ولا تزال الطاقة الشمسية تتوسع كمورد متجدد رئيسي، ولكن كفاءتها وطويلتها تعتمدان اعتمادا كبيرا على الإدارة الحرارية الفعالة، ويمكن أن يؤدي تراكم الحرارة في وحدات الفولطية الضوئية وضميمتها إلى خفض إنتاج الطاقة بنسبة 0.3 إلى 0.5 في المائة في الدرجة الواحدة من ارتفاع درجة حرارة كل فرد، ويعجل التعرض المطول بازدمان المواد وتصفية المواد وتآكلها بصورة مباشرة.

دور التمهيد في الأداء الفولطي

ولفهم سبب أهمية تصميم الضبط، من الضروري أولا معرفة مدى تأثير الحرارة على الخلايا الفولطية، وتُقيَّم وحدات السيلكون الكريستالية الموحدة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية (77 درجة ف) في ظروف مختبرية، ولكن في المنشآت الخارجية في العالم الحقيقي، كثيرا ما تتجاوز درجات حرارة الوحدات 60 إلى 70 درجة مئوية.

معامل القوة

ويمكن أن يؤدي كل وحدة من وحدات الـ[PV] إلى معامل حرارة يحدد النسبة المئوية للنقصان في الناتج الأقصى للطاقة إلى ما يزيد عن 25 درجة مئوية. وبالنسبة لخلايا السيليكون الأحادية والبوليكريستال، فإن هذا المعامل يتراوح عادة بين 0.3 في المائة و0.5 في المائة/س. ومن ثم فإن وحدة تشغيلها تبلغ 65 درجة مئوية ستفقد 12 إلى 20 في المائة من معدلها في الطاقة - حساسية كبيرة بالنسبة للمنشآت ذات نطاق متعدد الأطراف.

تدهور طويل الأمد وإجهاد حراري

وبالإضافة إلى الخسائر المباشرة في الطاقة، تتسارع الحرارة في عدة آليات للتحلل، إذ أن فك الكتف، والزبد المشترك، وكسر الكشوفة الخلفية، كلها أمور تفاقمت بسبب ارتفاع درجات الحرارة، وتفترض علاقة أرهينيوس أن معدل التفاعلات الكيميائية، بما في ذلك تلك التي تسبب تدهوراً شبه منتظم، يؤدي أيضاً إلى الحد الأقصى من تقلبات درجات الحرارة الحرارية (دواعي الراحة).

مواد الكشف الرئيسية والاختبارات الحرارية

المواد المبتكرة هي في صميم تصميم الضبط الحديث، ويقرر اختيار الكبسولات الفرعية والغطاء السطحي كيفية استيعاب الحرارة، وإدارتها، وتبريدها.

التكتلات العالية التردد

ومن بين أبسط الاستراتيجيات أن تعكس جزءا أكبر من الإشعاع الشمسي القادم قبل استيعابه، ويمكن أن تعكس صحائف التخلف الأبيض أو المعدني، فضلا عن المعاطف على السطح الخلفي من نماذج الزجاج - الزجاج - الزجاج، نسبة تصل إلى 90 في المائة من الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء، وهذه المعاطف العالية الانكماش لا تتداخل مع التلقيح الضوئي الأمامي اللازم لتوليد الطاقة لأنها تطبق على المناطق غير النشطة().

مواد تغير المرحلة

وتستوعب المواد الكيميائية البيرفلورية كميات كبيرة من الحرارة الخافتة حيث تتغير من الصلب إلى السائل بدرجة حرارة محددة، وتعمل بفعالية كعائق حرارية، وتستعمل الشمعات في البارافين، وحامضات الملح، وحمض الدهون، وتدمج في وحدة الكشف - أي في الحقائب، وتُحدَّد الكبسولات الدقيقة في طبقة الكتف، أو في شكل سد حراري مستقل - مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور يمكن أن تزيل درجات الحرارة.

التركيبات الحرارية

أما الألمنيوم وغيره من المعادن فهي موصلات حرارية ممتازة، ولكنها تضيف وزناً وتكلفاً، كما أن المركب الجديد الذي يستخدم ألياف الكربون أو الغرافيني أو مليئات النتات الخزفية في مصفوفة متعددة، يحققان سمات حرارية تصل إلى 10-20 كم/م-ك-عشر مرات من حيث حجم الكبريتات التقليدية التي تستخدم في إنتاج البوليمرات الخفيفة المتبقية، ويُدمج هذا النموذج في إطار دعم هيكلي.

المحوريات السلوكية المتفرقة والممرسات الانتقائية

وبالنسبة للجانب الأمامي، تشمل الابتكارات المعاطف السلوكية الشفافة التي تُعدُّها مادة ذات سماء منخفض في الأشعة تحت الحمراء، مما يساعد على الحرق أثناء الطقس البارد، ولكنه لا يصلح إلا لأنواع معينة من الوحدات، وأكثر أهمية هي المعاطف الانتقائية التي تُشع الحرارة في نافذة الغلاف الجوي من 8 إلى 13 ميكروغرام (تراوح الموجات التي يسمح فيها الغلاف الجوي للأرض بأن يمر بأشعة تحت الحمراء إلى الفضاء).

