DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37413-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41593287
تاريخ النشر: 2026-01-27
المؤلف: Aschenaki Tadesse Altaye وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية والفوتوفولطية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير الارتفاع على أداء وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) المثبتة على الأرض، مع التركيز بشكل خاص على إنتاج الطاقة والكفاءة. أجريت الدراسة في جامعة المجر للزراعة وعلوم الحياة (MATE)، وشملت ثلاثة وحدات PV متطابقة من البلورات المتعددة مثبتة على ارتفاعات 0.7 م، 1.1 م، و1.6 م فوق سطح خرساني، جميعها موجهة نحو الجنوب بزاوية ثابتة قدرها 45°. تم جمع بيانات عن الإشعاع الشمسي، ودرجات حرارة البيئة والوحدات، والجهد، والتيار من الساعة 10:00 إلى 16:00 تحت ظروف سماء صافية. كشفت النتائج أن الوحدة عند ارتفاع 1.1 م حققت أعلى متوسط لإنتاج الطاقة بلغ 31.64 واط وكفاءة 6.67%، متجاوزة بشكل كبير إنتاج الوحدات عند 0.7 م (25.34 واط؛ 5.36%) و1.6 م (19.70 واط؛ 4.29%). ساهم تدفق الهواء المحسن والألبيدو المعتدل عند هذا الارتفاع في تقليل درجات حرارة الخلايا، مما أدى إلى تحسين الأداء الكهربائي. أكدت التحليلات الإحصائية أن الارتفاع يؤثر بشكل كبير على كل من الطاقة والكفاءة (p < 0.001). في الختام، أظهرت الدراسة بشكل منهجي أن ارتفاعًا يبلغ حوالي 1.1 م يُحسن من التبريد بالتوصيل لوحدات PV، مما يؤدي إلى أداء متفوق يتميز بإنتاج طاقة ذروة قدره 39.1 واط ومتوسط كفاءة قدره 6.67%. أدت درجات الحرارة المنخفضة عند هذا الارتفاع إلى تقليل الخسائر الحرارية المرتبطة بمعامل درجة الحرارة السلبي لوحدات PV، وهو أمر حاسم للحفاظ على إنتاج جهد أعلى. تؤكد هذه النتائج على أهمية الارتفاع في تعظيم كفاءة وفعالية أنظمة PV المثبتة على الأرض.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحدي العالمي الملح المتمثل في تغير المناخ، الذي يزيد من حدة الأحداث الجوية المتطرفة ويدفع نحو تحول عاجل بعيدًا عن الاعتماد على الوقود الأحفوري. يقود هذا التحول الوعي المتزايد بقضايا المناخ، والندرة المحدودة للوقود الأحفوري، وزيادة الطلب العالمي على الطاقة. نتيجة لذلك، هناك حركة كبيرة نحو حلول الطاقة المستدامة والمتجددة، مما يمثل خطوة حيوية في معالجة أزمة المناخ وضمان أمن الطاقة للمستقبل.
الطرق
في هذه الدراسة، تم توضيح منهجية شاملة، تفصيل المواد وتصميم التجربة المستخدمة لضمان إمكانية التكرار والدقة في قياس المعلمات الحرارية والكهربائية. تم اختيار المواد، كما هو موضح في الجدول 1، بعناية بناءً على خصائصها ودقة القياس، وشملت حساسات درجة حرارة معايرة وأنظمة حوسبة مخصصة لجمع البيانات وتحليلها. تم تصميم إعداد التجربة لتحسين إنتاج الطاقة من أنظمة الطاقة الشمسية، مع جمع البيانات على فترات زمنية قدرها 3 ثوانٍ لالتقاط الظواهر العابرة بشكل فعال.
تم تقييم أداء وحدات الطاقة الشمسية تحت ظروف اختبار قياسية (STC)، مع تقديم الخصائص الرئيسية في الجدول 2. تم حساب إنتاج الطاقة الكهربائية باستخدام المعادلة \( P_{el} = V \cdot I \)، بينما تم تعريف الكفاءة الكهربائية بواسطة \( \eta_{el} = \frac{P_{el}}{G \cdot A_m} \). ساعد هذا الإطار التحليلي الصارم في فهم دقيق لكفاءة الوحدات في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء، مما ساهم في تقديم رؤى قيمة حول تحسين أنظمة الطاقة الشمسية.
