Документ «Поглощающие пластины для солнечных коллекторов: сердце плоских солнечных коллекторов – эффективность и срок службы»

Технический документ по солнечным абсорбирующим пластинам: основа эффективности и срока службы плоских коллекторов.

В плоской системе солнечного коллектора есть незначительный, но крайне важный компонент — поглощающая солнечная энергия пластина (солнечная теплопоглощающая пластина). Она отвечает за преобразование солнечного излучения в тепловую энергию и передачу её рабочей среде. Её характеристики напрямую определяют мгновенную эффективность коллектора, годовую выработку тепла и даже срок службы всей системы. Однако в глазах конечных пользователей и даже некоторых инженерных подрядчиков поглощающая солнечная энергия часто остаётся в тени «оболочки коллектора» или «стеклянной защитной пластины». В данной статье будет подробно проанализирована техническая основа и аспекты выбора основного компонента — поглощающей солнечной энергии пластины — с четырёх точек зрения: материаловедение, процесс нанесения покрытия, тепловые характеристики и качество цепочки поставок.

I. Что такое солнечная поглощающая пластина: функция и структура

Солнечная абсорберная пластина является основным теплообменным компонентом внутри плоского солнечного коллектора. Типичная солнечная абсорберная пластина состоит из трех частей: металлической подложки с высокой теплопроводностью (обычно меди или алюминия), поверхностно-селективного абсорбционного покрытия и массива трубок (медных или змеевидных), приваренных к подложке или интегрированных с ней. Когда солнечный свет проходит через стеклянное покрытие и попадает на абсорберную пластину, покрытие преобразует коротковолновое излучение в тепловую энергию. Затем подложка быстро передает тепло жидкости (воде или антифризу) внутри массива трубок, завершая таким образом передачу энергии от «света → тепла → жидкости».

В зависимости от конструктивной формы, солнечные абсорбирующие пластины подразделяются на следующие основные типы:

1. Трубчато-пластинчатый тип: медные трубки соединяются с алюминиевыми или медными пластинами с помощью ультразвуковой сварки, лазерной сварки или прокатки.

2. Цельнопластинчатый тип: две металлические пластины прокатываются для образования каналов для потока среды (аналогично пластинчатым теплообменникам);

3. Крыловидный тип: Алюминиевый профиль формируется в процессе экструзии, при этом канал для потока воздуха и теплопоглощающие крыльевые пластины интегрированы в единое целое.

Среди них солнечные теплопоглощающие панели из медно-алюминиевого композитного трубчатого типа, благодаря своей высокой экономичности, занимают приблизительно 70% мирового рынка плоских тепловых коллекторов.

II. Основные показатели эффективности: коэффициент поглощения, коэффициент излучения и теплопроводность.

Для оценки качества солнечной абсорберной пластины наиболее важными техническими показателями являются:

1. Коэффициент поглощения солнечной энергии (α).

Это относится к поглощающей способности солнечной абсорбционной панели во всем диапазоне солнечного излучения (300–2500 нм). Селективное абсорбционное покрытие высококачественных солнечных абсорбционных панелей должно иметь значение α ≥ 0,94 (измеренное значение). В настоящее время основными покрытиями являются черный хром, синий титан (TiNOX), алюминий-азот/алюминий (покрытие с тройной мишенью) и композитное покрытие из графена.

2. Коэффициент тепловыделения (ε, при комнатной температуре)

Относится к способности теплопоглощающей панели излучать инфракрасную тепловую энергию наружу при рабочей температуре (обычно 40–100 °C). Чем ниже значение ε, тем меньше теплопотери. Для высококачественных плоских солнечных коллекторов сердечник теплопоглощающей панели должен иметь ε ≤ 0,10 (при комнатной температуре). Например, типичное значение для синего титанового покрытия составляет α = 0,95, ε = 0,05, при этом коэффициент селективности α/ε достигает 19, что является наивысшим показателем в отрасли.

3. Теплопроводность (λ)

Скорость передачи тепла от поверхности покрытия к жидкости внутри трубы. В качестве подложек для солнечных абсорберных пластин обычно используют медь (401 Вт/(м·К)) или алюминий (237 Вт/(м·К)) с высокой теплопроводностью. Процесс сварки также имеет решающее значение: ультразвуковая сварка гарантирует отсутствие зазора теплового сопротивления между медной трубкой и алюминиевой пластиной, в то время как обычная точечная сварка или клеевое соединение могут привести к значительному контактному тепловому сопротивлению, существенно снижая фактическую эффективность сбора тепла.

III. Эволюция технологии нанесения покрытий: от неселективных до ультраселективных.

В первых солнечных теплопоглощающих панелях использовалась неселективная черная краска (α ≈ 0,90, ε ≈ 0,90), которая оказывала тот же эффект, что и черный железный лист, нагретый солнцем. После 1980-х годов основным стало гальваническое покрытие черным хромом с коэффициентом поглощения 0,92-0,94 и коэффициентом излучения 0,12-0,15. Однако в процессе производства черного хрома образуются сточные воды, содержащие шестивалентный хром, что создает огромную экологическую нагрузку.

В начале XXI века технология магнетронного распыления с физическим осаждением из паровой фазы (PVD) позволила создать полностью сухой процесс производства синих титановых покрытий (TiNOX). Это покрытие для солнечных абсорберных пластин имеет насыщенный синий цвет, обладает чрезвычайно высокой селективностью, а в процессе производства не образуются сточные воды или отработанные газы. В настоящее время ведущие производители тепловых коллекторов в Европе и Китае полностью перешли на синие титановые или аналогичные PVD-покрытия.

