تحقيق تجريبي في نظام تسخين الهواء الشمسي باستخدام جامع أنابيب مفرغة مع أنبوب متحد المحور

لماذا يهم الحصول على هواء أشد سخونة من الشمس

من تجفيف الطعام والأخشاب إلى تدفئة المصانع، تتطلب العديد من العمليات اليومية تدفقات ثابتة من الهواء الساخن. يسهم حرق الوقود الأحفوري لتوليد هذه الحرارة في زيادة التكاليف وانبعاثات الكربون. تبحث هذه الدراسة في وسيلة لاستغلال ضوء الشمس بدلاً من ذلك، باستخدام نوع خاص من مجمّعات الأنابيب الزجاجية لتحويل الهواء الخارجي إلى هواء ساخن وموثوق—يصل إلى درجات حرارة تقارب غليان الماء—بدون آلات معقدة أو مواد غريبة.

تحويل ضوء الشمس إلى هواء ساخن متحرك

يركز الباحثون على جهاز يُسمى مسخن الهواء الشمسي، الذي يلتقط طاقة الشمس وينقلها إلى الهواء المتدفق. بدل الألواح المسطحة والصندوقية التي تُرى غالباً على الأسطح، يستخدمون صفوفاً من الأنابيب الزجاجية المنحنية المعروفة بالأنابيب المفرغة. يحتوي كل أنبوب على طبقة مفرغة تعمل كترمس عالي الجودة، تقلل بشكل حاد من فقد الحرارة إلى الخارج. تُسخّن أشعة الشمس سطحاً داخلياً داكناً، ويُجبر الهواء على المرور بجوار هذا السطح بمساعدة مروحة صغيرة، فيلتقط الحرارة أثناء مروره.

لمسة جديدة داخل الأنبوب

تكمن الابتكار الرئيسي في كيفية تحرك الهواء داخل كل أنبوب. بدلاً من ترك الهواء يتدفق عبر مساحة مفتوحة واحدة، أدخل الفريق أنبوباً معدنياً أصغر على طول المحور المركزي، مما يخلق ممر حلقي ضيق بين الأنبوب المعدني والزجاج الداخلي المسخّن. يجعل هذا الترتيب «أنبوب داخل أنبوب» الهواء يبقى على اتصال وثيق مع السطح الساخن لفترة أطول، محسنًا نقل الحرارة. من خلال توجيه الهواء بعناية في هذا المسار المحصور، يستخلص النظام دفعة من الدفء المفيد من نفس ضوء الشمس دون إضافة أجزاء متحركة معقدة.

اختبار أطوال أنابيب وسرعات هواء مختلفة

أُجريت التجارب في الهواء الطلق في كويمباتور، الهند، خلال أيام مشمسة، باستخدام 20 أنبوباً مفرغاً متصلة بمدخل ومخرج هواء مشتركين. غيّر الفريق إعدادين بسيطين: مدى سرعة تدفق الهواء (50 أو 100 كيلوجرام في الساعة) وطول الأنبوب المعدني الداخلي (إما 1.5 متر أو نصف ذلك الطول، 0.75 متر). راقبوا شدة ضوء الشمس، ودرجات حرارة الهواء في نقاط عديدة، وكمية الطاقة الإضافية التي استهلكتها المروحة لدفع الهواء عبر النظام.

إلى أي درجة سخّن الهواء؟

بالنسبة للأنابيب الداخلية الأطول بطول 1.5 متر وعند تدفق الهواء المنخفض، سخّن النظام الهواء الداخل حتى 94 درجة مئوية—أكثر بأكثر من 50–60 درجة مقارنةً بعصر الظهر الاستوائي الدافئ. مع نفس طول الأنبوب ولكن بتدفق أعلى، انخفضت درجة الحرارة القصوى إلى حوالي 74 درجة مئوية لأن الهواء اجتاز النظام بسرعة أكبر وامتلك وقتًا أقل للاحتساء. أنتجت الأنابيب الأقصر بطول 0.75 متر هواءً أبرد إجمالاً، حيث بلغ الذروة حوالي 78 درجة مئوية عند التدفق المنخفض و69 درجة مئوية عند التدفق العالي. ببساطة، المسارات الأطول والحركة الأبطأ أعطت هواءً أشد سخونة، بينما حسن التدفق الأسرع نسبة ضوء الشمس المحوّل إلى حرارة مفيدة لكنه خفّض درجة الحرارة النهائية.

موازنة الحرارة المفيدة والجهد

إلى جانب درجة الحرارة، قيّم الباحثون الأداء من خلال الكفاءة: أي مقدار ضوء الشمس الوارد الذي تحول إلى حرارة قابلة للاستخدام بعد طرح الطاقة المطلوبة لتشغيل المروحة. مع الأنابيب بطول 1.5 متر عند 50 كجم/س وصل النظام إلى حوالي 26% كفاءة فعّالة؛ أما الأنابيب الأقصر فكانت تؤدي بشكل مشابه، أعلى قليلاً من 28%، لأنها سبّبت مقاومة أقل لتدفق الهواء. رفعت معدلات التدفق الأعلى الكفاءة الحرارية الأساسية لكنها أيضاً زادت طاقة المروحة، مما خفّض المكسب الفعّال. تُظهر هذه المقايضة أن المصممين يجب أن يوازنوا بين «مدى السخونة» و«مدى صعوبة الدفع» عند تحديد حجم الأنظمة الواقعية.

ما معنى هذا للاستخدام في العالم الحقيقي

بشكل عام، تُظهر الدراسة أن تغييراً بسيطاً نسبياً—إضافة أنبوب مركزي لتوجيه الهواء داخل مجمّعات الزجاج المفرغ القياسية—يمكن أن يُنتج هواءً ساخناً بشكل موثوق في نطاق 70–95 درجة مئوية. هذه الدرجات مناسبة جيداً لتجفيف المحاصيل والأخشاب، والعمليات الصناعية منخفضة الحرارة، وتدفئة المساحات، لا سيما للمشروعات الصغيرة والمتوسطة في المناطق المشمسة. من خلال ضبط طول الأنبوب وتدفق الهواء، يمكن للمشغلين الاختيار بين هواء أكثر سخونة أو كفاءة أعلى، مما يساعد مسخّنات الهواء الشمسية على أن تصبح بديلاً عملياً ومنخفض الكربون لأنظمة الهواء الساخن المعتمدة على الوقود.

الاستشهاد: Ravichandran, V., Kumar, P.M., Adaikalasamy, V. et al. Experimental investigation on solar air heating system using evacuated tube collector with coaxial tube. Sci Rep 16, 7923 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39094-2

الكلمات المفتاحية: مسخن الهواء الشمسي, جامع الأنابيب المفرغة, تجفيف صناعي, حرارة متجددة, تصميم الأنبوب المتحد المحور