Солнечный коллектор с вакуумной трубкой U-Pipe: эффективное решение для горячего водоснабжения с учётом давления

В области использования солнечной энергии технология вакуумных трубок пользуется большой популярностью благодаря своим превосходным тепловым характеристикам и широкому применению. Солнечный коллектор с вакуумными трубками U-образной формы, являясь высокотехнологичным продуктом в семействе вакуумных трубок, идеально сочетает в себе преимущества эффективного сбора тепла, характерные для вакуумных трубок, и работу под давлением, характерную для плоских систем, и стал важным выбором для крупных и средних проектов солнечного нагрева воды. В данной статье подробно рассматриваются принцип действия, характеристики и техническая ценность этой технологии.

 

I. Принцип работы и структура системы

Вакуумный коллектор U-образной формы имеет уникальную U-образную металлическую трубку. Его основная структура включает в себя:

 

Сборка вакуумной трубки 

1. Внешняя трубка: трубка из высокопрочного боросиликатного стекла, обеспечивающая высокую светопропускаемость (≥91%). 

2. Внутренняя трубка: также изготовлена ​​из стекла, с нанесенным на поверхность селективным поглощающим покрытием (α≥0,93). 

3. Вакуумный слой: степень вакуума между внутренней и внешней трубками достигает 10⁻³Па, что эффективно подавляет конвективные и кондуктивные потери тепла. 

U-образные металлические теплообменные трубки 

1. Фиолетовая медная трубка изогнута в форме буквы U и пропущена через внутреннюю часть вакуумной трубки. 

2. Поверхность прошла антиокислительную обработку для обеспечения длительной термостойкости. 

3. Внутренняя циркуляция незамерзающей рабочей среды (раствор пропиленгликоля и т.п.) 

Коллекторная система 

1. Несколько U-образных вакуумных трубок соединены параллельно, образуя коллекторную решетку. 

2. Подсоедините каждую U-образную трубку через коллектор, чтобы сформировать замкнутый контур циркуляции. 

3. Оснащен кронштейнами из алюминиевого профиля для обеспечения устойчивости конструкции.

 

Рабочий процесс:Солнечный свет → проникает во внешнюю стеклянную трубку → улавливается поглощающим покрытием → тепловая энергия → передается на ребра U-образной трубки посредством излучения → передается в рабочую среду внутри U-образной трубки → Нагретая рабочая среда транспортируется в теплообменник водяного бака с помощью циркуляционного насоса.

 

II. Пять основных преимуществ

1. Способность выдерживать давление 

Цельнометаллическая конструкция проточного канала позволяет достигать рабочего давления 0,6-1,0 МПа. 

Его можно напрямую подключить к водопроводной сети здания, при этом давление воды на выходе остается стабильным. 

Обеспечивает одновременную подачу воды в нескольких точках для удовлетворения требований инженерных задач. 

2. Высокая эффективность сбора тепла

Вакуумная изоляция обеспечивает минимальные потери тепла и ровную кривую эффективности сбора тепла. 

Он по-прежнему может сохранять хорошую производительность даже в условиях слабого солнечного света и низких температур. 

Эффективность зимой значительно выше, чем у плоских коллекторов.

3. Отличные антиобледенительные свойства 

Сама вакуумная трубка не удерживает воду, что полностью исключает риск замерзания.

Температура замерзания рабочего тела антифриза может быть ниже -35℃.

Особенно подходит для использования в холодных регионах.

4. Модульная конструкция

Каждая труба работает независимо, и локальные неисправности не влияют на работу системы.

Поддерживает горячую замену, что делает обслуживание простым и удобным

Площадь сбора тепла можно гибко расширять в соответствии с потребностями.

5. Устойчивость к прямым солнечным лучам

Вакуумные трубки обладают превосходной устойчивостью к высоким температурам и выдерживают воздействие солнечного света при температуре свыше 400 ℃.

Нет риска разрыва трубы, она очень безопасна и надежна.

III. Технические параметры и показатели эффективности

Типичные эксплуатационные параметры (одиночная труба ∅58×1800 мм):

Площадь светопропускания: 0,12 м² на штуку

Объём рабочей среды: 0,15-0,2 л на трубку

Рабочая температура: от -30℃ до 150℃

Мгновенная эффективность: η=0,75-0,05×(Δt/G) (Δt — разница температур, G — освещённость)

Коэффициент тепловых потерь: ≤1,5 ​​Вт/м²К.

Рекомендации по настройке системы

Емкость резервуара для воды должна составлять 60–80 литров на квадратный метр площади сбора тепла.

Концентрация рабочего тела антифриза определяется исходя из минимальной местной температуры окружающей среды.

Напор циркуляционного насоса должен учитывать сопротивление системы и перепад высот.

 

IV. Инженерные прикладные решения

1. Крупные и средние проекты горячего водоснабжения

Система гостиниц и гостевых домов: площадь сбора тепла 200–500 квадратных метров, оборудованная изолированными резервуарами для воды емкостью 30–100 тонн.

