الابتكارات في أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية: التركيز على مجمعات الألواح المسطحة BTE

تطبيقات ودراسات مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة BTE

في توفير الطاقة وحماية البيئة

مقدمة

باعتبارها مصدرًا وفيرًا ومستدامًا للطاقة، تُعدّ الطاقة الشمسية جزءًا لا يتجزأ من الجهود العالمية للتحول نحو بنى تحتية للطاقة أكثر مراعاةً للبيئة. وفي تطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية، تُعرف مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة BTE بكفاءة أدائها وقابليتها للتكيف. تلتقط هذه الوحدات الإشعاع الشمسي وتحوله إلى حرارة، وهي مناسبة لتسخين المياه، والتحكم في مناخ الأماكن المغلقة، وبعض العمليات الصناعية. ومع تزايد التركيز على الحفاظ على الطاقة والعناية بالبيئة، تُقدم تقنيات الطاقة الشمسية الحرارية نهجًا عمليًا لتقليل الاعتماد على الموارد غير المتجددة وخفض البصمة الكربونية. يناقش هذا الاستعراض آليات التشغيل، والاستخدامات، والتطورات الحالية المتعلقة بمجمعات الطاقة الشمسية المسطحة، مع تسليط الضوء على دور نماذج BTE في السياقات المحلية والعالمية.

آلية تشغيل المجمعات الشمسية ذات اللوحة المسطحة

تُعدّ مُجمّعات الطاقة الشمسية ذات الصفائح المسطحة من أكثر الأجهزة الحرارية الشمسية انتشارًا عالميًا. يتكون هيكلها عادةً من خمسة عناصر رئيسية: غطاء زجاجي مُقوّى، ولوح امتصاص مُعالج بطبقة انتقائية (تتضمن أنابيب نحاسية)، وعازل في الخلف والحواف، وغلاف من الألومنيوم مزود بلوحة خلفية. تبدأ العملية عندما يخترق الإشعاع الشمسي الغطاء الزجاجي (عادةً ما يكون زجاجًا مُقسّىً منخفض الحديد) ويتم التقاطه بواسطة الطلاء الانتقائي للممتص (مثل طبقة BTE الزرقاء المُطبّقة بتقنية الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) أو الطلاء الأسود D_DOS). تتحول الطاقة المُمتصة إلى حرارة، تُنقل إلى سائل ناقل للحرارة (عادةً ما يكون مزيجًا من الماء أو الجليكول) يتحرك داخل الأنابيب المُدمجة.

من الميزات المهمة السطح الانتقائي للممتص. على سبيل المثال، تُطبق مجمعات BTE طبقة غشاء زرقاء اللون تُنتج عن طريق الرش المغناطيسي الفراغي (PVD)، باستخدام مواد مثل نتريد التيتانيوم بشكل متكرر. تحقق هذه الطبقة معدلات امتصاص شمسي تزيد عن 95% مع الحفاظ على انبعاثية أقل من 5% - وهي ترقية ملحوظة عن المواد السابقة مثل الكروم الأسود أو النيكل، والتي تُظهر انبعاثًا للأشعة تحت الحمراء يتجاوز 20%. تساعد خصائص الامتصاص العالي والانبعاث المنخفض هذه على الاحتفاظ بالطاقة الحرارية وتعزيز انتقالها إلى السائل.

يُقلل الغلاف المعزول من فقدان الحرارة الموصلة، ويسمح الغطاء الشفاف بدخول ضوء الشمس مع الاحتفاظ بالحرارة - على غرار الدفيئة الزراعية. ثم يُنقل السائل المُدفأ إما إلى وعاء تخزين أو مباشرةً إلى تطبيقات الاستخدام النهائي، بما في ذلك أنظمة الماء الساخن أو التدفئة المنزلية.

الاستخدامات العملية لمجمعات الطاقة الشمسية ذات اللوحة المسطحة

بفضل عملها المستمر وكفاءتها، يتم استخدام المجمعات الشمسية ذات اللوحة المسطحة مثل نوع BTE في مجالات متعددة.

1. تسخين المياه السكنية والتجارية

أحد التطبيقات الرئيسية هو إنتاج الماء الساخن للمنازل والشركات، بما في ذلك المنازل الخاصة والمجمعات السكنية وأماكن الضيافة. صُممت مجمعات BTE المسطحة للاستخدام الدولي، ويمكنها تلبية احتياجات المياه الساخنة المنزلية والتجارية الكبيرة. مثال على ذلك مصفوفة بمساحة 180 مترًا مربعًا تُنتج ما يصل إلى 20 طنًا من الماء الساخن بدرجة حرارة 45 درجة مئوية يوميًا، وهي كافية لأغراض التنظيف والنظافة الشخصية، مما يُقلل بشكل كبير من استهلاك الكهرباء والغاز.

