Плоский солнечный коллектор: высокоэффективный тепловой энергетический двигатель для интеграции в современные здания

В обширной области использования солнечной энергии плоские солнечные коллекторы заняли незаменимое и важное место благодаря своим выдающимся характеристикам, таким как прочная конструкция, идеальная интеграция со зданиями и длительный срок службы. Это не только надежное решение для обеспечения населения горячей водой, но и одно из основных технических решений для энергосбережения в зданиях и сокращения выбросов углерода. Благодаря развитию материаловедения и производственных процессов, производительность современных плоских солнечных коллекторов значительно возросла, что сделало их предпочтительным выбором для коммерческих и промышленных проектов, а также для элитного жилья.

I. Основная структура и принцип работы плоских солнечных коллекторов

Конструкция плоских солнечных коллекторов интуитивно понятна и высокоэффективна, а их название происходит от внешнего вида, напоминающего плоскую пластину. В основе их работы лежит «парниковый эффект»: коротковолновое солнечное излучение проходит через прозрачную крышку, поглощается теплопоглотителем и преобразуется в тепловую энергию, в то время как тепловая энергия в виде длинноволнового излучения не может проникнуть через крышку и вернуться обратно, эффективно задерживаясь внутри коллектора.

Высокопроизводительный плоский коллектор в основном состоит из следующих прецизионных компонентов: 

Теплопоглощающая пластина (Absorber Plate): это «сердце» коллектора. Она обычно изготавливается из металлов с отличной теплопроводностью (например, медных и алюминиевых сплавов), а её поверхность покрыта тёмным селективным поглощающим покрытием. Это покрытие не является обычной чёрной краской. Его особенностью является чрезвычайно высокий коэффициент поглощения (α) солнечного света (>0,92), в то время как его собственный коэффициент излучения инфракрасного теплового излучения (ε) крайне низок (<0,10), что позволяет максимально поглощать солнечную энергию и снижать собственные теплопотери. 

Трубы/вертикальные стояки: металлическая трубная сеть, приваренная или плотно прижатая к теплопоглощающим пластинам, обычно медным. Нагретая рабочая среда (вода или антифриз) протекает по этим трубам, отводя тепло, собранное теплопоглощающими пластинами. Конструкция проточного канала (например, змеевидная форма, вертикально-параллельное расположение) напрямую влияет на эффективность сбора тепла и его несущую способность. 

Прозрачное покрытие (остекление): защитный слой на поверхности коллектора, обычно изготавливаемый из закалённого стекла с низким содержанием железа. Он обладает чрезвычайно высоким коэффициентом пропускания солнечной энергии (>0,91), а также отличается прочностью и долговечностью, способен выдерживать град и песчаные бури, а также снижает конвективные и лучистые потери тепла внутри коллектора. 

Изоляция: высокоэффективные изоляционные материалы (например, минеральная вата, пенополиуретан), расположенные сзади и вокруг теплопоглощающей пластины. Его функция заключается в создании теплового барьера для предотвращения утечки тепла к задней части и краям, гарантируя, что тепло может передаваться только рабочей среде в канале потока. 

Рама и задний лист: обычно изготавливаются из алюминиевого сплава или нержавеющей стали, обеспечивают прочную структурную поддержку всего коллектора, гарантируя его герметичность и долговечность, а также могут быть легко установлены и закреплены на конструкции здания.

II. Почему выбирают плоские солнечные коллекторы? Их неоспоримые преимущества

По сравнению с вакуумными трубчатыми коллекторами плоские коллекторы обладают рядом уникальных преимуществ, что делает их лучшим решением в конкретных сценариях применения.

Прочная конструкция и превосходная устойчивость к давлению

Плоский коллектор представляет собой цельную жёсткую конструкцию. Все внутренние каналы потока сварены металлом, что позволяет выдерживать очень высокое рабочее давление системы и гидравлические удары. Он напрямую соответствует давлению водопроводной воды. Конструкция системы проста и надёжна.

Идеальный выбор для интеграции с архитектурой (BIPV/BIPIT)

Это главное конкурентное преимущество плоских коллекторов. Их гладкий и однородный внешний вид легко интегрируется архитекторами. Их можно искусно встроить в крышу здания, балконные ограждения, фасад и солнцезащитные козырьки, создавая гармоничное единство конструкции здания и солнечного энергетического оборудования. Это не только не портит эстетику здания, но и может подчеркнуть его современный технологический облик. Это особенно важно для элитных жилых домов и общественных зданий, для которых важен эстетичный внешний вид.

Высокая эффективность и надежность, чрезвычайно низкие затраты на техническое обслуживание

Внутренняя часть плоского коллектора представляет собой пустую полость, что исключает проблемы взрыва трубок и образования накипи, характерные для вакуумных трубчатых коллекторов. Его поверхность гладкая и ровная, с самоочищающейся способностью. Дождевая вода смывает большую часть пыли и снега, сохраняя высокую эффективность сбора тепла. Он имеет простую конструкцию, практически не имеющую уязвимых деталей, и срок службы более 25 лет.

Стабильная производительность и низкая тепловая инерция

Скорость запуска плоских коллекторов немного ниже, чем у вакуумных трубок, но их общая теплоёмкость невелика. После запуска они быстро нагреваются и обладают большой выходной мощностью. Они особенно подходят для крупных проектов централизованного отопления и горячего водоснабжения, обеспечивая стабильную и непрерывную подачу горячей воды.

