ما هي سوائل نقل الحرارة المستخدمة في أنظمة ديمكس الشمسية الحرارية؟

الخيارات الأساسية لسوائل نقل الحرارة لأنظمة ديمكس الشمسية الحرارية

الماء: الأفضل للتركيبات المنخفضة الحرارة والمُضغوطة من ديمكس

لتطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية العاملة عند درجات حرارة تقل عن ١٠٠ درجة مئوية، يظل الماء أحد أكثر خيارات سوائل نقل الحرارة اقتصاديةً وكفاءةً المتاحة. وتنبع الخصائص المُفضَّلة للماء من سعته الحرارية النوعية العالية نسبيًّا (حوالي ٤,١٨ كيلوجول لكل كجم.ك)، مع الحاجة إلى طاقة ضخٍّ قليلة نسبيًّا. وعند التبريد باستخدام نظام «ديماكس» المضغوط، يُعد الماء الخيار الأمثل لأنه لا يغلي، وهو آمنٌ وصديقٌ للبيئة. ومع ذلك، يتجمد الماء عند صفر درجة مئوية، ولذلك تعمل هذه الأنظمة فقط في المناطق الخالية من الصقيع. وعندما تتعرَّض الأنظمة لخطر التجمُّد بسبب الظروف الشتوية، يجب على الفنيين تصريف الماء بالكامل لتفادي التلف. وتُظهر أرقام الأداء المسجَّلة في المنازل الواقعة في المناطق القارية المتوسطية أن الاتحاد الأوروبي لصناعة الطاقة الشمسية الحرارية (ESTIF) أثبت في عام ٢٠٢٣ أن الأنظمة القائمة على الماء حقَّقت كفاءة موسمية تبلغ نحو ٦٠٪.

حلول تركز على السلامة وحماية النظام من التجمد

عندما يتعلق الأمر بحماية الأنظمة من التجمد، فإن خليط البروبيلين غليكول مع الماء يُظهر إمكانات كبيرة. فهو يظل فعّالًا حتى درجات حرارة تصل إلى سالب ٣٠ درجة مئوية، ويُعتبر أقل خطورةً مقارنةً بالخيارات الأخرى المتاحة التي تعتمد على الإيثيلين غليكول، والتي قد تكون خطرةً في حال حدوث تسرب. كما أن هذه الخلائط تمنع التآكل عند بناء الأنظمة وفقًا للإرشادات المناسبة باستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ وبعض أنواع البلاستيك الأخرى. ومن ناحية سلبية، فإن خلطات البروبيلين غليكول/الماء قد تكون أكثر لزوجةً بنسبة تتراوح بين ٣٠٪ و٥٠٪ مقارنةً بالماء عند درجة حرارة ٢٠ درجة مئوية، وبالتالي يتعيّن على المضخات بذل جهدٍ أكبر بكثير. ومع ذلك، وبفضل كفاءتها العالية في التعامل مع درجات الحرارة المنخفضة، فهي تُعد السائل الانتقالي للحرارة المفضل في غالبية المناطق في أمريكا الشمالية وأوروبا الشمالية. وفي الآونة الأخيرة، حقّق المصنعون تحسيناتٍ أيضًا بإضافة مواد كيميائية مُلكية مُحددة إلى هذه السوائل، مما يقلل من معدل تحللها. وعند اختبار هذه السوائل في أنظمة ديمكس (Demax) المغلقة وفق المعايير الصناعية المحددة، يُقدَّر أن عمرها الافتراضي يتراوح بين ٥ و٧ سنوات.

سوائل السيليكون المستقرة حراريًا والهواء: استخدامات متخصصة في تطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية دون ضغط وعند درجات حرارة مرتفعة

سوائل نقل الحرارة من السيليكون هي السوائل الوحيدة التي تظل قادرةً على العمل لفترات طويلة في أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية المركزة ذات الحلقة المفتوحة غير الخاضعة للضغط، والتي تعمل عند درجات حرارة مرتفعة تتراوح بين ٢٠٠ و٤٠٠ درجة مئوية. كما تمتلك سوائل السيليكون القدرة الكافية على نقل الحرارة اللازمة للاستخدام في النطاق ذي درجات الحرارة العالية ضمن أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية المركزة. ومع ذلك، لا تُستخدم سوائل نقل الحرارة في الأنظمة التي يُستخدم فيها الهواء كسائل عامل. ويوفّر الهواء، بالاشتراك مع الأنظمة ذات الحلقة المفتوحة، موثوقية تشغيلية وسهولة في الصيانة لأنظمة الطاقة الشمسية الحرارية غير الخاضعة للضغط. أما مجموع هذه السوائل المتخصصة، حتى لو كانت مُحسَّنةً، فلا يتجاوز ١٥٪ من إجمالي التثبيتات العالمية لأنظمة الطاقة الشمسية الحرارية.

