إن هواة جمع الطاقة الشمسية الحرارية الهجينة ، التي تعرف أحيانا باسم أنظمة PV / T الهجين أو PVT ، هي الأنظمة التي تحول الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية وكهربائية. تجمع هذه الأنظمة بين الخلايا الشمسية ، التي تحول ضوء الشمس إلى كهرباء ، مع جهاز تجميع حراري شمسي ، والذي يلتقط الطاقة المتبقية ويزيل الحرارة المفقودة من الوحدة الكهروضوئية. وبذلك تكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بشكل عام من الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) أو الطاقة الشمسية الحرارية وحدها. وقد ذهب قدر كبير من البحوث في تطوير تكنولوجيا PVT منذ 1970s.

تعاني الخلايا الكهروضوئية من انخفاض الكفاءة مع ارتفاع درجة الحرارة بسبب زيادة المقاومة. ويمكن هندسة هذه الأنظمة لحمل الحرارة بعيدًا عن الخلايا الكهروضوئية ، وبالتالي تبريد الخلايا وبالتالي تحسين كفاءتها عن طريق خفض المقاومة. على الرغم من أن هذه الطريقة فعالة ، إلا أنها تتسبب في انخفاض أداء المكونات الحرارية مقارنة مع المجمع الحراري الشمسي.

مبادئ
العناصر الفولتية الضوئية (الخلايا الكهروضوئية ، السيليكون المحبب عادة) تحول الضوء الشمسي (المدى المرئي) إلى فرق الجهد والتيار الكهربائي ، في حين أن جزء المستشعر الحراري (الممتص أو “المكثف” …) يستعيد الطاقة الحرارية التي ترسلها الشمس (على وجه الخصوص الأشعة تحت الحمراء التي تفقد عادة في شكل حرارة موزعة بواسطة اللوحة) عن طريق سائل تبريد (هواء أو ماء / جلايكول ، يتم حقنه بواسطة مضخة يتم تشغيلها بالطاقة بواسطة الكهرباء).

يمكن استخدام الكهرباء المنتجة محليًا على الفور أو بعد التخزين (البطارية) ، أو يمكن حقنها في شبكة الكهرباء (إعادة البيع / الاستحواذ).

يمكن توصيل الحرارة المنتجة بأي تركيبات حرارية تقليدية ، تستخدم للتدفئة أو تسخين الهواء أو المياه المنزلية (المياه الساخنة الداخلية ، حمام السباحة ، …) ، وحدة التجفيف ، …

أنواع النظام
يتوفر عدد من جامعي الألواح الكهروضوئية / الفوتونات في فئات مختلفة تجاريًا ويمكن تقسيمها إلى الفئات التالية:

PV / T السائل جمع
PV / T air collector
الكهروضوئية / تا مجمع السائل والهواء
PV / T المكثف (CPVT)

PV / T السائل جمع
يستخدم التصميم الأساسي المبرد بالماء قناة لتوجيه تدفق السوائل باستخدام أنابيب من مواد مختلفة أو صفائح تعلق على الجزء الخلفي من وحدة الكهروضوئية. يحدد ترتيب تدفق السوائل عبر عنصر التبريد أي الأنظمة الأكثر ملاءمةً للأنظمة.

في النظام المعتمد على السوائل ، يتم بعد ذلك توصيل مائع عمل ، عادة ما يكون الماء أو الجليكول أو الزيوت المعدنية عبر هذه الأنابيب أو مبردات الألواح. يتم إجراء الحرارة من الخلايا الكهروضوئية من خلال المعدن ويتم امتصاصها عن طريق السائل العامل (بافتراض أن سائل التشغيل أكثر برودة من درجة حرارة التشغيل للخلايا). في أنظمة الحلقة المغلقة ، يتم إما استنفاد هذه الحرارة (لتبريدها) ، أو نقلها في مبادل حراري ، حيث تتدفق إلى تطبيقه. في أنظمة الحلقة المفتوحة ، يتم استخدام هذه الحرارة ، أو استنفادها قبل عودة السائل إلى الخلايا الكهروضوئية. من الممكن أيضاً تفريق جزيئات النانو في السائل لإنشاء مرشح سائل للتطبيقات PV / T. الميزة الأساسية لهذا النوع من الانقسام هي أن المجمع الحراري ومجمع الطاقة الضوئية يمكن أن يعملا في درجات حرارة مختلفة.

