BTE Solar: تحليل مقارن لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية التقليدية

في ظل التحول العالمي الحالي في مجال الطاقة، تتكامل الطاقة الشمسية، باعتبارها أنظف وأكثر أشكال الطاقة تجددًا، بوتيرة متسارعة في إنتاج وحياة المجتمع البشري. تشمل الطرق الرئيسية لاستخدام الطاقة الشمسية توليد الطاقة الكهروضوئية (PV) والاستفادة الحرارية الشمسية (ST). يحول الأول الإشعاع الشمسي مباشرةً إلى طاقة كهربائية من خلال التأثير الكهروضوئي، بينما يمتص الثاني الإشعاع الشمسي من خلال المجمعات ويحوله إلى طاقة حرارية. غالبًا ما يُستخدم لتسخين المياه المنزلية والتدفئة أو التدفئة الصناعية. في السنوات الأخيرة، ظهرت تدريجيًا تقنية جديدة تجمع بين مزايا كليهما - التكامل الكهروضوئي والتكامل الحراري الشمسي (PVT) - وأثبتت قيمة فريدة في البحث والتطبيقات التجارية. ستقارن هذه المقالة نظام PVT مع أنظمة الطاقة الكهروضوئية والحرارية الشمسية التقليدية من وجهات نظر متعددة، وتستكشف مزاياها وعيوبها.

1. مقارنة بين تركيب النظام ومبدأ العمل

النظام الكهروضوئي (PV)

تُشكّل وحدة الخلايا الشمسية جوهر النظام الكهروضوئي، والمواد المستخدمة فيه عادةً هي السيليكون البلوري أو خلايا الأغشية الرقيقة. عندما يضيء ضوء الشمس على سطح البطارية، تُثير الفوتونات الإلكترونات في المادة شبه الموصلة لتكوين تيار كهربائي، يُحوّل بدوره إلى تيار متردد عبر عاكس كهربائي لتزويد المنازل أو شبكة الكهرباء بالطاقة. هيكل نظام الخلايا الكهروضوئية بسيط نسبيًا، ووظيفته الرئيسية هي توليد الكهرباء.

2. نظام الطاقة الشمسية الحرارية (ST)

يتكون نظام الطاقة الشمسية الحرارية بشكل رئيسي من مجمعات مسطحة أو مجمعات أنبوبية مفرغة. بعد تعرضها لأشعة الشمس، تُحوّل اللوحة الماصة الطاقة إلى حرارة، تُنقل بدورها إلى خزان تخزين الماء الساخن عبر وسيط التشغيل (الماء أو مانع التجمد) لتوفير الماء الساخن أو التدفئة. قدرة توليد الطاقة لنظام السخان الشمسي شبه معدومة، لكن كفاءته الحرارية تتراوح عادةً بين 40% و70%.

3. النظام المتكامل للطاقة الكهروضوئية والطاقة الشمسية الحرارية (PVT)

يجمع نظام PVT بين الوحدات الكهروضوئية والمجمعات، حيث يقوم بتجميع الطاقة الحرارية من الحرارة المتبقية على الجزء الخلفي من الألواح الكهروضوئية أثناء توليد الكهرباء. وهذا لا يتجنب فقط انخفاض كفاءة الخلايا الكهروضوئية الناجم عن درجات الحرارة المرتفعة، ولكنه يحسن أيضًا كفاءة الطاقة الشاملة لكل وحدة مساحة. مفهومها الأساسي هو "لوحة واحدة تولد الكهرباء والحرارة في وقت واحد".

ثانياً: مقارنة كفاءة الطاقة والأداء

1. الكفاءة الكهروضوئية

في نظام كهروضوئي بسيط، تتراوح كفاءة التحويل الكهروضوئي للمكونات الشائعة بين 18% و22%. يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى انخفاض الكفاءة. مع كل ارتفاع درجة حرارة بمقدار درجة مئوية واحدة، ينخفض ​​متوسط ​​طاقة خرج الألواح الكهروضوئية بنسبة 0.3% إلى 0.5%. لذلك، في المناطق الحارة، تكون مشكلة تبديد الحرارة على ظهر الألواح الكهروضوئية أكثر وضوحًا.

يحافظ نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية على كفاءة توليد طاقة أكثر استقرارًا من خلال تبريد الوحدات الكهروضوئية لخفض درجة حرارتها التشغيلية. وتُظهر الأبحاث أنه في ظل نفس الظروف البيئية، يمكن زيادة توليد الطاقة باستخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية بنسبة تتراوح بين 5% و15% مقارنةً بأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية التقليدية.