هذا العدد مستمد من أحدث تحليل سوقي أجرته وكالة الطاقة الدولية ضمن مبادرتها لعام ٢٠٢٤ الخاصة بالطاقة الشمسية المركزة (SolarPACES).

معايير الاختيار الرئيسية لسوائل نقل الحرارة الشمسية الحرارية

الثبات الحراري ومقاومة التحلل

في تطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية التي تستخدم سوائل نقل الحرارة (HTFs)، يُتوقع أن تكون هذه السوائل مستقرة كيميائيًّا على المدى الطويل، إذ قد تتعرَّض لدرجات حرارة تصل إلى نحو ٢٠٠ درجة مئوية لفترات طويلة جدًّا (وحتى سنوات في بعض الحالات). وعندما تكون السوائل غير مستقرة كيميائيًّا، فإن ذلك يترتب عليه آثار سلبية على النظام بأكمله، ومنها انخفاض الأداء الحراري. ففي بعض الحالات الموثَّقة، شهدت السوائل انخفاضًا في أدائها الحراري بنسبة ٢٢٪ خلال فترة خمس سنوات. وغالبًا ما يعود هذا الانخفاض إلى ازدياد لزوجة السائل الناجم عن أكسدة السائل وتكوين الرواسب الصلبة (الوحل) لاحقًا. كما تؤدي مثل هذه الظروف إلى ازدياد متطلبات الصيانة وانخفاض كفاءة مبادلات الحرارة. وعلى الرغم من أن مثبِّطات الأكسدة قد تخفف بعض المشكلات المذكورة أعلاه، فإن التركيز يجب أن ينصب أكثر على توافق السوائل مع مواد النظام على المدى الطويل. فقد تتعرَّض مواد النظام — مثل النحاس والألومنيوم، بل وحتى المطاط المستخدم في بعض أغطية صمامات الإغلاق — لمجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية مع السائل بمرور الزمن. وعلى وجه الخصوص، في أنظمة ديمكس (Demax) ذات الضغط المرتفع، يُقدَّر أن معدل التآكل يكون أعلى بنسبة ٣٠٪ تقريبًا عند استخدام سوائل مستقرة مقارنةً بالسوائل غير المستقرة.

هذا النوع من التآكل والبلى لا يقلل ببساطة من عمر المعدات فحسب، بل يزيد أيضًا بشكل كبير من ميزانيات الصيانة على المدى الطويل.

اختيار السوائل وفقًا للمناطق المناخية في سوق الطاقة الشمسية الحرارية في أمريكا الشمالية وأوروبا

يجب الالتزام الصارم باختيار السوائل وفقًا لشدة الظروف المناخية في منطقة التركيب.

١. دول الشمال الأوروبي وأوروبا الوسطى: يجب توفير الحماية حتى درجة حرارة –٣٠°م. ولتحقيق هذه الغاية، تُعتبر خليط الجليكول البروبيليني والماء بنسبة ٥٠:٥٠ المعيار الفعلي المستخدم في عمليات تركيب أنظمة ديمكس (Demax) في المناطق الباردة، نظرًا لأنه يحافظ على أكثر من ٨٥٪ من كفاءة انتقال الحرارة التي يمتلكها الماء.

٢. البحر الأبيض المتوسط والولايات المتحدة الأمريكية الجنوبية الغربية: تتجاوز درجات حرارة التوقف بانتظام ٣٠٠°مئوية. ولذلك تتطلب درجات حرارة التوقف استقرارًا عالي الحرارة مقترنًا بضغط بخار منخفض. وفي هذا الصدد، تتفوق السيليكونات على الغليكولات لأن ضغط بخارها أقل بنسبة ٤٠٪ مقارنةً بالغليكولات عند أعلى درجات الحرارة التشغيلية، مما يقلل من تكرار تفعيل صمامات التفريغ الضاغطي، وبالتالي يقلل من فقدان السائل.

٣. شمال شرق الولايات المتحدة كمثال على المناخ الهجين: من الضروري اعتماد تصميم يوفّر حماية مزدوجة. وتتميّز أحدث أجيال رغاوي الهيدروكربونات بقدرتها على البقاء قابلة للضخ عند درجات حرارة تقل عن –٢٥°مئوية، وبتحملها التحلل الحراري عند درجات حرارة تصل إلى ٢٩٠°مئوية. وهذا يسمح بتشغيل آمن طوال العام دون المساس بالكفاءة.

ورغم أن استخدامها يزيد اللزوجة بنسبة ١٢–١٥٪، مما يؤدي إلى زيادة جهد الضخ وزيادة أقطار فتحات المضخات، فإن هناك اتجاهًا متزايدًا نحو استخدام سوائل أكثر استقرارًا حراريًّا، على الرغم من القيود الإضافية التي تفرضها على السلامة.

