ورقة بيضاء حول ألواح امتصاص الطاقة الشمسية: جوهر جامعات الطاقة الشمسية المسطحة - الكفاءة والعمر الافتراضي

ورقة بيضاء حول ألواح امتصاص الطاقة الشمسية: جوهر كفاءة وعمر جامع الألواح المسطحة

في نظام المجمّع الشمسي المسطح، يوجد عنصر أساسي بالغ الأهمية وإن بدا بسيطًا، ألا وهو لوحة امتصاص الطاقة الشمسية (لوحة امتصاص الحرارة الشمسية). فهي المسؤولة عن تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية ونقلها إلى الوسط العامل. ويحدد أداؤها بشكل مباشر الكفاءة اللحظية للمجمّع، وكمية الحرارة الناتجة سنويًا، وحتى عمر النظام بأكمله. مع ذلك، غالبًا ما يُغفل المستخدمون النهائيون، وحتى بعض المقاولين الهندسيين، أهمية لوحة امتصاص الطاقة الشمسية لصالح "غلاف المجمّع" أو "الغطاء الزجاجي". ستتناول هذه المقالة بالتحليل المعمق الجوانب التقنية الأساسية ونقاط اختيار المكون الأساسي للوحة امتصاص الحرارة في المجمّع الشمسي المسطح، وذلك من أربعة جوانب: علم المواد، وعملية الطلاء، والأداء الحراري، وجودة سلسلة التوريد.

أولاً: ما هي لوحة امتصاص الطاقة الشمسية: وظيفتها وبنيتها

تُعدّ صفيحة امتصاص الطاقة الشمسية المكوّن الأساسي لتبادل الحرارة داخل مُجمّع الطاقة الشمسية ذي الصفيحة المسطحة. تتكوّن صفيحة امتصاص الطاقة الشمسية النموذجية من ثلاثة أجزاء: ركيزة معدنية ذات موصلية حرارية عالية (عادةً من النحاس أو الألومنيوم)، وطلاء امتصاص انتقائي للسطح، ومجموعة أنابيب (أنابيب نحاسية أو أنابيب متعرجة) ملحومة بالركيزة أو مدمجة بها. عندما يمر ضوء الشمس عبر الغطاء الزجاجي ويصطدم بصفيحة الامتصاص، يحوّل الطلاء الطاقة الإشعاعية ذات الموجات القصيرة إلى طاقة حرارية. ثم تنقل الركيزة الحرارة بسرعة إلى السائل (الماء أو مانع التجمد) داخل مجموعة الأنابيب، وبذلك تكتمل عملية نقل الطاقة من "ضوء ← حرارة ← سائل".

وفقًا للشكل الهيكلي، تنقسم لوحة امتصاص الطاقة الشمسية بشكل رئيسي إلى:

1. نوع الألواح الأنبوبية: يتم توصيل الأنابيب النحاسية بألواح الألومنيوم أو الألواح النحاسية من خلال اللحام بالموجات فوق الصوتية أو اللحام بالليزر أو الضغط بالدرفلة.

2. النوع ذو الصفائح المتكاملة: يتم لف صفيحتين معدنيتين لتشكيل قنوات تدفق الوسيط (على غرار المبادلات الحرارية الصفيحية)؛

3. نوع الألواح الجناحية: يتم تشكيل المقطع الجانبي المصنوع من الألومنيوم من خلال عملية بثق واحدة، حيث يتم دمج قناة التدفق والألواح الجناحية الماصة للحرارة معًا.

ومن بينها، تستحوذ لوحة امتصاص الحرارة الشمسية من نوع الأنبوب المركب من النحاس والألومنيوم، نظراً لفعاليتها العالية من حيث التكلفة، على ما يقرب من 70% من سوق المجمعات الشمسية المسطحة العالمية.

ثانيًا: مؤشرات الأداء الأساسية: معدل الامتصاص، ومعدل الانبعاث، والتوصيل الحراري

لتقييم جودة لوحة امتصاص الطاقة الشمسية، فإن أهم ثلاثة مؤشرات فنية هي:

1. معامل امتصاص الطاقة الشمسية (α)

يشير هذا إلى قدرة لوحة امتصاص الطاقة الشمسية على امتصاص كامل نطاق الإشعاع الشمسي (300-2500 نانومتر). يجب أن يكون للطلاء الانتقائي لامتصاص الطاقة في لوحات امتصاص الطاقة الشمسية عالية الجودة قيمة α ≥ 0.94 (قيمة مقاسة). تشمل الطلاءات الشائعة حاليًا الكروم الأسود، والتيتانيوم الأزرق (TiNOX)، والألومنيوم-نيتروجين/الألومنيوم (طلاء ثلاثي الأهداف)، وطلاء الجرافين المركب.

