الاقسام الادارية مركز المستقبل لبحوث الطاقة
يهدف هذا البحث إلى تلبية الحاجة الماسة لأنظمة تبريد مستدامة في البيوت المحمية، لا سيما في التخفيف من آثار الاحتباس الحراري وتعزيز الأمن الغذائي في جميع أنحاء العالم. وتزداد الحاجة الملحة في المواقع التي تشهد درجات حرارة ورطوبة محيطة عالية. وتقدم الدراسة نظام تبريد مبتكرًا يدمج مادة تغيير الطور، وعجلة تجفيف، ومبرد امتصاص، يعمل بالطاقة الشمسية وطاقة الكتلة الحيوية. ويهدف هذا النظام الجديد إلى تنظيم درجة الحرارة والرطوبة بكفاءة في بيئات البيوت المحمية. وقد تم فحص أداء هذا النظام في أبوظبي والدوحة والرياض خلال أشهر الصيف، باستخدام برنامج TRNSYS لنموذج بيت محمي متوسط الحجم. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تقييم شامل لدورة الحياة لتحديد الآثار البيئية للنظام المقترح. وتشير النتائج إلى أن النظام في أبوظبي يُنتج معامل أداء (COP) قدره 1.108، مما يحافظ بفعالية على ظروف المناخ الداخلي. وبالمثل، تُظهر الدوحة والرياض معاملي أداء قدره 1.015 و0.827 على التوالي. فيما يتعلق باستخدام الطاقة الشمسية، تُظهر أبوظبي نسبةً شمسيةً قدرها 40.4، وهو ما يُعادل أدنى احتمالية للاحتباس الحراري العالمي (GWP) عند 0.106 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوواط واحد من سعة التبريد المُقدمة. في المقابل، تُسجل الرياض أعلى احتمالية للاحتباس الحراري العالمي عند 0.149 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون، تليها الدوحة عند 0.118 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون. يُحسب زمن استرداد الطاقة (EPBT) للنظام في أبوظبي بـ 3.96 سنة، وهو الأقصر بين المدن التي خضعت للدراسة. وبالمقارنة، تُقدم الدوحة والرياض زمن استرداد طاقة أطول يبلغ 4.48 و5.83 سنة على التوالي. تُشير هذه النتائج إلى أن النظام المُقترح يُوفر بديلاً عمليًا وصديقًا للبيئة لأساليب التبريد التقليدية في البيوت الزجاجية. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/ S2352152X24034571
هناك تركيز متزايد على اعتماد مصادر طاقة صديقة للبيئة للتخفيف من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتعزيز الاستدامة. في حين أن مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية تقدم فوائد عديدة، إلا أن لها بعض القيود. بالإضافة إلى ذلك، فإن تخزين الكهرباء المولدة من الألواح الشمسية يمكن أن يكون مكلفًا وصعبًا بسبب القيود في تكنولوجيا البطاريات وسعة التخزين. لذلك، توفر أنظمة تخزين الطاقة الحرارية القائمة على مادة تغيير الطور حلاً واعدًا لهذه التحديات. تلعب هذه الأنظمة أيضًا دورًا حاسمًا في تعزيز كفاءة الطاقة في المباني واستدامتها. تؤثر أبعاد هذه الأنظمة على أدائها. غالبًا ما تعتمد الأنظمة التقليدية على أبعاد ثابتة، مما يؤدي إلى ظروف حرارية غير موحدة داخل وسيط التخزين. لمواجهة هذه التحديات، أوصي باعتماد آلية تخزين الحرارة المدمجة الكامنة (C-LHS) في هذا التقرير. بالإضافة إلى ذلك، تم إدخال بعض الزعانف في