یكی از پاك ترین و بزرگ ترین منابع انرژی های تجدید پذیر، خورشید است كه به علت نیاز نداشتن به فنآوری های پیشرفته و پرهزینه، به عنوان یك منبع مفید و تامین كننده انرژی در اكثر نقاط جهان رو به وسعت است. 99 درصد از مجموع انرژی هایی كه به زمین منتقل می گردند منشا خورشیدی دارد.

   تابش خورشید از خط استوا (صفر درجه) تا حدود 40 درجه عرض جغرافیایی شمالی و جنوبی بالاترین میزان را نسبت به سایر نقاط كره ی زمین دارد. از این دیدگاه با توجه به قرار گیری ایران در میان عرض 35 تا 40 درجه شمالی، همچنین با زاویه ی مناسبی كه تابش خورشید با سطح كشور دارد، استفاده از انرژی خورشید به عنوان یك منبع پاك انرژی مورد توجه قرار می گیرد.

   در ایران، استفاده از انرژی خورشیدی جهت تامین سرمایش ساختمان ها از دیرباز مورد توجه بوده و می توان گفت اولین گردآورنده سرمایش خورشیدی برای به گردش در آوردن هوای خنك در ساختمان نزدیك شهر یزد توسط معماران ایرانی. ساخته شده است.

   در كشور ایران 40 % سوخت مصرفی به بخش ساختمان اختصاص داده شده كه در كنار هزینه های بالای آن برای مصرف كننده، با خطر رو به اتمام بودن منابع و آلودگی محیط زیست همراه است كه این مهم استفاده از سرچشمه های تجدید پذیر انرژی را واجب می سازد. از آنجا كه استفاده از این انرژی های تجدید پذیر منجر به تولید مقادیر بسیار ناچیزی و در برخی موارد، عدم تولید گازهای گلخانه ای می شود، لذا یكی از سوخت هایی كه به زودی در دنیا رتبه اول مصرف را به خود. اختصاص می دهد، انرژی خورشیدی است. با توجه به این كه بخش بزرگی از انرژی الكتریكی مصرفی در فصل تابستان به سرمایش اماكن مسكونی و اداری اختصاص دارد و این مسئله منجر به بحران انرژی شده است، لذا چیلرهای خورشیدی می توانند به جایگزین مناسبی برای كولرهای آبی و گازی، كه مصرف برق بالا یی دارند، تبدیل شوند.

   سیكل تبرید جذبی (چیلر جذبی) اساس كار چیلر های خورشیدی است. در این سیكل، گرمای مورد نیاز ژنراتور از انرژی خورشیدی تامین می شود. از زمان ابداع این سیكل، چیلرهای جذبی گوناگونی ساخته شده اند. در چیلرهای جذبی اولیه از آمونیاك به عنوان ماده جاذب استفاده می شد كه به علت سمی و خورنده بودن در سال های بعد، لیتیم بروماید به عنوان جایگزینی برای آن مطرح شد ولی مشكل عمده لیتیم بروماید، كریستالیزاسیون آن است كه در اثر غلظت خیلی زیاد یا افت دمای شدید محلول ممكن است پیش آید. همچنین مبرد سیستم های لیتیم برومایدی، آب است كه پایین تر از صفر درجه سانتیگراد منجمد می شود و مسیر جریان را مسدود می كند. لذا این سیستم ها نمی توانند دماهای خیلی پایین ایجاد كنند و از این نظر محدودیت دارند.

   به طور كلی می توان چیلرها را به دو دسته چیلرهای تراكمی و چیلرهای جذبی تقسیم كرد. چیلرهای تراكمی از انرژی الكتریكی و چیلرهای جذبی از انرژی حرارتی به عنوان منبع اصلی برای ایجاد سرمایش استفاده می كنند.

   در چیلرهای جذبی برای به حركت در آوردن سیال عامل از انرژی حرارتی استفاده می شود. این انرژی حرارتی می تواند توسط بخار آب، آب داغ ناشی از احتراق مستقیم سوخت و یا انرژی خورشیدی تامین گردد.

