Maximizar a eficiência do coletor solar: o papel crítico do absorvedor solar

Maximizar a eficiência dos coletores solares: O papel fundamental dos absorvedores solares

No domínio da utilização da energia solar térmica, a eficiência é o parâmetro definitivo para medir o valor da tecnologia. Na viagem em busca da máxima eficiência, os absorvedores solares desempenham, sem dúvida, o papel mais crucial. São o "coração" do sistema de recolha de energia solar térmica e o local central onde a energia luminosa é convertida em energia térmica. Compreender, otimizar e inovar a tecnologia de absorvedores solares é a forma fundamental de libertar o potencial de todo o sistema e maximizar a produção de energia. Este artigo irá aprofundar o princípio de funcionamento dos absorvedores solares, examinar de forma abrangente os seus amplos cenários de aplicação, analisar objetivamente o estado atual de desenvolvimento e analisar as suas perspetivas inovadoras e promissoras para o futuro.

I. Princípio de funcionamento: A conversão requintada de fotões em energia térmica

Um absorvedor solar é uma interface precisa de conversão de energia, e o seu desempenho depende da forma como processa a radiação solar incidente. Este processo não é apenas um simples "objeto preto absorvente de calor", mas sim uma colaboração eficiente entre a ciência dos materiais, a termodinâmica e a ótica.

1. Captura de energia: Absorção seletiva espectral

A luz solar é uma onda eletromagnética de largo espectro, com a sua energia concentrada principalmente na gama de comprimento de onda de 0,3 a 2,5 micrómetros. Uma superfície preta comum absorve a maior parte da luz solar, mas também liberta uma grande quantidade de calor sob a forma de radiação infravermelha de onda longa. A principal tarefa de um absorvedor solar é quebrar este equilíbrio e alcançar a "absorção seletiva espectral".

Este baseia-se no revestimento especial na superfície do absorvedor, que geralmente tem apenas alguns micrómetros de espessura — o revestimento de absorção seletiva. Este revestimento é concebido como:

A "devoração gananciosa" da radiação de onda curta: tem uma taxa de absorção extremamente elevada (α ≥ 0,94) para o espectro solar (0,3-2,5 µm), convertendo a grande maioria da energia dos fotões em vibrações de rede, ou seja, energia térmica.

O "guardião mesquinho" da radiação de ondas longas: tem uma emissividade extremamente baixa (ε ≤ 0,06) para a radiação infravermelha (>2,5µm) gerada pelo seu próprio calor e esforça-se por suprimir a perda de calor sob a forma de radiação.

Esta característica de "alta absorção e baixa emissão" é fundamental para que o absorvedor atinja e mantenha temperaturas elevadas. O desempenho do revestimento é medido pela seletividade (rácio α/ε), e quanto maior for a relação, melhor será o desempenho do revestimento.

2. Transferência de energia: condução de calor eficiente e perda mínima de calor

Captar energia é apenas o primeiro passo. Como transferi-la de forma eficaz e reduzir as perdas é igualmente crucial.

Condução de calor: Os absorventes são normalmente feitos de materiais com elevada condutividade térmica, como o cobre e o alumínio, formando placas ou tubos absorventes de calor. O calor gerado é rapidamente conduzido do revestimento para todo o substrato metálico, evitando o sobreaquecimento local.

Troca de calor: Num sistema de circulação de líquidos, os canais de fluxo metálicos (como tubos ou placas) são estreitamente combinados com placas de absorção de calor, e o calor é transferido para o meio de transferência de calor (água ou anticongelante) dentro dos canais de fluxo por convecção. A otimização do projeto estrutural, como o layout dos canais de fluxo e as técnicas de soldadura, afeta diretamente a eficiência da troca de calor.

Supressão da perda de calor: Além de suprimir a perda de radiação através de revestimentos de baixa emissividade, o sistema também reduz a perda de calor de outras formas. Nos coletores de placa plana, são utilizadas tampas de vidro e camadas de isolamento lateral para reduzir as perdas por convecção e condução. Nos coletores de tubos de vácuo, todo o absorvedor é colocado numa camada intermédia de vácuo, eliminando quase por completo as perdas de calor por convecção e condução.

II.Absorventes solares BTE

Absorventes de cobre ou alumínio de alto desempenho soldados a laser

Fabricamos absorvedores pré-acabados para toda a superfície em ciclos de 1 minuto a partir de tubos de cobre e chapas de alumínio com formas harpas e sinuosas. Se o cliente desejar, também processamos tubos de alumínio e chapas de cobre. Todos os revestimentos metálicos padrão podem ser processados.