نظام C-LHS لتغيير ديناميكيات نقل الحرارة داخل الجهاز. تم تغيير ثلاثة من المعلمات المهمة للزعانف لدراسة تأثيرها على وقت الشحن. تم استخدام الشبكات العصبية الاصطناعية والخوارزميات الوراثية لتحديد الوضع الأمثل للزعانف لتقليل مدة المادة للحصول على كل من قدرات الذوبان الجزئية (نسبة الذوبان 0.8) والكاملة (نسبة الذوبان 1). هنا، كان الهدف الأساسي هو تقديم نموذج تنبؤي قادر على التنبؤ بدقة بوقت شحن المادة. في جميع العينات ذات الزعانف المقدمة، ذابت PCM بالكامل في أقل من 15110 ثانية (4 ساعات و12 دقيقة) وتمكنت من الاستفادة الكاملة من سعة امتصاص الطاقة في الشكل الكامن، بينما في النظام غير ذي الزعانف، تمكنت 68.6٪ فقط من المادة من الذوبان خلال مدة البحث الكاملة (5 ساعات). بعد تحليل البيانات، تم تقديم تكوينين مثاليين لـ OS1 وOS2 مع الحد الأدنى من الوقت لنسب الذوبان 0.8 و1. في تكوين OS2، استغرق الأمر 16200 ثانية (4 ساعات و30 دقيقة) لامتصاص 4929 كيلو جول من الطاقة. امتصت العينة غير الزعانف 3250 كيلوجول فقط من الطاقة خلال الفترة نفسها. وبشكل عام، حقق OS2 امتصاصًا إجماليًا للطاقة أسرع بنسبة 51.6% من العينة غير الزعانف. لذلك، يتمتع النظام المُقدم بالقدرة على زيادة الطاقة الممتصة في بقية ساعات النهار إلى كميات أكبر من خلال زيادة عدد الوحدات واستخدام كمية أكبر من المواد. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/ S2352152X24035527
تقدم هذه الدراسة تحليلًا ترموديناميكيًا متعمقًا وتحسينًا لنظام طاقة متجددة متكامل يدمج نظامًا حراريًا أرضيًا مزدوج الوميض مع دورة رانكين لثاني أكسيد الكربون عبر الحرجة، باستخدام خوارزميات التعلم الآلي. يهدف التصميم المبتكر إلى تعظيم التوليد المتزامن للحرارة والكهرباء، مما يعود بالنفع في نهاية المطاف على الاستدامة البيئية وأمن الطاقة. من خلال استخدام خوارزميات التعلم الآلي الانحداري، يقيم البحث ويعزز أداء النظام، محققًا مستويات دقة R-squared رائعة تبلغ 98.86٪ لمخرجات التدفئة و99.89٪ لتوقعات خرج الطاقة. تؤكد النمذجة الترموديناميكية، التي تم التحقق من صحتها مقابل معايير معترف بها، دقة تصميم النظام. تشير نتائج التحسين إلى أن ضغوط التشغيل بين 840 و870 كيلو باسكال ونسب الضغط من 1.56 إلى 1.60 توفر مخرجات مثالية، مع إنتاج طاقة بين 2582 و2585 كيلو واط ونات تدفئة تتراوح من 12260 إلى 12280 كيلو واط. يصل النظام إلى أقصى أداء له عند ضغط 850 كيلو باسكال ونسبة ضغط 1.57، مما ينتج عنه طاقة ناتجة قدرها 2583.97 كيلو واط وطاقة تسخين ناتجة قدرها 12279.3 كيلو واط. تُبرز هذه النتائج إمكانية دمج أنظمة الديناميكا الحرارية المتقدمة مع منهجيات التعلم الآلي لتحسين كفاءة وفعالية مصادر الطاقة المتجددة. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S2214157X24012413
