لماذا تُحقق الألواح الشمسية ذات التلامس الخلفي أداءً أفضل في درجات الحرارة المرتفعة؟ ولماذا يُعدّ التخصيص أمراً بالغ الأهمية؟

تبدو الألواح الشمسية بسيطة. مسطحة، داكنة، مثبتة على السطح. لكن التكنولوجيا الكامنة بداخلها شهدت تطوراً هائلاً في السنوات الأخيرة، والسوق يواكب هذا التطور بسرعة. أسطح المنازل في فينيكس، ومواقف المركبات الترفيهية في أستراليا، والسطوح البحرية في البحر الأبيض المتوسط، وواجهات المباني الكهروضوئية المتكاملة في دبي، جميعها تشترك في أمر واحد: الحرارة. ترتفع درجة حرارة الألواح، مما يؤدي إلى انخفاض إنتاجها. وفي التطبيقات المتميزة حيث لكل واط لكل متر مربع أهمية بالغة، يصبح اختيار بنية الخلايا أهم من اسم الشركة المصنعة.

تُعدّ تقنية الطاقة الشمسية ذات التلامس الخلفي من أوضح الحلول التي توصلت إليها الصناعة. وقد اعتمدتها كبرى الشركات المصنعة، بما في ذلك لونجي، وأيكو، وهواسون، ولم تعد مجرد تقنية جديدة فاخرة، إذ بلغت قدرة إنتاج وحدات الطاقة الشمسية ذات التلامس الخلفي ما يقدر بنحو 120 جيجاواط في عام 2025 وحده، وتشير التوقعات إلى وصول قدرة التصنيع إلى 1 تيراواط بحلول عام 2030.^[12] بالنسبة لتطبيقات الوحدات المتخصصة والمرنة، فإن المزايا الحرارية والجمالية لهذه التقنية تجعلها الخيار الأول المنطقي.

ماذا يعني "الاتصال الخلفي" فعلياً

في الخلية الشمسية التقليدية، تمتد قضبان التوصيل المعدنية وخطوط الشبكة على سطحها الأمامي. تجمع هذه الخطوط الكهرباء المولدة من الخلية، لكنها تحجب أيضاً جزءاً صغيراً من ضوء الشمس الساقط. لا يمكن إزالتها، فهي جزء لا يتجزأ من التصميم.

تُعالج الخلايا ذات التلامس الخلفي هذه المشكلة بطريقة مختلفة. إذ تنتقل جميع نقاط التلامس الكهربائية - الموصلات والوصلات - إلى الجانب الخلفي من الخلية، بينما يبقى الجانب الأمامي مفتوحًا تمامًا. لا توجد خطوط شبكية، ولا تظليل من الأطراف المعدنية، ما يسمح بوصول كمية أكبر من الضوء إلى منطقة أشباه الموصلات النشطة.

والنتيجة هي سطح أمامي أكثر نقاءً ومظهر مختلف بشكل ملحوظ. غالبًا ما تُوصف وحدات التلامس الخلفي بأنها "سوداء بالكامل" لعدم وجود خطوط فضية ظاهرة تُقسّم السطح. بالنسبة للمهندسين المعماريين ومصممي المركبات وبناة القوارب ومصنّعي المنتجات الفاخرة، يُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية، تمامًا مثل الكفاءة. تندمج وحدة التلامس الخلفي السوداء بالكامل، الخالية من الإطار، بسلاسة مع خط السقف أو هيكل المركبة أو واجهة المبنى، بطريقة لا تستطيع أي لوحة شبكية تقليدية تحقيقها.

هناك فائدة حرارية أيضاً. إن القضاء على إعادة التركيب عند نقاط التلامس المعدنية الأمامية يرفع جهد الدائرة المفتوحة (Voc) للخلية - وكما سنرى لاحقاً، فإن ارتفاع جهد الدائرة المفتوحة هو أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل خلايا BC تفقد طاقة أقل على شكل حرارة.