المناقشة
تؤكد قسم المناقشة في ورقة البحث على الدور الحاسم لعوامل البيئة المختلفة ومعلمات التركيب في تحسين أداء أنظمة الطاقة الشمسية (PV). يبرز أن الإشعاع الشمسي يؤثر بشكل إيجابي على إنتاج الطاقة، بينما يمكن أن تؤثر درجة الحرارة والتلوث بشكل كبير على الكفاءة. تؤدي درجات الحرارة المرتفعة، خاصة عند مستويات الإشعاع العالية، إلى تقليل الجهد وتسريع تدهور المواد، مما يتطلب استراتيجيات فعالة لإدارة الحرارة. تحدد الدراسة أن ارتفاع اللوحات، وزاوية الميل، وزوايا الاتجاه المثلى يمكن أن تعزز إنتاج الطاقة، مع الإشارة إلى أن ارتفاع 1.1 م يوفر أفضل أداء بسبب تحسين التبريد بالتوصيل وتأثيرات الألبيدو المتوازنة.
علاوة على ذلك، تؤكد الأبحاث على أهمية التقييمات الاقتصادية في تقييم جدوى أنظمة الطاقة الشمسية، باستخدام مقاييس مثل القيمة الحالية الصافية (NPV) وتكلفة الكهرباء المستوية (LCOE). تكشف النتائج أن نظام الطاقة الشمسية المثبت على الأرض الذي تم تحليله يظهر أداءً تقنيًا واقتصاديًا قويًا، مع تكلفة LCOE تنافسية تبلغ 0.0843 دولار لكل كيلوواط ساعة وإمكانات كبيرة لتقليل انبعاثات CO₂ تصل إلى 577.78 كجم على مدى 25 عامًا. تختتم الدراسة بأن تركيب وحدات الطاقة الشمسية على ارتفاع متوسط قدره 1.1 م لا يعزز فقط إنتاج الطاقة وإدارة الحرارة، بل يساهم أيضًا في موثوقية طويلة الأمد والجدوى الاقتصادية لتركيبات الطاقة الشمسية.
القيود
تقدم الدراسة عدة قيود تؤثر على شمولية نتائجها. أولاً، يحد جمع البيانات على المدى القصير من القدرة على تقييم تأثيرات التغيرات الموسمية، وأنماط الطقس طويلة الأجل، وتراكم الغبار، والتدهور على أداء الطاقة الشمسية (PV). بالإضافة إلى ذلك، كانت الأبحاث محصورة في ثلاثة ارتفاعات محددة (0.7 م، 1.1 م، و1.6 م)، والتي قد لا تشمل التكوينات المثلى التي قد توجد خارج هذا النطاق. علاوة على ذلك، تقتصر النتائج على الأسطح الخرسانية، مما يترك آثار المواد الأرضية البديلة، مثل النباتات، على انعكاس الإشعاع والسلوك الحراري غير مفحوصة.
لمعالجة هذه القيود، يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تقييم التأثيرات الموسمية طويلة الأجل للارتفاع والعوامل المناخية الدقيقة على أداء الطاقة الشمسية. علاوة على ذلك، قد يؤدي استكشاف حلول التبريد الهجينة بالتزامن مع تكوينات الارتفاع المثلى إلى تقديم رؤى قيمة حول تعزيز كفاءة واستدامة أنظمة الطاقة الشمسية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37413-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41593287
Publication Date: 2026-01-27
Author(s): Aschenaki Tadesse Altaye et al.
