تبريد الألواح الشمسية بتقنية مبتكرة: سيراميك كربيد السيليكون ومواد التغير الطوري لتحقيق كفاءة أعلى
الابتكار في التبريد السلبي: سيراميك كربيد السيليكون يدعم أداء الطاقة الشمسية
طور باحثون من جامعة طهران تقنية تبريد سلبية جديدة وفعالة للألواح الشمسية، تعتمد على سيراميك مسامي مصنوع من كربيد السيليكون (SiC) ، وعند دمجه مع مواد التغير الطوري (PCM)، أظهرت النتائج زيادة في الكفاءة الكهربائية تصل إلى %7.4، ما يفتح الباب أمام تطبيقات أوسع لتقنيات التبريد منخفضة التكلفة في البيئات الحارة والجافة.
تهدف الدراسة إلى معالجة التحديات المرتبطة بارتفاع درجة حرارة الألواح الشمسية، والتي تؤدي إلى انخفاض واضح في كفاءتها، خاصة في المناطق ذات الإشعاع العالي. وركز الفريق على اختبار وسائط تبريد منخفضة التكلفة ومتاحة محليًا، بما يعزز استدامة الحلول التقنية ويدعم إمكانات التطبيق التجاري الفعلي.
اختبار خمس وسائط تبريد: بين الأداء والكلفة
أجرى الباحثون مقارنة عملية بين خمسة أنظمة تبريد سلبية، تم تطبيقها على وحدة شمسية بولي كريستالية بقدرة 20 واط، لمدة ثلاثة أيام متتالية في مدينة طهران:
- سيراميك كربيد السيليكون المسامي + ماء
- سيراميك كربيد السيليكون المسامي + مادة PCM
- حبيبات معدنية مسترجعة من نفايات صناعية + PCM
- رقائق ألمنيوم من نفايات التشغيل + PCM
- وسائد سليلوز مستخدمة في أجهزة التبريد + ماء
وقد استخدم الفريق أدوات قياس حرارية رقمية لتسجيل التغيرات الحرارية بدقة، ثم أجرى تحليلًا اقتصاديًا مفصلًا باستخدام نموذج حسابي يأخذ بعين الاعتبار عمر النظام (20 عامًا)، ومعدل تضخم سنوي يبلغ 10%، وهو ما يوفر تصورًا واقعيًا لتكاليف التشغيل طويلة الأجل.
نتائج بارزة من حيث الأداء والكفاءة والتكلفة
سجلت وسيلة التبريد التي احتوت على الحبيبات المعدنية مع مادة PCM أعلى أداء، حيث:
- خفضت درجة حرارة اللوح بنسبة %16.3
- رفعت الكفاءة الكهربائية بنسبة %10.6
- حققت أدنى تكلفة مستوية للطاقة (LCOE) بلغت 0.134 دولار/ك.و.س
أما استخدام السيراميك المسامي + مادة PCM، الذي يعد محور الابتكار في الدراسة، فقد حقق:
- انخفاضًا في درجة حرارة اللوح بنسبة %10.9
- تحسّنًا في الكفاءة بنسبة %7.4
- LCOE بمقدار 0.165 دولار/ك.و.س
وفي المقابل، قدمت وسائط التبريد بالماء، سواء مع السيراميك أو وسائد السليلوز، أداءً محدودًا:
- انخفاض حراري أقل من %4.2
- تحسّن في الكفاءة لم يتجاوز %3.2
- LCOE تراوحت بين 0.155 و0.166 دولار/ك.و.س
مواد منخفضة التكلفة وصديقة للبيئة
ما يميز الدراسة هو اعتمادها على مواد متوفرة محليًا ومنخفضة التكلفة. على سبيل المثال:
- الحبيبات المعدنية تم الحصول عليها من نفايات محامل الكرات (Ball bearings)
- رقائق الألمنيوم من مخلفات الصناعة
- وسائد السليلوز من أجهزة تبريد الهواء الشائعة
- أما السيراميك المسامي فقد تم تصنيعه باستخدام مزيج من:
- SiC الأسود والأخضر
- أكسيد الألمنيوم (alpha-alumina)
- طين كروي (Ball clay)
- السيليكا الغروية
- بولي فينيل الكحول (PVA-2088)
كما تم اختيار مادة PCM بعناية، وهي عبارة عن شمع متبقي غني بالزيت بنسبة 30%–50%، وبنقطة انصهار تتراوح بين 40 و45 درجة مئوية، لتوفرها في السوق الإيراني وسعرها المنخفض.
نظرة مستقبلية: هل يتحول التبريد السلبي إلى معيار في التصميم الشمسي؟
أكد الباحثون أن هذه التقنية توفر حلاً عمليًا وقابلاً للتنفيذ في أنظمة الطاقة الشمسية السكنية أو التجارية، خصوصًا في البيئات ذات الموارد المحدودة. كما أوصوا بإجراء اختبارات ميدانية إضافية في بيئات مناخية متنوعة، لدراسة مدى مرونة النظام في مواجهة الظروف المتغيرة.
ويُمكن القول إن نتائج الدراسة تُعد دفعة قوية لاعتماد استراتيجيات تبريد سلبية منخفضة التكلفة في أنظمة الطاقة الشمسية، مما يسهم في خفض تكلفة الكهرباء المنتجة من الشمس، وزيادة موثوقية الأنظمة الشمسية على المدى الطويل.
📚 المصدر:
تم إعداد هذا المقال بناءً على دراسة منشورة في مجلة Energy Conversion and Management تحت عنوان:
“Experimental investigation of photovoltaic passive cooling methods using low-cost metallic, ceramic, and cellulose porous media”
🔗 للاطلاع على الدراسة كاملةً من هنا