لماذا تفقد الألواح الشمسية طاقتها في الحرارة؟

إليكم سؤالاً سمعه العديد من الفنيين المتخصصين في التركيب: “"إذا كانت الألواح الشمسية تحتاج إلى أشعة الشمس، فلماذا تنتج الأيام الحارة أحيانًا كمية أقل من الكهرباء؟"”

يكمن الجواب داخل أشباه الموصلات.

الخلية الشمسية عبارة عن وصلة pn. يعمل ضوء الشمس على تحرير الإلكترونات ودفعها عبر الدائرة الخارجية لتوليد الكهرباء. ولكن مع ارتفاع درجة حرارة الخلية، ينخفض أحد المعايير الأساسية: جهد الدائرة المفتوحة (Voc). تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى زيادة تيار التشبع المظلم للوصلة (I₀)، مما يقلل تدريجيًا من الجهد المتاح عند أطراف الخرج. يزداد تيار الدائرة القصيرة قليلاً مع ارتفاع درجة الحرارة - حيث تضيق فجوة الطاقة قليلاً، مما يسمح لعدد أكبر من الفوتونات بتوليد الشحنة - ولكن هذه الزيادة تكون دائمًا أقل من فقدان الجهد. وبما أن القدرة الخارجة تساوي الجهد مضروبًا في التيار، فإن النتيجة النهائية هي انخفاض ملحوظ في القدرة، حتى في ظل ضوء الشمس المستمر.

تم تصنيف الألواح الشمسية وفقًا لظروف الاختبار القياسية (STC): درجة حرارة الخلية 25 درجة مئوية، إشعاع 1000 واط/م²، طيف AM 1.5G.^[1] في الواقع، تصل درجة حرارة الألواح الشمسية المثبتة على أسطح المنازل بشكل روتيني إلى 60-75 درجة مئوية في فصل الصيف^[2] قد تكون درجة الحرارة أعلى أحيانًا على الأسطح الداكنة التي لا يوجد بها تدفق هواء. كما تُدرج بيانات الوحدات درجة حرارة التشغيل الاسمية للوحدة (NMOT)، المُعرَّفة وفقًا للمعيار IEC 61215:2016 بأنها درجة حرارة الخلية عند استهلاك طاقة أقل من 800 واط/م² ودرجة حرارة محيطة 20 درجة مئوية وسرعة رياح 1 م/ث. وتُعطي درجة حرارة التشغيل الاسمية النموذجية التي تتراوح بين 42 و46 درجة مئوية المهندسين تقديرًا أكثر واقعية لدرجة حرارة التشغيل مقارنةً بالقياس القياسي للظروف (STC) وحده.

تكمن الخسائر في تلك الفجوة بين ظروف المختبر والتشغيل في العالم الحقيقي - حيث يصبح معامل درجة الحرارة هو الرقم الأكثر أهمية في ورقة البيانات.

شرح معامل درجة الحرارة

يخبرك معامل درجة حرارة الطاقة (Pmax tempco) بمقدار تغير الناتج المقدر للوحة لكل درجة مئوية فوق 25 درجة مئوية.^[3] إنها دائمًا قيمة سالبة للطاقة - فالحرارة تضر بالإنتاج في الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون.

معامل مقداره -0.35%/°C يعني أن كل درجة مئوية إضافية فوق 25 درجة مئوية تُقلل القدرة المقدرة بمقدار 0.35%. وكل درجة مئوية أقل من 25 درجة مئوية تُضيفها. كلما كانت القيم المطلقة أصغر، كان ذلك أفضل: فمعامل -0.26%/°C يعني فقدًا أقل ناتجًا عن الحرارة مقارنةً بمعامل -0.40%/°C.

