تقنية الأنابيب المفرغة الزجاجية بالكامل تتصدر المشهد: الطاقة الشمسية الحرارية للمياه والتدفئة والصناعة

لا تزال تقنية جامعات الطاقة الشمسية ذات الأنابيب المفرغة المصنوعة بالكامل من الزجاج رائدة في هذا المجال.

في سياق التحول العالمي للطاقة وإزالة الكربون من الصناعة، تشهد تكنولوجيا استخدام الطاقة الشمسية الحرارية ذروة نمو جديدة. ومن بين هذه التكنولوجيا، أصبحت تقنية تجميع الطاقة الشمسية الحرارية باستخدام الأنابيب المفرغة (مجمعات الطاقة الشمسية الزجاجية الكاملة ذات الأنابيب المفرغة) هي التقنية السائدة في مجالات تسخين المياه بالطاقة الشمسية على مستوى العالم، والتدفئة الإقليمية، والتسخين المسبق الصناعي، وذلك بفضل كفاءتها العالية في تجميع الحرارة، وأدائها الممتاز في بدء التشغيل عند درجات الحرارة المنخفضة، وفعاليتها من حيث التكلفة. تُحلل هذه المقالة بشكل شامل عملية التصنيع وآفاق السوق لمجمعات الطاقة الشمسية ذات الأنابيب المفرغة من أربعة جوانب: المبدأ التقني، والمزايا الأساسية، والتطبيقات النموذجية، والاتجاهات المستقبلية.

أولاً: ما هو نظام تجميع الأنابيب المفرغة للطاقة الشمسية الحرارية: تحليل موجز لمبادئه الهيكلية

يتكون نظام تجميع الطاقة الشمسية الحرارية ذو الأنابيب المفرغة من عدة أنابيب زجاجية مفرغة مستقلة. يتألف كل أنبوب مفرغ من طبقتين، داخلية وخارجية، مصنوعتين من زجاج البوروسيليكات عالي الجودة، مع الحفاظ على فراغ عالٍ (ضغط أقل من 10⁻² باسكال) بين الطبقتين. يُغطى الجدار الخارجي للأنبوب الداخلي بطبقة امتصاص انتقائية (مثل الألومنيوم-نيتروجين/الألومنيوم)، تتميز بمعدل امتصاص عالٍ للإشعاع الشمسي قصير الموجة (≥92%) وانبعاثية منخفضة للإشعاع الحراري طويل الموجة. بعد مرور الإشعاع الشمسي عبر الطبقة الزجاجية الخارجية، يمتصه طلاء الأنبوب الداخلي ويحوله إلى طاقة حرارية، مما يؤدي إلى تسخين الماء أو الوسط الموصل للحرارة داخل الأنبوب. بفضل الكبح الكبير لفقدان الحرارة بالحمل والتوصيل بواسطة طبقة الفراغ، حتى في المناطق شديدة البرودة التي تقل فيها درجات الحرارة عن -30 درجة مئوية، يظل مجمع الطاقة الشمسية ذو الأنابيب المفرغة الزجاجية يعمل بكفاءة وينتج حرارة قابلة للاستخدام.

بالمقارنة مع المجمعات الشمسية التقليدية ذات الألواح المسطحة، تتميز المجمعات الشمسية الحرارية ذات الأنابيب المفرغة بقدرة واضحة على التكيف مع جميع الأحوال الجوية: ففي البيئات الغائمة والضبابية وذات درجات الحرارة المنخفضة، تكون كفاءة تجميع الحرارة فيها أعلى بكثير من كفاءة الأنواع ذات الألواح المسطحة. وفي الوقت نفسه، يُمكّنها هيكل الأنبوب الدائري المفرغ من الحفاظ على مساحة تجميع ضوئي فعالة جيدة تحت زوايا ارتفاع الشمس المختلفة طوال اليوم.

