Badania eksperymentalne układu do podgrzewania powietrza słonecznego z wykorzystaniem kolektora rurowego z rurą współosiową

Dlaczego cieplejsze powietrze z energii słonecznej ma znaczenie

Od suszenia żywności i drewna po ogrzewanie zakładów produkcyjnych — wiele codziennych procesów wymaga stałych strumieni gorącego powietrza. Spalanie paliw kopalnych w celu uzyskania tego ciepła zwiększa koszty i emisję dwutlenku węgla. Niniejsze badanie bada sposób wykorzystania światła słonecznego zamiast paliw, stosując specjalny typ szklanych rur do przemiany powietrza z zewnątrz w niezawodnie gorące powietrze — osiągające temperatury bliskie wrzeniu wody — bez skomplikowanej mechaniki czy egzotycznych materiałów.

Przekształcanie światła słonecznego w przepływające gorące powietrze

Badacze skupiają się na urządzeniu zwanym nagrzewnicą powietrza słonecznego, które wychwytuje energię słońca i przekazuje ją przepływającemu powietrzu. Zamiast płaskich, skrzynkowych paneli często widywanych na dachach, używają rzędów zaokrąglonych szklanych rur zwanych rurami próżniowymi. Każda rura ma warstwę próżniową działającą jak wysokiej klasy termos, znacznie ograniczając straty ciepła na zewnątrz. Światło słoneczne ogrzewa ciemną wewnętrzną powierzchnię, a powietrze jest przepychane obok tej powierzchni przy pomocy niewielkiego wentylatora, pobierając ciepło po drodze.

Skręt wewnątrz rury

Główną innowacją jest sposób poruszania się powietrza w każdej rurze. Zamiast pozwolić powietrzu przemieszczać się przez jedną otwartą przestrzeń, zespół umieszcza mniejszą metalową rurę wzdłuż osi, tworząc wąski pierścieniowy kanał między metalową rurą a podgrzewaną wewnętrzną warstwą szkła. Ten układ „rura w rurze” powoduje, że powietrze dłużej pozostaje w bliskim kontakcie z gorącą powierzchnią, poprawiając wymianę ciepła. Poprzez staranne prowadzenie przepływu w tym ograniczonym torze system wyciska więcej użytecznego ciepła z tej samej ilości promieniowania słonecznego, bez dodawania skomplikowanych ruchomych elementów.

Testy różnych długości rur i prędkości powietrza

Eksperymenty przeprowadzono na zewnątrz w słonecznym Coimbatore w Indiach, wykorzystując 20 rur próżniowych połączonych wspólnym wlotem i wylotem powietrza. Zespół zmieniał dwa proste parametry: jak szybko przepływa powietrze (50 lub 100 kilogramów na godzinę) oraz jak długa jest wewnętrzna metalowa rura (albo 1,5 metra, albo połowa tej długości, 0,75 metra). Monitorowali natężenie promieniowania słonecznego, temperatury powietrza w wielu punktach oraz dodatkową moc pobieraną przez wentylator, potrzebną do tłoczenia powietrza przez system.

Jak gorące stało się powietrze?

Dla dłuższych, 1,5‑metrowych rur wewnętrznych przy niższym przepływie powietrza system podgrzał powietrze do 94 °C — o ponad 50–60 stopni więcej niż w ciepły, tropikalny dzień. Przy tej samej długości rur, ale wyższym przepływie, maksymalna temperatura spadła do około 74 °C, ponieważ powietrze przemieszczało się szybciej i miało mniej czasu na ogrzanie. Krótsze rury 0,75 m dawały ogólnie chłodniejsze powietrze, osiągając maksima około 78 °C przy niskim przepływie i 69 °C przy wysokim. Mówiąc prosto: dłuższe tory i wolniejszy ruch powietrza dawały wyższą temperaturę, podczas gdy szybszy przepływ poprawiał ułamek promieniowania przetwarzanego na użyteczne ciepło, lecz obniżał temperaturę końcową.

Równoważenie użytecznego ciepła i nakładu

Ponad samymi temperaturami, badacze oceniali wydajność: ile padającego promieniowania słonecznego zamieniane jest na użyteczne ciepło po odjęciu energii potrzebnej do napędu wentylatora. Przy rurach 1,5 m i przepływie 50 kg/h system osiągnął około 26% skutecznej wydajności; krótsze rury radziły sobie podobnie, nieco powyżej 28%, ponieważ stwarzały mniejszy opór przepływu powietrza. Wyższe przepływy podnosiły podstawową sprawność termiczną, ale też zwiększały moc wentylatora, zmniejszając netto zysk. Ten kompromis pokazuje, że projektanci muszą wyważyć „jak gorąco” wobec „jak mocno tłoczyć” przy dobieraniu parametrów systemów realnego zastosowania.

Co to oznacza w praktyce

Podsumowując, badanie pokazuje, że stosunkowo prosta zmiana — dodanie centralnej rury kierującej przepływ powietrza wewnątrz standardowych próżniowych kolektorów szklanych — może niezawodnie wytwarzać powietrze o temperaturach 70–95 °C. Temperatury te są dobrze dopasowane do suszenia upraw i drewna, procesów przemysłowych niskotemperaturowych oraz ogrzewania pomieszczeń, szczególnie dla małych i średnich przedsiębiorstw w słonecznych regionach. Poprzez dostrojenie długości rur i przepływu powietrza operatorzy mogą wybierać między gorętszym powietrzem a wyższą wydajnością, co pomaga uczynić nagrzewnice powietrza słonecznego praktyczną, niskoemisyjną alternatywą dla systemów opalanych paliwami.

Cytowanie: Ravichandran, V., Kumar, P.M., Adaikalasamy, V. et al. Experimental investigation on solar air heating system using evacuated tube collector with coaxial tube. Sci Rep 16, 7923 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39094-2

Słowa kluczowe: nagrzewnica powietrza słonecznego, kolektor rurowy próżniowy, suszarnictwo przemysłowe, odnawialne źródło ciepła, konstrukcja z rurą współosiową