جامعة بوردو الأمريكية تعدّل مضخات حرارية سكنية لتعمل بالتيار المستمر، مما يخفض فاتورة الكهرباء بنسبة 12.5% إلى 16.7%

أخبار ar.wedoany.com، أكد باحثون في جامعة بوردو (Purdue University) الأمريكية أن المضخات الحرارية الهوائية السكنية المتوفرة تجارياً والمصممة أصلاً للعمل بأنظمة التيار المتردد (AC) التقليدية، يمكن تشغيلها مباشرة بالتيار المستمر (DC) بعد إجراء تعديلات طفيفة على الأجهزة، مع خسائر أداء ضئيلة للغاية.

أشار الباحثون إلى أن الشبكات النانوية للتيار المستمر (DC nanogrid) قادرة، مقارنة بالأنظمة التقليدية للتيار المتردد، على تقليل تحويلات الطاقة غير الضرورية إلى أقصى حد، مما يحقق زيادة في الكفاءة تتراوح بين 5% و15%، ويخفض فاقد توزيع الطاقة، ويحسن تنظيم الجهد الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك، تمكن هذه الشبكات المباني من العمل بشكل مستقل عند انقطاع التيار الكهربائي من الشبكة العامة، مما يعزز المرونة. ومع ذلك، لا تزال التكاليف المرتفعة للتركيب، وغياب المعايير الموحدة، والتحديات التقنية المتعلقة بحماية التيار المستمر وتوافر المعدات، تشكل عقبات رئيسية أمام انتشارها على نطاق واسع.

وللتغلب على هذه التحديات، طور فريق البحث "منزل الشبكة النانوية للتيار المستمر" (DC Nanogrid House)، وهو منزل عائلي واحد تم تجديده بمساحة 208 أمتار مربعة، ومجهز بنظام توليد كهروضوئي شمسي، وتخزين بالبطاريات، وشبكتي أسلاك مزدوجة للتيارين المتردد والمستمر، ونظام مخصص لإدارة الطاقة. يتيح هذا المنزل إجراء مقارنة مباشرة بين أداء التيارين المتردد والمستمر في ظروف حقيقية. وكان أحد المعالم الرئيسية هو تعديل مضخة حرارية متغيرة السرعة لتعمل بمصدرَي الطاقة (المتردد والمستمر)، نظراً لأن المضخة الحرارية تستهلك أكثر من ثلثي استهلاك الطاقة السنوي للمنزل. تدعم هذه المنصة التجريبية إجراء تقييم طويل الأمد للمباني السكنية التي تعمل بالتيار المستمر بشكل كامل.

قام الباحثون بتعديل مضخة حرارية سكنية منفصلة متغيرة السرعة بقدرة تبريد اسمية تبلغ 14 كيلوواط، وذلك عن طريق استبدال مدخل التيار المتردد القياسي فيها، لتعمل إما بالتيار المتردد أو بالتيار المستمر بجهد 350 فولتاً. قبل اختبار الوضعين، تمت معايرة الوحدة باستخدام مادة التبريد R-410A. أُجريت التجارب المخبرية في غرفة محكمة التحكم في درجة الحرارة والرطوبة، حيث تم قياس الأداء في ظل ظروف ثابتة قياسية مع تشغيل متغير السرعة، وتم التحقق من النتائج عبر فحص توازن الطاقة بين الهواء ومادة التبريد، وكان هامش الخطأ ضمن 6%.

بعد ذلك، أُجريت تجارب ميدانية في "منزل الشبكة النانوية للتيار المستمر" في ولاية إنديانا، باستخدام مضخة حرارية مماثلة، حيث تم تعديل الوحدة الخارجية فقط (المسؤولة عن أكثر من 90% من استهلاك الطاقة) لتعمل بالتيار المستمر، بينما بقيت الوحدة الداخلية تعمل بالتيار المتردد لأسباب تتعلق بالسلامة. تم اختبار النظام في ظروف تشغيل حقيقية، مع مراقبة مستمرة لدرجة الحرارة والضغط والطاقة الكهربائية باستخدام أجهزة استشعار معايرة ونظام لجمع البيانات.

تم تقييم كلا التكوينين (للتيار المتردد والتيار المستمر) في ظل ظروف جوية قابلة للمقارنة وقيم ضبط مماثلة، على الرغم من وجود اختلافات طفيفة في درجات الحرارة الخارجية بين مجموعتي البيانات. أظهرت النتائج توافقاً جيداً بين القياسات على جانبي الهواء ومادة التبريد، مع انحراف ضمن 6%. وأكد فريق البحث أن هذا الإعداد التجريبي يسمح بإجراء مقارنة موثوقة بين تشغيل التيار المتردد والتيار المستمر في ظل ظروف السرعة المتغيرة، سواء في المختبر أو في البيئات الحقيقية.

أظهرت التجارب المخبرية أن قدرة التبريد/التدفئة للمضخة الحرارية كانت متطابقة تقريباً في وضعي التيار المتردد والتيار المستمر، مع تغير طفيف في معامل الأداء (COP) باختلاف الفروق الحرارية. وأظهرت البيانات الميدانية أن استهلاك الطاقة يتغير بشكل متوقع مع الظروف الخارجية، دون وجود فروق ذات دلالة إحصائية بين تشغيل التيار المتردد والتيار المستمر.