يستكشف الباحثون حلولاً مبتكرة لتخزين الطاقة الحرارية لمواجهة التحديات التي تفرضها مصادر الطاقة المتجددة المتقطعة، وتعزيز كفاءة الطاقة، والمساهمة في التحول العالمي نحو ممارسات طاقة أنظف وأكثر استدامة. وفي إطار السعي إلى نظام مثالي لتحسين كفاءة إطلاق/امتصاص الحرارة لمواد تغيير الطور (PCMs)، تم تصميم نظام فريد لتخزين الحرارة الكامنة على شكل غلاف وأنبوب بأربع زعانف مستطيلة. وتم فحص سلوكيات ذوبان وتصلب المادة في هذا الجهاز من خلال التلاعب بموضع الأنبوب داخل الغلاف والزعانف المحيطة به. وتم النظر في ست حالات مختلفة مثل الحالة أ (الأنبوب في وسط الغلاف)، والحالة ب (الأنبوب في الجزء العلوي من الغلاف)، والحالة ج (الأنبوب في أسفل الغلاف)، والحالة د (الأنبوب في وسط الغلاف مع زعانف على جوانبها)، والحالة E (أنبوب في الجزء العلوي من الغلاف مع وجود زعانف في قسمه السفلي)، والحالة F (أنبوب في الجزء السفلي من الغلاف مع وجود زعانف في قسمه العلوي). كانت الحالتان D وE أفضل الخيارات لامتصاص الحرارة وإطلاقها في أقصر وقت. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن الحالة F كانت أسرع أثناء عملية الصهر وتأخرت في المراحل النهائية. اقترح المؤلفون أنه إذا كان تحقيق نتيجة متوازنة دون تكبد تكاليف إضافية أمرًا ضروريًا، فإن الحالة D هي خيار مناسب لأنها توفر أداءً معقولاً في عمليات الصهر والتصلب. ومع ذلك، لنفترض أن الباحثين والمطورين لأنظمة تخزين الطاقة يسعون إلى تحقيق أداء أعلى حيث يحدث امتصاص الحرارة وإطلاقها بسرعة أكبر. في هذه الحالة، يُقترح بناء إحدى الحالتين، E أو F، وتنفيذ آلية دوران لتمكين الوصول إلى الحالة الأخرى. بناءً على النتائج، احتاجت الحالتان D وF إلى 6235 ثانية و7552 ثانية، على التوالي، للذوبان الكامل. بينما تطلبت جميع الحالات أكثر من 3 ساعات لتصلب 80% من PCM. سرعة الذوبان الكاملة للحالة F أسرع بنسبة 21.12% من سرعة الحالة D. بالإضافة إلى ذلك، فإن الوقت المطلوب للتصلب بنسبة 50% أسرع بنسبة 14.79% للحالة E مقارنة بالحالة D. خلال 3 ساعات، يمكن لهذا النظام امتصاص 1172 كيلوجول من الطاقة (الحالتان D وF) وإطلاق 893 كيلوجول من الطاقة (الحالتان D وE). https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/ S2352152X24014658?via%3Dihub
تم دراسة توليد الإنتروبيا ونقل الحرارة بالحمل الحراري في حجرة مسامية جزئيًا ذات درجات حرارة مختلفة للجدار الجانبي باستخدام CuO-H2O. تكمن أهمية هذه المسألة في التطبيق الواسع للنتائج في المجمعات الشمسية، وأنظمة البثق الحراري، والمبادلات الحرارية، والطب الحيوي، والتخلص من النفايات النووية، وما إلى ذلك. يرتبط ابتكار هذا العمل بدراسة مجالات السوائل والحرارة وتوليد الإنتروبيا باستخدام مصفوفة مع تبعية المسامية للمحور الرأسي، والنفاذية، والتوصيل الحراري، واللزوجة مع تبعية المسامية. للحصول على نتائج دقيقة، تم استخدام نموذج الخليط ثنائي الطور، وتمت محاكاة التوصيل الحراري ولزوجة السوائل النانوية بواسطة نماذج تجريبية من خلال الاعتماد على درجة الحرارة وكسر الحجم. يتم حل المعادلات الحاكمة بواسطة FVM تشير النتائج الرئيسية إلى أن أفضل وأسوأ عامل تحسين يحدث في المصفوفة المسامية ε = ε(y2) وε = -ε(y2) على التوالي، أي 113% و86% من NH للمصفوفة المتجانسة على التوالي. كما أن زيادة ملء التجويف تُحسّن NH بشكل كبير، بحيث تصل قيمة NH من 1.19 إلى 1.82 مع زيادة S من 0.25 إلى 1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214157X24005161?via%3Dihub
