مُجمِّع الطاقة الشمسية الهجين الكهروضوئي الحراري: لوحة واحدة لتوليد الكهرباء والحرارة، بكفاءة تزيد عن 75%

وصل جامع الطاقة الشمسية الهجين الكهروضوئي الحراري إلى نقطة تحول في مجال التسويق التجاري

لطالما كان هناك فصل واضح في مجال استخدام الطاقة الشمسية: الألواح الكهروضوئية (PV) تولد الكهرباء، بينما الألواح الحرارية الشمسية (T) تنتج الحرارة. لا يتداخل عملهما مع بعضهما البعض، ولكن لكل منهما حد أقصى لكفاءته - تنخفض كفاءة مكونات الألواح الكهروضوئية بشكل حاد عند تعرضها لدرجات حرارة عالية، بينما تهدر مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية كمية كبيرة من الطاقة الحرارية في غير موسم التدفئة. الآن، تعمل تقنية تجمع بين الاثنين - مجمع الطاقة الشمسية الهجين الكهروضوئي الحراري (PV/T أو PVT) - على كسر هذا النمط. فهو ينتج الكهرباء والحرارة من لوحة واحدة، بكفاءة نظام تتجاوز 75%. وقد وصفته وكالة الطاقة الدولية بأنه "الشكل الأمثل لاستخدام الطاقة الشمسية". في عام 2026، ومع انخفاض تكاليف التصنيع ودفع سياسات تكامل الطاقة في المباني نحو الأمام، تنتقل مجمعات الطاقة الشمسية الهجينة الكهروضوئية الحرارية من المشاريع التجريبية إلى الاستخدام التجاري واسع النطاق.

أولاً: ما هو جامع الطاقة الشمسية الهجين الكهروضوئي الحراري؟ المنطق التكنولوجي لـ 1+1>2

المجمع الشمسي الهجين الكهروضوئي الحراري، كما يوحي اسمه، هو جهاز مركب يجمع بين وحدة توليد الطاقة الكهروضوئية ومجمع شمسي. يتكون هيكله النموذجي من الأسفل إلى الأعلى مما يلي: طبقة عازلة خلفية، ولوحة ماصة للحرارة (مزودة بقنوات سائلة مدمجة)، وطبقة خلايا كهروضوئية (سيليكون أحادي البلورة أو سيليكون متعدد البلورات)، ولوحة غطاء عالية الشفافية (أو باستخدام زجاج كهروضوئي مباشرةً). تسقط أشعة الشمس أولاً على الخلايا الكهروضوئية، ويتم تحويل جزء من الطاقة إلى طاقة كهربائية للإخراج؛ أما الباقي فيتحول إلى طاقة حرارية. إذا لم يتم استغلالها، فإنها ستؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الخلايا (لكل زيادة قدرها درجة مئوية واحدة، تنخفض كفاءة توليد الطاقة لخلايا السيليكون بنسبة تتراوح بين 0.4% و0.5%). في المجمع الكهروضوئي الحراري، يعمل وسيط التبريد (الماء أو مانع التجمد) المتدفق عبر قنوات الطبقة الخلفية على امتصاص هذا الجزء من الحرارة. من ناحية، يبرد الخلايا، مما يحافظ على كفاءة توليد الطاقة أو حتى يحسنها؛ من ناحية أخرى، ينقل الحرارة إلى خزان تخزين المياه لاستخدامها في تسخين المياه المنزلية، أو التدفئة، أو التسخين المسبق الصناعي.

يحقق هذا المجمع المتكامل الكهروضوئي الحراري الاستخدام الهرمي للطيف الشمسي: حيث تُستخدم الفوتونات عالية الطاقة (الأمواج القصيرة) لتوليد الطاقة، بينما تُحوّل الفوتونات منخفضة الطاقة (الأمواج الطويلة) إلى طاقة حرارية. تُظهر البيانات المقاسة أن الكفاءة الكهربائية لمكونات PVT عالية الجودة يمكن أن تصل إلى 15-20%، والكفاءة الحرارية يمكن أن تصل إلى 50-60%، والكفاءة الشاملة (الكهرباء + الحرارة) يمكن أن تصل إلى 70-80%، وهي أعلى بكثير من كفاءة مكون كهروضوئي واحد (حوالي 20%) أو مجمع حراري واحد (حوالي 45-55%).

