التبريد بالطاقة الشمسية

الهدف من نظام التبريد الشمسي هو استخدام الطاقة الشمسية لتكييف المباني. يعتبر هذا النظام بديلاً ومستداماً وصديقاً للبيئة مقارنة مع أنظمة التكييف التقليدية. حيث زاد الاهتمام في تكييف الهواء باستخدام الطاقة الشمسية على مدى السنوات ال 10 الماضية فكان عدد منشآت التبريد الشمسية المركبة حتى عام 2014 في العالم 1200 نظام.

يمكن استخدام الطاقة الشمسية لإنتاج التأثير التبريدي باستخدام عمليات التبريد المدفوعة إما كهربائياً أو حرارياً.

تعتمد تقنية التبريد الشمسي والمدفوعة كهربائياً على استخدام مبردات ضاغطة بخارية ذات معامل أداء مرتفع (COPe≈4–6) متصلة بالألواح الكهروضوئية الشمسية. حيث تعتبر هذه التقنية بسيطة نسبياً لأنها ذات صيانة منخفضة ومناسبة للتطبيقات الصغيرة. وعلى الرغم من انخفاض سعر الألواح الشمسية الكهروضوئية بشكل كبير في السنوات الأخيرة فإن ارتفاع تكلفة بطاريات التخزين تحد من استخدام هذه التقنية إلى الساعات المشمسة. وبدون بطاريات ، قد يلزم وجود نظام تخزين منفصل (أي تخزين في الماء الساخن / البارد) لتغطية عدم التوافق بين الطاقة الشمسية المتاحة واحمال البناء. بالإشارة إلى أنه بالنسبة إلى نظام تبريد بمعامل أداء عالي، يلزم سعة تخزين حرارية تبلغ 4 إلى 6 أضعاف لتلبية قدرة نظام التخزين الكهربائي (على سبيل المثال  COPe≈4–6.
قد تكون تكاليف الاستثمار لمبردات ضاغطة بخارية بالطاقة الشمسية عالية بسبب الحاجة إلى مضخة حرارية كهربائية إضافية لتغطية حمل التدفئة في الشتاء.
وفقًا للدراسات الحديثة ، فإن إجمالي تكاليف التبريد لأنظمة التبريد الكهروضوئية الشمسية ليست تنافسية بدون وجود المعرفة تعريفية لفائض الكهرباء المشتقة من الألواح الكهروضوئية. حالياً متوسط كفاءة التحويل من معظم الألواح الكهروشمسية المتوفرة تجارياً منخفضة نسبياً 10-15% وهذا يقلل من الكفاءة الاجمالية لأنظمة التبريد الشمسية المدفوعة كهربائياً. والكفاءة الإجمالية لتحويل الشمس إلى تبريد في هذه الأنظمة هي 40-90%.

التبريد الحراري الشمسي :

تقوم المجمعات الشمسية الحرارية بتحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة تستخدم في جهاز تبريد حراري فعال وإنتاج الماء البارد أو الهواء المكيف واستخدامه في المباني. وبمقارنة أنظمة التبريد المدفوعة حرارياً مع المبردات الضاغطة البخارية والمدفوعة كهربائياً نجد أنه لديها معامل اداء أقل (0.6-1.8) ولكن كفاءة أعلى للمجمع الحراري (35-70%) وبالتالي تكون الكفاءة الإجمالية للنظام بين 35-80% أي تقع تقريباً في نفس نطاق كفاءة الأنظمة المدفوعة بالألواح الكهروشمسية.

إن أنظمة التبريد المدفوعة حرارياً يمكن أن تكون متكاملة مع التخزين الحراري (وذلك في أقل تكلفة من حالة البطاريات) ويمكن أن تكون بأداء ممتاز من خلال تصميم مزدوج لتلبية احتياجات التدفئة في المبنى.

يعتبر التخزين الحراري على وجه الخصوص ميزة كبيرة لهذه الأنظمة مقارنة مع HVAC التقليدي حيث يخفف أحمال الذروة على الشبكة.

أيضاً لا يوجد ضاغط ضمن هذه الأنظمة ولذلك تتميز بانخفاض الاهتزاز ومستوى الضجيج. وحتى الوقت الحالي يتم تشغيل معظم أنظمة تكييف الهواء الشمسية عن طريق الحرارة الشمسية.

تمثل هذه الأنظمة حلاً للمناطق التي تتطلب التدفئة و التبريد على مدار العام وتزيد من كفاءة النظام واقتصاديته بالمقارنة مع الأنظمة التي تنتج التبريد أو التدفئة فقط.

