Badania terenowe wydajności energetycznej i egzergii nowego solarnego kolektora powietrznego

Przekształcanie promieniowania słonecznego w użyteczne ciepłe powietrze

Utrzymywanie ciepła w domach, suszenie żywności czy podgrzewanie świeżego powietrza do budynków zwykle wiąże się ze spalaniem paliw lub użyciem energii elektrycznej. Niniejsze badanie pokazuje mądrzejsze rozwiązanie: przeprojektowany solarny ogrzewacz powietrza, który wykorzystuje wyłącznie światło słoneczne do efektywniejszego ocieplania przepływającego powietrza. Poprzez staranne kształtowanie metalowych elementów prowadzących powietrze wewnątrz kolektora, badacze pokazują, jak uzyskać więcej użytecznego ciepła z tej samej ilości światła — pomysł, który może obniżyć rachunki za energię i emisje w domach, na farmach i w małych zakładach przemysłowych.

Dlaczego lepsze ogrzewanie słoneczne ma znaczenie

Nasz współczesny styl życia w dużym stopniu polega na paliwach kopalnych do ogrzewania, transportu i produkcji elektryczności. Paliwa te są ograniczone i stanowią główne źródło dwutlenku węgla powodującego ocieplenie klimatu. Płaskie kolektory powietrzne — w zasadzie płytkie skrzynki zatrzymujące światło, aby ogrzać powietrze — oferują czystą alternatywę dla zastosowań takich jak suszenie plonów, ogrzewanie pomieszczeń czy wstępne podgrzewanie wentylacji. Są proste i stosunkowo tanie, ale jedną z ich słabości jest to, że gorąca metalowa płyta wewnątrz nie przekazuje ciepła przepływającemu powietrzu tak skutecznie, jak mogłaby, więc wiele pochłoniętej energii słonecznej jest marnowane. Poprawa tego przekazywania ciepła jest celem tej pracy.

Nowy układ wnętrza kolektorów solarnych

Zespół zbudował pełnoskalowy system testowy na zewnątrz w Malezji oparty na płaskim kolektorze powietrznym. Wewnątrz dodano rzędy nowych pustych żeber w kształcie „półstadionu” — metalowych elementów uformowanych jak zaokrąglony łuk, z pustą wnęką — rozmieszczonych na kilku przesuniętych poziomach. Przy wlocie powietrza zamontowano małe przepierzenia, jak drobne ścianki, które mieszają i przekierowują napływające powietrze, tak aby dokładniej przylegało do gorących powierzchni. Powietrze wykonuje podwójny przebieg: najpierw przepływa kanałem w jedną stronę, obiega sekcję z zawrotem U, a następnie wraca przez inny kanał, zbierając przy tym dodatkowe ciepło. To połączenie specjalnych żeber, przepierzeń i układu z podwójnym przepływem ma na celu zwiększenie kontaktu między powietrzem a gorącym metalem bez nadmiernego skomplikowania systemu.

Pomiary pozysku ciepła i użytecznej pracy

Przez trzy słoneczne dni badacze prowadzili kolektor przy trzech różnych natężeniach przepływu powietrza — wolnym, średnim i szybkim — i mierzyli temperatury w wielu punktach oraz natężenie promieniowania słonecznego i warunki pogodowe. Następnie obliczyli dwa rodzaje wydajności. Pierwsza, zwana sprawnością energetyczną, odpowiada na pytanie: „Jaka część dopływającej mocy słonecznej przekształca się w ciepło niesione przez powietrze?” Druga, zwana sprawnością egzergii, dotyczy tego, ile z tego ciepła jest naprawdę użyteczne do wykonania pracy, na przykład zapewnienia dużego wzrostu temperatury przy suszeniu lub ogrzewaniu. Aby zweryfikować pomiary, stworzyli też szczegółowy model komputerowy przepływu powietrza i wymiany ciepła i porównali jego prognozy z danymi terenowymi.

Co wykazały eksperymenty

Przeprojektowany kolektor osiągnął sprawności energetyczne w przedziale około 13% do 72%, przy czym najlepsza wartość — 71,91% — wystąpiła przy silnym nasłonecznieniu (około 800 watów na metr kwadratowy) i najwyższym przepływie powietrza. Mówiąc prościej, przy dobrym świetle i szybkim przepływie prawie trzy czwarte padającego światła słonecznego zamieniało się w użyteczne ciepło w powietrzu wychodzącym. Jednak obraz zmienia się przy analizie egzergii, czyli miary wartości tego ciepła. Najwyższa sprawność egzergii, 17,06%, wystąpiła przy najniższym przepływie powietrza. Przy wolnym przepływie powietrze spędza więcej czasu wewnątrz i wychodzi dużo gorętsze, co jest szczególnie pomocne do takich zadań jak suszenie żywności czy ogrzewanie pomieszczeń, choć całkowita moc cieplna jest nieco niższa. Gdy powietrze porusza się szybciej, zbierane jest więcej ciepła ogółem, ale jednostka tego ciepła staje się nieco mniej „wysokiej jakości” i sprawność egzergii spada.

Dlaczego ten projekt jest obiecujący

Dla osób niebędących specjalistami sedno jest proste: poprzez zmianę kształtu metalowych żeber wewnątrz kolektora powietrznego i bardziej przemyślane prowadzenie powietrza, system ten uzyskuje znacznie więcej z tej samej ilości światła niż wcześniejsze konstrukcje. Przy wysokim przepływie znakomicie zbiera duże ilości ciepła efektywnie; przy niskim dostarcza gorętsze powietrze, szczególnie przydatne do suszenia i ogrzewania przestrzeni. Fakt, że zarówno eksperymenty terenowe, jak i symulacje komputerowe się zgadzają — oraz że wydajność przewyższa kilka wcześniejszych badań — sugeruje, że podejście to nadaje się do zastosowania w rzeczywistych suszarniach słonecznych, wentylacji budynków i innych potrzebach ogrzewania niskotemperaturowego, pomagając przesunąć codzienne zużycie energii w kierunku czystszej przyszłości.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: kolektor powietrzny słoneczny, technologia słoneczna, odnawialne ogrzewanie, efektywność energetyczna, analiza egzergii