نظام هجين للطاقة الشمسية الحرارية الكهروضوئية مع مضخات حرارية وتخزين حراري بالآبار

Image Source: Energy Technology – KTH

سعى فريق من العلماء الأوروبيين إلى الجمع بين الطاقة الشمسية الحرارية الكهروضوئية (PVT) جنبًا إلى جنب مع مضخة حرارية (HP) وتخزين حراري للطاقة باستخدام الآبار (BTES) لتوفير الطاقة لمزرعة خنازير إيطالية.

وأوضحوا أن هذا البحث مهم ويمثل حاجة ملحة، حيث يوجد نقص في الأنظمة المتكاملة في القطاع الزراعي التي تجمع بين مجمعات PVT و BTES ومضخات حرارية، وأضافوا أن العمل يجمع بين أحدث التقنيات لمواجهة تحديات الطاقة في القطاع الزراعي، وفحص التآزر بين توليد الطاقة الشمسية والتخزين الحراري الفعال وتطبيق مضخات الحرارة.

تم تركيب النظام الجديد لدعم حظيرة الحضانة في مزرعة تقع في مقاطعة مودينا شمال إيطاليا. كان استهلاك الحظيرة يبلغ 90 ميجاوات ساعة من الغاز البترولي المسال (LPG) سنويًا قبل البدء بالمشروع، حيث كان 30 ميجاوات ساعة منها للتدفئة و 60 ميجاوات ساعة للماء الساخن للاستخدام المنزلي. وأشار الباحثون إلى أن التدفئة ليست ضرورية في الصيف.

بننى العلماء نظامًا يستخدم 24 مجمعًا للطاقة الشمسية الحرارية الكهروضوئية تعتمد على خلايا أحادية الكريستال وممتص حراري. وقدرة كل منها تبلغ 320 وات، بإجمالي قدرة للمشروع تبلغ 25 كيلو وات من الحرارة و 7.68 كيلو وات من الكهرباء، حيث يتم استخدام الأخيرة لتلبية احتياجات الحظيرة ومضخة الحرارة. تستخدم مضخة الحرارة الماء 35 كيلو وات خليطًا من الماء والإيثيلين جليكول المضاد للتجمد بتركيز 35٪.

وأوضحوا أن نظام PVT مصمم لاستخدام الطاقة الحرارية للمجمعات لتسخين سائل نقل الحرارة (HTF). ثم يتم توجيه التشغيل المُسخن إلى تخزين الطاقة الحرارية باستخدام الآبار (BTES) باستخدام أنابيب على شكل حرف U، حيث يتم تخزين الحرارة في طبقة المياه الجوفية الرملية الضحلة. توجد مجموعة أخرى من أنابيب على شكل حرف U في BTES لنقل الحرارة المخزنة إلى الجانب البارد من مضخة الحرارة.

في هذا النظام، يتم استخدام BETS كتخزين حراري موسمي يمكنه تسخين الحظيرة في أشهر الشتاء. يبلغ حجم تخزين البئر 22 ميجاوات ساعة، على حجم 5405 متر مكعب. ويتم التحكم في جميع عمليات النظام وتحسينها بواسطة وحدة تحكم مركزية للطاقة الشمسية (SC) تم تطويرها لهذا المشروع.

وصرحت المجموعة أنه تم تصميم وحدة تحكم مركزية جديدة وحدوية لتحقيق تصميم موحد يُستخدم كأساس للمنشآت الأخرى ضمن مشروع RES4LIVE. تم القيام بذلك لمعالجة إحدى العقبات الرئيسية أمام اعتماد تقنيات الطاقة الشمسية الحرارية والطاقة الشمسية الحرارية الكهروضوئية، وهي التعقيد النسبي لتركيبها وتكوينها مقارنة بالأنظمة التقليدية.

بما أن النظام تم تركيبه مؤخرًا فقط، فقد تمكن العلماء من تقديم نتائج حرارية وتحليل BTES لشهري مايو ويونيو 2023. ومع ذلك، بسبب اللوائح المحلية، لم يتمكنوا من إجراء قياس للكهرباء، وبالتالي استخدموا برامج لمحاكاة ذلك.

وفقًا لتحليلهم، كان إجمالي الطاقة الحرارية التي ينتجها نظام PVT ‏1807 كيلووات ساعة في مايو و 2200 كيلووات ساعة في يونيو. وأوضحوا حيث كشف تحليل إنتاج الحرارة أن الطاقة الحرارية المتاحة للتخزين خلال شهر مايو كانت أقل من شهر يونيو، ويمكن أن السبب في  ذلك يرجع إلى انخفاض كمية الإشعاع الشمسي.

أما بالنسبة لنظام BTES، فقد وجد العلماء أن الحرارة كلها ظلت داخل حدود البئر دون تبديد بسبب تدفق المياه الجوفية. كما استنتجوا باستخدام المحاكاة الرقمية أن طبقات المياه الجوفية يمكنها التعامل مع طاقة حرارية شمسية أكبر بكثير لدعم نظام PVT حتى 50 كيلووات.

ووفقًا للمحاكاة، بلغ إنتاج الكهرباء 0.86 ميجاوات ساعة لشهر مايو و 1.11 ميجاوات ساعة لشهر يونيو. وصرح العلماء أنه أدى المشروع إلى استبدال استهلاك الطاقة القائم على الوقود الأحفوري لحظيرة الحضانة بمصدر للطاقة المتجددة (RES) وإجراءات تحسين الكفاءة الإضافية، مما أدى إلى خفض 20.850 طن من CO2 سنويًا.

المصدر: Experimental assessment of a solar photovoltaic-thermal system in a livestock farm in Italy