حالة هندسية: لوحة شمسية هجينة كهروضوئية-حرارية ونظام مضخة حرارية

دمج تقنيات الطاقة المتجددة يُحقِّق أداءً يفوق مجموع أجزائه. وتُعَد أنظمة الكهروضوئيات الحرارية المتصلة بأنظمة المضخات الحرارية من أبرز الحلول الهجينة المستدامة لتوفير الطاقة للمباني. وعلى عكس الأشكال التقليدية لتقنيات تسخين أو نقل الضوء الشمسي، فإن تقنيات الكهروضوئيات الحرارية قادرة على استخلاص كلٍّ من الكهرباء والحرارة، بينما ترفع المضخة الحرارية الطاقة الحرارية ذات الدرجة المنخفضة إلى درجة حرارة قابلة للاستخدام. وعند دمجها معًا، تشكِّل هذه الأنظمة زوجًا قويًّا، وقد أُثبتت فعاليته واختُبرت في تطبيقات فعلية حول العالم.

كيف يعمل النظام الهجين

مجمِّع الطاقة الشمسية الكهروحرارية (PVT) هو العنصر الرئيسي في هذه المنظومة، ويتكوَّن من خلايا كهروضوئية مُثبَّتة على ماصٍّ حراريٍّ في الجهة المقابلة. وتولِّد الخلايا الكهروضوئية الكهرباء عند تعرضها لأشعة الشمس، بينما يجمع المصّاص الحراري الحرارة الزائدة الناتجة عن الألواح وينقلها إلى سائل يجري داخل المنظومة. ويساعد التصميم المدمج المكوَّن من وظيفتين في هذا المنتج على معالجة إحدى أبرز عيوب الوحدات الشمسية الكهروضوئية التقليدية، وهي ارتفاع درجة حرارتها. وقد أُجريت دراساتٌ على هذه الطاقة في ظروف التشغيل العادية لنظام التبريد الكهروحراري (PVT)، وأظهرت أن كفاءة التحويل الكهربائي تحسَّنت تحسُّنًا ملحوظًا عند استخدام نظام التبريد الكهروحراري (PVT).

يُستفاد بعد ذلك من الحرارة المُجمَّعة كمصدر حراري ذي درجة حرارة منخفضة في دورة مضخة الحرارة، ما يؤدي إلى تقليل الحمل الواقع على الضاغط. وفي العديد من التكوينات، تشكِّل الطاقة الحرارية الناتجة عن الألواح الكهروحرارية الشمسية جزءًا كبيرًا من مجموع الطاقة الحرارية الداخلة إلى النظام. وعلى سبيل المثال، يضمن أسلوب التغذية الزائدة بالسائل تحسُّن تبليل الجدران والاستفادة الكاملة من المساحة السطحية المتاحة لتبادل الحرارة، مما يمكن الضاغط من سحب بخارٍ أعلى كثافةً ويعزِّز الأداء الحراري والكهربائي معًا. وهذه التركيبة الفعَّالة بين التقنيتين تجعل النظام دائرةً مغلقةً، حيث تُستغل الحرارة المهدرة كموردٍ قيّم.

مقاييس الأداء المستخلصة من التركيبات الفعلية

أداء أنظمة المضخات الحرارية الهجينة المدمجة مع الألواح الكهروحرارية (PVT) مثيرٌ للإعجاب، وتؤكِّد البيانات الواقعية ذلك. وقد جرى دراسة هذه الأنظمة الهجينة — والمكوَّنة من حقول مجمِّعات شمسية كهروحرارية (PVT) سعة ١٢ كيلوواط ومضخة حرارية متغيرة السرعة سعة ١٠ كيلوواط — في دفيئة تقع على منصة الاختبار الخاصة بالظروف الشتوية الحقيقية، وذلك من حيث الأداء الحراري والكهربائي. وبقيت درجة حرارة داخل الدفيئة ثابتة عند ١٠ درجات مئوية، بغضِّ النظر عن انخفاض درجة الحرارة الخارجية إلى ما دون -١٠,٥ درجة مئوية طوال فصل الشتاء كاملاً، وتم توريد كمية حرارية قدرها ١١٢٥٣ كيلوواط·ساعة. ونظراً لعدم وجود أي طلبٍ تقريباً على التدفئة خلال فترة خارج الموسم، تم تخزين الجزء الآخر البالغ ١١١٢٥ كيلوواط·ساعة ثم إدراجه ضمن الحمل السنوي للتدفئة، ليصبح إجمالي التوريد الحراري السنوي ٢٢٣٧٨ كيلوواط·ساعة.

من الناحية الكهربائية، أنَّظِمَةُ الـPVT أنتجتْ ٣٨٣٩ كيلوواط ساعةً من الكهرباء خلال السنة، مُغطِّيَةً ٣٦,٧٢٪ من إجمالي الكهرباء المستهلكة من قِبل مضخَّة الحرارة والأنظمة المساعدة. وأظهرت الدراسة أن معامل الأداء الموسمي (CoP) بلغ ٣,٣٨، ما يدل على أن دمج مجمِّعات الـPVT مع مضخَّة الحرارة في الظروف الباردة يحقِّق وفوراتٍ كبيرةً في استهلاك الطاقة ويقلِّل الاعتماد على شبكة الكهرباء التقليدية.

