نموذج حراري جديد لتحسين كفاءة الألواح الشمسية العائمة

طور فريق دولي بقيادة جامعة مانشستر نموذجًا حراريًا متعدد الفيزياء لتحسين أداء الألواح الشمسية العائمة باستخدام نظام تبريد طبيعي بدائرة مغلقة (NCCL) ، يمثل هذا النظام تقدمًا مهمًا في تقنيات الطاقة الشمسية، حيث نجح في رفع الكفاءة الكهربائية إلى 15.45%  مقارنة بكفاءة الألواح التقليدية غير المبردة البالغة 14.98%

تصميم النظام الحراري: دائرة التبريد الطبيعية (NCCL)

نظام التبريد الطبيعي يعتمد على نقل الحرارة الزائدة من الألواح الشمسية إلى جسم مائي مثل البحيرات أو الأنهار، مما يخفض درجة حرارة التشغيل ويحسن الأداء. ويتكون النظام من:

1. مشتت حراري: جزء مغمور في الماء عند قاعدة الدائرة، يعمل على نقل الحرارة إلى الجسم المائي.
2. لوح شمسي: بطول 0.75 متر يتموضع فوق المشتت الحراري ويتلقى الطاقة الشمسية.
3. خزان مبرد: يقع على ارتفاع 75 سم فوق اللوح الشمسي، ويبلغ طوله 20 سم وارتفاعه 40 سم.

الأبعاد الفنية للنظام:

• طول النظام: 1 متر.
• ارتفاع النظام: 1.2 متر.
• أنابيب التبريد: بقطر 20 ملم.
• الإطارات النحاسية: بسمك 1 ملم.
• سماكة قناة التبريد: تتراوح بين 1 ملم و20 ملم.

مكونات اللوح الشمسي:

• زجاج مقوى
• طبقتان من مادة EVA الإيثيلين فينيل أسيتات
• خلايا شمسية مصنوعة من السيليكون البلوري
• طبقة من PVF فلوريد البولي فينيل

اختبارات السوائل المبردة وتأثيرها على الكفاءة

اختبر الباحثون نوعين من السوائل المبردة في الخزان:

1. الماء النقي.
2. مزيج الماء مع 5.3 ppm من جزيئات الفضة النانوية (Ag-water)

نتائج استخدام الماء النقي:

• حقق أعلى كفاءة بنسبة 15.45%  عند سماكة قناة التبريد 2 ملم.
• انخفضت الكفاءة إلى 14.48%  عند زيادة السماكة إلى 20 ملم.

نتائج استخدام مزيج Ag-water

• وصلت الكفاءة إلى ذروتها عند 15.08%  بسماكة 1 ملم.
• انخفضت الكفاءة بشكل حاد إلى 11.85%  عند سماكة 20 ملم.

تحليل سماكة قناة التبريد وتأثيرها

• زيادة سماكة القناة:
  • تؤدي إلى تحسين تدفق السائل المبرد الناتج عن الطفو، مما يقلل من درجات الحرارة.
  • تقلل من الطاقة الإشعاعية المتاحة لتوليد الكهرباء بسبب امتصاص أكبر للإشعاع الشمسي داخل القناة.
• التوازن بين السماكة والكفاءة:
  • السماكة المثلى كانت عند 2 ملم عند استخدام الماء النقي، حيث توازن النظام بين تقليل درجة الحرارة والمحافظة على الطاقة الإشعاعية اللازمة لتوليد الكهرباء.

تحليل الطيف الضوئي ونفاذية السوائل

أظهرت الدراسة أن نفاذية السائل المبرد للطيف الضوئي المفيد للخلايا الشمسية تلعب دورًا حاسمًا.

• الماء النقي:  يتميز بنفاذية عالية للطيف الضوئي (325-1125 نانومتر)، مما يزيد من كفاءة الخلايا الشمسية.
• مزيج Ag-water : يمتص المزيد من الإشعاع في نطاق (340-510 نانومتر)، مما يقلل من نفاذية الضوء المفيد وبالتالي الكفاءة الإجمالية.

التحديات والدروس المستفادة

• تقليل درجة الحرارة وحده غير كافٍ:  خفض درجات الحرارة لا يضمن زيادة الكفاءة ما لم يتم تحسين نفاذية السائل للطيف المفيد.
• تأثير التصميم على الأداء:  التوازن بين التصميم الحراري والكهربائي ضروري لتحقيق أقصى كفاءة.
• النمذجة الدقيقة:  النموذج الحراري الذي طوره الباحثون سجل انحرافًا متوسطًا قدره 8.3%  مقارنة بالنتائج التجريبية، مما يؤكد دقته العالية.

أهمية البحث وتطبيقاته المستقبلية

يوفر هذا البحث حلولًا مبتكرة لتحسين أداء الألواح الشمسية العائمة، مما يجعلها خيارًا مستدامًا وفعالًا خاصة في المناطق ذات الموارد المائية الكبيرة. تشمل التطبيقات المستقبلية:

• تطوير أنظمة تبريد محسنة تجمع بين الكفاءة الحرارية والبصرية.
• تصميم ألواح شمسية عائمة تلائم البيئات المائية المختلفة مثل البحيرات والسدود.
• توسيع استخدام الطاقة الشمسية في المناطق الحضرية والريفية على حد سواء.

خلاصة

يمثل النظام الحراري الجديد خطوة مهمة نحو تحسين كفاءة الألواح الشمسية العائمة من خلال دمج تقنيات التبريد الطبيعية والنماذج الحرارية المتقدمة. مع استمرار الابتكار في هذا المجال، يمكن توقع دور أكبر لهذه التقنية في تحقيق أهداف الاستدامة العالمية.