مجمع الصفائح المفكوكة: محول الطاقة في الشمس

عندما تستمتع بسخانات المياه الشمسية الدافئة شتاءً، أو تلاحظ صفوف الألواح المعدنية الأنيقة على أسطح المباني، فمن المرجح أنك صادفت "مجمعات الألواح المسطحة" - وهي أجهزة تبدو بسيطة تُغذي منزلك بالطاقة الشمسية. تأخذك هذه المقالة في جولة خلف الكواليس لاستكشاف آلية عمل هذه الأنظمة، من مبادئها الأساسية إلى تطبيقاتها العملية، كاشفةً كيف أصبحت هذه الأنظمة بمثابة رواد مجهولين في مجال الحياة منخفضة الكربون.

ما هو المجمع ذو اللوحة المسطحة؟

المجمع الشمسي ذو اللوحة المسطحة هو جهاز يمتص طاقة الإشعاع الشمسي مباشرةً ويحولها إلى طاقة حرارية لتسخين وسط العمل (عادةً الماء أو الهواء). سُمي بهذا الاسم نسبةً إلى تصميمه ذي اللوحة المسطحة، وهو يختلف عن سخانات المياه الشمسية التقليدية ذات الأنابيب المفرغة من الهواء بإلغاء طبقة التفريغ الزجاجية. بدلاً من ذلك، يسمح هذا المجمع الشمسي بالتعرض المباشر لأشعة الشمس من خلال ألواح معدنية، ويتميز ببنية أبسط وإمكانية تطبيق أوسع في مختلف السيناريوهات.

من منظور تطبيقاتها، تجاوزت المجمعات الشمسية ذات الألواح المسطحة منذ زمن طويل وظيفتها الوحيدة المتمثلة في "تسخين المياه": ففي المباني السكنية، يمكنها توفير الماء الساخن للمنازل؛ وفي المباني التجارية، يمكن استخدامها كمصدر حرارة لأنظمة التكييف المركزية؛ وفي التطبيقات الصناعية، يمكن استخدامها لتجفيف المنتجات الزراعية والتسخين المسبق لمياه الصرف الصناعي. ووفقًا لبيانات رابطة صناعة استخدام الطاقة الشمسية الحرارية الصينية، تجاوز الإنتاج السنوي للصين من المجمعات الشمسية ذات الألواح المسطحة 8 ملايين متر مربع في عام 2024، مع تخصيص ما يقرب من 30% منها لمشاريع البناء المتكاملة، مما يجعلها من "التكوينات القياسية" للمباني الخضراء.

المبدأ الأساسي: ثلاث خطوات لإكمال "تحويل الضوء والحرارة"

إن عملية عمل المجمع اللوح المسطح هي في الأساس "التقاط الطاقة ونقلها" بدقة، والتي تنقسم بشكل أساسي إلى ثلاث خطوات:

1. امتصاص الإشعاع الشمسي

اللوحة الأمامية للمجمع الشمسي هي أهم مكوناته. تُصنع عادةً من سبائك النحاس أو الألومنيوم، وتتميز بطبقة امتصاص انتقائية متخصصة. تتميز هذه المادة المبتكرة بقدرة فائقة: فهي تمتص بكفاءة أكثر من 90% من الإشعاع الشمسي المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة (وهي الناقلات الرئيسية للطاقة في ضوء الشمس)، مع تقليل فقدان الحرارة بالأشعة تحت الحمراء بشكل كبير (بمعدل انبعاث حراري أقل من 10%). وكما هو الحال في بدلة العزل الحراري الماصة للحرارة، يُنشئ هذا التصميم حاجزًا للطاقة يسمح بسهولة امتصاص الطاقة ويقاوم تبديد الحرارة.

2. نقل الحرارة إلى وسط العمل

عندما يمتص اللوح الشمسي ضوء الشمس، ترتفع درجة حرارته بسرعة (غالبًا ما تتجاوز 80 درجة مئوية في الصيف). عند هذه النقطة، تنشط "قناة التدفق" أسفل اللوح —— يحتوي هيكله المبطن بالنحاس على ماء دائر أو مادة مانعة للتجمد. ينقل اللوح عالي الحرارة الطاقة الحرارية إلى سائل العمل داخل القناة عبر التوصيل الحراري، مما يرفع درجة حرارته تدريجيًا، ويكمل عملية تحويل الطاقة من ضوء إلى حرارة إلى سائل عمل.