Более высокий потенциал рабочей температуры

Превосходные характеристики плоских коллекторов по выдерживанию давления позволяют им работать при более высоких температурах, обеспечивая электроэнергией такие системы, как солнечное отопление и кондиционирование воздуха, которым требуются источники тепла средней температуры, и, таким образом, иметь более широкий спектр применения.

III. Основные сценарии применения: от горячего водоснабжения для домохозяйств до региональной энергетики

Область применения плоских солнечных коллекторов постоянно расширяется и проникает во многие аспекты потребления энергии.

Горячая вода для бытовых и коммерческих нужд

Обеспечивает всесезонное горячее водоснабжение для вилл, многоэтажных домов, отелей, больниц, школ и т. д. Благодаря своим характеристикам давления он ничем не отличается от обычных электрических или газовых водонагревателей. Водонагреватель можно использовать сразу после открытия, обеспечивая достаточное давление воды.

Комбинированная система солнечной энергии (горячая вода + отопление):

На европейском рынке плоские коллекторы являются основой солнечной комбинированной системы (горячее водоснабжение + отопление помещений). В сочетании с большими водонагревателями они могут покрыть от 15% до 60% потребности зданий в отоплении зимой, значительно снижая потребление энергии газовыми или электрическими котлами.

Интегрированная строительная инженерия (БИПИТ)

Как элемент здания, он может заменить часть кровельных материалов, наружных стеновых панелей или балконных ограждений. Выполняя функции здания, он генерирует тепловую энергию, достигая одновременно двух целей и экономя строительные материалы. Это направление развития экологичных зданий будущего.

Промышленный подогрев и сельскохозяйственное применение

Обеспечивает чистый источник тепла для промышленных процессов, таких как гальваника, пищевая промышленность и текстильная промышленность, требующих большого количества предварительно нагретой воды. Его также можно использовать для отопления сельскохозяйственных теплиц, поддержания постоянной температуры в аквакультуре и т. д., что позволяет снизить себестоимость сельскохозяйственного производства.

Централизованное отопление

Сочетание крупномасштабных массивов плоских коллекторов с технологией сезонного накопления тепла может обеспечить отопление и горячее водоснабжение целых сообществ и городов. Это передовой способ использования солнечной энергии, имеющий множество успешных примеров в Северной Европе.

IV. Текущее положение дел на рынке, проблемы и будущие тенденции

В настоящее время плоские коллекторы занимают доминирующее положение на мировом рынке, особенно в Европе. Их развитие сопряжено как с возможностями, так и с трудностями.

Возможность 

На основе политики: субсидии и обязательная установка экологически чистых зданий в соответствии с глобальными целями «двойного углерода». 

Технологическая зрелость: технологии селективного покрытия, сварки и изоляции постоянно совершенствуются, а эффективность непрерывно повышается. 

Повышение осведомленности: рынок и пользователи все больше признают долговечные, не требующие особого ухода и интегрируемые в здания продукты.

Испытание 

Адаптация к окружающей среде: в регионах с чрезвычайно холодным климатом потери тепла по-прежнему выше, чем у вакуумных трубок, и для решения этой проблемы необходимо принимать меры, такие как использование антифриза. 

Первоначальные инвестиции: Стоимость высококачественных медных и алюминиевых пластинчатых коллекторов относительно высока, и необходимо убедить пользователей в стоимости всего жизненного цикла. 

Просвещение рынка: необходимо изменить однобокое восприятие, распространенное на некоторых рынках, о том, что «эффективность электронных ламп должна быть выше, чем у плоских пластин».

Будущие тенденции будут сосредоточены на: 

Более высокая эффективность: разработка селективных покрытий с более высокими показателями поглощения и меньшей излучательной способностью. 

Тоньше и легче: оптимизируйте структуру, уменьшите вес и уменьшите нагрузку на строительную конструкцию. 

Функциональная интеграция: в сочетании с фотоэлектрическими панелями он образует интегрированный фотоэлектрический тепловой (ФТ) модуль, который одновременно вырабатывает электроэнергию и тепло, максимально используя солнечную энергию. 

Интеллектуализация: в сочетании с Интернетом вещей и большими данными она обеспечивает удаленный мониторинг, диагностику неисправностей и оптимизацию энергоэффективности.

V. Заключение

Плоские солнечные коллекторы, обладающие такими комплексными преимуществами, как долговечность, высокая устойчивость к давлению, лёгкая интеграция в здания, простота обслуживания и длительный срок службы, представляют собой исключительно надёжное и практичное решение для использования солнечной энергии. Они вышли за рамки простого водонагревателя и стали неотъемлемой частью современной архитектуры. 

При выборе системы сбора солнечной энергии не следует слепо гнаться за одним единственным параметром, а необходимо всесторонне учитывать климатические условия, типы зданий, требования к эксплуатации и эстетические потребности. Для крупномасштабных проектов, элитного жилья и проектов отопления, где особое внимание уделяется архитектурной эстетике, долгосрочной стабильности системы и сроку службы, плоские солнечные коллекторы, несомненно, являются проверенным временем и ориентированным на будущее выбором. Они и впредь будут играть ключевую роль в революции в области зелёной энергетики, обеспечивая стабильное и долговременное теплоснабжение для построения устойчивого общества.