كيف تُحوِّل الرمال إلى “بطارية حرارية” للطهي بالطاقة الشمسية؟

مقدمة

يشكّل قطاع الطهي المنزلي والمؤسسي في البلدان النامية أحد المحرّكات الرئيسة لاستهلاك الكتلة الحيوية التقليدية (الحطب، الفحم، المخلّفات الزراعية)، وما يرتبط بها من إزالة للغابات وتلوّث هواء داخل المنازل وانبعاثات كربونية مرتفعة. لذلك تكتسب أنظمة الطهي الشمسي والطهي الكهربائي منخفض الانبعاثات أهمية متزايدة ضمن مسارات الانتقال الطاقي والالتزامات المناخية  NDCs

في هذا السياق طوّر فريق بحثي من غانا منظومة مبتكرة للطهي المؤسسي تعتمد على الطاقة الشمسية الكهروضوئية لتوليد الكهرباء، وعلى تخزين حراري بالرمال (Sand-based Thermal Energy Storage – TES) لتوليد بخار الطهي بشكل مستقر. وقد نُشرت نتائج النظام تحت مسمّى Institutional Solar PV-powered Steam Cooker (ISESC)  في مجلة Solar Energy Advances، مع تحليل تجريبي وأداء اقتصادي وبيئي مفصّل.

الخلفية العلمية: الرمال كوسط لتخزين الطاقة الحرارية

تركّز معظم الأبحاث السابقة في مجال التخزين الحراري منخفض التكلفة على مواد مثل:

• الأملاح المنصهرة (Molten Salts)
• أحجار السيراميك أو كتل الخرسانة
• الزيوت الحرارية أو الزيوت الصناعية

وإن كانت الرمال مادة متوافرة ورخيصة وذات ثبات حراري مرتفع، فإن استخدامها كوسط رئيس لتخزين الحرارة لم يُستثمر بعد بالصورة التي توازي إمكاناتها. يلفت الباحثون في هذه الدراسة إلى أن معظم التجارب السابقة اعتمدت على مقاومات كهربائية أو حثٍّ كهربائي  كمصادر للحرارة، دون الدخول بعمق في سيناريو توليد البخار مباشرة من حرارة مخزّنة في الرمل ضمن منظومة طهي متكاملة.

ما يميّز هذا العمل البحثي هو دمج ثلاثة عناصر في نظام واحد:

1. توليد الكهرباء من الألواح الشمسية الكهروضوئية؛
2. تخزين الطاقة في كتلة رملية من خلال عنصر تسخين كهربائي؛
3. استغلال الحرارة المخزّنة لتوليد بخار يُستخدم لطهي كميات كبيرة من الطعام في مؤسسة تعليمية.

توصيف المنظومة الهندسية  ISESC

1.     مصفوفة الألواح الشمسية  (PV Array)

يتكوّن النظام من 20  لوحًا شمسيًا، قدرة اللوح الواحد 580 Wp  وبكفاءة تحويل كهروضوئية تبلغ 22.65%، وهي قيمة مرتفعة نسبيًا تعكس استخدام وحدات حديثة عالية الكفاءة. تم تركيب الألواح على هيكل أرضي بزاوية ميل 10  درجات نحو الجنوب وبزاوية  (Azimuth) تساوي صفرًا، وهو تصميم ملائم لظروف الموقع في مدينة كوماسي (Kumasi)  في غانا، حيث تستهدف المنظومة تحقيق إنتاج كهربائي مستقر خلال فترة منتصف النهار.

2.     منظومة التخزين الحراري بالرمال  (Sand-based TES)

يتكون نظام التخزين الحراري من:

• حاوية من الفولاذ متوسط الكربون (Mild Steel Sand Container)، مملوءة برمال محجريّة (Quarry Sand)
• عنصر تسخين كهربائي بنظام التيار المستمر (DC Resistive Heater) مُدمج داخل طبقة الرمل، يعمل على تحويل الكهرباء القادمة من الألواح إلى حرارة مخزنة في الحبيبات الرملية.

