DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39094-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41663732
تاريخ النشر: 2026-02-09
المؤلف: R. Venkatramanan وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية والفوتوفولطية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في أداء سخان الهواء الشمسي بأنبوب مفرغ مع أنبوب متحد المحور (ETSAHCT) تحت ظروف متغيرة في كويمباتور، الهند. يتضمن الإعداد التجريبي رأسًا، و20 جامع أنبوب مفرغ شمسي (ETC)، ومروحة، مع تدفق الهواء الجوي عبر أنابيب فولاذية خفيفة متحد المحور تحت الحمل القسري. تكشف الدراسة أن الأنبوب المتحد المحور بطول 1.5 متر يحقق أقصى درجة حرارة هواء تبلغ 94 درجة مئوية عند معدل تدفق كتلي قدره 50 كجم/ساعة، مما ينتج عنه كفاءة حرارية فعالة تبلغ 26%. بالمقابل، يصل الأنبوب الأقصر بطول 0.75 متر إلى أقصى درجة حرارة تبلغ 78 درجة مئوية تحت نفس ظروف التدفق.
تشير التحليلات الإضافية إلى أنه بالنسبة للأنبوب بطول 1.5 متر عند معدل تدفق قدره 100 كجم/ساعة وإشعاع شمسي قدره 925 واط/م²، تنخفض درجة حرارة المخرج إلى 74 درجة مئوية، لكن الكفاءة الحرارية تتحسن إلى 32.12%. بالنسبة للأنبوب بطول 0.75 متر عند نفس معدل التدفق، تكون درجة حرارة المخرج 69 درجة مئوية، مع كفاءة حرارية تبلغ 32.31%. تظهر النتائج وجود علاقة واضحة بين طول الأنبوب المتحد المحور وكلا من درجة حرارة الهواء المخرج والكفاءة الحرارية، مما يشير إلى أن الأنابيب الأطول تعزز الأداء عند معدلات تدفق كتلي متغيرة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الحاجة الملحة لمصادر الطاقة المتجددة بسبب التناقص في توافر إمدادات الطاقة التقليدية. تم تحديد الطاقة الشمسية كمصدر طاقة وفير ونظيف بشكل خاص، قابل للتطبيق عبر مختلف القطاعات الصناعية، بما في ذلك تسخين المساحات، وتسخين المياه، وتوليد الطاقة. على الرغم من إمكانيات المجمعات الشمسية الحرارية، وخاصة المجمعات ذات الألواح المسطحة (FPC) والمجمعات الأنبوبية المفرغة (ETC)، لا تزال هناك تحديات تتعلق بكفاءتها الحرارية، ويرجع ذلك أساسًا إلى معامل فقدان الحرارة العالي.
أظهرت الأبحاث أنه بينما تُستخدم المجمعات ذات الألواح المسطحة عادةً لمدى درجات حرارة يتراوح بين 60-100 درجة مئوية، فإن كفاءتها محدودة. بالمقابل، أظهرت المجمعات الأنبوبية المفرغة أداءً متفوقًا، حيث تشير الدراسات إلى اختلافات كبيرة في درجات الحرارة وتحسين الكفاءة الحرارية تحت ظروف مختلفة. على سبيل المثال، أفاد ياداف وباجباي بفارق درجة حرارة أقصى قدره 36.8 درجة مئوية لمجمع أنبوبي مفرغ في الهند، بينما حقق AV كومار وآخرون كفاءة حرارية تبلغ 35.12% عند معدل تدفق قدره 100 كجم/ساعة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت التطورات في التصميم، مثل دمج الزعانف وأنابيب الحرارة، أنها تعزز الكفاءة بشكل أكبر، مما يشير إلى أن الأساليب المبتكرة يمكن أن تحسن التطبيقات الشمسية الحرارية لإدارة الطاقة بشكل أفضل واستدامة.