استراتيجيات تصميم التبريد السلبي

وتعتمد أساليب التبريد السلبية على العمليات الطبيعية: التطهير، والسلوك، والإشعاع، ولا تحتاج إلى مدخلات خارجية في مجال الطاقة، ولا تملك سوى قطع حرجة ضئيلة، مما يجعلها موثوقة جداً ومتحررة من الصيانة.

التمكين الطبيعي والتدفق الجوي

أما التقنية السلبية الأبسط فهي تصميم أجهزة إغلاق تعمل على تشجيع تدفق الهواء المتحرك على السقف، أما بالنسبة للصفائف المجهزة، فإن الألواح التي تُستخدم في زاوية ما تُحدث أثراً في المدخنة: ارتفاع الهواء الدافئ وراء الوحدة، ويُستعاض عنه بجو مبرد يُرسم في القاع، وتشير الدراسات إلى أن وجود فجوة بين 10 إلى 15 سم وبين ارتفاع سطح الماء المتدفق يرتفع بنسبة 30 في المائة.

التبريد الإشعاعي: قَطْلَ قَطْلَةَ إلى الفضاء

وكل سطح يفقد الحرارة من خلال إطلاق الإشعاع بالأشعة تحت الحمراء، وبالنسبة لسماء واضحة، فإن درجة الحرارة الإشعاعية الفعالة للغلاف الجوي يمكن أن تكون منخفضة إلى 40 درجة مئوية، مما يخلق دلتا كبيرة من المبردات، ومن خلال تصميم الجزء الخلفي من مساحتها عالية في نافذة الغلاف الجوي التي تتراوح بين 8 و13 ميكروغرام، يمكن أن تشع الحرارة مباشرة إلى السماء، وذلك بتجاوز درجة الحرارة المميتة في الغلاف الجوي.

تفرقع الحرارة مع مطاعم الميتاليك

وحتى مع وجود إشعاع سطحي جيد، يجب أن تُجرى الحرارة إلى السطح المشع، إذ أن الضميمات التي تستخدم الألمنيوم رقيق أو خماسي النحاس تُهيمن على ظهر سلسلة الخلايا - مع العزل الكهربائي المناسب - تعمل كمنشور حراري، وتخفض البقع الحرارية الساخنة، وهذا النهج شائع في تركيبات متحركة، ويُكيف الآن مع نماذج الحرارة الثابتة.

Case in Point:] A 2022 field study on a 1 MW rooftop array in Arizona compared modules with standard backsheets to those with an aluminum heatspreading enclosure and reflective coating. The treated modules operated an average of 6°C cooler during summer afternoons, resulting in a 2.8% increase in annual energy yield.

حلول التبريد النشطة للتصوير العالي الحساسية

وعندما تكون الأساليب السلبية غير كافية، مثلاً، في البوليسترات ذات التركيز العالي، أو صفائف ثنائية الوجه ذات التطهير المنخفض، أو تركيبات فولطية مدمجة حيث تكون نظم التبريد ذات النشاط المحدود توفر حلاً أكثر عدوانية، وتتطلب مدخلات في الطاقة، بحيث يجب تقييم الفائدة الصافية بعناية.

قاذفة الهواء

ويمكن تركيب صناديق لتنفخ الهواء عبر السطح الخلفي للوحدات، مما يزيد من معامل نقل الحرارة الميسر بدرجة كبيرة، ولا سيما في سرعة الرياح المنخفضة، وبالنسبة للميادين ذات النطاق العادم، يمكن للمعجبين الكبار الذين يوضعون تحت الصفيفة أن يقللوا درجة الحرارة القصوى بنسبة ١٠-١٥ درجة مئوية.

التبريد السائل: الميكانيكيات الدقيقة والزئبق

(ب) تقدم [تبريد السائل] معامل نقل حراري أعلى من الهواء: (أ) مصارف حرارة صغيرة مرابطة بخلفية الوحدة، التي يتم من خلالها ضخ الماء أو مبرد الديكل، (2) التبريد بالأشعة حيث تُغنى الوحدة بأكملها في سائل متحرك ومزود بالكهرباء.

التهدئة الحرارية

ويمكن إدماج وحدات كهرباء الحرارة (Peltier) في الضميمة لضخ الحرارة بصورة نشطة بعيداً عن الخلايا البيرفلورية، وفي حين أن هذه الأجهزة يمكن أن تحافظ على درجة حرارة دقيقة، فإنها تحتاج إلى طاقة كهربائية كبيرة وغير فعالة عموماً (COP typically 1). فالتطبيقات العملية تقتصر على نظم صغيرة متخصصة مثل صفائف الطاقة الشمسية الفضائية أو العسكرية التي يكون فيها الوزن والموثوقية أساسياً وليس تكلفة.

التكنولوجيات الناشئة والتوجيهات البحثية

وسيكون الجيل القادم من الضميمة " ذكاء " يجمع بين الرصد في الوقت الحقيقي مع التحكم في سمات التبريد السلبية والنشطة على السواء.

