الألواح الشمسية على أسطح المدن تؤثر على درجات الحرارة أثناء النهار والليل

تشير دراسة حديثة إلى أن التغطية الواسعة لأسطح المباني بألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية التقليدية قد تؤدي إلى زيادة درجات الحرارة في الأيام الحارة وخفضها في الليل.

استخدم البحث الذي قاده الدكتور أنصار خان من جامعة كلكتا وشارك في تأليفه أستاذ العلوم في جامعة نيو ساوث ويلز سيدني ماثيوس (مات) سانتاموريس محاكاة على نطاق متوسط ​​( نظام الطقس ) بسبب غياب البيانات الرصدية المتاحة للألواح الشمسية الكهروضوئية على أسطح المنازل (RPVSPs) لنمذجة تأثيرها على الظروف المناخية المحلية على نطاق المدينة.

ووجد الباحثون أنه في سيناريو تغطية RPVSP كاملة في مدينة ما، فإن درجة الحرارة الحضرية يمكن أن ترتفع في النهار حتى 1.5 درجة مئوية خلال فترات الذروة في الصيف وتنخفض في الليل حتى 0.6 درجة مئوية.

لا تشير النتائج، التي نُشرت في مجلة Nature Cities ، إلى أن الطاقة الكهروضوئية ليست حلاً مهمًا للطاقة المتجددة في الانتقال بعيدًا عن الوقود الأحفوري، بدلاً من ذلك، يقول الباحثون إنها تسلط الضوء على الفرصة لتطوير حلول متكاملة لأنظمة الطاقة الكهروضوئية، مثل المواد العاكسة لأسطح المنازل ومجموعات المساحات الخضراء، لموازنة فوائدها العديدة مع عيوبها المحتملة في البيئات الحضرية.

يقول البروفيسور سانتا موريس، رئيس كرسي أنيتا لورانس للهندسة المعمارية عالية الأداء في جامعة نيو ساوث ويلز للفنون والتصميم والهندسة المعمارية: “إن الألواح الشمسية الكهروضوئية هي تقنية طاقة متجددة مهمة، ولكنها يمكن أن تغير الظروف المحلية للمدن عند تركيبها على أسطح المنازل على نطاق واسع، إن فهم هذه التغييرات أمر بالغ الأهمية لصناع القرار الذين يفكرون في استخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية على مستوى المدينة والاستراتيجيات اللازمة لنشرها بشكل فعال”.

تأثيرات التدفئة النهارية والتبريد الليلي

وفي إطار الدراسة، قام فريق البحث بتحليل تأثير أنظمة RPVSP في ظل سيناريوهات تغطية مختلفة في كلكتا بالهند. كما أجروا دراسات حساسية خاصة بكل مدينة على حدة لأنظمة RPVSP في أربع مدن أخرى ــ سيدني، وأوستن، وأثينا، وبروكسل ــ لمقارنة نتائجهم بنتائج كلكتا.

يقول البروفيسور سانتاموريس: “لقد وجدنا ارتباطًا خطيًا بين ارتفاع درجات الحرارة ونسبة أسطح المنازل المغطاة بالخلايا الكهروضوئية، وفي ظل السيناريو الأقصى المتمثل في تغطية 100% خلال فترة الذروة في الصيف، تظهر بياناتنا أن الخلايا الكهروضوئية تؤدي إلى ارتفاع كبير في درجات الحرارة خلال النهار”.

يقول البروفيسور سانتاموريس إن التأثير الحراري الناتج عن الألواح الكهروضوئية عند تغطية أسطح المنازل بنسبة 100% من شأنه أن يحد من قدر كبير من فوائد الطاقة المتجددة، وتشير التقديرات إلى أن ما يقرب من 40% من الكهرباء التي تنتجها الألواح الكهروضوئية في سيدني تُستخدم للتعويض عن التأثير الحراري الزائد في الأحمال الإضافية للتبريد ــ وخاصة تكييف الهواء.

تضخيم تأثير التسخين

يقول البروفيسور سانتاموريس: “عندما يتم تركيب الخلايا الشمسية الكهروضوئية على الأسطح، فإنها تمتص كمية كبيرة من الطاقة الشمسية، وتحول بعضها إلى كهرباء وتولد الحرارة في هذه العملية، ويرجع هذا في المقام الأول إلى انخفاض انعكاسية الألواح، ولكن أيضًا إلى تدفق الهواء فوق الجزء العلوي والسفلي من الألواح الكهروضوئية، مما يعمل على تضخيم تأثير التسخين.

