نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية + مضخة حرارية: نظام BTESolar PVT-E "النظام المزدوج الكهروحراري" يفتح عصراً جديداً من الاستخدام الشامل للطاقة الشمسية

في ظل التحول العالمي في قطاع الطاقة وأهداف "خفض الانبعاثات الكربونية المزدوجة"، باتت كيفية استغلال المساحة المحدودة على أسطح المنازل لتوليد الكهرباء والحرارة معًا قضية بالغة الأهمية في مجال الطاقة الجديدة. وبصفتها شركة رائدة في مجال استخدام الطاقة الشمسية الحرارية لأكثر من عقد من الزمان، كشفت شركة BTE Solar Co., Ltd. (BTESolar) التي تتخذ من تكساس مقرًا لها، عن أحدث منتجاتها من سلسلة PVT-E، وهي سلسلة من المنتجات المتكاملة الكهروضوئية الحرارية - نظام PVT-E "الكهروحراري المزدوج" - في معرض Intersolar Europe عام 2025. يدمج هذا المنتج الجديد تقنيات توليد الطاقة الكهروضوئية وتجميع الطاقة الشمسية الحرارية، محققًا بذلك "لوحة واحدة، فوائد مزدوجة"، وموفرًا حلاً جديدًا للربط الفعال بين نظام PVT ومضخة الحرارة.

أولاً: مقدمة المنتج: قفزة من تقنية الكهروضوئية إلى تقنية الطاقة الحرارية الضوئية

يكمن الابتكار الأساسي لسلسلة BTESolar PVT-E في مفهوم تصميمها "الكهروحراري المزدوج". فعندما تولد الألواح الكهروضوئية التقليدية الكهرباء، تؤدي زيادة درجة حرارة الخلية إلى انخفاض كبير في كفاءة الطاقة - فمقابل كل زيادة قدرها درجة مئوية واحدة في درجة حرارة خلية السيليكون البلورية الكهروضوئية، تنخفض كفاءة الطاقة بنسبة تتراوح بين 0.4% و0.5%. وتحقق سلسلة PVT-E ذلك من خلال دمج نظام تجميع حراري على الجزء الخلفي من اللوحة الكهروضوئية، لاستعادة وإعادة استخدام هذه الطاقة الحرارية المهدرة، مع خفض درجة حرارة تشغيل الخلايا في الوقت نفسه، مما يحقق إنتاجًا مزدوجًا يتمثل في "توليد الكهرباء وإنتاج الحرارة".

من حيث المواصفات الفنية، تُظهر سلسلة PVT-E أداءً متميزًا. فعلى سبيل المثال، يبلغ حجم اللوحة الواحدة في الطراز الرائد PVT580 2279×1134×37 ملم، ووزنها 39 كيلوغرامًا. وتستخدم 144 بطارية من نوع N-type TOPCon نصف الخلية، وتبلغ طاقتها القصوى 580 واط، بكفاءة تحويل كهروضوئي تصل إلى 22.44%. في الوقت نفسه، يعتمد نظام تجميع الحرارة فيها على هيكل تبادل حراري من أنابيب نحاسية، مع 1.2 لتر من سائل موصل مضاد للتجمد من البروبيلين جليكول، ويمكن أن تصل ذروة الطاقة الحرارية إلى 1180 واط. كما يمكنها إنتاج ماء ساخن عند حوالي 60 درجة مئوية. هذا يعني أن إنتاج الطاقة من لوحة PVT واحدة يعادل إجمالي إنتاج الألواح الكهروضوئية التقليدية والمجمعات المسطحة، وقد ارتفع معدل الاستخدام الشامل للطاقة الشمسية لكل وحدة مساحة بشكل ملحوظ إلى أكثر من 80%.

