أسطح شمسية تقوم أيضا بالتدفئة

انظر إلى لوحة شمسية في يوم مشمس ومعظم الطاقة التي تسقط عليها لا تفعل شيئا مفيدا. وتحول الخلايا 15 إلى 20% من الضوء إلى كهرباء؛ ويتحول 65 إلى 70% منه إلى حرارة، مما يسخن اللوحة ويجعلها أقل كفاءة (IEA SHC Task 60, 2020). ويضع المجمع الفلطاضوئي الحراري مبدل حراري خلف الخلايا، وينقل تلك الحرارة إلى خارج الماء أو الهواء، ويستخدمها في المياه الساخنة، أو تدفئة الأماكن أو مضخة حرارية.

الموجز الصادق: وتعمل نظم PVT، وهي تباع اليوم ويمكنها أن توفر وحدتين إلى ثﻻث وحدات من الحرارة مقابل كل وحدة كهرباء من نفس السقف، ولكنها ﻻ تسترد قيمتها إﻻ حيثما يكون هناك استخدام ثابت للحرارة المنخفضة الحرارة، وما زالت تكاليفها المقيسة أعلى من تكاليف اﻷلواح والمجمعات المنفصلة في معظم اﻷماكن. وتشرح هذه الصفحة السبب، مع أرقام.

ما هو

ومجمّع PVT هو لوحة شمسية ومجمع حراري شمسي في إطار واحد. هناك ثلاث مجموعات رئيسية (IEA SHC Task 60, 2020):

• مجمعات المياه المكشوفة تبدو مثل الألواح العادية مع مبدل حراري مسطح ملصق بالخلف. إنها باردة، وهذا يتناسب مع الخلايا، وتفقد الحرارة بسهولة إلى الرياح. وتمثل هذه النظم 61 في المائة من الطاقة الحرارية المركبة على مستوى العالم، وغالباً ما تستخدم كمصدر للحرارة للمضخات الحرارية.
• مجمعات مغطاة (زجاجية) (ب) إضافة ورقة زجاجية ثانية وفتح فجوة هوائية عازلة أمام الخلايا. وتصل إلى درجة حرارة 50-60 درجة مئوية التي يحتاجها الماء الساخن المنزلي، ولكن الزجاج الإضافي يعكس بعض الضوء وتعمل الخلايا بدرجة حرارة أعلى، وبالتالي فإنها تنتج كهرباء أقل.
• مجمعات الهواء (ب) نفخ الهواء خلف الألواح واستخدامه في تسخين أو تهوية المبنى. وتمثل هذه الوحدات 33 في المائة من الطاقة المركبة لمشروعات الطاقة المتجددة.

وتوجد تصاميم أنبوبية مركزة ومفرغة ولكنها تلعب دوراً ثانوياً (IEA SHC, Solar Heat Worldwide 2025).

كيف يعمل

The light budget. On a clear day about 1,000 W of sunlight reaches each square metre of a panel facing the sun; 800 W is a more typical bright hour. وتحول خلية السيليكون الجزء من الطيف الذي يمكنها استخدامه إلى كهرباء. أما الباقي فينعكس أو يمر عبر الخلية أو يتحول إلى حرارة فيها.

الحرارة تجعل الخلايا أسوأ وتنخفض الكفاءة الكهربائية لخلية السيليكون البلوري انخفاضا خطيا تقريبا مع درجة حرارتها: η_el = η_ref × (1 − β × (T_cell − 25 °C))حيث β يبلغ حوالي 0.4 في المائة لكل كلفن (النطاق المقيس هو 0.2 إلى 0.5 في المائة). وبعبارة بسيطة: لوحة تحمل علامة كفاءة قدرها 20 في المائة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية توفر نحو 18.4 في المائة عندما تكون خلاياها في درجة حرارة 45 درجة مئوية، وهو أمر طبيعي في يوم مشمس (سكوبلاكي وباليفوس، 2009).

