Badanie i propozycja nowego, zasilanego energią słoneczną systemu trójgeneracji dla bardziej przyjaznego środowisku ogrzewania, chłodzenia i wytwarzania energii

Dlaczego przekształcanie światła słonecznego w komfort ma znaczenie

Utrzymanie komfortu w naszych domach, biurach i szpitalach wymaga dużej ilości energii, z której większość nadal pochodzi z paliw kopalnych ocieplających planetę i zanieczyszczających powietrze. Jednocześnie słońce codziennie dostarcza ogromne ilości czystej energii na nasze dachy i ulice miast. Niniejsze badanie analizuje nowy sposób wykorzystania tego promieniowania, tak aby jeden system solarny mógł jednocześnie dostarczać trzy podstawowe usługi dla budynków: elektryczność, ogrzewanie i chłodzenie. Poprzez wyciskanie większej ilości użytecznej energii z każdego promienia światła proponowana konstrukcja ma na celu ograniczenie strat, zmniejszenie emisji i obniżenie naszej zależności od konwencjonalnych elektrowni.

Jedna wieża słoneczna, trzy użyteczne usługi

Rdzeniem proponowanego układu jest wieża słoneczna otoczona lustrami śledzącymi słońce i kierującymi jego światło na absorber umieszczony na szczycie. Wewnątrz tego absorbera badacze stosują ciasno zwinięte rury helikalne z małymi wewnętrznymi żebrami, wypełnione specjalnym olejem do wymiany ciepła o nazwie Syltherm 800. Gdy skoncentrowane światło pada na absorber, olej w tych spiralnych rurach gwałtownie się nagrzewa. Zamiast wykorzystywać ten gorący olej tylko do jednej funkcji, system kieruje ciepło do połączonego układu zdolnego jednocześnie wytwarzać energię elektryczną, produkować schłodzoną wodę do chłodzenia oraz dostarczać gorącą wodę lub parę do ogrzewania. Innymi słowy, to samo pochwycone światło słoneczne napędza instalację „trójgeneracji” przeznaczoną do obsługi potrzeb budynków.

Ukryte obiegi, które zmieniają ciepło w energię i chłód

Aby przekształcić to zgromadzone ciepło w użyteczne usługi, system opiera się na dwóch powiązanych obiegach. Pierwszy to obieg energetyczny znany jako obieg Kaliny, który wykorzystuje mieszaninę amoniaku i wody wrzącą i kondensującą się w szerokim zakresie temperatur. Pozwala to lepiej dopasować się do ciepła słonecznego i wyciągnąć więcej pracy z stosunkowo umiarkowanych temperatur niż tradycyjne obiegi parowe. Gorący olej z absorbera przekazuje swoją energię tej mieszaninie, która następnie rozpręża się przez turbinę, produkując moc mechaniczną możliwą do przekształcenia w elektryczność. Po tym etapie częściowo schłodzony czynnik roboczy wciąż zawiera wystarczającą ilość ciepła do ponownego wykorzystania zamiast marnowania.

Drugi obieg to absorpcyjny cykl chłodniczy, który również wykorzystuje mieszaninę amoniaku i wody, lecz teraz zorganizowaną tak, by to ciepło, a nie energia elektryczna, napędzało proces chłodzenia. Część ciepłego czynnika opuszczającego obieg energetyczny jest kierowana do generatora, który oddziela parę amoniaku od roztworu. Gdy ta para jest później ponownie absorbowana, odbiera ciepło z oddzielnego strumienia, tworząc efekt chłodzenia odpowiedni do klimatyzacji lub chłodni. Pozostałe ciepło można skierować przez podgrzewacz procesowy, aby dostarczyć użyteczne ciepło do podgrzewania wody lub zastosowań przemysłowych. Wspólnie te obiegi zapewniają, że wysokotemperaturowe ciepło słoneczne najpierw wykonuje najbardziej wartościową pracę — wytwarzanie energii — a następnie kaskadowo przekazywane jest do zadań chłodzenia i ogrzewania.

Jak poprawki konstrukcyjne zwiększają wydajność

Badacze wykorzystują symulacje komputerowe, aby sprawdzić, jak wybory projektowe wpływają na wydajność systemu. Koncentrują się na kształcie zwiniętych rur w absorberze, natężeniu padającego promieniowania słonecznego oraz warunkach pracy wewnątrz obiegów energetycznego i chłodniczego. Stwierdzają, że zastosowanie mniejszych wewnętrznych żeberek w cewkach helikalnych, w połączeniu z intensywnym nasłonecznieniem, znacząco podnosi temperaturę na wylocie oleju — prawie o 40 procent w korzystnym przypadku — bez nakładania dużych kar ciśnieniowych. Wyższe temperatury oleju z kolei zwiększają moc wytwarzaną przez turbinę, dostarczane ogrzewanie oraz zdolność chłodniczą jednostki absorpcyjnej. Gdy intensywność promieniowania bezpośredniego wzrasta z umiarkowanego do wysokiego poziomu, ogólna użyteczna moc systemu trójgeneracji rośnie z około 145 kilowatów do ponad 200 kilowatów, a zarówno sprawność energetyczna, jak i bardziej wymagająca sprawność egzergii poprawiają się.

Gdzie ginie energia

Nie całą padającą energię słoneczną da się zamienić w użyteczne usługi; część z niej jest nieuchronnie degradująca lub tracona. Aby zrozumieć, gdzie występują największe straty, autorzy przeprowadzają analizę egzergii, która śledzi nie tylko ile energii przepływa przez system, ale ile z tej energii pozostaje zdolne do wykonywania pracy. Odkrywają, że centralny absorber na szczycie wieży jest pojedynczym największym źródłem utraty jakości, następnie pole luster i przegrzewacz przekazujący ciepło z oleju do czynnika roboczego. Straty te wynikają głównie z różnic temperatur między gorącymi i zimnymi strumieniami oraz z ucieczki ciepła do otoczenia. Zawężając te różnice temperatur i udoskonalając konstrukcję absorbera i separatora, autorzy twierdzą, że przyszłe wersje systemu mogłyby wydobyć jeszcze więcej użytecznej mocy, ogrzewania i chłodzenia z tego samego promieniowania słonecznego.

Co to oznacza dla czystszych budynków

W praktycznym ujęciu badanie pokazuje, że jedna starannie zaprojektowana wieża słoneczna może działać jako kompaktowy węzeł energetyczny, dostarczając elektryczność, klimatyzację i ogrzewanie dla budynków przy użyciu wyłącznie światła słonecznego i przemyślanych rozwiązań instalacyjnych. W realistycznych warunkach nasłonecznienia ogólne sprawności energetyczne i egzergii systemu plasują się na poziomie porównywalnym, a niekiedy nieco lepszym, niż inne zaawansowane koncepcje solarnej trójgeneracji opisywane w literaturze. Chociaż praca opiera się na szczegółowych symulacjach, a nie na pełnoskalowych eksperymentach, wskazuje ścieżkę praktyczną do zastąpienia oddzielnych kotłów na paliwa kopalne, urządzeń chłodniczych i zasilania z sieci jednym zintegrowanym rozwiązaniem solarnym, które lepiej wykorzystuje każdy pochwycony foton.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: solarna trójgeneracja, systemy energetyczne budynków, skoncentrowana energia słoneczna, słoneczne ogrzewanie i chłodzenie, obieg Kaliny