Солнечные коллекторы U-Pipe: высокоэффективное решение для солнечного отопления с низким сопротивлением к температурам

Солнечный коллектор с U-образной трубкой: высокоэффективное, устойчивое к низким температурам решение для солнечного отопления

Среди разнообразного семейства технологий использования солнечного тепла солнечные коллекторы с U-образными трубками занимают важное место благодаря своей уникальной конструкции, исключительной эксплуатационной стабильности и превосходной устойчивости к низким температурам. Они искусно сочетают в себе эффективность металлических теплосборных пластин с изоляционными свойствами вакуумных трубок, что делает их идеальным выбором для работы в условиях холодного климата и поиска высокопроизводительных решений. В данной статье подробно рассматривается принцип работы U-образных коллекторов, всесторонне исследуются их многочисленные сферы применения, дается объективный анализ их текущего положения на рынке и дается прогноз их перспективного развития.

Спецификация и данные

1) Циркуляция жидкости осуществляется по закрытой U-образной трубе, в вакуумных трубках отсутствует вода. Нет коррозии, протечек, образования накипи, нет случайных засоров.

2) Благодаря эффективному переносу тепловой энергии алюминиевыми ребрами, коллекторы с трубами U-типа достигают более высокой температуры за короткое время.

3) Система может работать под давлением, полностью закрытый металлический желоб из красной меди, устойчив к коррозии, не протекает, имеет длительный срок службы. 

4) Новая трехуровневая технология обнаружения утечек для обеспечения надежной работы системы. 

5) Гибкие характеристики размеров, оптимизированная конструкция, могут отвечать требованиям солнечной энергетики и интеграции в здание.

I. Принцип работы: изысканная технология захвата и передачи энергии

Солнечный коллектор с U-образной трубой – это новый тип энергосберегающего продукта нашей компании. U-образная труба впаяна в алюминиевое ребристое теплообмена внутри вакуумной трубки, которое передает тепло от внутренней трубки к U-образной трубке. Жидкость (обычно антифриз на основе гликоля и воды) в металлической U-образной трубке нагревается и передает тепло воде внутри пластинчатого теплообменника или медных спиральных змеевиков накопителя.

Основная конструктивная концепция U-образных солнечных коллекторов заключается в «сухом соединении» и «эффективной теплопередаче», а их выдающиеся эксплуатационные характеристики обусловлены слаженной работой нескольких ключевых компонентов.

1. Вакуумные трубки и селективные поглощающие покрытия:

Первая линия обороны и энергетические двигатели. Подобно полностью стеклянным вакуумным лампам, внешняя поверхность U-образных коллекторов также состоит из одной или нескольких двухслойных стеклянных вакуумных трубок. Внешняя стенка внутренней стеклянной трубки покрыта усовершенствованным «селективным поглощающим покрытием» (обычно синего или чёрного цвета). Это покрытие является «энергетическим двигателем» системы, отвечая за максимальное поглощение солнечного излучения (коэффициент поглощения α ≥ 0,93) и преобразование его в тепловую энергию, одновременно эффективно подавляя собственные потери на тепловое излучение (коэффициент излучения ε ≤ 0,06). Внешний вакуумный промежуточный слой (с давлением менее 10⁻³Па) образует отличный изолирующий слой. Благодаря полной изоляции конвекции и теплопроводности он предотвращает утечку тепла наружу, что позволяет коллектору поддерживать высокую температуру даже в условиях низких температур.

2. Металлические теплопоглощающие пластины и U-образные медные трубки: основной теплообменник

В этом и заключается основное отличие U-образных коллекторов от обычных стеклянных вакуумных трубок. Внутри вакуумной трубки, вместо непосредственного нагрева потока воды, встроена металлическая (обычно алюминиевая или медная) теплопоглощающая пластина. Эта теплопоглощающая пластина плотно прилегает к медной трубке с высокой теплопроводностью, изогнутой в форме буквы «U» с помощью точной сварки или прессования. Когда солнечная энергия поглощается покрытием и преобразуется в тепловую, тепло быстро передается к металлической теплопоглощающей пластине, а затем к плотно соединенной с ней медной U-образной трубке.

3. Циркуляция теплоносителя: замкнутый транспортер энергии

Вода, протекающая в U-образной медной трубке, не является напрямую использованной водопроводной водой, а специальным незамерзающим теплоносителем (обычно смесью пропиленгликоля и воды в качестве антифриза). Эта система циркуляции замкнутая. Под воздействием солнца медные трубки поглощают тепло, и незамерзающее рабочее тело внутри них нагревается. Под действием насоса принудительной циркуляции (в некоторых системах с естественной циркуляцией используется эффект термосифона) нагретое рабочее тело вытекает из верхнего конца U-образной трубки и поступает в теплообменник (обычно змеевик или рубашка), расположенный внутри бака для хранения воды. Здесь тепловое рабочее тело передает тепло воде в баке посредством теплообмена. После охлаждения оно возвращается из нижнего конца U-образной трубки и снова нагревается, образуя непрерывный замкнутый цикл.

