تحليل شامل لمجمع الطاقة الشمسية الهجين الكهروضوئي الحراري بقدرة 580 واط: مربع واحد من الأرض، وعائد طاقة مضاعف

تحليل شامل لمجمع الطاقة الشمسية الهجين الكهروضوئي الحراري بقدرة 580 واط: مربع واحد من الأرض، وعائد طاقة مضاعف

أنا. مقدمة المنتج

يُعدّ جامع الطاقة الشمسية الهجين الكهروضوئي الحراري بقدرة 580 واط (يُختصر بـ PV/T) تقنية ثورية للاستخدام الشامل للطاقة الشمسية. فهو يدمج توليد الطاقة الكهروضوئية والتجميع الحراري الشمسي بشكل مثالي على نفس اللوحة، مما يحقق استخدامًا تدريجيًا كامل الطيف للطاقة الشمسية.

يعتمد التصميم الأساسي لهذا المنتج على بنية ثنائية الطبقات: الطبقة العلوية عبارة عن وحدة كهروضوئية عالية الكفاءة، والطبقة السفلية عبارة عن مبادل حراري من أنابيب نحاسية. وبالنظر إلى النموذج السائد في السوق بقدرة 580 واط كمثال، فإن المعايير الفنية المحددة هي كما يلي:

معايير الأداء الكهربائي: باستخدام 144 بطارية نصف خلية من نوع TOPCon N، تبلغ ذروة الطاقة 580 واط، وتصل كفاءة تحويل الطاقة الكهروضوئية إلى 22.44%. أبعاد المكون 2279×1134×37 مم، ووزنه 39 كجم. يتراوح نطاق درجة حرارة التشغيل من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية.

معايير الأداء الحراري: يحتوي تجويف التبادل الحراري السفلي على 1.2 لتر من سائل التبادل الحراري القائم على البروبيلين جليكول، والقادر على إنتاج طاقة حرارية تصل إلى 1180 واط في آن واحد. تتجاوز كفاءة الطاقة الإجمالية للنظام 80%، وهي أعلى بكثير من كفاءة الألواح أو المجمعات الكهروضوئية أحادية الوظيفة. يبلغ ضغط التشغيل القياسي 0.6 ميجا باسكال (6 بار)، ويتميز سائل التبادل الحراري بانخفاض درجة تجمده، مما يتيح التشغيل الطبيعي في درجات حرارة منخفضة للغاية تصل إلى -40 درجة مئوية.

مبدأ العمل: عندما تسقط أشعة الشمس على اللوحة، تقوم خلايا السيليكون أحادية البلورة عالية الكفاءة في الجزء العلوي بتحويل جزء من الطاقة إلى تيار مباشر. في الوقت نفسه، تعمل قناة تدفق الأنابيب النحاسية الموجودة على الجانب الخلفي على إزالة الحرارة المتبقية الناتجة عن الخلايا الكهروضوئية باستمرار من خلال سوائل متداولة (مضاد تجمد البروبيلين جليكول أو خليط من الماء والإيثيلين جليكول). لا يقتصر تصميم التبريد النشط هذا على استعادة الحرارة فحسب، بل يخفض أيضًا درجة حرارة تشغيل الخلايا - فمقارنةً بالوحدات الكهروضوئية التقليدية، يمكن خفض درجة حرارة الخلية بمقدار 10-15 درجة مئوية، مما يحقق زيادة نسبية تزيد عن 5.2% في توليد الطاقة في ظل ظروف الصيف الحارة.

ثانيًا: مزايا وعيوب المنتج

تحليل المزايا

أقصى إنتاج للطاقة لكل وحدة مساحة: 580 واط طاقة كهربائية + 1180 واط طاقة حرارية. يزيد إجمالي إنتاج الطاقة لكل وحدة مساحة بنسبة 15-35% عن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية التقليدية. بالنسبة للمستخدمين ذوي مساحة السطح المحدودة، يُعد هذا الحل الأمثل لتحقيق الاكتفاء الذاتي من الطاقة.

يعمل التبريد النشط على تحسين كفاءة توليد الطاقة: تنخفض كفاءة الخلايا الكهروضوئية مع ارتفاع درجة الحرارة. تستخدم تقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية (PV/T) دوران السائل العكسي لإزالة الحرارة الزائدة، مما يحافظ على تشغيل الخلايا ضمن نطاق درجة الحرارة المثالي من 25 إلى 45 درجة مئوية. وعلى مدار دورة حياتها الكاملة، يمكنها زيادة توليد الطاقة بأكثر من 10%.

