التطور التاريخي لتكنولوجيا الطاقة الشمسية الحرارية (PVT): من المفهوم إلى التسويق التجاري

مقدمة

شهد هيكل الطاقة العالمي تغيرات هائلة على مدار نصف القرن الماضي. وبرزت تدريجيًا أنظمة الطاقة الكهروضوئية والطاقة الشمسية الحرارية المتكاملة (PVT) كحل مبتكر قادر على تلبية احتياجات الطاقة الأساسية، الكهرباء والطاقة الحرارية، في آنٍ واحد. يدمج نظام PVT الخلايا الكهروضوئية ومجمعات الطاقة الشمسية في لوحة مسطحة واحدة، مما يُحسّن بشكل كبير من كفاءة تحويل الطاقة الإجمالية.

على الرغم من أن الألواح الشمسية الكهروضوئية تُعتبر عمومًا مفهومًا تقنيًا جديدًا نسبيًا، إلا أن تاريخها يعود في الواقع إلى حوالي خمسينيات القرن الماضي. فمنذ النموذج الأولي التجريبي في أوائل السبعينيات وحتى التطبيق التجاري الذي بلغ مرحلة النضج التدريجي اليوم، تعكس عملية تطوير الألواح الكهروضوئية مسارًا أوسع لتطوير الطاقة المتجددة، بما في ذلك التطور المنسق للاختراقات التكنولوجية، ودعم السياسات، وتنمية السوق. تهدف هذه المقالة إلى تحليل السياق التاريخي لتكنولوجيا الألواح الكهروضوئية، واستكشاف كيفية تطورها تدريجيًا من مفهوم نظري إلى حل شامل للطاقة قابل للتطبيق تجاريًا.

الأصل: سبعينيات القرن العشرين - المرحلة الناشئة للمفهوم

ظهرت تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية في سبعينيات القرن الماضي. خلال هذه الفترة، ونتيجةً لتحذيرات أمن الطاقة التي أثارتها أزمتا النفط عامي ١٩٧٣ و١٩٧٩، ازداد الاهتمام العالمي بالطاقة المتجددة بشكل ملحوظ. ويسعى الباحثون جاهدين لإيجاد بدائل للوقود الأحفوري. وتُعتبر الطاقة الشمسية من أبرز التوجهات الواعدة نظرًا لشموليتها واستدامتها.

يُقسّم الاستخدام التقليدي للطاقة الشمسية إلى فئتين رئيسيتين: الطاقة الكهروضوئية والطاقة الشمسية الحرارية. ومع ذلك، لاحظ المهندسون أنه أثناء تشغيل توليد الطاقة الكهروضوئية، يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى انخفاض كفاءة توليد الطاقة. وقد أدت هذه الظاهرة إلى طرح فكرة رئيسية: هل يُمكن استعادة الحرارة المُهدرة أثناء تبريد الألواح الكهروضوئية وتحقيق استغلال فعال للطاقة الحرارية؟ 

في أوائل سبعينيات القرن الماضي، ارتكز مفهوم أنظمة التدفئة والتهوية الكهروضوئية (PVT) بشكل أساسي على أنظمة الهواء، وكان الهدف دمجه مع أنظمة تدفئة وتهوية المباني. يتكون الهيكل الأساسي من لوح كهروضوئي، خلفه قناة لتدفق الهواء لالتقاط الهواء الساخن وتوزيعه. ورغم أن التحسن في الكفاءة ليس ملحوظًا، إلا أن هذا يُرسي الأساس المفاهيمي لنظام التدفئة والتهوية الكهروضوئية كنظام ثنائي الوظيفة.

التوسع والتقدم التكنولوجي: الثمانينات والتسعينات 

شهدت ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي تطورًا متواصلًا في تكنولوجيا الطاقة الكهروضوئية، وتزايد الاهتمام الأكاديمي بها. ومع شيوع استخدام ألواح الطاقة الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون البلوري، وتحسين فعاليتها من حيث التكلفة، بدأ الباحثون في دراسة التبريد السائل كطريقة تبريد أكثر فعالية من دوران الهواء.

