Coletores solares em U: solução de alta eficiência e resistência a baixas temperaturas para aquecimento solar

Coletor solar de tubo em U: solução de aquecimento solar de alta eficiência e resistente a baixas temperaturas

Entre a diversificada família de tecnologias de aproveitamento solar térmico, os coletores solares de tubo em U ocupam uma posição importante devido ao seu design estrutural único, excelente estabilidade de funcionamento e excelente resistência a baixas temperaturas. Integram engenhosamente a eficiência das placas metálicas de recolha de calor com o desempenho de isolamento dos tubos de vácuo, tornando-se a escolha ideal para lidar com climas frios e procurar soluções de alto desempenho. Este artigo irá aprofundar o princípio de funcionamento dos coletores de tubo em U, explorar de forma abrangente os seus amplos cenários de aplicação, analisar objetivamente a sua situação atual no mercado e, prospetivamente, analisar o seu promissor desenvolvimento futuro.

Especificação e dados

1) Fluido de circulação em tubo U fechado, sem água nos tubos de vácuo. Não há corrosão, fugas, incrustações ou fugas ocasionais nos tubos.

2) Com alhetas de alumínio de transferência de energia térmica eficaz, os coletores de tubo em U atingem temperaturas mais elevadas em pouco tempo.

3) O sistema pode funcionar sob pressão, corredor de cobre vermelho metálico totalmente fechado, resistência à corrosão, sem fugas, longa vida útil 

4）Nova tecnologia de deteção de fugas de três níveis para garantir o funcionamento fiável do sistema 

5) Especificações de tamanho flexíveis, design otimizado, podem satisfazer os requisitos de energia solar e integração de edifícios

I. Princípio de funcionamento: A engenharia requintada de captura e transferência de energia

O coletor solar em U é um novo tipo de produto de poupança de energia da nossa empresa. Este tubo em U é costurado numa aleta de transferência de calor de alumínio no interior do tubo de vácuo, que transmite o calor do tubo interior para o tubo em U. O líquido (geralmente um anticongelante de água e glicol) no tubo em U metálico é aquecido e conduz a energia térmica para a água dentro do permutador de placas do tanque de armazenamento ou das bobinas espirais de cobre interiores.

O conceito central de design dos coletores solares de tubo em U é a "ligação seca" e a "transferência de calor eficiente", e o seu excelente desempenho decorre do funcionamento coordenado de vários componentes principais.

1. Tubos de vácuo e revestimentos absorventes seletivos:

Primeira linha de defesa e motores de potência. Semelhante aos tubos de vácuo totalmente em vidro, o exterior dos coletores de tubo em U é também composto por um ou mais tubos de vácuo de vidro de dupla camada. A parede exterior do tubo de vidro interior é revestida com um avançado "revestimento de absorção seletiva" (geralmente azul ou preto). Este revestimento é o "motor de energia" do sistema, responsável por absorver a radiação solar ao máximo (taxa de absorção α ≥ 0,93) e convertê-la em energia térmica, ao mesmo tempo que suprime vigorosamente a sua própria perda de radiação térmica (emissividade ε ≤ 0,06). A camada intermédia de vácuo exterior (com uma pressão inferior a 10⁻³Pa) forma uma excelente camada isolante. Através do isolamento completo de convecção e condução, garante que o calor não escapa para o exterior, permitindo que o coletor mantenha um estado de funcionamento a alta temperatura mesmo em ambientes frios.

2. Placas metálicas absorventes de calor e tubos de cobre em forma de U: Permutador de calor central

Esta é a principal diferença entre os coletores de tubo em U e os tubos de vácuo comuns, todos de vidro. No interior do tubo de vácuo, em vez de aquecer diretamente o fluxo de água, é incorporada uma placa metálica de absorção de calor (geralmente alumínio ou cobre). Esta placa de absorção de calor está firmemente fixada a um tubo de cobre de alta condutividade, dobrado em forma de "U" através de processos precisos de soldadura ou prensagem. Quando a energia solar é absorvida pelo revestimento e convertida em energia térmica, o calor é rapidamente conduzido para a placa metálica de absorção de calor e, em seguida, para o tubo de cobre em forma de "U" intimamente ligado a esta.

3. Circulação do meio de transferência de calor: Um transportador de energia fechado

A água que flui no tubo de cobre em forma de U não é água da torneira utilizada diretamente, mas um meio especial de transferência de calor anticongelante (geralmente uma mistura de propilenoglicol e água como anticongelante). Este sistema de circulação é fechado. Quando expostos ao sol, os tubos de cobre absorvem calor e o meio de trabalho anticongelante no seu interior é aquecido. Acionado por uma bomba de circulação forçada (em alguns sistemas de circulação natural é utilizado o efeito termossifão), o meio de trabalho aquecido flui para fora da extremidade superior do tubo em forma de U e entra no permutador de calor (geralmente uma serpentina ou camisa) localizado no interior do tanque de armazenamento de água. Aqui, o meio de trabalho térmico transfere o calor que transporta para a água no depósito de água através da troca de calor. Após o arrefecimento, flui de volta da extremidade inferior do tubo em forma de U e é reaquecido, formando um ciclo contínuo de circuito fechado.

