لماذا تكون مراقبة الجودة صعبة بشكل خاص في الزينة العاملة بالطاقة الشمسية؟

تعقيد التصنيع وتباين المكونات

تشير الزينة التي تعمل بالطاقة الشمسية إلى تحديات فريدة في مراقبة الجودة نظرًا للعمليات التصنيعية المعقدة وتفاعلات المكونات. إن الحجم المصغر لهذه المنتجات يضخم مشكلات التباين عبر مراحل الإنتاج المتعددة.

أداء غير متسق لخلايا الطاقة الشمسية عبر وحدات الخلايا الكهروضوئية منخفضة التكلفة

ألواح الطاقة الشمسية الرخيصة تميل إلى إظهار اختلافات كبيرة جداً في مدى عملها من دفعة إلى أخرى. وجدت بعض الاختبارات التي أجرتها مجموعة موثوقية الطاقة الكهروضوئية اختلافات تزيد عن 15٪ بين عمليات الإنتاج المختلفة. لماذا يحدث هذا؟ حسناً، هناك عدة عوامل في اللعب هنا السيليكون المستخدم ليس دائماً مستنقيج بشكل صحيح، المواد المعاد تدويرها تحتوي على كل أنواع الشوائب، هذه المشاكل تصبح ملحوظة حقاً عندما يتم تركيب اللوحات داخل تلك الحالات الفاخرة التي يريدها الناس منازلهم. العديد من هذه الأغلفة الزخرفية في الواقع تعيق جزء من الخلايا الشمسية، مما يجعل الأداء غير المتسق أسوأ. فالتدقيقات القياسية لم تكتشف هذه المشاكل كثيراً مما يؤدي إلى أنظمة شمسية تشحن البطاريات بطرق لا يتوقعها أحد

التسامح في مجموعات الإضاءة الشمسية المصغرة

يصبح التأثير التراكمي للتغيرات الدقيقة في الأبعاد أمرًا بالغ الأهمية في وحدات الإضاءة الشمسية حيث تتفاعل المكونات على مقاييس دون المليمتر. تتراكم التحملات عبر العناصر المرتبطة بشكل وثيق:

تشير بعض أبحاث المتانة المنشورة في مجلة Reliability Engineering & System Safety إلى أن تراكم التحملات يُعدّ سببًا في حوالي 23 بالمئة من حالات الفشل الميداني. تسمح هذه الفجوات الصغيرة بدخول الرطوبة إلى داخل المنتجات، وتؤدي المشاكل البسيطة في المحاذاة إلى إرباك نقل الطاقة بشدة في بعض الأحيان، حتى وإن اجتاز كل جزء اختبارات الفحص بشكل منفصل. يمكن أن تقلل المراقبة الإحصائية للعمليات من هذه المخاطر إلى حدٍ ما، لكن الشركات لا تستطيع تحمل تكلفة القضاء تمامًا على هذا النوع من المشكلات بسبب الحدود التي يفرضها ما يكون المستهلكون على استعداد لدفعه مقابل السلع الزخرفية.

يزيد التعرض البيئي من فشل ضوابط الجودة

بينما تتعرض المنتجات الداخلية لضغوط عنصرية ضئيلة، تعمل الزينة الشمسية في الهواء الطلق على مدار السنة. ويؤدي هذا التعرض المستمر للبيئة إلى ظهور أنماط فشل فريدة تُعدّ تحديًا حتى لعمليات ضبط الجودة الصارمة (QC). حيث تعمل الحرارة والرطوبة والإشعاع فوق البنفسجي بشكل تآزري على تدهور المواد وإعاقة الوظائف.

التدهور الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية، والتغيرات الحرارية، ودخول الرطوبة في البيئات الخارجية

تُتلف أشعة الشمس البلاستيك والطلاءات الواقية مع مرور الوقت، مما يجعلها هشة، ويؤدي إلى بهتان الألوان، وفصل الطبقات عن بعضها البعض. ويُسبب التسخين والتبريد المستمر طوال اليوم تشكل شقوق صغيرة في غلاف الأجهزة والوصلات بين الأجزاء. وبمجرد تشكل هذه الشقوق، تتسلل المياه من خلال الختم التالف إلى الداخل وتبدأ في إتلاف لوحات الدوائر الكهربائية وتآكل وصلات البطارية. تُظهر الدراسات أن التعرض المنتظم للشمس يمكن أن يقلل من عمر قطع البلاستيك بنسبة تقارب 40 بالمئة في المناطق المشمسة كثيرًا وفقًا لتقرير تدهور المواد الصادر العام الماضي. وعند النظر إلى الأجهزة المستخدمة في المناطق ذات درجات الحرارة المتغيرة، فإن المشكلات تحدث بنسبة 15% أكثر تكرارًا بسبب دورات التمدد والانكماش المتكررة، وهو أمر تم الإشارة إليه أيضًا في مجلة الهندسة الموثوقة لعام 2023. وبينما تظل العوامل مثل العزل الجيد ضد الماء والمواد المقاومة للأشعة فوق البنفسجية اعتبارات مهمة لمصممي المنتجات، فإن العديد من اختبارات المختبرات القياسية لا تعكس بدقة ما يحدث عندما تتفاعل كل هذه العوامل معًا في ظروف الاستخدام الفعلية.

