Hvordan varmen fra solen kan holde oss alle kule


Flickr (CC BY 2.0) På Hotel Star Sapphire i Dawei, Myanmar, sipper gjester fra kokosnøtter i kult, luftkondisjonert komfort som de dampende, tropiske nattrullene på. Syv tusen kilometer i vest, i tørr Khartoum, Sudan, hviler pasientene på et FN-sykehus, som er kokt av baktørkenvarmen. I begge bygningene kommer de hyggelige forholdene til rette for klimaanlegg som delvis er avhengige av mørke glassrør som gjør sollys til kjølingskraft. Dette er

Flickr (CC BY 2.0)

På Hotel Star Sapphire i Dawei, Myanmar, sipper gjester fra kokosnøtter i kult, luftkondisjonert komfort som de dampende, tropiske nattrullene på. Syv tusen kilometer i vest, i tørr Khartoum, Sudan, hviler pasientene på et FN-sykehus, som er kokt av baktørkenvarmen.

I begge bygningene kommer de hyggelige forholdene til rette for klimaanlegg som delvis er avhengige av mørke glassrør som gjør sollys til kjølingskraft. Dette er ikke de kjente solpanelene som høster lys for å lage strøm. I stedet bruker de varme fra solen for å slappe av bygninger gjennom en pen bit av termodynamisk håndflate. Forskere og noen energikunnskaper sier at denne formen for kjøling, kjent som solvarme, kan bidra til å slake den voksende globale etterspørselen etter drivstoff for å drive energi-sulten luftkondisjonering. Det mellomstatslige panelet for klimaendringer forutsier at behovet for elektrisitet til kraftkjøling vil ha økt til mer enn 30 ganger hva det var i 2000.

Håper at solenergi-teknologien nærmer seg et avgjørende vendepunkt, viser forskergrupper sine systemer på et økende antall hoteller, kjøpesentre og andre bygninger over hele verden. I dag er det noen 1200 installasjoner - mer enn 10 ganger totalt fra et tiår siden. Bedrifter som produserer solvarme-kjølere sier at de bruker 30-90% mindre elektrisitet enn de konvensjonelle klimaanleggene som opererer i de fleste bygninger, avhengig av type og størrelse på installasjonen. Og forskere arbeider for å gjøre systemene mer effektive og billigere å bygge.

Men teknologien står overfor skremmende hindringer, og noen eksperter tviler på at det noen gang vil være mer enn nisje i en verden som hvert år legger til 100 millioner konvensjonelle klimaanlegg, som stole på kompressorer drevet av elektrisitet. Solvarme-kjølere er bare for dyre, og koster vanligvis omtrent fem ganger mer enn konvensjonelle, sier Daniel Mugnier, en ingeniør med solteknologiselskapet Tecsol i Perpignan, Frankrike. Selv om prisen faller, mangler teknologien subsidiene og investeringen den trenger for å gjøre den mer konkurransedyktig, sier han.

Det er synd, legger han til, fordi termiske systemer har flere fordeler. De kan redusere toppspørsmålet på elnettet, redusere blackouts og behovet for å trykke på smussere energikilder. De er også stille og bruker vanligvis miljøvennlige kjølemidler - et punkt som tok på seg ny betydning i oktober, da mer enn 170 land ble enige om å fase ut hydrofluorcarbonkjemikaliene som brukes i de fleste klimaanlegg og kjøleskap. Og solvarme er tilgjengelig i store mengder akkurat der etterspørselen etter kjøling er høyest. "Det er nesten som et ekteskap gjort i himmelen, " sier Christos Markides, en solforsker ved Imperial College London.

Alt i fasen

Nøkkelen til klimaanlegg er fordampning: kjølingen oppstår når en væske absorberer energi fra omgivelsene og endrer fase for å fordampe som en gass. Slik kjøler svette kroppene våre, og det skjer også i nesten alle klimaanlegg, fra små vinduer til de 8 meter lange gigantene som pleide å slappe av store bygninger i Qatar.