ثانيًا: المزايا الأساسية: تتجاوز الكفاءة، فهي تكمن في الاقتصاد

1. تعظيم إنتاج الطاقة لكل وحدة مساحة

بالنسبة للمستخدمين الصناعيين والتجاريين ذوي مساحات الأسطح المحدودة أو المباني السكنية الشاهقة، يوفر نظام التجميع الشمسي الهجين الكهروضوئي الحراري كلا النوعين من الطاقة على نفس المساحة، أي ما يعادل "وحدة واحدة من ضوء الشمس، وحدتين من الفوائد". إذا تم تجهيز سطح مصنع مساحته 1000 متر مربع بمجمعات كهروضوئية حرارية، فإن إنتاج الكهرباء السنوي يبلغ حوالي 150,000 كيلوواط ساعة، ويبلغ إنتاج الحرارة السنوي حوالي 250 جيجا جول (يكفي للتدفئة الجزئية في فصل الشتاء وتسخين المياه المنزلية)، وهو ما لا يمكن تحقيقه من خلال تركيب أنظمة كهروضوئية أو حرارية منفردة.

2. تحسين عمر الخلايا الكهروضوئية وخفض تكلفة الطاقة الحرارية الشمسية

مقابل كل انخفاض قدره 10 درجات مئوية في درجة حرارة تشغيل الخلايا الكهروضوئية، يمكن تمديد عمرها الافتراضي إلى الضعف تقريبًا. يتحكم المجمع الكهروضوئي والحراري الشمسي المتكامل في درجة حرارة تشغيل الخلايا ضمن نطاق 25-35 درجة مئوية من خلال التبريد المائي. وهذا أقل بأكثر من 30 درجة مئوية من أنظمة الخلايا الكهروضوئية الخارجية التقليدية (التي تصل درجة حرارتها إلى 65-75 درجة مئوية في الصيف)، مما يؤخر بشكل فعال تآكل المكونات ويطيل عمر الخلايا الكهروضوئية من 25 عامًا إلى أكثر من 30 عامًا. في الوقت نفسه، يستخدم المجمع الكهروضوئي والحراري الطاقة الكهروضوئية لتشغيل مضخة الدوران ووحدة التحكم في النظام مباشرةً، مما يُمكّن الجزء الحراري الشمسي من تحقيق "الاكتفاء الذاتي" دون الحاجة إلى شبكة طاقة خارجية، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة الإضافية للنظام الحراري الشمسي.

3. المزايا الكامنة في تقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية المدمجة في المباني (BIPVT)

تُركّب وحدات الخلايا الكهروضوئية التقليدية على أسطح المباني كإضافات، ما يُفقدها جاذبيتها الجمالية. أما مُجمّع الطاقة الشمسية الهجين الكهروضوئي الحراري، فيمكن دمجه في هيكل السقف، ليؤدي دوراً في توليد الطاقة والتدفئة، فضلاً عن توفير وظائف العزل المائي والحراري. وقد اعتمدت العديد من مشاريع المباني الصفرية الطاقة في أوروبا حل BIPVT (الخلايا الكهروضوئية الحرارية المدمجة في المباني)، حيث تستخدم وحدات PVT مباشرةً كأسطح أو واجهات لتحقيق التكامل بين الجمال المعماري وإنتاج الطاقة.

ثالثًا: مقارنة المسارات التقنية: النوع المبرد بالماء مقابل النوع المبرد بالهواء

تنقسم المجمعات الشمسية الهجينة الكهروضوئية الحرارية المتوفرة حاليًا في السوق بشكل رئيسي إلى فئتين:

نظام التبريد الكهروضوئي الحراري بالماء: يستخدم الماء أو مانع التجمد كوسيط تبريد، وتتراوح درجة حرارة الخرج الحراري من 40 إلى 60 درجة مئوية. وهو مناسب لتوفير الماء الساخن للاستخدام المنزلي، والتدفئة، أو التسخين المسبق الصناعي. يتميز بكفاءة عالية، ولكن يجب مراعاة مانع التجمد وتحمل ضغط الأنابيب عند تصميم النظام. وهو حاليًا الخيار التجاري الأكثر شيوعًا.

نظام التبريد الكهروضوئي الحراري المبرد بالهواء: يستخدم الهواء كوسيط تبريد، وتتراوح درجة حرارة الخرج الحراري من 30 إلى 40 درجة مئوية. وهو مناسب للإدخال المباشر في البيوت الزجاجية، وغرف التجفيف، أو أنظمة التهوية. يتميز ببنية بسيطة، ولا يتعرض لخطر التجمد أو التشقق، ولكنه ذو قيمة حرارية منخفضة ونطاق استخدام محدود نسبياً.