جمع الحرارة. تتبع الحرارة التي ينتجها المجمع المعادلة الواردة في معيار الاختبار EN ISO 9806: η_th = η_0 − a_1 (T_m − T_a) / G − a_2 (T_m − T_a)² / G. هنا η_0 هي حصة ضوء الشمس التي تصبح حرارة مفيدة عندما يكون السائل في درجة حرارة الهواء (حوالي 61% هو نمط PVT)، و T_m هي متوسط درجة حرارة السائل، و T_a درجة حرارة الهواء، و G ضوء الشمس بالواط لكل متر مربع، و a_1، و a_2 يصف سرعة تسرب الحرارة. In plain words: the hotter you want the water, the less heat you collect, and an uncovered collector, with no glass cover to keep the wind off, loses heat much faster than a covered one.

المقايضة الماء البارد يساعد مرتين: الخلايا تعمل بصورة أكثر برودة وتنتج كهرباء أكثر قليلاً، والمجمع يجمع المزيد من الحرارة. الماء الساخن يؤلم مرتين وهذا هو السبب في أن المضخات الحرارية والمضخات الحرارية شريكان طبيعيان: فالمضخة الحرارية تحتاج إلى مصدر يتراوح بين 5 و20 درجة مئوية، وهو بالضبط حيث يكون مجمع المضخات الحرارية المكشوف أكثر كفاءة. وعندما يكون السائل أبرد من الهواء، فإن المجمع المكشوف يستخرج الحرارة من الهواء ليلا ونهارا مما يتيح له أن يحل محل الوحدة الخارجية للمضخة الحرارية الهوائية أو يعيد شحن الأرض المحيطة به. مضخة حرارية أرضية حفر الآبار. يسمح لك الشرح أعلاه بمحاولة هذا.

النسبة. لأن المزيد من الضوء يتحول إلى حرارة أكثر من الكهرباء، “يتم توليد وحدتين أو أكثر من الطاقة الحرارية لكل وحدة من الطاقة الكهربائية، اعتمادًا على كفاءة الخلية وتصميم النظام” ().المهمة 60 للوكالة الدولية للطاقة الذرية، 2020).

الحدود

نظري وتوفر أشعة الشمس كحد أقصى نحو 1 كيلووات للمتر المربع في الظهيرة، ويتراوح متوسطها على مدار السنة بين 100 و300 واط للمتر المربع حسب خط العرض والطقس. ولا يمكن لأي جامع أن يقدم طاقة أكثر مما تسقط عليه (باستثناء حرارة مصدر الهواء التي يستمدها جامع غير مغطى عندما يكون أبرد من الهواء، وهو ما هو فيزياء المضخة الحرارية، وليس ضوء الشمس الإضافي). وتحدد الخلية سقف الكهرباء: حوالي خُمس الضوء بالنسبة للسيليكون التجاري. ويتم تحديد الحد الأقصى للحرارة بدرجة الحرارة التي تحتاج إليها: عند درجة حرارة 60 درجة مئوية، يفقدُ المجمع بالفعل جزءاً كبيراً مما يجمعه.

عملي

• يجب أن يكون للحرارة استخدام قريب ولا يمكن بيع الحرارة المنخفضة الحرارة في شبكة كهربائية مثل الكهرباء. في عصر مشمس من شهر يوليو، لا يوجد مكان لوضع المزيد من الحرارة في منزل به خزان ماء ساخن كامل، لذلك يتوقف المجمع عن التجميع (“الركود”) ويسخن مثل لوحة عادية. وتحديد حجم الجانب الحراري للطلب الحقيقي أهم من أي تفاصيل عن المجمع.
• حدود درجات الحرارة. ومعظم الألواح مصدقة لدرجات حرارة الخلية حتى حوالي 85 درجة مئوية. ويمكن أن يقترب من ذلك المجمع المغطى الذي يترك راكدا في الصيف، مما يؤدي إلى تقدم المواد المكبسة والمفاصل اللحمية.
• تجارتان على سقف واحد وتحتاج شركة PVT إلى كهربائي وسباك، ومجموعتين من المعايير (المعايير IEC 61215 و61730 للجانب الكهربائي، والمعيار EN ISO 9806 للجانب الحراري)، ولم يكن لديها حتى وقت قريب معيار واحد للاختبار. يدرج خبراء الوكالة الدولية للطاقة الكلفة، والاختبار والمهارات المركبة، وليس الفيزياء، كحواجز (IEA SHC Task 60 position paper).
• المنافسة من الألواح الرخيصة. وأصبحت الألواح العادية رخيصة إلى درجة أن السقف يمكنه في كثير من الأحيان استيعاب ألواح ضوئية شمسية منفصلة ومجمع حراري شمسي صغير، أو ألواح ضوئية شمسية بالإضافة إلى مضخة حرارية من مصدر هوائي، بتكلفة أقل من نظام PVT.

