بعص أنواع المضخات الحرارية الهجينة كما وجدت في الدراسات الحديثة

 المضخة الحرارية الهجينة (مضخة حرارية تعمل بمساعدة الطاقة الشمسية تستخدم لإنتاج الماء الساخن )

من خلال تضمين مضخة حرارية في نظام حراري شمسي، يصبح نظام تسخين المياه أكثر كفاءة لأن السخانات المساعدة المستخدمة حاليًا يمكن استبدالها بمضخة حرارية تستهلك طاقة كهربائية أقل بكثير. دمج المجمعات الحرارية الشمسية ومضخة حرارية في نظام واحد ، والذي يسمى مضخة حرارية  بالطاقة الشمسية (SAHP) ، هي تكنولوجيا واعدة لنظام تسخين المياه ويمكن أن تعزز بشكل كبير أداء هذه الأنظمة.

على الرغم من أنه يمكن تكوين أنظمة SAHP بعدة طرق مختلفة، إلا أنه يمكن تقسيمها عمومًا إلى أنظمة متوازية ومتسلسلة وفقًا لطريقة التفاعل بين المجمعات الشمسية و مكونات المضخة الحرارية.
في نظام SAHP المتوازي، يمكن لوحدات المضخة الحرارية والمجمعات الشمسية توفير الطاقة المفيدة بشكل مستقل لخزانات التخزين الحرارية. يمكن أن يجمع المجمع الحراري الشمسي الطاقة بشكل عام إلى خزانات التخزين الحرارية. وعندما يكون مستوى الإشعاع الشمسي غير كافٍ ، يمكن تشغيل مصدر حرارة إضافي مثل مضخة حرارة مصدرها الهواء أو مبادل حراري أرضي بالتوازي مع المجمع الحراري الشمسي لتحقيق الكمية المطلوبة من الطاقة 

في نظام SAHP التسلسلي ، يمكن أن يعمل المجمع الحراري الشمسي كمصدر حراري لوحدة المضخة الحرارية. يمكن توفير الطاقة الحرارية التي يتم الحصول عليها من المجمع الحراري الشمسي بشكل مباشر أو غير مباشر لمبخر المضخة الحرارية بواسطة وسيط العمل. في نظام SAHP المباشر ، يعمل المجمع الحراري الشمسي كمبخر لمضخة الحرارة نفسها.  سوف تكون موائع نقل الحرارة التي تتدفق عبر المجمع الحراري الشمسي تعمل كمبردات لوحدات المضخات الحرارية. في أنظمة SAHP غير المباشرة ، لا تعمل المجمعات الحرارية الشمسية كمبخرات للمضخة الحرارية، بدلاً من ذلك يتم تنفيذ المضخة الحرارية كوحدة مغلقة في النظام.  مع انخفاض درجة حرارة الهواء المحيط في فصل الشتاء المتجمد ، يقل معامل الأداء (COP)  للمضخة (بمصدر حراري الهواء)  بسبب توفر طاقة أقل لتسخين وسيط التبريد في المبخر. عندما يتم توفير الطاقة الحرارية المتولدة من مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية إلى المبخر ، يمكن لمضخة الحرارة تحقيق أعلى COP نتيجة لارتفاع درجة حرارة الإدخال    .

عند اقتران المجمع الحراري الشمسي مع نظام مضخة حرارية، فإنه يمكن تخفيض درجة حرارة وسيط عمل المجمع الشمسي مما يؤدي إلى زيادة كفاءة المجمع مقارنة بأنظمة تسخين الماء الشمسية العادية. لذلك باقتران المجمع الشمسي الحراري مع مضخة حرارية يمكن تحسين أداء كل منهما كلاً على حدى.

كما ذكر أعلاه ، فإن أنظمة SAHP التقليدية بغض النظر عن أنواعها تحتاج إلى مصدر حرارة إضافي مثل مضخة حرارية (air-source) أو مبادل حراري جوفي أو سخان كهربائي وذلك عندما لا تتمكن مجمعات الطاقة الشمسية من الحصول على الطاقة الكافية في الأيام الملبدة بالغيوم أو في الليل. قد تزداد تكلفة التثبيت لأنظمة SAHP التقليدية نظرًا للمعدات الإضافية اللازمة لتشغيل نظام SAHP في ظل الظروف الجوية السيئة ، تم في أحد الدراسات في كوريا تطوير نظام جديد SAHP مع مجمعات الطاقة الشمسية الهجينة ،بخلاف المجمع الحراري الشمسي المسطح التقليدي ، فإن المجمع الشمسي الهجين يحتوي على جزء مستقبل حراري شمسي وجزء مستقبل مصدره الهواء الذي يمكن أن يعمل كمبادل حراري هوائي عند عدم وجود إشعاع شمسي .

في المجمع الشمسي العادي: تمر أشعة الشمس عبر الزجاج  ويصطدم بالصفيحة الماصة  ، التي ترتفع درجة حرارتها ، وتحول الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية. يتم نقل الحرارة إلى الوسيط العامل الذي يمر عبر أنابيب متصلة بالصفيحة الماصة.

في حين أن المجمّع الحراري الشمسي المسطح التقليدي و المجمع الشمسي الهجين يمتلكان جزء الاستقبال الحراري الشمسي ، فإن المجمع الشمسي الهجين يحتوي أيضًا على جزء مستقبل مصدره الهواء ؛ يشبه الجزء مبادل الزعانف الأنبوبية مع زعانف مستقيمة ويتم تزويد الهواء الخارجي من خلال مراوح مثبتة في المجمع. هذا يسمح للمجمع بالحصول على الطاقة الحرارية حتى لو لم يكن هناك إشعاع شمسي. لذلك ، فإن المجمع الشمسي الهجين لديه ميزة تمديد فترة التشغيل بشكل كبير مقارنة بالمجمعات التقليدية   .