Система школьной больницы: использует стратегию подачи воды по времени и постоянного контроля температуры.

Система для плавательного бассейна: поддерживает температуру воды на уровне 26–28 °C, что значительно снижает эксплуатационные расходы.

2. Интегрированная система отопления

В сочетании с системой подогрева пола обеспечивает базовый обогрев зимой.

Оснащен вспомогательным источником тепла для обеспечения стабильного обогрева в экстремальных погодных условиях.

Отдайте приоритет обеспечению населения горячей водой и используйте отходящее тепло для отопления.

3. Промышленные применения предварительного нагрева

Обеспечивает предварительный нагрев для отраслей промышленности, требующих технологического тепла при температуре 40–80 ℃.

Гальваника, пищевая промышленность, текстильная печать и крашение и другие области

Срок окупаемости инвестиций обычно составляет от 2 до 4 лет.

4. Система сушки сельскохозяйственных культур

Сушка урожая, сушка китайского лекарственного сырья и т. д.

Обеспечить стабильную подачу горячего воздуха для улучшения качества сушки

Сокращение потребления традиционных видов топлива и снижение производственных затрат

V. Ключевые моменты проектирования системы

1. Оптимизация угла наклона конструкции.

Внесите коррективы в зависимости от местной широты.

Акцент на зимнее использование: широта +10°-15°

Круглогодичное использование: соответствует местной широте

Акцент на летнем использовании: широта -10°-15°

2. Защита от перегрева.

Установите верхний предел цикла разницы температур (обычно ≤90℃)

Принять экстренные меры, такие как радиаторы или подземное водяное охлаждение.

Рассмотрите сезонные схемы окклюзии

3. Антикавитационная конструкция

Убедитесь, что вытяжное устройство установлено в самой высокой точке системы.

Конструкция трубопровода исключает образование воздушных карманов.

Применен автоматический выпускной клапан.

4. Меры по борьбе с накипью

Подготовить рабочую среду с умягченной водой

Регулярно контролируйте изменения значения pH.

Рассмотрите возможность добавления ингибиторов коррозии

VI. Руководство по установке и обслуживанию

Характеристики установки

Расстояние между трубами должно быть не менее 0,8 метра, чтобы гарантировать, что задние сиденья не будут заблокированы передними.

Несущая способность фундамента ≥30кг/м²

Избегайте установки в зоне выхода воздуха.

Требования к техническому обслуживанию

Ежегодно проверяйте концентрацию рабочей среды и значение pH.

Очищайте поверхность вакуумной трубки каждый квартал.

Проверяйте рабочее состояние циркуляционного насоса каждый месяц.

Обработка распространенных неисправностей

Снижение эффективности: проверьте степень вакуума в вакуумной трубке и замените неисправную трубку.

Утечка: Найдите изношенную часть уплотнительного кольца и замените уплотнительный компонент.

Плохая циркуляция: выпустите газ и проверьте работу насоса.

 

VII. Экономический анализ

Состав инвестиций (на примере проекта площадью 1000 м²):

Коллекторная система: 45%-50%

Система накопления тепла: 25%-30%

Система управления: 10%-15%

Монтажный проект: 10%-15%

Анализ доходов

Годовая экономия энергии на квадратный метр коллектора: 350-550 кВт·ч

 Срок окупаемости: от 3 до 6 лет (в зависимости от местных цен на энергоносители)

Доходность за срок службы: в 3–8 раз больше первоначальных инвестиций

VIII. Сравнение с традиционными вакуумными коллекторами

U-образный коллектор оснащен традиционными полностью стеклянными вакуумными трубками. 

Несущая способность: работа под давлением (0,6–1,0 МПа), без давления 

Отличные антиобледенительные свойства (циркуляция рабочей среды) и хорошие (вода в трубе может замерзнуть) 

Технический одинарный патрубок может быть заменен, если требуется дренаж. 

Он очень эффективен и стабилен, но на него влияет качество воды. 

Стоимость относительно высокая или низкая 

Подходит для средних и крупных проектов в домохозяйствах, а также для небольших проектов.

 

Заключение 

Солнечный коллектор с вакуумными трубками U-образной формы благодаря инновационной конструкции успешно преодолел ограничения традиционных солнечных коллекторов в плане работы под давлением, обслуживания системы и инженерной применимости, став предпочтительным решением для крупных и средних проектов солнечного горячего водоснабжения. Его выдающиеся тепловые характеристики, надёжность эксплуатации и хорошая масштабируемость обеспечивают значительные преимущества в местах с высоким спросом на горячее водоснабжение, таких как гостиницы, школы и фабрики.

Благодаря постоянному развитию технологий использования солнечного тепла и накоплению инженерного опыта, вакуумные коллекторы с U-образными трубками продолжат играть важную роль в энергетическом переходе, обеспечивая надежный технический путь к сокращению потребления ископаемого топлива и снижению выбросов углерода. Выбор системы с U-образными трубками — это не просто выбор водонагревателя; это также инвестиция в надежное, эффективное и устойчивое энергетическое будущее.