ما هي الطاقة الشمسية الكهروضوئية؟

كيف تعمل الألواح الشمسية الهجينة ولماذا هي مهمة في المشاريع التجارية

الطاقة الكهروضوئية الحرارية (الجنديتجمع هذه التقنية بين توليد الكهرباء وجمع الحرارة الشمسية في لوحة واحدة. بدلاً من تركيب وحدات كهروضوئية منفصلة لتوليد الكهرباء ووحدات منفصلة أخرى.المجمعات الحرارية الشمسيةللحصول على الماء الساخن، أنظام بي في تيصُممت هذه التقنية لتوفير كلا مصدري الطاقة من نفس مساحة السطح. تشرح هذه المقالة آلية عمل نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية، والمشاكل العملية التي يحلها، وأماكن استخدامه، ولماذا تفضله العديد من الفرق التجارية على حلول الطاقة الشمسية الكهروضوئية فقط أو حلول الطاقة الحرارية فقط، ومستوى التعقيد المتوقع عند تقييمه للمشاريع التجارية والصناعية الواقعية.

تحتوي العديد من المباني التجارية علىواقع الطاقة المزدوجةيحتاجون إلى الكهرباء للإضاءة والمعدات والتهوية والمصاعد والعمليات التشغيلية العامة، كما يحتاجون إلى التدفئة - غالبًا على شكل مياه ساخنة للاستخدام المنزلي، أو تدفئة للمساحات، أو حرارة للعمليات الصناعية. ومع ذلك، فإن مساحة التركيب الأكثر قيمة - عادةً السطح - محدودة. تتنافس المعدات الميكانيكية، ومسافات الأمان، وقيود التظليل، والمناور، وممرات الوصول، ومرافق السطح على نفس المساحة.

توجد استراتيجية التنافس بين الأطراف لأن هذا الصراع شائع ومكلف ومُقيِّد. بعبارة أخرى، تُعدّ استراتيجية التنافس بين الأطراف وسيلة لـزيادة إجمالي استخدام الطاقة الشمسية لكل متر مربعمن خلال التقاط ليس فقط الكهرباء ولكن أيضًا الطاقة الحرارية التي كانت ستُهدر لولا ذلك على شكل تراكم حراري خلف الخلايا الكهروضوئية.

1. ما معنى PVT؟

PVT تعنيالطاقة الكهروضوئية الحراريةالاسم يصف بدقة ما تفعله هذه التقنية:

الخلايا الكهروضوئية (PV)

يحول ضوء الشمس إلى كهرباء باستخدام الخلايا الشمسية

الحرارية

يلتقط الحرارة القابلة للاستخدام من الطاقة الشمسية وينقلها إلى حلقة سائلة

ألوحة بي في تييدمج هذا النظام وحدة كهروضوئية قياسية مع طبقة امتصاص حراري مثبتة خلف (أو ملتصقة) باللوحة الخلفية للوحدة الكهروضوئية. وتتولى الطبقة الكهروضوئية مسؤولية إنتاج الكهرباء. أما الطبقة الحرارية، فهي مصممة لامتصاص الحرارة المتراكمة في الوحدة الكهروضوئية أثناء التشغيل، ثم نقلها إلى سائل متداول، عادةً ما يكون ماءً، أو خليطًا من الماء والجليكول، أو أي وسيط آخر لنقل الحرارة مناسب للمناخ المحلي وتصميم النظام.

الكهرباء والحرارة من لوحة واحدة

تُنتج وحدة الخلايا الكهروضوئية التقليدية الكهرباء، لكنها ترتفع درجة حرارتها أيضاً - وأحياناً ترتفع كثيراً - لأن جزءاً فقط من الإشعاع الشمسي يتحول إلى طاقة كهربائية، بينما يتحول الباقي إلى حرارة. وفي الأنظمة الكهروضوئية فقط، تُفقد معظم هذه الحرارة في البيئة.في تقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية، يتم التقاط الحرارة عمداً واستخدامها في العمل.

هذه هي الفكرة الأساسية لـ PVT:سطح تجميع واحد، مخرجان للطاقة.

لماذا يُعدّ التعريف مهمًا في السياق التجاري

في قرارات المشاريع التجارية، لا تقتصر التعريفات على الجانب النظري فقط. فالتعريف الواضح يساعد على توضيح ماهية تقنية الواقع الافتراضي والزمني (PVT) وما لا تشمله.

جليد بي في تيلا"نظام طاقة شمسية مع ميزة إضافية مرغوبة." إنه جهاز طاقة مُدمج مُصمم للعمل كجزء منالطاقة الشمسية الحراريةنظام.
جليد بي في تيلاببساطة يتم وضع الطاقة الشمسية الحرارية بالإضافة إلى الطاقة الكهروضوئية جنبًا إلى جنب. عرض القيمة هو أنه يقدم كلا النواتج من نفس المنطقة.
جليد بي في تيلاالأمر لا يتعلق فقط بحداثة التكنولوجيا؛ بل يتعلق بمعالجة قيود مساحة السطح مع تلبية الطلب على الكهرباء والتدفئة.