2. نسبة الانبعاث الحراري (ε، عند درجة حرارة الغرفة)

يشير هذا المصطلح إلى قدرة اللوحة الماصة للحرارة على إشعاع الطاقة الحرارية بالأشعة تحت الحمراء إلى الخارج عند درجة حرارة تشغيلها (عادةً ما بين 40 و100 درجة مئوية). كلما انخفضت قيمة ε، قلّ فقد الحرارة. بالنسبة للمجمعات الشمسية المسطحة عالية الجودة، يتطلب قلب اللوحة الماصة للحرارة قيمة ε ≤ 0.10 (عند درجة حرارة الغرفة). على سبيل المثال، القيمة النموذجية لطلاء التيتانيوم الأزرق هي α = 0.95، وε = 0.05، مع نسبة انتقائية α/ε تصل إلى 19، وهي من أعلى المستويات في هذا المجال.

3. الموصلية الحرارية (λ)

معدل انتقال الحرارة من سطح الطلاء إلى السائل داخل الأنبوب. تستخدم ركائز ألواح امتصاص الطاقة الشمسية عادةً النحاس (401 واط/(م·ك)) أو الألومنيوم (237 واط/(م·ك))، وكلاهما يتميز بموصلية حرارية عالية. كما أن عملية اللحام بالغة الأهمية: فاللحام بالموجات فوق الصوتية يضمن عدم وجود فجوة مقاومة حرارية بين أنبوب النحاس ولوحة الألومنيوم، بينما قد يؤدي اللحام النقطي العادي أو الربط اللاصق إلى مقاومة حرارية كبيرة عند التلامس، مما يقلل بشكل ملحوظ من كفاءة تجميع الحرارة الفعلية.

ثالثًا: تطور تكنولوجيا الطلاء: من غير الانتقائية إلى الانتقائية الفائقة

استخدمت ألواح امتصاص الحرارة الشمسية المبكرة طلاءً أسود غير انتقائي (α ≈ 0.90، ε ≈ 0.90)، والذي كان له نفس تأثير صفيحة حديدية سوداء مُسخّنة بأشعة الشمس. بعد ثمانينيات القرن الماضي، أصبح طلاء الكروم الأسود بالكهرباء هو السائد، بمعدل امتصاص يتراوح بين 0.92 و0.94 وانبعاثية تتراوح بين 0.12 و0.15. ومع ذلك، ينتج عن عملية إنتاج الكروم الأسود مياه صرف تحتوي على الكروم سداسي التكافؤ، مما يُسبب ضغطًا بيئيًا هائلًا.

مع دخول القرن الحادي والعشرين، أدت تقنية الترسيب الفيزيائي للبخار بالرش المغناطيسي (PVD) إلى إنتاج طلاءات التيتانيوم الأزرق (TiNOX) بعملية جافة بالكامل. يتميز هذا الطلاء المستخدم في ألواح امتصاص الطاقة الشمسية بلون أزرق داكن، وانتقائية عالية للغاية، كما أن عملية إنتاجه لا تُنتج أي مياه صرف أو غازات عادمة. حالياً، تحولت كبرى شركات تصنيع مجمعات الحرارة في أوروبا والصين بشكل كامل إلى استخدام طلاءات التيتانيوم الأزرق أو طلاءات PVD مماثلة.

بدأت أحدث أجيال الألواح الشمسية الماصة للحرارة في استخدام طلاءات السيراميك النانوية المركبة والطلاءات المعدلة بالجرافين. تُظهر بيانات المختبر أن قيمة α للوح الماص للحرارة المُعزز بالجرافين تصل إلى 0.96، بينما تنخفض قيمة ε إلى 0.04. في الوقت نفسه، تحسّن أداء مقاومة التقادم بأكثر من 30%. مع ذلك، لا تزال هذه التقنية في مرحلة الإنتاج التجريبي، بتكلفة تتراوح بين ضعفين إلى ثلاثة أضعاف تكلفة تقنية لانتاي. ولم تصل بعد إلى مرحلة التسويق التجاري على نطاق واسع.

رابعاً: نقاط الضعف في الصناعة: فوضى ألواح امتصاص الطاقة الشمسية المقلدة وغير المطابقة للمواصفات

في سوق المستخدم النهائي، تتفاوت جودة ألواح امتصاص الطاقة الشمسية بشكل كبير. بعض المنتجات منخفضة السعر والجودة تعتمد على:

1. الربط الخاطئ: تم ربط أنابيب النحاس بألواح الألومنيوم باستخدام غراء عادي. بعد ستة أشهر من التشغيل، تآكلت طبقة الغراء وتسببت في انفصال الأنبوب واللوح، مما أدى إلى انخفاض حاد في كفاءة تجميع الحرارة.

2. طلاء رديء: يُحاكي لون التيتانيوم الأزرق ولكنه ليس طلاءً مُفرغاً من الهواء. بعد رشه بطلاء أسود عادي، تكون قيمة α 0.85 فقط، ويبدأ الطلاء بالتلاشي والتقشر في غضون ثلاثة أشهر.

3. الأنبوب ذو الجدران الرقيقة: تم تقليل سمك جدار الأنبوب من 0.6 مم إلى 0.3 مم. أثناء دوران سائل مانع التجمد، تآكل الأنبوب بسرعة وتثقب، مما أدى إلى تسرب المجمع بأكمله وتلفه.