   چیلر جذبی از پمپ، ژنراتور، چگالنده،، تبخیركننده و پیشگرمكن تشكیل شده در چیلر جذبی، محلول غلیظ مایع حاوی آب و لیتیم بروماید تا فشار زیاد توسط یك پمپ مایع، به پیش گرمكن پمپ می شود و فشار و دمای آن بالامی رود و پس از آن وارد ژنراتور می شود. در این شرایط، در اثر انتقال گرم از منبع دارای دمای بالا، بخار لیتیم بروماید از محلول جدا می شود. همانطوركه اشاره شد گرمای مورد نیاز ژنراتور از انرژی خورشیدی تامین می شود. مقدار تابش رسیده به سطح كلكتور به ارتفاع، عرض جغرافیایی، مدت تابش آفتاب، تعداد ساعات ابری و آلودگی هوا بستگی دارد.

   بنابراین می توان بطور کلی گفت سیکل چیلر جذبی خورشیدی همانند سیکل چیلر جذبی است با این تفاوت که به جای ژنراتور از مجموعه ای از کلکتورهای خورشیدی استفاده می شود.

   حال این سؤال پیش می آید كه در میان انواع گردآورنده های خورشیدی كدامیك از آن ها برای سیستم جذبی تك اثره با تغذیه آب گرم مناسب تر به نظر می رسد؟

با توجه به اینکه در ژنراتور این نوع از چیلرها به آبگرم حدود 88 درجه سانتی گراد نیاز است و علاوه بر این باید در نظر گرفت كه استفاده از كلكتورهای متحرك هزینه ی گزافی را به سیستم سرمایشی ما تحمیل می كنند بنابراین باید از گردآورنده های ثابت استفاده نمود. از این رو از کلکتورهای صفحه تخت ثابت برای این چیلرها استفاده می شود.

در مناطق گرمسیری جهان که ضرورت سرمایش و تهویه مطبوع به طور جدی وجود دارد ذهن بشر متوجه استفاده از انرژی در دسترس خورشیدی است تا بتواند با استفاده از آن سبب رفاه و آسایش زندگی را فراهم آورد. علاوه بر این کاربرد انرژی خورشیدی در مقایسه با سایر کاربردها جذابیت بیشتری دارد. زیرا زمانی که نیاز به آن وجود دارد میزان انرژی خورشیدی زیاد است و می توان از آن بهره گیری کرد. سیستم های سرمایش جذبی خورشیدی (solar absorpyion cycles) دارای هر دو مزیت عدم خطرناک بودن از لحاظ زیست محیطی و کم بودن مصرف انرژی به ویژه در ساعات پیک الکتریکی را دارد.

در مقایسه با دیگر کاربردهای انرژی خورشیدی این کاربرد پیچیدگی بیشتری دارد چه به لحاظ مفهومی و چه به لحظ کاربردی. به همین دلیل توسعه و کاربرد جهانی پیدا نکرده است. در این روش تنها دریافت و جذب انرژی خورشیدی کافی نیست، بلکه باید بتوانیم این روش را به سرما تبدیل کنیم و سپس به طرف فضای مورد نظر بفرستیم. باید وسیله ای وجود داشته باشد که حرارت را از دمای پایین گرفته و به دمای بالاتر انتقال دهد. در اصطلاح ترمودینامیکی به عبارت دیگر به یک پمپ حرارتی نیاز است. در شکل 1 نمای سیکل تهویه مطبوع با تمام تجهیزات به طور کامل نشان داده شده است. سیال منتقل کننده حرارت در کلکتورهای خورشیدی تا دمای بالاتر از دمای محیط گرم می شوند و به عنوان محرک و انرژی در یک سیکل قدرت وارد می گردد.