يوضح مثال عملي أهمية ذلك. لوحان شمسيان بقدرة 400 واط، موضوعان جنبًا إلى جنب، درجة حرارة خلاياهما 65 درجة مئوية - أي أعلى بـ 40 درجة مئوية من درجة حرارة الاختبار القياسية. يفقد اللوح المصنف عند -0.35%/°C ما يقارب 14% من طاقته؛ بينما يفقد اللوح المصنف عند -0.40%/°C حوالي 16%.^[4] نفس اللوحة الاسمية، نفس الإشعاع - طاقة مختلفة بشكل ملحوظ في البنك بحلول نهاية اليوم.

يتراكم هذا التأثير على مدى 1500-2000 ساعة ذروة من سطوع الشمس سنويًا في الأسواق الساخنة - الشرق الأوسط وشمال إفريقيا وجنوب شرق آسيا وجنوب غرب الولايات المتحدة وأستراليا - حتى أن فرق درجة الحرارة بمقدار نقطتين بين منتجين يصبح مهمًا في كيلوواط ساعة/كيلوواط ذروة على مدى العمر الافتراضي.

أداء الخلايا ذات التلامس الخلفي ودرجة الحرارة

وهنا تبرز تقنية الاتصال الخلفي كأفضلية تقنية مؤكدة على بنى الخلايا المنافسة.

تحقق لوحات التلامس الخلفية معاملات حرارية تتراوح بين -0.24 و-0.29%/°C. وقد أكدت مجلة pv-magazine، بشكل مستقل، أن لوحة HPBC 2.0 من شركة LONGi تحقق معاملًا حراريًا قدره -0.26%/°C، وهو تحسن ملحوظ بمقدار 0.03%/°C مقارنةً بلوحة TOPCon، التي تتراوح معاملاتها الحرارية عادةً بين -0.28% و-0.32%/°C. أما وحدات PERC التقليدية، التي يجري التخلص التدريجي منها حاليًا من قبل كبرى الشركات المصنعة مع انتشار تقنية النوع n، فتتراوح معاملاتها الحرارية بين -0.34% و-0.40%/°C.^[5]

عند درجات حرارة ميدانية تتراوح بين 65 و70 درجة مئوية، فإن الفرق بين التلامس الخلفي وPERC يترجم إلى ما يقرب من 4-8% من الناتج الفعلي الإضافي من لوحة التلامس الخلفي.^[6] — وهي ميزة تتراكم عبر آلاف ساعات التشغيل في المناخات الحارة.

إنّ الفيزياء الكامنة وراء هذه الميزة موثقة جيداً. فمن خلال التخلص من إعادة التركيب عند نقاط التلامس الأمامية، تحقق خلايا BC جهد دائرة مفتوحة أعلى - وكما يشير موقع PVeducation.org،, “"تعتمد حساسية الخلية الشمسية لدرجة الحرارة على جهد الدائرة المفتوحة: فالخلايا ذات جهد الدائرة المفتوحة الأعلى تتأثر بدرجة أقل بدرجة الحرارة."”^[2] إنها ليست لغة تسويقية، بل هي فيزياء الصمام الثنائي.

بالنسبة للألواح شبه المرنة المُلصقة مباشرةً بسقف المركبة أو سطح السفينة دون وجود فجوة تهوية، ترتفع درجات حرارة التشغيل بشكل أكبر. في هذه التطبيقات، لا يُعد معامل درجة الحرارة عاملاً ثانوياً، بل هو أول ما يجب التأكد منه.

تركيبات المناخ الحار: أكثر من مجرد خلية

يُعدّ معامل درجة الحرارة الجيد ضروريًا، لكنه لا يكفي وحده. يتطلب حلّ الوحدات المتكاملة للمناطق الحارة هندسةً دقيقةً في كل طبقة.

تقنية الخلايا يحدد هذا الأداء الأساسي لدرجة الحرارة، كما هو موضح أعلاه. وتُعد بنية التلامس الخلفي من النوع N الحد الأقصى الحالي لأداء معامل درجة الحرارة القائم على السيليكون.

