التحقيق واقتراح نظام ثلاثي توليد جديد يعمل بالطاقة الشمسية للتدفئة والتبريد وتوليد الطاقة بدرجة أكبر من الصداقة البيئية

لماذا تحويل ضوء الشمس إلى راحة أمر مهم

يتطلب الحفاظ على راحة منازلنا ومكاتبنا ومستشفياتنا قدراً كبيراً من الطاقة، ومعظمها لا يزال يعتمد على الوقود الأحفوري الذي يسخن الكوكب ويلوث الهواء. وفي الوقت نفسه، تَسْكب الشمس كميات هائلة من الطاقة النظيفة على أسطحنا وشوارعنا يومياً. تستكشف هذه الدراسة طريقة جديدة للاستفادة من تلك الطاقة الشمسية بحيث يمكن لنظام شمسي واحد أن يوفر ثلاث خدمات أساسية للمباني في آن واحد: الكهرباء والتدفئة والتبريد. من خلال استخلاص المزيد من الطاقة المفيدة من كل شعاع شمس، يهدف التصميم المقترح إلى تقليل الفاقد وخفض الانبعاثات وتقليل اعتمادنا على محطات الطاقة التقليدية.

برج شمسي واحد، ثلاث خدمات مفيدة

قلب الترتيب المقترح هو برج شمسي محاط بمرآيا تتبع الشمس وتعكس ضوئها نحو مستقبل في القمة. داخل هذا المستقبل، يستخدم الباحثون أنابيب لولبية ملتفة بإحكام ذات أضلاع داخلية صغيرة، مملوءة بزيت ناقل حراري خاص يُدعى Syltherm 800. عند تسليط ضوء شمسي مركز على المستقبل، يسخن الزيت داخل هذه الأنابيب الملفوفة بشكل حاد. بدلاً من استخدام هذا الزيت الساخن لمهمة واحدة فقط، يقوم النظام بتوجيه الحرارة إلى ترتيب مشترك يمكنه توليد الكهرباء، وإنتاج ماء مبرد للتبريد، وتوفير ماء ساخن أو بخار للتدفئة، كلها في الوقت نفسه. بعبارة أخرى، يقود ضوء الشمس نفسه منشأة "توليد ثلاثي" مكرسة لخدمة احتياجات المباني.

حلقات مخفية تحول الحرارة إلى طاقة وتبريد

لتحويل هذه الحرارة الملتقطة إلى خدمات مفيدة، يعتمد النظام على حلقتين مترابطتين. الأولى هي حلقة توليد طاقة تعرف بدورة كالينا، التي تستخدم مزيجاً من الأمونيا والماء الذي يغلي ويتكثف عبر نطاق من درجات الحرارة. هذا يسمح لها أن تتوافق جيداً مع حرارة الشمس وتستخلص عملاً أكثر من درجات الحرارة المعتدلة مقارنة بدورات البخار التقليدية. ينقل الزيت الساخن من المستقبل طاقته إلى هذا المزيج، الذي يتمدد بعد ذلك عبر توربين لإنتاج طاقة ميكانيكية يمكن تحويلها إلى كهرباء. بعد ذلك، لا يزال السائل العامل المبرد جزئياً يحمل حرارة كافية لإعادة استخدامها بدلاً من إهدارها.

الحلقة الثانية هي دورة تبريد بالامتصاص تستخدم أيضاً مزيج الأمونيا–الماء، لكنها مرتبة بحيث تؤدي الحرارة، بدلاً من الكهرباء، عملية التبريد. يُرسل بعض السائل الدافئ الخارج من حلقة التوليد إلى مولد يفصل بخار الأمونيا عن المحلول. عند إعادة امتصاص هذا البخار لاحقاً، يقوم بسحب الحرارة من تيار منفصل، محدثاً تأثير تبريد مناسب للتكييف أو التخزين البارد. يمكن توجيه أي حرارة متبقية عبر مسخن عمليات لتوفير دفء مفيد للمياه الساخنة أو الاحتياجات الصناعية. معاً، تضمن هاتان الحلقات أن حرارة الشمس ذات درجة الحرارة العالية تقوم أولاً بأثمن مهمة—توليد الطاقة—ثم تتدرج لتلبية مهام التبريد والتدفئة.