أجهزة الاستشعار الذكية والتحكم الاقامي

ويتيح إدخال أجهزة الاستشعار [المتحكمة بالثغرة والأشعة في الضميمة التتبع المستمر للظروف الحرارية، ويمكن لهذه أجهزة الاستشعار أن تعدل تلقائياً سرعة الترهيب، أو أن تُحدث التبريد بواسطة ثنائي الفينيل متعدد الكلور، أو حتى أن تُقلل من حجم جهاز تعقب لتعظيم تدفق الهواء، وتستخدم بعض النماذج أجهزة الاستشعار اللاسلكية التي تتواصل مع جهاز التحكم المركزي، مما يتيح استخدام نظم الاستخدام الأمثل للمواقع(23).

AI —Driven Thermal Management

ويجري تطوير نماذج تعلم الآلات للتنبؤ بدرجات حرارة الوحدات استنادا إلى التوقعات المحلية المتعلقة بالطقس، والأشعة في الوقت الحقيقي، وبيانات التدفق الجوي، ويمكن لهذه النماذج أن تجهز المجموعة من خلال تنشيط المراوح قبل ارتفاع الحرارة، أو تعديل العتبات التي تذوبها أجهزة ثنائي الفينيل متعدد الكلور بضغط اتصال حراري متفاوت، كما يمكن للتحكم القائم على أساس عال أن يقلل من استهلاك الطاقة للنظم العاملة بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة مقارنة مع القواعد الافتراضية الافتراضية في مجال البحث.

النظم الهجينة المهجّرة

ويُعد الجمع بين السائل المحتوي على التبريد السائلي نهجاً هجيناً واعداً، ويستوعب السائل المحتوي على الترميز في ذروة الحمولات الحرارية أثناء التصاميم العابرة، بينما توفر الحلقة السائلة التبريد المستمر والمطهّد في الدول، وقد تم اختبار هذه النظم في شكل حروف مجمّعة ويمكن تكييفها مع صفائح واسعة النطاق، وتستخدم تصميماً هجيناًاًاًاً مُياًاً مُحدًّاًاًاًاًاًاًاًاًاًاًاً حرارياًاًاًاًاًاًاًاً مًُّ مُتً مُتًاً مُتً مُتً مُتً مُتً مُتً مُتً مُتًّ مُدمجاً مُدمجاً مُتً مُتً مُتكاملاً مُتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَتَت

تحديات التنفيذ العملي والنظر فيه

وفي حين أن العديد من هذه الابتكارات تظهر الوعود في المختبر أو المنشآت التجريبية، فإن الاعتماد الواسع النطاق يتطلب توازن التكلفة والموثوقية وسهولة الاندماج.

التكلفة مقابل الاستحقاقات

فنظم التبريد النشطة تضيف رأس المال ومصروفات التشغيل، ويجب تحليل عائد الاستثمار بعناية لكل موقع، مع مراعاة المناخ المحلي، وأسعار الكهرباء، وقيمة زيادة غلة الطاقة، وفي كثير من المناطق المعتدلة، قد تكون التقنيات السلبية وحدها كافية، وبالنسبة للمواقع العالية التحلل، والمرتفعة الحرارة مثل الشرق الأوسط أو شمال أفريقيا، يمكن أن يكون التبريد النشط أكثر فعالية من حيث التكلفة.

الموثوقية والصيانة

فالأجزاء والمضخات تُدخل أجزاء متحركة يمكن أن تفشل، إذ أن تصميمات الكشف التي تستخدم مراوح البلدان النامية التي لا تُشْدَع بعلامات طويلة العمر ومرشحات التنظيف الذاتي تُحسِّن الموثوقية، فبالنسبة للنظم السائلة، والتآكل والتسرب هي شواغل، لا سيما في التصميمات المحتوية على ماء مائي، وتخفض السوائل السائل البلاستيكية السائلية السائلة السائلة، ولكنها تزيد من التكلفة.

التكامل مع الهياكل الأساسية القائمة

ويمكن أن يكون من الصعب إعادة إدارة الطاقة الحرارية إلى الصفوف الشمسية القائمة، وقد يتطلب إضافة أجهزة تنقية الحرارة أو عبوات PCM تفكيك الوحدة، التي لا يمكن عملياً أن تجنيها الأساطيل الكبيرة، والإنشاءات الجديدة هي السوق الرئيسية للضغوط المتقدمة، غير أن هناك بعض الخيارات المتعلقة بإعادة التقلب، مثل مراوح المثقفين بالكلاب أو نظم الضبط المحتوي على أرقام أساسية، لتحسين التدفقات الأرضية.

خاتمة

فالإدارة الحرارية الفعالة لم تعد إضافة اختيارية للصفائف الشمسية - بل هي عنصر أساسي يحدد كل من إنتاج الطاقة الفوري والموثوقية الطويلة الأجل للنظام، فالابتكارات في تصميم الضبطيات، من المعاطف العالية الانكماش، ومواد التغيير التدريجي إلى التبريد النشط الذكي، توفر طرقا مثبتة لإبقاء الخلايا الفولطية تعمل في درجات حرارة أمثل.