يقترح العمل الحالي نظامًا مبتكرًا لإزالة الكربون من مزيج الطاقة وتسريع عملية التحول الأخضر في جميع أنحاء العالم. يتم تشغيل النظام بواسطة هاضم الكتلة الحيوية مدمج مع دورة ثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة لتوليد الطاقة ووحدة تحلية متعددة التأثيرات لإنتاج مياه الشرب. يكمن جوهر هذا المفهوم في حقن الهيدروجين الإضافي من خلال محلل كهربائي بغشاء تبادل البروتون يعتمد على الألواح الكهروضوئية. يتم تقييم الجوانب التقنية والبيئية والاستدامة والاقتصادية للنموذج المبتكر المقترح ومقارنتها بنظام مماثل بدون حقن الهيدروجين. بعد ذلك، يتم تطبيق تحسين مقارن متعدد المعايير لإيجاد أفضل الظروف من جوانب مختلفة تعتمد على الخوارزمية الجينية وتقنيات التعلم الآلي. بعد ذلك، يُحلل أداء النظام في ظروف مثالية مختلفة ويُقارن من خلال تقييم أهم المؤشرات التقنية والاقتصادية والبيئية ومؤشرات الاستدامة. يشير التقييم البارامتري الذي يُقارن نماذج مختلفة إلى أن النموذج الجديد المقترح، بما في ذلك زيادة حقن الهيدروجين، يتفوق على النظام الأساسي من حيث كفاءة الأداء والانبعاثات وتكاليف الطاقة. في سيناريو التحسين الأول، تُظهر الطريقة المقترحة متانة من خلال تحقيق إنتاج أعلى للمياه يبلغ 1456 كجم/ثانية، وتكلفة إجمالية أقل تبلغ 118 دولارًا/ساعة، وطاقة صافية أعلى تبلغ 1.1 ميجاوات من حالة التصميم. عندما باعتبار مؤشر الاستدامة، وتكلفة الطاقة، ومقياس الانبعاثات هدفًا للتحسين، يتم تغيير قيمها من 0.81 إلى 0.85، ومن 92.5 دولار/ميغاواط/ساعة إلى 89.7 دولار/ميغاواط/ساعة، ومن 64.2 كجم/ميغاواط/ساعة إلى 53.6 كجم/ميغاواط/ساعة. تُظهر النتائج أيضًا أنه عند إعطاء الأولوية لمؤشر الاستدامة، وتكلفة الطاقة، والانبعاثات كأهداف، فإن جميع المكونات تحقق أداءً أفضل من ناحية جودة تحويل الطاقة مقارنةً بالسيناريو الذي يكون فيه إنتاج المياه، والتكلفة الإجمالية، وصافي الطاقة هي أهداف التحسين. أخيرًا، يُلاحظ أن غرفة الاحتراق والألواح الشمسية هي أسوأ المكونات من ناحية عدم الانعكاس بسبب أعلى معدل تدمير للطاقة. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0957582024004786? ٤/٣ عبر%3Dihub
توضح هذه الدراسة تطوير نظام طاقة شمسية يستفيد من تقنية الطاقة الشمسية المركزة (CSP) لتوفير كل من الكهرباء ومياه الشرب للتطبيقات السكنية. يدمج الهيكل الحراري المقترح بشكل فريد حقول الطاقة الشمسية الهليوستات مع دورة توليد طاقة ثنائية الحلقة، معززة بنظام تحلية مياه البحر الذي يستخدم أغشية التناضح العكسي (RO). لتعزيز إنتاج الكهرباء، تم دمج مولد حراري كهربائي (TEG) في إطار تصميم النظام. تم إجراء تحليل شامل للنظام، يشمل التقييمات الديناميكية الحرارية والاقتصادية. علاوة على ذلك، تم إجراء تحليل