تأثير تردد تدفق النبض والسعة غير البُعدية على الأداء الحراري لمجمع الطاقة الشمسية ذو الأخدود المكافئ SEGS LS-2

جعل حرارة الشمس تعمل بجهد أكبر

تُعد مجمّعات الأنابيب المقعّرة تقنية أساسية لتحويل ضوء الشمس إلى حرارة للاستخدام في توليد الكهرباء والعمليات الصناعية. يطرح هذا البحث سؤالاً بسيطاً لكنه ذكي: بدل دفع زيت ناقل للحرارة عبر هذه المجمّعات بسرعة ثابتة، ماذا لو قمنا بـ"نبض" التدفق برفق؟ من خلال تسريع ثم تباطؤ السائل بنمط إيقاعي، يبيّن الباحثون أنه من الممكن استخلاص حرارة مفيدة أكثر من نفس ضوء الشمس، مع تعديل بسيط ورخيص نسبياً على الأنظمة الحالية.

كيف تلتقط المرايا المنحنية ضوء الشمس

تركّز الدراسة على تصميم تجاري مستخدم على نطاق واسع يُسمى مجمّع الأخدود المكافئ SEGS LS-2. تعمل مرايا طويلة ومنحنية على تركيز ضوء الشمس على أنبوب معدني ضيق يمتد على محور التركيز. يضخ داخل ذلك الأنبوب زيت ناقل للحرارة خاص يسمى Syltherm 800، ليكتسب حرارة تُستخدم لاحقاً في دورة طاقة أو عملية صناعية. يحيط بالأنبوب غلاف زجاجي وفجوة مفرّغة (ضغط منخفض) لتقليل خسائر الحرارة. وبما أن المرآة لا تسقط الضوء على محيط الأنبوب بشكل متساوٍ، فإن بعض مناطق الأنبوب تسخن أكثر من غيرها، مما يؤثر على مدى كفاءة انتقال الحرارة إلى الزيت المتدفق.

تحويل التدفق إلى نبضة لطيفة

بدلاً من تغيير المكوّنات المادية للمجمّع، مثل إضافة زعانف أو مراكيب خاصة، يغيّر المؤلفون طريقة حركة السائل. يفرضون حالة مدخل سلسة على شكل جيب التمام: يتذبذب معدل التدفق حول قيمته المتوسطة المعتادة، فيُسْرِع قليلاً ثم يتباطأ في نمط متكرر. هناك مقبضان يتحكمان بهذا الإجراء. التردد (0.2–6 دورة في الثانية) يحدد كم مرة يتسارع ويتباطأ التدفق، والسعة غير البُعدية (0.3–0.9) تحدد قوة كل نبضة بالنسبة إلى السرعة المتوسطة. باستخدام برمجيات ديناميكا الموائع المتقدمة، يحاكون كيف تتفاعل هذه النبضات مع الطبقة الرقيقة من السائل الملاصقة للجدار الداخلي للأنبوب، حيث يحدث معظم انتقال الحرارة.

ما الذي يحدث داخل الأنبوب الساخن

في حالة التدفق الثابت، يكون الزيت الأسرع حركة قرب مركز الأنبوب، بينما يكون السائل القريب من الجدار بطيئاً وخاضعاً للاحتكاك. تلك الطبقة البطيئة قرب الجدار تحد من سرعة انتقال الحرارة إلى التدفق الكلي. تُظهر المحاكاة أنه عند نبضة مثالية — نحو 5 هرتز مع سعة متوسطة 0.5 — تهزّ النبضات الطاقة من التيار المركزي الأسرع وتدفعها إلى الطبقة القريبة من الجدار. ينتج عن ذلك خلط صغير النطاق أكثر كثافة تحديداً عند وصلة المعدن بالسائل. ونتيجة لذلك، يرتفع معدل انتقال الحرارة الفعلي، المقاس بعدد عدم البُعد المعروف برقم نوسلِت، إلى نحو 5.1، أعلى من الحالة الثابتة. يعمل الجدار الخارجي للأنبوب بدرجة حرارة أبرد، بينما يخرج الزيت من المجمّع بدرجة حرارة أعلى قليلاً إجمالاً، مما يبيّن أن نسبة أكبر من الطاقة الشمسية الواردة تُنقل إلى السائل.

العثور على النقطة المثلى وحدودها

تستكشف الدراسة العديد من تراكيب التردد وقوة النبضة لإيجاد النقطة العملية المثلى. عند ترددات منخفضة جداً، لا يتكرر النبض بما يكفي لإزعاج الطبقة القريبة من الجدار بشكل ملحوظ، لذا تكون مكاسب الأداء صغيرة. عند التردد الأمثل 5 هرتز والسعة 0.5، تصل الكفاءة الحرارية المتوسطة زمنياً إلى نحو 77%، بالمقارنة مع نحو 74% المبلغ عنها للتدفق الثابت التقليدي — بزيادة تقارب 3–4.5 نقاط مئوية. دفع الترددات أعلى حتى نحو 6 هرتز يؤدي إلى عوائد متناقصة: نمط الاضطراب يصبح فعلياً "مجمَّداً" ويتوقف عن الاستجابة للتذبذبات الأسرع. وبالمثل، فإن جعل النبضات قوية جداً (سعة عالية) يزيد انتقال الحرارة الداخلي لكنه في الواقع يبرد السائل كثيراً بينما يمر بسرعة، مما يقلّل الكفاءة الإجمالية.

ترقية منخفضة التكلفة للمناطق المشمسة

بما أن هندسة المجمّع والسائل العامل لم يتغيرا، يمكن تطبيق هذا الأسلوب على الحقول الشمسية القائمة بإضافة أجهزة تحكّم في التدفق بسيطة نسبياً، مثل صمامات متحكَّم بها بالتردد أو أجهزة دوّارة عند المدخل. يقدّر المؤلفون أن تكلفة مثل هذا الصمام لوحدة LS-2 قياسية تُشكّل فقط نحو 1–2% من سعر المجمّع، بينما يمكن أن يقدّم زيادة في الكفاءة بنحو 3%. في المناطق شديدة الشمس، الحارة والجافة — حيث تكون المدخلات الشمسية عالية وهذه المجمّعات شائعة بالفعل — قد تتحول هذه الزيادة النسبية الصغيرة إلى طاقة إضافية كبيرة على مدى عمر المحطة. بعبارة بسيطة، من خلال تعلّم "هز" سائل نقل الحرارة بالقدر المناسب، يمكن للمهندسين استخراج حرارة قابلة للاستخدام أكثر من نفس ضوء الشمس، دون عمليات إعادة تصميم مكلفة أو مواد جديدة غريبة.

الاستشهاد: Ferdosnia, S., Mirzaee, I., Abbasalizadeh, M. et al. Effects of pulsating flow frequency and dimensionless amplitude on the thermal performance of SEGS LS-2 parabolic trough solar collector. Sci Rep 16, 6105 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35619-x

الكلمات المفتاحية: مجمع حراري شمسي ذو أخدود مكافئ, تدفق نابض, تحسين انتقال الحرارة, كفاءة الطاقة الحرارية الشمسية, صمامات متحكَّم بها بالتردد