Солнечный коллектор с тепловыми трубками: эффективное и надежное новое решение для получения тепловой энергии

В условиях глобального энергетического перехода и достижения целей «двойного углеродного» баланса технологии использования солнечного тепла играют всё более важную роль. Среди множества технологий сбора солнечного тепла солнечный коллектор с тепловыми трубками выделяется своим уникальным принципом работы и выдающимися характеристиками, становясь предпочтительным решением для использования в условиях средних и высоких температур, а также в суровых условиях. Он не только представляет собой передовой уровень технологий использования солнечного тепла, но и обеспечивает стабильное производство чистой тепловой энергии для промышленных, коммерческих и бытовых потребителей, обладая высокой эффективностью, надёжностью и длительным сроком службы.

I. Что такое солнечный коллектор с тепловыми трубками?

Солнечный коллектор с тепловыми трубками — это устройство для сбора солнечного тепла, в котором в качестве основного компонента теплопередачи используются «тепловые трубки» — высокоэффективные теплопроводящие элементы. Чтобы понять его превосходство, необходимо сначала узнать, что такое его сердцевина — тепловая трубка.

1. Принцип работы тепловых трубок:

Тепловая труба представляет собой герметичную металлическую трубку (обычно медную), откачанную до вакуума. Внутренняя стенка трубки покрыта капиллярно-пористым материалом (впитывающим жидкость сердечником) и заполнена небольшим количеством летучего рабочего тела (например, воды, метанола, ацетона и т. д.).

Рабочий процесс можно упростить до четырех этапов: 

Эндотермическое испарение: один конец тепловой трубы (испарительная секция) нагревается солнечным излучением, а жидкое рабочее тело внутри трубы поглощает тепло и быстро испаряется, превращаясь в пар. 

Поток пара: Из-за повышения давления в секции испарения пар с высокой скоростью течет к другому концу тепловой трубы (секции конденсации) под небольшой разницей давления. 

Экзотермическая конденсация: пар сталкивается с охлаждающей средой (водой или антифризом) коллектора в более холодной секции конденсации, высвобождая скрытую теплоту испарения и повторно конденсируясь в жидкость. 

Жидкий рефлюкс: Конденсированная жидкая рабочая среда автоматически возвращается в секцию испарения под капиллярным действием всасывающего сердечника, завершая один цикл. 

Этот процесс повторяется без необходимости внешнего источника питания. Работая исключительно на солнечной энергии, он может эффективно «передавать» тепло от места сбора тепла к месту теплообмена. Эффективность теплопередачи чрезвычайно высока: эквивалентный коэффициент теплопроводности в десятки тысяч раз превышает коэффициент теплопроводности таких металлов, как серебро и медь, что дало ему название «тепловой сверхпроводник».

2. Общая структура коллектора:

Полный вакуумный трубчатый коллектор с тепловой трубкой состоит из следующих частей: 

Вакуумная стеклянная трубка: защищает внутреннюю тепловую трубку и изолирует конвекционные и кондуктивные потери тепла через вакуумный слой, подобно большой «вкладышу в колбу». 

Тепловая трубка: основной элемент теплопередачи, испарительная часть которого вставлена ​​в вакуумную трубку для получения солнечной энергии. 

Теплопоглощающая пластина/ребро: крепится к испарительной части тепловой трубки и используется для максимального поглощения солнечного излучения и передачи его в тепловую трубку. 

Коллектор/теплосборная трубка: металлическая трубка с проточными каналами внутри, в которую вставлена ​​конденсационная секция. Когда холодная вода протекает через коллектор, она обменивается теплом с конденсационной секцией и нагревается перед выходом. 

Изоляционный слой и оболочка: защищают внутреннюю структуру и уменьшают потери тепла.

II. Основные преимущества солнечных коллекторов с тепловыми трубками

По сравнению с традиционными плоскими коллекторами или коллекторами с вакуумными трубками, изготовленными полностью из стекла, технология тепловых трубок обеспечивает революционные преимущества:

1. Отличные показатели морозостойкости и взрывобезопасности:

Это наиболее заметное преимущество коллектора с тепловой трубкой. Теплопроводящая среда в напорном баке независима и герметична, полностью отделена от системной воды, протекающей через напорный бак. Даже в экстремально холодных условиях рабочая среда тепловой трубки внутри вакуумной трубки не замерзнет и не лопнет трубку сбора тепла из-за образования льда. Это позволяет ему стабильно работать круглый год в высоких широтах и ​​холодных регионах, не беспокоясь о замерзании труб зимой.

2. Высокая тепловая эффективность и низкие потери тепла:

Вакуумные стеклянные трубки эффективно подавляют потери тепла, связанные с конвекцией и теплопроводностью. В процессе фазового перехода рабочего тела тепловой трубки переносится огромное количество скрытой теплоты испарения, что обеспечивает чрезвычайно высокую эффективность теплопередачи. Кроме того, даже при слабом солнечном свете или рассеянном освещении, трубка имеет низкую температуру запуска, высокую скорость отклика, может быстро начинать работу и работать дольше в течение дня.