المشاريع الفعلية، المقيسة

المشروع	ما هو	ما تم قياسه أو الإبلاغ عنه	المصدر
26 نظاماً مثالياً في المهمة 60 لبرنامج الوكالة الدولية للطاقة الذرية المتعلق بالسلامة والصحة المهنيتين (أوروبا وما بعدها، 2020)	المياه الساخنة المنزلية، والمضخات الحرارية والنظم الصناعية، التي يجري رصدها لمدة سنة تقريبا	Covered PVT for hot water: up to about 700 kWh of heat per m² a year; uncovered: about 400. Electrical performance ratio 0.66 for covered and 0.75 for uncovered collectors (ordinary PV: 0.7 to 0.85). Heat pump systems using uncovered PVT as their only source reached a seasonal performance factor of about 3 in Switzerland	شوبرت وزينهاوزيرن، 2020
قاعة البلدية الجديدة، فرايبورغ، ألمانيا (2017)	أجهزة جمع المياه الساخنة من PVT في مبنى مكاتب صافي مضافا إليه الطاقة	Designed to deliver 22 MWh of heat a year against a hot water demand of 145 MWh. The measured demand was only 24 MWh a year, so the collector field was far too large, ran hotter and delivered less heat per m². Solar fraction 29.6%; electrical output as expected	المهمة 60 من مهام الوكالة الدولية للطاقة الذرية، النظم الحالية لنقل الطاقة
كارروسيري بفيستر، هيريزاو، سويسرا	اكتشاف نقطة ضعف في مبنى صناعي	106 كيلووات/ساعة من القدرة الكهربائية و324 كيلووات من القدرة الحرارية (الطاقة المحددة، غير المقاسة)	IEA SHC، الحرارة الشمسية في العالم 2025
ساحة رياضية جديدة، النمسا	1,130 m² of PVT with 80 ground probes and a 540 kW heat pump	مصمم لتلبية طلب على الحرارة قدره 1.4 جيغاواط/ساعة سنوياً بدون وقود أحفوري (الشكل التصميمي)	IEA SHC، الحرارة الشمسية في العالم 2025
السوق العالمية، 2024	46 صانعاً يقدمون تقارير	37.5 MW thermal and 18.6 MW electrical installed in 2024; France (629,136 m²), Germany and the Netherlands lead	IEA SHC، الحرارة الشمسية في العالم 2025

إن قضية فرايبورغ هي الدرس الأكثر فائدة في هذه الصفحة: فقد نجحت أجهزة جمع المياه، ولكن التنبؤ بكمية الماء الساخن الذي سيستهلكها المبنى لم يحقق ذلك. ولا تزال البيانات المنشورة والمقاسة بشكل مستقل عن نظم النقل بالسكك الحديدية نادرة؛ ومعظم الأرقام مستمدة من مشاريع تجريبية.