اختيار مادة التغليف تُعدّ هذه العوامل مهمةً لتحقيق استقرار طويل الأمد في ظل دورات التسخين والتبريد. تقاوم طبقة ETFE (إيثيلين رباعي فلورو الإيثيلين) على السطح الأمامي التلف الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية، وتحافظ على نفاذيتها الضوئية لسنوات من التعرض الميداني، كما أنها تتحمل دورات التسخين والتبريد بشكل أفضل من بدائل PET الأقل تكلفة. وبالإضافة إلى استخدام POE (بولي أوليفين إيلاستومر) كغلاف داخلي، يحافظ هيكل الوحدة على الأداء البصري واللاصق حتى بعد دورات متكررة من درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة.

التركيب والتهوية يمكن أن يُحدث ذلك فرقًا كبيرًا في درجة حرارة تشغيل الخلية. تُظهر الدراسات أن زيادة الفجوة الهوائية بين اللوحة والسقف من 2 سم إلى 20 سم تُقلل درجة حرارة تشغيل اللوحة بما يصل إلى 10 درجات مئوية.^[7] عند تطبيق ذلك على وحدة ذات معامل -0.26%/°C، فإنها تستعيد ما يقارب 2.6% من الطاقة المقدرة - بشكل مستمر، على مدار كل ساعة تشغيل في الصيف. يمكن للألواح بدون أي فجوة تهوية أن تعمل بدرجة حرارة أعلى من درجة حرارة التشغيل المقدرة بمقدار 20-40 درجة فهرنهايت.,^[8] ضغط كل من الناتج قصير المدى وعمر الوحدة طويل المدى.

لون وسطح الوحدة تُعدّ هذه العوامل مهمة أيضاً. تبدو الوحدات السوداء بالكامل رائعة، لكن الأسطح الداكنة تمتص حرارة إشعاعية أكبر. في تطبيقات التركيب المُسطّح - مثل أسطح المركبات، وأنظمة الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني ذات الميل المنخفض، والأسطح البحرية المُلصقة - حيث لا يمكن ترك أي فجوة، يصبح معامل درجة حرارة الخلية أكثر أهمية. لا يمكن للتصميم تعويض انخفاض معامل درجة الحرارة من خلال التهوية، لذا يجب أن يتحمل تصميم الخلية هذا العبء.

لماذا يُعد التخصيص النهج الأمثل للتطبيقات المتميزة

يبدأ معظم المشترين بتحديد الحجم والقدرة الكهربائية واللون. هذه مواصفات معقولة لتركيب الألواح الشمسية على أسطح المنازل. أما بالنسبة للتطبيقات الأخرى، فيتطلب تصميم الألواح مزيدًا من التفصيل.

تختلف البيئات التي يتم فيها تحديد الألواح المرنة ذات التلامس الخلفي اليوم اختلافاً كبيراً عن بعضها البعض. كل بيئة تتطلب منطقها الهندسي الخاص.

أن سقف المركبة الترفيهية يكون سطحها منحنيًا، ومحدود الوزن، ومظللًا بشكل متقطع بواسطة الهوائيات وفتحات التهوية ووحدات تكييف الهواء أثناء حركة المركبة. تتطلب الوحدة المصممة لهذا الغرض نصف قطر انحناء أدنى محدد، وغطاءً أماميًا مقاومًا للماء والأشعة فوق البنفسجية، وصندوق توصيل حاصل على تصنيف IP68، وتصميمًا لسلسلة الخلايا مصممًا وفقًا لنمط الظل المتوقع.

