Eksperymentalna analiza porównawcza zintegrowanych systemów chłodzenia absorpcyjnego napędzanego energią słoneczną: termiczne kontra fotowoltaiczne dla zrównoważonego chłodzenia o niskim GWP w warunkach tropikalnych

Dlaczego czystsze chłodzenie ma znaczenie

Utrzymanie świeżości żywności i bezpieczeństwa leków coraz częściej zależy od lodówek i komór chłodniczych, zwłaszcza w gorących, szybko rozwijających się krajach takich jak Indie. Jednak większość współczesnych systemów chłodniczych opiera się na energochłonnych sprężarkach elektrycznych i używa gazów zatrzymujących ciepło w atmosferze. W tym badaniu analizowano inne podejście: chłodziarki zasilane słońcem, które bazują głównie na cieple zamiast na elektryczności i wykorzystują ciecze o niskim potencjale globalnego ocieplenia, oferując sposób na rozszerzenie dostępu do chłodzenia bez pogłębiania zmian klimatu.

Dwie słoneczne ścieżki do tej samej chłodni

Badacze skupili się na technologii zwanej chłodnictwem absorpcyjnym, która zastępuje typową sprężarkę elektryczną napędzanym ciepłem obiegiem chemicznym. Zamiast mocnego silnika ściskającego czynnik chłodniczy, ciepło z zewnętrznego źródła napędza parowo‑ciekłą parę przez cykl parowania i absorpcji, by wytworzyć zimno. Ponieważ głównym wkładem jest niskotemperaturowe ciepło, systemy te można zasilać ze źródeł odnawialnych, takich jak energia słoneczna lub ciepło odpadowe z silników, i mogą pracować z bardziej przyjaznymi dla środowiska płynami niż wiele konwencjonalnych lodówek.

Budowa testowych systemów zasilanych słońcem

Aby sprawdzić, jak najlepiej eksploatować taki system w rzeczywistych, tropikalnych warunkach, zespół zbudował dwie wersje wokół tej samej małej chłodziarki absorpcyjnej wykorzystującej mieszaninę amoniaku i wody. W pierwszej wersji płytowy kolektor słoneczny podgrzewał wodę, która następnie przepływała przez miedziany wymiennik ciepła owinięty wokół generatora chłodziarki, dostarczając ciepło potrzebne do napędu cyklu chłodzenia. W drugiej wersji skromny panel słoneczny o mocy 100 W zasilał przez regulator ładowania akumulator, który zasilał prosty grzałkę elektryczną wewnątrz tego samego generatora. Dzięki zachowaniu jednakowej jednostki chłodniczej eksperyment wyodrębnił pytanie: czy lepiej pozyskiwać słońce jako ciepło, czy jako elektryczność dla tego typu chłodzenia?

Jak systemy sprawdziły się w tropikalnym słońcu

W warunkach bezchmurnego nieba w południowych Indiach kolektor słoneczny podgrzał wodę do prawie 90 °C, co wystarczyło, by uruchomić i utrzymać cykl absorpcyjny. Ten płytowy kolektor osiągnął średnią sprawność cieplną około 35 procent w ciągu dnia. W połączeniu z chłodziarką obniżył temperaturę komory magazynowej do około 12 °C po nieco ponad czterech i pół godzinie — odpowiednio dla wielu owoców, warzyw i innych łatwo psujących się produktów w wiejskich chłodniach. Całe rozwiązanie słoneczno‑termiczne z chłodziarką osiągnęło współczynnik wydajności (miernik wychłodzenia podzielonego przez wkład energii) równy 0,14, skromny w stosunku do standardów konwencjonalnych, ale osiągnięty w dużej mierze dzięki bezpłatnemu światłu słonecznemu.

Porównanie ciepła i elektryczności ze słońca

Wersja napędzana fotowoltaicznie wykorzystała to samo światło słoneczne do produkcji elektryczności. Ponieważ panele słoneczne są bardziej wrażliwe na przechodzące chmury i drobne zacienienia niż kolektory termiczne, ich moc w ciągu popołudnia wahała się bardziej. Mimo to przewymiarowany panel 100 W i akumulator utrzymywały temperaturę generatora przeważnie między 80 a 89 °C w godzinach największego nasłonecznienia. Ten system schłodził komorę nieco bardziej, do około 9 °C w nieco ponad trzy godziny, i osiągnął podobny wskaźnik wydajności, z współczynnikiem wydajności równym 0,12 oraz ogólną sprawnością konwersji energii elektrycznej około 9 procent w swoim najbardziej stabilnym okresie.

Koszt, praktyczność i wpływ na wsie

Gdy zespół uwzględnił koszty sprzętu, niezawodność i łatwość konserwacji, prostsza opcja słoneczno‑termiczna wysunęła się na prowadzenie. Jednostka napędzana płytowym kolektorem była tańsza w budowie, mechanicznie prostsza i mniej podatna na krótkotrwałe zacienienia. Wymaga jednak dobrze izolowanego zbiornika na gorącą wodę, aby utrzymać chłodzenie po zachodzie słońca. Wersja fotowoltaiczna z kolei może wygładzać okresy pochmurne i działanie nocne dzięki magazynowi akumulatorowemu, ale wymaga więcej elektroniki, wyższych kosztów początkowych i bardziej specjalistycznej obsługi. Oba podejścia okazały się jednak technicznie zdolne do utrzymania zakresu 9–12 °C, istotnego dla ochrony plonów w wsiach pozbawionych sieci.

Co to oznacza dla przyszłości chłodzenia

Dla laika wniosek jest taki, że lodówki nie muszą zależeć od elektrowni opalanych paliwami kopalnymi ani od gazów szkodzących klimatowi. Badanie pokazuje, że małe, solarne systemy absorpcyjne mogą zapewnić przydatne magazynowanie chłodu w gorących, wiejskich regionach przy użyciu skromnego sprzętu i czynników roboczych o niskim wpływie. Kolektory słoneczne termiczne oferują opłacalny i odporny wybór tam, gdzie budżety są ograniczone, a słońce silne, podczas gdy panele fotowoltaiczne dają większą elastyczność, gdy ważne jest niezawodne zasilanie lub zasilanie rezerwowe akumulatorami. Przy dalszych ulepszeniach konstrukcji systemów i alternatywnych mieszankach czynników chłodniczych takie chłodziarki absorpcyjne napędzane słońcem mogą stać się filarem przyjaznych dla klimatu łańcuchów chłodniczych, pomagając rolnikom, klinikom i gospodarstwom domowym zachować chłód bez dodatkowego ogrzewania planety.

Cytowanie: Selvaraj, D.A., Nadimuthu, L.P.R., Victor, K. et al. Experimental comparative analysis of solar thermal and photovoltaic integrated vapor absorption refrigeration systems for low-GWP sustainable cooling under tropical conditions. Sci Rep 16, 11709 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47817-8

Słowa kluczowe: chłodzenie słoneczne, chłodnictwo absorpcyjne, wiejski magazyn chłodniczy, czyniki chłodnicze o niskim GWP, energia odnawialna