غشاء امتصاص الطاقة الشمسية: "تقنية سول بلاك" للمجمعات الشمسية المسطحة

في المكون الأساسي للمجمع الشمسي ذي اللوحة المسطحة، لا شك أن صفيحة امتصاص الحرارة تلعب دورًا محوريًا. إن طلاء الامتصاص الانتقائي، الذي يبدو بسيطًا في ظاهره ولكنه عالي التقنية، على سطح صفيحة امتصاص الحرارة هو ما يمنحها القدرة على تحويل الطاقة بكفاءة. يُعد هذا الطلاء الخاص بمثابة "روح" المجمع الشمسي ذي اللوحة المسطحة، حيث يحدد بشكل مباشر كفاءة جمع الحرارة ودرجة حرارة التشغيل وعمر الخدمة للنظام بأكمله. ستتناول هذه المقالة بعمق المبادئ التقنية وتاريخ تطورها ومؤشرات أدائها وتأثيرها الرئيسي على الكفاءة الكلية للمجمع.

I. الوظيفة الأساسية: لماذا يعد الامتصاص "الانتقائي" ضروريًا؟

تتكون طاقة الإشعاع الشمسي بشكل رئيسي من الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، ويعادل توزيع طاقته تقريبًا توزيع إشعاع الجسم الأسود عند درجة حرارة 5800 كلفن. عند تشغيل صفيحة امتصاص الحرارة في المجمع (عادةً أقل من 150 درجة مئوية)، فإنها تُولّد أيضًا إشعاعًا تحت أحمر بسبب الحرارة، مما يؤدي إلى فقدان الحرارة. 

1. يجب أن تحقق طبقة الفيلم الماصة المثالية هدفين متناقضين على ما يبدو: 

تعظيم امتصاص الطاقة من الطيف الشمسي (الأطوال الموجية 0.3-2.5 ميكرومتر). 

تقليل طاقة الأشعة تحت الحمراء (الطول الموجي >2.5 ميكرومتر) التي تولدها اللوحة الماصة للحرارة نفسها. 

٢. تُشكّل خاصية "الدخول فقط، لا خروج" جوهر الامتصاص الانتقائي. ويُحدَّد أداؤه بمعيارين رئيسيين: 

معدل امتصاص الطاقة الشمسية (α): قدرة طبقة الغشاء على امتصاص طاقة الإشعاع الشمسي. كلما اقتربت القيمة المثالية من 1 (100%)، كان ذلك أفضل. 

الانبعاثية الحرارية (ε): قدرة طبقة الغشاء على إشعاع الحرارة إلى الخارج عند درجة حرارة التشغيل. كلما اقتربت القيمة المثالية من 0 (0%)، كان ذلك أفضل. 

لذلك، فإن المؤشر الأساسي الحقيقي لتقييم جودة طبقة الفيلم هو نسبة أداء التحويل الضوئي الحراري (α/ε). كلما ارتفعت هذه النسبة، تحسنت انتقائيتها وزادت الفائدة الصافية للمجمع.

ثانيًا: التطور التكنولوجي: من الطلاء الأسود العادي إلى الطلاءات عالية التقنية

لقد خضع تطوير طبقة الفيلم الماص لثلاثة أجيال من الابتكارات التكنولوجية: 

1. الجيل الأول: طلاء غير انتقائي 

المواد: طلاء أسود شائع (مثل طلاء الأسفلت، طلاء السبورة). 

الخصائص: على الرغم من أن معدل الامتصاص مرتفع نسبيًا (α ~0.90-0.95)، إلا أن انبعاثيته عالية جدًا أيضًا (ε ~0.85-0.90)، ونسبة α/ε قريبة من 1. يشبه هذا المنتج الحجر الأسود، قادرًا على امتصاص الحرارة وتبديدها بسهولة. لكنه غير فعال، وقد تم الاستغناء عنه تدريجيًا. 

2. الجيل الثاني: الطلاء الانتقائي الجوهري 

المواد: بعض المواد التي هي انتقائية بطبيعتها، مثل الكروم الأسود، والنيكل الأسود، وأكسيد النحاس (CuO)، وأكسيد الحديد (Fe3O4)، الخ. 

الخصائص: تتميز هذه المواد بخصائص بصرية مختلفة للضوء ذي الأطوال الموجية المختلفة على مستوى البنية المجهرية. على سبيل المثال، يتميز طلاء الكروم الأسود الكهربائي التقليدي بثباته المتميز (مقاومته لدرجات الحرارة العالية والرطوبة)، بمعدل امتصاص α يتراوح بين 0.93 و0.97، وانبعاث ε يتراوح بين 0.08 و0.12، وزيادة ملحوظة في نسبة α/ε تتجاوز 10. 

الجيل الثالث: طلاء انتقائي متدرج (طلاء من نوع التداخل البصري) 

التكنولوجيا: تم اعتماد تكنولوجيا طلاء الفراغ بالرش المغناطيسي (الرش المغناطيسي). 

البنية: عن طريق ترسيب طبقات متعددة من الأفلام النانوية على التوالي مع مؤشرات انكسار مختلفة (مثل نتريد الألومنيوم، نتريد الزركونيوم، ومركبات نتريد الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم) على ركيزة معدنية (مثل النحاس أو الألومنيوم)، يتم تشكيل بنية "متدرجة" مع مؤشر انكسار متغير تدريجيًا من السطح إلى الركيزة. 

