DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2026.101555
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Shabahat Hasnain Qamar وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية والفوتوفولطية
نظرة عامة
تبحث هذه الورقة البحثية في تنفيذ أنظمة الطاقة الشمسية الهجينة (PVT) في مزرعة ألبان في براين-لاليود، بلجيكا، مع معالجة الحاجة الملحة لحلول الطاقة المستدامة في قطاع الألبان، الذي يعد مستهلكًا كبيرًا للطاقة ومصدرًا لانبعاثات غازات الدفيئة. تجري الدراسة تحليلًا تقنيًا واقتصاديًا وبيئيًا شاملًا لثلاث تقنيات PVT—Absolicon C-PVT وSolarus C-PVT وDualSun FP-PVT—مصممة لتلبية الطلبات الحرارية عالية الحرارة للمزرعة (70-78 °م) للتنظيف والتعقيم. تكشف النتائج أن نظام Absolicon C-PVT هو الأكثر فعالية، حيث يحقق كفاءة حرارية قصوى تبلغ 77%، ويحقق 100% من الحمل الحراري الصيفي و18.7% من الطلب الكهربائي السنوي مع مجموعة من 14 لوحة. على الرغم من الاستثمار الأولي الأعلى البالغ 104,000 يورو، فإنه يقدم أقصر فترة استرداد تبلغ 7 سنوات وأدنى تكلفة موحدة للطاقة (LCOE) عند 0.169 يورو/كيلوواط ساعة (حراري) و0.355 يورو/كيلوواط ساعة (كهربائي)، بينما يقلل أيضًا من انبعاثات الكربون السنوية بمقدار 24.1 طن CO₂.
تؤكد الدراسة على جدوى دمج أنظمة PVT في الزراعة الألبانية، حيث تقدم إطارًا منهجيًا قويًا يجمع بين محاكاة الطاقة الديناميكية، والتحليل التقني والاقتصادي، والتقييم البيئي. تشير النتائج إلى أنه بينما يعتبر نظام Absolicon C-PVT متفوقًا للتطبيقات عالية الحرارة، فإن أداء واقتصاديات أنظمة PVT تتأثر بالظروف المناخية المحلية والملفات الطاقية المحددة للمزارع. تدعو الأبحاث إلى أن تشمل الأعمال المستقبلية التنفيذ الفعلي ومراقبة النظام المقترح، والدمج مع التقنيات التكميلية، وتقييم دورة الحياة الكامل (LCA) لتحديد الأثر البيئي. بشكل عام، تؤسس هذه الدراسة إطارًا قابلًا للتوسع لتخطيط الطاقة المتجددة في الزراعة، مما يوفر رؤى قيمة للمزارعين والمهندسين وصانعي السياسات في التنقل خلال انتقال الطاقة النظيفة داخل القطاع.
مقدمة
يمثل إدخال أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) فرصة كبيرة للانتقالات الطاقية المستدامة، لا سيما في قطاع الزراعة الألبانية، الذي يعد كثيف الاستهلاك للطاقة ومساهمًا بارزًا في انبعاثات غازات الدفيئة. أدت التطورات الأخيرة إلى تحقيق العديد من البلدان توازن الشبكة للطاقة الشمسية، مما يسمح للطاقة الشمسية الكهروضوئية بالتنافس اقتصاديًا مع مصادر الكهرباء التقليدية. تواجه صناعة الألبان، التي شهدت نموًا كبيرًا في الإنتاج، زيادة في الطلبات الطاقية والضغوط البيئية، مما يستلزم اعتماد تقنيات منخفضة الكربون وممارسات مستدامة للتخفيف من بصمتها الكربونية.
من بين الحلول الواعدة هي المجمعات الشمسية الحرارية الكهروضوئية (PVT)، التي تولد بكفاءة كل من الكهرباء والحرارة من نفس المساحة السطحية، مما يجعلها مفيدة بشكل خاص للمزارع الألبانية المحدودة الأراضي. تتناول هذه الدراسة فجوة حاسمة في التقييم المقارن لمختلف تقنيات PVT تحت ظروف العالم الحقيقي، مع التركيز بشكل خاص على الطلبات عالية الحرارة النموذجية في عمليات الألبان. من خلال تقييم ثلاث تقنيات PVT متميزة—Absolicon C-PVT وSolarus C-PVT وDualSun FP-PVT—تقدم هذه الأبحاث تحليلًا شاملاً لأدائها، والجدوى الاقتصادية، والأثر البيئي. تهدف النتائج إلى توجيه المزارعين وصانعي السياسات في اختيار حلول PVT المثلى، مما يعزز الاستدامة وكفاءة الطاقة في قطاع الألبان بينما يساهم في جهود إزالة الكربون الأوسع.