سیال انتقال دهنده گرما ممکن است هوا، آب و یا سیال دیگری باشد. گرما می تواند برای زمان هایی که تابش خورشید وجود ندارد نیز ذخیره گردد. گرمای گرفته شده از سیکل خنک کن، انرژی خورشیدی به محیط اطراف منتقل می شود. این کار به وسیله هوای محیط یا آب خروجی از برج خنک کن انجام می شود.

تجهیزات سرمایش ممکن است اثر سرمایش به طرق مختلف ایجاد کند یکی از روش ها تولید آب سرد و فرستادن به سمت تجهیزاتی است که به وسیله آب سرد محیط را خنک می کند و یا فنهای بادزن. همچنین می توان هوا را به صورت مستقیم خنک کرد و به سمت فضای مورد تهویه فرستاد. کلکتورهای خورشیدی هستند که انرژی خورشیدی را به گرما در دمای مناسب تبدیل می کنند، که این گرما قدرت مورد نیاز برای سیکل سرمایش است. کلکتورها انواع مختلفی دارند که از صفحات تخت با دمای پایین تا صفحات پیچیده با دمای بسیار بالاتر متنوع هستند. با افزایش تقاضا برای تهویه مطبوع در سال های اخیر به خصوص در مناطق گرمسیر و مرطوب تقاضا برای مصرف انرژی زیاد شده است.

این بخش به استفاده از انرژی خورشیدی به منظور کاربردهای سرمایش و تهویه مطبوع پرداخته است و شامل دو بخش است که در آن سیکل های جذبی بسته و سیکل های جذبی باز با فواید و محدودیت های آن مورد بررسی قرار می گیرد. بخش عمده از گفتار به سیکل های بسته که دارای گستره کاربرد زیادی هستند پرداخته است. هرچند که بالا بردن بازدهی و عملی شدن سیکل های باز از تلاش های محققان در طی سالیان اخیر بوده است.

اصول ترمودینامیک

با توجه به گزینه های مختلف که برای سیستم پمپ حرارتی به کار گرفته در سیستم خورشیدی وجود دارد ابتدا باید به اصول ترمودینامیکی تجهیزات سرمایش پمپ حرارتی پرداخته می شود. نوعا سیستم مذکور بین دمای منبع حرارتی در سه سطح دمایی کار می کند. دمای پایین فضای سرمایش یا فضای مورد تهویه، دمای بالای فراهم شده توسط انرژی خورشیدی که دمای میانی سرد و گرم است و در واقع در دمای محیط است که به عنوان چاه حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد. (شکل 1)

شکل1.سیکل تهویه مطبوع

همان طور که در شکل 2 نشان داده شده است تجهیزات سرمایش می توانند در غالب عبارات ترمودینامیکی به صورت تلفیقی از پمپ حرارتی و موتور گرمایی تشریح شوند. موتور گرمایی حرارت را از منبع گرم دریافت می کند و به چاه حرارتی در دمای محیط انتقال می دهد و کار مکانیکی را ایجاد می نماید. با توجه به قانون دوم ترمودینامیک می دانیم اگر سیکل تحت شرایط بازگشت پذیر طبق الگوی سیکل کارنو کار کند، بهترین کارایی را خواهد داشت. تحت چنین شرایط بهینه ای ضریب کلی عملکرد سیستم COP سرمایش عبارت است از:

معادله1

همان طور که از معادله بالا مشاهده می شود ضریب عملکرد سیستم سرمایش وابستگی زیادی به دمای عملکرد سیستم دارد که به طور قطع افزایش دما موجب افزایش کارایی سیستم می گردد. بنابراین نوع کلکتور به کار گرفته شده درسیستم خورشیدی تاثیر مستقیم روی COP دارد و در واقع عامل محدود کننده COP است.

شکل2.شرح ترمودینامیکی سیستم سرمایش

با استفاده از کلکتورهای صفحه تخت معمولی، گرمای به دست آمده معمولا بالا نمی باشد. کلکتورهای متمرکز کننده دمای بالاتری را فراهم می آورند ولی دارای قیمت بالاتری هستند و پیچیدگی و مشکلات بیشتری به سبب نیاز به تغییر مسیر خورشید دارند. نتیجه گیری دیگری که از معادله 1 می توان کرد این است که کارایی COP را با کاهش دمای چاه حرارتی افزایش داد. با توجه به این نکته می توان نتیجه گیری کرد که سرمایش با آب نسبت به هوا دارای مزیت است.