تم تحسين النظام الكهروضوئي المعتمد على الهواء (PVT) من خلال تحسين تصميم خط الأنابيب والتكامل مع نظام التدفئة المكانية.

وقد ساهم ذلك في تطوير أنظمة الطاقة الكهروضوئية السائلة (PVT)، التي تستخدم الماء أو مانع التجمد كوسيط لنقل الحرارة لامتصاصها بفعالية أكبر. وتُبرّد هذه الطريقة الألواح الكهروضوئية بفعالية، وتحقق إنتاجًا حراريًا أعلى، مما يجعلها مناسبة لتسخين المياه المنزلية أو التطبيقات الصناعية.

خلال هذه الفترة، أُجري عدد كبير من الدراسات المخبرية والمنشآت التجريبية في جامعات في أوروبا وأمريكا الشمالية وآسيا. وطُوّرت نماذج تقنية لتحليل تدفق الطاقة، والتنبؤ بالأداء، وتحسين التصميم. ورغم أن الفوائد التجارية لا تزال محدودة، إلا أن الأساس الأكاديمي لتكنولوجيا الطاقة الكهروضوئية الحديثة قد ترسخ بقوة.

كان مطلع القرن الحادي والعشرين نقطة تحول حاسمة في تطوير الطاقة المتجددة عالميًا. خلال هذه الفترة، تولت أوروبا واليابان زمام المبادرة في إجراء أبحاث وتطبيقات واسعة النطاق لتكنولوجيا الطاقة الشمسية. وفي ظل هذه الظروف، برز نظام الطاقة الشمسية الحرارية والضوئية المتكاملة في المباني (BIPVT). لا يقتصر نظام BIPVT على دمج المجمعات الكهروضوئية كجزء من الغلاف الخارجي للمبنى، مثل الجدران الخارجية أو المناور أو مكونات السقف، بل يُحقق أيضًا التكامل المتكامل بين توليد الطاقة والتدفئة والجماليات المعمارية وأداء العزل، مما يُعزز بشكل كبير كفاءة الطاقة الشاملة للمبنى وجاذبيته البصرية.

تستكشف أوروبا بنشاط مسار دمج توليد الطاقة الكهروضوئية في أنظمة الطاقة الحضرية من خلال مشاريع تجريبية ضمن خطة الاتحاد الأوروبي للطاقة المتجددة. وقد أدرجت اليابان أبحاثها في مجال الطاقة الكهروضوئية في استراتيجيتها الوطنية لتعزيز معدل الاكتفاء الذاتي من الطاقة وتقليل اعتمادها على الوقود المستورد. في الوقت نفسه، بدأت الطاقة الكهروضوئية في محاولة دمجها مع تقنيات مختلفة، مثل مضخات الحرارة، وتخزين الحرارة الموسمي، وشبكات التدفئة المركزية، لتشكيل نظام طاقة هجين. ورغم أن هذا النظام كان لا يزال تطبيقًا متخصصًا في ذلك الوقت، إلا أن إمكاناته للتكامل بين مختلف المجالات جذبت في البداية انتباه صانعي السياسات والقطاع.

مع حلول العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، ومع الانخفاض الكبير في تكاليف الطاقة الكهروضوئية، وتزايد إلحاح قضايا المناخ، وتعزيز الحوافز السياسية، دخل الانتشار العالمي للطاقة المتجددة مسارًا متسارعًا. كما تخرج تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية تدريجيًا من المختبرات وتتجه نحو المرحلة الأولى من التسويق التجاري. وقد أطلقت العديد من الشركات من أوروبا وإسرائيل وآسيا تباعًا منتجات متنوعة من الطاقة الشمسية الكهروضوئية، تشمل مجمعات الألواح المسطحة، والأنواع الزجاجية/غير الزجاجية، وأنظمة التركيز. ومن أهم العوامل التي تدفع التسويق التجاري في هذه المرحلة:

• التقدم في تكنولوجيا المواد، مثل المبادلات الحرارية عالية الكفاءة، وطلاءات الامتصاص الانتقائية، وعمليات التعبئة والتغليف طويلة الأمد؛

• تم تعزيز كفاءة الطاقة الإجمالية للنظام، حيث تتجاوز الفوائد الشاملة 70% بشكل عام، وهو أمر مفيد بشكل خاص في السيناريوهات ذات المساحة المحدودة.