علاوة على ذلك، أظهرت عمليات المحاكاة لأنظمة التيار المتردد البحتة، والأنظمة الهجينة (تيار مستمر جزئي)، والأنظمة الكاملة للتيار المستمر، أن أكبر فائدة تأتي من التخلي عن البنية التحتية للتيار المتردد البحتة، بينما توفر الأنظمة الكاملة للتيار المستمر فوائد إضافية طفيفة فقط. بشكل عام، يمكن للتكوين القائم على التيار المستمر أن يخفض فاتورة الكهرباء السنوية بنسبة تتراوح بين 12.5% و16.7% تقريباً، ويعود السبب الرئيسي إلى انخفاض فاقد التحويل. تأتي هذه التوفيرات بشكل أساسي من تقليل مراحل تحويل الطاقة وتحسين كفاءة المحولات.

ومع ذلك، أشار فريق البحث إلى أن هذه الدراسة محدودة بسبب التعديل المبسط للتيار المستمر، وتحديات التطبيع مع الظروف الجوية، والنمذجة المبسطة للمحولات، بالإضافة إلى إهمال التأثيرات الفعلية للشبكة النانوية للتيار المستمر مثل الاستقرار والحماية. يجب أن تشمل الأعمال المستقبلية شبكات نانوية كاملة للتيار المستمر على نطاق ميداني، وتحسين المحولات واختبار الضواغط، بالإضافة إلى تحليل أكثر تفصيلاً للتكاليف، لتقييم جدوى النشر في ظل الظروف الفعلية.

أكد الباحثون أن الفوائد الاقتصادية للشبكات النانوية للتيار المستمر تعتمد إلى حد كبير على مستوى تغلغل الطاقة الشمسية الكهروضوئية، خاصة في المناخات الباردة مثل ولاية إنديانا. صرح آرون فارها، المؤلف المسؤول للدراسة، لمجلة pv: "أتوقع أن تكون توفيراتنا حساسة جداً لمستوى تغلغل الطاقة الشمسية الكهروضوئية، خاصة في المناخات الباردة مثل إنديانا". وأشار إلى أنه في مثل هذه الأنظمة، يمكن تخزين فائض التوليد الكهروضوئي خلال النهار في الشتاء لاستخدامه لاحقاً، خاصة وأن الطلب على التدفئة في المباني عادة لا يتزامن مع ذروة التوليد الشمسي. عادةً ما ينحرف حمل الذروة للتدفئة في المباني في الشتاء تماماً عن ذروة التوليد الكهروضوئي، مما قد يزيد من قيمة التخزين ويزيد من إجمالي التوفير في الكهرباء للمنازل عالية الكهربة (حيث تهيمن المضخة الحرارية على استهلاك الطاقة).

أظهرت نتائج المحاكاة أيضاً أن تصميم النظام يؤثر بشكل كبير على معدل استخدام الطاقة الكهروضوئية. بلغ إجمالي التوليد السنوي للنظام الكهروضوئي 15.2 ميغاواط/ساعة، وكان صافي الطاقة المخرجة في تشغيل التيار المتردد 6.8 ميغاواط/ساعة، بينما كان حوالي 7 ميغاواط/ساعة في تكوين التيار المستمر. قال آرون فارها: "هذا يعني أن معدل الاستهلاك الذاتي للمضخة الحرارية في تشغيل التيار المتردد هو 54.6%، بينما هو 53% في تشغيل التيار المستمر، مما يعني أن لدينا طاقة إجمالية أكبر يمكن إخراجها".

من الناحية التشغيلية، لوحظ أن تأثير تقلبات الطاقة الشمسية الكهروضوئية على سلوك المضخة الحرارية كان محدوداً، وذلك لأن استقرار النظام يتم الحفاظ عليه إلكترونياً. ومع ذلك، لا تزال قيود التكامل تشكل تحدياً. تابع آرون فارها قائلاً: "عندما كانت المضخة الحرارية تعمل، لم نتمكن من تشغيل النظام الكهروضوئي أو البطارية في شبكتنا النانوية للتيار المستمر، ويرجع ذلك أساساً إلى عدم وجود وحدة تحكم كاملة في استقرار القضبان الكهربائية".

في الختام، أشار المؤلفون إلى أن حجم النظام يلعب دوراً حاسماً في الجدوى الاقتصادية. على الرغم من أن المنزل قيد الدراسة حقق توفيراً متواضعاً في الكهرباء، حيث بلغ صافي التوفير السنوي المقدر من تعديل التيار المستمر حوالي 60 دولاراً فقط؛ إلا أنه من المتوقع أن تستفيد الأنظمة الأكبر حجماً بشكل أكثر وضوحاً. خاصة بالنسبة للأنظمة التجارية أو الصناعية الأكبر، فإن التوفير المتوقع بنسبة 12% إلى 16% سيكون أكثر أهمية، مما يشير إلى أن الشبكات النانوية للتيار المستمر قد تصبح أكثر جاذبية اقتصادياً مع زيادة حجم النظام ومستوى تغلغل الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

نُشرت نتائج الدراسة ذات الصلة في العدد الأخير من مجلة "Applied Energy" تحت عنوان "الاختبارات المخبرية والميدانية لتعديل مضخة حرارية سكنية لتعمل ضمن شبكة نانوية شمسية للتيار المستمر" (Laboratory and field testing of a residential heat pump retrofit for a DC solar nanogrid).