تأثير تغيرات الطقس على موثوقية شحن الطاقة الشمسية وطول عمرها الافتراضي

تؤثر التغيرات المناخية بشكل كبير على أنظمة جمع الطاقة. عندما تظهر السحب أو يحجب شيء ما أشعة الشمس، يمكن أن تنخفض كفاءة الألواح الكهروضوئية بنسبة تتراوح بين 20٪ إلى النصف تقريبًا، مما يعني أن البطاريات لا تُشحن بالكامل كما ينبغي. وتؤدي فترات الأمطار الطويلة إلى حالات تفريغ عميق تُهلك خلايا الليثيوم أيون بسرعة تصل إلى ثلاثة أضعاف المعدل المتوقع. وتجعل التقلبات الحرارية الأداء أسوأ بالنسبة للمعدات. فبالنسبة للألواح الشمسية، تبدأ الكفاءة في الانخفاض بنسبة نصف بالمئة تقريبًا لكل درجة مئوية فوق 25°م، في حين أن الطقس البارد يؤدي إلى زيادة لزوجة الإلكتروليت ويقلل سعة البطارية بنسبة تتراوح بين 20٪ إلى 40٪ وفقًا لدراسة نُشرت العام الماضي في مجلة Energy Storage Journal. وتفسر كل هذه العوامل معًا لماذا تختلف الأداء كثيرًا من مكان لآخر. فقد تعمل إحدى الأنظمة بشكل ممتاز في أريزونا المشمسة، لكنها تواجه صعوبات كبيرة في فلوريدا الرطبة، ولهذا السبب غالبًا ما تخطئ الاختبارات المعملية الدقيقة التي تتنبأ بعمر المنتج تمامًا. وتحدث الأعطال في العالم الحقيقي بوتيرة أعلى بنحو 2.4 مرة عما تشير إليه ظروف المختبر، لأن الشركات المصنعة لم تأخذ بعين الاعتبار تلك التركيبات الجوية غير المتوقعة، كما هو موضح حديثًا في دراسة متانة منتجات الطاقة الشمسية.

تجزئة سلسلة التوريد وفجوات في الإشراف على الجودة

مصدر متعدد المستويات للخلايا الشمسية والبطاريات ولوحات الدوائر المطبوعة دون معايير موحدة لمراقبة الجودة

الطبيعة العالمية للإنتاج تعني أن تصنيع أضواء الزينة الشمسية يتم تقسيمه حاليًا بين متخصصين مختلفين. فخلايا الطاقة الشمسية تأتي في الغالب من جنوب شرق آسيا، بينما البطاريات الليثيومية تُصنع عادةً في الصين، أما اللوحات الدوائر المطبوعة فتُنتج في مراكز تصنيع إلكترونيات مختلفة حول العالم. كل شركة على طول هذه السلسلة تختبر المنتجات بطريقتها الخاصة، مما يخلق فجوات قد تتسلل من خلالها المشاكل دون اكتشاف. فقد تبدو بطارية جيدة على الورق لأنها تفي بمتطلبات جهد معينة، ولكنها قد تُسبب خللاً في الشحن إذا لم تكن تعمل بشكل جيد مع لوحة شمسية معينة يتم تركيبها معها. وعندما لا توجد معايير متفق عليها بالنسبة لدرجة مقاومة المنتجات للماء، أو كيفية تحملها للحرارة، أو نوع العمر الافتراضي المتوقع، يصبح من الصعب جدًا التأكد من أن كل شيء يؤدي أداءً متسقًا عبر سلسلة التوريد بأكملها. وقد وجدت دراسات أن المنتجات القادمة من خمسة موردين مختلفين على الأقل تحتوي عادةً على نسبة عيوب تزيد بنسبة 34% مقارنة بالمنتجات المصنوعة في مكان واحد فقط. ولهذا السبب فإن تتبع كل مكون حتى مصدره والاتفاق على إجراءات أساسية للتحكم في الجودة أمر بالغ الأهمية لتجنب سلسلة ردود الفعل المحبطة الناتجة عن العيوب التي تؤرق أضواء الحدائق الشمسية.