2. كيف يعمل نظام PVT؟

على مستوى النظام،بي في تييعمل هذا النظام عن طريق تحويل مصدر شمسي واحد - ضوء الشمس - إلى مصدرين مفيدين: الطاقة الكهربائية والطاقة الحرارية. العملية بسيطة من حيث المبدأ وتتبع تسلسلاً واضحاً.

شرح العملية خطوة بخطوة

تصطدم أشعة الشمس بالخلايا الكهروضوئية ← فتتولد الكهرباء

تعمل طبقة الخلايا الكهروضوئية مثل وحدة شمسية قياسية: حيث تقوم الفوتونات بإثارة الإلكترونات داخل مادة أشباه الموصلات، مما ينتج عنه تيار كهربائي مباشر (DC) تتم إدارته بعد ذلك بواسطة محولات أو معدات كهربائية أخرى لتزويد أحمال المبنى أو تصديرها إلى الشبكة.

تتراكم الحرارة خلف الخلايا الكهروضوئية أثناء التشغيل

تمتص الخلايا الكهروضوئية ضوء الشمس، لكن جزءًا ضئيلاً فقط يتحول إلى كهرباء. أما الباقي فيتحول إلى حرارة. ترتفع درجة حرارة الألواح نتيجة امتصاص الطاقة ومحدودية التبريد بالحمل الحراري، خاصة في ظل ظروف أشعة الشمس القوية والرياح الخفيفة.

يقوم جهاز امتصاص الحرارة بإزالة هذه الحرارة ونقلها إلى حلقة سائلة

صُممت الطبقة الحرارية (الممتصة) لامتصاص الحرارة من الجانب الخلفي للألواح الكهروضوئية ونقلها باستخدام سائل. وتبعًا للنظام، قد يكون هذا السائل ماءً أو خليطًا من الجليكول. تقوم مضخة بتدوير السائل عبر الألواح الكهروضوئية الحرارية وصولًا إلى المبادلات الحرارية أو خزانات التخزين.

يتم تخزين الحرارة أو استخدامها مباشرة

يمكن أن تكون الطاقة الحرارية المجمعة كالتالي:

يُخزن في خزان الماء الساخن ويُستخدم لاحقًا لتسخين المياه المنزلية
يتم التوصيل عبر مبادل حراري لدعم تدفئة المساحات
يستخدم في العمليات الصناعية أو التجارية التي تتطلب الماء الدافئ
يُستخدم كمدخل تسخين مسبق لتقليل الحمل على الغلايات أو المضخات الحرارية

تحويل "الحرارة المهدرة" إلى حرارة مفيدة

في الأنظمة الكهروضوئية فقط، تُعتبر الحرارة الناتجة أثناء توليد الكهرباء منتجًا ثانويًا في الأساس. تسخن اللوحة ثم تفقد الحرارة إلى الهواء المحيط.يغير نظام PVT المنطق: فالحرارة التي كان من الممكن أن تُفقد تصبح مورداً - إذا كان المبنى قادراً على استهلاكها.

يُعد هذا شرطًا هامًا للمشاريع التجارية: يكون نظام PVT هو الخيار الأمثل عندما يكون هناكطلب حراري موثوق ومستمرالتي يمكنها امتصاص الحرارة المتجمعة.

مكونات النظام النموذجية (مستوى عالٍ)

أنظام بي في تييتضمن عادة:

ألواح بي في تي(جامعو التحف المدمجون)
حلقة حرارية(أنابيب، عزل، مضخة تدوير)
مبادل حراري(غالباً ما تكون من النوع اللوحي في الأنظمة التجارية)
التخزين الحراري(عادةً ما يكون خزان ماء ساخن)
الضوابط(أجهزة استشعار درجة الحرارة ومنطق لتحديد أولويات جمع الحرارة المفيدة)
المعدات الكهربائية(محولات التيار، والأسلاك، والحماية، والمراقبة)

3. ما هي استخدامات PVT؟

يتم اختيار PVT في التطبيقات التيكل من الكهرباء والحرارة لهما قيمةوحيثما توجد طريقة عملية لاستخدام الطاقة الحرارية الناتجة. وتشمل القطاعات الأكثر شيوعاً الضيافة والرعاية الصحية والمنشآت الصناعية والمباني التجارية الكبيرة.

