Волнообразная конструкция коллектора для высокоэффективных солнечных башенных электростанций

Преобразование солнечного света и воздуха в мягкую силу

Представьте, что электричество можно вырабатывать из солнечного света, используя лишь тёплый воздух, поднимающийся по высокой трубе. В этом и заключается базовая идея солнечных башенных электростанций — низкотехнологичной концепции, которая может обеспечить чистую энергию в солнечных регионах. В статье рассматривается простая модификация конструкции: придание полу под стеклянной крышей лёгкой волнообразной формы. Авторы показывают, что такое тонкое изменение может заставить воздух двигаться быстрее и переносить больше тепла, что поможет будущим солнечным башням вырабатывать больше энергии без добавления движущихся частей.

Как работает солнечная башня

В солнечной башенной электростанции широкая низкая крыша из прозрачного материала накрывает тёмную поверхность земли. Солнечный свет проходит через крышу, нагревает землю и, в свою очередь, согревает воздух под ней. Тёплый, более лёгкий воздух устремляется к высокой центральной башне и поднимается внутри неё, как дым в трубе. Турбина, размещённая у основания башни, может улавливать энергию движущегося воздуха. Прелесть этой схемы в её простоте: не сгорают топлива, и компонентов для обслуживания совсем немного, что делает её привлекательной для отдалённых или засушливых регионов, где другие электростанции трудно строить.

Почему форма пола важна

Хотя концепция проста, реальные солнечные башни часто не достигают теоретического потенциала. Ключевым узким местом является то, насколько эффективно площадь коллектора под крышей может нагревать и приводить в движение воздух. В большинстве конструкций эта поверхность плоская, что ограничивает завихрения и смешение воздуха при его нагреве. Вдохновляясь теплообменниками и солнечными воздушными нагревателями, где рифлёные или волнообразные поверхности известны своим усилением теплообмена, авторы задали вопрос: что если пол коллектора в солнечной башне будет мягко рябить, а не быть плоским? Их цель — выяснить, может ли такое пассивное, чисто геометрическое изменение усилить естественный «насос», который гонит воздух вверх по башне.

Тестирование волнистых конструкций в компьютере

Поскольку строить множество полноразмерных прототипов было бы непрактично, исследователи использовали подробные вычислительные гидродинамические симуляции для проверки разных форм. Они моделировали маломасштабную солнечную башню с круговым волнистым коллектором, задавая волны по их высоте (амплитуде) и расстоянию между ними (длина волны). Систематически меняя эти два параметра, они могли проследить, как меняются скорость, давление, температура и плотность воздуха при его движении от внешнего края к башне. Виртуальная модель была проверена на основе существующих экспериментальных данных по традиционному плоскому коллектору, и согласие по температуре и скорости воздуха вселяло уверенность в реалистичности симуляций.

Как волны влияют на поток воздуха и тепло

Симуляции показывают, что добавление волн на пол коллектора оказывает два основных эффекта. Во-первых, увеличивается реальная площадь поверхности, нагреваемой Солнцем, поэтому при том же солнечном потоке передаётся больше тепла воздуху. Во-вторых, изогнутая форма заставляет воздух образовывать мягкие завихрения, которые перемешивают более тёплый воздух у поверхности с более холодным сверху. Такое перемешивание помогает равномернее распределять тепло и способствует ускорению воздуха по мере приближения к башне. Однако не все формы волн одинаково полезны: если волны слишком частые или слишком высокие, они создают небольшие карманы рециркуляции, которые действуют как тормоза и снижают общий приток воздуха.

Поиск оптимума

Сравнив множество случаев, команда выявила «золотую середину», где волны достаточно выражены, чтобы усилить нагрев и перемешивание, но при этом достаточно мягки, чтобы не создавать чрезмерного сопротивления. В их исследовании наилучшие показатели наблюдались, когда расстояние между гребнями волн и их высота следовали определённому соотношению, а высота волн соответствовала характерному радиусу в конструкции. При этих условиях воздух, входящий в башню, двигался почти на треть быстрее, чем в случае с плоским полом, а давление у основания башни падало сильнее, обеспечивая более сильный естественный всасывающий эффект. Эти изменения привели к заметному увеличению вычисляемой мощности установки и её общей эффективности, причём без добавления вентиляторов, насосов или других активных устройств.

Что это означает для будущей чистой энергетики

Для неспециалиста вывод таков: небольшие геометрические изменения могут улучшить работу простой солнечной технологии. Исследование показывает, что тщательно спроектированные волнистые узоры под крышей солнечной башни помогают системе втягивать больше тёплого воздуха и более энергично поднимать его вверх, слегка увеличивая извлекаемую энергию. Хотя работа выполнена на модельной системе и при установившемся, идеализированном солнечном освещении, она указывает на многообещающий и недорогой способ совершенствования солнечных башен. После дополнительных испытаний в большем масштабе и при реальных погодных условиях такие волнообразные коллекторы могут стать частью нового поколения бесшумных, малотребовательных в обслуживании солнечных энергетических систем.

Цитирование: Elsayed, A.M., Aziz, M.A. & Elshimy, H. Wavy collector design for high-efficiency solar chimney power plants. Sci Rep 16, 13624 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49364-8

Ключевые слова: солнечная башня, возобновляемая энергия, конструкция солнечного коллектора, пассивный теплообмен, компьютерная гидродинамика