زيادة كفاءة الخلايا الكهروضوئية في المناخات القاحلة باستخدام استراتيجيات التبريد

الحفاظ على برودة الألواح الشمسية في حرارة الصحراء

في المناطق الحارة والمشمسة، فإن ضوء الشمس نفسه الذي يجعل الطاقة الشمسية جذابة قد يعمل ضدها عن طريق تسخين الألواح وخفض إنتاجها. تبحث هذه الدراسة في أساليب بسيطة لتبريد الألواح على الأسطح في مناخ صعيد مصر القاسي حتى تتمكن الأسر والمرافق من استخلاص كهرباء أكثر من نفس الأجهزة دون اللجوء إلى تقنيات معقدة أو مكلفة.

لماذا تؤذي الحرارة الألواح الشمسية

تُختبر الألواح الشمسية عند درجة حرارة معيارية تقارب حرارة الغرفة، لكن على السطح في مدينة قاحلة قد ترتفع درجة الحرارة إلى ما يزيد عن 50 درجة مئوية. بالنسبة للألواح المصنوعة من السيليكون الشائع، كل درجة مئوية إضافية فوق المعيار تقلل الكفاءة بنحو نصف بالمئة. في أماكن مثل أسيوط في صعيد مصر، حيث تجلب الأيام الصيفية ضوءًا شمسياً مكثفًا وهواءً لاهبًا، ينتهي الأمر بجزء كبير من الطاقة الداخلة على شكل حرارة بدلاً من كهرباء. هذا يرفع أهمية أي طريقة عملية تستطيع التخلص من الحرارة مع السماح بوصول كمية كبيرة من الضوء إلى الخلايا.

ثلاث طرق لتبريد لوح على السطح

لاستكشاف هذا التحدي، ركب الباحثون أربعة ألواح شمسية متطابقة على سطح جامعة وشغلوها جنبًا إلى جنب خلال أيام متأخرة من الصيف الحارة. كان لوح واحد مرجعًا بلا تبريد. الثاني بُرّد من الأمام برذاذ ماء لطيف مُغذى بواسطة مضخة صغيرة وخزان. الثالث استخدم أنبوبًا معدنيًا ضيقًا مرتبًا بنمط متعرج عبر ظهر اللوح، مع دوران ماء مبرد في دائرة مغلقة. أما اللوح الرابع فجلس تحت صفيحة زجاجية مصفاة خاصة مثبتة على مسافة قصيرة فوق سطحه، تهدف إلى أن تكون درعًا ساكنًا يقلل الوهج والحرارة دون استهلاك طاقة.

كيفية تنفيذ الاختبارات

بين أوائل سبتمبر وأوائل أكتوبر، سجّل الفريق بيانات كل ساعة من منتصف الصباح إلى منتصف الظهيرة، حين كانت الشمس ودرجة حرارة الهواء في أعلى معدلاتهما. في كل فترة قياس، قاسوا درجة حرارة سطح اللوح، وشدة الإشعاع الشمسي، والتيار والجهد، ثم مرّروا بمجموعة من الأحمال الكهربائية لرسم منحنى القدرة الكامل لكل لوح. مكنتهم هذه الإجراءات الدقيقة من تحديد أقصى طاقة يمكن أن يقدمها كل تجهيز تحت ظروف خارجية شبه متطابقة، وربط التغيرات في الإنتاج مباشرة بتغيرات درجة حرارة اللوح.

ما الذي فعله التبريد لإنتاج الطاقة

الطريقتان النشطان المعتمدان على الماء برَّدان الألواح بشكل كبير وزادا قدرتهما الكهربائية. أنتج نظام الرش، الذي يبلل السطح الأمامي على دفعات قصيرة، أكبر انخفاض في درجة السطح خلال الساعات الأكثر سخونة وزاد الطاقة القصوى بنحو 20 بالمئة مقارنةً بلوح المرجع غير المبرد. قدمت الحلقة المتعرجة على الظهر مكاسب قصوى أقل قليلاً لكنها souvent منحت أفضل متوسط طاقة خلال اليوم بفضل تبريدها المستقر في حلقة مغلقة واستهلاكها المعتدل للماء. وعلى النقيض اللافت، عمل اللوح المغطى بالزجاج أبرد من اللوح العاري لكنه تكبّد خسائر كبيرة في القدرة، في بعض الحالات أكثر من ثلث الإنتاج، لأن الزجاج المصفى ومشابكه حجبت أو بعثرت جزءًا كبيرًا من الضوء الداخل.

موازنة بين الماء والتكلفة والأداء

بعيدًا عن الطاقة الخام، وزن الفريق أسئلة عملية قد يطرحها مالك منزل أو مصمم نظام. كان نظام الرش منخفض التكلفة من ناحية المعدات لكنه استهلك أكبر كمية من الماء، وهو ما قد يمثل مشكلة في المناطق الجافة ما لم تتوفر مصادر غير صالحة للشرب. احتاجت الحلقة المتعرجة إلى أجهزة أولية ومضخة وطاقة تشغيل أكبر لكنها استخدمت ماءً قليلاً جدًا لأنها أعادت تدويره في خزان مغلق. أما الدرع الزجاجي، فبينما كان بسيطًا وساكنًا، فقد أوضح بجلاء أن التبريد القائم على التظليل قد ينقلب: أي مكسب بسبب انخفاض الحرارة طغى عليه فقدان ضوء الشمس القابل للاستخدام.

ماذا يعني هذا للطاقة الشمسية في المناطق الحارة

تُظهر الدراسة بعبارات واضحة أن التبريد يمكن أن يساعد الألواح الشمسية على العمل بشكل أفضل في الحرارة الشديدة، لكن فقط إذا حفظ إمكانية وصول الضوء اللازم لعملها. في الظروف المختبرة، قدّمت طرق التبريد النشطة بالماء، خصوصًا تصاميم الرش والحلقة المتعرجة، مكاسب طاقة جديرة بالاهتمام، بينما قلّلت الغطاء الزجاجي الإنتاج رغم خفضه لدرجة الحرارة. للمناخات المشمسة والقاحلة، يوصي المؤلفون باستخدام التبريد المتعرج عند درجات حرارة متوسطة والتبديل إلى رش الماء خلال الساعات الأكثر حرارة، مع تجنب نهج الزجاج المظلل الذي يخفض الإشعاع. تمنح نتائجهم المخططين والمركبين صورة أوضح عن كيف يمكن لإضافات تبريد بسيطة أن تجعل الطاقة الشمسية أكثر موثوقية وإنتاجية حيث تكون الحاجة ماسة.

الاستشهاد: Abdelsattar, M., Saleh, O.M.A., Ali, A.F.M. et al. Enhancing photovoltaic efficiency in arid climates using cooling strategies. Sci Rep 16, 16141 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50636-6

الكلمات المفتاحية: تبريد الألواح الشمسية, كفاءة الخلايا الكهروضوئية, المناخات القاحلة, تبريد برش الماء, تبريد متعرج