Может ли абсорбер из алюминиевых ребер, закрепленных на медных трубках, превзойти обычную пластину абсорбера? Именно этот вопрос лег в основу проекта TÜBİTAK 1707 R&D (№ 3225044), который мы выполняли вместе с Innorma R&D, НИОКР-стартапом Solimpeks, с декабря 2022 года по май 2024 года. Цель: конструкция абсорбера, повышающая производительность и тепловых, и гибридных коллекторов PVT и при этом позволяющая наладить его местное производство в Турции.
Что мы создали?
Всего десять прототипов:
| Группа прототипов | Количество | Конфигурация | | --- | --- | --- | | Стандартный тепловой коллектор | 1 | Wunder ANSG 2108 (эталон) | | Стандартный коллектор PV/T | 1 | Solimpeks PV-T (эталон) | | Оребренные тепловые коллекторы | 4 | 7 или 9 трубок абсорбера; 150 или 315 ребер | | Оребренные коллекторы PV/T | 4 | 7 или 9 трубок абсорбера; 112 или 229 ребер |
Оребренные пластины заменяют традиционные абсорберы алюминиевыми ребрами, закрепленными на медных трубках, — такая конструкция может снизить затраты и уменьшить затенение при косых углах. Она обещает лучший захват тепла в тепловом режиме и устойчивую выработку электроэнергии в режиме PV/T, с пиками около 220–250 Вт при хорошей инсоляции, оставаясь при этом легче или компактнее там, где это нужно.
Как формировалась конструкция?
Пакет работ 1 охватывал проектирование и моделирование: 3D-модели в SolidWorks, CFD-расчеты в Flow Simulation и математическую модель в EES для прогноза тепловых потоков. Сначала мы проверяли конфигурации с 7, 9 и даже 11 трубками и подбирали такие параметры, как шаг ребер 6 мм; граничные условия — облученность 1000 Вт/м², температура окружающей среды 30 °C — выбирались так, чтобы имитировать условия испытаний Solar Keymark. Первые расчеты были многообещающими, но намекали и на то, что меньшее число ребер может помочь избежать теней при угле падения солнечных лучей 45°.
В пакете работ 2 прототипы обрели форму: был закуплен алюминий для ребер, собраны медные трубки, а для гибридных версий поверх оребренной конструкции ламинированы фотоэлектрические элементы. В пакете работ 3 конструкции были доработаны: моделирование при косых углах подтвердило, что большое число ребер отбрасывает тени и снижает КПД, поэтому в ряде случаев мы вдвое сократили их число — до 150 ребер для тепловых и 112 для PV/T. В моделях это подняло разность температур на выходе примерно с 2,5 °C у стандартных образцов до 3,6 °C у нашего коллектора PV/T с 9 трубками. Мы также проработали производственные линии.
Что показали натурные испытания?
В пакете работ 4 мы параллельно смонтировали пять тепловых коллекторов и пять коллекторов PV/T, прокачивали воду с расходом 0,03–0,07 кг/с и регистрировали облученность, ветер, температуры в нескольких точках и электрическую выработку PV/T — регистраторы данных записывали показания каждые 5 секунд. Стандартные коллекторы немного опережали при прямом солнце, а оребренные версии вырывались вперед при косых углах, захватывая больше тепла, когда свет падает под наклоном. Электрическая выработка оставалась стабильной, с пиками PV 250 Вт при 1000 Вт/м², что согласуется с эталонными значениями Eurofins, хотя облачность снижала выработку в ходе испытаний.
Какие уроки дались нелегко?
Моделирование верно показало тенденции, но порой завышало выигрыш: реальные испытания показали меньший прирост температуры, возможно, из-за ветра или неравномерности ребер. Сокращение числа ребер решило проблему затенения, но местами добавило вес, что заставило нас пересмотреть материалы. С закупками тоже пришлось поэкспериментировать: подбор алюминиевых рулонов и точная обжимка потребовали нескольких итераций, а первые протечки были устранены подстройкой инструмента. Для индустриализации наиболее эффективным путем представляется поэтапный запуск: сначала ручная сборка, затем выделенная линия по мере роста объемов.
Тем не менее результаты были реальными. Оребренная конструкция достигла разности температур 3–4 °C при косых углах, что может означать реальную экономию при переменной солнечной погоде. Выработка PV/T соответствовала стандартам, но с потенциалом более дешевого местного производства — по нашим оценкам, срок окупаемости составляет три года при стабильных продажах. Запомнилось одно совещание команды: после долгих споров о плотности ребер поздним вечером мы остановились на 112 для PV/T, отказавшись от более плотной партии, — правильный баланс стоимости и производительности. Локализация производства абсорберов также снижает зависимость от импорта и поддерживает цели устойчивого развития, а благоприятная политика в сфере местного производства может ускорить масштабирование.
Кому выгодны оребренные коллекторы?
Домам, больницам, гостиницам, заводам и фермам — везде, где надежное тепло поддерживает такие процессы, как сушка урожая или обогрев теплиц, без сложного обслуживания. Ключевые пользователи — также подрядчики и энергетические компании, устанавливающие солнечные системы, особенно те, кто стремится заменить импортные абсорберы местными, чтобы снизить затраты и уменьшить зависимость от внешних поставщиков.
Где опубликованы результаты?
Результаты по PV/T опубликованы в рецензируемой статье: Büker M.S., Onay A.E. (Innorma R&D) и Dağ H.I. (Solimpeks), «Сравнительный анализ тепловых и электрических характеристик коллекторов PV/T с различными конфигурациями оребренных абсорберов», Journal of Climate Change (2025), doi:10.70917/jcc-2025-028. Исследование, профинансированное TÜBİTAK, показывает, что вариант PV/T с 229 ребрами обладает на 24,48 % более высоким потенциалом сокращения выбросов CO₂, чем стандартная конструкция.
Что дальше?
Завершенный в мае 2024 года проект подчеркивает нашу способность превращать идеи в практичное солнечное оборудование: оребренные абсорберы могут улучшить коллекторы в неидеальных, реальных условиях эксплуатации. Опираясь на прежние разработки — гибридные системы и европейские проекты, — мы обдумываем дальнейшую интеграцию, например более интеллектуальное управление для работы при переменной погоде. Обращайтесь, если вам интересны подробности или совместная работа.
Дополнительные материалы
- Обзор 2025 года по гибридным системам PV/T, где наножидкости и материалы с фазовым переходом (PCM) названы перспективными направлениями
- Исследование середины 2025 года по стратегиям охлаждения PV/T, сочетающее экспериментальный и численный подходы
- Статья конца 2024 года о новых способах охлаждения коллекторов PV/T
