تأثير الزعانف في تعزيز انصهار مادة الطور الكامنة داخل حاوية كروية لتخزين الطاقة الحرارية

تخزين ضوء الشمس لاستخدام لاحق

الحياة الحديثة تعتمد على طاقة مستقرة، بينما يصل ضوء الشمس فقط عندما يتعاون الطقس. تبحث هذه الدراسة في طريقة بسيطة لتخزين حرارة النهار الشمسية بحيث يمكن استخدامها بعد ساعات، باستخدام شمع خاص يذوب ويتجمد داخل كرات معدنية. من خلال إضافة "زعانف" معدنية رقيقة في أماكن محددة بدقة، يبيّن الباحثون أنهم قادرون على جعل هذا الشمع يشحن ويطلق الحرارة أسرع بكثير، وهي خطوة أساسية نحو تدفئة تعمل بالطاقة الشمسية ومياه ساخنة أكثر موثوقية.

لماذا يهم تخزين الحرارة

يمكن لمجمعات الطاقة الشمسية أن تسخّن المياه إلى درجات حرارة مريحة، لكن الغيوم والغروب والطلب اليومي لا تتبع نفس الجدول. يوفر تخزين الطاقة الحرارية وسادة زمنية: يمتص الحرارة عندما تكون الشمس قوية ويطلقها عند الحاجة. نهج شائع يستخدم مواد الطور الكامنة—مواد مثل شمع البارافين التي تمتص طاقة كبيرة أثناء ذوبانها وتعيدها أثناء تجمّدها، وكل ذلك حول درجة حرارة تقريباً ثابتة. المشكلة أن هذه الشموع ناقلة ضعيفة للحرارة، لذلك بدون مساعدة تذوب وتتجمد ببطء، مما يحدّ من كمية الحرارة المفيدة التي يمكن نقلها داخل اليوم وخارجه.

صندوق كروي من الشمع

بنَي فريق البحث نظام تخزين حراري مخبري يحاكي ما قد يوجد داخل مسخّن مياه شمسي. في قلبه كرات فولاذية بحجم شبيه بثمرة صغيرة، كل منها مملوء بواحد كيلوغرام من شمع البارافين الذي يذوب قرب 60 °م، وهو توافق جيد مع مياه التدفئة الشمسية. يتدفق الماء الساخن، العامل كسائل ناقل للحرارة، حول هذه الكرات عند درجتين حراريتين، 70 °م و75 °م، بينما ترصد الحساسات درجات الحرارة في الأعلى والأسفل والوسط والجوانب داخل الشمع. من خلال مقارنة مدى سرعة ذوبان الشمع وإعادة تجمّده، وكمية الحرارة المتدفقة ذهاباً وإياباً، يُقيّم الباحثون خيارات تصميم مختلفة للكرات.

أربع طرق لإضافة زعانف معدنية

لمساعدة الشمع على تبادل الحرارة بسرعة أكبر، يمكن تجهيز الكرات بزعنفة نحاسية—شفرات رقيقة تنقل الحرارة من الماء الساخن عبر الغلاف الفولاذي وعميقاً داخل الشمع. تقارن الدراسة أربع حالات: كرة أملس بلا زعانف؛ كرة ذات زعنفتين تمتدان من الأعلى؛ واحدة بزعنفتين من الأسفل؛ والنسخة الأخيرة بأربع زعانف، اثنتان في الأعلى واثنتان في الأسفل. في كل الحالات تمتد الزعانف خارِجِيًا وداخليًا في الكرة، فتلامس الماء المتدفق والشمع في آن واحد. تتيح هذه الترتيبة للزعانف أن تعمل كطرق سريعة للحرارة، فتقلل من جيوب الشمع الصلب الباردة التي كانت لتبقى بعيدة عن السطح الدافئ.

ماذا يحدث بالداخل أثناء ذوبان وتجمّد الشمع

مع بداية التسخين، يذوب الشمع المجاور لجدار الكرة أولاً. الشمع السائل الدافئ الناتج أخف في الوزن فيصعد نحو الأعلى، بينما الشمع الصلب الأبرد أثقل فيغوص إلى الأسفل، محدثاً دوراناً بطيئاً يوزع الحرارة أكثر. أثناء التبريد تنعكس العملية: يتجمد الشمع عند الجدار، ويترسّب الشمع الصلب الكثيف نحو الأسفل. يكتشف الباحثون أن هذه الحركة الطبيعية وحدها غير كافية؛ فبدون زعانف تبقى مناطق كبيرة من الشمع صلبة أو سائلة لفترة طويلة. إضافة زعانف في الأعلى يسرّع الذوبان بالقرب من المنطقة التي يتجمع فيها السائل، بينما تهاجم الزعانف في الأسفل الطبقة الصلبة التي تميل إلى الترسب هناك. عندما توضع زعانف في الأعلى والأسفل معاً، تصل الحرارة إلى جميع المناطق الرئيسية، وتزداد ثم تنخفض نسبة الشمع المذاب بشكل أكثر حدة مع مرور الزمن، مما يدلّ على شحن وتفريغ أسرع.

شحن وتفريغ أسرع

تُظهر القياسات التفصيلية أن تصميم الزعانف في الأعلى والأسفل يتفوّق بوضوح على الباقي. مقارنة بالكرة الملساء، يقلّ زمن الذوبان بحوالي ثلث وزمن التجمّد بنحو النصف، مع الحفاظ على سعة حرارية كلية مماثلة لأن كمية الشمع المستخدمة هي نفسها. كما يقدّم أعلى كفاءة وفاعلية، أي أن جزءاً أكبر من الحرارة الواردة يُخزن في الشمع ثم يُستعاد. رفع درجة حرارة الماء من 70 °م إلى 75 °م يزيد من سرعة الذوبان، لكن موقع الزعانف يبقى العامل المسيطر على الأداء.

ما يعنيه هذا للأنظمة اليومية

لغير المتخصصين، الخلاصة الأساسية هي أن تعديل تصميم بسيط داخل كبسولة تخزين الحرارة يمكن أن يكون له آثار كبيرة في العالم الحقيقي. من خلال وضع عدد قليل من الزعانف المعدنية في كل من أعلى وأسفل حاوية كروية مملوءة بالشمع، يمكن للمهندسين بناء "بطاريات حرارية" تشحن وتفرغ بسرعة أكبر بكثير دون التضحية بكمية الحرارة التي يمكنها الاحتفاظ بها. يمكن تعبئة مثل هذه الكبسولات المحسّنة في مسخّنات المياه الشمسية، وأنظمة تدفئة المباني، أو وحدات استرداد الحرارة الصناعية، مما يساعد على تمهيد تقلبات ضوء الشمس وجعل الحرارة المتجددة أكثر موثوقية.

الاستشهاد: Swami Punniakodi, B.M., Veeramanikandan, M., Manickam, M. et al. Effect of fins in enhancing phase change material fusion in a spherical thermal energy storage container. Sci Rep 16, 8440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38262-8

الكلمات المفتاحية: تخزين الطاقة الحرارية, مادة الطور الكامنة, تسخين المياه بالطاقة الشمسية, زعانف نقل الحرارة, شمع البارافين