“وهذا يعني أنه خلال فترة الذروة في الصيف، يمكن أن تصل درجة حرارة السطح إلى 70 درجة مئوية، مما يجعل من المستحيل إحداث تأثير تبريدي على درجة الحرارة الحضرية.”

وعلى العكس من ذلك، يؤدي انتقال الحرارة عبر الإشعاع في الليل إلى انخفاض درجة حرارة سطح الخلايا الكهروضوئية عن درجة حرارة المناطق الحضرية في الليل، وبالتالي خفض درجة حرارة الهواء المحيط.

متوقع أن يكون تأثير الاحتباس الحراري المناخي أكثر حدة أثناء الليل

ويقول البروفيسور سانتاموريس إن هذه فائدة بالغة الأهمية حيث من المتوقع أن يكون تأثير الاحتباس الحراري المناخي أكثر حدة أثناء الليل، حيث قد ترتفع درجة الحرارة بنحو 4 درجات مئوية على مدار القرن المقبل في المتوسط.

ووجدت الدراسة أيضًا أن أنظمة التحكم في الرياح يمكن أن يكون لها تأثيرات معقدة إضافية على الظروف المحلية الأخرى. وعلى وجه الخصوص، يمكنها تقليل تركيزات الملوثات من خلال زيادة طبقة الحدود الكوكبية – الجزء الأدنى من الغلاف الجوي الذي يتأثر بظروف سطح الأرض – مما يؤدي إلى سرعات رياح أعلى وتخفيف الملوثات.

ويقول البروفيسور سانتاموريس: “إن أنظمة الضخ المباشر للرياح تعمل أيضًا على تعزيز اختراق نسائم البحر الساحلية إلى الداخل في المدن الساحلية، مع الحد أيضًا من تركيز الملوثات على مستوى الأرض، وهذا يساهم إلى حد ما في التعويض عن تأثير ارتفاع درجات الحرارة أثناء النهار وهو أمر مهم لمدن مثل كولكاتا حيث تشكل مشكلة الملوثات مشكلة ملحة للغاية”.

وعد الحلول المتكاملة

يقول البروفيسور سانتاموريس، إنه من الممكن تصنيع أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية التي تخفف من آثار ارتفاع درجة الحرارة أثناء النهار مع الحفاظ على فوائدها باستخدام استراتيجيات التبريد المتقدمة، بالإضافة إلى ذلك، فإن الابتكارات في علم المواد المتطورة جنبًا إلى جنب مع أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية لديها إمكانات كبيرة لإنشاء أنظمة طاقة شمسية باردة تعمل في درجات حرارة أقل وتقلل من آثار الحرارة.

وعلى وجه الخصوص، يدعو البروفيسور سانتاموريس إلى استخدام أنظمة الطاقة الشمسية الهجينة التي تدمج الألواح مع نظام تجميع حراري يعتمد على الماء لامتصاص الحرارة الزائدة لإنتاج الماء الساخن.

يقول البروفيسور سانتاموريس: “من الممكن بالفعل تبريد سطح الخلايا الكهروضوئية عن طريق تدوير المياه. وتعمل التصميمات التي يتم فيها تمرير المياه خلف الألواح على امتصاص الحرارة الزائدة وتحسين كفاءة الخلايا الكهروضوئية عن طريق خفض درجات حرارة التشغيل، في حين يمكن توجيه الطاقة الشمسية الزائدة لتوفير الماء الساخن بتكلفة معقولة”.

يمكن أيضًا استخدام مواد السقف العاكسة للغاية التي تعكس الحرارة بدلاً من امتصاصها لتعزيز إنتاج الطاقة من محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية القريبة مع تخفيف ارتفاع درجة حرارة المناطق الحضرية المحلية أثناء النهار. كما يمكن أن يؤدي إضافة مصادر أخرى للحرارة مثل المساحات الخضراء على أسطح المنازل إلى تحسين كفاءة الطاقة الكهروضوئية.

ويقول البروفيسور سانتاموريس: “إن الجمع بين الألواح الكهروضوئية والأسطح الخضراء أو الأسطح الباردة يمكن أن يزيد من سعة الألواح الكهروضوئية بنسبة تصل إلى 6-7% ويقلل بشكل كبير من درجات حرارة السطح”.

“إذا أردنا الاستمرار في تنفيذ أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية على أسطح المنازل، فإن هذه الحلول المتكاملة هي شيء يجب أن نفكر فيه بجدية من أجل تعظيم كفاءة أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية ومعالجة تحديات الحرارة الحضرية”