طرق
في الإعداد التجريبي لنظام ETSAHCT، تم إجراء فحص شامل لضمان سلامة الوصلات والاتصالات، مما يمنع تسرب الهواء. تم إجراء معايرة لأدوات القياس وفقًا لمواصفات الشركة المصنعة. تم بدء النظام بمروحة طرد مركزي، وتم ضبط معدلات تدفق الهواء عبر صمام التحكم في التدفق. تم ملاحظة فترة استقرار لمدة 30 دقيقة لتحقيق ظروف الحالة الثابتة قبل بدء القياسات. تم تسجيل بيانات شدة الإشعاع الشمسي ودرجات حرارة الهواء على فترات زمنية قدرها 10 دقائق باستخدام مسجل بيانات. تم تحديد معدلات تدفق الهواء باستخدام مقياس سرعة الهواء الساخن، وتم قياس الفقد في الضغط عبر ممر تدفق الهواء باستخدام مقياس ضغط دقيق لتقييم متطلبات قوة الضخ. تم إجراء جميع التجارب خلال ساعات النهار للحفاظ على تعرض شمسي ثابت.
استند تحليل كفاءة نظام ETSAHCT إلى عدة معادلات. تم حساب الكفاءة الفعالة، التي يرمز لها بـ $\eta_{\text{eff}}$، باستخدام الصيغة $\eta_{\text{eff}} = \frac{Q_{\text{use}}}{A_c \times N \times I}$، حيث $Q_{\text{use}} = m C_p (T_{\text{out}} – T_{\text{in}})$. تم تحديد مساحة المجمع، $A_c$، على أنها $A_c = 2 D_{\text{atu}} L_{\text{etu}}$. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم الكفاءة العامة، $\eta_{e \text{eff}}$، من خلال دمج فقد الضغط، المعبر عنه بـ $\eta_{e \text{eff}} = \frac{(Q_{\text{use}} – P_{\text{fan}})}{A_p \times N \times I}$، مع $P_f = P_{\text{flow}} C_o$ و$C_o = 0.2 P_{\text{flow}}$ (واط)، حيث $P_{\text{flow}} = m \Delta P / \rho$. سهلت هذه الحسابات تقييمًا شاملاً للكفاءة الحرارية والأداء الحراري الهيدروليكي لنظام ETSAHCT.
نتائج
هدفت الدراسة إلى تقييم الأداء الحراري لسخان الهواء الشمسي الأنبوب المفرغ (ETSAHCT) تحت معدلات تدفق هواء متغيرة قدرها 50 كجم/ساعة و100 كجم/ساعة، والتي أجريت في أبريل 2024 خلال ظروف سماء صافية في الغالب. تم إجراء التجارب بين الساعة 09:00 و17:00، مع درجات حرارة جوية تتراوح من 30 درجة مئوية إلى ذروة 39 درجة مئوية. تم استخدام طولين مختلفين من الأنابيب الفولاذية الخفيفة المتحد المحور، مع التركيز بشكل خاص على تكوين بطول 1.5 متر، والذي أظهر زيادة ثابتة في درجة حرارة الهواء المخرج لكلا معدلي التدفق. يُعزى هذا التحسن في درجة الحرارة إلى الوقت الطويل للإقامة وتحسين نقل الحرارة الحملية داخل ممر التدفق الحلقي بين الأنبوبين الداخلي والخارجي.
أشارت النتائج إلى أن درجة حرارة الهواء المخرج تصل إلى ذروتها حوالي الظهر، مما يتوافق مع أقصى إشعاع شمسي. ومع ذلك، بينما حسنت معدلات التدفق الأعلى الكفاءة الحرارية، فإنها أدت أيضًا إلى زيادة المقاومة الهيدروليكية، مع قياس فقد ضغط قدره 1250 نيوتن/م² للأنبوب المتحد المحور بطول 1.5 متر. تطلب هذا الفقد في الضغط قوة ضخ أكبر، مما أدى إلى كفاءة حرارية فعالة تبلغ 0.363 عند الساعة 17:00، وهي أقل بحوالي 7-8% من الكفاءة الحرارية بسبب القيود الهيدروليكية. تؤكد هذه النتائج على التوازن بين الأداء الحراري والكفاءة الهيدروليكية في أنظمة تسخين الهواء الشمسي.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على التقدم الكبير في أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية، وخاصة دمج المجمعات الأنبوبية المفرغة (ETC) مع وحدات التحلية، والتي أظهرت تحسينًا في إنتاج المياه قدره 25-28 لترًا يوميًا مقارنة بالأنظمة الحالية. تشير أبحاث أميت كومار وآخرون إلى أن مجمع ETC مفتوح ثنائي الاتجاه يعزز كفاءة سخانات الهواء الشمسية (SAH)، بينما وجد كيدار وآخرون أن نظام التحلية الشمسية الهجين الذي يجمع بين ETC ومجمعات بارابولية مركبة (CPC) يمكن أن ينتج 1.5-2 لتر من المياه العذبة يوميًا، مما يلبي معايير نقاء ISO 12500-2012. بالإضافة إلى ذلك، أفاد عمرو البراشي وآخرون بأن مجفف هجين PV/T حقق كفاءات حرارية وكهربائية تبلغ 57.3% و16.2% على التوالي، واستكشفوا أداء أنظمة ETC مع تكوينات مختلفة، بما في ذلك مواد تغيير الطور.
