חקר ניסיוני של מאפייני אנרגיה ואקסרגיה של קולקטור סולארי חדש עם התזת זרם מעגלי הפוך מתופת מסתחררת

למה חשוב לשמור על לוחות סולאריים קרים

לוחות סולאריים הופכים לאבן יסוד של אנרגיה נקייה, אך יש להם עקב אכילס: הם סובלים מחום. ככל שלוח נחשף לשמש והטמפרטורה של פניו עולה, היכולת שלו להמיר אור חשמל יורדת בהתמדה. המחקר הזה בוחן שיטה חדשה לשמירה על קירור הלוחות באמצעות תעלות אוויר מעוצבות מתחתיהן, מה שמשפר הן את תפקוד ההספק והן את כמות האנרגיה הניתנת לניצול שאפשר להפיק מהשמש.

חידוש בקירור לוחות

ברוב המערכות הגגותיים מתירים פשוט לאוויר לנסוע מאחורי הלוח. מהנדסים יודעים שניתן לשפר זאת על ידי דחיפת אוויר או מים מאחורי הלוח כדי להסיע את החום החוצה. הצוות בעבודה זו התמקד באוויר — שהוא חינמי, נקי וקל לטיפול. בהתבסס על עיצובים קודמים של "התזת ג'ט" — שבהם ג'טים של אוויר פוגעים בגב הלוח — הם יצרו קולקטור חדש שמוסיף תנועה מסתחררת לזרימת האוויר. חלקים קטנים בצורת גביע, שהודפסו בתלת־ממד מפלסטיק, יושבים בקופסה רדודה מתחת ללוח. האוויר נכנס לגביע מכל צד, מסתחרר בתוכו, ואז מתיז כלפי מעלה אל עבר גב התאים הסולאריים לפני שהוא עוזב את הקולקטור.

כיצד נבחנה המערכת החדשה

החוקרים בנו שלוש גרסאות של מערכת סולארית קטנה: לוח חשוף ללא קירור מיוחד, לוח עם קולקטור סטנדרטי של התזת זרימה מעגלית הפוכה (RCFJI), ולוח עם העיצוב המסתחרר החדש, שנקרא SRCFJI. שלושתם נבדקו בתוך מבנה תחת אור מלאכותי שניתן היה לכוונו בין רמות תאורה מתונות לחזקות (500 עד 900 ואט למטר מרובע). הם גם שינו את כמות האוויר שנדחפה דרך הקולקטור — מרוח קלה ועד זרימה חזקה יותר. במהלך כל ניסוי מדדו בקפידה טמפרטורות לוח, תפוקת חשמל, החום שהוסר על ידי האוויר וכמה מהאנרגיה הסולארית הנכנסת ניתן, בהנחה תיאורטית, להמיר לעבודה שימושית.

לוחות קרים יותר, ביצוע טוב יותר

התוצאות הראו תבנית ברורה: יותר זרימת אוויר פירושה לוחות קרים יותר וביצועים משופרים; אור שמש חזק יותר, למרות שהגביר את ההספק הגולמי, גם העלה את הטמפרטורות ולבסוף פגע ביעילות. בהשוואה ללוח החשוף, שני עיצובי הג'ט קיצצו משמעותית את טמפרטורת המשטח, אך הגרסה המסתחררת נתנה את התוצאה הטובה ביותר. בתנאי המבחן החזקים ביותר — שמש חזקה וזרימת אוויר גבוהה — פני הלוח החשוף הגיעו כמעט ל-80 מעלות צלזיוס. העיצוב הסטנדרטי הוריד זאת בכ-21.6%, והעיצוב המסתחרר הגדיל את ההפחתה לכ-25.3%, ושמר את הלוח כמה מעלות קרירות יותר. הקירור הנוסף הזה תורגם ישירות ליעילות חשמלית גבוהה יותר ויותר וואטים מיוצרים.

מעבר ליעילות פשוטה: אנרגיה שימושית

כדי להעריך את המערכת בצורה מעמיקה יותר, הצוות גם השתמש בניתוח "אקסרגיה", שמעריך כמה מהאנרגיה הנתפסת ניתנת להמרה לעבודה מעשית לאחר התחשבות בכל ההפסדים הבלתי נמנעים. גם כאן העיצוב המסתחרר יצא משתלם יותר. בהשוואה ללוח חשוף, קולקטור ה-SRCFJI הגדיל את יעילות האנרגיה החשמלית בכ־12% ואת היעילות התרמית ביותר מ־4%. במונחי אקסרגיה, הביצועים החשמליים השתפרו בכ־11%, והחלק של החום שניתן לראותו כבאמת שימושי עלה בכמעט 5%. בסך הכל התפוקה הכוללת מהמערכת המשודרגת גדלה בכ־22% בהשוואה ללוח הסטנדרטי לבדו.

מה זה אומר למערכות סולאריות עתידיות

ללא צורך בידע מיוחד, המסר ברור: על ידי עיצוב מחדש של תעלות האוויר מתחת ללוח סולארי כך שהאוויר יסחרר ויפגע ביעילות רבה יותר בגב המשטח, ניתן לשמור על הלוח קר יותר ולחלץ יותר אנרגיה שימושית מאותו אור שמש. קולקטור הג'ט המסתחרר החדש מספק יותר חשמל ועוד חום שימושי מבלי להוסיף חלקים נעים בפני הלוח או להסתמך על חומרים נדירים. אמנם האב־טיפוס נבחן בתנאים מבוקרים ובקנה מידה קטן, אך הוא מצביע על שדרוגים מעשיים להתקנות סולאריות במציאות, במיוחד באקלים חם שבו התחממות יתר היא בעיה מתמדת.

ציטוט: Alzoubi, M.A., Ibrahim, A., Alkhedher, M. et al. Experimental investigation of energy and exergy characteristics of a novel solar collector with swirling reversed circular flow jet impingement. Sci Rep 16, 6812 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37654-0

מילות מפתח: קירור לוחות סולאריים, פוטו-וולטאי תרמי, התזת ג'ט, זרימת אוויר מסתחררת, יעילות אנרגטית