Primary Topic: Solar Thermal and Photovoltaic Systems
Overview
This study investigates the impact of elevation on the performance of ground-mounted photovoltaic (PV) modules, specifically focusing on power output and efficiency. Conducted at the Hungarian University of Agriculture and Life Sciences (MATE), the research involved three identical polycrystalline PV modules installed at elevations of 0.7 m, 1.1 m, and 1.6 m above a concrete surface, all oriented southward with a fixed 45° tilt. Data on solar irradiance, ambient and module temperatures, voltage, and current were collected from 10:00 to 16:00 under clear-sky conditions. The findings revealed that the module at 1.1 m achieved the highest mean power output of 31.64 W and efficiency of 6.67%, significantly surpassing the outputs of the modules at 0.7 m (25.34 W; 5.36%) and 1.6 m (19.70 W; 4.29%). Enhanced airflow and moderate albedo at this elevation contributed to reduced cell temperatures, thereby improving electrical performance. Statistical analysis confirmed that elevation significantly affects both power and efficiency (p < 0.001). In conclusion, the study systematically demonstrated that an elevation of approximately 1.1 m optimizes the convective cooling of PV modules, leading to superior performance characterized by a peak power output of 39.1 W and a mean efficiency of 6.67%. The lower temperatures at this elevation minimized thermal losses associated with the negative temperature coefficient of PV modules, which is crucial for sustaining higher voltage output. These results underscore the importance of elevation in maximizing the efficiency and effectiveness of ground-mounted PV systems.
Introduction
The introduction highlights the pressing global challenge of climate change, which is intensifying extreme weather events and prompting an urgent shift away from fossil fuel dependency. This transition is driven by heightened awareness of climate issues, the limited availability of fossil fuels, and increasing global energy demands. As a result, there is a significant movement towards sustainable and renewable energy solutions, marking a vital step in addressing the climate crisis and ensuring energy security for the future.
Methods
In this study, a comprehensive methodology is outlined, detailing the materials and experimental design employed to ensure replicability and accuracy in measuring thermal and electrical parameters. The materials, as specified in Table 1, were meticulously selected for their properties and measurement accuracies, and included calibrated temperature sensors and dedicated computing systems for data acquisition and analysis. The experimental setup was designed to optimize energy yield from photovoltaic systems, with data collected at 3-second intervals to capture transient phenomena effectively.
The performance of the photovoltaic modules was evaluated under standard test conditions (STC), with key characteristics presented in Table 2. The electrical power output was calculated using the equation \( P_{el} = V \cdot I \), while the electrical efficiency was defined by \( \eta_{el} = \frac{P_{el}}{G \cdot A_m} \). This rigorous analytical framework facilitated a precise understanding of the modules’ efficiency in converting solar energy into electricity, thereby contributing valuable insights into the optimization of photovoltaic systems.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the critical role of various environmental factors and installation parameters in optimizing the performance of photovoltaic (PV) systems. It highlights that while solar irradiance positively influences power output, temperature and soiling can significantly detract from efficiency. Elevated temperatures, particularly at high irradiance levels, lead to reduced voltage and accelerated material degradation, necessitating effective thermal management strategies. The study identifies that optimal panel elevation, tilt, and azimuth angles can enhance energy output, with specific findings indicating that a height of 1.1 m yields the best performance due to improved convective cooling and balanced albedo effects.
Furthermore, the research underscores the importance of economic evaluations in assessing the viability of PV systems, utilizing metrics such as net present value (NPV) and levelized cost of electricity (LCOE). The findings reveal that the ground-mounted PV system analyzed demonstrates strong techno-economic performance, with a competitive LCOE of $0.0843 per kWh and a significant CO₂ mitigation potential of 577.78 kg over 25 years. The study concludes that mounting PV modules at an intermediate elevation of 1.1 m not only enhances energy yield and thermal management but also contributes to the long-term reliability and economic feasibility of PV installations.
Limitations
The study presents several limitations that affect the comprehensiveness of its findings. Firstly, the short-term data acquisition restricts the ability to evaluate the impacts of seasonal variations, long-term weather patterns, dust accumulation, and degradation on photovoltaic (PV) performance. Additionally, the research was confined to three specific elevation heights (0.7 m, 1.1 m, and 1.6 m), which may not encompass the optimal configurations that could exist outside this range. Furthermore, the results are limited to concrete surfaces, leaving the effects of alternative ground materials, such as vegetation, on irradiance reflection and thermal behavior unexamined.
To address these limitations, future research should focus on assessing the long-term seasonal effects of elevation and microclimatic factors on PV performance. Moreover, exploring hybrid cooling solutions in conjunction with optimal elevation configurations could yield valuable insights into enhancing the efficiency and sustainability of PV systems.