أ تركيبات بحرية يواجه هذا النظام رذاذ الملح، والاهتزازات، وكثافة الأشعة فوق البنفسجية العالية في المياه المفتوحة، وخطر تسرب الرطوبة المستمر عند كل نقطة اختراق للكابلات. لذا، يجب تصميم التغليف، والعزل، ونقطة دخول الكابلات، واختيار الموصلات خصيصًا لهذه البيئة منذ البداية. شهادة IEC 61701 لمقاومة رذاذ الملح هي الحد الأدنى المطلوب، وليست ضمانًا إضافيًا.^[9]

أ نظام الخلايا الكهروضوئية المدمج في المركبات (VIPV) تُعرّض الألواح الشمسية المركبة على الشاحنات التجارية أو الحافلات أو المقطورات المبردة لاهتزازات الطريق، والإجهاد الديناميكي الهوائي، وتقلبات درجات الحرارة الناتجة عن عبور المناطق المناخية المختلفة. كما يوفر السطح الأسود بالكامل والخالي من الإطار لألواح BC ميزة موثقة في هذا الصدد: فغياب وصلة الإطار بالزجاج يقلل من تراكم الغبار على حواف الألواح، مما يُحسّن استقرار الأداء بشكل ملحوظ للألواح العاملة في الممرات المتربة التي تسير فيها أساطيل المركبات التجارية.

وحدات BIPV يجب أن تتكامل ألواح الواجهات وبلاط الأسقف والمظلات مع غلاف المبنى، لا أن تُركّب فوقه فقط. يجب أن تتوافق أبعاد الألواح، وتوحيد اللون، وإحكام إغلاق الحواف، وارتفاع صندوق التوصيل، وطريقة التثبيت مع معايير البناء والغرض المعماري. نادرًا ما تفي الألواح القياسية في الكتالوج بهذه المتطلبات.

في كل سياق من هذه السياقات، يجب أن يتم تحديد مجموعة مواد التغليف، وتخطيط توصيل الخلايا، وموضع صندوق التوصيل، وتوجيه الكابلات، ونوع الموصل من خلال بيئة التثبيت - وليس موروثة من منتج تم تصميمه لتطبيق مختلف.

أداء التظليل وتخطيط الخلايا

يمثل التظليل الجزئي تحديًا منفصلاً - وهو تحدٍ يوفر فيه تصميم وحدة الاتصال الخلفي مرونة ذات مغزى مقارنة بأساليب التوصيل التقليدية.

في سلسلة تقليدية موصولة على التوالي، تحدّ خلية واحدة مظللة من أداء السلسلة بأكملها. تساعد الثنائيات الالتفافية، لكنها تعمل ضمن نطاقات واسعة. قد يتسبب التظليل الدقيق الناتج عن الهوائي، أو تركيبات الشراع، أو فتحة تهوية السقف، أو المدخنة في خسائر غير متناسبة إذا لم يُصمم تخطيط الخلايا وفقًا لنمط التظليل المحدد المتوقع في ذلك التركيب.

تتيح تصميمات الخلايا ذات التلامس الخلفي مرونة أكبر في كيفية ربط الخلايا ببعضها البعض وكيفية تقسيم السلاسل الفرعية. عند تصميم وحدة مخصصة لتطبيق معين، يمكن تحسين تخطيط السلسلة بما يتناسب مع نمط التظليل المتوقع. هذه مهمة تصميم، وليست حلاً جاهزاً، وهذا تحديداً ما يجعل التخصيص واختيار المنتج أمراً مختلفاً.

ما يجب السؤال عنه قبل التحديد

عند تقييم وحدات الاتصال الخلفي لتطبيق متخصص، فإن هذه الأسئلة تختصر البيانات والمواد التسويقية بسرعة.

معامل درجة حرارة Pmax: تأكد من ذلك من ورقة البيانات الرسمية. بالنسبة لخلايا BC الحالية، يمكن تحقيق درجة حرارة أقل من -0.26%/°C، وقد تم التحقق من ذلك بشكل مستقل. تحقق أيضًا من NMOT؛ فانخفاض قيمة NMOT يشير إلى أن هيكل الوحدة يعمل بدرجة حرارة أقل في ظروف التشغيل الفعلية.