يعتمد منتج PVT-E تصميم التمدد غير المباشر، بضغط تشغيل يبلغ 0.6 ميجا باسكال ونطاق درجة حرارة تشغيل يتراوح بين -40 درجة مئوية و85 درجة مئوية. وهو قادر على التكيف مع مختلف الظروف المناخية، من المناطق الشمالية الباردة إلى المناطق الجنوبية الحارة. يتكون هيكله الأساسي من غطاء زجاجي مقسّى، وغشاء EVA، وخلايا كهروضوئية عالية الكفاءة، ولوحة ألومنيوم ماصة للحرارة، ومسار تدفق لتبادل الحرارة عبر أنبوب نحاسي، وطبقة عازلة من مادة TPT، مما يحقق اقترانًا دقيقًا بين تحويل الطاقة الكهروضوئية وجمع الحرارة. بالمقارنة مع أنظمة الخلايا الكهروضوئية التقليدية، يُمكن لـ PVT-E خفض درجة حرارة سطح المكونات بمقدار 8-15 درجة مئوية، وبالتالي زيادة كفاءة توليد الطاقة بنسبة 8-15% وإطالة عمر خدمة المكونات.

ثانيًا: سيناريوهات التطبيق: تغطية شاملة من المنازل السكنية إلى المناطق الصناعية

بعد دمج نظام الطاقة الكهروحرارية المزدوج (PVT-E) بشكل كامل مع المضخة الحرارية، يمكن تطبيقه على نطاق واسع في سيناريوهات مختلفة وتحقيق إمداد ثلاثي "كهرباء - حرارة - برودة".

1. مساكن خالية من الكربون وفيلات فاخرة

بالنسبة للأسر التي تسعى إلى تحقيق الاكتفاء الذاتي من الطاقة، يمكن دمج نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية مع مضخات حرارية تعمل بالهواء أو الماء لتشكيل نظام طاقة متكامل يجمع بين الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية ومضخة حرارية. يمكن للكهرباء النظيفة المولدة من النظام تشغيل ضاغط المضخة الحرارية مباشرةً، بينما تُستخدم الطاقة الحرارية التي تجمعها مكونات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية كمصدر حرارة منخفض الحرارة للمضخة الحرارية، مما يُحسّن بشكل ملحوظ معامل كفاءة الطاقة (COP) للمضخة الحرارية. وفقًا للحسابات، بعد دمج النظام مع المضخة الحرارية، يمكن تحسين معامل الأداء السنوي (APF) لنظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية بنسبة 25% تقريبًا مقارنةً بالمضخات الحرارية التقليدية التي تعمل بالهواء. يمكن لنظام منزلي قياسي تلبية احتياجات المياه الساخنة المنزلية السنوية، والتدفئة الأرضية الشتوية، ومعظم احتياجات استهلاك الكهرباء المنزلية، محققًا بذلك "صافي استهلاك صفري للطاقة" على مستوى المنزل.

2. المباني العامة والمنشآت التجارية

تتطلب المباني، كالفنادق والمستشفيات والمدارس، كميات كبيرة ومستمرة من الماء الساخن والتدفئة. في مشروع لإحدى المدارس الابتدائية، تم ربط 69 لوحة كهروضوئية حرارية بنظام مضخة حرارية أرضية، لتحل محل غلاية الغاز الأصلية. وتشير التقديرات إلى أن هذا النظام يُمكن أن يُقلل انبعاثات الكربون المرتبطة بالتدفئة بنسبة 80% تقريبًا. في الملاعب الرياضية الكبيرة، وسكن الطلاب الجامعيين، وغيرها من المواقع، يتم ربط نظام الطاقة الكهروضوئية الحرارية بنظام المضخة الحرارية الأرضية لتحقيق إمداد متكامل وذكي للطاقة لتوليد الكهرباء والتدفئة والتبريد وتخزين الطاقة على مدار العام. تُظهر حالة مشروع الطاقة الكهروضوئية الحرارية لشركة Zhengxin Optoelectronics أنه في مصنع طباعة الأحبار، تُولد 280 وحدة كهروضوئية حرارية ما يقارب 700 كيلوواط/ساعة من الكهرباء يوميًا في المتوسط، وتُنتج حوالي 40 طنًا من الطاقة الحرارية. ينتج عن ذلك انخفاض في استهلاك الطاقة للمؤسسة بنسبة 30% على مدار العام، مع فترة استرداد للاستثمار لا تتجاوز ثلاث سنوات.