مقارنة الأداء من حيث الكفاءة والسلامة وتوافق النظام في التطبيقات الحرارية الشمسية

المفاضلات الحرارية الفيزيائية فيما يتعلق بالسعة الحرارية النوعية واللزوجة وطاقة الضخ، مع مراعاة تدفق السائل بالنسبة للعائد الحراري الشمسي

تم تحليل الأداء الحراري الكلي لكل سائل بالنسبة إلى ثلاث خصائص فيزيوكيميائية للسائل: سعة التخزين الحراري للسائل (السعة الحرارية النوعية)، وسمك السائل (اللزوجة)، وتحلل السائل الحراري (الثبات الحراري). والماء مادة ممتازة لامتصاص الطاقة الحرارية (والسعة الحرارية النوعية له تبلغ نحو ٤,١٨ كيلوجول لكل كيلوجرام ولكل درجة كلفن). ومع ذلك، تنشأ مشاكل عند استخدام الماء في هذه الأنظمة لأن درجات الحرارة قد تنخفض دون نقطة التجمد. وفي تلك الحالات، يصبح من الضروري استخدام خليط الجليكول، رغم أن هذه السوائل تكون أكثر لزوجةً بنسبة تتراوح بين ٣٠٪ و٥٠٪ مقارنةً بالماء. وهذه المقاومة الإضافية الناتجة عن لزوجة السائل تتطلب من المضخات بذل جهد أكبر، ما يؤدي عادةً إلى زيادة استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين ١٥٪ و٣٠٪ في الأنظمة الصناعية الكبيرة، مما يقلل من كمية الطاقة الشمسية المُجمَّعة صافيًا. وعلى الرغم من أن السوائل السيليكونية لا تزداد لزوجتها بالتسخين بنفس القدر، فإن سعتها الحرارية النوعية محدودة في مدى يتراوح بين ١,٥ و١,٨ كيلوجول. ولذلك، يحتاج المشغل الذي يستخدم السوائل السيليكونية إلى مضاعفة معدل تدفق السائل مرتين مقارنةً بما هو مطلوب عند استخدام الماء. وهذا الإدارة للسائل تزيد الحاجة إلى مضخات أكبر حجمًا، وتزيد النفقات المرتبطة بالكهرباء، وتزيد العبء المترتب على عمليات الصيانة.

لقد تم التأكيد من خلال الاختبارات الواقعية في محطات الطاقة الشمسية ذات المرايا المقعرة أن عدم توافق السوائل والمضخات يمكن أن يقلل الإنتاج الحراري بنسبة 12–18٪ مع مرور الوقت. وبشكلٍ جوهري، فإن السوائل الرديئة تتحلل بشكل أسرع وقد تزداد لزوجتها بنسبة 50–80٪ بعد خمس سنوات فقط، مما يؤثر على تدفقها. ونتيجةً لذلك، يجب على المهندسين تقييم أي سائل جديد فعليًّا مع كل مكوِّن من مكونات النظام الذي سيتلامس معه، بما في ذلك خزانات التمدد والصمامات، وبخاصة مبادلات الحرارة ذات الصفائح الملحومة.

الأسئلة الشائعة

ما الفائدة الرئيسية لاستخدام الماء كسائل ناقل للحرارة في أنظمة ديمكس؟

الماء أكثر كفاءة في نقل الحرارة لأنه يمتلك سعة حرارية نوعية أعلى من السوائل الأخرى. كما أن استخدامه في التطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة في المناطق الخالية من الصقيع وخسائر الطاقة الناتجة عن ضخه المنخفضة يجعله سائلًا مفضَّلًا للغاية.

ما المزايا التي تُحقِّقها خليطات البروبيلين غليكول/الماء في المناخات الباردة؟

هذه الخلطات أكثر كثافة من الماء وهي أكثر أمانًا مقارنةً بخيارات إيثيلين جلايكول. وهي خيارٌ مفضَّل في المناطق الباردة بسبب مقاومتها العالية للحرارة المنخفضة وزيادة لزوجتها، لا سيما في أمريكا الشمالية وأوروبا الشمالية.

ما هي الخصائص التي تمتلكها سوائل السيليكون والتي تسمح باستخدامها في التطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة؟

تتميَّز سوائل السيليكون باستقرار حراري استثنائي، ما يسمح باستخدامها في التطبيقات ذات درجات الحرارة المرتفعة، مثل الأنظمة الشمسية الحرارية المركَّزة. علاوةً على ذلك، فإن لسوائل السيليكون ضغوط بخار منخفضة، مما يقلِّل إلى أدنى حدٍ احتمال تفعيل أنظمة التخفيف من الضغط عند أعلى درجات الحرارة.

ما الآثار المترتبة على معايير الاختيار بالنسبة لمناخ المنطقة عند اختيار سائل نقل الحرارة؟

ولتحقيق أقصى قدر من الموثوقية والكفاءة في النظام، يجب استخدام سوائل نقل الحرارة ذات خاصية الحماية من التجمد في المناطق الباردة، بينما يجب استخدام السوائل ذات الاستقرار الحراري العالي في المناطق الحارة.