بارامتري للتحقيق في آثار المعلمات الحرجة على الكفاءة التشغيلية للنظام تم تقييم فعالية النظام بدقة من خلال دراسة حالة فحصت قدراته على مخرجات الإنتاج اليومية. يستكشف هذا البحث، الذي يستند إلى التوقعات التحليلية من المملكة العربية السعودية والظروف البيئية المواتية المميزة للمنطقة، الأداء التشغيلي للنظام ضمن هذا السياق الجغرافي المحدد. الهدف الأساسي من هذا البحث هو تحديد المعلمات التشغيلية المثالية من خلال استخدام أساليب تحسين متعددة المعايير مصممة خصيصًا للنظام القائم. وُجد أن الاختلافات في نسب ضغط الضاغط تؤثر بشكل كبير على أداء دورة برايتون والكفاءة الحرارية للنظام، مع تحقيق الكفاءة الاقتصادية المثلى عند نسبة ضغط محددة. علاوة على ذلك، فإن زيادة درجات حرارة المدخل في دورة رانكين العضوية قد ثبت أنها تعمل على تحسين كفاءة النظام حتى حد معين، والذي يمكن أن تنشأ بعده مشكلات محتملة في الموثوقية. أظهرت دراسة الحالة أن توليد الكهرباء يبلغ ذروته خلال أشهر الصيف، وخاصة في يونيو، بما يتماشى مع حجم كبير من إنتاج المياه العذبة يبلغ إجماليه 264,530 مترًا مكعبًا. حققت جهود التحسين كفاءة حرارية بنسبة 17.69% وتكلفة إجمالية قدرها 359.58 دولارًا في الساعة. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214157X24015946
مع استمرار ارتفاع الطلب العالمي على الطاقة، تبرز حاجة ملحة لتحسين كفاءة واستدامة أنظمة توليد الطاقة. وقد دمجت هذه الدراسة وحدات ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج المعدل (S-CO2) وتحلية المياه متعددة التأثيرات (MED) لاستعادة الحرارة المتبقية من دورة توربينات الغاز (GTC) على مرحلتين، مما عزز إنتاج الكهرباء بشكل كبير مع تقليل البصمة البيئية لدورة توربينات الغاز. وتكمن أهمية هذه الدراسة في نهجها الشامل، الذي يجمع بين التحليلات الديناميكية الحرارية والبيئية والحرارية الاقتصادية، إلى جانب تقييمات حساسية شاملة. وقد طُبّق إطار عمل ثلاثي التحسين لتحسين أداء النظام، مع التركيز على مقاييس رئيسية مثل كفاءة الطاقة، ومعدلات خفض ثاني أكسيد الكربون، وتكلفة الطاقة المُستوية، باستخدام نموذج NSGA-II وطريقة صنع القرار TOPSIS في برنامج MATLAB. تم تقييم الجدوى الاقتصادية من خلال تحليل القيمة الحالية الصافية (NPV)، مما يدل على ربحية كبيرة. وأخيرًا، تم إجراء دراسة مقارنة لمعدل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون للنظام المُصمم لمصادر طاقة متجددة مختلفة. أحد التطبيقات المحددة للنظام المُصمم هو قدرته على توليد 1.415 متر مكعب/ساعة من الماء المقطر مع توليد 1.441 كيلوواط من الكهرباء. حدد تحليل الحساسية درجة حرارة غرفة الاحتراق كأهم معلمة تصميم، مع مؤشر حساسية يبلغ 0.328. أظهرت المؤشرات الاقتصادية المثلى تحسنًا ملحوظًا، حيث زادت القيمة الحالية الصافية من 2.371 مليون دولار أمريكي إلى 10.75 مليون دولار أمريكي، وانخفضت فترة الاسترداد من 13.28 عامًا إلى 7.18 عامًا. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S2214157X24015235