ما هي تكلفتها

الخيار	التكلفة لكل كيلووات ساعة	السنة والمصدر
PVT، نظم جيدة الحجم في عينة المهمة 60	الكهرباء حوالي 0.20 يورو؛ التدفئة أقل من 0.10 يورو	2020, شوبرت وزينهاوزيرن
متوسط عينة المهمة 60	الكهرباء 0.10 إلى 0.15 يورو؛ التدفئة 0.25 يورو (مغطاة) إلى 0.45 يورو (غير مغطاة)	2020، المصدر نفسه (يعتمد على كيفية توزيع التكاليف بين الحرارة والطاقة)
PVT، نموذجي	electricity €0.20; heat €0.22	لاملي (2019)، المشار إليه في التقرير نفسه
النقطة المرجعية: ألواح شمسية على سطح المبنى نفسه	حوالي 0.19 دولار المركزي	لنا نموذج الحائط المروحي
الطاقة الشمسية التجارية والمجتمعية على الأسطح، الولايات المتحدة	$0.09 to $0.20	حزيران/يونيه 2026 Lazard LCOE+ الإصدار 19
المياه الساخنة بالطاقة الشمسية، أوروبا	0.03 يورو (الجنوب) إلى 0.19 يورو (الوسط والشمال) لكل كيلووات ساعة من الحرارة	2015، ESTIF، استشهد به Schubert وZenhäusern
حرارة من مرجل غاز، أسر الاتحاد الأوروبي	حوالي 0.14 يورو لكل كيلووات ساعة من الحرارة (الوقود فقط: الغاز بسعر 0.1228 يورو لكل كيلووات ساعة، مرجل فعال بنسبة 90 في المائة)	النصف الثاني من عام 2025، المكتب الإحصائي للجماعات الأوروبية

ماذا يقول الجدول: أفضل أنظمة PVT تنتج الحرارة بالفعل بأقل من تكلفة وقود المراجل الغازية في أوروبا والكهرباء بسعر ألواح الأسطح تقريبا، ولكن النظام التجريبي المتوسط لا يفعل ذلك. وهذا التباين هائل لأن قيمة الحرارة تعتمد كلياً على ما إذا كانت تستخدم أم لا. وقد حدد خبراء الوكالة الدولية للطاقة هدف خفض تكاليف جامعات PVT بمعامل يتراوح بين 1,5 و2 من خﻻل الحجم والتكنولوجيا )ورقة موقف بشأن المهمة 60).

حيث يمكنها الفوز، وحيث لا تستطيع

ويمكن أن يفوز:

• المباني التي تحتاج إلى حرارة طوال السنة ولها سقف صغير: - مجمعات سكنية، فنادق، مستشفيات، حمامات سباحة، غسالات، قاعات رياضية. كل متر مربع يقوم بوظيفتين
• كمصدر للحرارة لمضخة حرارية. ويمكن أن يحل الغاز الطبيعي المكشوف محل وحدة خارجية مضطربة أو إعادة شحن حقل حفر بحيث لا يتبخر على مر السنين، وهو ما أدى إلى معظم النمو الأخير.
• أماكن دافئة ومشمسة مع طلب على الماء الساخن، حيث يمكن للمجمعات المغطاة تلبية معظمه؛ ووصل نظام المهمة 60 إلى حصة شمسية بنسبة 70 في المائة.
• حرارة صناعية منخفضة (غسل، تجفيف، تسخين مسبق)، حيث يكون هناك استخدام كل يوم من أيام السنة.

لا يمكن أن يفوز:

• حيث لا يوجد مستخدم للحرارة وقد تكون الألواح العادية أفضل من حيث تدفئة منزل عطلة أو مكتب لا يتوفر فيه سوى القليل من المياه الساخنة، أو منزل تسخينه مضخة حرارية مزودة بوحدة خارجية خاصة بها.
• عند درجات حرارة عالية. والبخار وحرارة العمليات التي تزيد على 80 درجة مئوية تقريباً تتجاوز ما يمكن أن تتحمله الخلايا الفلطاضوئية؛ التخزين الحراري يناسب أفضل.
• On price alone against cheap panels, until installation becomes as routine as ordinary PV.

ما هو مؤكد وممكن ومقبول

Proven: the temperature penalty of silicon cells; the collector physics of EN ISO 9806; that PVT collectors deliver both electricity and heat in real buildings, with measured yields of roughly 400 to 700 kWh of heat per m² a year; that uncovered PVT can serve as the sole source for a heat pump with a seasonal performance factor near 3 in Switzerland; that oversizing the heat side lowers the yield.

معقول: (ب) أن الإنتاج بالحجم الكبير والمعدات القياسية يمكن أن يخفض التكاليف بمعامل يتراوح بين 1.5 و2؛ وأن المضخات الحرارية المزودة بنظام PVT يمكنها إزالة الكربون من مجمعات المدن الكثيفة حيث لا توجد مساحة للوحدات الخارجية أو الآبار؛ وأن الاتصال الحراري الأفضل بين الخلايا والممتص يزيد من كلتا العائدتين.