3. Стабильная и надежная работа, простота обслуживания. 

Работа под давлением: вода из системы поступает в металлический напорный бак, который может выдерживать высокое давление водопроводной воды или системного давления, обеспечивая большой расход воды и хорошую совместимость с системой водоснабжения здания. 

Конструкция с «тепловой изоляцией»: одна вакуумная трубка соединена с коллектором через эластичное уплотнительное кольцо. При повреждении вакуумной трубки её можно заменить, просто повернув и вытащив отдельно. Вода в системе не будет протекать, а остальные теплосборные трубки смогут продолжать работать. Техническое обслуживание чрезвычайно удобно и не влияет на общую работу системы. 

Стойкость тепловой трубки к воздействию воздуха: Тепловая трубка имеет функцию саморегулирования температуры. При слишком высокой температуре в зоне конденсации эффективность теплопередачи снижается, что позволяет избежать проблемы снижения производительности, вызванной длительным воздействием воздуха.

4. Гибкая установка и простая интеграция со зданиями

Коллектор отделен от резервуара для хранения воды, и место установки не ограничено. Коллектор можно установить на крыше, фасаде балкона, солнцезащитном козырьке здания и т. д. Резервуар для хранения воды можно разместить в помещении, что значительно повышает гибкость и эстетичность интегрированного дизайна здания.

III. Основные сценарии применения

Область применения солнечных коллекторов с тепловыми трубками чрезвычайно широка и охватывает различные области: от бытового горячего водоснабжения до промышленного предварительного подогрева.

1. Бытовые и коммерческие системы горячего водоснабжения

Это самое основное и самое распространённое применение. Обеспечивает стабильное и недорогое горячее водоснабжение для вилл, жилых комплексов, гостиниц, школ, больниц, бассейнов и других объектов. Морозостойкость особенно подходит для централизованных систем горячего водоснабжения в холодных северных регионах.

2. Система солнечного отопления

В сочетании с тёплым полом, фанкойлами и другими системами отопления она обеспечивает отопление зданий зимой. В сочетании с технологией межсезонного аккумулирования тепла она позволяет значительно сократить потребление ископаемой энергии зимой и является одной из ключевых технологий для достижения цели практически нулевого потребления энергии в зданиях.

3. Промышленный технологический нагрев

Многие промышленные процессы (например, переработка пищевых продуктов, текстильная печать и крашение, гальваника, убой скота, химическое производство и т. д.) требуют большого количества горячей воды или пара средних и низких температур (60–150 °C). Тепловые коллекторы с тепловыми трубками могут эффективно обеспечить этот вид чистого тепла, заменяя газовые или электрические котлы и помогая предприятиям сократить выбросы углерода и эксплуатационные расходы.

4. Сельскохозяйственное применение:

Он используется для сохранения тепла и отопления в теплицах, поддержания постоянной температуры в прудах для аквакультуры, сушки сельскохозяйственной продукции и т. д., способствуя энергосберегающему развитию современного сельского хозяйства.

IV. Перспективы и проблемы рынка

Учитывая глобальный акцент на возобновляемые источники энергии и постоянное развитие технологий, перспективы рынка солнечных коллекторов с тепловыми трубками весьма обширны. Среди основных факторов можно выделить: 

Политическая поддержка: обязательства по сокращению выбросов углерода и политика субсидирования зеленого строительства, принятые правительствами по всему миру. 

Энергетическая безопасность: снижение зависимости от традиционных видов ископаемого топлива. 

Экономическая эффективность: Несмотря на сравнительно высокие первоначальные инвестиции, окупаемость инвестиций за 15–20 лет жизненного цикла весьма значительна. 

В то же время он также сталкивается с некоторыми проблемами 

Первоначальная стоимость: По сравнению с традиционными коллекторами стоимость его производства все еще относительно высока. 

Осведомленность рынка: необходимо и дальше популяризировать технологические преимущества и повышать признание на рынке. 

Системная интеграция: необходимо обеспечить более эффективную интеграцию с более интеллектуальными системами управления, технологиями накопления энергии и вспомогательными источниками энергии для обеспечения стабильной подачи энергии круглосуточно.

V. Заключение

Солнечные коллекторы с тепловыми трубками, обладающие преимуществами, заложенными в их физических принципах, решили многие проблемы традиционных солнечных коллекторов, такие как морозостойкость, устойчивость к давлению, техническое обслуживание и безопасность. Это не просто водонагреватель, а модульный, высокоэффективный и надёжный гелиотермический агрегат. Он продемонстрировал высокую адаптивность и жизнеспособность как в сфере обогрева семей, так и в сфере поставок экологически чистой энергии на предприятия. 

В современном стремлении к устойчивому развитию и энергетической независимости выбор солнечного коллектора с тепловыми трубками означает выбор перспективного, интеллектуального и надежного способа использования экологически чистой энергии. Он непременно станет неотъемлемой и важнейшей частью построения будущей интеллектуальной энергетической системы и достижения цели углеродной нейтральности.