Исследование и предложение новой солнечной тригенерационной системы для более экологичного отопления, охлаждения и выработки электроэнергии

Почему превращение солнечного света в комфорт имеет значение

Поддержание комфортной температуры в домах, офисах и больницах требует больших энергозатрат, большинство из которых по‑прежнему покрывается за счёт ископаемого топлива, что нагревает планету и загрязняет воздух. В то же время солнце ежедневно посылает на наши крыши и улицы огромные запасы чистой энергии. В этом исследовании рассматривается новый способ использования этого солнечного потока, при котором одна система может одновременно обеспечивать здания тремя важными услугами: электричеством, отоплением и охлаждением. Получая больше полезной энергии из каждого луча, предложенная конструкция призвана сократить потери, уменьшить выбросы и снизить зависимость от традиционных электростанций.

Одна солнечная башня — три полезные услуги

Сердцем предлагаемой установки является солнечная башня, окружённая зеркалами, которые отслеживают солнце и отражают его свет на приёмник в верхней части. Внутри этого приёмника размещены плотно намотанные спиральные трубки с малыми внутренними ребрами, заполненные специальным теплоносителем — маслом Syltherm 800. При концентрации солнечного света на приёмнике масло в этих коилях резко нагревается. Вместо того чтобы использовать это горячее масло для единственной задачи, система направляет тепло в комбинированную схему, способную одновременно вырабатывать электричество, производить холодную воду для охлаждения и подавать горячую воду или пар для отопления. Иными словами, тот же захваченный солнечный поток приводит в действие «тригенерационную» установку, ориентированную на нужды зданий.

Скрытые контуры, превращающие тепло в электроэнергию и холод

Чтобы преобразовать захваченное тепло в полезные услуги, система опирается на два связанных контура. Первый — силовой контур, известный как цикл Калина, использующий смесь аммиака и воды, которые кипят и конденсируются в широком диапазоне температур. Это позволяет лучше соответствовать солнечному нагреву и извлекать больше работы при относительно умеренных температурах по сравнению с традиционными паровыми циклами. Горячее масло из приёмника передаёт свою энергию этой смеси, которая затем расширяется через турбину, производя механическую энергию, преобразуемую в электричество. После этого частично охлаждённая рабочая жидкость всё ещё содержит достаточное количество тепла для повторного использования, а не выбрасывается.

Второй контур — абсорбционный холодильный цикл, который также использует аммиачно‑водную смесь, но устроен так, что охлаждение приводится в действие теплом, а не электричеством. Часть тёплой жидкости, покидающей силовой контур, направляется в генератор, который отделяет аммиачный пар от раствора. Когда этот пар затем вновь поглощается, он отнимает тепло из отдельной струи, создавая охлаждающий эффект, подходящий для кондиционирования воздуха или холодового хранения. Любое оставшееся тепло может быть направлено через нагреватель процессов для обеспечения полезного тепла — горячей воды или промышленных нужд. Вместе эти контуры гарантируют, что тепло высокой температуры от солнца сначала выполняет наиболее ценный вклад — производство электроэнергии — а затем по каскаду используется для охлаждения и отопления.

Как изменения конструкции повышают эффективность

Исследователи используют компьютерное моделирование, чтобы проверить, как выбор конструктивных решений влияет на работу системы. Они сосредотачиваются на форме спиральных трубок в приёмнике, интенсивности падающего солнечного света и рабочих условиях в силовом и холодильном контурах. Оказалось, что использование меньших внутренних ребер в геликальных катушках в сочетании с сильным солнечным излучением заметно повышает температуру на выходе масла — примерно на 40 процентов в благоприятном случае — без значительных потерь давления. Более высокие температуры масла, в свою очередь, увеличивают выработку мощности турбиной, отдачу тепла пользователям и холодопроизводительность абсорбционной установки. При увеличении интенсивности прямого солнечного излучения с умеренного до высокого общий полезный выход тригенерационной системы возрастает примерно с 145 киловатт до более чем 200 киловатт, при этом улучшаются как энергетическая эффективность, так и более требовательная эксергетическая эффективность.

Поиск мест, где теряется энергия

Не всё приходящее солнечное излучение может быть превращено в полезные услуги; часть его неизбежно деградирует или теряется. Чтобы понять, где происходят наибольшие потери, авторы проводят эксергетический анализ, который отслеживает не только объём энергии, проходящей через систему, но и ту её часть, которая всё ещё способна выполнять работу. Они обнаруживают, что центральный приёмник на вершине башни является наибольшим источником потерь качества, за ним следуют поле зеркал и перегреватель, передающий тепло от масла к рабочей жидкости. Эти потери в основном возникают из‑за температурных разниц между горячими и холодными потоками и утечек тепла в окружение. Сократив эти температурные зазоры и усовершенствовав конструкции приёмника и сепаратора, авторы полагают, что будущие версии системы смогут извлекать ещё больше полезной электроэнергии, тепла и холода из того же солнечного потока.

Что это значит для более чистых зданий

В практическом плане исследование показывает, что одна грамотно спроектированная солнечная башня может выступать компактным энергетическим узлом, поставляя электричество, кондиционирование воздуха и отопление для зданий, используя лишь солнечный свет и продуманную разводку систем. При реалистичных солнечных условиях общие энергетические и эксергетические показатели системы сопоставимы с, а в некоторых случаях и несколько превосходят, другие продвинутые концепции солнечной тригенерации, описанные в литературе. Хотя работа основана на детальных симуляциях, а не на полномасштабных экспериментах, она указывает на практический путь замены раздельных котлов на ископаемом топливе, холодильных агрегатов и сетевой электроэнергии одной интегрированной солнечной системой, которая более эффективно использует каждый захваченный фотон.

Цитирование: 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

Ключевые слова: солнечная тригенерация, энергетические системы зданий, сконцентрированная солнечная энергия, солнечное отопление и охлаждение, цикл Калина