خصائص الثرموفلويد والإكسيرجي لتدفق نانوسائل MoS2/ماء في جامع شمسي ذو لوحة مسطحة تحت ظروف إشعاعية عالية

مياه ساخنة من ضوء الشمس بصورة أذكى

في كثير من المنازل، لا سيما في المناطق المشمسة، يستهلك تسخين المياه جزءًا كبيرًا من فواتير الطاقة ويساهم في انبعاثات تضخِّم ظاهرة الاحتباس الحراري. تستكشف هذه الدراسة طريقة لجعل سخانات المياه الشمسية الشائعة على الأسطح أكثر فعالية بشكل ملحوظ بتعديل السائل المتدفق بداخلها. بدلاً من الماء العادي، اختبر الباحثون سائلًا مائيًا يحتوي على جزيئات صغيرة جدًا من كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂)، بهدف التقاط المزيد من طاقة الشمس، وخفض التكاليف على مدى عمر النظام، وتقليل التلوث — وكل ذلك دون تغيير الألواح الشمسيّة المسطحة المألوفة نفسها.

لماذا يمكن للجزيئات الدقيقة أن تحدث فرقًا كبيرًا

تعمل جامعات اللوحة المسطحة القياسية، المنتشرة لتسخين مياه المنازل، كلوحة معدنية سوداء تسخن تحت الشمس بينما ينقل الماء الحرارة بعيدًا. المشكلة أن الماء ليس ناقلاً جيدًا للغاية للحرارة، لذا يُفقد جزء من الطاقة الشمسية الملتقطة قبل أن يصل إلى خزان التخزين. تعامل المؤلفون مع هذا عبر تشتت جزيئات MoS₂ الدقيقة جدًا في الماء، مكوّنين ما يُعرف بالنانوسائل. هذه الجزيئات، المعروفة بتركيبتها الطبقية الموصلة للحرارة وقدرتها العالية على امتصاص ضوء الشمس، تساعد السائل على امتصاص ونقل الحرارة بكفاءة أكبر. النظام الذي درسوه يتوافق مع منزل نموذجي لعائلة واحدة في إيران، مع جامع على السطح ومضخة تُدوِّر السائل وخزان ماء ساخن عمودي، وكلها مُحاكاة في نماذج حاسوبية على مدار العام.

كيف اختبروا النظام على مدار السنة

للخروج من نطاق التجارب المعملية القصيرة، بنى الفريق نموذجًا رقميًا مفصلاً باستخدام TRNSYS، وهي أداة شائعة لمحاكاة أنظمة الطاقة، ثم تحققوا منه مقابل قياسات حقيقية من جهاز اختبار خارجي في أهواز، وهي مدينة مشمسة جدًا في إيران. قارنوا تنبؤات النموذج بشأن الحرارة المفيدة مع بيانات من جامع فعلي تحت ظروف صافية وغائمة. كان التطابق جيدًا — الأخطاء قليلة النسب — مما أعطى ثقة بأن النظام الافتراضي موثوق لاستكشاف الأداء على مدار العام. درست المحاكاة ثلاث خيارات للسوائل: الماء العادي، والماء مع 0.5% حجمًا من MoS₂، والماء مع 1% MoS₂، مع احتساب خزان ماء ساخن مصمم خصيصًا محسن بمادة تخزين شمعية تحتوي على جسيمات أكسيد الألومنيوم لتخفيف تقلبات درجة الحرارة.

مزيد من الحرارة، استخدام أفضل للشمس، وتكاليف أقل

عبر جميع المواسم، برزت النانوسيالة بنسبة 1% MoS₂ كالأفضل. في أشهر البرد، حيث تكتسب درجات إضافية أهمية أكبر، ارتفعت درجة حرارة مخرج الجامع بحوالي 20% مقارنة بالماء العادي، وزاد متوسط الحرارة المفيدة التي يكسبها النظام بما يصل إلى 13%. كما ارتفعت كفاءة اللوحة الإجمالية — أي كم من ضوء الشمس الوارد تحول إلى حرارة قابلة للاستخدام — بعدة نقاط مئوية، لا سيما في الربيع والخريف. ومقياس أكثر تقدمًا يُدعى «الإكسيرجي»، الذي يتتبع كم من الطاقة الملتقطة يمكنها القيام بعمل مفيد فعليًا، تحسّن بدرجة أكبر: فقد عززت النانوسيالة بنسبة 1% مخرجات الإكسيرجي وكفاءة الإكسيرجي بحوالي 20–22% مع تقليل طفيف للخسائر الداخلية. عمليًا، وضع النظام حصة أكبر من ضوء الشمس المتاح في خدمة الاستخدام بدلاً من إهداره كحرارة منخفضة الجودة.

المال الموفر والانبعاثات المتجنّبَة

لأن الجامع المحسّن يوفر مزيدًا من الماء الساخن من نفس مقدار الشمس، ينخفض سعر الوحدة للحرارة المفيدة رغم التكلفة المضافة للجسيمات النانوية. حسبت الدراسة مقياسًا يسمى تكلفة الحرارة معادلتًا على مدى العمر (Levelized Cost of Heat)، الذي يوزع جميع تكاليف الاستثمار والصيانة والمواد عبر عمر النظام. في أحBright ظروف الصيف الأكثر إشراقًا، حقق سائل 1% MoS₂ أقل تكلفة حرارية تقارب 0.77 دولار لكل كيلواط-ساعة من الحرارة المفيدة، وعلى مدار السنة خفّض التكلفة المرتبطة بمخرجات الجودة العالية (الإكسيرجي) بحوالي 3–5% مقارنة بالماء العادي. بيئيًا، يحل النظام الأفضل أداءً محل كهرباء أو وقود كان سيُحرق لتسخين الماء، ما يجنب حتى 44 كيلوجرامًا من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون شهريًا في فترات الذروة. كما تحسنت مؤشرات تجمع بين المنظورين البيئي والاقتصادي، مبيِّنة تراجعًا في التلوث لكل دولار مستثمر.

ماذا يعني هذا لسخانات المياه الشمسية اليومية

لغير المتخصصين، الخلاصة أن تغيير السائل العامل داخل سخان مياه شمسي مسطح عادي يمكن أن يفتح مكاسب كبيرة دون إعادة تصميم الأجهزة. في بيئة هذه الدراسة المشمسة، جرعة متواضعة بنسبة 1% من جزيئات MoS₂ جعلت الجامع يحوّل مزيدًا من ضوء الشمس إلى ماء ساخن، وخفّضت تكاليف التدفئة على المدى الطويل، وقلصت انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، وكل ذلك مع تحسين ثبات استخدام النظام للطاقة الشمسية المتاحة على مدار العام. وبالرغم من أن الأعمال المستقبلية تحتاج إلى تأكيد الاستقرار طويل الأمد واحتياجات الصيانة الواقعية، تشير النتائج إلى أن الجامعات القائمة على النانوسوائل تعد خطوة واعدة نحو أنظمة مياه منزلية أنظف وأكثر كفاءة في المناطق المشمسة.

الاستشهاد: Chammam, A., Widatalla, S., AlMohamadi, H. et al. Thermofluid and exergy characteristics of MoS₂/water nanofluid flow in a flat‑plate solar collector under high‑irradiance conditions. Sci Rep 16, 11628 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43090-x

الكلمات المفتاحية: تسخين مياه بالطاقة الشمسية, النانوسوائل, جامعات اللوحة المسطحة, كفاءة الطاقة, التدفئة المتجددة