التبريد بامتصاص الطاقة الشمسية أم التبريد بالامتزاز – أيهما أكثر كفاءة؟

1. الاختلاف الجوهري في مبادئ العمل

يعتمد التبريد بامتصاص الطاقة الشمسية على علاقة الذوبان الفيزيائية والكيميائية بين مادة ماصة سائلة ومبرد لدفع الدورة. يذوب المبرد في المادة الماصة لتكوين محلول، والذي يتم بعد ذلك تسخينه في المولد بواسطة الطاقة الحرارية الشمسية. يتبخر سائل التبريد وينفصل، ثم يخضع للتكثيف والتمدد والتبخر لإنتاج التبريد. يتم بعد ذلك إعادة امتصاص بخار سائل التبريد ذو الضغط المنخفض بواسطة المادة الماصة، مما يكمل دورة كاملة. تحدث العملية برمتها بشكل مستمر بين مرحلتي السائل والبخار - وهذا هو دورة مستمرة ثابتة .

يستخدم التبريد بالامتزاز الشمسي خصائص الامتزاز الفيزيائي والامتزاز الحراري لمادة ماصة صلبة لقيادة الدورة. يلتقط الممتز بخار مادة التبريد عند درجات حرارة منخفضة، مما ينتج عنه تأثير التبريد. تقوم الطاقة الحرارية الشمسية بعد ذلك بتسخين المادة المازة، مما يؤدي إلى الامتزاز - حيث يتم إطلاق بخار مادة التبريد، ويدخل إلى المكثف، ويسيل للتجديد. ونظرًا لأن المواد المازة الصلبة لا يمكنها التدفق بشكل مستمر بالطريقة التي تتدفق بها السوائل، فإن الامتزاز والامتزاز يتناوبان داخل نفس طبقة الامتزاز. هذا هو دورة شبه ثابتة متقطعة .

يؤدي هذا التمييز الأساسي إلى الاختلاف بين نوعي النظام من حيث الاستمرارية التشغيلية، وهيكل المعدات، ومنهجية التحكم.

2. مقارنة عملية الدورة الديناميكية الحرارية

دورة المراحل الأربع للتبريد بامتصاص الطاقة الشمسية

تتكون الدورة الديناميكية الحرارية القياسية لنظام التبريد بامتصاص الطاقة الشمسية من أربع عمليات أساسية:

الجيل: يتم تسخين المحلول المخفف في المولد بواسطة الماء الساخن بالطاقة الشمسية - عادةً ما يتراوح بين 80 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية للأنظمة أحادية التأثير. يتبخر مادة التبريد، ويرتفع تركيز المحلول ليشكل محلولًا مركزًا.

التكثيف: يدخل بخار مادة التبريد ذات درجة الحرارة العالية والضغط العالي إلى المكثف، ويطلق الحرارة إلى ماء التبريد أو الهواء، ويسيل إلى سائل تبريد عالي الضغط.

التبخر: يمر سائل التبريد عبر صمام التمدد، وينخفض الضغط، ويدخل إلى المبخر. وفي ظل ظروف الضغط المنخفض ودرجات الحرارة المنخفضة، فإنه يمتص الحرارة ويتبخر - وهذه هي المرحلة الأساسية حيث ينتج النظام تأثير التبريد.

الامتصاص: يدخل بخار التبريد منخفض الضغط إلى جهاز الامتصاص، حيث يتم امتصاصه بواسطة المحلول المركز بينما يطلق الحرارة في نفس الوقت إلى وسط التبريد. تتم إعادة تخفيف المحلول وضغطه بواسطة مضخة المحلول وإعادته إلى المولد لإكمال الدورة.

في أنظمة الماء وبروميد الليثيوم، يعمل الماء كمبرد وبروميد الليثيوم كمادة ماصة. تعمل الدورة تحت ظروف الضغط السلبي، مع حد أدنى لدرجة حرارة التبريد أعلى من 0 درجة مئوية، مما يجعلها مناسبة تمامًا لأعمال تكييف الهواء. تستخدم أنظمة مياه الأمونيا الأمونيا كمبرد، ويمكنها تحقيق درجات حرارة تبريد أقل من الصفر، مما يوفر نطاقًا أوسع من التطبيقات - على الرغم من أن ذلك على حساب ضغوط تشغيل النظام الأعلى ومتطلبات الإغلاق الأكثر صرامة.

