تأثير الغبار على الأنظمة الكهروضوئية في البيئات الساحلية القاحلة

أجرى فريق بحثي بقيادة جامعة الإمام عبد الرحمن بن فيصل بالمملكة العربية السعودية دراسة تجريبية حول كيفية تأثير تركيبات الغبار المختلفة على الأداء الكهروضوئي. تناولت الدراسة أربعة أنواع من الغبار-المونتموريلونيت، والكاولينيت، والبنتونيت، والغبار الطبيعي-الموجود على الألواح الشمسية العاملة في البيئات الساحلية القاحلة.

وأوضحت المجموعة أن "نتائج هذه الدراسة تحمل آثارًا عملية لتحسين صيانة الطاقة الكهروضوئية في المناطق الساحلية القاحلة". "من خلال ربط تكوين الغبار بآليات التحلل، يمكن لأصحاب المصلحة تحديد أولويات جداول التنظيف أو اختيار الطلاءات المخصصة للمعادن السائدة. على سبيل المثال، قد تعمل الطلاءات الكارهة للماء على تخفيف الرطوبة-الالتصاق الناتج عن الكالسيوم-في البيئات الغنية بالكالسيوم، بينما قد تستفيد المناطق الغنية بالحديد-من المواد المقاومة للحرارة-.

تم إجراء التجارب في مدينة الجبيل الواقعة على ساحل الخليج العربي في المملكة العربية السعودية، والمصنفة على أنها BWh (صحراء حارة) في ظل نظام كوبن المناخي. تم استخدام لوحة كهروضوئية متعددة البلورات بقدرة 20 وات لاختبار الأداء الخارجي في الفترة من 9 إلى 29 سبتمبر 2025. عند أقصى قدر من الطاقة، قدمت اللوحة تيارًا قدره 1.14 أمبير وجهدًا قدره 17.6 فولت، مع جهد دائرة مفتوحة يبلغ 21.1 فولت و-تيار دائرة قصيرة يبلغ 1.29 أمبير.

تم الحصول على طين المونتموريلونيت والكاولينيت والبنتونيت كمساحيق معدنية تجارية وتم غربلتها إلى أقل من 45 ميكرومتر. تم جمع عينات الغبار الطبيعي يدوياً من الأسطح الزجاجية المعرضة للظروف المحيطة في مدينة الجبيل. تم إجراء عملية ترسيب الغبار على سبع مراحل، بدءًا من الكثافة السطحية التي تبلغ حوالي 1.0 جم/م² وزيادة تدريجية إلى حوالي 7.0 جم/م². تم أخذ القياسات بعد كل مرحلة ترسيب.

وقال الأكاديميون: "كشف التحليل المعدني عبر SEM-EDX عن ملفات تركيبية متميزة ترتبط ارتباطًا مباشرًا بأنماط تدهور الأداء". "ظهر الغبار الطبيعي، الذي يتميز بمحتوى عالي من السيليكا (25.37%) وأكسيد الكالسيوم (30.52%)، باعتباره الملوثات الأكثر ضررًا، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة بنسبة 48% عند كثافة ترسيب تبلغ 6 جم/م2 من خلال تشتيت الضوء المشترك والتثبيت الاسترطابي."

تبين أن الغبار الغني بالكالسيوم يمثل مشكلة خاصة في الظروف الساحلية، حيث تعمل الرطوبة المرتفعة (40-65% رطوبة نسبية) على تحويل الجزيئات السائبة إلى طبقات ملتصقة مقاومة لآليات التنظيف الطبيعية. في المقابل، ساهم محتوى الحديد المرتفع في المونتموريلونيت (62.67%) في التدهور الحراري، مما أدى إلى رفع درجة حرارة سطح اللوحة إلى 40.4 درجة مئوية وتقليل جهد الدائرة المفتوحة.

"ظهرت الرطوبة كعامل تضخيم حاسم بدلاً من عامل ضغط مستقل، مما يقلل الكفاءة بنسبة 15-30% عندما تتجاوز الرطوبة النسبية 60%. وتمثل هذه العتبة انتقالًا من التلوث القابل للعكس إلى الالتصاق الأسمنتي، حيث تربط القوى الشعرية جزيئات الغبار بالسطح الكهروضوئي بقوة كافية لمقاومة الإزالة التي تحركها الرياح،" كما أوضح الأكاديميون. "كشف التحليل النهاري أن توليد الطاقة الأمثل يحدث خلال ساعات الصباح المنخفضة الرطوبة (8:00-11:30 صباحًا، الكفاءة 12-13%)، بينما تشهد فترات بعد الظهر خسائر في الكفاءة بنسبة 20-25%."

ووجد الفريق أيضًا أن تلوث الجسيمات أثر بشكل كبير على تدهور الأداء، حيث أظهر مؤشر جودة الهواء (AQI) ارتباطًا سلبيًا أقوى بالكفاءة مقارنة بالرطوبة وحدها. وخلص الباحثون إلى أنه "عند مستويات AQI التي تتجاوز 160، أدت التأثيرات المجمعة لتشتت الضوء بواسطة الهباء الجوي المحمول والتلوث السطحي إلى تقليل كفاءة التحويل إلى أقل من 10%، حتى في ظل كثافات ترسيب الغبار المعتدلة (3-4 جم/م2)."

النتائج التي توصلوا إليها متاحة في "دراسة تجريبية ونمذجة لتأثير تكوين الغبار على الأداء الكهروضوئي في البيئات الساحلية القاحلة"، المنشورة في مجلة أبحاث المواد والتكنولوجيا. وشارك في الدراسة علماء من جامعة الإمام عبد الرحمن بن فيصل بالمملكة العربية السعودية، وهيئة الطاقة الذرية المصرية، وجامعة عين شمس المصرية.