2. دعم تدفئة الغرفة

في المناطق ذات درجات الحرارة المنخفضة، تُكمّل هذه المُجمّعات أنظمة التدفئة التقليدية. تُدمج مُجمّعات BTE في أنظمة التدفئة المُدمجة بالطاقة الشمسية، حيث تُسخّن المياه المُزوّدة للغلايات أو مضخات الحرارة مُسبقًا، مما يُقلّل من استخدام الوقود الأحفوري. يُعدّ هذا مفيدًا بشكل خاص في المباني المعزولة جيدًا، وهو مُطبّق في كلٍّ من المشاريع الجديدة والتحديثات.

3. التطبيقات الصناعية وواسعة النطاق

تخدم المجمعات الحرارية الشمسية أيضًا العمليات الصناعية التي تحتاج إلى حرارة منخفضة إلى متوسطة، بما في ذلك قطاعات مثل إنتاج الأغذية والمنسوجات والغسيل التجاري. تستفيد التطبيقات واسعة النطاق - مثل تدفئة المناطق أو سلاسل الفنادق - من الطبيعة المعيارية والقوية لتصميمات الألواح المسطحة. يستوعب تخطيط النظام المضغوط الخاص بـ BTE متطلبات السعة العالية ودمجه في الإعدادات الصناعية.

4. الأنظمة المدمجة والتكاملات الجديدة

تشمل التركيبات المتطورة أنظمة شمسية مركبة توفر الماء الساخن والتدفئة؛ حتى أن بعضها يُشغّل التبريد بالطاقة الشمسية عبر مبردات الامتصاص. علاوة على ذلك، يمكن لمجمعات الطاقة الشمسية المركبة خلف الجدار (BTE) العمل في تكوينات هجينة من الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية (PV-T)، حيث تُنتج الكهرباء والحرارة في آنٍ واحد من سطح واحد، مما يزيد من إنتاج الطاقة المُجمعة.

مزايا الحفاظ على الطاقة والبيئة

يُحقق استخدام مُجمّعات الطاقة الشمسية ذات الصفائح المسطحة BTE مزايا بيئية كبيرة. يُقلل استخدام الطاقة الشمسية من الاعتماد على الوقود الأحفوري، مما يُؤدي إلى انخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والملوثات مقارنةً بالتدفئة التقليدية. كما أن طريقة الرش المغناطيسي الفراغي المُستخدمة في طلاء الغشاء الأزرق متوافقة بيئيًا، حيث تُجنّب البقايا الصلبة وتمنع تلوث الغلاف الجوي أو الماء.

فيما يتعلق بتوفير الطاقة، يمكن لمنشآت الطاقة الشمسية الحرارية أن تُخفّض استهلاك الطاقة لتدفئة المياه والأماكن بنسبة تزيد عن 45%، وهي ميزة كبيرة، إذ تُشكّل المباني جزءًا كبيرًا من استهلاك الطاقة العالمي. يُحسّن تصميم BTE الفعال وطلاؤها المتفوق من كفاءة حصاد الطاقة الشمسية، مما يجعلها عنصرًا أساسيًا في البناء المستدام.

تعزز هذه الأنظمة أيضًا الاكتفاء الذاتي من الطاقة وتحافظ على استقرار الإمدادات من خلال توسيع مزيج الطاقة وتقليل واردات الوقود. ويؤدي عمرها الافتراضي الممتد (الذي يتجاوز في كثير من الأحيان عقدين من الزمن) وتكاليف تشغيلها الضئيلة إلى تقييم إيجابي لدورة حياتها، ماليًا وبيئيًا.

البحث والتطوير: السياقات العالمية والمحلية

لقد أدى البحث والتطوير المستمر إلى تحسين أداء وقابلية تكييف المجمعات الشمسية ذات اللوحة المسطحة بشكل كبير في ظل الظروف البيئية المتنوعة.

1. التركيز العالمي على البحث والتطوير

على الصعيد الدولي، تهدف الدراسات إلى تعزيز الأداء الحراري وتقليل تبديد الحرارة، لا سيما في المناطق الباردة. وقد قامت الدول ذات الشتاء القارس، بما في ذلك الدول الاسكندنافية، بتحسين العزل واعتماد أسطح انتقائية مثل الغشاء الأزرق المستخدم في مجمعات الطاقة الشمسية خلف الجدار (BTE) لخفض معاملات فقدان الحرارة الإجمالية. كما ركزت المبادرات الأوروبية على دمج أجهزة الطاقة الشمسية الحرارية في العناصر المعمارية، مما يعزز المظهر الجمالي والوظيفي.