3. العزل والتداول

لتقليل فقدان الحرارة، يُغلَّف ظهر المجمع وجوانبه بطبقات عازلة للحرارة (عادةً ما تكون رغوة البولي يوريثان أو الصوف الصخري)، بينما يُغطى واجهته الأمامية بغطاء زجاجي (غالبًا زجاج مقسّى منخفض الحديد). يسمح هذا التصميم بنفاذ ضوء الشمس مع منع فقدان الحرارة عبر الحمل الحراري والإشعاع، مما يُحدث تأثيرًا عازلًا يُشبه تأثير البيوت الزجاجية. ثم يتدفق الوسط المُسخَّن عبر نظام الأنابيب إلى خزان المياه أو جهاز التدفئة. بعد التبريد، يعود الوسط إلى المجمع لإعادة تسخينه، مما يضمن إمدادًا مستمرًا بالطاقة.

المزايا التقنية: لماذا تصبح خيارًا جديدًا للبناء الأخضر؟

بالمقارنة مع مجمع الأنبوب المفرغ التقليدي ومعدات التدفئة الكهربائية، تنعكس مزايا مجمع اللوحة في أبعاد متعددة، وهي مناسبة بشكل خاص لتطبيقات البناء المتكاملة:

1. تركيب مرن، مناسب لمظهر المبنى

يمكن دمج مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة، التي يتراوح سمكها بين 8 و15 سنتيمترًا فقط، بسلاسة في الأسقف والجدران وأسوار الشرفات، حتى أنها تحل محل أجزاء من بلاط السقف وتنسجم مع جماليات العمارة. في المقابل، تتطلب مجمعات الأنابيب المفرغة إطارات دعم هيكلية، مما قد يؤثر سلبًا على التناغم البصري للمبنى بعد التركيب. هذا الاختلاف الجوهري يفسر لماذا أصبحت أنظمة الطاقة الشمسية المسطحة الخيار المفضل للمباني السكنية والتجارية الفاخرة.

2. مقاومة قوية للطقس والقدرة على التكيف مع البيئة المعقدة

المجمع ذو اللوحة المسطحة، الذي يفتقر إلى طبقة مفرغة، محصن ضد صدمات البَرَد (يتحمل زجاج غطائه حبات بَرَد يصل قطرها إلى 3 سم)، ويتجنب مشاكل فقدان الفراغ الناتجة عن الاستخدام المطول. في البيئات منخفضة الحرارة، يعمل بكفاءة في درجات حرارة أعلى من 20 درجة مئوية تحت الصفر مع إضافة مادة مانعة للتجمد. في الأجواء الممطرة أو الغائمة، تتفوق قدرته على امتصاص الضوء على قدرة الأنابيب المفرغة، مما يحافظ على إنتاج حرارة ثابت.

3. سهلة الصيانة، وعمر خدمة طويل

تتميز المجمعات الشمسية ذات الصفائح المسطحة بهيكل بسيط خالٍ من المكونات الهشة (مثل أختام الأنابيب المفرغة)، ولا تتطلب سوى التنظيف الدوري لغطاء الزجاج للصيانة. تستخدم الطرازات المتميزة قنوات نقل حرارة نحاسية بالكامل وأغلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يوفر عمر خدمة يتراوح بين 15 و20 عامًا، متفوقةً بشكل كبير على مجمعات الأنابيب المفرغة (التي تتراوح عادةً بين 8 و12 عامًا)، كما توفر تكاليف تشغيل أقل على المدى الطويل.

4. آمن وصديق للبيئة، ولا يحتوي على انبعاثات كربونية

بخلاف سخانات المياه الكهربائية، تُسخّر مُجمّعات الطاقة الشمسية ذات اللوح المسطح الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء دون انبعاثات كربونية. بالنسبة لعائلة مكونة من ثلاثة أفراد تستخدم هذه الأنظمة لتسخين المياه، يُمكن خفض استهلاك الكهرباء السنوي بحوالي 1200 كيلوواط/ساعة، أي ما يعادل خفض 1.2 طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (أي نفس كمية عزل الكربون الناتجة عن زراعة ست أشجار). يُحقق هذا الحل المُبتكر كفاءة في استخدام الطاقة وفوائد بيئية في آنٍ واحد.