الدورة المتناوبة المكونة من سريرين للتبريد بامتصاص الطاقة الشمسية

يستخدم نظام التبريد بالامتزاز القياسي سريرين من الامتزاز يعملان بالتناوب لتوفير ناتج تبريد شبه مستمر:

مرحلة التبريد الامتزاز: يتم الحفاظ على سرير امتصاص واحد عند درجة حرارة منخفضة. تعمل المادة المازة الصلبة — عادة هلام السيليكا — على امتصاص بخار مادة التبريد من المبخر بشكل مستمر. يتبخر سائل التبريد تحت ظروف الضغط المنخفض ودرجة الحرارة المنخفضة داخل المبخر، ويمتص الحرارة وينتج التبريد.

مرحلة امتصاص التسخين: يقوم الماء الساخن بالطاقة الشمسية بتسخين طبقة الامتزاز المشبعة. مع ارتفاع درجة حرارة المادة المازة، يتم امتصاص كميات كبيرة من بخار مادة التبريد وإطلاقها في المكثف، حيث تسيل. يتم بعد ذلك توسيع سائل التبريد وإعادته إلى المبخر، لتحضير النظام لدورة الامتزاز التالية.

عملية استعادة الحرارة: تتضمن أنظمة الامتزاز عالية الأداء مولدًا للحرارة يقوم بتبادل الطاقة الحرارية بين الطبقة ذات درجة الحرارة المرتفعة التي تخضع للامتزاز والطبقة ذات درجة الحرارة المنخفضة في مرحلة الامتزاز. وهذا يقلل من متطلبات مدخلات الحرارة الإجمالية ويحسن COP. يعد تصميم استرداد الحرارة أحد استراتيجيات تحسين الكفاءة الرئيسية في أنظمة التبريد بالامتزاز.

تتراوح فترة التبديل بين السريرين المتناوبين عادةً بين عدة دقائق وعدة عشرات من الدقائق. يظهر ناتج التبريد درجة من التقلب أثناء التبديل - وهي خاصية تشغيلية مميزة تميز أنظمة الامتزاز عن الدورة المستمرة لأنظمة الامتصاص.

3. مطابقة درجة حرارة القيادة ومجمع الطاقة الشمسية

تعد درجة حرارة مصدر الحرارة الدافعة واحدة من أهم العوامل في اختيار نظام تكييف الهواء الذي يعمل بالطاقة الشمسية.

يتطلب التبريد بامتصاص الطاقة الشمسية درجة حرارة قيادة أعلى نسبيًا. الحد الأدنى لدرجة حرارة القيادة لمبرد بروميد الليثيوم أحادي التأثير هو حوالي 75 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية، بينما تتطلب الوحدات ذات التأثير المزدوج 150 درجة مئوية أو أكثر. يتطلب التشغيل المستقر عادةً مجمعات الأنابيب المفرغة أو المجمعات المركزة مثل المركزات المكافئة المركبة (CPC). تؤدي درجات حرارة القيادة المرتفعة إلى رفع ضغط التبخر في المولد وتحسين كفاءة الدورة. تحقق الأنظمة ذات التأثير المزدوج COP من 1.0 إلى 1.2، وهو أعلى بكثير من الأنظمة ذات التأثير الفردي عند 0.6 إلى 0.8.

يعمل التبريد بامتصاص الطاقة الشمسية عبر نطاق درجة حرارة قيادة أقل. يعمل زوج العمل من هلام السيليكا والماء بفعالية عند درجة حرارة 60 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية، مما يتوافق بشكل مباشر مع نطاق درجة حرارة التشغيل لمجمعات الطاقة الشمسية ذات الألواح المسطحة - ولا يلزم وجود معدات تجميع ذات درجة حرارة عالية. تمنح هذه الخاصية أنظمة الامتزاز قدرة أكبر على التكيف في المناطق ذات الإشعاع المعتدل أو أثناء التشغيل في فصل الشتاء. يتطلب زوج العمل من الزيوليت والماء درجة حرارة قيادة أعلى قليلاً من 100 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية ولكنه يحقق امتصاصًا أكثر اكتمالاً، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات ذات جودة أعلى لمصادر الحرارة. يمكن تشغيل زوج العمل من الكربون والميثانول المنشط عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 50 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية، على الرغم من أن سمية الميثانول وقابليته للاشتعال تفرض متطلبات تصميم مانعة للتسرب والسلامة أكثر تطلبًا.

4. نظام COP وأداء كفاءة الطاقة

وفي ظل ظروف تجميع الطاقة الشمسية المكافئة، يُظهر نوعا النظام اختلافات قابلة للقياس في أداء الطاقة.

