كشفت دراسة عددية حديثة أن تخصيص كتل متساوية من مواد تغيير الطور (PCM) عبر مراحل نظام التخزين الحراري المتتالي (Cascaded) يحقق أعلى كفاءة طاقة ذهابًا وإيابًا (Round-trip) لتطبيقات تجفيف المحاصيل بالطاقة الشمسية. أجرى الدراسة الباحثون ماري سالي كاباسا، وصافينا بيرا، وبيتر توموتيجيريزي، ونُشرت في دورية "ديسكفر إنرجي" (Discover Energy) عام 2026.
تفاصيل المحاكاة والنموذج المعتمد
اعتمدت الدراسة على محاكاة العناصر المحدودة باستخدام برنامج "كومسول مولتيفيزكس 6.1" (COMSOL Multiphysics 6.1)، ونمذجت وحدة تخزين حراري معبأة بأسطوانات من الفولاذ المقاوم للصدأ بارتفاع نشط 0.9 متر وقطر 0.4 متر، تستوعب نحو 33 كيلوغرامًا من ثلاث مواد تجارية عضوية لتغيير الطور: PCMCOOL-BIO48 (نقطة انصهار 48°م)، وPCMCOOL-BIO38 (38°م)، وPCMCOOL-NP28 (28°م). استُخدم الماء السائل كسائل نقل حرارة، وصُمم النظام لتلبية متطلبات تجفيف 0.5 كيلوغرام من الفطر عالي الرطوبة (من 90% إلى 10% رطوبة) خلال 12 ساعة ليلية، مع الحفاظ على درجة حرارة هواء بين 40 و50 درجة مئوية.
مقارنة تكوينات توزيع الكتلة
قُيمت أربع تكوينات لتوزيع الكتلة عند معدل تدفق ثابت 1.5 لتر/دقيقة: ثلاث تكوينات غير منتظمة (C وD وF) بتوزيعات كتل متفاوتة، وتكوين أساسي منتظم (G) بتوزيع متساوٍ 11 كيلوغرامًا لكل مرحلة. أظهرت النتائج أن التكوين المنتظم (G) حقق أعلى كفاءة ذهابًا وإيابًا بلغت 50.44%، وحافظ على درجات حرارة التجفيف المستهدفة لنحو 0.9 ساعة، مع أعلى طاقة مُفرغة (21.632 ميجاجول) وكفاءة تفريغ 97.92%.
أداء الطاقة والإكسيرجي
في المقابل، حقق التكوين D (المهيمن على مادة PCM3 منخفضة الحرارة) أعلى طاقة مخزنة (10.007 ميجاجول) وأعلى كفاءة شحن (51.75%)، لكنه سجل أقل طاقة مُفرغة (20.550 ميجاجول) وأقل كفاءة تفريغ (91.37%)، مع بقاء درجة حرارة السائل الخارج بالقرب من 24°م بعد 3 ساعات. أما التكوين C (المهيمن على مادة PCM1 عالية الحرارة) فسجل أعلى إكسيرجي مخزن (1,453,418 جول) ومُسترد (1,025,043 جول)، محققًا كفاءة تخزين إكسيرجي 61.17% وكفاءة إكسيرجي كلية 43.14%، متفوقًا بنسبة 17.2% على التكوين D.
دلالات عملية لتحليل ما بعد الحصاد
أكدت الدراسة أن تخزين الحرارة عند درجات حرارة أعلى يمتلك إمكانات ترموديناميكية أكبر، وأن الكتلة الكلية للطاقة المخزنة لا ترتبط مباشرة بتوصيل الحرارة النافعة عند درجات التجفيف المستهدفة. أوصى تحليل الحساسية بزيادة التوصيل الحراري لمواد تغيير الطور لتسريع الشحن والتفريغ وزيادة الإكسيرجي المسترد. كما أظهر تحليل القرار متعدد المعايير أن التكوينين G وC حصلا على أعلى درجة ملاءمة (0.97) للتجفيف الليلي الممتد.
قيود النموذج وتوصيات مستقبلية
أشار الباحثون إلى أن النموذج ثنائي الأبعاد أغفل تشوهات التدفق ثلاثية الأبعاد، واعتمد افتراضات اقتران بين الكتلة والمسامية، مؤكدين ضرورة التحقق التجريبي الفعلي للتصميم المقترح. وتكتسب هذه النتائج أهمية خاصة للمجتمعات الزراعية الاستوائية حيث لا يزال التجفيف الشمسي المفتوح هو الوسيلة الرئيسية للحفظ، فيما تتسبب فترات التجفيف الطويلة في خسائر ما بعد الحصاد تقدر بنحو 37% من قيمة المحصول الإجمالية، أي حوالي أربعة مليارات دولار سنويًا في أفريقيا جنوب الصحراء.