Charakterystyka termofluidyczna i egzergiczna przepływu nanocieczy MoS2/woda w kolektorze słonecznym płaskim przy warunkach wysokiego nasłonecznienia

Cieplejsza woda ze słońca — mądrzej

Dla wielu gospodarstw domowych, zwłaszcza w regionach o dużym nasłonecznieniu, podgrzewanie wody stanowi znaczną część rachunków za energię i przyczynia się do emisji gazów cieplarnianych. W tej pracy badano sposób na znaczne zwiększenie wydajności powszechnych dachowych podgrzewaczy wody poprzez modyfikację płynu krążącego wewnątrz nich. Zamiast wody destylowanej badacze użyli wodnego roztworu zawierającego drobne cząstki ditlenku molibdenu (MoS2), z zamiarem lepszego wychwytywania energii słonecznej, obniżenia kosztów w cyklu życia systemu oraz zmniejszenia zanieczyszczeń — wszystko bez zmiany samego, znanego układu kolektorów płaskich.

Dlaczego drobne cząstki mogą robić dużą różnicę

Standardowe kolektory płaskie, szeroko stosowane do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, działają jak ciemna metalowa płyta nagrzewająca się na słońcu, podczas gdy przepływająca woda zabiera zgromadzone ciepło. Problem polega na tym, że sama woda nie przewodzi ciepła szczególnie dobrze, więc część pochłoniętej energii słonecznej gubi się zanim trafi do zbiornika. Autorzy rozwiązali to przez rozproszenie ekstremalnie drobnych cząstek MoS2 w wodzie, tworząc tzw. nanociecz. Cząstki te, znane z warstwowej struktury sprzyjającej przewodzeniu ciepła i silnego pochłaniania promieniowania słonecznego, pomagają płynowi lepiej pochłaniać i przenosić ciepło. Badany system odpowiada typowemu domowi jednorodzinnemu w Iranie — z dachowym kolektorem, pompą cyrkulacyjną i pionowym zbiornikiem na ciepłą wodę — wszystkie elementy zostały zamodelowane w symulacjach obejmujących cały rok.

Jak testowano system przez cały rok

Aby wyjść poza krótkie próby laboratoryjne, zespół opracował szczegółowy model cyfrowy w programie TRNSYS, szeroko stosowanym do symulacji systemów energetycznych, a następnie zweryfikował go danymi z rzeczywistego stanowiska testowego na wolnym powietrzu w Ahvaz — bardzo słonecznym mieście w Iranie. Porównano prognozy modelu dotyczące użytecznego strumienia ciepła z danymi z rzeczywistego kolektora w warunkach pogodnych i zachmurzonych. Zgodność była wysoka — błędy wynosiły zaledwie kilka procent — co dało zaufanie, że wirtualny system można wykorzystać do analizy zachowania przez cały rok. Symulacje obejmowały trzy opcje płynu: czystą wodę, wodę z 0,5% objętościowym MoS2 i wodę z 1% MoS2, a także specjalnie zaprojektowany zbiornik na ciepłą wodę z materiałem magazynującym na bazie wosku zawierającym cząstki tlenku glinu, mający wygładzać wahania temperatury.

Więcej ciepła, lepsze wykorzystanie słońca i niższe koszty

We wszystkich porach roku najlepszy wynik dała nanociecz z 1% MoS2. W miesiącach chłodniejszych, gdy kilka dodatkowych stopni ma największe znaczenie, temperatura na wylocie kolektora wzrosła o około 20% w porównaniu z samą wodą, a średni uzysk użytecznego ciepła w systemie zwiększył się do 13%. Ogólna sprawność kolektora — jaka część padającego promieniowania słonecznego została zamieniona na użyteczne ciepło — wzrosła o kilka punktów procentowych, szczególnie na wiosnę i jesień. Bardziej zaawansowana miara nazwana „egzergią”, śledząca ile z pochwyconej energii może wykonać pracę użyteczną, poprawiła się jeszcze bardziej: nanociecz 1% podniosła wytwarzanie egzergii i jej sprawność o około 20–22% przy jednoczesnym nieznacznym zmniejszeniu strat wewnętrznych. W praktyce system wykorzystał większą część dostępnego promieniowania słonecznego do użytecznej pracy zamiast marnować je jako niskiej jakości ciepło.

Oszczędności i uniknięte emisje

Dzięki temu, że ulepszony kolektor dostarcza więcej ciepłej wody z tej samej ilości słońca, koszt jednostkowy użytecznego ciepła spada mimo dodania kosztu nanocząstek. Autorzy policzyli wskaźnik zwany poziomowanym kosztem ciepła (Levelized Cost of Heat), obejmujący wszystkie wydatki inwestycyjne, eksploatacyjne i materiałowe rozłożone na okres życia systemu. W najjaśniejszych warunkach letnich płyn z 1% MoS2 osiągnął minimalny koszt ciepła około 0,77 dolara za kilowatogodzinę użytecznego ciepła, a w skali roku obniżył koszt związany z wysokiej jakości (egzergyjnym) wyjściem o około 3–5% w porównaniu z samą wodą. Z punktu widzenia środowiskowego lepiej działający system zastępuje więcej energii elektrycznej lub paliwa, które w przeciwnym razie trzeba by spalić do podgrzewania wody, unikając do 44 kilogramów dwutlenku węgla miesięcznie w okresach szczytowych. Indeksy łączące perspektywy środowiskową i ekonomiczną także się poprawiły, pokazując większą ilość unikniętych zanieczyszczeń na każdy zainwestowany dolar.

Co to oznacza dla codziennych systemów solarnych

Dla nietechnicznych czytelników kluczowa konkluzja jest taka, że prosta zmiana cieczy roboczej w standardowym kolektorze płaskim może przynieść istotne korzyści bez przeprojektowywania sprzętu. W badanych warunkach o intensywnym nasłonecznieniu niewielkie stężenie 1% nanocząstek MoS2 sprawiło, że kolektor skuteczniej zamieniał światło słoneczne na ciepłą wodę, obniżył długoterminowe koszty ogrzewania i zmniejszył emisję gazów cieplarnianych, jednocześnie poprawiając stabilność wykorzystania dostępnej energii słonecznej w ciągu roku. Choć przyszłe prace muszą potwierdzić długoterminową stabilność i realne wymagania konserwacyjne, wyniki sugerują, że kolektory z nanocieczą to obiecujący krok naprzód do czystszych i bardziej efektywnych systemów podgrzewania wody w regionach słonecznych.

Cytowanie: Chammam, A., Widatalla, S., AlMohamadi, H. et al. Thermofluid and exergy characteristics of MoS₂/water nanofluid flow in a flat‑plate solar collector under high‑irradiance conditions. Sci Rep 16, 11628 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43090-x

Słowa kluczowe: podgrzewanie wody słoneczne, nanociecze, kolektory płaskie, efektywność energetyczna, odnawialne ogrzewanie