تناقش الدراسة أيضًا قياس وتحليل عدم اليقين لمختلف المعلمات، بما في ذلك درجة الحرارة، وسرعة الهواء، والإشعاع الشمسي، باستخدام أدوات دقيقة مثل الثيرموكبلات من النوع K ومقاييس الإشعاع. تشير النتائج إلى أن طول الأنابيب المتحد المحور يؤثر بشكل كبير على الكفاءة الحرارية، حيث تحقق الأنابيب الأطول كفاءات أعلى بسبب تحسين نقل الحرارة. على وجه التحديد، كانت أقصى كفاءة حرارية تم ملاحظتها 32.31% عند معدل تدفق قدره 100 كجم/ساعة مع أنبوب متحد المحور بطول 0.75 متر. يُقترح أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين تصميم الأنابيب المتحد المحور والمواد لتعزيز نقل الحرارة مع تقليل فقد الضغط، بالإضافة إلى دمج تخزين الطاقة الحرارية لتحسين الأداء على المدى الطويل في التطبيقات الصناعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-39094-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41663732
Publication Date: 2026-02-09
Author(s): R. Venkatramanan et al.
Primary Topic: Solar Thermal and Photovoltaic Systems
Overview
The research investigates the performance of an Evacuated Tube Solar Air Heater with Coaxial Tube (ETSAHCT) under varying conditions in Coimbatore, India. The experimental setup includes a header, 20 Evacuated Tube Solar Collectors (ETC), and a blower, with atmospheric air flowing through coaxial mild steel tubes under forced convection. The study reveals that the 1.5m coaxial tube achieves a maximum air temperature of 94°C at a mass flow rate of 50 kg/h, yielding an effective thermal efficiency of 26%. In contrast, the shorter 0.75m tube reaches a maximum temperature of 78°C under the same flow conditions.
Further analysis indicates that for the 1.5m tube at a flow rate of 100 kg/h and solar radiance of 925 W/m², the outlet temperature drops to 74°C, but thermal efficiency improves to 32.12%. For the 0.75m tube at the same flow rate, the outlet temperature is 69°C, with a thermal efficiency of 32.31%. The findings demonstrate a clear correlation between the length of the coaxial tube and both the outlet air temperature and thermal efficiency, indicating that longer tubes enhance performance at varying mass flow rates.
Introduction
The introduction highlights the pressing need for renewable energy sources due to the diminishing availability of conventional energy supplies. Solar power is identified as a particularly abundant and clean energy resource, applicable across various industrial sectors, including space heating, water heating, and power generation. Despite the potential of solar thermal collectors, particularly Flat Plate Collectors (FPC) and Evacuated Tube Collectors (ETC), challenges remain regarding their thermal efficiency, primarily due to high heat loss coefficients.
Research has shown that while FPCs are commonly used for temperature ranges of 60-100°C, their efficiency is limited. In contrast, ETCs have demonstrated superior performance, with studies indicating significant temperature differentials and improved thermal efficiency under various conditions. For instance, Yadav and Bajpai reported a maximum temperature difference of 36.8 °C for an ETC in India, while AV Kumar et al. achieved a thermal efficiency of 35.12% at a flow rate of 100 kg/h. Additionally, advancements in design, such as the incorporation of fins and heat pipes, have been shown to enhance efficiency further, suggesting that innovative approaches could optimize solar thermal applications for better energy management and sustainability.