•  لا يزال الطلب على حلول الطاقة الموزعة في القطاعات السكنية والتجارية والصناعية ينمو.

• وأكدت الحالات الفعلية أيضًا الفوائد المتعددة لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية، بما في ذلك خفض تكاليف الطاقة، وزيادة معدل الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية، وتحسين العائد على الاستثمار في سياق الاستخدام المشترك للكهرباء والحرارة.

منذ عام ٢٠٢٠، مدفوعًا بهدف "الحياد الكربوني" وسياسات مناخية متزايدة الصرامة، دخل التحول العالمي في مجال الطاقة مرحلة جديدة. حددت العديد من الدول أهدافًا للانبعاثات الصفرية الصافية بحلول منتصف القرن، مما يفتح آفاقًا واسعة لتقنيات الطاقة الشمسية الكهروضوئية والحرارية المتكاملة. وتتمتع تقنيات الطاقة الشمسية المتكاملة، مثل الطاقة الشمسية الحرارية، بفرص تطوير غير مسبوقة.

لقد سلّطت جائحة كوفيد-19 الضوءَ على أهمية مرونة الطاقة وإنتاج الطاقة النظيفة محليًا. ولذلك، تزايد تطبيق تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية في المجالات التالية: 

• تسعى المساكن والأسر إلى الحصول على أنظمة فعالة لتلبية احتياجاتهم من الكهرباء والماء الساخن.

• استفادت المباني التجارية من دمج BIPVT، مما أدى إلى خفض تكاليف الطاقة التشغيلية لديها. 

• في العمليات الصناعية، وخاصة في صناعات تجهيز الأغذية والنسيج والمواد الكيميائية، تعتبر الحرارة المتوسطة والمنخفضة ذات أهمية حيوية. 

وفي الوقت نفسه، يعمل الابتكار التكنولوجي على توسيع الاحتمالات باستمرار: 

• لقد نجح الجمع بين تقنية PVT ومضخات الحرارة في تحقيق كفاءة التدفئة والتبريد طوال الموسم. 

• تم دمجه مع تخزين الطاقة الحرارية، مما أدى إلى تحقيق إدارة أفضل للحمل. 

• لقد أدى نظام التحكم الذكي إلى تحسين مطابقة الطلب والتفاعل مع الشبكة.

في الوقت الحاضر، لم يعد يُنظر إلى تقنية PVT باعتبارها تقنية تجريبية، بل أصبحت منافسًا قويًا في سوق الطاقة المتجددة، بدعم من العشرات من الموردين التجاريين وتزداد شعبيتها بشكل متزايد في جميع أنحاء العالم.

فوائد تعزيز الترويج

هناك العديد من الأسباب التي تجعل PVT يعتبر حلاً قيماً للغاية للطاقة الشمسية:

• الكفاءة الشاملة العالية: يمكن أن تصل الكفاءة الشاملة للأنظمة المتكاملة للطاقة الكهروضوئية والطاقة الشمسية الحرارية (PVT) إلى أكثر من 70%، في حين تصل كفاءة الأنظمة الكهروضوئية المستقلة إلى ما يقرب من 20%. وتتراوح كفاءة استخدام الطاقة الحرارية الشمسية بشكل عام بين 40% و60%.

• أداء ومتانة فائقة في مجال الطاقة الكهروضوئية: يمكن لنظام PVT تقليل الضغط الحراري لوحدات الطاقة الكهروضوئية من خلال تبديد الحرارة الفعال، وإطالة عمر خدمتها، وتعزيز استقرار توليد الطاقة. 

