تصميم جامع متموّج لمحطات الطاقة ذات المداخن الشمسية عالية الكفاءة

تحويل ضوء الشمس والهواء إلى طاقة لطيفة

تخيل توليد الكهرباء من ضوء الشمس باستخدام شيء لا أكثر من هواء دافئ يصعد داخل أنبوب طويل. هذه هي الفكرة الأساسية وراء محطات الطاقة ذات المداخن الشمسية، مفهوم منخفض التقنية قد يوفر طاقة نظيفة في المناطق المشمسة. تستعرض هذه الورقة لمسة بسيطة على التصميم: إعادة تشكيل الأرضية تحت سقف الزجاج إلى موجات لطيفة. يوضح المؤلفون أن هذا التغيير الطفيف يمكن أن يجعل الهواء يتحرك أسرع ويحمل حرارة أكبر، ما قد يساعد المداخن الشمسية المستقبلية على توليد طاقة أكثر دون إضافة أجزاء متحركة.

كيف تعمل المدخنة الشمسية

في محطة طاقة ذات مدخنة شمسية، يغطي سقف عريض ومنخفض من مادة شفافة سطحًا أرضيًا داكنًا. يمر ضوء الشمس عبر السقف ويسخّن الأرض، والتي بدورها تسخّن الهواء المحبوس تحته. يتدفق هذا الهواء الدافئ والأخف نحو برج مركزي شاهق ويصعد بداخله مثل الدخان في مدخنة. يمكن لتوربين موضوع قرب قاعدة البرج أن يحصد طاقة الهواء المتحرك. جمال هذا الترتيب في بساطته: لا وقود محترق وقليل من المكونات للصيانة، مما يجعله جذابًا للمناطق النائية أو الجافة حيث يصعب بناء محطات طاقة أخرى.

لماذا يهم شكل الأرضية

على الرغم من بساطة الفكرة، غالبًا ما تقصر المداخن الشمسية الفعلية عن إمكاناتها النظرية. عنق الزجاجة الرئيسي هو مدى فعالية منطقة الجمع تحت السقف في تسخين وتحريك الهواء. في معظم التصاميم، تكون هذه السطحية مسطحة، ما يحد من مدى تمازج وتدوير الهواء أثناء تسخينه. استُلهمت الفكرة من المبادلات الحرارية والسخانات الهوائية الشمسية، حيث تُعرف الأسطح المخددة أو المتموجة بزيادة نقل الحرارة. تساءل المؤلفون: ماذا لو كانت أرضية الجامع في المدخنة الشمسية متموجة بلطف بدلًا من أن تكون مسطحة؟ هدفهم كان معرفة ما إذا كان مثل هذا التغيير الهندسي السلبي البحت يمكن أن يقوّي «المضخة» الطبيعية التي تدفع الهواء صعودًا في المدخنة.

اختبار التصاميم المتموجة على الحاسوب

نظرًا لأن بناء العديد من النماذج المقاس الكامل سيكون غير عملي، استخدم الباحثون محاكيات ديناميكا الموائع الحاسوبية التفصيلية لاختبار أشكال مختلفة. نمذجوا مدخنة شمسية بمقياس صغير مع جامع دائري متموج، موصوفين الموجات بعلوها (السعة) وتباعدها (الطول الموجي). من خلال تغيير هذين العاملين بشكل منهجي، تمكنوا من رؤية كيف تغيرت سرعة الهواء والضغط ودرجة الحرارة والكثافة أثناء تدفقه من الحافة الخارجية نحو البرج. تمت مراجعة النموذج الافتراضي مقابل بيانات تجريبية موجودة من جامع مسطح تقليدي، ومنح الاتفاق في كل من الحرارة وسرعة الهواء ثقة بأن المحاكاة واقعية.

ما تفعله الموجات بتدفق الهواء والحرارة

تكشف المحاكيات أن إضافة موجات إلى أرضية الجامع لها تأثيران رئيسيان. أولاً، تزيد المساحة السطحية الفعلية التي تسخنها الشمس، فبالتالي يمكن نقل حرارة أكبر إلى الهواء لنفس شدة الإشعاع الوارد. ثانيًا، الشكل المنحني يدفع الهواء إلى أنماط دوران لطيفة، تخلط الهواء الأدفأ قرب الأرض مع الهواء الأبرد أعلاه. هذا الخلط يساعد على توزيع الحرارة بشكل أكثر تساويًا ويشجع الهواء على التسارع عند اقترابه من المدخنة. مع ذلك، ليست كل أشكال الموجات مفيدة بالمثل: عندما تكون الموجات ضيقة جدًا أو عالية جدًا، فإنها تخلق جيوبًا صغيرة من التدفق الدوراني تعيق الحركة وتقلل من السحب الصافي للهواء.

إيجاد النقطة المثلى

بمقارنة حالات عديدة، حدد الفريق «نقطة مثلى» حيث تكون الموجات قوية بما يكفي لتعزيز التسخين والخلط لكنها لطيفة بما يكفي لتجنب مقاومة مفرطة. في دراستهم، حدث أفضل أداء عندما كان المسافة بين قمم الموجات وارتفاعها تتبعان نسبة معينة، وعندما طابق ارتفاع الموجة مقياس نصف القطر المستخدم في التصميم. في هذه الظروف، تحرك الهواء الداخل إلى المدخنة أسرع بنحو ثلث مقارنة بالحالة ذات الأرضية المسطحة، بينما انخفض الضغط عند قاعدة المدخنة أكثر، ما أعطى شفطًا طبيعيًا أقوى. تُرجمت هذه التغييرات إلى مكاسب ملحوظة في إنتاجية الطاقة المحسوبة للمحطة وكفاءتها الإجمالية، وكل ذلك دون إضافة مراوح أو مضخات أو أجهزة نشطة أخرى.

ما يعنيه هذا لمستقبل الطاقة النظيفة

للغير متخصص، الرسالة أن تعديلات هندسية صغيرة يمكن أن تجعل تقنية شمسية بسيطة تعمل بشكل أفضل. تُظهر الدراسة أن أنماطًا متموجة مصممة بعناية تحت سقف المدخنة الشمسية يمكن أن تساعد النظام على جذب مزيد من الهواء الدافئ ودفعه صعودًا بقوة أكبر، مما يزيد قليلًا من الطاقة القابلة للاستخراج. وبينما أُجري العمل على نظام نموذجي وتحت ضوء شمس ثابت ومثالي، إلا أنه يشير إلى طريقة واعدة ومنخفضة التكلفة لتحسين محطات المدخنة الشمسية. مع اختبارات إضافية على مقاييس أكبر وتحت ظروف جوية حقيقية، قد تصبح هذه الجامعات المتموجة جزءًا من جيل جديد من أنظمة الطاقة الشمسية الصامتة وقليلة الصيانة.

الاستشهاد: Elsayed, A.M., Aziz, M.A. & Elshimy, H. Wavy collector design for high-efficiency solar chimney power plants. Sci Rep 16, 13624 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49364-8

الكلمات المفتاحية: المدخنة الشمسية, الطاقة المتجددة, تصميم جامع شمسي, نقل الحرارة السالب, الديناميكا الحرارية الحاسوبية للسوائل