Fältbaserad experimentell undersökning av energi- och exergiprestanda hos en ny soltermisk luftkollektor

Att förvandla solsken till användbar varm luft

Att hålla hem varma, torka mat eller förvärma friskluft till byggnader innebär ofta att man förbränner bränsle eller använder elektricitet. Denna studie utforskar ett smartare sätt: en omdesignad solvärmeanordning för luft som endast använder solljus för att värma rörlig luft mer effektivt. Genom att noggrant forma de metallbitar som styr luften inne i kollektorn visar forskarna hur man kan pressa ut mer användbar värme ur samma mängd solljus — en idé som kan sänka energikostnader och utsläpp i hem, på gårdar och i små industrier.

Varför bättre soluppvärmning spelar roll

Vår moderna livsstil är starkt beroende av fossila bränslen för uppvärmning, transport och elproduktion. Dessa bränslen är ändliga och en huvudkälla till klimatpåverkande koldioxid. Platta solluftkollektorer — i princip grunda lådor som fångar solljus för att värma luft — erbjuder ett rent alternativ för uppgifter som torkning av grödor, uppvärmning av byggnader och förvärmning av ventilationsluft. De är enkla och relativt billiga, men en stor svaghet håller dem tillbaka: den heta metallplattan inuti överför inte sin värme till den passerande luften så effektivt som möjligt, så mycket av den infångade solenergin går förlorad. Att förbättra denna värmeöverföring är i fokus för detta arbete.

En ny inredningsdesign för solkollektorer

Teamet byggde ett fullskaligt utomhussystem i Malaysia baserat på en platt solluftkollektor. Inne i kollektorn lade de in rader av nya ihåliga "semi-stadium"-flänsar — metallbitar formade som rundade bågar med ett ihåligt inre — ordnade i flera förskjutna nivåer. Nära luftintaget installerade de små avskärmare, som små väggar, för att röra om och omdirigera inkommande luft så att den borstar mer grundligt mot de varma ytorna. Luften tar en dubbelpassage: den strömmar först längs en kanal, böjer runt en U-sväng och återvänder sedan genom en annan kanal och tar upp ytterligare värme varje gång. Denna kombination av specialflänsar, avskärmare och dubbelpasslayout är utformad för att öka kontakten mellan luft och varm metall utan att göra systemet onödigt komplicerat.

Mätning av värmeupptag och användbart arbete

Under tre soliga dagar körde forskarna kollektorn vid tre olika luftflöden — lågt, medel och högt — och mätte temperaturer på många punkter, tillsammans med solinstrålning och väderförhållanden. De beräknade sedan två typer av prestanda. Den första, kallad energieffektivitet, svarar på frågan: "Vilken andel av inkommande solenergi blir till värme som förs ut av luften?" Den andra, kallad exergieffektivitet, ser på hur mycket av den värmen som verkligen är användbar för att utföra arbete, såsom att ge en stark temperaturhöjning för torkning eller uppvärmning. För att kontrollera sina mätningar byggde de också en detaljerad datormodell av luftflöde och värmeöverföring och jämförde dess prognoser med utomhusdata.

Vad experimenten visade

Den omdesignade kollektorn uppnådde energieffektivitet mellan cirka 13 % och 72 %, där det bästa värdet — 71,91 % — inträffade vid starkt solljus (cirka 800 watt per kvadratmeter) och det högsta luftflödet. I enkla termer innebar det att under god sol och snabbt luftflöde blev nästan tre fjärdedelar av solljuset som träffade apparaten användbar värme i frånluften. Berättelsen förändras dock när man ser på exergi, ett mått på hur värdefull den värmen är. Den högsta exergieffektiviteten, 17,06 %, uppstod vid det lägsta luftflödet. Vid långsamma flöden tillbringar luften mer tid inne i kollektorn och lämnar mycket varmare, vilket är särskilt användbart för uppgifter som torkning av mat eller rumsuppvärmning, även om den totala värmeeffekten är något lägre. När luften rör sig snabbare samlas mer värme totalt, men varje enhet värme blir något mindre "höggradig" och exergieffektiviteten sjunker.

Varför denna design är lovande

För icke-specialister är slutsatsen enkel: genom att omforma metallflänsarna inne i en solluftkollektor och styra luften mer smart får detta system betydligt mer från samma mängd solljus än tidigare konstruktioner. Vid högt flöde är det utmärkt för att skörda stora mängder värme effektivt; vid lågt flöde levererar det hetare luft som är särskilt användbar för torkning och rumsuppvärmning. Att både utomhusexperiment och datorsimuleringar överensstämmer — och att prestandan överträffar flera tidigare studier — tyder på att detta tillvägagångssätt är moget att anpassas för verkliga soltorkar, byggnadsventilation och andra lågtemperaturuppvärmningsbehov, och kan hjälpa till att styra vardaglig energianvändning mot en renare framtid.

Citering: 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

Nyckelord: solluftkollektor, soltermisk, förnybar uppvärmning, energieffektivitet, exergianalys