Полевое экспериментальное исследование энергетической и эксергетической эффективности нового солнечного теплового воздушного коллектора

Преобразование солнечного света в полезный тёплый воздух

Поддержание тепла в домах, сушка продуктов или предварительный подогрев свежего воздуха для зданий обычно требует сжигания топлива или использования электроэнергии. В этом исследовании предлагается более разумный подход: переработанный солнечный воздухонагреватель, который использует только солнечный свет для более эффективного подогрева движущегося воздуха. Тщательно формируя металлические элементы, направляющие поток внутри коллектора, исследователи показывают, как извлечь больше полезного тепла из того же солнечного излучения — идея, которая может снизить счета за энергию и выбросы в домах, на фермах и в малой промышленности.

Почему улучшенное солнечное отопление важно

Современный образ жизни в значительной степени опирается на ископаемое топливо для отопления, транспорта и выработки электроэнергии. Эти ресурсы ограничены и являются основной причиной выбросов углекислого газа, усиливающего изменение климата. Плоские солнечные воздушные коллекторы — по сути неглубокие короба, которые улавливают солнечный свет для подогрева воздуха — предлагают чистую альтернативу для таких задач, как сушка урожая, отопление помещений и предварительный подогрев вентиляции. Они просты и относительно недороги, но одна существенная слабость сдерживает их распространение: горячая металлическая пластина внутри не передаёт тепло текущему воздуху так эффективно, как могла бы, поэтому значительная часть захваченной солнечной энергии теряется. Улучшение этого теплообмена и является целью данной работы.

Новая внутренняя конструкция для солнечных коллекторов

Команда построила полноразмерную уличную испытательную установку в Малайзии на базе плоского солнечного воздушного коллектора. Внутри они добавили ряды новых полых «полу‑стадионных» ребер — металлических элементов в форме закруглённой арки с пустотелой внутренней частью — расположенных в нескольких ступенчатых уровнях. Близко к входу воздуха они установили маленькие перегородки, подобные крошечным стенкам, чтобы перемешивать и перенаправлять входящий поток воздуха так, чтобы он более тщательно обтекал горячие поверхности. Воздух проходит двойной путь: сначала он течёт по одному каналу, огибает секцию с разворотом U-образной формы, а затем возвращается по другому каналу, дополнительно нагреваясь при втором проходе. Это сочетание особых ребер, перегородок и схемы с двойным проходом разработано для увеличения контакта между воздухом и горячим металлом без чрезмерного усложнения системы.

Измерение прироста тепла и полезной работы

В течение трёх солнечных дней исследователи испытывали коллектор при трёх различных расходах воздуха — медленном, среднем и быстром — и измеряли температуры в множестве точек, а также уровень солнечного излучения и погодные условия. Затем они рассчитали два типа показателей эффективности. Первый, называемый энергетической эффективностью, отвечает на вопрос: «Какая доля поступающей солнечной мощности превращается в тепло, выносимое воздухом?» Второй, называемый эксергетической эффективностью, оценивает, какая часть этого тепла действительно полезна для выполнения работы, например для создания значительного подъёма температуры при сушке или отоплении. Для проверки измерений они также создали подробную компьютерную модель течения воздуха и теплопередачи и сравнили её прогнозы с данными полевых испытаний.

Что показали эксперименты

Преобразованный коллектор показал энергетическую эффективность в диапазоне примерно от 13% до 72%, причём лучшая величина — 71,91% — наблюдалась при сильном солнце (около 800 ватт на квадратный метр) и наибольшем расходе воздуха. Проще говоря, при хорошем освещении и быстром потоке воздуха почти три четверти солнечного света, попадающего на устройство, превратились в полезное тепло в выходящем воздухе. Однако картина меняется при рассмотрении эксергии, показателя «качества» тепла. Наивысшая эксергетическая эффективность, 17,06%, наблюдалась при наименьшем расходе воздуха. При медленном потоке воздух дольше пребывает внутри и выходит значительно горячее, что особенно полезно для задач вроде сушки продуктов или отопления помещений, хотя суммарная тепловая отдача несколько ниже. По мере увеличения скорости потока собирается больше тепла в целом, но каждая единица тепла становится чуть менее «высококачественной», и эксергетическая эффективность падает.

Почему эта конструкция перспективна

Для неспециалиста итог прост: изменив форму металлических ребер внутри солнечного воздушного коллектора и умело направив поток воздуха, эта система извлекает гораздо больше из того же солнечного света по сравнению с ранними конструкциями. При высоком расходе она отлично собирает большие объемы тепла эффективно; при низком расходе она выдаёт более горячий воздух, особенно пригодный для сушки и отопления помещений. Тот факт, что уличные эксперименты и компьютерные симуляции согласуются — и что показатели превосходят результаты нескольких предыдущих исследований — указывает на то, что этот подход готов к адаптации в реальных солнечных сушилках, системах вентиляции зданий и других применениях для низкотемпературного отопления, помогая направить повседневное энергопотребление к более чистому будущему.

Цитирование: 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

Ключевые слова: солнечный воздушный коллектор, солнечная теплота, возобновляемое отопление, энергоэффективность, эксергетический анализ