Вакуумные трубчатые коллекторы: эффективные решения для устойчивой энергетики

Что такое вакуумный трубчатый коллектор?

В современную эпоху поиска устойчивой энергии вакуумные трубчатые коллекторы как эффективные устройства для использования солнечного тепла постепенно получают все большее распространение и вносят важный вклад в глобальный энергетический переход.

Как работает солнечный коллектор с вакуумной трубкой?

Солнечный коллектор с вакуумными трубками, также известный как солнечный коллектор с вакуумными трубками, состоит из нескольких параллельных прозрачных стеклянных трубок. Внутри каждой стеклянной трубки находится поглощающая трубка, поверхность которой покрыта селективным поглощающим слоем, способным эффективно поглощать солнечное излучение и преобразовывать его в тепловую энергию. Вакуумный слой между стеклянной трубкой и поглощающей трубкой эффективно снижает потери тепла, вызванные теплопроводностью и конвекцией, что позволяет коллектору поддерживать высокую теплоотдачу при различных погодных условиях.

Принцип его работы продуман и эффективен. Когда солнечный свет падает на внешнюю стеклянную трубку, он проходит через неё и нагревает внутреннюю поглощающую трубку. Селективное покрытие поглощающей трубки поглощает солнечное излучение, подавляет теплопотери и нагревает циркулирующую внутри рабочую жидкость, например, воду или другой теплоноситель. Затем нагретая жидкость поступает в теплообменник, где собранное тепло используется для различных целей, таких как горячее водоснабжение домов, обогрев бассейнов, отопление помещений, а в некоторых современных системах собранное тепло может использоваться для выработки пара, приводящего в действие небольшие турбины для выработки электроэнергии.

Основные преимущества вакуумных трубчатых коллекторов

Вакуумные трубчатые коллекторы обладают многочисленными существенными преимуществами, которые выделяют их в области использования солнечного тепла. Во-первых, их тепловой КПД чрезвычайно высок. В условиях низкой освещенности, благодаря вакуумной изоляции и селективному покрытию, эффективность сбора тепла может достигать 70%, что значительно выше, чем у традиционных плоских коллекторов. Во-вторых, коллектор может адаптироваться к различным суровым погодным условиям. Даже в холодных регионах слой вакуумной изоляции может эффективно предотвращать потери тепла и обеспечивать стабильную теплоотдачу, что делает его особенно подходящим для использования в высоких широтах или холодных районах. Кроме того, монтаж вакуумных трубчатых коллекторов гибок и может быть установлен под разными углами в соответствии с различными строительными конструкциями и условиями на месте, обеспечивая максимальный сбор солнечной энергии в течение всего года. Кроме того, благодаря герметичной конструкции ключевых компонентов, таких как вакуумные трубки и тепловые трубки, имеется меньше движущихся частей, что значительно снижает затраты на техническое обслуживание и частоту его проведения.

Широкие возможности применения солнечной тепловой технологии

Вакуумные трубчатые коллекторы имеют широкий спектр применения. В жилых зданиях солнечные системы горячего водоснабжения со встроенными вакуумными трубчатыми коллекторами могут значительно сократить потребление энергии для нагрева воды, уменьшить счета за электроэнергию и сократить выбросы парниковых газов, способствуя защите окружающей среды. В коммерческих зданиях вакуумные трубчатые коллекторы не только удовлетворяют потребность в горячей воде, но и обеспечивают пассивное отопление зданий, снижая зависимость от традиционных систем отопления. В промышленности многие отрасли, такие как пищевая промышленность, текстильное производство, химическое производство и т. д., требуют большого количества горячей воды и пара для технологических нужд. Вакуумные трубчатые коллекторы могут обеспечить надежное теплоснабжение, эффективно снижая энергозатраты предприятий и повышая устойчивость производственных процессов.

В связи с непрерывным ростом мирового спроса на возобновляемые источники энергии, перспективы рынка вакуумных коллекторов весьма обширны. Благодаря государственной поддержке, повышению уровня экологической осведомлённости и постоянным технологическим инновациям, вакуумные коллекторы будут играть всё более важную роль в будущей энергетической структуре, обеспечивая мощную поддержку построению чистой, эффективной и устойчивой энергетики будущего.

Технологические прорывы: материалы и интеллектуальные системы

В последние годы, с быстрым развитием материаловедения и интеллектуальных производственных технологий, основная технология вакуумных трубчатых коллекторов постоянно совершенствуется, что еще больше устраняет узкое место в производительности. В области основных компонентов значительный прогресс был достигнут в исследованиях и разработке новых трубок из кварцевого стекла с высоким коэффициентом пропускания, коэффициент пропускания которых более чем на 12% выше, чем у традиционных стеклянных трубок, и которые могут более эффективно улавливать солнечное излучение; В то же время селективное покрытие на поверхности поглощающей трубки было модернизировано до многослойного покрытия, которое не только увеличивает степень поглощения солнечного излучения до 95%, но также контролирует коэффициент излучения инфракрасного излучения ниже 5%, что значительно снижает потери тепла.