تتجاوز كفاءة الطاقة الإجمالية للنظام 80%: تبلغ كفاءة وحدات الخلايا الكهروضوئية التقليدية حوالي 20% فقط، ويُفقد معظم الطاقة المتبقية على شكل حرارة. يعمل نظام الخلايا الكهروضوئية/الحرارية على استعادة هذه الحرارة المتبقية وزيادة معدل استخدام الطاقة الشمسية إلى 80-90%، مما يحقق استخدامًا كاملًا للطيف.

الرفيق المثالي لأنظمة المضخات الحرارية: يمكن للحرارة المنخفضة الحرارة الناتجة عن PVT أن تكون بمثابة مصدر حرارة عالي الجودة ومنخفض الجودة للمضخات الحرارية من مصدر الهواء أو المصدر الأرضي، مما يعزز بشكل كبير نسبة كفاءة الطاقة (COP) للمضخات الحرارية. يمكن لنظام اقتران PVT والمضخات الحرارية تحقيق قيمة COP تبلغ 3.5-4.0. 

تشغيل مستقر على مدار العام: بفضل استخدام مادة البروبيلين جليكول المضادة للتجمد، يضمن هذا النظام عدم تجمد خط الأنابيب حتى في ظروف البرد القارس التي تصل إلى -40 درجة مئوية، مما يجعله مناسبًا للتشغيل على مدار العام في المناطق الباردة.

تصميم يدوم 25 عامًا: حماية ثلاثية الطبقات للتغليف + تعبئة بغاز خامل بنسبة 99.99%. اجتاز اختبارات رذاذ الملح وتآكل الأمونيا. يصل عمر التصميم إلى 25 عامًا.

مزايا دمج المبنى: يتميز التصميم المسطح بالأناقة والعصرية، بسماكة لا تتجاوز 37 مم. ويمكنه الاندماج بسلاسة مع سقف المبنى أو واجهته، مما يحقق وحدة بين الجماليات المعمارية وكفاءة الطاقة.

تحليل العيوب

استثمار أولي أعلى: بالمقارنة مع وحدات الخلايا الكهروضوئية الفردية أو سخانات المياه الشمسية، فإن نظام الخلايا الكهروضوئية/الحرارية يتميز بتكلفة أعلى ويتطلب معدات إضافية مثل المضخات الحرارية وخزانات تخزين الحرارة. كما أن فترة استرداد الاستثمار الإجمالية أطول نسبياً.

عملية التركيب معقدة: يشمل نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية/الحرارية نظامين - الدوائر الكهربائية وأنابيب المياه. ويتطلب ذلك مراعاة السلامة الكهربائية والعزل وتدابير منع التجمد للأنابيب في آن واحد. وهذا يستلزم معايير مهنية عالية من فريق التركيب.

عدم التوافق الموسمي بين الطلب الحراري وتوليد الطاقة: في الصيف، يكون إنتاج الطاقة الكهروضوئية مرتفعاً بينما يكون الطلب الحراري منخفضاً؛ وفي الشتاء، يكون الطلب الحراري مرتفعاً بينما يكون الناتج الحراري من أنظمة الطاقة الكهروضوئية/الحرارية منخفضاً. لذا، يلزم إنشاء نظام تخزين حراري أو دمجه مع مضخات حرارية لتحقيق أفضل النتائج.

خطر ارتفاع درجة حرارة الركود: عند توقف دوران السائل (كما يحدث أثناء انقطاع التيار الكهربائي أو تعطل النظام)، قد ترتفع درجة الحرارة الداخلية للمجمع بشكل حاد، مما يشكل تهديدًا لعمر المكونات. وتختلف تصاميم أنظمة الخلايا الكهروضوئية/الحرارية في مدى تحملها لدرجة حرارة الركود.

محدودية الوعي بالسوق: بالمقارنة مع أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية العادية وسخانات المياه الشمسية، لا تزال تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية منتجاً متخصصاً. مستوى وعي المستخدمين منخفض، وشبكة الموزعين ونظام خدمة ما بعد البيع لم يتطورا بشكل كامل بعد.

ثالثًا: سيناريوهات التطبيق المناسبة

المباني شبه الصفرية الطاقة: توفر هذه المباني الماء الساخن للاستخدام المنزلي، والتدفئة الأرضية، والكهرباء اليومية للمنازل والفنادق والمباني المكتبية. وهذا حل تقني مثالي لتحقيق المباني شبه الصفرية الطاقة.

التحكم في درجة حرارة حمام السباحة: يقوم بتسخين مياه حمام السباحة بكفاءة، مما يزيد بشكل كبير من وقت الاستخدام السنوي لحمامات السباحة الخارجية. درجة حرارة المخرج منخفضة تصل إلى 40-45 درجة مئوية كافية لتلبية متطلبات التدفئة لحمام السباحة. 

