Термофлюидные и эксергетические характеристики потока наножидкости MoS2/вода в плоскопанельном солнечном коллекторе при условиях высокой инсоляции

Горячая вода от солнца — но умнее

Для многих домохозяйств, особенно в солнечных регионах, нагрев воды составляет значительную часть счетов за энергию и способствует выбросам, усиливающим климатические изменения. В этом исследовании изучается способ сделать обычные крышные солнечные бойлеры заметно эффективнее, изменив рабочую жидкость внутри них. Вместо простой воды исследователи применили водную смесь с наночастицами дисульфида молибдена (MoS2), стремясь ловить больше солнечной энергии, снижать эксплуатационные расходы в течение срока службы системы и уменьшать загрязнение — и всё это без изменения привычных плоскопанельных коллекторов.

Почему крошечные частицы могут существенно повлиять на результат

Стандартные плоскопанельные солнечные коллекторы, широко используемые для бытового нагрева воды, работают как тёмная металлическая панель, которая нагревается на солнце, а вода забирает тепло. Проблема в том, что вода не особенно хороша в передаче тепла, поэтому часть собранной солнечной энергии теряется до того, как попадёт в накопительный бак. Авторы решили эту проблему, диспергируя крайне мелкие частицы MoS2 в воде, создав так называемую наножидкость. Эти частицы, известные своей слоистой структурой с высокой теплопроводностью и сильным поглощением солнечного излучения, помогают жидкости эффективнее поглощать и переносить тепло. Рассматриваемая система соответствовала типичному частному дому в Иране: крышный коллектор, насос для циркуляции жидкости и вертикальный бойлер — всё смоделировано в годовых компьютерных симуляциях.

Как систему проверяли в течение целого года

Чтобы выйти за рамки кратких лабораторных испытаний, команда создала подробную цифровую модель в TRNSYS, широко используемом инструменте для моделирования энергетических систем, и затем сверила её с реальными измерениями на наружном испытательном стенде в Ахвазе, очень солнечном городе Ирана. Они сравнили прогноз модели по полезной тепловой мощности с данными реального коллектора при ясной и облачной погоде. Совпадение было близким — погрешности составили лишь несколько процентов — что вселило уверенность в надёжность виртуальной системы для изучения годовой работы. Симуляции охватывали три варианта рабочей жидкости: чистая вода, вода с 0,5% MoS2 по объёму и вода с 1% MoS2; также в модель включали специально разработанный бойлер с воскосодержащим материалом для накопления тепла, усиленным частицами оксида алюминия для сглаживания колебаний температуры.

Больше тепла, лучше использование солнечной энергии и меньшие затраты

Во всех сезонах лидировала наножидкость с 1% MoS2. В холодные месяцы, когда каждая дополнительная степень особенно важна, температура на выходе коллектора повысилась примерно на 20% по сравнению с чистой водой, а средняя полезная тепловая энергия, получаемая системой, увеличилась до 13%. Общая эффективность панели — доля падающего солнечного излучения, превращённая в полезное тепло — также возросла на несколько процентных пунктов, особенно весной и осенью. Более продвинутая величина — эксергия, показывающая, какая часть захваченной энергии может совершать полезную работу, — улучшилась ещё значительнее: наножидкость 1% увеличила эксергетическую мощность и эксергетическую эффективность примерно на 20–22% при небольшом снижении внутренних потерь. Практически это означает, что система использует большую долю доступного солнечного излучения эффективно, а не теряет его в виде низкопробного тепла.

Экономия и сокращение выбросов

Поскольку улучшенный коллектор выдаёт больше горячей воды при том же солнце, стоимость единицы полезного тепла снижается, несмотря на дополнительные расходы на наночастицы. Исследование рассчитало показатель, называемый удельной стоимостью тепла (Levelized Cost of Heat), который распределяет все инвестиционные, эксплуатационные и материальные затраты в течение срока службы системы. В условиях самой яркой летней инсоляции наножидкость 1% MoS2 достигла минимальной стоимости тепла примерно 0,77 доллара за киловатт‑час полезного тепла, а в расчёте на год она снизила стоимость, связанную с высококачественным (эксергетическим) выходом, примерно на 3–5% по сравнению с чистой водой. С экологической точки зрения, более эффективная система замещает больше электроэнергии или топлива, которые в противном случае сгорели бы для нагрева воды, что позволяет избежать до 44 килограммов выбросов диоксида углерода в месяц в пиковые периоды. Индексы, объединяющие экологические и экономические показатели, также улучшились, показывая большее снижение загрязнений на каждый вложенный доллар.

Что это значит для повседневных солнечных бойлеров

Для неспециалистов итог таков: простая замена рабочей жидкости в стандартном плоскопанельном солнечном водонагревателе может дать значительный выигрыш без переработки оборудования. В условиях сильной инсоляции, рассмотренных в этом исследовании, умеренная добавка наночастиц MoS2 в концентрации 1% позволила коллекторам преобразовывать больше солнечной энергии в горячую воду, снизить долгосрочные затраты на отопление и уменьшить выбросы парниковых газов, одновременно улучшив стабильность использования доступной солнечной энергии в течение года. Хотя в дальнейшем потребуется подтвердить долговременную стабильность и реальные требования к обслуживанию, результаты указывают на то, что коллекторы на основе наножидкостей представляют собой перспективный шаг к более чистым и эффективным бытовым системам нагрева воды в солнечных регионах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: солнечное нагревание воды, наножидкости, плоскопанельные коллекторы, энергетическая эффективность, возобновляемое отопление