3. الزراعة والزراعة في المحميات

تعتبر الدفيئات الزراعية سيناريو تطبيق مهم لمضخات الحرارة PVT +. خلال النهار، تمتص مكونات PVT الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء، بينما تقوم أيضًا بجمع الحرارة الزائدة من السطح وتخزينها في خزانات المياه أو تحت الأرض؛ وفي الليل، تستخدم المضخة الحرارية الحرارة المخزنة لتوفير التدفئة للدفيئة، والحفاظ على درجة الحرارة اللازمة لنمو المحاصيل وحل مشكلة استهلاك الطاقة للزراعة في غير موسمها. ويجري حاليًا تطوير نظام مضخة حرارية مدمج يدمج خزانات تخزين الحرارة وPVT، مما يمكن أن يزيد من كفاءة تسخين المياه الساخنة المنزلية بنسبة تصل إلى 30% باستخدام مصدر الحرارة PVT. 

4. استخدام الحرارة الصناعية وتخزين الطاقة الموسمية

في القطاع الصناعي، يمكن لنظام PVT-E توفير التسخين المسبق للحرارة اللازمة للعمليات الصناعية في مجالات مثل الصباغة وتجهيز الأغذية. ومع تبني نظام PVT المقترن بمضخة حرارية، تنخفض تكلفة الوحدة للمياه الساخنة في مصانع الصباغة لتصل إلى 3.1 يوان فقط لكل طن؛ وهو معدل أدنى بكثير مقارنةً بـ 25.9 يوان لكل طن عند استخدام البخار البلدي، و19.5 يوان لكل طن عند استخدام الغاز الطبيعي. وعلاوة على ذلك، يدعم نظام PVT تطبيقات التخزين الحراري العابر للمواسم، حيث يقوم بتخزين فائض الحرارة الشمسية المتولد خلال فصل الصيف ضمن نظام التخزين الحراري الجوفي (BTES)، وذلك لاستخدامه في أغراض التدفئة خلال فصل الشتاء.

ثالثًا: اتجاهات التنمية: الذكاء، والتوحيد القياسي، والعولمة

تمر تقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية مع المضخات الحرارية حالياً بمرحلة انتقالية حاسمة من "الابتكار المحدود" إلى "التطبيق واسع النطاق". ووفقاً لتوقعات القطاع، سيصل معدل النمو السنوي المركب لسوق الخلايا الكهروضوئية الحرارية المتخصصة إلى 9.62% خلال السنوات العشر القادمة.

1. تكامل الأنظمة والذكاء الاصطناعي

لم يعد نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية المستقبلي مجرد مزيج بسيط من الخلايا الكهروضوئية ومضخات الحرارة، بل أصبح منصة ذكية لإدارة الطاقة تعتمد على الذكاء الاصطناعي. يدمج أحدث منتج لمضخة حرارة ثنائية المصدر من شركة شيانشين إنتجريشن مصادر حرارة الهواء والطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية، معتمدًا على خوارزميات ذكية لتحليل كفاءة الطاقة لكلا المصدرين في الوقت الفعلي، والتبديل التلقائي بين أوضاع التشغيل: ففي الأيام المشمسة، تُعطى الأولوية لمصدر الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية؛ أما في الأيام الغائمة والليل، فيتحول النظام تلقائيًا إلى وضع مضخة حرارة الهواء، محققًا بذلك "أولوية كفاءة الطاقة واحتياطيًا مستقرًا". تمثل هذه التقنية التعاونية الذكية ثنائية المصدر اتجاهًا جديدًا لتطوير نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية مع مضخة الحرارة. في الوقت نفسه، يدعم النظام المراقبة عن بُعد عبر شبكة الواي فاي/الجيل الرابع، وإدارة البيانات السحابية، والصيانة الذكية.

