جيل تبريد مبتكر يرفع كفاءة الألواح الشمسية بنسبة تصل إلى 12%

طور فريق بحثي من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (KAUST) في السعودية، بالتعاون مع جامعة ولاية نيويورك في بوفالو (SUNY Buffalo)، مادة هلامية مبتكرة منخفضة التكلفة تعمل على تبريد الألواح الشمسية بشكل سلبي وفعّال. هذه التقنية الجديدة تستغل خواص الامتصاص والاسترطاب للمادة لتخفض درجة حرارة الألواح، ما يعزز من كفاءتها التشغيلية بنسبة تصل إلى 12.2% ويخفض تكاليف إنتاج الكهرباء.

تكوين المادة الهلامية وخصائصها الفريدة

المادة المصممة تتكون من مركب هيدروجيل يجمع بين بولي أكريلات الصوديوم (PAAS) وكلوريد الليثيوم (LiCl)  بنسبة 2:1، وذلك لتحقيق توازن بين القوة الميكانيكية والقدرة على امتصاص الرطوبة. تُعد هذه التركيبة قادرة على العمل بكفاءة في ظروف مناخية قاسية، بما في ذلك رطوبة تتجاوز 90% ودرجات حرارة تفوق °C30، بفضل مجموعاته الكربوكسيلية شديدة المحبة للماء، يزيد من قدرة الهيدروجيل على تخزين الماء، بينما تعمل بلورات LiCl كعوامل استرطابية نشطة تمتص الرطوبة من الجو خلال الليل وتطلقها تدريجيًا خلال النهار، مما يخلق تأثير تبريد تبخيري دون الحاجة لأي مصدر طاقة خارجي أو صيانة.

أداء مخبري وميداني مميز

في اختبارات مخبرية باستخدام جهاز محاكاة لأشعة الشمس، أظهر النظام قدرة تبريد تبخيري بلغت 373 واط/م² خلال ثلاث ساعات من التعرض لإشعاع شمسي بقدرة 1 ك.واط/م². واستمرت هذه القدرة على مدار 12 ساعة، بانخفاض تدريجي إلى 187 واط/م²، ما يعكس استقرار أداء التبريد خلال فترات التشغيل الطويلة.

في بيئة خارجية على حرم جامعة KAUST بمدينة ثُوَل السعودية، حيث بلغت درجات الحرارة 37°C ورطوبة نسبية 53%، أظهر الهيدروجيل قدرة تبريد مستدامة وصلت إلى 175 واط/م²، مع تسجيل انخفاض في درجة حرارة الألواح بمقدار 14.1°C عند منتصف النهار، ما أدى إلى رفع كفاءة التحويل من 13.1% إلى 14.7%، بزيادة تعادل 12.2%. وخلال دورة تبريد يومية مدتها 10 ساعات، بلغ متوسط انخفاض درجة الحرارة 9.4°C، مما انعكس في زيادة متوسطة لقدرة الألواح بنسبة 10.2%.

المقارنة مع تقنيات التبريد السابقة

تشير الدراسات إلى أن تقنيات التبريد التقليدية، سواء النشطة كأنظمة تبريد الهواء أو الماء، أو السلبية مثل التهوية الطبيعية، غالبًا ما تعاني من تعقيد في التركيب أو انخفاض في الفاعلية تحت الظروف المناخية القاسية. كما أن المواد الهلامية التقليدية – مثل تلك المصنوعة من PAM-CNT أو التي تعتمد على تجفيف بالتجميد – تتطلب عمليات تصنيع معقدة وقد تواجه انهيارًا في المسامية مع مرور الوقت نتيجة فقدان البنية الهيكلية أثناء التبخر، مما يؤدي إلى تراجع الأداء في الدورات المتكررة.

أما المادة الجديدة من PAAS-LiCl فتتفوق من حيث البساطة والفعالية، حيث يتم تصنيعها بطريقة مباشرة دون الحاجة إلى تجميد أو معالجة حرارية معقدة، مع المحافظة على استقرار في الأداء على مدار اليوم بفضل توازن امتصاص وإطلاق الرطوبة. وقد أثبتت التجارب الطويلة المدى لمدة 21 يومًا في فصل الصيف في السعودية أن المادة تحافظ على فاعليتها دون الحاجة للاستبدال أو الصيانة، كما أظهرت اختبارات أخرى ثباتًا في الأداء حتى بعد عام من الاستخدام، متضمّنًا شهرًا من الأمطار الغزيرة.

الأثر الاقتصادي والتجاري المحتمل

تُظهر نتائج التحليل الاقتصادي أن استخدام طبقة التبريد الجديدة يقلل من تكلفة الكهرباء المستوية (LCOE) بنسبة تصل إلى 18%، مع تمديد عمر الألواح الشمسية بأكثر من الضعف. وتبلغ تكلفة التصنيع التقديرية حوالي 37 دولارًا لكل متر مربع، ما يجعلها منافسة جدًا مقارنةً بتقنيات التبريد الأخرى، خاصة عند النظر إلى الأداء المستدام والتكاليف التشغيلية المنخفضة.

آفاق مستقبلية وتطبيقات واسعة

تقدم هذه التقنية حلًا عمليًا لمشكلة ارتفاع درجات الحرارة التي تُعد من أكبر التحديات التي تواجه أداء الألواح الشمسية في المناطق الحارة والرطبة مثل الشرق الأوسط وشمال أفريقيا. بفضل متانتها وغياب الحاجة للصيانة، فإنها مناسبة للاستخدام في أنظمة الطاقة الشمسية السكنية، والصناعية، والمزارع الشمسية، والبيوت المحمية، وحتى أجهزة التبريد السلبي.

الخلاصة

يُعد تطوير مادة PAAS-LiCl الهلامية إنجازًا بارزًا في مجال تقنيات التبريد السلبي، حيث تجمع بين التصميم المبتكر والتكلفة المنخفضة والأداء العالي. إن القدرة على تخفيض درجات الحرارة بشكل كبير وتحسين كفاءة الألواح، دون الحاجة لأي طاقة إضافية أو صيانة، تمثل خطوة مهمة نحو تعميم تقنيات الطاقة الشمسية في البيئات القاسية.

📚 المرجع العلمي: Fang, H., Dang, S., Kumar, P., Wang, J., Xu, L., Zhu, Y., Almogbel, A., Albadri, A., De Wolf, S., & Gan, Q. (2025). Streamlined fabrication of an inexpensive hygroscopic composite for low maintenance evaporative cooling of solar panels. Materials Science and Engineering: R: Reports, 165, 101016. https://doi.org/10.1016/j.mser.2025.101016