كيف تُحدث تقنيات التبريد ثورة في كفاءة اللوحات الكهروضوئية الحرارية؟

في خطوة مبتكرة، طور علماء من الشرق الأوسط وحدة كهروضوئية حرارية (PVT) جديدة تجمع بين تقنيات تبريد متقدمة لتحسين الأداء والكفاءة. حيث قام الباحثون بمحاكاة نموذج جديد لوحدة كهروضوئية حرارية تشمل مولد كهروحراري فوق طبقة الامتصاص، وشريطًا حلزونيًا مخروطيًا داخل أنبوب التبريد، وسائل مغناطيسي (ferrofluid) ، هذه التقنيات ساهمت بشكل ملحوظ في زيادة كفاءة التحويل الكهروضوئي بنسبة 2.12%، والكفاءة الحرارية بنسبة 23.34%. تمت محاكاة هذا التصميم باستخدام برنامج  Ansys Fluent

كيف يحول المولد الكهروحراري الحرارة إلى كهرباء بذكاء؟

تعمل مولدات التيار الكهروحراري على تحويل الحرارة إلى كهرباء عبر ظاهرة “تأثير سيبك”، التي تعتمد على فرق درجات الحرارة بين مواد شبه موصلة مختلفة لتوليد فرق جهد كهربائي. وعلى الرغم من انتشارها في التطبيقات الصناعية لتحويل الحرارة الزائدة، إلا أن تكلفتها العالية وأداؤها المحدود يحدان حتى الآن من استخدامها الواسع.

وفي هذه الدراسة، كسر الباحثون المألوف بوضع المولد الكهروحراري فوق طبقة الامتصاص مباشرةً، بدلاً من الجزء الخلفي للوحة، لتحسين الاستفادة من حرارة الشمس وتحويلها.

الشريط الحلزوني والسائل المغناطيسي: تقنيات تبريد ثورية لتحسين الأداء

أنبوب التبريد الخلفي مزود بشريط مخروطي الشكل يزيد من قوة تدفق السائل داخل الأنبوب، مما يعزز نقل الحرارة. السائل المستخدم هو مزيج من الماء وجزيئات المغناطيس  (Fe3O4)، الذي يسمح بنقل الحرارة بشكل فعال، كما يمكن التحكم بحركته باستخدام المجال المغناطيسي.

وباستخدام الميكانيكا الميكانيكية المغناطيسية، تحكم الباحثون في حركة السائل داخل الأنبوب، معتمدين على رقم هارتمن الذي يوازن بين القوى الكهرومغناطيسية والقوى اللزجة، ليحققوا تحكمًا دقيقًا في التبريد.

نتائج مذهلة: زيادة كفاءة الطاقة وتحكم فائق في درجة الحرارة

أظهرت المحاكاة الرقمية ارتفاعًا في كفاءة التحويل الكهروضوئي بنسبة 2.12%، وكفاءة التوليد الكهروحراري بنسبة مذهلة 74.29%، بالإضافة إلى زيادة الكفاءة الحرارية بنسبة 23.34% مع زيادة سرعة السائل الداخل.

كما انخفضت درجة حرارة اللوحة بشكل ملحوظ مع زيادة رقم هارتمن، مع تحسن في توحيد توزيع الحرارة بنسبة تصل إلى 5.56%، مما يعزز عمر وأداء الوحدة. وأشار الباحثون إلى أن زيادة سرعة السائل تؤدي إلى تحسين التفاعل مع الجدار العلوي للأنبوب، ما يخفض درجة الحرارة ويوحد توزيعها بنسبة تتراوح بين 51.2% و58.19%.

تحدي الغبار: كيف يؤثر على أداء النظام؟

لم تغفل الدراسة تأثير الغبار، حيث وجد الباحثون أن تراكم الغبار على اللوحة يقلل من كفاءة التحويل الكهروضوئي بنسبة 26.93%، وكفاءة التوليد الكهروحراري بنسبة 17.45%، والكفاءة الحرارية بنسبة 9.78%.

مستقبل الطاقة الشمسية: دمج متقن وتقنيات واعدة قادمة

إن الجمع بين هذه التقنيات الأربعة المتطورة يُعد تحولًا نوعيًا في تحسين أداء وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحرارية. وأشار الفريق البحثي إلى إمكانيات مستقبلية مثل استخدام مرشحات طيفية للسائل المغناطيسي، وتوظيف المواد المسامية داخل أنبوب التبريد لزيادة معدل التبريد، مما يفتح آفاقًا جديدة للبحوث والتطوير.

عن الدراسة وفريق البحث

نُشرت هذه الدراسة في ورقة بحثية بعنوان:
“Improving PVT Module Efficiency with Helical Tape and Magnetic Cooling Under Dust Deposition”
في مجلة  Case Studies in Thermal Engineering، عام 2025.

شارك في البحث باحثون من جامعات سعودية وعراقية مرموقة، مما يعكس التعاون العلمي المتميز في المنطقة لتطوير حلول طاقة متقدمة.

للحصول على الدراسة كاملة من هنا