در عمل تفاوت چندانی بین تجهیزات پمپ حرارتی و ماشین گرمایی وجود ندارد، سیکل هایی که با دفع و جذب حرارت از دو منبع سرد و گرم به تولید کار می پردازند دارای کار خروجی قابل مشاهده می باشند و کار آن ها به طور مستقیم برای راه اندازی بخش های دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. در موتور گرمایی که می تواند در سیکل استرلینگ تا رانکین به کار گرفته شود و از یک سیال عامل بهره می گیرد. پمپ حرارتی از کمپرسورهای بخار موسوم به عنوان تجهیزات سرمایشی کمک می کند هر چند بسیاری از تلاش ها در حد کاربرد در مصارف آزمایشگاهی بوده است.

آزمایش ها نشان داده است که سیکل بسته برای سیستم های خورشیدی بر پایه سیکل جذبی مناسب تر است که در نهایت تقابل بین دو قسمت ماشین از بین برود. سیستم های جذبی دارای مزایای زیر می باشند: 

• در گستره وسیعی از دمای چشمه (منبع حرارتی گرم) و چاه (منبع حرارتی سرد) کار می کند.
• قادرند برای افزایش COP تا چند مرحله دمای چشمه را افزایش دهند.
• به دلیل نداشتن تجهیزات متحرک زیاد، دارای سر و صدای کمی هستند.
• سیال عامل آن ها از لحاظ زیست محیطی مناسب است و قابلیت عملکرد در فاز خورشیدی به عنوان پشتیبان حرارتی.

علاوه بر این سیستم های جذبی قادرند تا به عنوان تجهیزات سرمایش در سیستم های خورشیدی به کار گرفته شوند. استفاده و کاربرد سیکل های جذبی از زمان اختراعشان در قرن نوزدهم بر اساس قیمت نسبی سوخت و الکتریسیته و بهبود در تکنولوژی تراکم مکانیکی و جذب متفاوت بوده است.

سیکل سرمایش جذبی

به طور کلی عملکرد سیستم های جذبی مشابه سیستم های تراکمی بوده ولی وابستگی شیمیایی ماده جاذب به مبرد سبب به وجود آمدن اثر سرمایش خواهد شد. این سیکل با در نظر گرفتن 4 جز اصلی آن یعنی جاذب، ژنراتور، کندانسور و تبخیر کننده به طرز مناسبی درک خواهد شد. شکل 3 شماتیکی از یک سیستم تبرید جذبی را در ساده ترین حالت تک اثره نمایش می دهد. روش کار چیلر جذبی تک اثره به طور جامع در مراجع معرفی شده. مایع مبرد در فشار و دمای بالا در شکل 3 وارد کندانسور و با دور ریختن حرارت خود به مایع تبدیل می شود. به جز سیستم های کاملا کوچک در مابقی موارد از کندانسورهای خنک شونده با آب استفاده می شود. سپس مایع مبرد داغ از طریق یک اوریفیس منبسط و وارد اواپراتور می شود. این مایع که در دما و فشار کمی قرار دارد در جا تبخیر شده و حرارت خود را از محیطی که قرار است سرد شود دریافت می کند. سپس بخار خروجی از اواپراتور در همان فشار پایین وارد قسمت جاذب می شود و جذب محلول لیتیم بروماید غلیظ می شود. فرایند جذب به علت قابلیت مولکولی ما بین مبرد و جاذب امکان پذیر بوده و گرمای ناشی از این عمل به مجموعه دسته لوله جاذب که از آب برج خنک کن یا هر سیستم دور ریزش حرارتی تامین است، انتقال می یابد. معمولا این سیستم با سیستم دور ریزش حرارتی در کندانسور یکی خواهد شد. سپس محلول به وسیله یک پمپ با عبور از یک مبدل حرارتی تماس مستقیم و به منظور بالا بردن دمای مخلوط و افزایش راندمان با صرف کمی کار وارد ژنراتور می شود. در این قسمت با صرف میزان کمی انرژی حرارتی ماده جاذب از مبرد با افزایش حرارت مخلوط و به علت تفاوت در نقطه جوش جدا و ماده مبرد به سمت کندانسور و محلول غلیظ جاذب به سمت مبدل حرارتی رفته و در آنجا خنک و به جذب کننده برگشته و سیکل کامل می شود.