I moderne elektriske klimaanlegg blir et flytende kjølemiddel tvunget gjennom en liten dyse inn i et stort kammer. Det forårsaker presset til å dumpe, så det fordampes raskt og fjerner varmen fra inneluften. Det gassformige kjølemediet reiser deretter til et annet kammer, hvor en mekanisk kompressor drevet av elektrisitet presser gass til å drive opp temperaturen ytterligere. Det varme, gassformige kjølemediet passerer så gjennom en kondensator - ofte en spole med tynn slange - hvor det skifter tilbake til en væske og utstråler varme utendørs. Det flytende kjølemediet sprøytes deretter tilbake i fordampningskammeret og syklusen gjentas.

Gasspressetrinnet trengs for å kaste opp varme effektivt, kuldemediet må være veldig varmt før det går gjennom kondensatoren, forklarer Colin Chia, medgrunnlegger av det singaporeanske selskapet Ecoline, som utviklet Hotel Star Sapphires klimaanlegg. I elektriske enheter gjøres dette mekanisk. Men det er en annen måte - bare å bruke varme.

Et av de eldste klimaanleggene som skal bygges på dette prinsippet, brente tre for å levere varmen og ble introdusert på verdensutstillingen i Paris i 1878. Det var "en fantastisk gammel maskin", sier Christian Holter, konsernsjef i SOLID, et selskap i Graz, Østerrike, som spesialiserer seg på storskala solvarme-kjøle- og varmesystemer. Kaldte absorpsjonskjølere, enhetene bruker varme fra solen til å koke kjølemediet ut av en løsning - vanligvis vann fra en saltoppløsning eller ammoniakkgass fra vann. Deretter går det gassformige kjølemediet gjennom kondens og fordampningsfaser som er lik de i kompresjonssystemer.

Komprimering dominerer markedet fordi "det er enkelt å kjøpe, plugge og starte", sier Holter. Men så langt tilbake som på 1980-tallet, økte bekymring over de ozonreduserende kjølemediene som brukes i kompresjonskondisjoneringsanlegg, interesse for termiske systemer. De fanget aldri på, fordi de ikke kunne konkurrere med de som drevs av billig elektrisitet, og fordi deres varmekilde - brennende biomasse eller naturgass - er vanskelig å håndtere.

Varme fra solen har ikke disse problemene. I moderne solvarmesystemer absorberer spesielle oppsamlingsrør eller plater energi fra solens stråler og overfører deretter varmen til en absorpsjonskjøler. Hittil har SOLID installert store systemer på 18 skoler, kontorer og lager i 10 land. Et av disse, verdens største solvarme-kjølesystem så langt, har siden 2014 vært å kile en videregående skole i Arizona, hvor klimaanlegg vanligvis utgjør en betydelig del av en årlig strømregning.

Akademiske forskere og bedrifter prøver også å forbedre ytelsen på andre måter. De fleste absorpsjonskjølere, inkludert SOLID, varme kjølemediet til rundt 80 ° C. Hvis temperaturen kan heves til 120-170 ° C, vil mer kjølemiddel fordampe og sirkulere som gass i systemet samtidig som enheten gjør det mer effektivt.

Det betyr at solfangeren må konsentrere solens varme mer effektivt. Noen spesialiserte samlere kan følge solen og oppnå temperaturer på opptil 400 ° C, men de er dyre. For å utvikle et billigere alternativ, forbedrer et team ledet av ingeniør Roland Winston ved University of California, Merced, utformingen av oppsamlingsrørene. Lagets rør inneholder et spesielt metallstykke som overfører varme raskt til et glykolvæske i et indre kobberrør.

Winstons team legger også buede ark av reflekterende materiale under ytre rør, noe som hjelper dem å samle solenergi når solen beveger seg gjennom himmelen. Systemet kan varme glykol til 200 ° C og testes nå med forskjellige kjølere.