2. توحيد المنتج وتكامل المبنى

ويجري تعزيز تطوير توحيد نظام PVT، مع الجهود المبذولة لتحديد عوائق الابتكار وتعزيز التعاون بين الصناعات والمؤسسات البحثية. من خلال تخطيط إنتاج من ستة مواقع وتكامل كامل للسلسلة الصناعية، تقود BTESolar تطوير مكونات PVT نحو اتجاه تجسيد البناء، مما يجعلها قادرة على أداء وظائف توليد الطاقة وتجميع الحرارة والعزل والعزل المائي في وقت واحد، وتحقيق تكامل البناء الكهروضوئي الحراري (BIPVT). 

3. التوافق الفعال بين المضخات الحرارية ذات درجات الحرارة المتوسطة والعالية وأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية

مع تطور المبردات الجديدة (مثل R290 وثاني أكسيد الكربون) وتقنية المضخات الحرارية ذات الضغط ثنائي المرحلة، سيتم دمج تقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية (PVT) بشكل وثيق مع المضخات الحرارية ذات درجات الحرارة المتوسطة والعالية. ويجري مشروع L-Sol في جامعة زيورخ للعلوم التطبيقية (ZHAW) في سويسرا أبحاثًا حول نظام تدفئة يجمع بين تقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية ومضخات حرارية تعمل بالهواء، مع تحسين كفاءة جانب مصدر المضخة الحرارية من خلال تصميم "خزان التخزين البارد". وتُظهر الأبحاث التي أجراها معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (Fraunhofer ISE) أنه من خلال الجمع المبتكر بين مكونات تبديد وامتصاص الحرارة في دائرة التبريد مع مستوى درجة حرارة التخزين، يمكن تحقيق تحسين في الكفاءة يصل إلى 10% أثناء عملية التدفئة.

4. التوليد والتحميل والتخزين المتكامل مع منطقة خالية من الكربون

سيشكل نظام الخلايا الكهروضوئية الحرارية مع المضخات الحرارية ركيزة أساسية لبناء إطار تكامل "المصدر - الشبكة - الحمل - التخزين" في نظام الطاقة الجديد. ومن خلال الاستفادة من خاصية "تخزين الطاقة الحرارية" في المضخات الحرارية، يتم تحويل الطاقة الكهروضوئية المتذبذبة إلى طاقة حرارية للتخزين، مما يتيح التوزيع الأمثل للطاقة من حيث الزمان والمكان. يوفر الجمع بين الخلايا الكهروضوئية الحرارية والطاقة الشمسية الحرارية والمضخات الحرارية وأنظمة التخزين الحراري حرارة العمليات الصناعية التي تصل إلى 250 درجة مئوية لقطاعات الأغذية والكيماويات والورق.

خاتمة

شكّل ظهور نظام BTESolar PVT-E "الكهروحراري المزدوج" حلاً صينياً عالي الأداء والموثوقية في مجال التكامل بين الطاقة الكهروضوئية والحرارية. فمن لوحة واحدة إلى نظام متكامل، ومن مبنى واحد إلى مجمع كامل، يُعيد مسار تقنية "التآزر الكهروضوئي الحراري" (PVT + مضخة حرارية) تشكيل المنطق الأساسي لاستخدام الطاقة. وفي سياق السعي نحو الحياد الكربوني، لا يُعدّ نظام PVT + مضخة حرارية مجرد ابتكار في المنتج، بل يُمثّل أيضاً مستقبلاً أكثر كفاءة وكثافة واستدامة في مجال الطاقة. ومع التطور المستمر للتكنولوجيا والتوسع المتواصل للسوق، يُتوقع أن تترك BTESolar ونظامها PVT-E بصمةً بارزةً في مشهد الطاقة النظيفة العالمي.