نظام اقتران المضخات الحرارية: يُعدّ هذا النظام مصدرًا حراريًا عالي الجودة ومنخفض الحرارة للمضخات الحرارية الهوائية/الأرضية، مما يُحسّن بشكل ملحوظ معامل كفاءة الطاقة (COP) للمضخات الحرارية. كما يُتيح نظام التبادل الحراري الأرضي المُقترن بنظام الخلايا الكهروضوئية الحرارية (PVT) لتجديد توازن حرارة التربة، تصميم أنظمة المضخات الحرارية الأرضية بشكل أكثر إحكامًا وفعالية من حيث التكلفة.

نظام تخزين الحرارة الموسمي: يتم تخزين الحرارة الزائدة من فصول الربيع والصيف والخريف في الأرض أو في خزانات تخزين الحرارة، وتُستخدم للتدفئة في فصل الشتاء. ويمكن لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية أن توفر الكهرباء في آن واحد لنظام تخزين الحرارة والمبنى.

استخدام الحرارة المنخفضة في الصناعة: ينطبق على أنشطة الإنتاج مثل تجفيف المنتجات الزراعية والتنظيف الصناعي التي تتطلب حرارة متوسطة إلى منخفضة.

شبكة التدفئة المركزية: يمكن ربط مصفوفات الخلايا الكهروضوئية الحرارية الكبيرة بخط أنابيب التدفئة المركزية، وقد تم إثبات هذا النمط من التدفئة المركزية لمبانٍ متعددة في العديد من المشاريع في أوروبا.

المناطق النائية والبعيدة عن الشبكة: إن ميزة توفير الكهرباء والماء الساخن في آن واحد تجعل أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية حلاً مثالياً للطاقة في المناطق النائية ومواقع التخييم الخارجية.

رابعاً: احتياطات التركيب

تحسين التوجيه والزاوية: يجب أن يوازن نظام الخلايا الكهروضوئية الحرارية بين كفاءة توليد الطاقة وكفاءة تجميع الحرارة. يكون اتجاه التركيب الأمثل هو الجنوب (في نصف الكرة الشمالي)، ويجب أن تكون زاوية الميل ضمن نطاق ±10 درجات من خط العرض المحلي، مع مراعاة المفاضلة بين مزايا النظام.

تصميم خطوط أنابيب السوائل: من الضروري اتخاذ تدابير لعزل خطوط الأنابيب الخارجية ومنع تجمدها. في المناطق الباردة، ينبغي إضافة أشرطة تسخين إضافية. يجب تقصير مسار خط الأنابيب قدر الإمكان، مع تقليل عدد الانحناءات، وتقليل مقاومة التدفق.

توافق النظام الكهربائي: عادةً ما يكون جهد خرج التيار المستمر لمكونات الخلايا الكهروضوئية الحرارية 1000 فولت أو 1500 فولت للنظام. ويتطلب ذلك عاكسًا كهروضوئيًا بمستوى جهد مناسب. وفي الوقت نفسه، ينبغي مراعاة الربط الكهربائي مع المضخة الحرارية ومضخة الدوران.

تدابير مكافحة الركود: من الضروري تصميم استراتيجية معقولة لمكافحة الركود، مثل بدء الدوران تلقائيًا عند ارتفاع درجة الحرارة، وتركيب خزانات تمدد أو صمامات أمان لمنع تلف المكونات بسبب درجات الحرارة المرتفعة للغاية في حالة تعطل النظام.

تقييم أحمال المبنى: يزن عنصر واحد من عناصر نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية 39 كجم. وعند دمجه مع الهيكل الداعم والأنابيب وسائل نقل الحرارة، يجب تقييم قدرة تحمل السقف أو الجدران.

تكامل نظام التحكم: تتضمن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية مجموعات متعددة من المعدات مثل محولات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، ووحدات التحكم في مضخات الدوران، ووحدات التحكم في المضخات الحرارية. ويتطلب تحقيق استراتيجية التشغيل المثلى وجود نظام موحد لجمع البيانات ونظام تحكم ذكي.

متطلبات التأهيل المهني: يجب أن يمتلك فريق التركيب مؤهلات تركيب أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية وخبرة في إنشاء أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، أو أن يتألف من فريقين مهنيين يعملان معًا بشكل وثيق.

خطة الصيانة الدورية: يُوصى بفحص حالة سائل التبادل الحراري (قيمة الرقم الهيدروجيني، نقطة التجمد)، وحالة عمل مضخة الدوران، وإحكام إغلاق الأنابيب سنوياً. كما يجب إجراء فحوصات احترافية للنظام كل سنتين إلى ثلاث سنوات.