في المباني التجارية، حقَّق النظام المزوَّد بمجمِّعات PVT مساحتها ٣٩٢ مترًا مربعًا معامل أداء تدفئة يتراوح بين ٥,٨ و٦,٣ خلال أسبوعٍ نموذجي. وبلغ معامل الأداء الشامل للنظام ١١,٤ كحدٍّ أعلى، بينما بلغ معدَّل معامل الأداء السنوي ٥,٥. وبلغت فترة استرداد الاستثمار في هذا النظام ٣,٨ سنوات فقط. كما بيَّنت دراسة أخرى أُجريت على مدار السنة أن معدَّل معامل الأداء كان ٢,٩٢ في فصل الشتاء، و٣,٦٩ في فصل الصيف، و٣,٤٦ في الفصول الانتقالية، مع مبخر PVT ذي كفاءة حرارية متوسطة بلغت ٦٠,٣٧٪ وكفاءة حرارية كهربائية إجمالية بلغت ٧٠,١٢٪ لأشهر متوسطة. وهذه النتائج تتعلَّق بالتطبيقات العملية والفوائد الاقتصادية.

التطبيقات والفوائد التكلفة

يمكن أن تكون أنظمة المضخات الحرارية الهجينة المدمجة مع الألواح الكهروحرارية (PVT) مفيدةً بشكل خاص في المواقع التي تشهد طلبًا حراريًّا سنويًّا مرتفعًا، مثل حمامات السباحة ومحال الغسيل والدفيئات. ويمكن لهذه الأنظمة تلبية معظم احتياجات التسخين أو جميعها، كما يمكنها تغطية جزء كبير من متطلبات الطاقة الكهربائية للأجهزة المنزلية في هذا النوع من المواقع عند استخدامها كمصدر «رئيسي» للطاقة الشمسية. وفي السنوات الأخيرة، تم إدخال مضخات حرارية أرضية مدعومة بالألواح الكهروحرارية (PVT-GHPs)، وأثبتت هذه الأنظمة زيادةً في كفاءة الاستخدام الحراري الإجمالية لوحدات PVT تصل إلى ٢٠٪، وانخفاضًا في درجة الحرارة القصوى للوحة الكهروضوئية بنسبة ٢٥,٦٪.

تَتمثَل وفورات التكلفة ليس فقط في استهلاك الطاقة. ففي تطبيق تجاري واحد، وُجد أن النظام قلَّل تقلُّب درجة حرارة تخزين الحرارة في التربة سنويًّا بمقدار ٠,٤°م فقط، وفترة استرداد الاستثمار كانت ٣,٨ سنة. ومع زيادة المسافة بين الثقوب الرأسية، انخفضت فترة استرداد الاستثمار بنسبة ١٨,٨٪. كما أظهر تركيب الألواح الكهروحرارية مع مضخات الحرارة وفورات في استهلاك طاقة الشبكة تصل إلى ٧٠٪، وبالتالي وفورات أيضًا في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والتكاليف الإجمالية على امتداد دورة الحياة!

الانعكاسات المستقبلية

تَحَوُّل الطاقة يقف على عتبة واقعنا، وستُطبَّق لوائح كفاءة استهلاك الطاقة في المباني بصرامةٍ أكبر من أي وقتٍ مضى، بينما ستؤدّي أنظمة المضخات الحرارية الهجينة المدمجة مع الألواح الكهروضوئية الحرارية (PVT) دورًا محوريًّا. وتبيّن هذه التكنولوجيا أيضًا أنَّ أنظمة الطاقة المتجددة يمكن تصميمها بحيث تفوق أداء الأنظمة المدمجة بكثيرٍ أداء كلِّ مكوِّنٍ منها عند العمل منفردًا. وبالتالي، فإنَّ نظام المضخة الحرارية الهجيني المدمج مع الألواح الكهروضوئية الحرارية (PVT) هو حلٌّ راسخٌ واقتصاديٌّ ومفيدٌ للبيئة لأولئك الذين يفكّرون في استثمار مرافقهم لتحقيق الاستدامة الطاقوية.

تأسَّست شركة جيانغسو دي إتش سي للبيئة والتكنولوجيا الخضراء المحدودة عام ٢٠٠٩، وهي تعمل في مجال منتجات الطاقة الخضراء. وباستنادٍ إلى جودتها الرصينة وخدماتها الممتازة، تزود الشركة جميع وحدات الألواح الشمسية الكهروضوئية الحرارية (PVT)، والمضخات الحرارية، وتوربينات الرياح، وبطاريات ليثيوم حديد فوسفات (LiFePO₄) المستخدمة في الأنظمة الهجينة. اتصلوا بنا الآن لتعرفوا كيف تقلِّل حلولنا تكاليف تشغيلكم وتوفر لكم الاستقلال الطاقوي.