تحقيق تجريبي ميداني لأداء الطاقة والإكسيرجي لجهاز مجمّع هواء حراري شمسي مبتكر

تحويل ضوء الشمس إلى هواء دافئ مفيد

تدفئة المنازل، تجفيف الطعام، أو تسخين الهواء الطازج للمباني عادةً ما يعني حرق الوقود أو استخدام الكهرباء. تستكشف هذه الدراسة طريقة أكثر ذكاءً: سخان هواء شمسي مُعاد تصميمه يستخدم ضوء الشمس فقط لتسخين الهواء المتحرك بكفاءة أعلى. من خلال تشكيل قطع المعدن التي توجه الهواء داخل المجمّع بعناية، يبيّن الباحثون كيفية استخلاص حرارة مفيدة أكثر من نفس ضوء الشمس—فكرة قد تقلل فواتير الطاقة والانبعاثات في المنازل والمزارع والصناعات الصغيرة.

لماذا تهمّ التدفئة الشمسية الأفضل

يعتمد أسلوب حياتنا الحديث بشكل كبير على الوقود الأحفوري للتدفئة والنقل والكهرباء. هذه الوقود محدودة وتمثل مصدرًا رئيسيًا لثاني أكسيد الكربون المسؤول عن احترار المناخ. تقدّم مجمّعات الهواء الشمسية ذات اللوح المسطح—التي هي في الأساس صناديق ضحلة تحجز ضوء الشمس لتسخين الهواء—بديلًا نظيفًا لوظائف مثل تجفيف المحاصيل وتدفئة المساحات وتسخين التهوية المسبق. هي بسيطة ورخيصة نسبيًا، لكن نقطة ضعف واحدة تعيقها: اللوح المعدني الساخن داخلها لا ينقل حرارته إلى الهواء المتدفق بفعالية كما يمكن أن يفعل، لذا يهدر جزء كبير من الطاقة الشمسية الملتقطة. تحسين هذا النقل الحراري هو محور هذا العمل.

تصميم داخلي جديد للمجمّعات الشمسية

بنَت الفريق نظام اختبار خارجي بالحجم الكامل في ماليزيا مستندًا إلى مجمّع هواء شمسي ذو لوح مسطح. في الداخل، أضافوا صفوفًا من زعانفٍ مجوفة جديدة على شكل «نصف مدرج»—قطع معدنية على شكل قوس مدور، مع جوف داخلي—مرتبة على عدة مستويات متعرجة. قرب مدخل الهواء، ركبوا حواجز صغيرة، مثل جدران صغيرة، لخلط وإعادة توجيه الهواء الداخل بحيث يلامس الأسطح الساخنة بشكل أكثر شمولًا. يسلك الهواء مسارًا مزدوجًا: يتدفّق أولًا على طول قناة، ينعطف حول مقطع على شكل حرف U، ثم يعود عبر قناة أخرى، ملتقطًا مزيدًا من الحرارة في كل مرة. صُمم هذا الجمع بين الزعانف الخاصة والحواجز وتصميم الممر المزدوج لزيادة تلامس الهواء مع المعدن الساخن دون جعل النظام معقّدًا بشكل مفرط.

قياس مكاسب الحرارة والعمل المفيد

على مدى ثلاثة أيام مشمسة، شغّل الباحثون المجمّع عند ثلاث سرعات تدفق هواء مختلفة—بطيئة، متوسطة، وسريعة—وقاسوا درجات الحرارة في نقاط عديدة، إلى جانب مستويات الإشعاع الشمسي والظروف الجوية. ثم حسبوا نوعين من الأداء. الأول، المسمى كفاءة الطاقة، يجيب عن السؤال: «أي جزء من القدرة الشمسية الواردة يتحول إلى حرارة تُحمل بواسطة الهواء؟» الثاني، المسمى كفاءة الإكسيرجي، ينظر في كمية تلك الحرارة القابلة فعلاً للقيام بعمل مفيد، مثل توفير رفع حراري كبير للتجفيف أو التدفئة. للتحقق من قياساتهم، بنوا أيضًا نموذجًا حاسوبيًا مفصلاً لتدفق الهواء وانتقال الحرارة وقارنوا توقعاته مع بيانات الاختبار الخارجي.

ما كشفته التجارب

وصل المجمّع المعاد تصميمه إلى كفاءات طاقة تتراوح تقريبًا بين 13% و72%، مع أفضل قيمة—71.91%—تحدث في ضوء شمسي قوي (حوالي 800 واط لكل متر مربع) وأعلى سرعة تدفق هواء. ببساطة، في شمس جيدة وتدفق هواء سريع، يصبح قرابة ثلاثة أرباع ضوء الشمس الواقع على الجهاز حرارة مفيدة في الهواء الخارج. ومع ذلك، تتغير الصورة عند النظر إلى الإكسيرجي، مقياس قيمة تلك الحرارة. أعلى كفاءة إكسيرجي، 17.06%، حدثت عند أدنى سرعات التدفق. عند التدفقات البطيئة، يقضي الهواء وقتًا أطول في الداخل ويخرج أكثر سخونة، وهو أمر مفيد خصوصًا لمهام مثل تجفيف الطعام أو تدفئة غرفة، رغم أن إجمالي ناتج الحرارة أقل بعض الشيء. مع زيادة سرعة الهواء، يُجمَع المزيد من الحرارة إجمالًا، لكن كل وحدة حرارة تصبح أقل «عالية الدرجة» وينخفض كفاءة الإكسيرجي.

لماذا هذا التصميم واعد

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة بسيطة: بتشكيل زعانف المعدن داخل مجمّع هواء شمسي وتوجيه الهواء بذكاء أكبر، يستخرج هذا النظام المزيد بكثير من نفس ضوء الشمس مقارنةً بالتصاميم السابقة. عند التدفق العالي، هو ممتاز في حصاد كميات كبيرة من الحرارة بكفاءة؛ عند التدفق المنخفض، يوفر هواءً أكثر سخونة مفيدًا بشكل خاص للتجفيف وتدفئة المساحات. حقيقة اتفاق التجارب الخارجية والمحاكاة الحاسوبية—وتفوق الأداء على عدة دراسات سابقة—تشير إلى أن هذا النهج جاهز للتكيّف مع مجففات شمسية عملية، وتهوية المباني، واحتياجات التدفئة منخفضة الحرارة الأخرى، مما يساعد على دفع استخدام الطاقة اليومي نحو مستقبل أنظف.

الاستشهاد: Rahmat, M.A.A., Ibrahim, A., Al-Aribe, K.M. et al. Field-based experimental investigation of energy and exergy performances of a novel solar thermal air collector. Sci Rep 16, 6621 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37250-2

الكلمات المفتاحية: مجمّع هواء شمسي, حراري شمسي, تدفئة متجددة, كفاءة الطاقة, تحليل الإكسيرجي