• الاستخدام الفعال للمساحة: يمكن لنظام PVT إنتاج الطاقة الكهربائية والحرارية في نفس الوقت على نفس المنطقة، وهو أمر مهم بشكل خاص في سيناريوهات التطبيقات الحضرية أو ذات المساحة المحدودة. 

• مجالات تطبيق واسعة: يمكن استخدامه على نطاق واسع في سيناريوهات مختلفة مثل السكنية والتجارية والصناعية والزراعية. 

• تماشياً مع أهداف التنمية المستدامة: تساعد تقنية PVT في تقليل انبعاثات الكربون، وتشجع على دمج الطاقة المتجددة في الشبكة، وتدعم تنفيذ استراتيجيات الطاقة الموزعة

التحديات والتحديات 

على الرغم من أن توليد الطاقة الكهروضوئية قد أحرز تقدماً، إلا أنه يواجه أيضاً العديد من التحديات:

• وبالمقارنة مع توليد الطاقة الكهروضوئية أو الطاقة الشمسية الحرارية بشكل مستقل، فإن التكلفة الأولية أعلى. 

• إن متطلبات تصميم النظام وصيانته معقدة. 

• بالمقارنة مع توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية التقليدية، فإن فهم السوق الحالي لتكنولوجيا التكامل الحراري الكهروضوئي (PVT) لا يزال محدودًا نسبيًا. 

• وكثيراً ما يفشل نظام دعم السياسات الحالي في أخذ خصائص هذه التكنولوجيات الهجينة في الاعتبار بشكل كامل، مما يؤدي إلى فرض قيود عديدة عليها عند التقدم بطلب للحصول على التدابير الحافزة. 

• ويعد التغلب على هذه الاختناقات أمرا بالغ الأهمية لتعزيز التطبيق واسع النطاق لأنظمة الطاقة الكهروضوئية والطاقة الشمسية الحرارية وإطلاق العنان لإمكاناتها في مجال الطاقة بشكل كامل.

خاتمة 

بالنظر إلى تطور تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية، من طرحها في سبعينيات القرن الماضي إلى تسويقها التدريجي اليوم، نجد أن هذه التقنية قد شهدت ما يقرب من خمسة عقود من التطور. ولا يقتصر هذا التطور على تحول أساليب استخدام الطاقة الشمسية من "توليد الطاقة الأحادي" أو "إنتاج الحرارة الأحادي" إلى نموذج متكامل من "الإمداد المشترك بالحرارة والكهرباء"، بل يعكس أيضًا التوجه العام لصناعة الطاقة المتجددة نحو الانتقال من الاستكشاف التجريبي إلى التطبيق السوقي. 

في ظل الجهود العالمية المشتركة لتحقيق الحياد الكربوني، تُبرز تقنية PVT، بفضل كفاءة تحويل الطاقة المركبة العالية، والتوليد المشترك المستقر للحرارة والطاقة، وقابليتها الممتازة للتكيف مع مختلف أنواع الأنظمة، آفاقًا تطبيقية فريدة. فهي لا تُطبّق فقط في مختلف سيناريوهات استهلاك الطاقة، بل تُلبي أيضًا بشكل أفضل المتطلبات المتعددة لنظام الطاقة المستقبلي من حيث النظافة، وانخفاض انبعاثات الكربون، والمرونة، والكفاءة العالية. 

إن تاريخ تطور تكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية ليس مجرد عملية نضج لتكنولوجيا، بل هو مثال حي على التأثير المشترك للآليات المبتكرة ودعم السياسات وطلب السوق لدفع عجلة التحول في مجال الطاقة. وبالنظر إلى المستقبل، من المتوقع أن تلعب تكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية دورًا أكثر أهمية في بناء نظام طاقة جديد تهيمن عليه الطاقة المتجددة.