شکل3. تشریح شماتیکی چیلر جذبی تک مرحله ای

همان طور که آشکار است سیستم بین دو سطح فشار کار می کند و با سه منبع حرارتی مختلف تبادل حرارت دارد. (شکل 4) همان طور که می دانید یک سیستم جاذب با دو سیال مبرد و جاذب کار می کند. در حالی که در سیکل های تراکمی با یک سیال کار می شود.

شکل4. نمایش یک سیکل جذبی

تکنولوژی چیلرهای جذبی

تقسیم بندی

اولین اساس برای تقسیم بندی سیستم های جذبی نوع سیال عامل به کار رفته در آنان است. زوج لیتیم بروماید _آب و آب _ آمونیاک معمول ترین سیال های رایج در سیستم های تبرید جذبی هستند. در زوج آب –لیتیم بروماید آب به عنوان مبرد و لیتیم بروماید به عنوان جاذب و در آب – آمونیاک، آب ماده جاذب و آمونیاک مبرد است.

در آنان ایجاد نمود. بنابراین برای کاربری های سرماسازی مورد استفاده قرار می گیرند، در صورتی که سیستم تشریح شده با سیال آب و لیتیم بروماید برای مصارف تهویه به کار برده می شوند. سیالات دیگری نیز در سیستم های جذبی وجود دارند که اخیرا محققان از آنان برای سیستم های جذبی خورشیدی استفاده می کنند. زوج هایی مانند CACL2-NH3 و SRCL2-NH3 و سه گانه هایی از قبیل - NAOH-KOHCSOH .

سیستم های جذبی عادی را همچنین می توان توسط منبع حرارتی در ژنراتورهای آنان تقسیم بندی نمود:

• واحدهای اشتغالی مستقیم که حرارت را به طور مستقیم از طریق اشتعال گاز طبیعی یا هر گونه سوخت فسیلی توسط مشعل تامین می کنند.
• واحدهای اشتعالی غیر مستقیم که حرارت را از طریق بخار آب تامین می کنند.
• واحدهای استفاده کننده از گاز خروجی دیگر واحدها (مانند خروجی توربین گاز) یا واحدهای بازیاب حرارت
• کلکتورهای خورشیدی

در نهایت مشخصات غالب سیستم های جذبی که هم اکنون مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:

• ساده بودن طراحی بدون وجود اجزا متحرک و کارکرد در دماها و فشار نسبتا پایین
• نیاز به انرژی الکتریکی کم
• نرخ بالای دور ریزش حرارتی به منبع بالای گرمایی که نسبت به سیستم های تراکمی نیازمند برج های خنک کن با ظرفیت بالا و انرژی زیاد فن و پمپ این برج ها می باشند.
• اندازه و وزن نسبتا زیاد این تجهیزات
• استفاده این سیستم ها از سیالات عامل بی خطر و بدون تاثیرات گرمایشی زمین و بی خطر برای اوزون.