Este design de "circuito duplo" (que separa o circuito de recolha de calor do circuito de água) é a razão fundamental para a elevada fiabilidade e excelente capacidade anticongelante do coletor de tubo em U. Não só tira partido da máxima preservação do calor dos tubos de vácuo, como também elimina completamente o risco de congelamento e rutura da tubagem no inverno, graças a um circuito fechado de meio de trabalho anticongelante.

Ii. Cenários de aplicação: Adequado para uma vasta gama de opções de aquecimento limpo

Com as suas características de elevada eficiência, resistência a baixas temperaturas, funcionamento com suporte de pressão e instalação flexível, os coletores de tubo em U encontraram a sua aplicação em muitos campos.

1. Água quente e aquecimento em zonas frias e de grande altitude:

Este é o campo de aplicação mais competitivo para os coletores tubulares em U. Em regiões de inverno frio, como o nordeste da China, o noroeste da China, o norte da Europa e o Canadá, o seu excelente desempenho anticongelante torna-o uma das soluções de aproveitamento solar térmico mais fiáveis, capaz de fornecer água quente sanitária durante todo o ano e fontes auxiliares de calor para aquecimento de pavimentos no inverno para casas unifamiliares, moradias geminadas e até mesmo pequenas comunidades.

2. Sistema Solar Integrado no Edifício (BIPV/T)

Os coletores de tubo em U, especialmente os combinados com coletores de placa plana, têm maior probabilidade de se integrar na fachada do edifício. Podem ser utilizados como guarda-corpos de varanda, painel de parede exterior ou componente de cobertura de edifícios, conseguindo a harmonia entre função e estética. As suas características de funcionamento com suporte de pressão garantem uma perfeita compatibilidade com a rede de abastecimento de água urbana, proporcionando uma experiência de duche com uma pressão de água potente, semelhante à dos esquentadores convencionais a gás ou elétricos.

3. Aquecimento em grande escala para instalações comerciais e públicas:

Hotéis, escolas, hospitais e piscinas: estes locais têm uma grande e estável procura de água quente. Com a instalação de dezenas ou mesmo centenas de coletores tubulares em U em conjuntos modulares, é possível construir sistemas de aquecimento solar centralizado de grande escala, reduzindo significativamente os custos energéticos das operações comerciais.

Dormitórios de funcionários e lares de idosos: para locais de habitação coletiva com procura contínua e estável de água quente, o sistema de tubagem em forma de U proporciona uma solução de água quente segura e automatizada.

4. Calor de Processo Industrial e Agrícola (Aquecimento de Processo)

Em processos industriais como o processamento de alimentos, a fabricação de cerveja e têxteis, que requerem água quente a baixa temperatura (40 °C - 80 °C), os sistemas solares de tubo em U podem servir como dispositivos eficazes de pré-aquecimento ou aquecimento direto, reduzindo o consumo de energia fóssil e diminuindo as emissões de carbono.

No campo agrícola, pode ser utilizado para aquecimento suplementar de inverno em estufas para criar um ambiente de temperatura adequado para a plantação.

Iii. Estado de desenvolvimento: A tecnologia de ponta e os desafios do mercado coexistem

Os coletores solares de tubo em U encontram-se atualmente numa fase de "elevado reconhecimento técnico, mas de forte concorrência de mercado".

A maturidade tecnológica e as vantagens de desempenho são amplamente reconhecidas: como representante da tecnologia de utilização de energia solar térmica de segunda geração, a sua tecnologia é já bastante madura. As suas vantagens de "ligação a seco" eficiente, excelente capacidade anticongelante e operação com suporte de pressão são amplamente reconhecidas em campos profissionais e entre grupos de utilizadores de topo.

Pressão de custos e concorrência de mercado: O principal desafio reside no custo inicial. Devido à integração de placas metálicas de absorção de calor, tubos de cobre em forma de U e processos de soldadura, o seu custo unitário é geralmente superior ao dos tubos de vácuo comuns totalmente em vidro. Isto torna-o menos competitivo em mercados sensíveis aos preços. Ao mesmo tempo, enfrenta a dupla concorrência de tubos de vácuo tradicionais e coletores de placa plana de alta eficiência.

Pressão intersetorial da energia fotovoltaica: Tal como toda a indústria solar térmica, o sistema de tubos em U também foi impactado pela queda contínua do custo da geração de energia fotovoltaica. Em alguns cenários em que apenas é necessária água quente de baixa qualidade, o modelo "fotovoltaico + caldeira elétrica" ​​tem vantagem devido à sua instalação simples e ao investimento inicial aparentemente mais reduzido.