عادةً ما تحقق مبردات امتصاص بروميد الليثيوم ذات التأثير الواحد COP الحراري من 0.6 إلى 0.8، في حين أن الوحدات ذات التأثير المزدوج يمكن أن تتجاوز 1.0. ومع ذلك، تتطلب الأنظمة ذات التأثير المزدوج مصفوفات مجمعة أكبر بكثير واستثمارًا أعلى في المعدات المساعدة. يقع إجمالي COP الشمسي - وهو ما يمثل كفاءة المجمع - في نطاق 0.3 إلى 0.5.

عادةً ما توفر أنظمة امتصاص هلام السيليكا للماء COP الحراري من 0.4 إلى 0.6، وهو أقل من أنظمة الامتصاص. نظرًا لأنها متوافقة مع المجمعات المسطحة ذات درجة الحرارة المنخفضة، فإن كفاءة المجمع مرتفعة نسبيًا، والاستخدام العام للطاقة الشمسية يمكن مقارنته بأنظمة الامتصاص أحادية التأثير. إن إدخال المواد الممتزة المتقدمة - بما في ذلك مواد الزيوليت والإطار المعدني العضوي (MOF) AQSOA - يعمل على سد فجوة COP تدريجيًا. وقد تجاوزت بعض النتائج المختبرية لهذه المواد بالفعل 0.8.

5. هيكل النظام وخصائص الصيانة

تشتمل أنظمة التبريد بامتصاص الطاقة الشمسية على مكونات متعددة بما في ذلك مضخة المحلول، والمولد، والممتص، والمكثف، والمبخر، والمبادل الحراري. تعتبر بنية النظام معقدة نسبيًا، مع متطلبات صارمة لنقاء سوائل العمل وإحكام تسرب النظام. يحمل محلول بروميد الليثيوم خطر التبلور والتآكل عند درجات حرارة عالية أو عند ملامسته للهواء، مما يتطلب مراقبة التركيز بشكل دوري وتجديد مثبط التآكل. تتطلب الصيانة موظفين فنيين مؤهلين.

تم بناء أنظمة التبريد بامتصاص الطاقة الشمسية حول أسرة امتزاز صلبة كمكوناتها الأساسية. لا توجد دائرة ضخ السوائل العاملة، ولا يحتوي النظام على أجزاء متحركة باستثناء مراوح التبريد. وينتج عن ذلك نظام بسيط من الناحية الهيكلية وموثوق به ميكانيكيًا مع معدلات فشل منخفضة وأعباء أعمال صيانة منخفضة. وتتمثل المقايضة في أن حجم طبقة الامتزاز كبير نسبيًا، حيث يكون وزن النظام وبصمة القدم أكبر عادةً من وحدات الامتصاص ذات قدرة التبريد المكافئة. ويجب تقييم القيود المفروضة على المساحة بعناية في مرحلة تخطيط المشروع.

6. سيناريوهات التطبيق وحالات الاستخدام الهندسي

تتمتع مبردات امتصاص الطاقة الشمسية ببروميد الليثيوم بسجل حافل في المباني التجارية الكبيرة والفنادق والمستشفيات والمرافق الصناعية. تمتد المنتجات المتاحة تجاريًا بقدرات التبريد من عشرات الكيلووات إلى عدة ميجاوات. إلى جانب حقول تجميع الطاقة الشمسية المركزية، يمكن لهذه الأنظمة توفير إمدادات التبريد على مستوى المنطقة وتمثل حاليًا التكنولوجيا السائدة في مشاريع تبريد المناطق بالطاقة الشمسية.

تعد مكيفات الهواء التي تعمل بامتصاص الطاقة الشمسية أكثر ملاءمة للمباني الصغيرة والمتوسطة الحجم، وتطبيقات التبريد الموزعة، وحالات الاستخدام التي تعطي الأولوية لموثوقية النظام وانخفاض الصيانة - مثل محطات الاتصالات الأساسية والمرافق الطبية في المواقع خارج الشبكة. مع استمرار تقدم أداء المواد الممتزة وانخفاض تكاليف النظام، تتزايد بشكل مطرد القدرة التنافسية لتكييف الهواء بامتصاص الطاقة الشمسية في التطبيقات السكنية والتجارية الصغيرة.

تحتل كل من تقنيات التبريد بامتصاص الطاقة الشمسية وامتصاص الطاقة الشمسية مواقع متميزة ومتكاملة في سوق مكيفات الهواء الشمسية الأوسع. يتم تحديد الاختيار بين الاثنين في نهاية المطاف من خلال جودة موارد الطاقة الشمسية المتاحة، وحجم أحمال المبنى، وظروف المساحة، وهيكل تكلفة دورة الحياة الإجمالية لكل مشروع محدد.