الأنظمة الكهروضوئية الحرارية (PVT) للحرارة والطاقة المشتركة: التقنيات والتنفيذ

ملخص: تستعيد تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية (PVT) الحرارة المفقودة من الألواح الكهروضوئية أثناء توليد الكهرباء. لا تقتصر هذه التقنية على الجمع بين توليد الحرارة والكهرباء من الشمس فحسب، بل تخفض أيضًا درجة حرارة الألواح، مما يُحسّن كفاءة توليد الطاقة. تُبشّر هذه التقنية، خاصةً عند دمجها مع تقنية تخزين الحرارة المفقودة منخفضة الحرارة للتخزين الموسمي، بآفاق واعدة لتطبيقات مستقبلية.

تُعد تقنية توليد الطاقة الكهروضوئية متطورة للغاية، وتُستخدم على نطاق واسع، وتُقدم تطبيقات واعدة. ومع ذلك، لا تتجاوز كفاءتها 20%، مما يُؤدي إلى ضياع قدر كبير من الطاقة الشمسية في البيئة.

بدون توليد الطاقة الكهروضوئية، تُفقد جميع الحرارة الشمسية في البيئة. وبالمقارنة، فإن كفاءة 20% كافية. كما تُركز الألواح الكهروضوئية الحرارة، حيث تصل درجات الحرارة إلى 50 أو 60 درجة مئوية. تُقلل هذه الحرارة المركزة من كفاءة توليد الطاقة الكهروضوئية، وتُقصر عمرها الافتراضي، وتؤثر سلبًا على الألواح. كما أن الحرارة التي تُبدد في البيئة بشكل غير مُتحكم فيه لا تُناسب إعادة الاستخدام.

مصادر الطاقة منخفضة الكربون نادرة في مجالات مثل التدفئة. يتطلب توليد الحرارة استهلاك الطاقة الأولية، وهو ما يستهلك كميات كبيرة من الطاقة، وهو أمر مكلف، وينتج عنه انبعاثات كربونية كبيرة. يمكن لإعادة استخدام الحرارة المُجمّعة بواسطة الألواح الكهروضوئية أن يُقلل من تلف الألواح، ويُحسّن كفاءة توليد الطاقة، ويوفر مصدر حرارة خالٍ من الكربون، مما يُتيح تطبيقات واعدة. ومع تزايد مشاريع الطاقة الكهروضوئية، تُصبح هذه الكمية من الحرارة كبيرة جدًا أيضًا.

تعمل تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية (PVT) على استعادة الحرارة المهدرة من توليد الطاقة الكهروضوئية، مما يحقق الحرارة والطاقة الشمسية مجتمعة.

تتكون الألواح الكهروضوئية من مكونين: وحدات كهروضوئية ومشتتات حرارية. وحدات الكهروضوئية تقنية تقليدية، تتضمن زجاجًا كهروضوئيًا، وغشاءً من مادة EVA، وخلايا شمسية، وطبقة خلفية. تتكون المشتتات الحرارية من طبقة ماصة للحرارة، وأنابيب نقل الحرارة، ومواد عازلة. يتم تجميع هذين المكونين، ثم تُركّب مكونات خارجية مثل الإطار وصندوق التوصيل لتشكيل الألواح الكهروضوئية.

تتوفر أنظمة PVT بنوعين: مبرد بالسائل ومبرد بالهواء. يستخدم التبريد السائل عادةً الماء كمبرد، مع إمكانية استخدام مانع التجمد أيضًا في المناطق الباردة. يظهر هيكل النظام في الشكل أعلاه. يستخدم التبريد الهوائي الغاز، وعادةً الهواء، كما هو موضح في الشكل أدناه. لكلا المنتجين تطبيقات مختلفة.

تتميز أجهزة PVT المبردة بالهواء بقنوات تبريد أوسع، ويتم ضبط درجة حرارة المخرج عن طريق التحكم في معدل تدفق الغاز. الهواء الساخن الناتج عن هذا المنتج مُسخّن بشكل فائق، ويمكن استخدامه بطريقتين: كمصدر حرارة تجفيف مباشر للمنتجات غير المناسبة للتجفيف بدرجات حرارة عالية، مثل المنتجات الزراعية والأغذية؛ أو كمصدر حرارة منخفضة في مضخة حرارية هوائية، لتوليد حرارة عالية.

عادةً ما تكون قناة التبريد في سخانات المياه الحرارية المبردة بالماء عبارة عن أنبوب رفيع. ولضمان تبريد كامل سطح اللوحة، يجب دمج أنبوب نقل الحرارة بإحكام مع اللوحة لتحقيق استرداد حراري أفضل. درجة حرارة الماء الخارجة من سخانات المياه الحرارية المبردة بالماء منخفضة، ويصعب استخدامها مباشرةً. وعادةً ما يلزم استخدامها مع مضخة حرارية.

أنظمة لوحة PVT مع مضخات حرارية

بشكل عام، سيناريوهات التطبيق الشائعة لتقنية PVT هي كما يلي:

(1) عملية التجفيف: يُستخدم جهاز PVT المُبرَّد بالهواء لتوليد هواء ساخن جدًا لإزالة الرطوبة من المواد المجففة. ونظرًا لانخفاض درجة حرارة هواء التجفيف، فلن يؤثر ذلك على الجودة. ويُستخدم عادةً في تجفيف المحاصيل والأغذية أو المجالات الأخرى ذات متطلبات الجودة العالية.

(2) التدفئة الموزعة: يتم استخدام مضخة الحرارة PVT + لتوليد الماء الساخن للتدفئة والماء الساخن المنزلي وما إلى ذلك. وبالمقارنة مع مسار مضخة الحرارة الهوائية التقليدية، فإن نطاق تحسين المعلمات لعملية مضخة الحرارة PVT + كبير والاقتصاد جيد جدًا.

(3) التدفئة المركزية بين الفصول: يُعد هذا سيناريو لتطبيق تقنية التدفئة الحرارية الأرضية على نطاق واسع في المستقبل. وهي مناسبة بشكل خاص للمناسبات ذات المساحات الشاسعة، مثل التدفئة الريفية. تُنتج أنظمة التدفئة الريفية كمية قليلة من الحرارة المهدرة القابلة للاستخدام، لذا فإن استخدام مضخات الحرارة الهوائية مباشرةً يستهلك طاقة كبيرة. بالاستفادة من المساحات الريفية الشاسعة، يمكن لأنظمة التدفئة الحرارية الأرضية على الأسطح جمع أشعة الشمس، بينما تُخزن الأنابيب تحت الأرض الحرارة في التربة خلال فترة الركود. يمكن لمضخات الحرارة بعد ذلك استخدام الحرارة الجوفية للتدفئة في الشتاء. يسمح هذا بتخزين الحرارة المهدرة منخفضة الحرارة على مدار الفصول، مما يرفع درجة حرارة الحرارة المهدرة لمضخة الحرارة، ويُقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل.

باختصار، تُعدّ تقنية PVT، باعتبارها تحسينًا منخفض التكلفة لتكنولوجيا الطاقة الكهروضوئية، مُكمّلًا قويًا لتكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية. إذا توافرت أساليب مناسبة لاستغلال الحرارة المُهدرة، مثل التجفيف، وتسخين المياه المنزلية، والتدفئة الموسمية، فإن تقنية PVT قادرة على تحسين كفاءة النظام بشكل كبير، وخفض تكاليف التشغيل، وتتمتع بآفاق تطوير واعدة.