خامساً: اتجاهات التنمية المستقبلية

يشهد حجم السوق نمواً سريعاً: من المتوقع أن يصل حجم سوق مجمعات الطاقة الشمسية الكهروضوئية العالمية إلى ما بين 22 و23.5 مليار دولار أمريكي في عام 2024، بمعدل نمو سنوي مركب يتراوح بين 5.1 و7.2%. وبحلول عام 2034، من المتوقع أن يصل حجمه إلى ما بين 35 و99 مليار دولار أمريكي (وفقاً لبيانات إحصائية مختلفة).

التكامل العميق مع المضخات الحرارية: سيصبح نظام الخلايا الكهروضوئية الحرارية مع المضخات الحرارية التكوين القياسي لتزويد المباني بالطاقة. يمكن لهذا المزيج أن يلبي في آن واحد المطلبين الرئيسيين المتمثلين في كهربة التدفئة وقدرة المباني، وهو المسار التقني الأمثل لتحقيق مبانٍ خالية من الكربون.

الابتكار التكنولوجي المستمر: بما في ذلك تطبيق بطاريات TOPCon من النوع N عالية الكفاءة، وتقنية التبادل الحراري بالقنوات الدقيقة، وطلاءات الامتصاص الانتقائي الجديدة (بمعدل امتصاص يزيد عن 95% وانبعاثية أقل من 5%)، وأنظمة المراقبة الذكية، إلخ.

التدفئة الإقليمية على نطاق واسع: سيتم الترويج السريع لنموذج دمج مصفوفات الخلايا الكهروضوئية الحرارية واسعة النطاق في شبكات التدفئة الإقليمية في أوروبا والصين. وبحلول نهاية عام 2023، تم بناء ما مجموعه 598 نظامًا للتدفئة الشمسية واسعة النطاق في جميع أنحاء العالم، بسعة إجمالية تبلغ 2.285 جيجاواط.

توجه سياسي قوي: يُلزم "توجيه كفاءة الطاقة في المباني" الصادر عن الاتحاد الأوروبي الدول الأعضاء بتنفيذ نشر إلزامي للطاقة الشمسية على مراحل من عام 2026 إلى عام 2030؛ ويشمل "قانون صافي الانبعاثات الصناعية الصفرية" أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية ضمن نطاق الموافقة المبسطة والمشتريات ذات الأولوية. وستحفز هذه السياسات الطلب في السوق بشكل كبير.

تعزيز التكامل مع المباني: سيتم تصميم أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية كعناصر بناء أساسية بدلاً من كونها معدات إضافية. ستتوفر منتجات من هذه الأنظمة يمكن استخدامها مباشرة كبلاط للأسقف أو جدران ستائرية، مما يحقق وحدة الوظائف والجماليات.

توسيع نطاق التطبيقات الصناعية: سيُمكّن الطلب الكبير على الحرارة المتوسطة والمنخفضة الحرارة من صناعات مثل تجهيز الأغذية والهندسة الكيميائية وصناعة النسيج والتعدين، تقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية من لعب دور متزايد الأهمية في خفض انبعاثات الكربون في الصناعة.

تطور المشهد التنافسي: تهيمن حالياً على السوق شركات مثل بوش، وفيسمان، وسوليمبكس. ومع ذلك، تتوسع الشركات المصنعة الصينية (مثل بي تي إي سولار وسوليتكس) بسرعة في السوق العالمية من خلال الاستفادة من قدراتها التصنيعية المتكاملة رأسياً ومزايا التكلفة.

خاتمة

يمثل المجمع الهجين الكهروضوئي الحراري بقدرة 580 واط أحدث ما توصلت إليه تكنولوجيا استخدام الطاقة الشمسية، حيث يحقق إنتاجاً مزدوجاً من الكهرباء والحرارة على نفس اللوحة، مما يوفر عائداً أعلى على الاستثمار للمستخدمين. وهو يدمج تقنيات متقدمة مثل توليد الطاقة الكهروضوئية بكفاءة عالية، واستعادة الحرارة المهدرة واستخدامها، وتعزيز التبريد النشط، مما يعالج مشكلة انخفاض كفاءة استخدام الطاقة في معدات الطاقة الشمسية التقليدية أحادية الوظيفة.

على الرغم من التحديات، كارتفاع تكلفة الاستثمار الأولي وتعقيد النظام، إلا أن التقدم التكنولوجي وانخفاض التكاليف وزيادة الدعم الحكومي، ساهم في تحويل تقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية من منتج متخصص إلى تطبيقات واسعة الانتشار. بالنسبة للمستخدمين الذين يسعون إلى تحقيق أقصى كفاءة في استخدام المساحة وأعلى معدل للاكتفاء الذاتي من الطاقة، تُعد هذه التقنية خيارًا حكيمًا للمستقبل. ومن خلال الربط الذكي مع المضخات الحرارية وأنظمة التخزين الحراري، ستلعب دورًا متزايد الأهمية في التحول العالمي للطاقة وعملية إزالة الكربون من المباني.