PV / T air collector
يستخدم التصميم الأساسي للهواء البارد غلافًا معدنيًا مجوفًا موصلًا لتركيب الألواح الكهروضوئية (PV). تشع الحرارة من الألواح إلى الفضاء المغلق ، حيث يتم إما تدوير الهواء إلى نظام HVAC لإستعادة الطاقة الحرارية ، أو يرتفع وينفخ من قمة الهيكل.

في حين أن نقل الطاقة إلى الهواء ليس بنفس كفاءة أجهزة تجميع السائل ، إلا أن البنية التحتية المطلوبة لها تكلفة وتعقيد أقل ؛ في الأساس صندوق معدني ضحل. يمكن وضع الألواح الكهروضوئية تكون رأسية أو بزاوية.

PV / T المكثف (CPVT)
يتميز نظام المكثف بتخفيض كمية الخلايا الفولتية الضوئية (PV) اللازمة ، بحيث يمكن استخدام خلايا فوتوفلطية متعددة الوصلات أكثر تكلفة وفعالية ، والتي من شأنها أن تزيد من نسبة الطاقة الكهربائية عالية القيمة المنتجة مقابل القيمة الحرارية المنخفضة. قوة. يتمثل أحد القيود الرئيسية للأنظمة عالية التركيز (أي HCPV و HCPVT) في أنها تحافظ على مزاياه على جامعي c-Si / mc-Si التقليديين فقط في المناطق التي تظل خالية باستمرار من ملوثات الأيروسول في الغلاف الجوي (مثل السحب الخفيفة والضباب الدخاني وما إلى ذلك. ). يتأثر أداء نظام المكثف بشكل خاص لأن 1) ينعكس الإشعاع وينتشر خارج زاوية القبول الصغيرة (غالبا أقل من 1 ° -2 °) للبصريات المجموعة ، و 2) امتصاص مكونات معينة من الطيف الشمسي يسبب واحد أو أكثر سلسلة التقاطعات داخل خلايا MJ إلى ضعف الأداء.

تتطلب أنظمة المكثف أيضًا أنظمة تحكم موثوقة لتتبع الشمس بدقة ولحماية الخلايا الكهروضوئية من ظروف الحرارة الزائدة. في ظل ظروف مثالية ، يمكن جمع حوالي 75 ٪ من طاقة الشمس التي تحدث مباشرة على مثل هذه الأنظمة كالكهرباء والحرارة. لمزيد من التفاصيل ، راجع مناقشة CPVT داخل المقال من أجل الخلايا الكهروضوئية المركزة.

هيكل جامع PVT
كما ذكرنا ، فإن جامع PVT هو عبارة عن رابطة لمجمع فلطائي ضوئي ومبادل حراري. يكون المجمع الكهروضوئي دائمًا من النوع المزجج لتقليل فقد الحرارة.

جامعي مع غرفة الهواء الأمامي
انهم يستغلون تأثير الاحتباس الحراري. يتم استخدامها على وجه الحصر تقريبا لتبادل الحرارة مع الهواء.

جامعي دون الانبوب الداخلي
النوع الاكثر شيوعا. هنا يتم إجراء التبادل الحراري على الجزء الخلفي من المجمع الفوتوفلتي. إنه هيكل إلزامي في حالة التبريد السائل ، لأن المبادل قد يخفي الخلايا الضوئية ، وعلى أي حال فإنه يتميز بوجود موقع خلفي لمواسير الإمداد بالسوائل والاستخراج ، الأمر الذي من شأنه أن يسبب مشاكل في التظليل.

الفتحات السائلة
مقارنة مع جامع PV العادي ، في المشعب السائل هناك إضافة مبادل حراري وعزله. يمكن أن يكون هذا المبادل من أشكال مختلفة ؛ وفي أكثر الحالات تكرارًا ، تتكون من أنابيب نحاسية ملتصقة ، مع تقنيات متنوعة ، إلى اللوح الخلفي أو ، بشكل أكثر فاعلية ، تتكون من مبادل للسندات من الألومنيوم ، مما يسمح بتحويل حرارة أفضل. التبادل الحراري مع جامع السائل فعال جدا لتبريد الخلايا الضوئية ، مما يزيد من إنتاجها.

