Экспериментальное исследование солнечной установки воздушного нагрева с вакуумными трубками и коаксиальной трубой

Почему важен более горячий воздух от солнца

От сушки продуктов и древесины до обогрева фабрик — во многих повседневных процессах требуются устойчивые потоки горячего воздуха. Сжигание ископаемого топлива для получения этого тепла увеличивает затраты и выбросы углерода. В этом исследовании рассматривается способ использовать солнечную энергию: специальный тип вакуумной стеклянной трубки преобразует наружный воздух в надежно горячий — близкий к кипящей воде — без сложной техники или экзотических материалов.

Преобразование солнечного света в движущийся горячий воздух

Исследователи сосредоточены на устройстве, называемом солнечным воздушным нагревателем, которое улавливает энергию солнца и передаёт её протекающему воздуху. Вместо плоских коробчатых панелей, часто встречающихся на крышах, они используют ряды округлых стеклянных труб — вакуумных трубок. Каждая трубка имеет вакуумный слой, выполняющий роль высококлассного термоса и резко уменьшающий потери тепла наружу. Солнечный свет нагревает тёмную внутреннюю поверхность, а воздух, продвигаемый небольшим вентилятором по ходу, поглощает тепло.

Изюминка — внутри трубки

Основное новшество заключается в способе движения воздуха внутри каждой трубки. Вместо того чтобы позволять воздуху течь через одно открытое пространство, команда вставляет меньшую металлическую трубку по центру, создавая узкий кольцевой канал между металлической трубой и нагретым внутренним стеклом. Такая «труба в трубe» заставляет воздух дольше контактировать с горячей поверхностью, улучшая теплообмен. Тщательно направляя поток в этом ограниченном канале, система извлекает больше полезного тепла из того же количества солнечного света без добавления сложных подвижных частей.

Испытания разных длин труб и скоростей воздуха

Эксперименты проводились на открытом воздухе в солнечном Коймбатуре, Индия, с использованием 20 вакуумных труб, соединённых общим входным и выходным каналом воздуха. Команда варьировала два простых параметра: скорость потока воздуха (50 или 100 килограммов в час) и длину внутренней металлической трубки (либо 1,5 метра, либо вдвое короче — 0,75 метра). Отслеживались интенсивность солнечного излучения, температуры воздуха в многочисленных точках и дополнительная мощность, потребляемая вентилятором для проталкивания воздуха через систему.

Насколько горячим стал воздух?

Для более длинных 1,5-метровых внутренних труб при меньшем расходе воздуха система нагревала входящий воздух до 94 °C — более чем на 50–60 градусов выше тёплого тропического дня. При той же длине труб и более высоком расходе максимальная температура упала примерно до 74 °C, так как воздух проходил быстрее и имел меньше времени на нагрев. Короткие 0,75-метровые трубки в целом давали более прохладный воздух: максимум около 78 °C при малом расходе и 69 °C при большем. Проще говоря, более длинный путь и более медленное движение давали более горячий воздух, тогда как более быстрый поток повышал долю солнечной энергии, превращаемой в полезное тепло, но снижал конечную температуру.

Баланс между полезным теплом и затратами

Помимо температуры, исследователи оценивали эффективность: какая доля поступающего солнечного излучения превращается в полезное тепло с учётом энергии, затраченной на работу вентилятора. При 1,5-метровых трубах и расходе 50 кг/ч система достигала около 26% эффективной эффективности; короткие трубки показали сопоставимые результаты, чуть выше 28%, поскольку создавали меньше сопротивления потоку воздуха. Более высокие скорости потока повышали базовую тепловую эффективность, но также увеличивали потребление вентилятора, сокращая реальную выгоду. Эта компромиссная ситуация показывает, что проектировщикам нужно балансировать «насколько горячо» и «насколько тяжело толкать» при расчёте систем для реального применения.

Что это значит для практического использования

В целом исследование показывает, что относительно простое изменение — добавление центральной трубы для направления воздуха внутри стандартных вакуумных стеклянных коллекторов — может надёжно обеспечивать воздух температурой в диапазоне 70–95 °C. Такие температуры хорошо подходят для сушки сельхозпродукции и пиломатериалов, низкотемпературных промышленных процессов и отопления помещений, особенно для малых и средних предприятий в солнечных регионах. Тонкая настройка длины труб и расхода воздуха позволяет операторам выбирать между более горячим воздухом или более высокой эффективностью, помогая сделать солнечные воздушные нагреватели практичной низкоуглеродной альтернативой топливным системам горячего воздуха.

Цитирование: 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

Ключевые слова: солнечный воздушный нагреватель, вакуумный трубчатый коллектор, промышленная сушка, возобновляемое тепло, коаксиальная конструкция труб