لا يتم استخدام أنظمة التبريد الحرارية الشمسية بشكل ملحوظ في المقاييس السكنية الصغيرة مثل 5- 15 كيلوواط لأنها تكون أعلى سعرا مقارنة بأنظمة التكييف المنفصلة المتصلة مع الشبكة بينما تكون في التطبيقات الكبيرة (أكبر من 50 كيلوواط ) أكثر اقتصادية.

التقنيات المتوفرة من أنظمة التبريد الشمسية المدفوعة حرارياً:

1.  أنظمة التبريد التجفيفي DESICCANT COOLING SYSTEM
   تستخدم دورة التبريد التجفيفية مادة سائلة أو صلبة لتجفيف الماء من تيار الهواء القادم باستخدام الحرارة كمصدر تشغيل. ثم يتم رش الماء في تيار الهواء المجفف الناتج وبالتالي خفض درجة حرارته وتوفير الأثر التبريدي (التبريد التبخيري). وبالرغم من قلة عدد الموردين لهذه النظم إلا أنه يتم استخدامها على نطاق واسع في بعض التطبيقات الخاصة مثل محلات السوبر ماركت و المناخات الساخنة والرطبة حيث توفر القدرة على التحكم في رطوبة الهواء بشكل مستقل فوائد اضافية. 

   

   
   
    
2.  دورة التبريد الادمصاصية (الامتزازية) ADSORPTION COOLING CYCLE
   وتعتمد على ظاهرة الامتزاز بين بخار وسيط التبريد و المادة الصلبة المازة لتحقيق التأثير التبريدي. عند التسخين، تمتص المادة الصلبة البخار وترفع ضغط الوعاء الذي يحتوي على البخار. وبالتالي يحل الضاغط الحراري محل الضاغط الميكانيكي التقليدي. وبالرغم من أن هناك عدداً محدوداً من مصنعي آلات التبريد الادمصاصية، إلا أن هذه التقنية تعتبر قادرة على العمل بشكل جيد مع المصادر الحرارية المنخفضة درجة الحرارة و أكثر ملائمة للتشغيل مع أبراج التبريد الجافة (DRY COOLING TOWER). ومع ذلك تعتبر عموماً ثقيلة وكبيرة الحجم ومكلفة نسبياً ولاسيما في التطبيقات الكبيرة.
   

   
3.  دورة التبريد الامتصاصية ABSORPTION
   يقوم الممتص بامتصاص بخار وسيط التبريد من أجل ضغطه حرارياً وبالتالي إنتاج التأثير التبريدي. حيث تعتبر هذه الأنظمة متاحة تجارياً منذ سنوات وتعتبر ناضجة وموثوقة وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة مقارنة بعمليات التبريد الحرارية الأخرى، أي كمية الحرارة المطلوبة لتحقيق كمية معينة من التبريد تكون أقل. بالإضافة إلى أنها متاحة للاستخدام في التطبيقات الواسعة النطاق وتكلفتها أقل من أنظمة التبريد الحرارية الأخرى.
   وبالتالي يتم النظر في هذه التقنية كأفضل طريقة للتبريد الحراري الشمسي ومن المتوقع أن تنافس أنظمة تكييف الهواء التقليدية في المستقبل القريب. ومع ذلك فإن ألات التبريد الامتصاصية المشغلة بالطاقة الشمسية ليست بعد متاحة تجارياً على نطاق واسع  والسبب الرئيسي في ذلك هو ارتفاع التكلفة الأولية للحقل الشمسي وتعقيد النظام. وبالتالي هناك حاجة إلى مزيد من البحوث لتقييم كفاءة الطاقة و الموثوقية والقدرة التنافسية من حيث التكلفة لهذه التقنية مقارنة بأنظمة HVAC النموذجية.
   
   
   
   
   
4. دورة التبريد بالفراغ EJECTOR COOLING CYCLE
   وهي نفس مبدأ عمل آلة التبريد الضاغطة البخارية التقليدية، ولكنها تستخدم القاذف-  وهو ضاغط حراري يتكون من فوهة فوق صوتية وغرفة مزج و ناشر- لضغط وسيط التبريد بدلاً من الضاغط الميكانيكي المدفوع بالكهرباء. هذا ويتطلب النفاث حرارة كمصدر تشغيل من أجل رفع ضغط وسيط التبريد. وحتى الوقت الحالي لم تستخدم هذه التقنية على نطاق واسع بسبب الكفاءة المنخفضة نسبياً.