تعمل الرمال هنا كـ بطارية حرارية (Thermal Battery) تتميز بـ:

• درجة انصهار عالية مقارنة بظروف العمل،
• موصلية حرارية كافية لتوزيع الحرارة،
• تكلفة منخفضة وتوافر محلي كبير.

3.     مولّد البخار وغرفة الطهي

فوق طبقة الرمل الساخن، تُركَّب حجرة مياه سعتها 10  كغ من الماء. عند تسخين الرمال تنتقل الحرارة بالحمل والتوصيل إلى حجرة المياه، ما يؤدي إلى توليد بخار مشبع يُوجَّه إلى حجرة الطهي.

• أبعاد حجرة الطهي: ارتفاع 143 سم، طول 150 سم، عرض 57.5 سم
• أبعاد البطارية الحرارية الرملية: 15 × 65.5 × 44 سم

يُوزَّع البخار داخل حجرة الطهي بحيث يحيط بأواني الطعام، الأمر الذي يسمح بطهي كميات كبيرة من الغذاء مع تجانس حراري مقبول.

المنهجية التجريبية

أُجريت الاختبارات في مدرسة Kunst Senior High School بمدينة كوماسي، وفق خطّة تشغيل واقعية تراعي ظروف الاستخدام المؤسسي.

1. اختبارات غليان الماء

   • نُفِّذت خلال الفترة 21–24 أكتوبر 2024، يوميًا بين الساعة 10:00 صباحًا و3:00 عصرًا.
   • الهدف: معايرة النظام، قياس منحنيات درجة الحرارة، وسرعة توليد البخار.

2. اختبارات الطهي الفعلية

   • أُجريت خلال الفترة 5–7 نوفمبر 2024.
   • الأطعمة المختبرة:
     • 16 كغ من الأرز،
     • 16 كغ من الفاصولياء،
     • 32 كغ من الموز الأخضر

3. أجهزة القياس المستخدمة

   • مقياس إشعاع شمسي (Solar Radiation Meter)
   • مقياس درجة حرارة بالأشعة تحت الحمراء (IR Temperature Gun)
   • فولتميتر وأميتر لمراقبة التيار والجهد
   • كاميرا حرارية (Thermal Camera) لرصد توزيع الحرارة

تراوح الإشعاع الشمسي أثناء الاختبارات بين 400  و900 واط/م²، وهو نطاق يعبّر عن ظروف جوية متغيرة، ما يعطي للنتائج مصداقية من حيث ملاءمتها للواقع الميداني.

النتائج الحرارية وأداء الطهي

• بلغت درجة حرارة حجرة الطهي 105–110°C، وهي كافية لإجراء عمليات الطهي بالبخار مع ضمان السلامة الميكروبيولوجية للطعام.
• أظهر النظام قدرة على طهي:
  • 16 كغ من الأرز في 80 دقيقة؛
  • 16 كغ من الفاصولياء في 140 دقيقة؛
  • 32 كغ من الموز الأخضر في 85 دقيقة.

الكفاءة الحرارية  (Thermal Efficiency)

بلغت الكفاءة الحرارية الكلية للنظام 38.9%، وهي قيمة مرتفعة عند مقارنتها بأنظمة Scheffler Dish Solar Steam  التي تحقق عادة 25–26.5%  تحت ظروف مشابهة. هذا يعني تحسنًا نسبيًا في الكفاءة في حدود 12–14 نقطة مئوية، ما يعكس حسن توظيف الطاقة الكهربائية المولَّدة من الألواح في رفع حرارة الرمال ثم توليد البخار.

سعة التخزين الحراري ومدة الإتاحة

أظهرت قياسات الطاقة المخزّنة في البطارية الرملية أن قيمة الطاقة المتاحة تتراوح بين 13  و15 ميجا جول.
هذه السعة تمكّن النظام من توفير 4–6  ساعات من الطهي المستقر حتى في حال انخفاض الإشعاع الشمسي في منتصف اليوم، ما يعزّز موثوقية النظام في بيئات ذات غيوم متقطّعة أو تغيّر في كثافة الإشعاع.