Andre lag forlater absorpsjonskjølere bak og bygger helt nye systemer. En gruppe ledet av Stephen White ved Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) i Newcastle, Australia, har utviklet et tørkesykkel-system som siden juni 2016 har kjølt et kjøpesenter i Ballarat, Victoria. Først passerer omgivende luft gjennom et sakte roterende hjul som inneholder et materiale som absorberer fuktighet, slik at luften blir varm og tørr. Denne tørr luften beveger seg inn i et kammer hvor det får vann til å fordampe og derved senke temperaturen. Den kjølte, fuktige luften brukes til å avkjøle luft fra bygningen som går gjennom en separat rørledning. Den fuktige luften blir deretter utvist utenfor, og solvarme brukes til å tørke det fuktighetsadsorberende materialet i hjulet.

Nye tilnærminger er i orden fordi absorpsjonskjølere er dyre og kompliserte å bygge, sier Mike Dennis, en privat solkonsulent i Canberra. "De gir ingen mening, " sier han. Det er lettere å bruke fotovoltaiske paneler for å skifte sollys til elektrisitet, som deretter kan kjøre standard kompresjons klimaanlegg. Fallende priser på fotovoltaics gjør det slags system stadig mer attraktivt.

Fotovoltaics nyter nå fordeler av stordriftsfordeler, samt fra massive offentlige tilskudd og investeringer som solvarme teknologier ikke har, sier Mugnier. "Min frykt er at konkurransen er urettferdig."

En annen tilnærming er å skape en hybrid: en konvensjonell elektrisk komprimeringsmaskin som bruker varme fra solen for å hjelpe den energiregulerende kompressoren. Ecolins klimaanlegg på Hotel Star Sapphire er et eksempel.

For å lage systemet, satt Chia en U-formet koblingskobling inn i hvert solfangerrør og koblet kobberrørene til et langt bånd. Glykol inne i rørene overfører raskt varme fra rørene til en glykol tank. Et annet sett med kobberrør som inneholder kjølemiddel slanger gjennom tanken, oppvarmer kjølemediet. Kjølemidlet passerer deretter gjennom en kompressor. Det blir en gass lettere enn i et standard system fordi det allerede er varmt varmt.

Selskapet har installert mer enn 1000 klimaanlegg i 6 land, og i midten av 2018 vil det bli luftkondisjonering en sovesal på Singapores Nanyang teknologiske universitet. I side-til-side tester sier Ecoline at klimaanlegget har levert 35% energibesparelser sammenlignet med et standard høyeffektiv klimaanlegg. Hybridsystemene koster 15% mer å installere, men er billigere å kjøre og hente den ekstra utgiften på 2 år, basert på strømpriser i Singapore, sier Chia.

Proponenter er sikre på at kostnadene vil falle vesentlig dersom markedet for solvarme utvides. Winstons postdoc Lun Jiang bemerker at evakuert rør brukt til solvarmeoppvarming koster mer enn US $ 100 per meter på 1990-tallet, men koster bare 2-3 dollar på grunn av masseproduksjon drevet av utbredt bruk av systemene i Kina.

Andre sier at termiske teknologier kan få tilgang til spillvarme som fotovoltaik, som kun samler lys, kan ikke. De kan slå opp energi som konsentrerer seg i varme byer, industrianlegg og datasentre. Faktisk jobber Ecoline nå med et datasenter-styringsselskap i Indonesia for å avkjøle anlegg med egen avfallsvarme.

Den slags tilnærming gir god termisk følelse, sier Chia. "Jo bedre jo bedre."

Denne artikkelen er reprodusert med tillatelse og ble først publisert 31. januar 2017.

AntennestasjonEr virusene levende?Å øke Volt-Age: Er Obamas mål om 1 million elektriske kjøretøy på US Highway i 2015 Realistisk?Arktisk rapportkort: Sviktende å stoppe oppvarmingAmerikanske Brødkurv Skift Takket være KlimaendringGode ​​nyheter etter Gulf spill: Turtle redningsplan lykkesBrukte batterier kan hjelpe California Store fornybar energiKlimaendring tilbyr grim langvarig prognose for sjømat