المضاربة: التبريد الإشعاعي الليلي الذي يحركه PVT على نطاق مفيد (يثبت في البحوث، ونادراً ما يكون في المباني)؛ ومتانة طويلة الأجل للصلة بين الخلية والممتص على مدى 25 سنة من الدورات الحرارية؛ وواجهات PVT المتكاملة مع المبنى بسعر تنافسي.

أسئلة البحث المفتوحة

• كيف تتقادم الروابط بين الخلايا والممتصات ومواد التغليف في ظل الدورة الحرارية اليومية والركود الصيفي؟ Twenty-five-year field data does not yet exist.
• ما هو التقسيم الصحيح بين مدة الحياة العملية للطاقة الشمسية والطاقة الفلطاضوئية العادية وطول الحفر في نظام المضخة الحرارية، وما مقدار تمديد فترة حياة الحفر بالفعل نتيجة لتجديد مدة الحياة العملية للطاقة الشمسية؟
• :: هل يمكن لمعيار اختبار واحد مشترك واعتماد واحد أن يقلصا من تكلفة ووقت طرح منتج من منتجات التكنولوجيا الحيوية في الأسواق؟
• كيف ينبغي للمركبين أن يحددوا حجم جانب الحرارة عندما يكون الطلب الحقيقي على المياه الساخنة غير مؤكد إلى هذا الحد، كما أظهرت فرايبرغ؟
• هل يمكن للمبادلات الحرارية البوليمرية المنخفضة التكلفة أن تعادل تلك المعدنية من حيث نقل الحرارة وطول العمر؟

ما يحتاجه النموذج الأولي العامل

وبالنسبة للمخترع الذي لديه تصميم جديد لنظام التحكم في الحركة، فإن الدليل الذي يهم هو جهاز جمع يقاس تحت الشمس، باستخدام أجهزة استشعار معارة، لفترة طويلة بما فيه الكفاية لرؤية الأيام الجيدة والأيام السيئة على حد سواء.

المرحلة	العمل	ماذا يثبت	التكلفة الإجمالية	الوقت
0. Desk study	نموذج نقل الحرارة للتصميم، المقارنة مع البيانات المنشورة عن المجمعات، تقدير التكاليف	الفكرة تتفوق على برامج التعلم عن بعد الموجودة على الورق	$5k to $15 ك	1 to 2 months
1- اختبار منضدي وخارجي لجهاز جمع واحد	قياس الناتج الكهربائي (المنحنيات I-V) والكفاءة الحرارية عند درجات حرارة مختلفة للسوائل، وفقاً للأساليب EN ISO 9806 وIEC 60891، في مختبر معتمد أو بنظام جامعي دقيق	القيم الحقيقية η_0 وa_1، وعقوبة درجة الحرارة الكهربائية	$15k to $40 ألف	3 إلى 4 أشهر
2 - النظام التجريبي الصغير	10 إلى 20 مترا مربعا لتغذية خزان حقيقي للمياه الساخنة أو مضخة حرارية، مع عدادات للحرارة وعدادات للكهرباء ومحطة للأرصاد الجوية، سنة واحدة	الغﻻت الموسمية، سلوك الركود، الموثوقية	$40k to $100 ألف	12 شهرا
3 - إصدار الشهادات	IEC 61215 و61730 (السلامة الكهربائية والمتانة)، Solar Keymark (حراري)، الموافقات على المباني	منتج يمكن بيعه والتأمين عليه	$60k to $150 ألف	9 إلى 12 شهرا

المراحل من 0 إلى 2 تكلف حوالي $60,000 to $155,000. هذه هي تقديراتنا من تكاليف المختبرات والرصد النموذجية، وليست أسعارا مقترحة.

من نحتاجه

• مهندس حراري شمسي مع خبرة في اختبار EN ISO 9806.
• مهندس وحدات طاقة شمسية )ب( يفهم المواد المكبسة، والدورة الحرارية والمعيار IEC 61215.
• مهندس خدمات المباني (التدفئة والتهوية وتكييف الهواء) :: تحديد حجم الجانب الحراري وإدماج المضخات الحرارية والتخزين.
• أخصائي رصد تصميم قياسات معّارة للحرارة والكهرباء.
• شريك في التصنيع (ب) قادرة على لف وتغليف مبدل الحرارة حسب الحجم.
• فنيو تركيب وسمك :: الراغبين في تجربة تركيب مشترك والإبلاغ عن وقت العمل الحقيقي.