2. كفاءة الطاقة الحرارية

تكمن ميزة نظام الطاقة الشمسية الحرارية في كفاءته الحرارية العالية. تتراوح كفاءة المجمعات ذات الألواح المسطحة بين 50% و70% تقريبًا في درجات الحرارة المتوسطة والمنخفضة (30 إلى 70 درجة مئوية)، بينما تحقق المجمعات ذات الأنابيب المفرغة أداءً أفضل في الشتاء أو في المناطق ذات خطوط العرض العليا. في المقابل، تكون الكفاءة الحرارية للمجمعات ذات الألواح المفرغة أقل قليلاً، وتتراوح عادةً بين 40% و60%، ولكن نظرًا لأنها تُولّد الكهرباء في الوقت نفسه، فإن كفاءتها الإجمالية في استخدام الطاقة أعلى.

3. الكفاءة الشاملة

تكمن الميزة الأبرز لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية في كفاءتها الإجمالية. تتراوح كفاءة أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية أو الحرارية بين 20% و70%، بينما يمكن أن تصل كفاءتها الإجمالية إلى 70% و80%، بل وتتجاوز بعض المنتجات المتطورة 85%. هذا يعني أن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية قادرة على توليد طاقة أكثر قابلية للاستخدام في أسطح المناطق نفسها.

ثالثًا: المقارنة الاقتصادية

1. الاستثمار الأولي

نظراً لنضج تقنيات الطاقة الشمسية الكهروضوئية والطاقة الشمسية الحرارية، تتميز تكاليف تركيبها المنخفضة نسبياً عند تركيبها بشكل منفصل. ونظراً لتصميمها المعقد ومتطلبات عملية الإنتاج العالية، فإن نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية يكون عادةً أكثر تكلفة من نظام واحد. ومع ذلك، إذا أُخذت في الاعتبار الحاجة إلى توليد الطاقة والتدفئة في آن واحد على السطح نفسه، فإن "التركيب المشترك" للطاقة الشمسية الكهروضوئية قد يُقلل من تكاليف الأقواس وخطوط الأنابيب والمساحة.

2. التشغيل والصيانة

تشغيل وصيانة أنظمة الطاقة الكهروضوئية بسيط، ويتطلبان بشكل رئيسي التنظيف الدوري للمكونات وفحص المعدات الكهربائية. يتطلب نظام الطاقة الشمسية الحرارية أعمال صيانة، مثل منع التجمد، ومنع الترسبات، والاستبدال الدوري لسائل التشغيل. يجمع نظام PVT بين الاثنين، مما يزيد من تعقيد عملية التشغيل والصيانة. ومع ذلك، بفضل تكامله الهيكلي العالي، فإن استقراره العام جيد.

3. فترة استرداد الاستثمار

في المناطق ذات أسعار الكهرباء والتدفئة المرتفعة (مثل أوروبا واليابان)، قد تكون فترة استرداد تكاليف نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية أقصر من فترة النظام الواحد. ولا سيما في ظل دعم سياسات الطاقة الموزعة، فإن الفوائد المُجتمعة لدعم ربط شبكات الكهرباء واستبدال الطاقة الحرارية تُعزز الكفاءة الاقتصادية لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية. ومع ذلك، في المناطق التي تكون فيها أسعار الطاقة منخفضة أو يكون دعم السياسات غير كافٍ، لا يزال الترويج لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية يواجه مقاومة.

رابعًا: مقارنة سيناريوهات التطبيق

1. العائلات المقيمة

يحتاج المستخدمون المنزليون عادةً إلى الكهرباء والماء الساخن. إذا كانت مساحة السطح محدودة، فإن تركيب نظام PVT يمكن أن يحقق إنتاج طاقة مزدوجًا في مساحة محدودة، وهو مناسب بشكل خاص للمساكن والفيلات الحضرية.

2. المباني التجارية والعامة

لا تحتاج المباني، مثل المدارس والمستشفيات والفنادق، إلى كهرباء كبيرة فحسب، بل تحتاج أيضًا إلى مصدر ثابت للمياه الساخنة. يوفر نظام التدفئة المركزية حلاً متكاملاً لتقليل استهلاك المعدات وتكاليف الصيانة.