В последнем поколении солнечных теплопоглощающих панелей начинают применяться нанокомпозитные керамические покрытия и покрытия, модифицированные графеном. Лабораторные данные показывают, что значение α для теплопоглощающей панели с добавлением графена может достигать 0,96, а значение ε — всего 0,04. Одновременно с этим, показатели старения улучшились более чем на 30%. Однако эта технология все еще находится на стадии пилотного производства, и ее стоимость в 2-3 раза выше, чем у технологии «Лантай». Она еще не достигла крупномасштабной коммерциализации.

IV. Проблемы отрасли: хаос, связанный с поддельными и некачественными солнечными абсорберами.

На рынке конечных потребителей качество солнечных абсорберных пластин сильно варьируется. Некоторые недорогие, но низкокачественные изделия используют следующие технологии:

1. Некачественное соединение: Медные трубы были приклеены к алюминиевым пластинам обычным клеем. После полугода эксплуатации слой клея износился, что привело к отслоению трубы и пластины и резкому снижению эффективности теплоотвода.

2. Некачественное покрытие: оно имитирует цвет синего титана, но не является вакуумным покрытием. После нанесения обычной черной краски значение α составляет всего 0,85, и покрытие начинает выцветать и отслаиваться в течение трех месяцев.

3. Тонкостенная труба: Толщина стенки трубы была уменьшена с 0,6 мм до 0,3 мм. Во время циркуляции антифриза она быстро корродировала и повреждалась, что приводило к утечке и необходимости утилизации всего коллектора.

Отраслевая испытательная организация указала, что для сертифицированного абсорбера плоского солнечного коллектора после 1000-часового испытания в нейтральном солевом тумане и 200 циклов испытаний на термический удар покрытие не должно отслаиваться или пузыриться, а коэффициент ослабления α не должен превышать 0,02. При покупке пользователи должны требовать от поставщика предоставления отчета о типовых испытаниях, проведенных независимой третьей стороной.

V. Тенденции рынка: интегрированные экструзионные теплопоглощающие пластины и крупномасштабное производство.

Традиционная трубчатая солнечная абсорберная пластина требует использования как медных трубок, так и алюминиевых пластин, что создает риск электрохимической коррозии и требует многократных сварочных работ. В последние годы набирает популярность цельноалюминиевая интегрированная экструзионная теплопоглощающая пластина. Эта технология позволяет формировать солнечную теплопоглощающую пластину с множеством параллельных микроканалов за один экструзионный процесс с использованием экструзионного станка для алюминиевых профилей. Она исключает контактное тепловое сопротивление между трубчатой ​​пластиной и зоной коррозии без необходимости сварки труб. Плоские коллекторы BTESolar полностью переняли эту конструкцию, достигнув КПД коллектора более 82%.

Тем временем, с увеличением числа проектов по установке крупномасштабных солнечных тепловых коллекторов, требования к ширине теплопоглощающих пластин расширились со стандартных 1 и 2 метров до более чем 3 метров. В области крупномасштабных коллекторов также начали применяться широкие двухсторонние теплопоглощающие пластины (с покрытием на обратной стороне для использования отраженного света), а также конструкции неправильной формы, такие как треугольники и гофрированные пластины.

VI. Как выбрать и приобрести солнечные абсорберные пластины

Для производителей солнечных коллекторов, инженеров или заказчиков крупномасштабных проектов рекомендуемый процесс выбора солнечных абсорберных пластин выглядит следующим образом:

1. Подтвердите сценарии применения: стандартный бытовой (композит из меди и алюминия, синее титановое покрытие); высококоррозионная промышленная среда (цельноалюминиевый интегрированный блок, анодирование + селективное покрытие); экстремально холодные регионы (требуются поглощающие панели с более высоким коэффициентом излучения для снижения теплопотерь от ночного излучения).

2. Запрос на протокол испытаний: Уделите особое внимание коэффициенту поглощения (α), коэффициенту излучения (ε), продолжительности испытания в нейтральном солевом тумане и количеству циклов термического шока.

3. Проверка качества сварки: Теплопоглощающая пластина трубчатого типа должна пройти испытание на прочность на отслаивание (сила отслаивания в точке сварки должна быть ≥ 100 Н/25 мм).

4. Бренд и гарантия: Надежный поставщик должен предлагать гарантию на качество покрытия сроком не менее 10 лет (α-снижение ≤ 0,03).

VII. Заключение

Несмотря на небольшие размеры солнечной абсорбирующей пластины, именно от нее зависит успех или неудача системы.

Поглощающая пластина является единственным компонентом с наибольшей долей стоимости (приблизительно 15-25%) в плоском солнечном коллекторе, но именно она оказывает наибольшее влияние на производительность системы. Высококачественная поглощающая пластина позволяет коллектору стабильно работать в зоне высокой эффективности более 20 лет; в то время как некачественная поглощающая пластина может превратить весь проект солнечного отопления в простое украшение. В условиях растущих требований к качеству использования солнечной тепловой энергии в рамках глобальных усилий по сокращению выбросов углерода стандартизация и отслеживаемость сердцевины поглощающей пластины плоских солнечных коллекторов станут неизбежной тенденцией.