חקירה והצעה של מערכת טריגנרציה סולרית חדשנית לחימום, קירור והפקת חשמל ידידותיים יותר לסביבה

מדוע המרת אור שמש לנוחות חשובה

שמירה על נוחות בבתינו, במשרדים ובבתי חולים גובה אנרגיה רבה, שרובה עדיין מגיעה מדלקים מאובנים שמחממים את כוכב הלכת ומזהמים את האוויר. ובאותה עת השמש שופכת כמויות עצומות של אנרגיה נקייה על גגותינו ועל רחובות הערים מדי יום. מחקר זה בוחן דרך חדשה לניצול אותו אור שמש כך שמערכת סולרית אחת תספק שלוש שירותים חיוניים לבניינים בו‑זמנית: חשמל, חימום וקירור. על ידי הוצאת יותר אנרגיה שימושית מכל קרן שמש, העיצוב המוצע שואף להפחית בזבוז, להקטין פליטות ולהפחית את התלות בתחנות כוח קונבנציונליות.

מגדל שמש אחד, שלוש תועלות שימושיות

הליבה של ההתקנה המוצעת היא מגדל סולארי מוקף במראות העוקבות אחר השמש ומשקפות את אורו אל קולב בראש המגדל. בתוך הקולב משתמשים החוקרים בצינורות סליליים צפופים בעלי ребים פנימיים קטנים, הממולאים בנוזל מעבר חום מיוחד בשם Syltherm 800. כאשר אור שמש מרוכז פוגע בקולב, השמן בתוך הצינורות הסליליים מתחמם במהירות. במקום להשתמש בשמן החם למשימה אחת בלבד, המערכת מנתבת את החום לסידור משולב שיכול להפיק חשמל, לייצר מים מקוררים לקירור, ולספק מים חמים או קיטור לחימום — כל זאת במקביל. במילים אחרות, אותו אור שמש שנתפס מניע תחנת "טריגנרציה" המוקדשת לצרכים של מבנים.

לופים נסתריים שהופכים חום לחשמל ולקירור

כדי להמיר את החום הנלכד לשירותים שימושיים המערכת נשענת על שני לופים מקושרים. הראשון הוא לופ להפקת כוח הידוע כמחזור קלינה, המשתמש בתערובת אמוניה־מים הרותחת ומתעבת בטווח טמפרטורות רחב. זה מאפשר לו להתאים היטב לחום הסולארי ולחלץ יותר עבודה מטמפרטורות מתונות יחסית מאשר מחזורי קיטור מסורתיים. שמן חם מהקולב מעביר את אנרגייתו לתערובת זו, שמתפשטת לאחר מכן דרך טורבינה להפיק כוח מכני שניתן להמירו לחשמל. לאחר מכן, נוזל העבודה שהתקרר חלקית עדיין נושא מספיק חום כדי לשמש שוב במקום להיות מבוזבז.

הלופ השני הוא מחזור קירור בספיחה שגם הוא משתמש בתערובת אמוניה–מים, אך מסודר כך שהחום, ולא החשמל, מניע את תהליך הקירור. חלק מהנוזל החם היוצא מלופ הכוח נשלח לגנרטור שמפריד קיטור אמוניה מהפתרון. כאשר הקיטור הזה נספג מחדש, הוא סופח חום מזרם נפרד ויוצר אפקט קירור המתאים למיזוג אוויר או לאחסון קירור. כל חום נשאר יכול להיות מופנה דרך מחמם תהליך כדי לספק חום שימושי למים חמים או לצרכים תעשייתיים. יחד, לופים אלה מבטיחים שחום סולארי בטמפרטורות גבוהות יעשה תחילה את העבודה הערכית ביותר — ייצור כוח — ואז ימשיך למטלות של קירור וחימום.

כיצד שינויים בעיצוב מגדילים את הביצועים

החוקרים משתמשים בסימולציות מחשב כדי לבחון כיצד בחירות עיצוביות משפיעות על ביצועי המערכת. הם מתמקדים בצורה של הצינורות הסליליים בקולב, בעוצמת אור השמש הנכנסת ובתנאי התפעול בתוך לופי הכוח והקירור. הם מגלים שלשימוש ребים פנימיים קטנים יותר בסלילים ההליקליים, בשילוב עם אור שמש חזק, יש השפעה חדה על העלאת טמפרטורת היציאה של השמן — כמעט 40 אחוז במקרה טיפוסי ללא הטלת עונש לחץ משמעותי. טמפרטורות שמן גבוהות יותר, בתורן, מגדילות את הכוח המופק על ידי הטורבינה, את החימום המסופק למשתמשים ואת יכולת הקירור של יחידת הספיחה. כאשר עוצמת אור השמש הישיר עולה מרמה ממוצעת לרמה גבוהה, התפוקה השמשית השימושית הכוללת של מערכת הטריגנרציה עולה מכ־145 קילוואט לכמעט מעל 200 קילוואט, וגם היעילות האנרגטית והיעילות האקסרגטית התובענית משתפרות.

איתור מקומות שבהם אנרגיה אובדת

לא כל אנרגיית השמש הנכנסת ניתנת להמרה לשירותים שימושיים; חלק ממנה נעשה בלתי נמנע ופוגם או אובד. כדי להבין היכן מתרחשים ההפסדים הגדולים, המחברים מבצעים ניתוח אקסרגיה, שעוקב לא רק כמה אנרגיה זורמת במערכת אלא כמה מהאנרגיה הזו עדיין מסוגלת לבצע עבודה. הם מגלים שהקולב המרכזי בראש המגדל הוא המקור היחיד הגדול ביותר לאובדן איכות, ואחריו שדה המראות והסופר-היטר שמעביר חום מהשמן לנוזל העבודה. ההפסדים האלה נובעים בעיקר מהפרשי טמפרטורה בין זרמים חמים וקרים וממדליפה של חום לסביבה. על ידי צמצום פערי הטמפרטורה הללו ושיפור עיצובי הקולב והמפריד, המחברים טוענים שגרסאות עתידיות של המערכת יכולות לחלץ עוד יותר כוח שימושי, חימום וקירור מאותו אור שמש.

מה המשמעות של זה לבניינים נקיים יותר

באופן יומיומי, המחקר מראה שמגדל שמש שתוכנן בקפידה יכול לשמש כמרכז אנרגיה קומפקטי, המספק חשמל, מיזוג אוויר וחימום לבניינים באמצעות אור שמש וצנרת חכמה בלבד. בתנאי שמש ריאליסטיים, היעילות הכוללת האנרגטית והאקסרגטית של המערכת עומדות בקנה אחד, ולפעמים מעט גבוהות, עם רעיונות טריגנרציה סולרית מתקדמים אחרים המדווחים בספרות. למרות שהעבודה מבוססת על סימולציות מפורטות ולא על ניסויים בקנה מידה מלא, היא מצביעה על מסלול מעשי להחלפת דודנים, מקררים ומקור כוח רשת מבוססי דלקים מאובנים במערכת סולרית משולבת אחת שמנצלת טוב יותר כל פוטון שנתפס.

ציטוט: 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

מילות מפתח: טריגנרציה סולארית, מערכות אנרגיה בבניינים, אנרגיה סולארית מרוכזת, חימום וקירור סולארי, מחזור קלינה