ثانيًا: المزايا الأساسية: لماذا لا تزال أجهزة تجميع الصمامات المفرغة مهيمنة على السوق؟

1. تجميع حرارة عالي الكفاءة وبدء تشغيل بدرجة حرارة منخفضة

تُؤدي طبقة العزل الفراغي في مُجمِّع الأنابيب المُفرَّغة إلى معامل فقد حراري منخفض للغاية (قد تصل قيمة معامل انتقال الحرارة إلى 0.6 - 0.8 واط/(م²·ك)). وهذا يعني أنه في ظروف الشتاء الباردة أو خلال فترات انخفاض الإشعاع الشمسي في الصباح الباكر، يُمكن للمُجمِّع أن يسخن بسرعة ويبدأ عملية الدوران، مُنتجًا الماء الساخن في أسرع وقت ممكن. وهذا أمر بالغ الأهمية لأنظمة التدفئة الشمسية.

2. مقاومة الصقيع والقدرة على التكيف مع المناخ

بفضل القطر الداخلي الصغير لأنابيب التفريغ الزجاجية (عادةً 47 مم أو 58 مم)، وطبقة التفريغ التي تعزل درجات الحرارة المنخفضة الخارجية، حتى لو انخفضت درجة الحرارة المحيطة إلى -30 درجة مئوية، فإن الماء داخل الأنابيب لن يتجمد بسهولة ولن ينفجر. وبفضل استخدام سائل مضاد للتجمد أو تصميم نظام تصريف المياه، يمكن لمجمع الطاقة الشمسية المصنوع بالكامل من أنابيب التفريغ الزجاجية أن يعمل بأمان في المناطق ذات خطوط العرض العالية والارتفاعات الشاهقة والمناطق شديدة البرودة.

3. تركيب معياري وفعالية عالية من حيث التكلفة

يعتمد مجمع الأنبوب المفرغ تصميمًا معياريًا قياسيًا. يمكن أن تتكون الوحدة الواحدة من 10 إلى 50 أنبوبًا مفرغًا ويمكن تركيبها بمرونة في الموقع. سواء كان نظامًا منزليًا صغيرًا (1-3 أمتار مربعة) أو مشروعًا واسع النطاق لتجميع التدفئة الشمسية (آلاف الأمتار المربعة)، يمكن تحقيقه من خلال مجموعة المصفوفات. في الوقت نفسه، أصبحت تكنولوجيا الأنابيب المفرغة المحلية ناضجة، والتكلفة أقل بكثير من الأنابيب المفرغة المستوردة من النوع المعدني والزجاجي أو مجمعات الألواح المسطحة الفعالة، مما يجعل مجمع الأنابيب المفرغة بالطاقة الشمسية ذو قدرة تنافسية عالية في المشاريع ذات الاستثمار الأولي المحدود. 

4. سهولة الصيانة واستبدال أنبوب واحد

إذا تعرض أنبوب التفريغ للتلف بفعل قوة خارجية، فإنه يحتاج فقط إلى استبداله بشكل فردي دون الحاجة إلى تفريغ النظام بأكمله. هذه الميزة تقلل من تكاليف التشغيل والصيانة على المدى الطويل.

ثالثًا: سيناريوهات التطبيق النموذجية: من تسخين المياه المنزلية إلى التدفئة الصناعية

1. أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية السكنية والتجارية

يعد مجمع الطاقة الشمسية ذو الأنبوب المفرغ الزجاجي بالكامل هو الحل الأكثر استخدامًا للمياه الساخنة بالطاقة الشمسية في المناطق الريفية والمدن والفنادق والمدارس والمستشفيات والمباني العامة الأخرى في جميع أنحاء العالم. يمكن لسخان المياه ذو الأنبوب المفرغ بمساحة 2 متر مربع أن يلبي احتياجات مياه الاستحمام اليومية لـ 4-6 أشخاص. تستخدم الفنادق الكبيرة العشرات من مصفوفات مجمعات الأنابيب المفرغة، مما يوفر عشرات الأطنان من الماء الساخن يوميًا، بتكاليف تشغيل تقارب الصفر. 

2. التدفئة المركزية القائمة على الطاقة الشمسية والتخزين الحراري الموسمي

في المدن التجريبية للتدفئة النظيفة في شمال أوروبا وشمال الصين، تُدمج أنظمة التدفئة الشمسية الحرارية ذات الأنابيب المفرغة مع خزانات مياه كبيرة أو مرافق تخزين حراري تحت الأرض لتشكيل أنظمة تدفئة مركزية تعمل بالطاقة الشمسية. وفي العديد من المشاريع في الدنمارك وألمانيا، استُخدمت عشرات الآلاف من الأنابيب المفرغة لتشكيل حقل تجميع حراري. تُخزن الحرارة الزائدة في الصيف وتُطلق في الشتاء، مما يُمكن أن يُلبي من 10% إلى 30% من احتياجات التدفئة في المناطق الحضرية.