O processo de fabrico autodesenvolvido garante uma área do absorvedor intacta, uma vez que a ligação do metal e do tubo é feita apenas pela parte traseira do absorvedor. Devido à ligação puramente metálica, é conseguida uma transferência de calor ótima e, portanto, uma boa eficiência. O nosso processo permite uma ligação perfeita num período muito curto de tempo.

O design do absorvedor baseado em CAD, o processamento de tubos controlado por CNC e a instalação de soldadura a laser totalmente automática permitem sequências de produção altamente precisas e com custos otimizados. A tecnologia de soldadura a laser avançada da KBB para a produção industrial de grandes quantidades garante uma ligação ideal dos tubos ao metal do absorvedor, com uma qualidade de produção constante.

Os absorventes de superfície completa, fabricados na KBB com revestimento de elevada seletividade, apresentam os mais elevados desempenhos. Mediante solicitação do cliente, são fabricados em tamanhos até 3,00 m². Cada absorvedor é testado quanto à resistência à pressão e à estanquicidade.

Damos especial atenção à embalagem segura dos pensos. Queremos que os pensos de alta qualidade cheguem até si em perfeitas condições.

EuEu. Cenários de aplicação: da água quente sanitária ao motor central da energia industrial

Com a sua capacidade de conversão de energia altamente eficiente, os absorvedores solares tornaram-se o núcleo universal de vários sistemas de utilização de energia solar térmica, e o seu âmbito de aplicação é extremamente amplo.

1. Aquecimento para edifícios civis e comerciais

Fornecimento de água quente doméstica: desde aquecedores de água com tubos de vácuo nos telhados de todas as casas até sistemas divididos nas varandas de casas em arranha-céus, os absorvedores são a base para fornecer água quente doméstica de baixo custo.

Aquecimento de ambientes: combinados com sistemas de aquecimento de pavimentos ou ventiloconvectores, os absorvedores solares proporcionam um aquecimento auxiliar confortável para edifícios residenciais, edifícios de escritórios, escolas e outras estruturas no inverno, reduzindo significativamente o consumo de energia fóssil.

Sistema Solar Integrado de Edifícios (BIST): Os absorvedores são projetados diretamente como parte das paredes exteriores, telhados ou grades de varandas do edifício, cumprindo as suas funções ao mesmo tempo que cumprem os requisitos estéticos, tornando-se assim a "pele ativa" do edifício.

2. Aquecimento de processos industriais

Este é um mercado de "oceano azul" com um enorme potencial para a utilização da energia solar térmica. Em setores como o processamento de alimentos, estamparia e tingimento têxtil, engenharia química, plásticos e cervejaria, é necessária uma grande quantidade de energia térmica de média e baixa temperatura, que varia entre os 80 °C e os 250 °C. Os campos solares térmicos de grande escala baseados em absorvedores de alto desempenho podem fornecer diretamente fontes de calor limpas para estes processos industriais, gerando "vapor solar" e substituindo eficazmente as caldeiras a gás ou a carvão.

3. Agricultura e Aplicações Especiais

Aquecimento de estufas: Para fornecer calor suplementar às estufas agrícolas no inverno e prolongar a época de plantação.

Dessalinização da água do mar: Utilizar a energia térmica recolhida pelos absorvedores para evaporar a água do mar é uma das tecnologias sustentáveis ​​para lidar com a escassez de água doce.

Aquecimento de piscinas: Mesmo num sistema simples e descoberto, os absorvedores resistentes às intempéries podem aumentar eficazmente a temperatura da água da piscina.

4. Geração de energia solar concentrada

Nas centrais solares concentradas do tipo calha, torre e outras, o absorvedor desempenha o papel de "receptor". É aquecido a várias centenas de graus de alta temperatura pela luz solar altamente concentrada e, em seguida, o calor é transferido para fluidos condutores de calor, como o sal fundido, sendo, por fim, utilizado para acionar turbinas a vapor para geração de energia. Os absorvedores devem permanecer estáveis ​​e eficientes sob temperaturas extremamente elevadas e elevada densidade de fluxo de calor.

4.Estado de desenvolvimento: tecnologia madura e desafios de mercado coexistem

Após décadas de desenvolvimento, a tecnologia de absorção solar atingiu um elevado nível de maturidade, mas também enfrenta uma feroz concorrência de mercado e pressão de transformação.

Diversificação e maturidade das rotas técnicas: As tecnologias predominantes incluem absorvedores de calor de tubo de vácuo (absorvedores de calor totalmente em vidro e metal em tubo em U) e absorvedores de placa plana. O revestimento PVD por pulverização catódica por magnetrão tornou-se o processo padrão para absorvedores de alto desempenho, com uma vida útil superior a 20 anos. A tecnologia é altamente madura e fiável.

