باحث مصري يبتكر تقنية لتبريد الخلايا الشمسية العضوية
تُعد الخلايا الشمسية العضوية واحدة من أفضل أنواع الخلايا الواعدة مستقبلًا في توليد الطاقة النظيفة، وتجري الدراسات -حاليًا- من أجل توفيرها بصورة ميسورة التكلفة، وجعلها خفيفة الوزن وأكثر مرونة.
ويستعمل هذا النوع من الخلايا مواد عضوية لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. وصُنعت أول خلية شمسية عضوية في السبعينيات، ومع ذلك، فإن كفاءة هذه الخلايا واستقرارها لم يتحسنا بصورة ملحوظة حتى أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينيات.
وارتفعت كفاءة هذه الخلايا، المعروفة باسم الخلايا الشمسية العضوية (OPV )، إلى نحو 5% في أوائل العقد الأول من القرن الـ21، وأصبحت بديلًا تنافسيًا للخلايا الكهروضوئية غير العضوية التقليدية. وفي إطار الجهود المبذولة لتحسين كفاءة هذه الخلايا، توصل باحث مصري في رسالته لنيل درجة الماجستير، التي اطلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة، إلى تقنية لتبريد الخلايا العضوية.
التأثر سلبًا بحرارة التشغيل
أجرى الدراسة الباحث المصري في قسم هندسة القوي الميكانيكية بجامعة عين شمس المهندس جوزيف مجدي، تحت إشراف الأستاذ المساعد في قسم القوى الميكانيكية في كلية الهندسة بجامعة عين شمس الدكتور إيهاب مينا، والأستاذة المساعدة في قسم الهندسة الصناعية، مديرة مركز أبحاث النظم الهندسية الذكية في جامعة النيل الدكتورة إيرين سامي.
وخلال الدراسة، تحقق الفريق البحثي من تأثير درجة الحرارة في الخلية الشمسية العضوية، ووجد أنها تتأثر سلبًا بزيادة حرارة التشغيل، ما يتطلب دمج هذا النوع مع تقنية تبريد فريدة من نوعها لتناسب هذا النوع من الخلايا الشمسية. واعتمدت هذه التقنية على استعمال أنبوب حراري بمثابة مبدد للحرارة، وهو لا يعتمد في عمله على استعمال مصدر طاقة خارجي.
فكرة الخلايا الشمسية العضوية
قال الباحث المصري في قسم هندسة القوى الميكانيكية بجامعة عين شمس المهندس جوزيف مجدي، إنه عند اصطدام الإشعاع الشمسي بسطح الخلية ترتفع درجة حرارتها، بجانب زيادة درجتها أيضًا نتيجة للإشعاع المنعكس من الأسطح وحرارة البيئة المحيطة.
وأضاف، أنه بعد انتقال الإشعاع إلى كل طبقة من الخلية الكهروضوئية يتحول جزء منه مباشرة إلى كهرباء بوساطة الطبقة النشطة (PCBM:HT3P)، في حين يتبدد ويُفقد الباقي إلى البيئة بسبب الإشعاع والحمل الحراري.
وتابع أنه استعمل التوصيل لنقل الحرارة المُتبقية إلى وحدة الأنبوب الحراري المُرتبطة بلوح الخلية، الذي يعمل -بدوره- على طرد هذه الحرارة للبيئة المحيطة. واستطرد قائلًا: "عند اصطدام الإشعاع الشمسي بالسطح العلوي للوحدات الكهروضوئية المُثبتة على جزء المبخر في الأنبوب الحراري، تنتقل الحرارة الزائدة إلى طرف المبخر في الأنبوب الحراري عن طريق التوصيل".
وتابع: "ومن ثم يتبخر مائع العمل (المياه) داخل الأنبوب، ويتحرك البخار في اتجاه جزء المكثف، وحينها تنطلق وتفقد الحرارة من البخار في قسم المكثف عن طريق التكثيف، ومنها يرجع وسيط التبريد إلى جزء المبخر من خلال التوصيل وعامل التوتر السطحي للجزء الداخلي للأنبوب". ويجري تكرار هذه العملية بصورة مستمرة لتحقيق التوازن الحراري، والحفاظ على الاستقرار الحراري للنظام.
دراسة الخصائص الفيزيائية
أوضح المهندس جوزيف مجدي، أنه أجرى دراسة رياضية عددية ممنهجة لجميع الظواهر التي تحدث للأنبوب الحراري، التي تُعرف بحدود التشغيل، مثل حد اللزوجة، وحد السرعة الصوتية، وحد التداخل، وحد الخاصية الشعرية، وحد الغليان.
ثم أجرى دراسة تفصيلية للخصائص الفيزيائية للخلية الشمسية، لمعرفة كفاءتها ومقدار امتصاصها للأشعة الشمسية والحرارة. وأخيرًا، وُضعت ظروف التشغيل ومعاييره لكل من الخلية الشمسية والأنبوب الحراري وفقًا لهذا البحث، واستخرجت القوانين والمعادلات الرياضية بناءً عليها.
وأشار إلى أنه استعمل برنامج المحاكاة GPVDM للخلية الشمسية العضوية، نظرًا إلى صحة النتائج الواردة منه مع الأبحاث العلمية في مجال الطاقة الشمسية، في تجربة عدة مواد، وترتيب طبقات، وسماكات مختلفة للخلية الشمسية العضوية على هذا البرنامج. ومن ثم، شغله على المادة الفعالة للخلية في هذا البحث، وهي (PCBM:HT3P)، التي تُعد المادة الأساسية لهذا النوع من الخلايا.
واستعمل الباحث برنامج Multiphysics COMSOL لعمل محاكاة للأنبوب الحراري، إذ يمتاز هذا البرنامج بريادته وتميزه في إظهار الخصائص الفيزيائية والحرارية المطلوبة لهذا البحث. وأدخل الباحث تفاصيل الأنبوب الحراري من حيث المواد المُستعملة والأبعاد وكمية الحرارة التي يتعرض إليها عند ظروف التشغيل الخاصة بهذا البحث.
كما استعمل البرنامج لعمل محاكاة تجمع بين الخلية الشمسية العضوية والأنبوب الحراري، لدراسة التأثير الناتج لفقد الحرارة من سطح الخلية، ومعرفة التوزيع الحراري لها ومعرفة نتائج دقيقة في هذا الإطار.
وتأكد الباحث من صحة البيانات والنتائج الواردة من البرنامج عن طريق تغيير حجم التجزئة النوعية لجسم الخلية الشمسية والأنبوب الحراري، واتضح أنها متقاربة للغاية من بعضها، أي أن المحاكاة حدثت بصورة صحيحة، وهذه إحدى الطرق المتبعة للتأكد من صحة برامج المحاكاة.