هل لديك فكرة أفضل؟

ربما لديكم ماص أفضل، طريقة أرخص لربطه، أو طريقة أذكى لاستخدام الحرارة. وقد يكون لبعض أعضاء المؤسسة Local Solar System اتصالات يمكن أن تسمع عن فكرة قوية للطاقة. ولكي تطرح فكرة ما، فإنها تحتاج إلى نموذج عملي في الحياة الواقعية ينتج بالفعل الطاقة والحرارة، يقاس على جهاز، لا يُدعى. والأفكار الورقية موضع ترحيب أيضاً: فإذا كانت الفيزياء والأرقام متينة، يمكننا نشرها هنا على الموقع الشبكي. وجمع رأس المال بدون نموذج عامل أمر صعب للغاية، ولا يمكننا أن نعد بالتمويل أو العائدات أو الاستثمارات.

For PVT, the cheapest measurement that counts as a working model is one collector outdoors next to an identical ordinary panel, with the inlet and outlet water temperatures, the flow rate and both panels’ electrical output logged for a few sunny weeks. That shows the heat gained and the electricity gained or lost. أرسلها عبر نموذج المساهمة، ولاحظ كيف تقارن PVT مع الأفكار الأخرى على رادار الأفكار.

المصادر

1. ﻻملي، م. (2020). المفاهيم الأساسية لتكنولوجيات جامعات PVT، ومجالات التطبيق والسوق. المهمة 60 للفريق الاستشاري المعني بالطاقة، التقرير D5.
2. سكوبلاكي، إي. وباليفوس، ج. (2009). On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: a review of efficiency/power correlations. الطاقة الشمسية 83(5)، 614-624.
3. AEE INTEC وIEA SHC (2025). Solar Heat Worldwide, 2025 edition, chapter 5.4, Photovoltaic-thermal systems.
4. الوكالة الدولية للطاقة الذرية (2025). لمحة عن الأسواق العالمية للطاقة الفلطاضوئية 2025.
5. المهمة 60 للوكالة الدولية للطاقة الذرية (2020). ورقة موقف بشأن التكنولوجيا.
6. شوبرت، م. (2020). تقييم أداء نماذج النظم المتعلقة بالاختبارات التجريبية. المهمة 60 للفريق الاستشاري المعني بالطاقة، التقرير D2.
7. المهمة 60 للوكالة الدولية للطاقة الذرية (2020). نظم وحلول النقل البري الحالية) بما في ذلك صحيفة الوقائع الخاصة بمبنى البلدية الجديد في فرايبورغ (بعد ريهولت وآخرون، 2019).
8. المنظمة الدولية لتوحيد المقاييس (2017). ISO 9806:2017، الطاقة الشمسية: المجمعات الحرارية الشمسية، أساليب الاختبار.
9. تشاو، ت. (2010). استعراض التكنولوجيا الشمسية الهجينة الفولطاضوئية/الحرارية. الطاقة التطبيقية 87(2)، 365-379.
10. هيراندو، م. وماركيدس، س. ن. وهيلغارد، ك. (2014). تقييم في المملكة المتحدة للنظم الهجينة الفلطاضوئية والحرارية الشمسية للتدفئة المنزلية والطاقة: أداء النظام. الطاقة التطبيقية 122، 288-309.
11. لازارد (يونيو 2026). تكاليف الطاقة المتوازنة +، الصيغة 19: الطاقة الشمسية المجتمعية وتكلفة واستثمارات $88 to $197 لكل ميغاواط/ساعة.
12. المكتب الإحصائي للجماعات الأوروبية (2026). إحصاءات أسعار الغاز الطبيعي: متوسط الأسر المعيشية في الاتحاد الأوروبي 0.1228 يورو لكل كيلووات ساعة، النصف الثاني من عام 2025.
13. Local Solar System مؤسسة (2026). The Fan Wall: open model، مقياس شمسي على السطح.