Технологии, лежащие в основе тепла: инновации в конструкции и материалах пластин для поглощения солнечной энергии

Введение: Наука о сохранении и удержании тепла 

Эффективность солнечного теплового коллектора не случайна, а является прямым результатом инженерных и материаловедческих разработок, заложенных в его основу — поглощающую пластину. Этот компонент выполняет две основные функции с исключительной эффективностью: максимально поглощает поступающее солнечное излучение и минимизирует потери уловленного тепла. Развитие технологии поглощающих пластин — это непрерывный путь совершенствования, неустанное стремление к совершенству в тонком балансе между производительностью, долговечностью и стоимостью. В данной статье представлен всесторонний анализ передовых технологий, современных материалов и сложных производственных процессов, которые определяют современную поглощающую пластину, превращая простой металлический лист в высокопроизводительное устройство преобразования энергии.

Душа пластины: эволюция селективных покрытий

Важнейшим технологическим отличием поглощающей пластины является её поверхностное покрытие. Переход от неселективной чёрной краски к современным селективным покрытиям ознаменовал собой качественный скачок в эффективности солнечной теплопередачи. 

Принцип селективности: Идеальная поглощающая поверхность обладает двумя ключевыми свойствами: очень высоким коэффициентом поглощения солнечной энергии (α), что означает, что она улавливает практически всё поступающее солнечное излучение, и очень низким коэффициентом теплового излучения (ε), что означает, что она излучает очень мало поглощенного тепла обратно. Это сочетание и определяет «селективное» покрытие. Чёрная краска обладает высоким коэффициентом поглощения (~0,95), но также и очень высоким коэффициентом излучения (~0,90), что делает её неэффективной, поскольку она легко теряет тепло. Современные покрытия обеспечивают как высокий коэффициент поглощения (α ≥ 0,95), так и низкий коэффициент излучения (ε ≤ 0,05).

Напыляемые покрытия «синий титан»: Сегодня лидером рынка является метод магнетронного распыления, который позволяет создавать многослойные интерференционные покрытия, часто на основе нитрида титана или аналогичных соединений, что и придает им характерный синий цвет. Эти покрытия «синий титан» известны своими превосходными характеристиками и экологичностью, поскольку процесс сухой и не требует использования токсичных химикатов. Первые поколения сталкивались с проблемами термостабильности при высоких температурах застоя (когда тепло не отводится), но современные модели в значительной степени преодолели эту проблему, укрепив свое доминирование в сегменте среднего и высокого класса.

Чёрный хром и поиск альтернатив: Чёрный хром, осаждаемый электрохимическим методом, давно является конкурентом. Он известен своей исключительной высокотемпературной стабильностью и глубоким чёрным цветом. Однако его производство связано с использованием токсичных хроматов, что создаёт экологические и нормативные проблемы. Исследования следующего поколения покрытий направлены на достижение ещё более высоких пороговых значений характеристик, таких как «спектрально-селективные» поверхности, свойства которых могут динамически оптимизироваться в зависимости от температуры, а также на разработку новых материалов, которые одновременно обладают высокими эксплуатационными характеристиками и являются экологически безопасными.

Корпус пластины: материалы, структура и методы крепления 

В то время как покрытие улавливает солнечную энергию, материал подложки и его структура отвечают за эффективную передачу этого тепла жидкости, которая будет его использовать.

Троица материалов: медь, алюминий и композиты:

Медь: лучший выбор. Медные абсорбирующие пластины обладают непревзойденной теплопроводностью, что обеспечивает быстрый отвод тепла от абсорбирующей поверхности в теплоноситель. Они также обладают превосходной коррозионной стойкостью и долговечностью. Несмотря на более высокую стоимость, их превосходные характеристики делают их стандартом для высокоэффективных плоских коллекторов и внутренних ребер вакуумных трубчатых коллекторов.

Алюминий: экономичный вариант. Алюминий значительно дешевле и легче меди, но обладает меньшей теплопроводностью и более подвержен коррозии без надлежащей защиты. Достижения в области защитных покрытий и технологий сварки возродили спрос на цельноалюминиевые пластины, особенно на европейском рынке для низкотемпературных применений, таких как обогрев бассейнов, а также на развивающихся рынках, чувствительных к цене.

Композитные материалы на основе меди и алюминия: разумный компромисс. Эти пластины сочетают в себе медную трубку (для превосходного контакта с жидкостью и коррозионной стойкости) с алюминиевым ребром (для экономичного поглощения света и сбора тепла). Связь между двумя металлами имеет решающее значение. При качественном изготовлении, обычно с использованием механической прокатки или сварки взрывом, они обеспечивают превосходное сочетание производительности и стоимости, что делает их одним из самых популярных решений в мире.

Критическое соединение: передовые технологии сварки: метод крепления трубок, по которым циркулирует жидкость, к пластине абсорбера имеет первостепенное значение. Традиционная пайка с использованием оловянных припоев и флюса постепенно выводится из употребления в высококачественных изделиях. Флюс может со временем вызвать внутреннюю коррозию, что может привести к отказу системы.

Лазерная и ультразвуковая сварка: эти современные методы сварки в твердом состоянии произвели революцию в производстве поглощающих пластин. Они создают металлургическую связь между трубкой и ребром без использования промежуточных материалов. Это обеспечивает соединение с минимальным термическим сопротивлением, более высокой механической прочностью и, что особенно важно, исключает риск коррозии, вызванной флюсом. Лазерная и ультразвуковая сварка стали эталоном качества и стандартом при производстве высококачественных, долговечных поглощающих пластин.

Заключение 

Эта пластина-поглотитель солнечной энергии – шедевр материаловедения и точной инженерии. От наномасштабных слоёв напылённого покрытия, которые мастерски улавливают солнечный свет, до прочных, термоэффективных соединений, создаваемых лазерной сваркой, каждый аспект её конструкции оптимизирован для одной цели: преобразования солнечного света в полезное тепло с максимальной эффективностью. Постоянные инновации в области покрытий, материалов и производственных процессов гарантируют, что технология солнечной теплоэнергетики остаётся конкурентоспособным и постоянно совершенствующимся решением в глобальном портфолио возобновляемой энергетики, расширяя границы возможного в использовании энергии солнца.