التحليل الاقتصادي ودورة الحياة

أُجري تحليل لدورة الحياة الاقتصادية (Lifecycle Cost Analysis – LCCA) على مدى 20  عامًا، وهو أفق زمني مناسب لأنظمة الطهي المؤسسي. وقد خلص التحليل إلى:

• فترة استرداد رأس المال (Payback Period) ≈ 4.5 سنوات؛
• انخفاض التكلفة الإجمالية على مدى 20 عامًا بنسبة 47% مقارنة بمواقد الكتلة الحيوية التقليدية.

يتضمن هذا التقييم كلف:

• الاستثمار الأولي في الألواح والهيكل والبطارية الحرارية؛
• التشغيل والصيانة؛
• وتوفير الوقود الذي كان سيُستهلك في مواقد الكتلة الحيوية.

هذه الأرقام تجعل النظام منافسًا اقتصاديًا، خاصة في البيئات التي ترتفع فيها أسعار الوقود أو يتعذّر فيها توفير حطب مستدام.

الأثر البيئي والمناخي

تقدّر الدراسة أن تشغيل النظام بديلًا لمواقد الكتلة الحيوية يؤدي إلى تخفيض سنوي في الانبعاثات مقداره تقريبًا:

• 5,312 كغ من ثاني أكسيد الكربون (CO₂)
• 10 كغ من أكاسيد النيتروجين (NOx)
• 05 كغ من الجسيمات الدقيقة PM2.5

هذه التخفيضات ترتبط بثلاثة مسارات رئيسة:

1. خفض استهلاك الكتلة الحيوية، وبالتالي تقليل الضغوط على الغابات والمراعي.
2. تحسين جودة الهواء داخل المباني من خلال إلغاء الاحتراق داخل المطابخ، ما يخفض تعرّض النساء والأطفال تحديدًا للجسيمات الدقيقة.
3. دعم تحقيق مساهمات غانا المحددة وطنياً (NDCs) عبر قطاعي الطاقة واستخدام الأراضي.

قراءة نقدية وآفاق بحثية

يمثل هذا العمل خطوة مهمة في مجال التخزين الحراري منخفض التكلفة باستخدام موارد محلية (الرمال)، ويُظهر الإمكانات الهائلة لدمج الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع الطهي المؤسسي في المدارس والمستشفيات والمعسكرات.

مع ذلك، تظل هناك محاور بحثية مفتوحة يمكن أن تهم القرّاء المهتمين بالبحث العلمي، من بينها:

• تحسين تصميم حجرة الطهي لتوزيع أكثر تجانسًا للحرارة والبخار؛
• دراسة سلوك الرمال على المدى الطويل من حيث التكسّر أو تغيّر الخصائص الحرارية؛
• تقييم أداء النظام في مواسم مختلفة وعلى مدى عام كامل؛
• مقارنة منهجية بين أنواع مختلفة من الرمال أو الخلطات (رمل + مواد خزفية مثلاً)؛
• دراسة إمكانية تصغير (Downscaling) أو تكبير (Upscaling)  النظام ليتناسب مع أسر صغيرة أو مؤسسات أكبر.

خاتمة

يقدّم نظام ISESC  نموذجًا عمليًا لكيفية توظيف الطاقة الشمسية الكهروضوئية في حل تحدٍّ اجتماعي–بيئي محلي (الطهي النظيف) باستخدام حلول هندسية مبتكرة ومواد متاحة ومنخفضة التكلفة مثل الرمال.
من منظور بحثي، يفتح هذا العمل الباب أمام مزيد من الدراسات حول بطاريات الحرارة الصلبة (Solid Thermal Batteries)، ومعماريّات الطهي بالبخار، والربط بين تقنيات الطاقة المتجددة والقطاعات الاجتماعية كالتعليم والصحة، بما يدعم التحول إلى أنظمة طاقة أكثر عدالة واستدامة في دول الجنوب العالمي.

📚  المصدر:

موقع pv magazine، مقال بعنوان “Efficient solar PV cooking with sand-based thermal energy storage”، نُشر بتاريخ 21 نوفمبر 2025.
الرابط: https://www.pv-magazine.com/2025/11/21/efficient-solar-pv-cooking-with-sand-based-thermal-energy-storage/