منطقي من الناحية الاقتصادية والطاقة. العامل الحاسم هو تشغيل جهاز إزالة الجليد فقط عند الضرورة، وذلك باستخدام أدوات التحكم الآلية التي تمنعه ​​من العمل في حالة عدم وجود ثلوج أو جليد.

كم من الوقت يستغرق جهاز إزالة الجليد من الألواح الشمسية لإزالة الثلج؟

كهربائي مذيب الألواح الشمسية عادةً ما يزيل تراكم الثلوج الخفيفة من 1 إلى 3 بوصات بالداخل 30 إلى 60 دقيقة من التنشيط. قد تتطلب تراكمات أثقل من 6 بوصات أو أكثر 2 إلى 4 ساعات حتى يصبح صافيًا تمامًا، اعتمادًا على كثافة واط عناصر التسخين ودرجة الحرارة المحيطة. تتم العملية من السطح الزجاجي إلى الخارج، مما يؤدي إلى إذابة طبقة الرابطة أولاً بحيث ينزلق الثلج على شكل صفائح بدلاً من ذوبانه بالكامل في الماء.

A مذيب الألواح الشمسية بمثابة جسر عملي بين الوعد بتوليد الطاقة الشمسية على مدار العام وواقع الطقس الشتوي. ومن خلال اختيار التكنولوجيا المناسبة - التدفئة الكهربائية، أو الدوران المائي، أو المعالجة السطحية السلبية - ودمجها مع عناصر التحكم الآلية، يمكن لأصحاب الألواح الشمسية استعادة الطاقة المفقودة بسبب الثلوج والجليد من خلال توازن طاقة إيجابي صافي وعائد مالي يتحسن مع مرور كل شتاء. ومع استمرار توسع التركيبات الكهروضوئية في المناطق الأكثر برودة، فإن دور تقنية إزالة الجليد الفعالة سوف تتزايد أهميته للحفاظ على موثوقية الشبكة وتعظيم العائد على استثمارات الطاقة المتجددة.