חקירה ניסיונית בשטח של ביצועי אנרגיה ואקסרגיה במאסף אוויר תרמי סולארי חדשני

להפוך את קרני השמש לאוויר חם שימושי

שמירה על בתים חמים, ייבוש מזון או חימום מקדים של אוויר טרי לבניינים בדרך כלל דורשים שריפת דלק או שימוש בחשמל. מחקר זה בוחן דרך חכמה יותר: מכשיר חימום אוויר סולארי מעוצב מחדש שמנצל רק את אור השמש לחמם אוויר נעה ביתר יעילות. על‑ידי עיצוב מדויק של חתיכות המתכת שמכוונות את האוויר בתוך המאסף, מציגים החוקרים כיצד ניתן לסחוט יותר חום שימושי מאותה כמות שמש — רעיון שיכול להפחית חשבונות אנרגיה ופלטי זיהום בבתים, בחוות ותעשיות קטנות.

מדוע חימום סולארי משופר חשוב

סגנון החיים המודרני שלנו תלוי במידה רבה בדלקים מאובנים לחימום, תחבורה וייצור חשמל. דלקים אלה הם משאבים מוגבלים ומהווים מקור מרכזי לפחמן דו‑חמצני המחמם את האקלים. מאספי אוויר סולאריים עם צלחת שטוחה — בתכליתם תיבות רדודות הלוכדות שמש כדי לחמם אוויר — מציעים אלטרנטיבה נקייה למשימות כמו ייבוש תבואה, חימום חללים וחימום מקדים לאיוורור. הם פשוטים ולרוב זולים יחסית, אך חסרון מרכזי מעכב אותם: לוח המתכת החם בפנים אינו מעביר את חומו לאוויר הזורם ביעילות המקסימלית, ולכן חלק ניכר מהאנרגיה הסולארית הנתפסת מבוזבז. שיפור העברת החום הזו הוא מוקד העבודה הזו.

עיצוב פנימי חדש למאספי שמש

הצוות בנה מערכת מבחן חיצונית בקנה מידה מלא במלזיה, מבוססת על מאסף אוויר סולארי בעל צלחת שטוחה. בפנים הוסיפו שורות של סנפירים חלולים חדשים בצורה של "חצי‑סטדיום" — חלקי מתכת בצורת קשת מעוגלת עם חלל פנימי — המסודרים במספר רמות מפוזרות. סמוך לפתיחת האוויר התקינו מחיצות קטנות, כמו קירות זעירים, כדי לערבל ולהכוון מחדש את האוויר הנכנס כך שיישפשש ביתר יסודיות במשטחים החמים. האוויר עובר שתי פעמים: בהתחלה זורם לאורך תעלה אחת, מתכופף סביב מקטע בצורת U, ואז חוזר דרך תעלה אחרת, וקולט חום נוסף בכל מעבר. שילוב זה של סנפירים מיוחדים, מחיצות ותצורת מעבר כפול מיועד להגדיל את מגע האוויר עם המתכת החמה מבלי להפוך את המערכת למורכבת מדי.

מדידת גידול החום והעבודה השימושית

במהלך שלושה ימים שמשיים הפעילו החוקרים את המאסף בשלושה קצבי זרימת אוויר שונים — איטי, בינוני ומהיר — ומדדו טמפרטורות בנקודות רבות, לצד רמות קרינה ומצב מזג האוויר. לאחר מכן חישבו שני סוגי ביצועים. הראשון, שנקרא יעילות אנרגיה, עונה על השאלה: "איזו חלק מהאנרגיה הסולארית הנכנסת הופכת לחום הנשא על ידי האוויר היוצא?" השני, שנקרא יעילות אקסרגיה, בוחן כמה מהחום הזה באמת שימושי לעשייה של עבודה, כגון מתן עליית טמפרטורה משמעותית לייבוש או לחימום. כדי לאמת את מדידותיהם בנו גם מודל מחשב מפורט של זרימת אוויר והעברת חום והשוו את תחזיותיו לנתוני החוץ.

מה גילו הניסויים

המאסף המעוצב מחדש הגיע ליעילות אנרגטיות בטווח של כ‑13% עד 72%, כאשר הערך הטוב ביותר — 71.91% — התקבל תחת שמש חזקה (כ‑800 וואט למטר רבוע) ובזרימת אוויר הגבוהה ביותר. בפשטות, בתנאי שמש טובים וזרימת אוויר מהירה כמעט שלושת רבעי מאור השמש הפוגע במכשיר הפך לחום שימושי באוויר היוצא. עם זאת, התמונה משתנה כאשר בוחנים את האקסרגיה, מדד לערכו של החום. יעילות האקסרגיה הגבוהה ביותר, 17.06%, התקבלה בזרימת האוויר הנמוכה ביותר. בקצבי זרימה איטיים נשאר האוויר יותר זמן בפנים ויוצא חם יותר, מה שמועיל במיוחד למשימות כמו ייבוש מזון או חימום חללים, אף על פי שהתפוקה הכוללת של חום נמוכה במקצת. ככל שהאוויר נע מהר יותר, נצבר חום גדול יותר באופן כולל, אך כל יחידת חום הופכת במעט לפחות "בעלת איכות גבוהה" ויעילות האקסרגיה יורדת.

מדוע העיצוב הזה מבטיח

בעבור קהל לא‑מומחה, התמצית ברורה: על‑ידי עיצוב מחדש של סנפירי המתכת בתוך מאסף אוויר סולארי והכוונת האוויר בצורה חכמה יותר, המערכת מפיקה הרבה יותר מאותה כמות שמש בהשוואה לעיצובים קודמים. בזרימה גבוהה היא מצטיינת בקצירת כמויות חום גדולות ביעילות; בזרימה נמוכה היא מספקת אוויר חם במיוחד שמתאים במיוחד לייבוש וחימום חללים. התאימות בין ניסויים חיצוניים וסימולציות מחשב — והעובדה שהביצועים גוברים על מספר מחקרים קודמים — מצביעים על כך שהגישה הזו מוכנה להיות מותאמת למייבשי שמש מעשיים, לאיוורור בניינים ולצרכי חימום בטמפרטורה נמוכה אחרים, ולסייע בהעברתה של צריכת האנרגיה היומיומית לעבר עתיד נקי יותר.

ציטוט: Rahmat, M.A.A., Ibrahim, A., Al-Aribe, K.M. et al. Field-based experimental investigation of energy and exergy performances of a novel solar thermal air collector. Sci Rep 16, 6621 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37250-2

מילות מפתח: מאסף אוויר סולארי, תרמי סולארי, חימום מתחדש, יעילות אנרגטית, ניתוח אקסרגיה