Такая «двухконтурная» конструкция (разделяющая контур сбора тепла и водяной контур) является основной причиной высокой надежности и превосходной защиты от замерзания U-образного коллектора. Она не только использует преимущества максимальной теплоизоляции вакуумных трубок, но и полностью исключает риск замерзания и разрыва трубопроводов зимой благодаря замкнутому контуру циркуляции незамерзающей рабочей среды.

II. Сценарии применения: подходит для широкого спектра вариантов чистого отопления.

Благодаря высокой эффективности, устойчивости к низким температурам, возможности работы под давлением и гибкости монтажа коллекторы с U-образными трубками нашли свое применение во многих областях.

1. Горячее водоснабжение и отопление в холодных и высокогорных районах:

Это наиболее востребованная область применения U-образных коллекторов. В регионах с холодными зимами, таких как Северо-Восточный Китай, Северо-Западный Китай, Северная Европа и Канада, их исключительная защита от замерзания делает их одним из самых надежных решений для использования солнечной энергии, способных обеспечивать круглогодичное горячее водоснабжение и дополнительный источник тепла для подогрева пола зимой в односемейных домах, таунхаусах и даже небольших поселках.

2. Интегрированная в здание солнечная система (BIPV/T)

U-образные коллекторы, особенно в сочетании с плоскими, лучше вписываются в фасад здания. Их можно использовать в качестве ограждения балкона, наружной настенной панели или элемента кровли, обеспечивая единство функциональности и эстетики. Их эксплуатационные характеристики, выдерживающие высокое давление, обеспечивают идеальную совместимость с городской водопроводной сетью, обеспечивая мощный напорный душ, ничем не отличающийся от ощущений от обычных газовых или электрических водонагревателей.

3. Масштабное отопление коммерческих и общественных объектов:

Гостиницы, школы, больницы и бассейны: эти места имеют большой и стабильный спрос на горячую воду. Установив десятки или даже сотни U-образных коллекторов в модульные массивы, можно построить крупномасштабные централизованные солнечные системы отопления, значительно снижая расходы на электроэнергию для коммерческих предприятий.

Общежития для сотрудников и дома престарелых: для мест коллективного проживания с постоянной и стабильной потребностью в горячей воде система труб U-образной формы представляет собой безопасное и автоматизированное решение для подачи горячей воды.

4. Промышленное и сельскохозяйственное технологическое тепло (технологическое отопление)

В таких промышленных процессах, как переработка пищевых продуктов, пивоварение и текстильная промышленность, где требуется горячая вода низкой температуры (40–80 °C), солнечные системы с U-образными трубками могут служить эффективными устройствами предварительного или прямого нагрева, сокращая потребление ископаемой энергии и уменьшая выбросы углерода.

В сельском хозяйстве его можно использовать для дополнительного обогрева теплиц в зимний период с целью создания подходящей температурной среды для посадки растений.

III. Состояние разработки: передовые технологии и рыночные вызовы сосуществуют.

Солнечные коллекторы с U-образными трубками в настоящее время находятся на этапе «высокого технического признания, но жесткой рыночной конкуренции».

Технологическая зрелость и эксплуатационные преимущества получили широкое признание: являясь представителем технологии использования солнечной энергии второго поколения, этот продукт уже достиг высокого уровня зрелости. Эффективное «сухое соединение», исключительная защита от замерзания и высокая устойчивость к давлению получили широкое признание в профессиональных кругах и среди требовательных пользователей.

Давление затрат и рыночная конкуренция: Основная проблема заключается в первоначальной стоимости. Из-за интеграции металлических теплопоглощающих пластин, U-образных медных трубок и сварки удельная стоимость таких ламп обычно выше, чем у обычных цельностеклянных. Это делает их менее конкурентоспособными на рынках, чувствительных к цене. Кроме того, они сталкиваются с двойной конкуренцией со стороны традиционных электронных ламп и высокоэффективных плоских коллекторов.

Межотраслевое давление со стороны фотоэлектрических систем: Как и вся отрасль солнечной тепловой энергетики, система U-образных трубок также пострадала от постоянного снижения стоимости производства фотоэлектрической энергии. В некоторых сценариях, где требуется только низкопотенциальная горячая вода, модель «фотоэлектрические системы + электрический бойлер» имеет преимущество благодаря простоте установки и, по-видимому, меньшим первоначальным инвестициям.