3. المجال الصناعي

تتطلب بعض الصناعات (مثل صناعة الأغذية والنسيج والصناعات الكيميائية) طلبًا كبيرًا على الطاقة الحرارية منخفضة الحرارة. ويمكن للطاقة الشمسية الحرارية التقليدية تلبية بعض هذه الاحتياجات، إلا أن الطلب على الكهرباء مرتفع للغاية أيضًا. وتتمتع الطاقة الحرارية الشمسية بالقدرة على استبدال بعض أنواع الطاقة الأحفورية في هذه المجالات.

4. الزراعة والصوب الزراعية

في البيوت الزجاجية الزراعية، نحتاج إلى كلٍّ من الطاقة الكهروضوئية لتشغيل المعدات والطاقة الحرارية للحفاظ على درجة الحرارة. يمكن للطاقة الكهروضوئية تلبية هذين المطلبين في آنٍ واحد، وتعزيز معدل الاكتفاء الذاتي من الطاقة.

خامسًا: مقارنة الفوائد البيئية والاجتماعية

تلعب الطاقة الشمسية الكهروضوئية والطاقة الشمسية الحرارية دورًا هامًا في خفض انبعاثات الكربون. لا يقتصر دور الطاقة الشمسية الكهروضوئية على استبدال الطاقة الحرارية لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون فحسب، بل يُقلل أيضًا من استخدام الغلايات التي تعمل بالغاز أو الفحم. وفي ظل التوجه السائد نحو الحياد الكربوني، تزداد أهمية الطاقة الشمسية الكهروضوئية. كما أنها تُخفف من مشكلة ضيق مساحة الأسطح، وتُجنّبك عناء الاختيار بين خيارين ضمن مساحة محدودة.

السادس. المشاكل والتحديات القائمة

التكلفة العالية: في الوقت الحالي، لا يزال سعر PVT أعلى من سعر الأنظمة الفردية، مما يحد من انتشاره.

عدم وجود معايير فنية: لا تزال المعايير الدولية لاختبار وإصدار الشهادات وتركيب أنظمة PVT غير موحدة.

عدم كفاية الوعي بالسوق: يتمتع العديد من المستهلكين والمقاولين الهندسيين بمعرفة محدودة بـ PVT، مما يجعل الترويج للسوق أمرًا صعبًا.

تعقيد التشغيل والصيانة: على الرغم من أن التكامل العام مرتفع، إلا أنه ينطوي على نظامين، وهما الطاقة والحرارة، مما يفرض متطلبات مهنية أعلى على المثبتين وموظفي الصيانة.

سابعا. اتجاهات التطوير المستقبلية

تساعد تطبيقات المواد الجديدة، مثل طبقات الامتصاص الانتقائية والمواد المركبة الموصلة للحرارة، على تعزيز الكفاءة الحرارية.

التصميم المعياري: يجعل PVT سهل التركيب والاستبدال مثل وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية العادية.

جنبًا إلى جنب مع تخزين الطاقة: سيعمل نظام تخزين الطاقة المزدوج لتخزين الطاقة الكهربائية وتخزين الطاقة الحرارية على تعزيز مرونة استخدام الطاقة في PVT.

تعزيز السياسات: إن الإعانات الحكومية، ومكافآت خفض الكربون، وشهادات البناء الأخضر، وما إلى ذلك، قد تسهل تطبيق تكنولوجيا البناء الخاصة.

ثامنا. ملخص

كطريقة ناشئة لاستخدام الطاقة الشمسية، لا تقتصر تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية على دمج الطاقة الكهروضوئية والحرارية، بل تحقق كفاءة طاقة شاملة أعلى من خلال تكامل النظام. وبالمقارنة مع الطاقة الكهروضوئية التقليدية، تحل هذه التقنية مشكلة انخفاض الكفاءة الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة. كما أنها توفر قيمة مضافة لإنتاج الطاقة الكهربائية. وقد أظهرت تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية مزايا واضحة من حيث الاقتصاد، واستغلال المساحة، وخفض انبعاثات الكربون، وغيرها من الجوانب. وبالطبع، لا يزال الترويج لها يواجه تحديات من حيث التكلفة والمعايير والوعي. ومع التقدم التكنولوجي وتعزيز السياسات، من المتوقع أن تصبح تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية عنصرًا مهمًا في الطاقة النظيفة الموزعة في المستقبل.