基于现场试验的创新太阳能热空气集热器的能量与熵能（可用能）性能研究

把阳光变成有用的热风

给住宅保暖、烘干食物或为建筑物预热新风，传统上通常依赖燃料燃烧或电力。本研究探讨一种更聪明的做法：一种重新设计的太阳能空气加热器，仅用阳光更高效地加热流动空气。通过精心设计引导空气的金属件形状，研究人员展示了如何从相同的日照中挤出更多有用的热量——这一思路有望在家庭、农场和小型工业中降低能源开支和排放。

为何更好的太阳能加热重要

我们的现代生活在供暖、交通和发电方面高度依赖化石燃料。这些燃料是有限的，也是导致气候变暖的二氧化碳的主要来源。平板式太阳能空气集热器——本质上是利用浅盒结构捕获阳光来加热空气——为作物烘干、空间供暖和通风预热等任务提供了清洁的替代方案。它们结构简单、成本相对低廉，但存在一个主要弱点阻碍其推广：内部的热金属板并未将热量有效传递给流动的空气，因此大量捕获的太阳能被浪费。提高这种热传递是本研究的核心。

一种新的集热器内部设计

研究团队在马来西亚搭建了一个基于平板太阳能空气集热器的全尺寸户外测试系统。在内部，他们加入了几排新型空心“半体育场”肋片——这些金属件呈圆拱形并带有空腔——并按若干错列水平布置。在进气口附近还安装了小挡板，像微小的墙体一样搅动并重定向来流，使空气更多地贴近热表面。空气采取双程流动：先沿一条通道流动，绕过U形回转段，然后通过另一条通道返回，每趟均能获取额外热量。这种特殊肋片、挡板与双程布局的组合，旨在增加空气与热金属的接触，同时不使系统过于复杂。

测量热量获得与可用功

在三个晴朗日内，研究人员在三种不同风量——低、中、高——下运行集热器，测量多个点的温度、日照强度和气象条件。随后他们计算了两类性能指标。第一类，称为能量效率，回答：“进入的太阳能有多少比例转化为被空气带出的热量？”第二类，称为熵能（可用能）效率，考察这些热量中有多少是真正能做功的，例如提供足够的温升以用于烘干或加热。为核对实验数据，他们还建立了详细的空气流动与传热计算机模型，并将模型预测与户外测量进行比对。

实验揭示了什么

该改良集热器的能量效率在约13%到72%之间，最佳值71.91%出现在强日照（约800瓦/平方米）且风量最高时。简单来说，在良好日照与快速气流条件下，几乎四分之三的照射能量转化为出风中的有用热量。然而，从熵能角度看情况有所不同，这是衡量热量有多大价值的指标。最高的熵能效率为17.06%，出现在最低风量下。低速流动时，空气在内部停留时间更长，出风温度更高，这对烘干或房间加热等用途尤其有利，尽管总体热输出略低。随着空气流速增加，收集的热量总体上更多，但每单位热量的“高品位”降低，熵能效率随之下降。

为何该设计具有前景

对非专业读者来说，结论很直接：通过重新塑造太阳能空气集热器内部的金属肋片并更巧妙地引导空气，该系统能从同样的阳光中获得更多热量。高风量时，它在高效收获大量热量方面表现优秀；低风量时，则能提供更高温度的空气，特别适合烘干和空间供暖。户外实验与计算机模拟结果相互印证，并且性能超过了若干早先研究，表明这一方法可被应用于真实世界的太阳能烘干机、建筑通风预热和其他低温供热需求，助力日常能源使用朝更清洁的方向转型。

引用: 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

关键词: 太阳能空气集热器, 太阳能热利用, 可再生供热, 能源效率, 熵能分析