مادة الغلاف الأمامي: يتميز ETFE بعمر افتراضي أطول بكثير من PET، خاصةً في ظل التعرض المستمر للأشعة فوق البنفسجية والتغيرات الحرارية. بالنسبة للتطبيقات البحرية وتطبيقات المركبات الفضائية ذات البطاريات القابلة لإعادة الاستخدام، ينبغي أن يكون ETFE هو الخيار الأساسي، وليس مجرد ترقية.

الغلاف الداخلي: يوفر البولي أوليفين المطاطي (POE) مقاومة أفضل للرطوبة وأداءً أفضل في الالتصاق على المدى الطويل مقارنةً بتركيبات EVA التقليدية. في البيئات البحرية أو ذات الرطوبة العالية، يؤثر ذلك بشكل كبير على عمر الوحدة.

تصنيف الحماية لصندوق التوصيل: يُعدّ تصنيف IP68 الحد الأدنى المناسب للتطبيقات البحرية وتطبيقات المركبات الفضائية الكبيرة (VIPV)، وليس IP65 أو IP67. ويكمن الفرق بين IP67 وIP68 في مقاومة الغمر المستمر، وهو أمر بالغ الأهمية على سطح السفينة.

الشهادات: يغطي معيار IEC 61215 متانة وأداء الوحدات، بما في ذلك اختبارات الانحناء للهياكل المرنة بموجب الجزء 1-1:2021.^[1] يغطي معيار IEC 61730 مؤهلات السلامة الكهربائية والسلامة من الحرائق.^[10] معيار IEC 61701 خاص بمقاومة التآكل الناتج عن رذاذ الملح.^[9] تحدد المواصفة الفنية IEC TS 62782 اختبار التحميل الميكانيكي الدوري لتكوينات التثبيت الصلب.^[11]

كفاءة الوحدة الفعلية: بالنسبة لوحدات التلامس الخلفي المرنة، تمثل كفاءة وحدة 20-22% ذات الحجم الخفيف أعلى مستويات الإنتاج الكمي حاليًا. تأكد من أن الرقم المذكور هو كفاءة الوحدة وليس كفاءة الخلية، فالفرق بينهما مهم لحسابات المساحة.

الأسئلة الشائعة

الشريك المناسب يصنع الفرق

انتقلت تقنية التلامس الخلفي بشكل حاسم من كونها ابتكارًا متميزًا إلى نطاق التصنيع السائد. وبلغ الإنتاج ما يقدر بنحو 120 جيجاواط في عام 2025، ويتوقع باحثون بارزون في معهد كونستانز للعلوم الشمسية أن تصل الطاقة الإنتاجية إلى 1 تيراواط بحلول عام 2030، وهو معدل يشير إلى أن تقنية التلامس الخلفي ستحدد ملامح مشهد الوحدات الشمسية المتميزة في العقد المقبل، ولن تشغل مجرد جزء صغير منه.^[12]

إن الشريك التصنيعي الأمثل لمشاريع وحدات BC المتخصصة ليس من يختار منتجًا قياسيًا من كتالوج ويشحنه، بل هو من يفهم المتطلبات الهندسية للتطبيق النهائي - بدءًا من تصميم الخلايا وتكوين السلسلة، مرورًا ببنية التغليف، واختيار مواد التغليف، ووضع صندوق التوصيل - ويبني وفقًا لهذه المتطلبات منذ البداية.

في المشاريع التي تتطلب إدارة الحرارة، ومحدودية المساحة، والمتانة الخارجية على المدى الطويل، والتكامل البصري، توفر وحدات التلامس الخلفي المصممة خصيصًا ميزة أداء لا تضاهيها المنتجات الجاهزة. لم تعد هذه الوحدات استثناءً متميزًا، بل أصبحت معيارًا أساسيًا في التطبيقات الجادة.