تطبيقات تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية النموذجية حسب القطاع

قطاع	الاستخدام النموذجي
الفنادق والمنتجعات	الماء الساخن المنزلي + الكهرباء
المستشفيات	الماء الساخن + دعم التدفئة
المصانع	التسخين المسبق لمياه المعالجة، والتجفيف
المباني التجارية	ماء ساخن + دعم جزئي لنظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء

الفنادق والمنتجعات: الماء الساخن + الكهرباء

عادةً ما تحتاج الفنادق إلى كميات ثابتة من الماء الساخن - للاستحمام، وغسيل الملابس، والمطابخ، وخدمات تنظيف الغرف. كما تُعدّ الكهرباء من التكاليف التشغيلية الرئيسية نظرًا لأحمال الإضاءة، وأنظمة التكييف والتهوية، والمعدات. غالبًا ما تكون مساحة السطح في الفنادق محدودة بسبب المعدات الميكانيكية ووسائل الراحة للنزلاء. هذا المزيج يجعل الفنادق مرشحة شائعة للاستثمار في مشاريع الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

المستشفيات: دعم المياه الساخنة والتدفئة

تحتاج المستشفيات إلى مياه ساخنة موثوقة لأغراض النظافة والغسيل وتلبية احتياجات المرضى المتواجدين فيها باستمرار. كما أن العديد منها يحتاج إلى أنظمة تدفئة على مدار العام للتهوية وتوفير المياه الساخنة للاستخدام المنزلي والتحكم في درجة حرارة المبنى. يمكن لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية توفير الكهرباء مع المساهمة في توفير الحرارة اللازمة.

المصانع: التسخين المسبق والتجفيف

قد تستهلك المنشآت الصناعية كميات كبيرة من الماء الساخن أو الحرارة ذات درجات الحرارة المنخفضة إلى المتوسطة، مثل تسخين مياه العمليات. وعندما يكون الطلب الحراري على العمليات ثابتًا ويمكن التنبؤ به، يمكن استخدام الحرارة الكهروضوئية الحرارية كمرحلة تسخين مسبق لتقليل استهلاك الوقود.

المباني التجارية: الماء الساخن + دعم جزئي لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء

قد تختلف نسبة إشغال العقارات التجارية الكبيرة، لكن العديد منها لا يزال يحتاج إلى الماء الساخن لدورات المياه، والمطاعم، والتنظيف، والخدمات. كما تدمج بعض التصاميم الطاقة الحرارية في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء من خلال تبادل حراري مناسب.

القاسم المشترك بين هذه القطاعات بسيط:من المرجح أن تستفيد المباني التي يمكنها استخدام كلا شكلي الطاقة والاستفادة من زيادة إنتاج الطاقة لكل مساحة سطح من تقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية.

4. لماذا نختار نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية بدلاً من نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية أو نظام الطاقة الشمسية الحرارية وحده؟

قرار الاختيارالجنديعادةً ما يكون الدافع وراء اختيار تقنية PVT هو القيود العملية وأهداف المشروع، وليس الابتكار. ويتم اختيارها لأنها توفر مزايا تتعلق بـكثافة الطاقة، واستغلال الأسطح، والاقتصاد في المباني كثيفة الحرارة، والأثر البيئي.

⚡

4.1 زيادة إجمالي إنتاج الطاقة لكل متر مربع

إذا كانت مساحة السطح محدودة، يصبح "إنتاج الطاقة لكل متر مربع" مقياسًا أساسيًا. تنتج منظومة الألواح الكهروضوئية الكهرباء فقط، لكنها لا توفر حرارة قابلة للاستخدام عمدًا.الحرارية الشمسيةتُنتج المصفوفة حرارة ولكنها لا تُنتج كهرباء.يؤدي استخدام الحرارة في نظام PVT إلى زيادة إجمالي الطاقة القابلة للاستخدام التي يتم حصادها لكل وحدة مساحة.

🏢

4.2 تحسين استخدام السطح

يشمل استخدام الأسطح مراعاة التباعدات الآمنة، ومتطلبات الوصول، ومسارات الخدمة لصيانة أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، والتظليل الناتج عن الهياكل الموجودة على السطح، والقيود المتعلقة بالوزن والهيكل، والتخطيط المرئي.لأن تقنية الخلايا الكهروضوئية توفر مخرجين من مساحة واحدة، ويمكن أن يقلل ذلك من القدرة التنافسية بين "منطقة الطاقة الكهروضوئية" و"منطقة الطاقة الشمسية الحرارية".

💰

4.3 فترة استرداد أقصر في المباني كثيفة الحرارة

يعتمد العائد على أسعار الطاقة، وأنماط الاستهلاك، وتصميم النظام. في المباني التي يكون فيها الطلب على الماء الساخن أو التدفئة مرتفعًا، وحيث يكون مصدر الطاقة البديلة للتدفئة مكلفًا، يمكن أن يؤدي استغلال هذا الناتج الحراري إلى تحسين الجدوى الاقتصادية.يمكن أن تساهم أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية في تعويض استهلاك الكهرباء مع تقليل تكلفة الطاقة الحرارية للمبنى في الوقت نفسه.