3. التسخين المسبق للعمليات الصناعية

تتطلب صناعات النسيج والغذاء والكيماويات كميات كبيرة من الماء الساخن بدرجة حرارة تتراوح بين 60 و90 درجة مئوية أو البخار منخفض الضغط. ويمكن استخدام مُجمِّعات الطاقة الشمسية المصنوعة بالكامل من أنابيب التفريغ الزجاجية كمرحلة تمهيدية موفرة للطاقة لتسخين مياه تغذية الغلاية، مما يرفع درجة حرارة الماء الداخل من درجة الحرارة العادية إلى ما بين 40 و60 درجة مئوية، وبالتالي يقلل من استهلاك الوقود الأحفوري. وقد قامت إحدى شركات الصباغة في شاندونغ، الصين، بتركيب 5000 مُجمِّع من أنابيب التفريغ، مما وفر ما يقرب من 150 ألف متر مكعب من الغاز الطبيعي سنوياً.

4. تجفيف المنتجات الزراعية وتحلية المياه

يمكن لنظام تسخين الهواء بالطاقة الشمسية، بالاشتراك مع مجمعات الأنابيب المفرغة، أن يوفر مصدراً للحرارة اللازمة للتجفيف؛ وفي المناطق التي تفتقر إلى الكهرباء على السواحل أو الجزر، تم أيضاً عرض وتطبيق جهاز تحلية مياه البحر بتقنية التقطير متعدد المراحل، والذي يعمل بواسطة مجمعات الأنابيب المفرغة.

رابعاً: التطور التكنولوجي وآفاق السوق

في السنوات الأخيرة، ركزت الابتكارات التكنولوجية في مجمع الأنابيب الحرارية الشمسية على الجوانب التالية: تم تعزيز كفاءة تحويل الضوء إلى الحرارة لطلاء الامتصاص الانتقائي على الأنبوب الداخلي إلى أكثر من 96%؛ تم تقديم الأنابيب المفرغة على شكل حرف U والأنابيب الحرارية، وهي مناسبة للأنظمة الحاملة للضغط؛ تم تشكيل نظام تكميلي متعدد الطاقات من خلال المضخات الحرارية والأنظمة الكهروضوئية وغلايات الغاز. 

بحسب مشروع التدفئة والتبريد بالطاقة الشمسية التابع للوكالة الدولية للطاقة (IEA SHC)، تجاوزت المساحة الإجمالية للمجمعات الشمسية العاملة في جميع أنحاء العالم 750 مليون متر مربع بحلول عام 2025. ومن بينها، تشكل المجمعات الشمسية ذات الأنابيب المفرغة أكثر من 65%، وفي السوق الصينية، تتجاوز هذه النسبة 85%. ومع تنفيذ "الخطة الخمسية الرابعة عشرة" للتدفئة بالطاقة المتجددة، وتقدم خطة "REPowerEU" التابعة للاتحاد الأوروبي، سيستمر معدل انتشار المجمعات الشمسية ذات الأنابيب المفرغة المصنوعة بالكامل من الزجاج في تجديد أنظمة التدفئة في المباني القائمة، واستبدال أنظمة التدفئة الصناعية الخضراء، في الازدياد.

خامساً: اقتراحات الشراء

بالنسبة لمقاولي الهندسة أو المستخدمين النهائيين الذين يخططون لشراء أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية ذات الأنابيب المفرغة، يوصى بالانتباه إلى المؤشرات التالية: مواصفات الأنابيب المفرغة (58/1800 مم هو السائد حاليًا)، ومعدل امتصاص الطلاء وانبعاثيته، وعمر الاحتفاظ بالفراغ (يمكن أن تدوم المنتجات عالية الجودة لأكثر من 15 عامًا)، ومادة إطار الوحدة (سبائك الألومنيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ)، وما إذا كانت قد حصلت على شهادات دولية مثل Solar Keymark و CE.