Eksperymentalne badanie cech energetycznych i egzergicznych nowego kolektora słonecznego z odwróconym wirowym strumieniem uderzeniowym

Dlaczego utrzymanie chłodu paneli słonecznych ma znaczenie

Panele słoneczne stają się filarem czystej energii, ale mają swoją słabą stronę: nie znoszą przegrzewania. Gdy panel nagrzewa się od słońca, temperatura jego powierzchni rośnie, a zdolność przekształcania światła w energię elektryczną systematycznie spada. W tym badaniu zbadano nowy sposób utrzymywania paneli w niższej temperaturze, wykorzystując sprytnie ukształtowane kanały powietrzne pod nimi, co zwiększa zarówno ich moc wyjściową, jak i ilość użytecznej energii, jaką możemy pozyskać ze słońca.

Nowe podejście do chłodzenia paneli

Większość systemów dachowych po prostu wystawia tył panelu na naturalny przepływ powietrza. Inżynierowie wiedzą, że można to poprawić, wtłaczając powietrze lub wodę za panelem, aby odprowadzić ciepło. Zespół stojący za tym projektem skupił się na powietrzu, które jest darmowe, czyste i łatwe w obsłudze. Bazując na wcześniejszych rozwiązaniach z „uderzeniem strumienia” — gdzie strumienie powietrza uderzają w tylną stronę panelu — stworzyli nowy kolektor dodający do przepływu powietrza ruch wirowy. Małe, miseczkowate elementy, wydrukowane w 3D z tworzywa, umieszczono w płytkim pudełku pod panelem. Powietrze wpływa do każdej „miseczki” z boku, kręci się w środku, a następnie wyrzuca w górę w kierunku tylnej strony ogniw słonecznych, zanim opuści kolektor.

Jak testowano nowy system

Naukowcy zbudowali trzy wersje małego zestawu słonecznego: goły panel bez specjalnego chłodzenia, panel z standardowym kolektorem z odwróconym okrągłym strumieniem uderzeniowym (RCFJI) oraz panel z nowym wirowym rozwiązaniem, nazwanym SRCFJI. Wszystkie trzy testowano w pomieszczeniu pod sztucznym światłem słonecznym o regulowanej intensywności (500–900 W/m2). Różnicowano także natężenie przepływu powietrza przez kolektor, od delikatnego podmuchu po znacznie silniejszy strumień. Podczas każdego testu starannie mierzono temperatury paneli, moc elektryczną, ciepło odebrane przez powietrze oraz ile z padającej energii słonecznej można teoretycznie przekształcić w użyteczną pracę.

Chłodniejsze panele, lepsze osiągi

Wyniki wykazały wyraźny wzorzec: większy przepływ powietrza oznaczał chłodniejsze panele i lepsze osiągi; silniejsze nasłonecznienie, choć zwiększało moc, podnosiło też temperatury i ostatecznie obniżało sprawność. W porównaniu z gołym panelem oba rozwiązania z strumieniem znacznie obniżyły temperaturę powierzchni, ale wersja wirowa spisała się najlepiej. W najtrudniejszych warunkach testowych — przy silnym nasłonecznieniu i dużym przepływie powietrza — powierzchnia gołego panelu osiągnęła niemal 80°C. Standardowy układ strumieniowy obniżył to o około 21,6%, a konstrukcja wirowa zwiększyła redukcję do około 25,3%, utrzymując panel kilka stopni chłodniejszym. Dodatkowe chłodzenie przełożyło się bezpośrednio na wyższą sprawność elektryczną i większą produkcję watów.

Wyjść poza prostą sprawność: energia użyteczna

Aby ocenić system głębiej, zespół zastosował także analizę egzergii, która szacuje, ile z pochwyconej energii można przekształcić w praktyczną pracę, uwzględniając nieuniknione straty. Również tutaj wersja wirowa wyszła na prowadzenie. W porównaniu z gołym panelem kolektor SRCFJI zwiększył sprawność energetyczną elektryczną o około 12% i sprawność cieplną o ponad 4%. W kategoriach egzergii wydajność elektryczna poprawiła się o około 11%, a część ciepła, którą można uznać za rzeczywiście użyteczną, wzrosła niemal o 5%. Łączna produkcja mocy z ulepszonego układu wzrosła o około 22% w porównaniu ze standardowym panelem.

Co to oznacza dla przyszłych systemów solarnych

Dla odbiorcy niebędącego specjalistą przekaz jest prosty: przez przeprojektowanie kanałów powietrznych pod panelem tak, by powietrze wirowało i skuteczniej uderzało w tylną powierzchnię, można utrzymać panel w niższej temperaturze i wydobyć więcej użytecznej energii z tej samej ilości światła słonecznego. Nowy wirowy kolektor strumieniowy dostarcza więcej energii elektrycznej i więcej użytecznego ciepła bez dodawania ruchomych elementów na powierzchni panelu czy użycia rzadkich materiałów. Choć prototyp testowano w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych i w małej skali, wskazuje on na praktyczne ulepszenia możliwe do zastosowania w rzeczywistych instalacjach solarnych, zwłaszcza w gorących klimatach, gdzie przegrzewanie jest stałym problemem.

Cytowanie: Alzoubi, M.A., Ibrahim, A., Alkhedher, M. et al. Experimental investigation of energy and exergy characteristics of a novel solar collector with swirling reversed circular flow jet impingement. Sci Rep 16, 6812 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37654-0

Słowa kluczowe: chłodzenie paneli słonecznych, fotowoltaika termiczna, uderzenie strumienia, wirowy przepływ powietrza, efektywność energetyczna