🌱

4.4 انخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون

من خلال تقليل استهلاك الكهرباء من الشبكة والطاقة الحرارية القائمة على الوقود الأحفوري، يمكن لتقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية أن تدعم أهداف خفض انبعاثات الكربون. وتقوم العديد من المنظمات الآن بتقييم المشاريع ليس فقط من خلال فترة استرداد التكاليف، ولكن أيضًا من خلالخفض الانبعاثات، وإعداد التقارير البيئية والاجتماعية والحوكمة، والحصول على شهادات المباني الخضراء، أو التزامات الشركات بالاستدامة.

5. هل PVT أكثر تعقيداً؟

بالمقارنة مع الطاقة الشمسية الكهروضوئية فقط،نعم—أنظمة بي في تيتُعدّ أنظمة الخلايا الكهروضوئية الحرارية أكثر تعقيداً بطبيعتها لأنها ليست أنظمة كهربائية فحسب، بل هي أيضاً أنظمة حرارية. وتشمل هذه الأنظمة حلقة حرارية ومضخات ووحدات تخزين حراري.

لكن،"أكثر تعقيدًا" لا يعني "معقدًا للغاية".في العديد من المباني التجارية، يندمج الجانب الحراري لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل طبيعي لأن المبنى يحتوي بالفعل على بنية تحتية لتوليد وتخزين وتوزيع المياه الساخنة.

ما الذي يجعل أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية أكثر تعقيداً من أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية فقط؟

يتطلب مشروع الطاقة الشمسية الكهروضوئية فقط ما يلي:

الوحدات الكهروضوئية
الأسلاك الكهربائية، وأجهزة الحماية، والمحولات
هيكل التركيب
المراقبة والربط الشبكي

إضافات نظام PVT:

أنابيب وعزل أنظمة التدفئة المائية
مضخات التدوير
مبادلات حرارية
خزان (خزانات) تخزين حراري
أجهزة الاستشعار ومنطق التحكم الحراري
استراتيجية الحماية من التجمد (عادةً الجليكول)

لذا فإن التعقيد الإضافي يكمن بشكل أساسي فيجانب التكامل الحراري.

لماذا لا يزال الأمر بسيطًا في المباني التجارية

في المباني التجارية التي تحتاج بالفعل إلى أنظمة المياه الساخنة وتشغلها، فإن إضافة حلقة حرارية شمسية تقع عمومًا ضمن النطاق الطبيعي لأعمال الهندسة الميكانيكية وخدمات المباني.

باختصار،تُعد تقنية PVT أكثر تعقيدًا من تقنية PV فقط، ولكن بالنسبة للمباني التي لديها طلب قائم على المياه الساخنة للاستخدام المنزلي أو المياه الساخنة للعمليات الصناعية، فإنها عادة لا تُعتبر "غريبة".إنها عملية تكامل احترافية لأنظمة الطاقة.

شروط "الاختيار الصحيح"

يُعدّ PVT هو الأنسب عندما:

المبنى لديهالطلب المستمر على الماء الساخن
السقف لديهمساحة محدودة
المالك لديههدف طويل الأجل لإزالة الكربون

عندما تتوافق هذه العوامل، يمكن أن يكون نظام PVT حلاً فعالاً لأنهتحقيق أقصى قيمة مستخرجة من كل متر مربع من مساحة تركيب الطاقة الشمسية.

خاتمة

لا تُعدّ تقنية PVT مجرد فئة جديدة من اللوحات. إنهاالنهج على مستوى النظاماستخدام الطاقة الشمسية لمعالجة تحدٍ شائع في المباني التجارية:كيفية تلبية احتياجات الطاقة الكهربائية والحرارية من مساحة سطح محدودة.

بالنسبة للمباني التي تتطلب مياه ساخنة بشكل موثوق، ومساحات تركيب محدودة، وأهداف الاستدامة، توفر تقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية مسارًا عمليًا لـزيادة إجمالي الطاقة الشمسية الملتقطة لكل متر مربعمع دعم أهداف خفض التكاليف التشغيلية وخفض انبعاثات الكربون.

عند تقييمها بفهم واضح للطلب الحراري، ومتطلبات تكامل النظام، وجدوى المشروع الاقتصادية، لا تصبح تقنية الخلايا الكهروضوئية الحرارية تقنية غريبة، بلخيار منطقي للمشاريع التجارية التي يمكنها الاستفادة مما يقدمه.

ما هي الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية؟ كيف تعمل الألواح الشمسية الهجينة ولماذا هي مهمة في المشاريع التجارية؟