O posicionamento no mercado é claro, mas a educação e a popularização são necessárias: atualmente, os coletores de tubo em U são mais frequentemente posicionados como soluções de "alta qualidade" e "alto desempenho", visando principalmente utilizadores com necessidades específicas (como aquecimento em regiões frias e integração de edifícios). O mercado necessita ainda de educação contínua para que mais consumidores compreendam as vantagens de custo do ciclo de vida completo proporcionadas pela sua fiabilidade a longo prazo.

Iv. Perspetiva de desenvolvimento: O futuro da integração orientada pela inovação com o sistema

Face aos desafios, o desenvolvimento futuro dos coletores solares de tubo em U irá concentrar-se em superar os limites de desempenho, inteligência do sistema e expandir os campos de aplicação.

Inovação contínua em materiais e processos

Atualização da tecnologia de revestimento: desenvolver revestimentos de absorção seletiva com maiores taxas de absorção e menor emissividade, bem como melhorar a sua estabilidade a altas temperaturas para prolongar a vida útil e melhorar a eficiência.

Otimização de placas de absorção de calor: Explorar projetos de estruturas de alhetas mais eficientes para placas de absorção de calor (como o ondulado e a soldadura a laser) para maximizar a área de condução de calor e a eficiência. Adotar materiais mais leves e com melhor condutividade térmica é também uma das direções.

Exploração de campos de aplicação de média temperatura

Ao otimizar o design do sistema e a fórmula do meio de trabalho, o coletor de tubo em U pode gerar energia térmica estável a temperaturas médias, que variam entre 120 °C e 150 °C. Isto abrirá portas a aplicações industriais mais amplas, como a secagem industrial e o pré-tratamento a vapor, com um enorme potencial de mercado.

Integre profundamente no sistema de energia inteligente

No futuro, o sistema de tubos em U deixará de ser um dispositivo de aquecimento isolado. Ao incorporar sensores da Internet das Coisas e algoritmos de controlo inteligentes, tornar-se-á parte integrante do sistema inteligente de gestão de energia residencial/edifício. O sistema pode ajustar de forma inteligente o início, a paragem e a velocidade da bomba de circulação com base nas previsões meteorológicas, nos hábitos do utilizador e nos preços de eletricidade de pico e fora de pico da rede elétrica, alcançando a otimização económica da utilização de energia e trabalhando em coordenação com fontes de energia complementares, como bombas de calor e caldeiras a gás.

Stocks potenciais de sistemas híbridos solares (PV-T):

A estrutura em tubo em U é altamente adequada para o desenvolvimento de módulos solares fotovoltaicos e térmicos (FV-T) integrados. As células fotovoltaicas podem ser laminadas diretamente em placas metálicas absorvedoras de calor. Os tubos em forma de U podem transportar eficientemente o calor residual gerado pelas células enquanto geram eletricidade. Isto não só reduz a temperatura dos módulos fotovoltaicos (aumentando a eficiência da geração de energia), como também gera energia térmica gratuita, conseguindo o máximo aproveitamento da energia solar por unidade de área. É uma das soluções definitivas para o problema da limitação de espaço no telhado.

Orientado por políticas e normalização

À medida que a meta global de neutralidade carbónica avança, os requisitos para a conservação de energia nos edifícios e a aplicação de energia renovável em diversos países tornar-se-ão cada vez mais rigorosos. Como uma tecnologia madura e eficiente de redução de emissões, espera-se que os coletores de tubo em U sejam recomendados em mais normas de "construção verde" e políticas de instalação obrigatória. Ao mesmo tempo, a modularização e a normalização dos produtos ajudarão a reduzir os custos de produção e de instalação e a aumentar a competitividade no mercado.

Conclusão

Os coletores solares de tubo em U, com o seu design de engenharia requintado e as suas indiscutíveis vantagens de desempenho, ocupam firmemente o nicho de mercado de alto desempenho e alta fiabilidade no espectro da tecnologia de utilização da energia solar térmica. Não são apenas uma ferramenta poderosa para vencer o frio intenso, mas também um veículo elegante que integra a estética arquitetónica com uma energia limpa. Apesar dos desafios de custos e de mercado, demonstraram uma forte resiliência tecnológica e amplas perspetivas de desenvolvimento através da evolução contínua em campos de ponta, como aplicações industriais de média temperatura, gestão inteligente de energia e geração combinada de energia fotovoltaica térmica. No contexto da transição energética global, os coletores solares de tubo em U continuarão a contribuir com uma força calorífica indispensável para a construção de uma sociedade futura sustentável e de baixo carbono, com o seu desempenho estável e eficiente.