مبدأ العمل: يعتمد على مبدأ التداخل البصري. صُمم سمك ومادة كل طبقة من الفيلم بدقة لإحداث انعكاسات وتداخلات متعددة لأشعة الشمس داخلها، مما يؤدي في النهاية إلى امتصاصها بالكامل تقريبًا (تأثير الاحتباس الحراري). في الوقت نفسه، يتميز هذا الهيكل متعدد الطبقات بانعكاسية عالية للأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة، مما يُخفف من الانبعاثات الحرارية. 

الميزة: هذه هي التقنية الرائدة حاليًا. تتميز بأداء ممتاز للغاية، بمعدل امتصاص α > 0.95، وانبعاث ε منخفض يتراوح بين 0.04 و0.06 (عند 80 درجة مئوية)، ونسبة α/ε أعلى من 15. عادةً ما يكون لونها أزرق-أسود موحدًا أو أسود داكنًا.

ثالثًا: مؤشرات الأداء الأساسية ومعايير الاختبار

لتقييم جودة طبقة الفيلم الماصة، يجب مراعاة الأداء الرئيسي التالي: 

الأداء البصري: α > 0.95، ε < 0.05 هي السمات المميزة للمنتجات الراقية. 

مقاومة الطقس (المتانة) 

مقاومة الرطوبة والحرارة: بعد اختبارها لمئات الساعات في بيئة عالية الحرارة والرطوبة (مثل ٨٥ درجة مئوية و٨٥٪ رطوبة نسبية)، يُفترض أن يكون تدهور الأداء ضئيلاً. هذا هو مفتاح تقييم عمر الطلاء. 

مقاومة الحرارة: يمكنها العمل بثبات لفترة طويلة في ظل ظروف العمل 150-200 درجة مئوية دون تقشير أو تقشر أو أكسدة. 

مقاومة رذاذ الملح: بالنسبة للمناطق الساحلية، فإن القدرة على مقاومة التآكل الملحي لها أهمية حيوية. 

الالتصاق: يجب أن يكون الطلاء ملتصقًا بإحكام بالركيزة المعدنية. ومن خلال اختبارات مثل اختبارات المقطع العرضي، يتم ضمان عدم تساقطه. 

مقاومة التعرض لأشعة الشمس: في ظل ظروف التعرض لأشعة الشمس الشديدة، يظل أداء الطلاء مستقراً، دون الشيخوخة أو الفشل.

رابعًا: تقنيات الطلاء السائدة

نوع الطلاء: طلاء متدرج من الألومنيوم والنيتروجين (فيلم أزرق/فيلم أسود)

الأداء البصري: ممتاز (α>0.95، ε<0.05)

مقاومة الطقس: ممتازة (مقاومة للحرارة الرطبة ودرجات الحرارة المرتفعة)

صديقة للبيئة: صديقة للبيئة وخالية من المعادن الثقيلة

التكلفة: مرتفعة نسبيًا (استثمار كبير في المعدات)

المظهر: أزرق-أسود موحد أو أسود غامق

اتجاهات السوق: الاتجاهات السائدة والمستقبلية

V. كيفية اختيار طبقات الفيلم عالية الجودة لجامعك؟

الاستفسار عن نوع التكنولوجيا: إعطاء الأولوية لطلاء الألومنيوم والنيتروجين المتدرج باستخدام تقنية الرش المغناطيسي. 

طلب معايير الأداء: اطلب من المورد تقديم تقرير صادر عن مؤسسة اختبار معتمدة، مع التركيز على نتائج اختبار معدل الامتصاص (α)، والانبعاثية (ε)، ومقاومة الرطوبة والحرارة. 

انتبه للمظهر: يتميز الطلاء عالي الجودة بلون موحد، وكثيف، وخالٍ من الخدوش والعيوب. يُلمس بلطف باليد، ويجب ألا يتساقط منه أي مسحوق. 

اختر علامة تجارية موثوقة: تتمتع مواد الطلاء من العلامات التجارية المعروفة بجودة أكثر استقرارًا وعمرًا افتراضيًا مضمونًا.

السادس. الخاتمة

على الرغم من رقة غشاء الامتصاص الشمسي الانتقائي، إلا أنه يُعدّ من المكونات الأساسية ذات المحتوى التكنولوجي العالي والقيمة المضافة الأكبر في تقنية مُجمّعات الطاقة الشمسية المسطحة. بدءًا من الطلاء الأسود العادي وصولًا إلى طلاء الرش الفراغي عالي التقنية، ساهم كل تطور من تطوراته في تعزيز كفاءة واقتصاد استخدام الطاقة الشمسية الحرارية بشكل ملحوظ. 

اليوم، أصبح الطلاء المتدرج عالي الأداء هو المعيار المُعتمد في مجمعات الألواح المسطحة عالية الجودة، وهو ما يُحدد ليس فقط سعة إنتاج المجمع في الطقس الجيد، بل أيضًا أداءه في جمع الحرارة في الأيام الممطرة، وفي بيئات درجات الحرارة المنخفضة شتاءً، وموثوقية النظام بأكمله على المدى الطويل. عند اختيار مجمع ذي ألواح مسطحة، يُعدّ الفهم العميق لهذه الطبقة السوداء "داخله" خطوةً حاسمةً بلا شك في اتخاذ قرار حكيم. الاستثمار في مجمع ذي "قلب" قوي هو استثمار في فوائد كفاءة الطاقة لعقود قادمة.