جامعي التركيز
من خلال التخلي عن استخدام خلايا السليكون وإدخال تقنية الأفلام الرقيقة ، من الممكن تصميم لوحة هجينة ترى استخدام تركيز الطاقة الشمسية. ويرى أحد التطبيقات المثيرة للاهتمام وجود مكثف CPC (من المركب الإنجليزي Parabolic concentrator) في النار التي يتم وضع أنبوب على سطحها الجانبي يتم وضع فيلم من الخلايا الرقيقة (على سبيل المثال CIS أو CIGS). يسمح هذا التكوين بتحقيق غلات أعلى من الخلايا الضوئية (بفضل التركيز) ولكن في نفس الوقت إزالة حرارية أكثر فعالية (حيث أن الخلية بأكملها على اتصال بسائل نقل الحرارة).

التركيب
تركيب لوحات PV-T يشمل:

مثل أي لوحة شمسية ، ألواح تثبيت (عادة ، على السقف)
مثل أي لوحة PV ، وتركيب الكابلات الكهربائية والمعدات المصب (العاكس ، …) ،
مثل أي لوحة حرارية ، أو دائرة تهوية ، إذا تم تبريدها بالهواء ، أو دائرة هيدروليكية مع تراكم الماء الساخن (إذا كانت لوحة PV-T متصلة مباشرة بنظام الماء الساخن المتوفر في الصنبور (وليس للتدفئة فقط) ، من الضروري أن نربط ، عند مخرج المخزن ، صمام أمان مزج حراري ، بحيث لا يمكن حرق واحد بالماء الساخن جداً.

نظام التداول
تقدم العديد من الشركات الفرنسية لوحات هجينة: DualSun ، Sillia (مع امتصاص النحاس) ، ABCD Intl ، وكذلك Cogen’air (تبريد الهواء) و Systovi.

مزايا
كفاءة الطاقة الكلية أعلى بكثير من كفاءة الألواح الكهروضوئية (12-20٪) ، ويرجع ذلك بشكل أساسي إلى المكون الحراري (الذي يقيّم أيضًا الأشعة تحت الحمراء غير المستغلة في الخلايا الفولت ضوئية وحدها – 46٪ من الإجمالي).

بالإضافة إلى ذلك ، الاحتجاز الحراري له تأثيران إيجابيان على إنتاج الكهرباء:

تعمل الخلايا الكهروضوئية بشكل أفضل. في الواقع ، لونها الغامق بسبب ارتفاع درجة حرارتها في الشمس ، أو انخفاض كفاءة توليد الطاقة بها مع الحرارة ، خاصة فوق 45 درجة مئوية. في لوحة PV-T ، يلتقط مجمّع الحرارة السعرات الحرارية الشمسية ، التي تقوم بتبريد الخلايا الكهروضوئية الإنتاج وخاصة خلال قمم الشوائب. يتم حقن الحرارة في جهاز تراكم (مياه الدائرة المغلقة / جلايكول بشكل عام) بفضل التيار الذي تنتجه الخلايا الكهروضوئية ؛ هذا يحسن بشكل ملحوظ إنتاج الكهرباء (حوالي 15 ٪ في منطقة باريس وفقا للمصنعين).

يعمل التبريد الدائم للألواح على تحسين عمر الخدمة وكفاءتها (زيادة COP لمضخات الحرارة عند اقتران المضخة الحرارية).

هذه المزايا واضحة بشكل خاص للألواح في وضع مركزي على السقف.

يتم تخفيض التكلفة المتساوية لتركيب لوحة هجينة مقارنة مع لوحة الطاقة الشمسية الكهروضوئية ولوحة الطاقة الشمسية الحرارية.

يمكن أن تعمل لوحة PV-T المهجنة بشكل أسرع في حالة تساقط الثلج (أو الصقيع أو الضباب) التي تحجبه: يمكن التخلص من هذا عن طريق تدوير سائل نقل الحرارة في الاتجاه المعاكس. كما تشارك لوحة PV-T أثناء الطقس الحار لتقليل الحرارة في علية المنزل ، عن طريق تبريد السقف.