علاوة على ذلك، وبحسب وجود غطاء زجاجي من عدمه، يُقسم النظام الكهروضوئي الحراري إلى نوعين: نظام مزود بغطاء (يتميز بكفاءة حرارية أعلى) ونظام بدون غطاء (يتميز بكفاءة كهربائية أعلى قليلاً وتكلفة أقل). ويُحدد نوع المجمع الكهروضوئي الحراري المتكامل المستخدم بناءً على المناخ المحلي، ونوع الطلب على التدفئة، وميزانية المشروع.

رابعاً: سيناريوهات التطبيق: من الفيلات إلى المصانع، ومن المستشفيات إلى المزارع

1. المساكن الفاخرة والمباني ذات الطاقة الصفرية

فيلا مساحتها 300 متر مربع ذات مساحة سطح محدودة. يجب أن تلبي احتياجات المنزل من الكهرباء (الإضاءة، الأجهزة المنزلية)، وتوفر الماء الساخن للاستخدام اليومي، بالإضافة إلى التدفئة الأرضية. يمكن لنظام مكون من 20 مُجمِّعًا كهروضوئيًا حراريًا (مساحة كل منها حوالي 40 مترًا مربعًا) أن يُولِّد ما يقارب 6000 كيلوواط ساعة من الكهرباء و10000 كيلوواط ساعة من الطاقة الحرارية سنويًا، مما يحقق الاكتفاء الذاتي من الطاقة على مدار العام. وقد اعتمد مجتمع الطاقة الصفرية في فرايبورغ، ألمانيا، حل المُجمِّع الشمسي الهجين الكهروضوئي الحراري بشكل كامل. انخفضت تكاليف الكهرباء والتدفئة للسكان بأكثر من 70%.

2. المباني الصناعية والتجارية وخدمات التخزين اللوجستية

تتميز أسطح المباني الصناعية بمساحتها الكبيرة، واستهلاكها العالي للكهرباء، وكثرة الحاجة إلى الماء الساخن لأغراض التنظيف والتدفئة. يمكن لمجمعات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية أن تحل محل ألواح الطاقة الشمسية ونظام تسخين المياه على السطح في آنٍ واحد، مما يوفر تكاليف التركيب والدعم. قامت إحدى شركات النسيج في نانتونغ بمقاطعة جيانغسو بتركيب مجمعات متكاملة للطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية على مساحة 3000 متر مربع، مما وفر حوالي 450 ألف يوان من تكاليف الكهرباء سنوياً، ووفر الماء الساخن لتسخين خزانات الصباغة. وقد بلغت فترة استرداد تكلفة المشروع 4.2 سنوات فقط.

3. البيوت الزراعية وتربية الماشية

تحتاج البيوت الزجاجية إلى الكهرباء (للإضاءة والتهوية الإضافية) والحرارة (للعزل)، إلا أن العديد من البيوت الزجاجية الزراعية تعاني من ارتفاع تكاليف الكهرباء وصعوبة الربط بشبكة الكهرباء. يمكن لمجمعات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية تحقيق "التوليد الذاتي للطاقة للاستخدام الذاتي + تدوير الماء الساخن"، وذلك من خلال نظام واحد يلبي كلا الاحتياجين. في هولندا، اعتمدت بيوت زراعة الزهور بالفعل مكونات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية، بالإضافة إلى مضخات حرارية أرضية، مما أدى إلى خفض استهلاك الطاقة في البيوت الزجاجية بنسبة 65%.

4. المباني العامة مثل المستشفيات والفنادق والمدارس

تتميز هذه المناطق باستهلاكها العالي للمياه وحاجتها إلى الماء الساخن طوال اليوم. وفي الوقت نفسه، يكون الحمل الكهربائي مستقراً. يمكن لنظام جامع الطاقة الشمسية الهجين الكهروضوئي الحراري أن يوفر نمطاً منسقاً من "توليد الطاقة نهاراً + إنتاج الحرارة نهاراً + تخزين الحرارة للاستخدام الليلي"، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل.