A melhoria do desempenho entra num período de plateau: para aplicações convencionais de média e baixa temperatura, a taxa de absorção e a emissividade do revestimento de absorção atingiram os seus limites físicos. Melhorias marginais adicionais exigem enormes investimentos em I&D, e a relação custo-benefício está a diminuir gradualmente.

Pressão de custos e concorrência de mercado: O custo de produção de absorvedores de alto desempenho, especialmente os provenientes de processos PVD, continua a ser relativamente elevado. Isto coloca-os em concorrência tanto com produtos de revestimento comuns como com produtos de revestimento eletroquímico em mercados sensíveis ao preço.

A pressão intersectorial da energia fotovoltaica: A queda acentuada e contínua do preço dos módulos fotovoltaicos representa o desafio mais severo para o mercado de utilização térmica de média e baixa temperatura na energia solar. Em muitos cenários, a solução “bomba de calor fotovoltaica + elétrica/aquecimento por resistência” representa uma concorrência direta aos sistemas solares térmicos tradicionais devido à sua instalação flexível e às vantagens de custo inicial.

V. Perspectivas de Desenvolvimento: O Futuro da Inovação e da Integração de Sistemas

Apesar dos desafios, o futuro dos absorvedores solares não está estagnado, mas está a evoluir para um desempenho superior, maior inteligência e integração mais profunda.

1. Avanços revolucionários nos materiais e revestimentos

Revestimentos de média e alta temperatura: O foco da investigação e desenvolvimento está a mudar para revestimentos que possam permanecer estáveis ​​durante um longo período a temperaturas acima dos 250°C no ar. Os revestimentos seletivos baseados em novos materiais, como o nitreto de alumínio e crómio e o carbono semelhante ao diamante, promoverão fortemente a aplicação industrial da energia solar a média temperatura e o desenvolvimento de CSP eficiente.

Materiais inteligentes e revestimentos adaptáveis: explore materiais com propriedades termocrómicas que possam ajustar automaticamente a sua emissividade a diferentes temperaturas, manter uma baixa emissividade durante a recolha de calor e aumentar a emissividade quando sobreaquecidos para autoproteção, aumentando assim a segurança e a adaptabilidade do sistema.

2. Otimização do projeto estrutural e do processo de fabrico

Microcanais e transferência de calor melhorada: A conceção de canais de fluxo em microescala dentro do absorvedor pode aumentar significativamente a área de troca de calor, reduzir a resistência térmica e melhorar a eficiência da transferência de calor. É particularmente adequado para aplicações compactas e de alta densidade de potência.

Fabrico aditivo (impressão 3D): utilizando a tecnologia de impressão 3D de metal, podem ser fabricadas estruturas complexas e integradas de absorção de calor que não podem ser obtidas através de processos tradicionais, alcançando a combinação topológica ideal de canais de fluxo e corpos de absorção de calor e maximizando o desempenho térmico.

3. Posição central em sistemas fotovoltaicos e solares térmicos

Os sistemas solares fotovoltaicos e térmicos representam uma importante direção para o futuro. Neste sistema, o absorvedor atua diretamente como dissipador de calor para a camada traseira fotovoltaica, recolhendo eficientemente o calor residual gerado pelas células solares. Isto não só reduz significativamente a temperatura dos módulos fotovoltaicos (aumentando a sua eficiência de geração de energia e a sua vida útil), como também obtém energia térmica valiosa, conseguindo um salto na eficiência de utilização abrangente da energia solar por unidade de área.

4. Integração da digitalização e da inteligência

No futuro, os absorvedores deixarão de ser componentes "burros". Ao integrar microssensores de temperatura e caudal e ligar-se à plataforma de Internet das Coisas, o seu estado de funcionamento pode ser monitorizado em tempo real, a degradação do desempenho pode ser avaliada, as necessidades de manutenção podem ser previstas e pode ser coordenado de forma inteligente com outros sistemas de energia (como bombas de calor e tanques de armazenamento de calor) para otimizar a eficiência energética ao nível do sistema.

Conclusão

O absorvedor solar, este componente aparentemente simples, é na realidade a pérola da tecnologia de utilização da energia solar térmica. O seu desempenho determina diretamente a produção de energia e a economia de todo o sistema. Sob os grandes objetivos da transição energética global e da neutralidade carbónica, a procura de uma maior eficiência é incessante. Através da inovação contínua na ciência dos materiais, do refinamento do design estrutural e da profunda integração com tecnologias digitais e inteligentes, os absorvedores solares continuarão a romper os seus limites e a consolidar a sua posição central insubstituível como coletores de energia solar eficientes. Não é apenas a chave para maximizar a eficiência dos coletores solares, mas também um poderoso motor que impulsiona toda a sociedade para um futuro energético limpo e de baixo carbono.