في الصين، تبنت شركات مثل BTE تقنيات إنتاج متطورة، حيث أتقنت تقنية الرش المغناطيسي الفراغي لتطبيقات الأغشية الزرقاء التي تحقق امتصاصية عالية وانبعاثية منخفضة، مما يسمح للمنتجات المحلية بالمنافسة عالميًا. كما تركز الجهود على ابتكار مجمعات متكاملة كبيرة الحجم لتبسيط التركيب وتحسين الموثوقية في المشاريع الكبيرة.

2. التطورات التقنية الحالية
تشمل التطورات الحديثة تصميم مجمعات مسطحة عالية السعة، تعادل من خمسة إلى ثمانية ألواح قياسية، مما يقلل من أجزاء الربط والتكاليف. هذه المجمعات مناسبة للدوائر المضغوطة، ويمكن أن تصل درجات حرارة مخرجاتها إلى ما يقارب 95 درجة مئوية، وهي مناسبة لاستخدامات التدفئة.

من المجالات الناشئة الأخرى أنظمة الطاقة المركبة، مثل مضخات الحرارة التي تعمل بالطاقة الشمسية ووحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية. وقد وسّع العمل الأكاديمي، بما في ذلك دراسات حول سخانات الأنابيب الحرارية الحلقية الشمسية والمجمعات الشمسية ثنائية التأثير، نطاق المجمعات الشمسية المسطحة. تُحسّن هذه التركيبات الاستهلاك السنوي للطاقة وتوفر تشغيلًا مستقرًا في ظل تقلبات الطقس.

تدمج منتجات BTE مثل هذه الابتكارات، وتوفر إمكانيات مثل مراقبة تطبيقات الهاتف المحمول والتركيب المرن (على السطح أو الواجهة)، بما يتماشى مع الحركة نحو خيارات الطاقة الشمسية الذكية وسهلة الوصول.

العقبات الحالية والتوقعات المستقبلية

ولا تزال بعض العقبات قائمة. لقد أدى الهدر الحراري في الظروف الباردة إلى تقييد جامعي الألواح المسطحة بشكل تقليدي. تساعد الحلول مثل حلول منع التجمد وآليات التصريف على تخفيف هذه المشكلة. يعالج BTE الاهتمام بالتصميمات لكل من الأجهزة المضغوطة وغير المضغوطة، بما في ذلك الحماية من التجميد.

لا تزال التكلفة الأولية تُؤخذ في الاعتبار، على الرغم من أنها تُوازَن بالوفورات التشغيلية بمرور الوقت وانخفاض التكاليف بفضل التحسينات التكنولوجية والإنتاج الضخم. كما أن الدعم التنظيمي والوعي البيئي المتزايد يُعززان نمو السوق.

يبدو مسار مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة، بما في ذلك إصدارات BTE، واعدًا. وتستمر الأبحاث في مجال المواد المتقدمة (مثل الطلاءات النانوية المُحسّنة)، وطرق العزل الفائقة، وتطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية المدمجة في المباني (BIST). وسيُسهم التوجه نحو المباني ذات الطاقة الصفرية الصافية وشبكات الطاقة الذكية في دمج تقنية الطاقة الشمسية الحرارية بشكل أكبر في خطط الطاقة الحضرية.

خاتمة

تُجسّد مُجمّعات الطاقة الشمسية ذات الصفائح المسطحة BTE تقنيةً مُحسّنةً ومُتطوّرةً باستمرار، وهي جوهريةٌ في تطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية. تضمن هندستها المُتقنة - وخاصةً "الطلاء الانتقائي للأغشية الزرقاء" عالي الأداء - تشغيلًا موثوقًا به في بيئات مُتنوعة، بدءًا من تسخين المياه المنزلية ووصولًا إلى تسخين العمليات الصناعية. تُبرز قدرتها على الحد من انبعاثات الكربون وتوفير الطاقة قيمتها في تخطيط الطاقة المستدامة.

يُحسّن البحث والتطوير المحلي والدولي المستمر من فعالية ومرونة هذه الأنظمة، مما يضمن ملاءمتها لمختلف المناخات واحتياجات التطبيقات. ومع تكثيف المبادرات العالمية من أجل مستقبل أنظف، ستكون مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة BTE والتقنيات المماثلة لها فعّالة في تحقيق أهداف استقلالية الطاقة والحفاظ عليها. ولا يعكس اعتماد هذه التطورات قرارًا تقنيًا فحسب، بل يعكس أيضًا التزامًا بالاستدامة الكوكبية.