سیکل های جذبی یک یا چند اثره با سیال عامل آب- لیتیم بروماید

سیکل نمایش داده شده در شکل های 3 و 4 سیکل یک مرحله ای یا تک اثره نامیده می شود. میزان دمای لازمه برای ژنراتور این گونه چیلرها حدود 93 تا 132 درجه سانتی گراد می باشد و بخار و آب به کار رفته در ژنراتور این تجهیزات می باید دارای فشار 1.6 تا 2 بار باشد. چنانچه دمای کاری چیلر کمتر از مقدار حداقل فوق باشد راندمان سیکل به شدت کاهش خواهد یافت. اگر چه مطابق با استانداردهای امروزی سیستم های یک مرحله ای از لحاظ حرارتی غیر کارا هستند، اما زمانیکه قیمت بخار ارزان بوده و یا در خروجی تجهیزات دیگر به صورت بازیابی حرارتی و کارا مفید هستند. ولی به طور کلی در بهترین حالت ضریب عملکرد این تجهیزات به میزان حدود 0.7 نمی رسد.

سیستم های جاذب تک اثره خورشیدی با COP محدود 0.7 کار می کنند. سیستم های یک مرحله ای برای حصول دماهای بالاتر از 100C مناسب نمی باشند، علاوه بر آن بر خلاف سیکل های پمپ حرارتی دیگر، در اثر افزایش بیش از حد دمای ژنراتور میزان ضریب عملکرد سیکل به علت افزایش در تلفات مخلوط شدن و گردش جریان به شدت کاهش خواهد یافت. به همین علت برای غلبه بر این مشکل و افزایش ظرفیت و راندمان سیکل و بهره گیری از منابع گرمایی با دمای بالا سیستم جذبی را می توان با استفاده از مراحل بیشتر تبدیل نمود. اصول آن استفاده از گرمای دفع شده در کندانسور و ژنراتور می باشد. در نتیجه بدون به کارگیری منابع جدید حرارتی خورشید سرمایش تولیدی را می توان 2 تا 3 برابر افزایش داد. برای این سیستم ها دمای کاری ژنراتور در حدود 188 درجه سانتی گراد و فشار کاری آنان 8 بار است. میزان ضریب عملکرد آنان نیز در حدود 1.22 تا 1.19 است. سیستم های جذبی دو اثره از نظر نوع جریان ما بین مبدل های حرارتی به سه دسته تقسیم می شوند. جریان موازی، جریان سری و جریان معکوس. در حالت جریان سری، محلول ضعیف لیتیم بروماید در طول مبدل های حرارتی دما پایین و دما بالا قبل از وارد شدن به ژنراتوراصلی به صورت سری با هم جریان می یابد. در حالت جریان موازی محلول ضعیف بعد از خارج شدن از مبدل حرارتی اولیه، به دو قسمت شده که یکی به مبدل حرارتی جریان بالا و دیگری به ژنراتور ثانویه می رود. در حالت جریان معکوس محلول ضعیف توسط بخار ژنراتور اصلی قبل از ورود به ژنراتور دوم گرم می شود.  همانطور كه مشاهده شد بازدهی سیستم های خورشیدی به شدت به پارامترهای محیطی وابسته است و در مكان هایی كه دمای هوا بالاتر و میزان تابش بیشتر است.

بازدهی و میزان سرمایش تولید شده توسط این سیستم ها بیشتر است.

   این چیلرها با وجود اینكه، برای مكان های گرم و خشك مناسب هستند ولی هزینه ی اولیه ی بالایی دارند و عمده ی هزینه ی آن ها مربوط به كلكتورها است.

این چیلرها هنوز در كشورهای در حال توسعه كه تكنولوژی ساختن كلكتور را ندارند تجاری نشده اند.

   با وجود این، مزایای آن ها از قبیل كاهش مصرف برق، كاهش تولید گازهای گلخانه ای و نیز كاهش مصرف مبردهای مخرب لایه ی اوزون، با وجود بحران انرژی و مشكلات زیست محیطی موجود در قرن حاضر، قابل چشم پوشی نیست و این سیستم ها بسیار مورد توجه و به سرعت درحال پیشرفت می باشند و در آینده ی نه چندان دور، هنگامی كه كلكتورها به تولید انبوه برسند و قیمت آن ها كاهش یابد، قابل رقابت با چیلرهای تراكمی موجود خواهند بود.