كيف تعزز تعديلات التصميم الأداء

يستخدم الباحثون محاكاة حاسوبية لاختبار كيف تؤثر اختيارات التصميم على أداء النظام. يركزون على شكل الأنابيب الملفوفة في المستقبل، وكثافة ضوء الشمس الوارد، وظروف التشغيل داخل حلقات التوليد والتبريد. يجدون أن استخدام أضلاع داخلية أصغر في الملفات الحلزونية، جنباً إلى جنب مع ضوء شمس قوي، يرفع درجة حرارة مخرج الزيت بشكل حاد—بنسبة تقارب 40 بالمئة في حالة مواتية—دون فرض عقوبات ضغط كبيرة. تؤدي درجات حرارة الزيت الأعلى بدورها إلى زيادة الطاقة المنتجة بواسطة التوربين، والدفء المقدم للمستخدمين، وسعة التبريد لوحدة الامتصاص. عند زيادة شدة ضوء الشمس المباشر من مستوى متوسط إلى مستوى عالٍ، يرتفع الناتج المفيد الكلي لنظام التوليد الثلاثي من نحو 145 كيلوواط إلى أكثر من 200 كيلوواط، كما تتحسن كل من كفاءة الطاقة والكفاءة الأكثر تطلباً (الإكسيرجية).

تحديد مصادر فقدان الطاقة

ليس كل الطاقة الشمسية الواردة يمكن تحويلها إلى خدمات مفيدة؛ فبعضها لا مفر من تحلله أو فقدانه. لفهم أين تحدث أكبر الخسائر، يجري المؤلفون تحليل إكسيرجي، الذي يتتبع ليس فقط كمية الطاقة المتدفقة عبر النظام، بل مقدار تلك الطاقة التي لا تزال قادرة على أداء عمل. يكتشفون أن المستقبل المركزي على قمة البرج هو أكبر مصدر فردي لفقدان الجودة، يليه حقل المرايا والمُسخن الفائق الذي ينقل الحرارة من الزيت إلى السائل العامل. تنشأ هذه الخسائر أساساً من فروق درجات الحرارة بين التيارات الحارة والباردة ومن تسرب الحرارة إلى المحيط. من خلال تضييق هذه الفجوات الحرارية وتحسين تصميمات المستقبل والفاصل، يجادل المؤلفون بأن نسخاً مستقبلية من النظام يمكنها استخراج طاقة وتدفئة وتبريد مفيدين أكثر من نفس ضوء الشمس.

ماذا يعني هذا للمباني الأنظف

بمصطلحات يومية، تُظهر الدراسة أن برجاً شمسياً مصمماً بعناية يمكن أن يعمل كمركز طاقة مدمج، يقدم الكهرباء والتكييف والتدفئة للمباني باستخدام ضوء الشمس فقط وسباكة ذكية. في ظروف شمسية واقعية، تقف كفاءتا النظام الإجمالية في الطاقة والإكسيرجي على قدم المساواة مع، وأحياناً أفضل قليلاً من، مفاهيم توليد ثلاثي شمسي متقدمة أخرى مذكورة في الأدبيات. وعلى الرغم من أن العمل قائم على محاكاة مفصلة أكثر من كونه تجارب على نطاق كامل، إلا أنه يشير إلى مسار عملي لاستبدال الغلايات المبنية على الوقود الأحفوري والمبردات وشبكات الطاقة المنفصلة بحل شمسي متكامل يستفيد بشكل أفضل من كل فوتون يتم التقاطه.

الاستشهاد: Alsharif, A.M., Khaliq, A., Hussein, E. et al. Investigation and proposal of a novel solar-powered trigeneration system for more environmentally friendly heating, cooling, and power generation. Sci Rep 16, 12871 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41098-x

الكلمات المفتاحية: توليد ثلاثي بالطاقة الشمسية, أنظمة طاقة المباني, الطاقة الشمسية المركزة, التدفئة والتبريد الشمسي, دورة كالينا