خامساً: التحليل الاقتصادي: هل يستحق الاستثمار الآن؟

بالنظر إلى المنطقة الشرقية من الصين كمثال، يتطلب نظام تجميع الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية بمساحة 50 مترًا مربعًا (يتكون من حوالي 30 مكونًا) استثمارًا إجماليًا يتراوح بين 50000 و60000 يوان (يشمل خزان تخزين المياه، ومضخة الدوران، والعاكس). يبلغ إنتاج الكهرباء السنوي حوالي 7500 كيلوواط ساعة (بسعر 0.8 يوان/كيلوواط ساعة، أي دخل سنوي قدره 6000 يوان)، بينما يبلغ إنتاج الحرارة السنوي حوالي 12500 كيلوواط ساعة (باستبدال الغاز الطبيعي، وبسعر 0.4 يوان/كيلوواط ساعة من القيمة الحرارية، أي دخل سنوي قدره 5000 يوان)، ليبلغ إجمالي الدخل السنوي حوالي 11000 يوان. وتتراوح فترة استرداد الاستثمار بين 4.5 و5.5 سنوات. صُمم نظام التجميع الكهروضوئي الحراري المتكامل ليدوم من 20 إلى 25 عامًا، مما يعني أن السنوات المتبقية (15 إلى 20 عامًا) هي فترة تحقيق الدخل الصافي. إذا أخذنا في الاعتبار عائدات تجارة الكربون (خفض انبعاثات الكربون بحوالي 6 أطنان سنوياً، بسعر 60 يوان/طن، فإن الزيادة السنوية في الدخل تبلغ 360 يوان)، فإن فترة استرداد رأس المال تتقلص أكثر.

بالمقارنة مع تركيب أنظمة الخلايا الكهروضوئية وحدها (مع فترة استرداد تبلغ حوالي 6-8 سنوات) وتركيب أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية وحدها (مع فترة استرداد تبلغ حوالي 5-7 سنوات ولكنها تولد الحرارة فقط)، فإن مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية تتمتع بمزايا كبيرة من حيث الاقتصاد واستغلال المساحة.

سادساً: التحديات والآفاق المستقبلية

على الرغم من الآفاق الواعدة، يواجه جامع الطاقة الشمسية الهجين الكهروضوئي الحراري حاليًا العديد من التحديات الرئيسية:

غياب المعايير: تخضع منتجات الطاقة الشمسية الحرارية الكهروضوئية لشهادات كل من الطاقة الشمسية الكهروضوئية (IEC 61215) والطاقة الشمسية الحرارية (ISO 9806). ولا يوجد حاليًا معيار أداء دولي موحد، مما يؤدي إلى تفاوت جودة المنتجات.

التوافق الموسمي: في الصيف، يكون إنتاج الحرارة أعلى بكثير من الطلب عليها، وبالتالي يلزم استخدام أنظمة تخزين الحرارة الموسمية أو المضخات الحرارية بالتزامن معاً؛ أما في الشتاء، فينخفض ​​إنتاج الحرارة، ويصبح من الضروري وجود مصدر حرارة إضافي.

الاستثمار الأولي مرتفع نسبياً: فهو أغلى بنسبة 30% تقريباً من أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المستقلة، مما يشكل عائقاً أمام المستخدمين الذين يهتمون بالسعر.

ومع ذلك، ومع تطبيق معيار الاتحاد الأوروبي للطاقة الشمسية الذي يُلزم المباني الجديدة بتركيب أنظمة الطاقة الشمسية، وسياسة "الترويج الشامل على مستوى المقاطعة" لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية والتدفئة على أسطح المنازل في الصين، وانخفاض التكاليف الناتج عن الإنتاج واسع النطاق لمجمعات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية (المتوقع أن ينخفض ​​بنسبة 25% في السنوات الثلاث المقبلة)، تشير توقعات الصناعة إلى أنه بحلول عام 2030، ستتجاوز القدرة المركبة العالمية لمجمعات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية المتكاملة 10 جيجاواط حراري.

ثامناً: الخاتمة: من "فصل الخلايا الكهروضوئية عن الخلايا الحرارية" إلى "دمج الخلايا الكهروضوئية عن الخلايا الحرارية"

لا يُمثل ظهور مُجمّعات الطاقة الشمسية الهجينة الكهروضوئية الحرارية مجرد تكامل تكنولوجي، بل قفزة نوعية في مفهوم استخدام الطاقة الشمسية. فهو يُشير إلى أنه بدلاً من التردد في اختيار نظام كهروضوئي أو حراري لسطح مساحته متر مربع واحد، من الأفضل "الاستفادة القصوى من كل شبر من ضوء الشمس". ومع دخول المزيد من الشركات إلى السوق وتحسين المعايير التقنية، يُتوقع أن تُصبح مُجمّعات الطاقة الشمسية الحرارية الكهروضوئية قطاع الطاقة النظيفة التالي الذي سيُدرّ مليارات الدولارات بعد وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية. بالنسبة لمُشغّلي المواقع الإلكترونية المستقلين، فإن التخطيط المُسبق للكلمات المفتاحية الطويلة مثل "التكامل الكهروضوئي الحراري" و"نظام الطاقة الشمسية الحرارية الكهروضوئية" و"توليد الطاقة الحرارية الشمسية" سيُمكّنهم من تحقيق مكاسب كبيرة في نتائج البحث خلال السنوات الخمس القادمة.