 

مبدأ عمل المجمع الشمسي الهجين:

عند وجود إشعاع شمسي ، يمتص المجمع الحراري الهجين الطاقة الشمسية وتنتقل الحرارة إلى سلسلة من الانابيب الحاوية على وسيط العمل المانع للتجمد والتي تقع خلف الصفيحة الماصة. ثم يقوم وسيط العمل بنقل الحمولة الساخنة إلى الخزان الحراري مباشرة. في هذه الحالة ، يكون نظام SAHP هو نفس نظام الطاقة الشمسية العادي.
عندما لا يكون الإشعاع الشمسي كافيًا لتوليد طاقة حرارية عالية الجودة ، تبدأ وحدة المضخة الحرارية (مائع-مائع) بالعمل والمجمعات الحرارية الهجينة التي تعمل بمثابة مبخر لوحدة المضخة الحرارية تمتص الطاقة ذات درجة حرارة منخفضة من الإشعاع الشمسي  . في هذه الحالة ، يكون نظام SAHP هو نفسه في نظام SAHP غير المباشر من النوع التسلسلي.

عندما لا يوجد إشعاع شمسي في الأيام الملبدة بالغيوم أو في الليل ، تبدأ المراوح المرتبطة يمجمع الطاقة الشمسية الهجين بالعمل ويتم نقل الحرارة من الهواء الخارجي إلى الزعانف المستقيمة وجدار الأنبوب بواسطة الحمل الحراري القسري. أخيرًا ، يتم نقل الحرارة من الأسطح الممتدة إلى وسيط العمل المانع للتجمد. في هذه الحالة ، يعمل جزء المستقبل بمصدر الهواء من المجمع أيضًا كمبخر في وحدة المضخة الحرارية.

مبدأ عمل المضخة الحرارية من النوع DX-SAHPs

وتتكون من مبخر (المجمع الشمسي)، الضاغط، المكثف، صمام التمدد ترتبط مع بعضها لتشكل دارة مغلقة بأنابيب نحاس مملوءة بالمبرد. يصل وسيط العمل (المبرد) من جهاز التمدد إلى المجمع عند ضغط ودرجة حرارة منخفضة ليتبخر في المجمع بواسطة الاشعاع الساقط عليه أو بواسطة الهواء الجوي. يتم ضغطه في الضاغط فترتفع درجة حرارة وضغط البخار المحمص بعدها يدخل في المكثف ويطرح حرارته ليصبح بخار مشبع أو تحت خط الاشباع. يتم خفض ضغطه في المكثف ليصح سائل عند ضغط منخفض ويدخل مجدداً إلى المخبر وهكذا.

استخدامات المضخة الحرارية الشمسية DX-SAHPs:

تسخين الماء: أجرى الباحثون العديد من الدراسات حول استخدام المضخة الحرارية الشمسية ذات التمدد المباشر وتبين أنه يمكن بواسطتها تأمين ليس فقط الماء الساخن المنزلي وإنما الماء للاستخدام التجاري أيضاً وتبين أن درجة حرارة حمل الماء الساخن لم تتجاوز ال 60 درجة مئوية في جميع مشاريع البحث تثريباً وذلك لأن القيمة الموصى بها لدرجات حرارة التكثيف يجب أن لا تتجاوز 60 درجة مئوية لتحقيق أداء نظام مرتفع. وقد يكون هناك ثلاثة أسباب رئيسية لزيادة تطبيقات تسخين الماء ذات درجة الحرارة المنخفضة أولها الأداء الحراري الجيد في كلا المناخين البارد والساخن ومنخفضة التكلفة ولها فوائد كبيرة في توفير الطاقة.

التدفئة :ويمكن تلخيص أنواع أنظمة التدفئة من DX-SAHPs إلى أربعة من حيث وسائط العمل المختلفة للوحدة الداخلية

تصميم حمل حراري (وسيط تبريد – هواء)

تصميم حمل حراري (ماء – هواء)

تصميم بالإشعاع الحراري الأرضي (ماء)

تصميم بالإشعاع الحراري الأرضي (وسيط تبريد)

التقطير:  في أنظمة تحلية الماء هذه يوجد مبخر نحاسي على التوازي مع مجمع الطاقة الشمسية الذي يعمل بالطاقة المحيطة. المبخر الأول مثبت على الجزء العلوي من غرفة تحلية الماء من أجل تكثيف البخار المقطر إلى مياء عذبة يتم تجميعها. والمكثف المثبت على الجزء السغلي من غرفة التحلية يعطي الطاقة الحرارية اللازمة لتبخر مياه التغذية.

تبخير الوقود السائل:

بعض أنواع الوقود الغازي ، مثل غاز البترول والغاز الطبيعي ، لها قيمة اقتصادية ملحوظة ومناسبة للتخزين والنقل بعد أن يتم تسييلها.  يمكن أن يؤدي احتراق أنواع الوقود هذه إلى تقليل انبعاثات ملوثات الهواء بالإضافة إلى التكاليف البيئية مقارنة بالنفط والفحم.  وبالتالي ، فإن غاز البترول المسال والغاز الطبيعي المسال يستخدمان على نطاق واسع كوقود انتقالي أخضر في التطبيقات الصناعية والتجارية والسكنية العالمية. يجب تبخير غاز البترول المسال والغاز الطبيعي المسال إلى طور الغاز قبل استخدامه من قبل مستخدمي المحطة كوقود.