На уровне системной интеграции интеллектуальное управление температурой и адаптивное регулирование стали новыми тенденциями. Система вакуумных трубчатых коллекторов нового поколения, запущенная некоторыми предприятиями, оснащена интеллектуальными датчиками на основе искусственного интеллекта, которые могут отслеживать в режиме реального времени такие параметры, как интенсивность света, температура окружающей среды, температура жидкости и т. д., и автоматически регулировать угол наклона коллектора и скорость циркуляции жидкости с помощью интеллектуальных алгоритмов, тем самым повышая годовую тепловую эффективность системы на 8–10%. Кроме того, в ответ на проблему, связанную с замерзанием и засорением традиционных вакуумных трубчатых коллекторов зимой, в отрасли была разработана инновационная технология двойной изоляции «вакуум + электрический вспомогательный нагрев», которая обеспечивает стабильную работу системы даже в условиях экстремально низких температур до -25 ℃, полностью решая проблемы пользователей в холодных регионах.

Тематическое исследование

В странах Северной Европы, таких как Норвегия и Швеция, вакуумные трубчатые коллекторы стали стандартной конфигурацией для новых жилых зданий. Например, в жилом комплексе в Осло (Норвегия) установлено 280 комплектов вакуумных трубчатых коллекторов, обеспечивающих круглосуточное горячее водоснабжение 560 домохозяйств. Данные показывают, что эта система способна заменить 126 000 кубометров природного газа в год, сокращая выбросы углекислого газа на 280 тонн, что эквивалентно экологической выгоде от посадки 15 000 деревьев. Кроме того, благодаря 30% субсидии, предоставляемой местным правительством на оборудование для возобновляемых источников энергии, стоимость установки для жителей снизилась, а стоимость горячей воды для последующего использования составляет всего 1/4 от стоимости традиционных газовых водонагревателей, что обеспечивает двойную выгоду: защиту окружающей среды и экономию.

Пятизвёздочный отель, расположенный на Золотом побережье Австралии, завершил проект по реконструкции вакуумных трубчатых коллекторов в 2023 году, установив на крыше отеля массив вакуумных трубчатых коллекторов площадью 1500 квадратных метров для удовлетворения потребностей в тепле систем горячего водоснабжения номеров, подогрева бассейна и кондиционирования воздуха. После реконструкции ежемесячное потребление энергии в отеле сократилось на 23 000 кВт⋅ч, а расходы на электроэнергию – на 35%. Ожидается, что инвестиции в реконструкцию окупятся в течение 3,5 лет. Менеджер отеля отметил, что эта реконструкция не только снижает эксплуатационные расходы, но и укрепляет имидж отеля как «зелёного» туриста, привлекая больше туристов, заботящихся об окружающей среде.

На крупном заводе по переработке пищевых продуктов в Индии традиционное горячее водоснабжение осуществляется с помощью угольных котлов, которые не только потребляют много энергии и загрязняют окружающую среду, но и сталкиваются с давлением расходов из-за колебаний цен на уголь. В 2022 году на заводе будет введена система вакуумных трубчатых коллекторов площадью 1200 квадратных метров, которая создаст режим «дополнительного отопления» с исходным котлом: в солнечные дни вакуумный трубчатый коллектор может покрыть 70% потребности в технологической горячей воде; в пасмурные дни или ночью она снабжается помощью котла. После реконструкции завод сокращает потребление угля на 800 тонн в год, снижает выбросы углекислого газа на 2100 тонн и снижает расходы на электроэнергию на 42%. Он стал демонстрационным проектом для перехода местного промышленного сектора «с угля на солнечную энергию» и представляет собой план ответной трансформации для других отраслей с высоким потреблением энергии.

Будущее: интеграция, интеллект и цель достижения нулевого уровня выбросов углерода

С достижением глобальной цели «двойного углерода» сферы применения вакуумных трубчатых коллекторов будут расширяться. В будущем отрасль будет развиваться в направлении «интеллекта, интеграции и многоэнергетической взаимодополняемости»: с одной стороны, вакуумные трубчатые коллекторы будут тесно интегрированы с фотоэлектрическими и энергоаккумулирующими технологиями, образуя комплексную энергетическую систему «солнечная тепловая + фотоэлектрическая + энергоаккумулирующая», реализуя двойную функцию «генерация электроэнергии + отопление» и предоставляя пользователям более комплексные энергетические решения; с другой стороны, с повышением стандартов энергосбережения в зданиях вакуумные трубчатые коллекторы будут все теснее интегрироваться с внешним дизайном зданий, развивая интегрированный строительный компонент «фотоэлектрическая навесная стена + вакуумный трубчатый коллектор», который не только отвечает эстетическим требованиям зданий, но и обеспечивает энергетическую самодостаточность, способствуя популяризации «зданий с нулевым выбросом углерода».

Для потребителей и предприятий выбор вакуумных коллекторов — это не только ответ на экологические вызовы, но и разумный выбор, позволяющий снизить долгосрочные затраты на электроэнергию и повысить стоимость активов. Благодаря технологическим инновациям и политической поддержке вакуумные коллекторы, несомненно, станут важной движущей силой глобального энергетического перехода, внося ещё больший вклад в построение «будущего с нулевым уровнем выбросов углерода».