تأثير ألواح الطاقة الشمسية على سطح المباني في تشتت أول أكسيد الكربون داخل أخاديد الشوارع المثالية ثنائية الأبعاد

لماذا يمكن لألواح السقف الشمسية أن تنظف الهواء أيضاً

غالباً ما تبدو شوارع المدن كأنها ممرات عميقة تحيط بها مبانٍ شاهقة. يمكن لعادم السيارات أن يعلّق في هذه "الأخاديد الشارعية"، مما يضر بصحة السكان والمارة. يطرح هذا البحث سؤالاً مفاجئاً: إذا غطّينا الأسطح بألواح شمسية لتوليد كهرباء نظيفة، هل يمكن لهذه الألواح أيضاً أن تساعد في طرد تلوث المرور من الشوارع أدناه؟

أخاديد الشوارع وعادم السيارات المحبوس

عندما تهب الرياح عبر صف من المباني، فإنها تنحني إلى داخل الفجوة بينها وتخلق دوامة هواء كبيرة وبطيئة الحركة. تميل تلك الدوامة إلى دفع عادم السيارات، مثل أول أكسيد الكربون، نحو أحد جانبي الشارع وإبقائه قرب سطح الأرض. في كثير من المدن المزدحمة، يعني ذلك أنه حتى مع تحسن جودة الهواء بشكل عام، قد يظل الأشخاص على مستوى الأرصفة يتنفسون مستويات مرتفعة من الأبخرة لساعات كل يوم.

استخدام نماذج الحاسوب كنفق رياح افتراضي

لاستكشاف كيف قد يغيّر تركيب الألواح الشمسية على الأسطح هذه الصورة، بنى الباحث محاكاة حاسوبية مفصّلة لأخدود شارع مثالي ثنائي الأبعاد. كانت المباني على الجانبين والطريق بينهما جميعها ذات ارتفاع وعرض متساويين، مما أبسط العالم الحقيقي حتى يمكن عزل دور الألواح الشمسية. أطلق مصدر خطّي رقيق على طول الشارع أول أكسيد الكربون، كمجاز لحركة المرور، بينما هبت رياح ثابتة عبر الأسطح بزاوية قائمة مع الشارع. استخدمت الدراسة نوعاً مجرّباً جيداً من نماذج تدفق الهواء تمّت مقارنته على نطاق واسع بتجارب نفق الرياح، مما يمنح الثقة بأن النتائج الافتراضية واقعية فيزيائياً.

ميلان الألواح الشمسية لتوجيه الرياح

التجربة الرئيسية كانت وضع الألواح الشمسية على سطح المبنى الواقع في اتجاه الريح المخرج وتميلها عند ثلاث زوايا مختلفة: 30°، 45°، و60°. بالمقارنة مع سطح أفقي بلا ألواح، غيّرت إضافة الألواح سرعة الرياح وشكل دوامة الهواء داخل الأخدود. عند ميل 30°، تسارعت الرياح أثناء مرورها فوق اللوح ثم تشكّل خلفه منطقة ضغط منخفض. هذا المزيج جذب المزيد من الهواء إلى الأعلى وخارِج الأخدود، مما قلّص المنطقة البطيئة والراكدة في الوسط وبالقرب من الأرض. مع زيادة زاوية الميل إلى 45° ثم 60°، انخفض الارتفاع العمودي و"المساحة الأمامية" للوح، وقلّت منطقة الضغط المنخفض، وضعُف الأثر المفيد على التيار الهوائي.

تلوث أقل داخل الأخدود وقرب الناس

تحولت هذه التغييرات في تدفق الهواء إلى فروق ملحوظة في التلوث. على مستوى الأخدود ككل، انخفضت مستويات أول أكسيد الكربون المتوسطة بنسبة 21.7 في المئة عند ميل 30°، ونحو 20 في المئة عند 45°، وحوالي 14 في المئة عند 60°، مقارنة بعدم وجود ألواح. كان أسوأ تلوث يحدث دائماً على الجدار الواقع في اتجاه المخرج، حيث تدفع الدوامة الهوائية الرئيسية العادم وتحتجزه الدوامات الصغيرة عند الزوايا. هنا أيضاً، أدت الألواح بزاوية 30° أداءً أفضل، إذ أعطت أدنى التركيزات على سطح المبنى وعلى ارتفاع المشاة النموذجي 15 سنتيمتراً فوق الطريق في نموذج المقياس. وعلى الرغم من أن الألواح قلّلت قليلاً الخلط عند حافة السطح مباشرة، فقد غلبت هذه المساوئ بسرعة الصعود الأقوى التي حملت المزيد من التلوث خارج الأخدود.

ما الذي يعنيه هذا لشوارع المدن المستقبلية

بعبارة بسيطة، يمكن للألواح الشمسية المثبتة بذكاء على الأسطح أن تؤدي وظيفتين. إلى جانب توليد كهرباء نظيفة، يمكنها دفع الريح بطريقة تساعد على طرد عادم السيارات من الشوارع الضيقة. في هذا الترتيب المثالي، قدّم ميل 30° أفضل توازن، مع تعزيز تدفق الهواء وخفض متوسط التلوث داخل الأخدود بأكثر من خمس أجزاء من المئة. المدن الحقيقية أكثر تعقيداً من هذا النموذج ثنائي الأبعاد، لكن الدراسة تظهر أن خيارات تصميم صغيرة على الأسطح يمكن أن تؤثر بشكل ملحوظ على الهواء الذي يتنفسه المارة، مما يمنح مخططي المدن سبباً إضافياً للاهتمام بكيفية تركيب الألواح الشمسية.

الاستشهاد: Guang-Xing, H. The influence of solar PV panels on CO dispersion in ideal 2D street canyons. Sci Rep 16, 4745 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35045-z

الكلمات المفتاحية: تلوث الهواء الحضري, أخدود الشارع, ألواح شمسية على الأسطح, تدفق الرياح, تشتت الملوثات