النتائج
تقيم نتائج الدراسة كفاءة وجدوى ثلاث تقنيات مختلفة من المجمعات الشمسية الحرارية الكهروضوئية (PVT): Absolicon C-PVT وSolarus C-PVT وDualSun FP-PVT. تم تحليل مؤشرات الأداء الرئيسية، بما في ذلك كفاءات المجمعات، والإنتاج الحراري، والعوائد الكهربائية. أظهر Absolicon C-PVT أداءً متفوقًا، مع كفاءات حرارية تتراوح من 37% في يناير إلى 77% في يوليو، وإنتاج حراري ذروي يبلغ 129.66 كيلوواط ساعة/م² في يوليو. بالمقابل، أظهرت Solarus وDualSun كفاءات وإنتاجات حرارية أقل، حيث كان أداء DualSun الأفضل في الطقس المعتدل ولكنه واجه صعوبات في الظروف الباردة. تؤكد الدراسة على أهمية إدارة الطاقة الهجينة في التطبيقات الزراعية، مشيرة إلى أن دمج أنظمة PVT مع التخزين الحراري والتحكم الذكي يمكن أن يحسن استخدام الطاقة.
كما تسلط التحليل الضوء على التباين الموسمي في الأداء، حيث تصل جميع المجمعات إلى ذروتها خلال أشهر الصيف. يسمح تصميم Absolicon، الذي يتميز بعامل تركيز عالٍ (4.3×) وعزل فعال، بالحفاظ على تشغيل مستقر حتى في الأشهر الباردة، مما يجعله مناسبًا للمناخات الشمالية. تقترح الدراسة أن تستكشف الأبحاث المستقبلية ربط أنظمة PVT بمضخات الحرارة أو تخزين المواد ذات تغير الطور (PCM) لتعزيز الأداء في الشتاء وتقليل الاعتماد على التدفئة الإضافية. بالإضافة إلى ذلك، تشير النتائج إلى أن تحسين استراتيجيات التشغيل، مثل تحويل الطلب واستخدام الحرارة الزائدة في الصيف للتطبيقات الثانوية، يمكن أن يحسن الكفاءة العامة للنظام واستدامته. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانية أن تسهم أنظمة PVT بشكل كبير في توليد الطاقة المتجددة في البيئات الزراعية، حيث يظهر Absolicon C-PVT كأكثر الخيارات كفاءة بين التقنيات التي تم تقييمها.
المناقشة
تناقش هذه القسم استراتيجيات التشغيل وإدارة الطاقة التي تم تنفيذها في Ferme du Château، وهي مزرعة ألبان في براين-لاليود، بلجيكا، التي تضم 520 بقرة عبر ثلاثة حظائر. توفر الموقع الجغرافي للمزرعة ومناخها البحري المعتدل ظروفًا ملائمة لدمج تقنية الطاقة الشمسية الحرارية الكهروضوئية (PVT). تشير بيانات الطقس الموسمية إلى تباينات كبيرة في الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة، حيث يحدث ذروة الطاقة الشمسية في أشهر الصيف. تعتمد الطلبات الطاقية للمزرعة بشكل أساسي على عمليات تبريد الحليب والتنظيف، مع إجمالي متطلبات الطاقة الحرارية تبلغ 53,972 كيلوواط ساعة/سنة. يقلل دمج نظام استرداد الحرارة من المبردات الحليبية بشكل كبير من العبء الطاقي على الغلايات الكهربائية، مما يعزز الكفاءة العامة.
تؤكد التحليل على اختيار المجمعات الشمسية الحرارية بناءً على قدراتها الإنتاجية الحرارية، مع إعطاء الأولوية لتوليد الحرارة على الكهرباء. تم تقييم ثلاثة أنواع من المجمعات PVT—Solarus وAbsolicon وDualSun—من حيث كفاءتها وملاءمتها لتلبية احتياجات الطاقة المتنوعة للمزرعة. يُلاحظ أن مجمع Solarus يتميز بتكلفته الفعالة وعامل التركيز المعتدل، بينما يتفوق مجمع Absolicon في التطبيقات عالية الحرارة. يوفر مجمع DualSun، على الرغم من عدم وجود قدرات تركيز، طاقة موثوقة في درجات الحرارة المنخفضة. يهدف دمج هذه المجمعات إلى تحسين استخدام الطاقة الحرارية، وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، وتعزيز استدامة عمليات المزرعة. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية الحلول الطاقية المخصصة في البيئات الزراعية لتحسين الأداء الطاقي وكفاءة التشغيل.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2026.101555
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Shabahat Hasnain Qamar et al.
Primary Topic: Solar Thermal and Photovoltaic Systems
Overview
This research paper investigates the implementation of hybrid photovoltaic-thermal (PVT) systems on a dairy farm in Braine-l’Alleud, Belgium, addressing the urgent need for sustainable energy solutions in the dairy sector, which is a significant energy consumer and greenhouse gas emitter. The study conducts a comprehensive techno-economic and environmental analysis of three PVT technologies—Absolicon C-PVT, Solarus C-PVT, and DualSun FP-PVT—tailored to meet the farm’s high-temperature thermal demands (70-78 °C) for cleaning and disinfection. The findings reveal that the Absolicon C-PVT system is the most effective, achieving a peak thermal efficiency of 77%, fulfilling 100% of the summer thermal load and 18.7% of the annual electrical demand with a 14-panel array. Despite a higher initial investment of €104,000, it offers the shortest payback period of 7 years and the lowest levelized cost of energy (LCOE) at €0.169/kWh (thermal) and €0.355/kWh (electrical), while also reducing annual carbon emissions by 24.1 tons CO₂.
