Экспериментальное исследование энергетических и эксергетических характеристик нового солнечного коллектора с завихренным обратным круговым струйным обдувом

Почему важно охлаждать солнечные панели

Солнечные панели становятся краеугольным камнем чистой энергетики, но у них есть ахиллесова пята: они не переносят перегрев. По мере того как панель нагревается на солнце, температура её поверхности растёт, и способность превращать солнечный свет в электричество постепенно снижается. В этом исследовании изучается новый способ поддерживать панели в более холодном состоянии с помощью хитро продуманных воздушных каналов под ними, что повышает как их выходную мощность, так и количество полезной энергии, которую можно получить от солнца.

Новый подход к охлаждению панелей

Большинство крышевых систем просто оставляют тыльную сторону панели на ветру. Инженеры знают, что можно сделать лучше, прокачивая за панелью воздух или воду, чтобы отводить тепло. Авторы работы сосредоточились на воздухе — он бесплатен, чист и прост в обращении. Опираясь на прежние конструкции «струйного обдува», где струи воздуха направляются на тыльную сторону панели, они создали новый коллектор, добавив завихрение потока. Малые чашеобразные элементы, напечатанные на 3D-принтере из пластика, размещены в мелком коробе под панелью. Воздух входит в каждую чашу сбоку, закручивается внутри, затем устремляется вверх в сторону тыльной стороны солнечных элементов и покидает коллектор.

Как тестировали новую систему

Исследователи собрали три версии небольшой солнечной установки: голую панель без специального охлаждения, панель со стандартным коллектором с обратным круговым струйным обдувом (RCFJI) и панель с новой завихренной конструкцией, названной SRCFJI. Все три испытывали в помещении под искусственным освещением, интенсивность которого можно было регулировать от умеренной до сильной (500–900 ватт на квадратный метр). Также варьировали объём прокачиваемого через коллектор воздуха — от лёгкого потока до более сильного. В ходе каждого испытания тщательно измеряли температуру панели, электрическую отдачу, тепло, уносимое воздухом, и долю падающей солнечной энергии, которую теоретически можно преобразовать в полезную работу.

Холоднее панели — лучше показатели

Результаты показали чёткую закономерность: больший поток воздуха означал более холодные панели и лучшую работу; более сильный солнечный свет, повышая сырую мощность, также увеличивал температуру и в итоге снижал эффективность. По сравнению с голой панелью обе струйные конструкции заметно снизили температуру поверхности, но завихренная версия показала лучшие результаты. В самой жёсткой тестовой ситуации — при высоком уровне освещённости и сильном потоке воздуха — поверхность голой панели достигала почти 80 °C. Стандартный струйный коллектор снизил это значение примерно на 21,6%, а завихренная конструкция дала сокращение примерно на 25,3%, удерживая панель ещё на несколько градусов холоднее. Это дополнительное охлаждение напрямую трансформировалось в более высокую электрическую эффективность и большую вырабатываемую мощность.

За пределами простой эффективности: полезная энергия

Чтобы глубже оценить систему, команда также провела анализ по эксергии, который оценивает, какая часть захваченной энергии может быть превращена в практическую работу с учётом всех неизбежных потерь. И здесь завихренная конструкция оказалась впереди. По сравнению с голой панелью коллектор SRCFJI повысил электрическую энергоэффективность примерно на 12% и тепловую эффективность более чем на 4%. В эксергетическом выражении электрические показатели улучшились примерно на 11%, а доля тепла, которое можно считать действительно полезным, возросла почти на 5%. В целом энергопроизводительность модернизированной установки увеличилась примерно на 22% по сравнению со стандартной панелью.

Что это означает для будущих солнечных систем

Для неспециалистов посыл прост: изменив форму воздушных каналов под солнечной панелью так, чтобы воздух закручивался и более эффективно ударялся о тыльную поверхность, можно поддерживать панель в более холодном состоянии и извлекать больше полезной энергии из того же солнечного света. Новый завихренный струйный коллектор даёт больше электричества и больше полезного тепла без добавления движущихся частей на лицевой стороне панели и без использования дефицитных материалов. Хотя этот прототип был испытан в контролируемых лабораторных условиях и в небольшом масштабе, он указывает на практические улучшения для реальных солнечных установок, особенно в жарких климатах, где перегрев — постоянная проблема.

Цитирование: 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

Ключевые слова: охлаждение солнечных панелей, фотоэлектротермика, струйный обдув, завихренный поток воздуха, энергетическая эффективность