الاختيار والصيانة: تجنب هذه "المزالق"

إذا كنت تفكر في تركيب أداة تجميع ذات ألواح مسطحة، فيجب التركيز على النقاط التالية لتجنب الاختيار غير المناسب الذي يؤثر على تأثير الاستخدام:

1. انظر إلى المعايير الأساسية ورفض "المنتجات السيئة"

عند اختيار مُجمّعات الطاقة الشمسية، يُرجى مراعاة ثلاثة معايير أساسية: كفاءة امتصاص الحرارة (≥ 70% وفقًا للمعايير الوطنية)، وفقدان تبديد الحرارة (≤ 8 واط/(م³·℃) وفقًا للمعايير الوطنية)، ومقاومة الضغط (يجب أن تتحمل قنوات التدفق ضغطًا ≥ 0.6 ميجا باسكال). احرص دائمًا على اختيار العلامات التجارية الحاصلة على شهادة CCC لتجنب المنتجات الرديئة التي تفتقر إلى الملصقات المناسبة وخدمات ما بعد البيع —— غالبًا ما تستخدم هذه المنتجات قنوات تدفق من الألومنيوم ذات طلاءات رديئة الجودة، مما يؤدي إلى ضعف كفاءة امتصاص الحرارة وزيادة قابليتها للتآكل والتسرب.

2. اختر النوع وفقًا للطلب، ولا تسعى بشكل أعمى إلى "الحجم الكبير"

تُصنف المجمعات الشمسية إلى نوعين: مضغوطة وغير مضغوطة. تتصل النماذج المضغوطة مباشرةً بأنظمة مياه الصنبور، مما يوفر ضغط ماء مستقرًا للاستحمام المنزلي. تتطلب النماذج غير المضغوطة تركيب خزان مياه عالي الضغط، مما يجعلها مثالية للمناطق الريفية أو المناطق ذات ضغط الماء المنخفض. يجب حساب مساحة المجمع المطلوبة بناءً على احتياجات التدفئة الفعلية —— بالنسبة لأسرة نموذجية تستهلك 150 لترًا من الماء الساخن يوميًا، يكفي تركيب مجمع بمساحة تتراوح بين 2 و3 أمتار مربعة. قد يؤدي استخدام مجمعات كبيرة الحجم إلى هدر الطاقة بسبب سوء توزيع الحرارة.

3. الصيانة اليومية: تشغيل بسيط لإطالة العمر

أثناء الاستخدام المنتظم، نظّف غطاء الزجاج شهريًا بمسحه بقطعة قماش ناعمة مغموسة في الماء (تجنّب استخدام مواد التنظيف المسببة للتآكل). في حال عدم استخدام المجمع لفترات طويلة في الشتاء، صرّف كل الماء من قناة التدفق لمنع تشققات التجمد. افحص وصلات الأنابيب سنويًا واستبدل أي تسربات في أسرع وقت. تضمن خطوات الصيانة البسيطة هذه بقاء المجمع في حالة تشغيل مثالية على مدار العام.

الاتجاهات المستقبلية: أذكى وأكثر كفاءة

مع التقدم التكنولوجي، تتطور مجمعات الطاقة الشمسية ذات الصفائح المسطحة نحو تصاميم "ذكية" و"عالية الكفاءة". على سبيل المثال، تتضمن بعض الطرز الجديدة "أنظمة تحكم ذكية في درجة الحرارة" تتيح ضبط درجة حرارة الماء عن بُعد ومراقبة التشغيل آنيًا عبر تطبيقات الهاتف المحمول. في تكنولوجيا الطلاء، عزز تطبيق "الطلاءات الانتقائية النانوية" كفاءة امتصاص الحرارة إلى أكثر من 95%، مع تقليل خسائر تبديد الحرارة بشكل أكبر. إضافةً إلى ذلك، أصبحت مجمعات الطاقة الشمسية ذات الصفائح المسطحة "المتكاملة حراريًا-كهروضوئيًا" (PVT) مركزًا بحثيًا هامًا، فهي تولد كلًا من الكهرباء والطاقة الحرارية، محققةً كفاءة استخدام طاقة أعلى بنسبة تزيد عن 30% مقارنةً بالألواح أو المجمعات الكهروضوئية المستقلة. ومن المتوقع أن تصبح هذه الابتكارات مكونات أساسية في أنظمة الطاقة المنزلية المستقبلية.

من صفيحة معدنية على أسطح المنازل إلى "مركز الطاقة" في المباني الخضراء، يُظهر تطور مُجمّعات الطاقة الشمسية ذات الألواح المسطحة براعة البشرية في تسخير الطاقة النظيفة. ومع تقدّم أهداف "الكربون المزدوج"، أصبحت هذه الأجهزة الفعّالة والصديقة للبيئة شائعة في المنازل والمباني، مُحوّلةً كل شعاع من ضوء الشمس إلى قوة دافعة لحياة منخفضة الكربون. في المرة القادمة التي ترى فيها تلك الألواح المُرتبة بدقة على الجدار الخارجي للمبنى، قد تبتسم وتُدرك: هذا هو سرّ تحويل ضوء الشمس إلى طاقة حرارية.