خلاصة أنواع موائع نقل الحرارة في المجمعات الشمسية - المهندسة راما الشيخ

الماء

يمكن اعتبار الماء الوسيط المفضل لانتقال الحرارة في الانظمة الشمسية حيث أنه غير مكلف، غير سام ومتوفر. تستخدم أنظمة الماء الساخن الشمسية بشكل عام في المنازل والأغراض الصناعية وتدفئة المسابح. ومع ذلك يعتبر استخدامه محدود بنقطة تجمده وغليانه ومحتواه المعدني وبالتالي التآكل والترسبات المعدنية الناتجة.
 

خليط ماء مع غليكول

يستخدم في الانظمة الشمسية المغلقة عندما تؤثر مشكلة تجمد المائع الحراري على عمل النظام. يتدفق هذا الخليط من المجمع باتجاه مبادل حراري داخل الخزان لتسخين الماء. يستخدم هذا الخليط بشكل نموذجي في المجمعات ذات درجة الحرارة المنخفضة والمتوسطة. على الرغم من ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الجليكول يبدأ في التدهور عندما تكون درجة الحرارة أعلى من 120 درجة مئوية.

الأملاح المنصهرة

في المجمعات الشمسية المركزة يستخدم البوتاسيوم أو الصوديوم في الطول السائل كوسيط لنقل الحرارة أو كوسيط تخزين حراري. وهي متاحة بسهولة وغير مكلفة وصديقة للبيئة وغير سامة. يمكن أن تعمل عند درجات حرارة مرتفعة (أعلى من 500℃) ولكنها تظهر بعض نقاط الضعف بسبب نقطة التجمد المرتفعة والتي تحتاج إلى قوة مساعدة إضافية للحفاظ عليها في الطور السائل. بالإضافة إلى ذلك تسبب التآكل وبالتالي تحتاج إلى معدات غالية لتؤمن التشغيل الفعال.

الزيوت الهيدروكربونية

في أنظمة المجمعات الشمسية يمكن أن يكون أساس هذه الزيوت إما البترول أو اصطناعية (synthesized). حيث تظهر الاصطناعية منها قدرة على انتقال الحرارة كبيرة عند درجات حرارة العمل المرتفعة نظراً لخصائصها الفيزيائية الحرارية الممتازة. بمقارنة الزيوت الاصطناعية مع نظيراتها البترولية ، فإن الأولى أكثر ملاءمة وأمانًا بسبب انخفاض مستوى صيانتها وغير سامة إلى حد ما.
عند إجراء مقارنة مع الماء ، تتميز الزيوت الهيدروكربونية بسعة حرارية نوعية صغيرة ولزوجة أعلى. ولهذا تتطلب طاقة ضخ أكبر.

المواد متغيرة الطور

يتم اعتماد هذه المواد لامتصاص الحرارة في المجمعات الحرارية الشمسية ، وإطلاقها في وسط آخر ، (الهواء أو الماء). ينتشر استخدام المواد المتغيرة الطور على نطاق واسع في قطاع البناء ، حيث يمكن تجهيز المنشآت بأنظمة مجمعات الطاقة الشمسية. هذه المواد تسمح بتقليل تغيرات درجة الحرارة ، وزيادة ساعات عمل المجمع. بالنظر إلى PCMs في المجمعات الشمسية المسطحة ، فهي يمكن أن تكون كمجموعة متكاملة من الطاقة الحرارية الكامنة.
تم دراسة المجمعات الشمسية مع pcm لإنتاج الماء الساخن المنزلي حيث يمكن تصنيف التصاميم إلى ثلاثة أنواع : أسفل اللوحة الماصة، متحدة المركز مع خط التدفق أو كوحدة تخزين مستقلة. يعتبر تكامل pcm في المجمعات الشمسية المسطحة أقدم تقنية لتحسين الأداء الحراري حيث تمت دراستها منذ عام 1987. أيضا تمت استخدام pcm بشكل متكرر في المجمعات الشمسية لمنع تجمد الماء. درس الباحثون المجمعات الشمسية مع pcm كمواد مضادة للتجمد ووجدوا أن قيمة درجة حرارة تغيير الطور ، للحصول على أداء مثالي لمنع التجمد ، يجب أن تكون بين 2 درجة مئوية و 7 درجات مئوية. ولكن يجب معرفة السماكة المثالية للحصول على أداء جيد للمادة متغير الطور في المجمع الشمسي. أيضاً تم إعداد جهاز لتحلية الماء بالطاقة الشمسية من خلال دمج طبقة من sodium thiosulfate pentahydrate كمادة متغيرة الطور (الطاقة المخزنة بواسطة pcm)  وأدى هذه الدمج إلى تحسين في إنتاجية الوحدة خلال الليل.

ويعتبر البارافين أكثر المواد المتغيرة الطور اعتمادًا ، باعتباره قادر  على زيادة الاستقرار الحراري بنجاح ونقل الحرارة.

تتميز سخانات الهواء الشمسية المسحطة المدمجة مع PCM بـ كفاءة حرارية تتراوح من 22٪ إلى 96٪. ومع ذلك ، فإن كفاءة هذه الأجهزة لا يمكن مقارنتها مع المجمعات التي تستخدم الماء حيث ترتبط هذه الحقيقة بظاهرة انتقال الحرارة بالحمل ، مع معاملات انتقال حرارة بالحمل أقل في حالة الهواء ، بدلاً من الماء  يوجد في الادبيات العديد من التصاميم المقترحة لهذه المجمعات

بالنظر إلى مجمعات الطاقة الشمسية ذات الأنابيب المفرغة ، يمكن تحقق استخدام pcm فيها بطريقتين: الأولى وضع pcm في الفراغ بين أنابيب المجمع

الثانية وضع pcm ضمن أنابيب المجمع. والثالثة تتضمن غمر الانبوب الحراري في المادة pcm والتي بدورها موجودة في أنبوب زجاجي مفرغ.

وتم التحقق في الدراسات من تأثير معدات التدفق ضمن الانابيب على حالة تغير الطور للمائع.

 

أكدت معظم الدراسات أن استخدام PCM فعال للغاية لتحسين الاداء الحراري الشمسي والطاقي لأجهزة PV/T.

NANoFLUIDS الموائع النانوية:

الماء أو ماء الجليكولات هي سوائل نقل الحرارة شائعة الاستخدام في الألواح الشمسية. في الأدب ، تم إيجاد موائع نقل حرارة جديدة لتحسين كفاءة أنظمة الطاقة ، بالاعتماد على  الموائع النانوية التي تتميزبمزيج  من جسيمات نانوية مصنوعة من معدن أو أكسيد فلز مع سوائل نقل الحرارة الشائعة ، مثل الماء أو الزيت أو جلايكول الإثيلين.  والتي قدمت تحسين من حيث التوصيل الحراري من قبل العديد من الباحثين.

ترتبط أهم التحديات في اعتماد الموائع النانوية بـارتفاع التكاليف وعدم الاستقرار وزيادة اللزوجة من الجسيمات النانوية ، وبالتالي زيادة الاحتكاك والطاقة اللازمة للضخ. في المستقبل يمكن حل جميع هذه التحديات من خلال التقدم في مجال تكنولوجيا النانو.