التحقيق التجريبي في خصائص الطاقة والإكسرجيا لمجمّع شمسي جديد بتأثير نفاث دائري معكوس دوّار

لماذا الحفاظ على برودة الألواح الشمسية مهم

تُصبح الألواح الشمسية حجر الزاوية للطاقة النظيفة، لكن لها نقطة ضعف: الحرارة تضرّها. عندما تُحمى اللوحة تحت الشمس يرتفعُ درجة سطحها وتنخفض قدرتها على تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بشكل مطرد. تبحث هذه الدراسة في طريقة جديدة للحفاظ على برودة الألواح باستخدام قنوات هواء مصممة بذكاء تحتها، ما يعزّز كلّاً من إنتاجها الكهربائي وكمية الطاقة القابلة للاستخدام التي يمكننا استخلاصها من الشمس.

تدوير جديد لتبريد اللوحات

تعمل معظم الأنظمة على الأسطح ببساطة بترك ظهر اللوحة يتعرض للنسيم. يعرف المهندسون أنهم يمكنهم تحسين ذلك بدفع الهواء أو الماء خلف اللوحة لحمل الحرارة بعيداً. ركز فريق هذا العمل على الهواء، لأنه مجاني ونظيف وسهل التعامل معه. واستناداً إلى تصاميم سابقة لـ«تصادم النفاثات»—حيث تضرب نفاثات الهواء ظهر اللوحة—ابتكروا مجمّعاً جديداً يضيف حركة دوّارة لتدفق الهواء. تجلس قطع صغيرة على شكل كوب، مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد من البلاستيك، في صندوق ضحل تحت اللوحة. يدخل الهواء إلى كل كوب من الجانب، يدور بداخله، ثم ينفث لأعلى نحو ظهر الخلايا الشمسية قبل أن يخرج من المجمّع.

كيف اختُبر النظام الجديد

بنى الباحثون ثلاث نسخ من نظام شمسي صغير: لوحة بدون تبريد خاص، ولوحة مزودة بمجمّع قياسي لتدفق دائري معكوس لاصطدام النفاث (RCFJI)، ولوحة بالمجمّع الجديد الدوار (SRCFJI). اختُبرت الثلاثة داخلياً تحت ضوء شمس صناعي يمكن ضبط شدّته بين إضاءة معتدلة وقوية (500 إلى 900 واط لكل متر مربع). كما غيّروا كمية الهواء المدفوعة عبر المجمّع، من نسيم خفيف إلى تدفق أقوى بكثير. خلال كل اختبار قاسوا بعناية درجات حرارة اللوحات، والإنتاج الكهربائي، والحرارة التي أزالها الهواء، ومقدار الطاقة الشمسية الداخلة التي يمكن، من حيث المبدأ، تحويلها إلى شغل مفيد.

ألواح أبرد، أداء أفضل

أظهرت النتائج نمطاً واضحاً: كلما زاد تدفق الهواء كانت اللوحات أبرد وأفضل أداءً؛ أما ضوء الشمس الأقوى، فبينما زاد القدرة الخام، فقد رفع أيضاً درجات الحرارة وأثر سلباً على الكفاءة في نهاية المطاف. مقارنة باللوحة العارية، خفّضت كلا تصميمَي النفاثات درجات السطح بشكل ملحوظ، لكن التصميم الدوار كان الأفضل. في أقسى ظروف الاختبار—شمس قوية وتدفق هواء قوي—بلغت درجة سطح اللوحة العارية ما يقرب من 80 درجة مئوية. خفّض التصميم القياسي لدرجة الحرارة بنحو 21.6%، ودفع التصميم الدوار التخفيض إلى نحو 25.3%، مُحافظاً على اللوحة أبرد بعدة درجات. تُرجمت هذه التبريديات الإضافية مباشرة إلى كفاءة كهربائية أعلى ومزيد من الواتات المنتَجة.

النظر أبعد من الكفاءة البسيطة: الطاقة المفيدة

لتقييم النظام بعمق أكبر استخدم الفريق أيضاً تحليل «الإكسرجيا»، الذي يقدّر مقدار الطاقة الملتقطة التي يمكن تحويلها إلى شغل عملي بعد احتساب كل الخسائر التي لا مفرّ منها. هنا أيضاً تفوّق التصميم الدوار. مقارنة باللوحة العارية، رفع مجمّع SRCFJI كفاءة الطاقة الكهربائية بنحو 12% والكفاءة الحرارية بأكثر من 4%. من حيث الإكسرجيا، تحسن الأداء الكهربائي بنحو 11%، وازداد الجزء من الحرارة الذي يمكن اعتباره مفيداً فعلياً بنسبة تقارب 5%. وزاد الناتج الكلي من القدرة في التشكيلة المطوّرة بنحو 22% مقارنةً باللوحة القياسية وحدها.

ما يعنيه هذا لأنظمة الطاقة الشمسية المستقبلية

للغير متخصصين الرسالة بسيطة: بإعادة تشكيل قنوات الهواء تحت اللوحة الشمسية بحيث يدور الهواء ويصطدم بسطح ظهرها بشكل أكثر فاعلية، يمكننا الحفاظ على برودة اللوحة واستخلاص مزيد من الطاقة القابلة للاستخدام من نفس ضوء الشمس. يوفّر مجمّع النفاث الدوار كهرباء أكثر وحرارة مفيدة أكثر دون إضافة أجزاء متحركة على واجهة اللوحة أو الاعتماد على مواد نادرة. ورغم أن هذا النموذَج الأولي اختُبر في ظروف داخلية محكومة وعلى نطاق صغير، إلا أنه يشير إلى تحسينات عملية لتركيبات شمسية في العالم الحقيقي، لا سيما في المناخات الحارة حيث يشكل الإفراط في التسخين مشكلة مستمرة.

الاستشهاد: Alzoubi, M.A., Ibrahim, A., Alkhedher, M. et al. Experimental investigation of energy and exergy characteristics of a novel solar collector with swirling reversed circular flow jet impingement. Sci Rep 16, 6812 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37654-0

الكلمات المفتاحية: تبريد الألواح الشمسية, كهرباء حرارية شمسية, تصادم نفاثات, تدفّق هوائي دوّار, كفاءة الطاقة