Methods
In the experimental setup for the ETSAHCT system, a thorough inspection was conducted to ensure the integrity of joints and connections, preventing air leakages. Calibration of measuring instruments was performed according to manufacturer specifications. The system was initiated with a centrifugal blower, and airflow rates were adjusted via a flow control valve. A stabilization period of 30 minutes was observed to achieve steady-state conditions before measurements commenced. Data on solar radiation intensity and air temperatures were recorded at 10-minute intervals using a data logger. Airflow rates were determined using a hot-wire anemometer, and pressure drops across the airflow passage were measured with a micro-manometer to assess pumping power requirements. All experiments were conducted during daylight hours to maintain consistent solar exposure.
The analysis of the ETSAHCT system’s efficiency was based on several equations. The effective efficiency, denoted as $\eta_{\text{eff}}$, was calculated using the formula $\eta_{\text{eff}} = \frac{Q_{\text{use}}}{A_c \times N \times I}$, where $Q_{\text{use}} = m C_p (T_{\text{out}} – T_{\text{in}})$. The collector area, $A_c$, was determined as $A_c = 2 D_{\text{atu}} L_{\text{etu}}$. Additionally, the overall efficiency, $\eta_{e \text{eff}}$, was evaluated by incorporating pressure loss, expressed as $\eta_{e \text{eff}} = \frac{(Q_{\text{use}} – P_{\text{fan}})}{A_p \times N \times I}$, with $P_f = P_{\text{flow}} C_o$ and $C_o = 0.2 P_{\text{flow}}$ (W), where $P_{\text{flow}} = m \Delta P / \rho$. These calculations facilitated a comprehensive assessment of the thermal efficiency and thermo-hydraulic performance of the ETSAHCT system.
Results
The research aimed to evaluate the thermal performance of an evacuated tube solar air heater (ETSAHCT) under varying air flow rates of 50 kg/h and 100 kg/h, conducted in April 2024 during predominantly clear sky conditions. The experiments were performed between 09:00 and 17:00, with atmospheric temperatures ranging from 30 °C to a peak of 39 °C. Two different lengths of coaxial mild steel tubes were utilized, specifically focusing on a 1.5 m configuration, which demonstrated a steady increase in outlet air temperature for both flow rates. This enhancement in temperature is attributed to the extended residence time and improved convective heat transfer within the annular flow passage between the inner and outer tubes.
The results indicated that the outlet air temperature peaks around noon, correlating with maximum solar insolation. However, while higher flow rates improved thermal efficiency, they also resulted in increased hydraulic resistance, with a measured pressure loss of 1250 N/m² for the 1.5 m coaxial tube. This pressure loss necessitated greater pumping power, leading to an effective thermal efficiency of 0.363 at 17:00, which is approximately 7-8% lower than the thermal efficiency due to the hydraulic constraints. These findings underscore the trade-off between thermal performance and hydraulic efficiency in solar air heating systems.
Discussion
The discussion highlights significant advancements in solar thermal systems, particularly the integration of Evacuated Tube Collectors (ETC) with desalination units, which has demonstrated improved water yield of 25-28 liters per day compared to existing systems. Research by Amit Kumar et al. indicates that a bidirectional open ETC enhances the efficiency of solar air heaters (SAH), while Kedar et al. found that a hybrid solar desalination system combining ETC and Compound Parabolic Concentrators (CPC) can produce 1.5-2 liters of fresh water daily, meeting ISO 12500-2012 purity standards. Additionally, Amr Elbrashy et al. reported a Hybrid PV/T dryer achieving thermal and electrical efficiencies of 57.3% and 16.2%, respectively, and explored the performance of ETC systems with various configurations, including phase change materials.
The study also addresses the measurement and uncertainty analysis of various parameters, including temperature, air velocity, and solar insolation, using precise instruments such as K-type thermocouples and pyranometers. The findings indicate that the length of coaxial tubes significantly affects thermal efficiency, with longer tubes yielding higher efficiencies due to improved heat transfer. Specifically, the maximum thermal efficiency observed was 32.31% at a flow rate of 100 kg/h with a 0.75 m coaxial tube. Future research is suggested to focus on optimizing coaxial tube design and materials to enhance heat transfer while minimizing pressure losses, as well as incorporating thermal energy storage for better long-term performance in industrial applications.