هل تتفوّق الأنظمة الشمسية الهجينة على التقليدية في البيئات الحارّة؟
تحليل ميداني مدعوم بالذكاء الاصطناعي
مقدمة: الحاجة إلى كفاءة أعلى في عصر التحول الطاقي
مع اشتداد الحاجة العالمية إلى حلول طاقة أكثر كفاءة واستدامة، تأتي الطاقة الشمسية كخيار لا غنى عنه، مدفوعة بتكلفة منخفضة وتوافر جغرافي واسع. لكن الألواح الكهروضوئية التقليدية (PV) تواجه تحدياً تقنياً كبيراً في البيئات الحارّة: فقدان الكفاءة تحت أشعة الشمس الشديدة بسبب الإجهاد الحراري؛ هذا التحدي يفتح الباب أمام أنظمة الطاقة الشمسية الهجينة، المعروفة بأنظمة الطاقة الكهروضوئية-الحرارية (PVT)، التي تجمع بين إنتاج الكهرباء وتوليد الحرارة في آن واحد. في دراسة تجريبية حديثة، أجراها فريق بحثي من عدة مؤسسات هندية، تمّ تحليل الأداء الفعلي لنظامي PV وPVT باستخدام وحدات بيروفسكايت في ظروف بيئية طبيعية، مع تطبيق خوارزميات تعلم آلي حديثة لتقييم الأداء بدقة عالية.
من النظرية إلى الممارسة: منهجية شاملة لاختبار الأداء
اعتمدت الدراسة على تصميم تجريبي ميداني استمر 10 أيام خلال يوليو 2024، حيث استُخدمت أجهزة استشعار (pyranometers)، ومقاييس حرارة دقيقة، ونظام تبريد بالجاذبية داخل نظام PVT، مع مراقبة الأداء كل ساعة لست ساعات يومياً، وتمّت مقارنة الأداء الكهربائي والحراري للنظامين في ظل نفس ظروف الإشعاع والحرارة والرطوبة.
- نظام PV استخدم لوحاً أحادي البلورة بقدرة 60 واط وكفاءة 15.2%
- نظام PVT استخدم نفس النوع من الألواح، مدمجاً مع أنبوب نحاسي ضمن صفيحة ألومنيوم لنقل الحرارة باستخدام الماء، لتحقيق التبريد واسترجاع الطاقة الحرارية.
النتائج: أداء متفوّق ومضاعفة في إنتاج الطاقة الكلية
أظهرت النتائج تفوّقاً واضحاً لأنظمة PVT من حيث:
- الكفاءة الكهربائية: حافظ نظام PVT على كفاءة تتجاوز 6% خلال فترات الظهيرة، في حين انخفضت كفاءة نظام PV إلى 6.85% تحت نفس الظروف.
- الكفاءة الحرارية القصوى: بلغت 37% لنظام PVT، وهو رقم لافت في بيئة حارّة.
- القدرة الحرارية القصوى: وصلت إلى 6 واط.
- إجمالي الطاقة الحرارية المنتجة : بلغت 7 واط ساعة خلال فترة الدراسة.
- نموذج التعلم الآلي Random Forest حقق دقة تصنيف بلغت 97% في تحديد مستويات الكفاءة (منخفضة، متوسطة، عالية)، بالاعتماد على بيانات الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة.
كما أثبتت الدراسة أن الطاقة الحرارية الناتجة عن نظام PVT تفوق الطاقة الكهربائية بنسبة 291.6%، ما يعزز مفهوم “الاستفادة القصوى” من كامل طيف الإشعاع الشمسي.
الذكاء الاصطناعي والمكونات المتقدمة: عوامل حاسمة لتطور الأنظمة الشمسية
تميزت هذه الدراسة عن غيرها باعتمادها على مقاربة متكاملة تشمل التجربة الواقعية، والتصنيف القائم على التعلم الآلي، والتحليل الطاقي الكامل. وقد بيّن الباحثون أن استخدام خوارزميات مثل Random Forest، يمكن أن يدعم التشغيل التكيفي للأنظمة، عبر التنبؤ بالأداء الفوري تحت تغيّرات الطقس والإشعاع. إضافة إلى ذلك، ناقشت الدراسة أهمية عزل الأنظمة حرارياً باستخدام مواد متقدمة مثل الهلاميات الهوائية (aerogels)، ومواد تغيير الطور (PCMs)، لتحسين احتفاظ الحرارة وخفض الخسائر، مما يعزّز من الأداء الحراري والاستقرار التشغيلي.
الفوائد الاستراتيجية والتطبيقات الممكنة
تعكس نتائج هذه الدراسة إمكانيات استراتيجية هائلة لأنظمة PVT، وخصوصاً في:
- المناطق ذات الحرارة المرتفعة مثل الخليج، وشمال إفريقيا، وجنوب آسيا.
- القطاعات ذات الاستهلاك الحراري العالي مثل الزراعة (تسخين المياه، التبخير)، وتحلية المياه، والتدفئة الصناعية.
- المجتمعات خارج الشبكة التي تحتاج إلى طاقة مستقرة ومتعددة الاستخدامات.
كذلك، تشكّل هذه الأنظمة خياراً فعالاً للدول الساعية لتحقيق أهداف الحياد الكربوني، بشرط توافر الدعم المؤسسي والسياسات المشجعة، وتبني استراتيجيات تصميم ذكية تعتمد على التحليل التنبؤي.
توصيات مستقبلية: نحو بنية تحتية شمسية ذكية ومتكاملة
تشير الدراسة إلى مجموعة من التوصيات لتعزيز نشر وتطوير أنظمة PVT
- دمج أدوات التنبؤ الذكية مثل التعلم الآلي في أنظمة التحكم والمراقبة.
- اعتماد مواد عزل متقدمة لتحسين الفعالية الحرارية.
- تصميم أنظمة هجينة مرنة ومخصصة حسب المناخ والقطاع.
- بناء قواعد بيانات بيئية شاملة لدعم المحاكاة والتحليل.
- تشجيع تصنيع PVT محلياً لتقليل التكلفة وتعزيز تبني التكنولوجيا.
خاتمة: خطوة متقدمة نحو طاقة شمسية أكثر كفاءة واستدامة
تثبت الدراسة أن أنظمة PVT ليست مجرد بديل لأنظمة PV التقليدية، بل تطوّر نوعي يلبّي تحديات الأداء في البيئات القاسية ويعزّز من الكفاءة الكلّية للطاقة المستخرجة من الشمس. ومن خلال دمج تقنيات الذكاء الاصطناعي ومواد متطورة، يمكن لهذه الأنظمة أن تلعب دوراً رئيسياً في البنية التحتية للطاقة المتجددة في المستقبل.
📚 المصدر:
Prasanna Moorthy Venugopal, Kamali Samudram Manickam, Arunkumar Munimathan, Ratchagaraja Dhairiyasamy. Enhancing solar energy efficiency through comparative analysis of photovoltaic and hybrid photovoltaic-thermal systems, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 292, 2025, Article ID 113806. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2025.113806
