Влияние частоты пульсирующего потока и безразмерной амплитуды на тепловые характеристики параболического желобного солнечного коллектора SEGS LS-2

Заставить солнечное тепло работать эффективнее

Параболические желобные солнечные коллекторы — это базовая технология для превращения солнечного излучения в тепло для выработки электроэнергии и промышленных нужд. В этом исследовании ставится простой, но ёмкий вопрос: вместо того чтобы прогонять теплоноситель через эти коллекторы равномерным потоком, что если слегка «пульсировать» поток? Ритмически ускоряя и замедляя жидкость, авторы показывают, что можно извлечь больше полезного тепла из того же количества солнечного света при незначительном и относительно недорогом изменении существующих систем.

Как изогнутые зеркала улавливают солнечный свет

Работа сосредоточена на широко используемой коммерческой конструкции, известной как параболический желоб SEGS LS-2. Длинные изогнутые зеркала концентрируют солнечный свет на узкую металлическую трубку, идущую вдоль фокуса желоба. Внутри этой трубки прокачивают специальное термоноситель — масло Syltherm 800, которое захватывает тепло и затем может приводить в действие энергетический цикл или промышленный процесс. Трубка окружена стеклянной оболочкой и вакуумным (низкодавлением) зазором для сокращения теплопотерь. Поскольку зеркало не освещает трубку равномерно по окружности, некоторые участки трубки нагреваются сильнее других, что влияет на эффективность переноса тепла в движущийся поток масла.

Преобразование потока в мягкое пульсирование

Вместо изменения аппаратной части коллектора, например добавления ребер или вставок, авторы меняют режим движения жидкости. Они задают плавное синусоидальное условие на входе: расход колеблется вокруг своего среднего значения, становясь немного быстрее, затем немного медленнее в повторяющемся цикле. Управляют этим двумя параметрами. Частота (0,2–6 циклов в секунду) определяет, как часто поток ускоряется и замедляется, а безразмерная амплитуда (0,3–0,9) задаёт силу каждого импульса относительно среднего скоростного уровня. С помощью современного программного обеспечения для вычислительной гидродинамики исследователи моделируют, как эти пульсации взаимодействуют с тонким слоем жидкости у внутренней стенки трубки, где происходит большая часть теплопередачи.

Что происходит внутри горячей трубки

При стационарном потоке быстрее всего движется масло в центре трубки, тогда как вблизи стенки поток вялый и подчинён трению. Эта медленная пристенная область ограничивает скорость переноса тепла в основной поток. Моделирование показывает, что при оптимальном пульсировании — примерно 5 Гц с умеренной амплитудой 0,5 — импульсы «встряхивают» энергию из быстрого центрального потока и продвигают её в пристенный слой. Это создаёт более интенсивное мелкомасштабное перемешивание именно там, где металл трубки контактирует с жидкостью. В результате эффективная скорость теплопередачи, выраженная безразмерным числом Нуссельта, увеличивается примерно до 5,1, что выше, чем в стационарном случае. Внешняя стенка трубки работает прохладнее, а масло, покидающее коллектор, становится в целом немного горячее — следовательно, большая часть поступающей солнечной энергии оказывается в теплоносителе.

Поиск оптимума и его ограничения

Исследование рассматривает множество комбинаций частоты и силы пульсации, чтобы найти практический оптимум. При очень низких частотах пульсации происходят слишком редко, чтобы заметно потревожить пристенный слой, поэтому приросты эффективности малы. При оптимальных 5 Гц и амплитуде 0,5 средневзвешенный по времени тепловой КПД достигает примерно 77% по сравнению с примерно 74% для обычного стационарного режима — улучшение на 3–4,5 процентных пункта. Повышение частоты ещё выше, до около 6 Гц, даёт убывающую отдачу: структура турбулентности фактически «замораживается» и перестаёт реагировать на более быстрые колебания. Аналогично, чрезмерно сильные импульсы (высокая амплитуда) усиливают внутреннюю теплопередачу, но одновременно слишком остужают поток при его быстром прохождении, что снижает общий КПД.

Недорогая модернизация для солнечных регионов

Поскольку геометрия коллектора и рабочая жидкость остаются неизменными, этот подход можно применить к существующим солнечным полям, добавив относительно простое оборудование для управления потоком, например клапаны с управлением по частоте или роторные устройства на входе. Авторы оценивают, что для стандартного модуля LS-2 стоимость такого клапана составляет примерно 1–2% от стоимости коллектора, в то время как он может дать прирост КПД около 3%. В очень солнечных, жарких и сухих регионах — где солнечная инсоляция высока и такие коллекторы уже широко используются — это небольшое относительное улучшение может означать существенный дополнительный объём выработанной энергии за срок эксплуатации установки. Проще говоря, научившись «встряхивать» теплоноситель в нужном ритме, инженеры могут получать больше пригодного тепла из того же солнечного света, без дорогих переделок или экзотических материалов.

Цитирование: Ferdosnia, S., Mirzaee, I., Abbasalizadeh, M. et al. Effects of pulsating flow frequency and dimensionless amplitude on the thermal performance of SEGS LS-2 parabolic trough solar collector. Sci Rep 16, 6105 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35619-x

Ключевые слова: параболический желобный солнечный коллектор, пульсирующий поток, улучшение теплопередачи, солнечный тепловой КПД, клапаны с управлением по частоте