Позиционирование на рынке понятно, но необходимы образовательные мероприятия и популяризация: в настоящее время U-образные коллекторы чаще позиционируются как «высокопроизводительные» и «элитные» решения, ориентированные, главным образом, на пользователей с особыми потребностями (например, отопление в холодных регионах и интеграция в здания). Рынку по-прежнему необходимо постоянное обучение, чтобы больше потребителей понимали преимущества, связанные со стоимостью полного жизненного цикла и долговременной надежностью.

IV. Перспективы развития: будущее инновационной интеграции с системой

Несмотря на трудности, дальнейшее развитие U-образных солнечных коллекторов будет сосредоточено на преодолении ограничений производительности, интеллектуальности системы и расширении областей применения.

Постоянные инновации в материалах и процессах

Модернизация технологии покрытий: разработка селективных абсорбционных покрытий с более высокой скоростью поглощения и более низкой излучательной способностью, а также повышение их стабильности при высоких температурах для продления срока службы и повышения эффективности.

Оптимизация пластин теплопоглощающего типа: исследование более эффективных конструкций рёбер для пластин теплопоглощающего типа (например, гофрированных, с лазерной сваркой) для максимального увеличения площади теплопроводности и эффективности. Использование более лёгких материалов с лучшей теплопроводностью также является одним из направлений.

Исследование областей применения среднетемпературных технологий

Благодаря оптимизации конструкции системы и формулы рабочего тела U-образный коллектор способен стабильно вырабатывать среднетемпературную тепловую энергию в диапазоне от 120 до 150 °C. Это открывает для него более широкие возможности промышленного применения, такие как промышленная сушка и паровая предварительная обработка, что обеспечивает огромный рыночный потенциал.

Глубокая интеграция в интеллектуальную энергетическую систему

Система U-образных труб в будущем перестанет быть изолированным отопительным устройством. Благодаря встроенным датчикам Интернета вещей и интеллектуальным алгоритмам управления она станет частью системы управления энергопотреблением умного дома/здания. Система способна интеллектуально регулировать запуск, остановку и скорость циркуляционного насоса на основе прогнозов погоды, привычек пользователей, а также пиковых и непиковых цен на электроэнергию в энергосистеме, обеспечивая экономичную оптимизацию использования энергии и работая в координации с дополнительными источниками энергии, такими как тепловые насосы и газовые котлы.

Потенциальные запасы солнечных гибридных систем (PV-T):

U-образная структура трубок отлично подходит для разработки интегрированных солнечных фотоэлектрических и тепловых модулей (PV-T). Фотоэлектрические элементы могут быть непосредственно наклеены на металлические теплопоглощающие пластины. U-образные трубки эффективно отводят тепло, выделяемое элементами, при выработке электроэнергии. Это не только снижает температуру фотоэлектрических модулей (повышая эффективность генерации электроэнергии), но и позволяет получить свободную тепловую энергию, обеспечивая максимальное использование солнечной энергии на единицу площади. Это одно из лучших решений проблемы ограниченного пространства на крыше.

Политика и стандартизация

По мере достижения глобальной цели углеродной нейтральности требования к энергосбережению в зданиях и использованию возобновляемых источников энергии в различных странах будут ужесточаться. Ожидается, что U-образные коллекторы, являясь зрелой и эффективной технологией снижения выбросов, будут рекомендованы к применению в более широком спектре стандартов «зелёного строительства» и обязательных правил установки. Модульность и стандартизация продукции помогут снизить затраты на производство и монтаж, а также повысить конкурентоспособность на рынке.

Заключение

Солнечные коллекторы с U-образными трубками, благодаря своей изысканной конструкции и неоспоримым эксплуатационным преимуществам, прочно занимают свою высокопроизводительную и высоконадежную нишу на рынке технологий использования солнечной энергии. Это не только мощный инструмент для борьбы с суровыми холодами, но и элегантный носитель, сочетающий архитектурную эстетику с чистой энергией. Несмотря на трудности, связанные со стоимостью и рынком, они продемонстрировали высокую технологическую устойчивость и широкие перспективы развития благодаря непрерывной эволюции в такие передовые области, как среднетемпературные промышленные приложения, интеллектуальное управление энергопотреблением и комбинированная фотоэлектрическая тепловая генерация. В условиях глобального энергетического перехода солнечные коллекторы с U-образными трубками продолжат вносить свой незаменимый вклад в построение низкоуглеродного и устойчивого будущего общества благодаря своей стабильной и эффективной работе.