The study emphasizes the viability of integrating PVT systems in dairy farming, providing a robust methodological framework that combines dynamic energy simulation, techno-economic analysis, and environmental assessment. The results indicate that while the Absolicon C-PVT system is superior for high-temperature applications, the performance and economics of PVT systems are influenced by local climatic conditions and specific energy profiles of farms. The research advocates for future work to include physical implementation and monitoring of the proposed system, integration with complementary technologies, and a full lifecycle assessment (LCA) to quantify the environmental impact. Overall, this study establishes a scalable framework for renewable energy planning in agriculture, offering valuable insights for farmers, engineers, and policymakers in navigating the clean energy transition within the sector.
Introduction
The introduction of solar photovoltaic (PV) energy systems represents a significant opportunity for sustainable energy transitions, particularly in the dairy farming sector, which is both energy-intensive and a notable contributor to greenhouse gas emissions. Recent advancements have led to many countries achieving grid parity for solar energy, allowing solar PV to compete economically with traditional electricity sources. The dairy industry, which has seen substantial growth in production, faces increasing energy demands and environmental pressures, necessitating the adoption of low-carbon technologies and sustainable practices to mitigate its carbon footprint.
Among the promising solutions are photovoltaic-thermal (PVT) collectors, which efficiently generate both electricity and heat from the same surface area, making them particularly advantageous for land-constrained dairy farms. This study addresses a critical gap in the comparative assessment of various PVT technologies under real-world conditions, specifically focusing on high-temperature demands typical in dairy operations. By evaluating three distinct PVT technologies—Absolicon C-PVT, Solarus C-PVT, and DualSun FP-PVT—this research provides a comprehensive analysis of their performance, economic viability, and environmental impact. The findings aim to guide farmers and policymakers in selecting optimal PVT solutions, thereby enhancing sustainability and energy efficiency in the dairy sector while contributing to broader decarbonization efforts.
Results
The results of the study evaluate the efficiency and feasibility of three different photovoltaic-thermal (PVT) collector technologies: Absolicon C-PVT, Solarus C-PVT, and DualSun FP-PVT. Key performance metrics, including collector efficiencies, thermal production, and electrical yields, were analyzed. Absolicon C-PVT demonstrated superior performance, with thermal efficiencies ranging from 37% in January to 77% in July, and a peak thermal production of 129.66 kWh/m² in July. In contrast, Solarus and DualSun exhibited lower efficiencies and thermal outputs, with DualSun performing best in mild weather but struggling in colder conditions. The study emphasizes the importance of hybrid energy management in agricultural applications, suggesting that integrating PVT systems with thermal storage and smart controls can optimize energy utilization.
The analysis also highlights the seasonal variation in performance, with all collectors peaking during summer months. Absolicon’s design, characterized by a high concentration factor (4.3×) and effective insulation, allows it to maintain stable operation even in colder months, making it suitable for northern climates. The study suggests that future research should explore coupling PVT systems with heat pumps or phase change material (PCM) storage to enhance winter performance and reduce reliance on auxiliary heating. Additionally, the findings indicate that optimizing operational strategies, such as demand-shifting and utilizing surplus summer heat for secondary applications, could improve overall system efficiency and sustainability. Overall, the results underscore the potential for PVT systems to significantly contribute to renewable energy generation in agricultural settings, with Absolicon C-PVT emerging as the most efficient option among the technologies evaluated.
Discussion
The section discusses the operational and energy management strategies implemented at Ferme du Château, a dairy farm in Braine-l’Alleud, Belgium, which houses 520 cows across three barns. The farm’s geographic location and temperate maritime climate provide favorable conditions for integrating photovoltaic-thermal (PVT) technology. Seasonal weather data indicates significant variations in solar irradiation and temperature, with peak solar energy occurring in summer months. The farm’s energy demands are primarily driven by milk cooling and cleaning processes, with a total thermal energy requirement of 53,972 kWh/year. The integration of a heat recovery system from milk coolers significantly reduces the energy burden on electric boilers, enhancing overall efficiency.
The analysis emphasizes the selection of solar thermal collectors based on their thermal output capabilities, prioritizing heat generation over electricity. Three types of PVT collectors—Solarus, Absolicon, and DualSun—were evaluated for their efficiency and suitability to meet the farm’s diverse energy needs. The Solarus collector is noted for its cost-effectiveness and moderate concentration factor, while the Absolicon collector excels in high-temperature applications. The DualSun collector, although lacking concentration capabilities, provides reliable low-temperature energy. The integration of these collectors aims to optimize thermal energy utilization, reduce reliance on fossil fuels, and enhance the sustainability of the farm’s operations. Overall, the study underscores the importance of tailored energy solutions in agricultural settings to improve energy performance and operational efficiency.