أشارت مؤسسة الاختبارات الصناعية إلى أنه بالنسبة لقلب ماص الطاقة الشمسية ذي الألواح المسطحة المؤهل، وبعد خضوعه لاختبار رش الملح المحايد لمدة 1000 ساعة و200 دورة من اختبارات الصدمات الحرارية، يجب ألا يتقشر الطلاء أو يتشقق، ويجب ألا يتجاوز التوهين α 0.02. عند الشراء، يجب على المستخدمين مطالبة المورد بتقديم تقرير اختبار نوعي من جهة خارجية.

خامساً: اتجاهات السوق: ألواح امتصاص الحرارة المتكاملة من نوع البثق والإنتاج على نطاق واسع

تتطلب ألواح امتصاص الطاقة الشمسية التقليدية الأنبوبية أنابيب نحاسية وألواح ألومنيوم، مما يُعرّضها لخطر التآكل الكهروكيميائي ويستلزم عمليات لحام متعددة. في السنوات الأخيرة، بدأت ألواح امتصاص الطاقة الشمسية المصنوعة بالكامل من الألومنيوم بتقنية البثق المتكامل تكتسب شعبية متزايدة. تُشكّل هذه التقنية لوح امتصاص الطاقة الشمسية بقنوات دقيقة متوازية متعددة من خلال عملية بثق واحدة باستخدام آلة بثق مقاطع الألومنيوم. وهي تُزيل مقاومة التلامس الحراري بين اللوح الأنبوبي وسطح التآكل دون الحاجة إلى لحام ترتيب الأنابيب. وقد اعتمدت مُجمّعات الألواح المسطحة من BTESolar هذا التصميم بالكامل، محققةً كفاءة تجميع تتجاوز 82%.

في غضون ذلك، ومع ازدياد مشاريع مجمعات التسخين الشمسي واسعة النطاق، اتسع نطاق عرض الألواح الماصة للحرارة الشمسية من متر واحد ومترين إلى أكثر من ثلاثة أمتار. كما بدأ استخدام الألواح العريضة الماصة للحرارة ذات الوجهين (المطلية من الخلف للاستفادة من الضوء المنعكس)، بالإضافة إلى الهياكل غير المنتظمة الشكل مثل المثلثات والألواح المموجة، في حقول المجمعات واسعة النطاق.

سادساً: كيفية اختيار وشراء ألواح امتصاص الطاقة الشمسية

بالنسبة لمصنعي جامعات الطاقة الشمسية، والمهندسين، أو مشتري المشاريع واسعة النطاق، فإن العملية الموصى بها لاختيار ألواح امتصاص الطاقة الشمسية هي كما يلي:

1. تأكيد سيناريوهات التطبيق: منزل عادي (مركب من النحاس والألومنيوم، طلاء تيتانيوم أزرق)؛ بيئة صناعية عالية التآكل (وحدة متكاملة من الألومنيوم بالكامل، مؤكسد + طلاء انتقائي)؛ مناطق شديدة البرودة (يلزم استخدام ألواح ماصة ذات تصميم انبعاثية أعلى لتقليل فقدان الحرارة بالإشعاع ليلاً).

2. طلب ​​تقرير الاختبار: التركيز على نسبة الامتصاص (α)، ونسبة الانبعاث (ε)، ومدة اختبار رذاذ الملح المحايد، وعدد دورات الصدمة الحرارية.

3. فحص جودة اللحام: يجب أن تجتاز لوحة امتصاص الحرارة من نوع الأنبوب اختبار قوة التقشير (يجب أن تكون قوة التقشير عند نقطة اللحام ≥ 100 نيوتن/25 مم).

4. العلامة التجارية والضمان: يجب أن يقدم المورد المعتمد ضمانًا لأداء الطلاء لمدة لا تقل عن 10 سنوات (انخفاض ألفا ≤ 0.03).

سابعاً: الخاتمة

على الرغم من صغر حجم لوحة امتصاص الطاقة الشمسية، إلا أنها تحدد نجاح النظام أو فشله.

تُعدّ صفيحة امتصاص الطاقة الشمسية المكوّنَ الوحيدَ ذو القيمة الأعلى (حوالي 15-25%) في مُجمِّع الطاقة الشمسية ذي الصفيحة المسطحة، ولها التأثير الأكبر على أداء النظام. فبإمكان صفيحة امتصاص عالية الجودة أن تُمكّن المُجمِّع من العمل بثبات ضمن نطاق الكفاءة العالية لأكثر من 20 عامًا؛ بينما قد تُحوّل صفيحة امتصاص رديئة الجودة مشروع التسخين الشمسي بأكمله إلى مجرّد عنصر تزييني. ومع تزايد متطلبات جودة استخدام الطاقة الشمسية الحرارية في الجهود العالمية للحدّ من انبعاثات الكربون، سيصبح توحيد معايير وتتبع لبّ صفيحة امتصاص الطاقة الشمسية في مُجمِّعات الطاقة الشمسية ذات الصفيحة المسطحة اتجاهًا لا مفرّ منه.