التحليل الحراري لنظام مسخن هواء شمسي ذو صفيحة مسطحة مععاكسات إشعاع وخشونة على شكل W: نهج الشبكات العصبية والذكاء الاصطناعي

لماذا الهواء الأكثر سخونة من ضوء الشمس مهم

تحويل ضوء الشمس إلى حرارة مفيدة هو أحد أبسط الطرق لتقليل استهلاك الوقود والانبعاثات، ومع ذلك لا تزال العديد من مسخّنات الهواء الشمسية الشائعة تهدر جزءًا كبيرًا من الطاقة الواردة إليها. تستكشف هذه الدراسة مسخّن هواء شمسي مسطّح أذكى يستخرج دفءًا أكبر من نفس ضوء الشمس عن طريق إعادة تشكيل سطح المعدن الذي يمتص الضوء وإضافة مرايا على الجوانب. كما يختبر الباحثون ما إذا كانت أدوات البيانات الحديثة — الشبكات العصبية الاصطناعية وتعلم الآلة — قادرة على التنبؤ بدقة بأداء النظام، ممهدة الطريق لتصميم أفضل دون تجارب متكررة ومكلفة.

طريقة أذكى لتسخين الهواء المتحرك

المسخّن الشمسي ذو الصفيحة المسطحة هو في الأساس صندوق سطحي: يمر ضوء الشمس عبر غطاء زجاجي ويسخّن صفيحة معدنية داكنة، ويتلقف الهواء المتدفق تحت الصفيحة هذه الحرارة ويحملها بعيدًا. هذه الأجهزة جذابة لأعمال مثل تجفيف المحاصيل أو تدفئة المباني لأنها رخيصة، هادئة، وسهلة الصيانة. العيب الرئيسي هو أن الحرارة لا تنتقل بكفاءة من الصفيحة الساخنة إلى الهواء المار، فتسخن الصفيحة كثيرًا وتفقد الطاقة إلى المحيط بدلاً من التيار الهوائي. سعى المؤلفون لمعالجة هذا الضعف بدمج خدعتين سلبيتين — معكوسات جانبية وسطح معدني مُجعّد — في تصميم واحد “ثنائي الوضع”.

المزيد من ضوء الشمس على الهدف بواسطة المرايا الجانبية

الخدعة الأولى هي وضع معكوسات عاكسة على طول حواف المسخّن الطويلة. تميل هذه الألواح بحيث ترتد أشعة الشمس التي كانت ستفوت عادةً لوحة الامتصاص إلى الوراء عليها. في جهاز الاختبار الخارجي، تم ضبط المعكوسات بزاوية تقارب 30 درجة ومطابقتها في الطول مع قسم التسخين النشط. هذا الترتيب يرفع درجة حرارة الصفيحة عن طريق زيادة التدفق الشمسي ويوزع الحرارة بشكل أكثر انتظامًا على السطح. أظهرت القياسات أن إضافة المعكوسات إلى مسخّن أملس زادت مقياسًا رئيسيًا لنقل الحرارة، رقم نوسلت، بحوالي 18–27 بالمائة وعزّزت الكفاءة الحرارية الإجمالية حتى نحو 43 بالمائة مقارنةً بالتصميم العادي بدون معكوسات.

تشكيل السطح لتحفيز خلط الهواء

الخدعة الثانية هي إعادة تشكيل الجانب السفلي لصفيحة الامتصاص، حيث يتدفق الهواء. بدلًا من تركه أملسًا، لصق الفريق أسلاكًا نحاسية رفيعة على شكل متكرر على هيئة حرف W عبر السطح. تعمل هذه الحواجز كحوائط مطبّية صغيرة للهواء. أثناء مرور الهواء فوق كل حافة على شكل W، ينفصل التدفق، ويدوِّر، ثم يلتصق مجددًا، مما يزعج باستمرار الطبقة الرقيقة الراكدة من الهواء التي عادةً ما تلتصق بالسطح وتقاوم انتقال الحرارة. من خلال اختيار تباعد وارتفاع وزاوية هذه الحواجز بعناية، هدف الباحثون إلى تقوية هذا الخلط دون التسبب بانخفاض ضغط مفرط يستلزم طاقة مروحة إضافية.

ما كشفت عنه التجارب وأدوات البيانات

بنى الفريق واختبر عدة تكوينات في الهواء الطلق في أيام صافية: صفيحة ناعمة بدون معكوسات، صفيحة ناعمة مع معكوسات، وصفيحة مخدّدة على شكل W مع معكوسات. راقبوا درجات حرارة الهواء عند المدخل والمخرج، ودرجات حرارة الصفيحة، وشدة الإشعاع الشمسي، ومعدلات تدفق الهواء، ومن هذه القيم حسبوا مدى فعالية كل إعداد في نقل الحرارة من الصفيحة إلى الهواء. قدم الجمع بين الخشونة على شكل W والمعكوسات أقوى أداء: كان مؤشر نقل الحرارة أعلى بما يصل إلى 1.63 مرة مقارنةً بالنظام الأملس الأساسي، وتحسنت الكفاءة الحرارية بمقدار يصل إلى 1.84 مرة. ولتقليل الجهد التجريبي المستقبلي، درّب المؤلفون أيضًا نماذج تعلم آلي وشبكة عصبية على مئات نقاط البيانات. استطاعت هذه النماذج التنبؤ بسلوك نقل الحرارة وظروف التدفق بدقة عالية جدًا، مطابقةً عن كثب اتجاهات التجارب.

من أجهزة اختبار أفضل إلى مجففات شمسية أفضل

للغير مختصين، الخلاصة واضحة: من خلال إضافة مرايا جانبية بسيطة ونمطٍ مدروس من الأضلاع المعدنية، يمكن لمسخّن الهواء الشمسي المسطّح أن يوفر دفءًا مفيدًا أكثر بكثير من نفس مساحة ضوء الشمس. هذا يعني أن البيوت الزجاجية، مجففات المحاصيل، مسخّنات المباني، والأنظمة المماثلة قد تصبح أصغر بكثير أو أكثر قدرة دون إضافة أجزاء متحركة أو وقود. كما أن الاستخدام الناجح للشبكات العصبية وتعلم الآلة في هذه الدراسة يُظهر أن المصممين يمكنهم الاعتماد بشكل متزايد على نماذج ذكية قائمة على البيانات لضبط هذه الأجهزة قبل بنائها، مما يسرّع التحول نحو تدفئة شمسية أنظف وأكثر كفاءة في المنازل والمزارع والصناعة.

الاستشهاد: Jain, P.K., Kurrey, K.L., Pandey, V. et al. Thermal analysis of flat plate solar air heater system with radiation reflectors and W-shaped roughness: artificial neural network & machine learning approach. Sci Rep 16, 11779 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41922-4

الكلمات المفتاحية: مسخن هواء شمسي, تقليل نفايات الحرارة, تجفيف شمسي, نمذجة تعلم الآلة, الكفاءة الحرارية