قيود الاختبار لحالات الاستخدام الزخرفية الواقعية

يُشكل اختبار الزينة العاملة بالطاقة الشمسية في المختبرات تحديات كبيرة، لأن البيئات الخاضعة للرقابة لا تعكس الواقع الفعلي. فغرف الاختبار القياسية لا تستطيع محاكاة الظروف المعقدة التي نراها في الحياة اليومية، مثل حركة الظلال المتغيرة تحت أشجار بأغصانها أو تراكم الثلج بشكل غير متساوٍ على الممرات. هذه الظروف تؤثر بشكل كبير على كفاءة شحن الزينة ودرجة سطوعها. كما أن اختبارات الأشعة فوق البنفسجية المُسرَّعة تعطي نتائج مضللة، لأنها لا تأخذ بعين الاعتبار عوامل مثل التصاق حبوب اللقاح بالأسطح مع تغير الرطوبة خلال اليوم. وهناك مشكلة كبيرة أخرى: معظم الاختبارات تُجرى بسرعة مفرطة مقارنة بالتغيرات الموسمية البطيئة التي تحدث عبر السنوات. فالمختبرات تحافظ على درجة حرارة ثابتة تبلغ 72 فهرنهايت (حوالي 22 مئوية)، لكن لا أحد يخبرنا بما يحدث عندما تنخفض الحرارة إلى ما دون نقطة التجمد، حيث تخسر البطاريات الليثيومية من 20% إلى 40% من طاقتها! وهذا يخلق أيضًا مشكلات خطيرة في مقاومة الماء. فمحاكاة الأمطار المتطورة في المختبرات لا يمكن مقارنتها بالندى الحقيقي الذي يتسلل عبر الشقوق الصغيرة على مدى أسابيع. لهذا السبب تفشل العديد من الزينة في الاستخدام العملي، خصوصًا عندما تتوقف عن العمل بشكل صحيح بسبب أنماط الظل الجزئي التي لا يتم اختبارها في الاختبارات الشمسية التقليدية.

الأسئلة الشائعة

لماذا تُظهر الألواح الشمسية الرخيصة أداءً غير متسق؟

غالبًا ما تستخدم الألواح الشمسية الرخيصة سيليكونًا غير متبلور بشكل صحيح ومواد معاد تدويرها تحتوي على شوائب، مما يؤدي إلى تباين كبير في الأداء بين الدفعات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للهياكل الزخرفية التي تغطي هذه الألواح أن تحجب أجزاء من الخلايا الشمسية، مما يفاقم عدم الاتساق.

ما المقصود بـ"تراكم التحملات" وكيف يؤثر على الزخارف الشمسية؟

تراكم التحملات هو تراكم التغيرات البسيطة في الأبعاد بين المكونات، والذي قد يؤدي إلى مشكلات في المحاذاة، وضعف العزل المائي، ومخاطر في موثوقية التوصيلات في الزخارف الشمسية. حتى لو اجتاز كل مكون على حدة فحص الجودة، فقد تؤدي هذه المشكلات المتراكمة إلى تأثير بالغ على الأداء العام للمنتج.

كيف تؤثر التعرض للأشعة فوق البنفسجية والعوامل البيئية على الزخارف الشمسية الخارجية؟

تؤدي التعرض للأشعة فوق البنفسجية، والتغيرات في درجة الحرارة، ودخول الرطوبة إلى تدهور المواد، وبهتان الألوان، وحدوث أعطال تشغيلية. وتتسبب هذه الظروف في تشققات تسمح بدخول الرطوبة وتلف المكونات الداخلية مثل لوحات الدوائر الكهربائية، مما يقلل بشكل كبير من عمر الزينة الافتراضية.

لماذا يؤدي تفتت سلسلة التوريد إلى مشكلات في جودة الزينة الشمسية؟

ينتج تفتت سلسلة التوريد عن اختبار غير متسق ومراقبة جودة غير منتظمة للمكونات المستوردة من مناطق مختلفة. وفي غياب معايير جودة موحدة، يمكن أن تؤدي التباينات في جودة المواد والأداء إلى زيادة خطر وجود عيوب في المنتج النهائي.

ما هي محدوديات أساليب الاختبار الحالية للزينة الشمسية؟

لا يمكن للظروف المعملية أن تحاكي التنوّع البيئي في العالم الحقيقي مثل الظلال، وتقلبات درجات الحرارة، وتأثيرات الرطوبة. وغالبًا ما تكون معظم الاختبارات مُسرّعة أكثر من اللازم، ما يجعلها فاشلة في تقييم العمر الافتراضي الحقيقي والمتانة الحقيقية للزينة الشمسية في ظروف مناخية متنوعة.