Coletor solar de tubo de calor: solução de energia térmica nova, eficiente e fiável

No contexto da transição energética global e das metas de "dual carbono", a tecnologia de aproveitamento solar térmico desempenha um papel cada vez mais importante. Entre as inúmeras tecnologias de recolha solar térmica, o coletor solar de tubo de calor destaca-se pelo seu princípio de funcionamento único e desempenho excecional, tornando-se a solução preferida em campos de média e alta temperatura e ambientes adversos. Não só representa o elevado nível da tecnologia de aproveitamento solar térmico, como também fornece energia térmica limpa e estável para utilizadores industriais, comerciais e residenciais, com as suas características de elevada eficiência, fiabilidade e longa vida útil.

I. O que é um coletor solar de tubo de calor?

Um coletor solar de tubo de calor é um dispositivo de recolha de calor solar que utiliza "tubos de calor", um elemento condutor de calor altamente eficiente, como componente central de transferência de calor. Para compreender a sua superioridade, é necessário conhecer primeiro o seu núcleo — o tubo de calor.

1.º Princípio de funcionamento dos tubos de calor:

Um tubo de calor é um tubo metálico selado (geralmente um tubo de cobre) que foi evacuado para um vácuo. A sua parede interna é revestida com material poroso capilar (núcleo absorvedor de líquidos) e preenchida com uma pequena quantidade de meio de trabalho volátil (como água, metanol, acetona, etc.).

O seu processo de trabalho pode ser simplificado em quatro etapas: 

Evaporação endotérmica: Uma extremidade do tubo de calor (a secção de evaporação) é aquecida pela radiação solar, e o meio de trabalho líquido no interior do tubo absorve calor e evapora rapidamente em vapor. 

Fluxo de vapor: Devido ao aumento da pressão na secção de evaporação, o vapor flui a alta velocidade para a outra extremidade do tubo de calor (secção de condensação) sob uma pequena diferença de pressão. 

Condensação exotérmica: o vapor encontra o meio de arrefecimento (água ou anticongelante) do coletor na secção de condensação do arrefecedor, libertando calor latente de vaporização e recondensando num líquido. 

Refluxo líquido: O meio de trabalho líquido condensado reflui automaticamente para a secção de evaporação sob a ação capilar do núcleo de sucção, completando um ciclo. 

Este processo repete-se sem a necessidade de energia externa. Impulsionado exclusivamente pela energia solar, pode "transferir" eficientemente calor da extremidade de recolha para a extremidade de troca de calor. A sua eficiência de transferência de calor é extremamente elevada, com um coeficiente de condutividade térmica equivalente a dezenas de milhares de vezes o de metais como a prata e o cobre, o que lhe valeu o título de "supercondutor térmico".

2. Estrutura geral do coletor:

Um coletor de tubo de vácuo de tubo de calor completo é constituído pelas seguintes partes: 

Tubo de vidro a vácuo: protege o tubo de calor interior e isola a perda de calor convectiva e condutiva através da camada de vácuo, como um grande "revestimento de frasco". 

Tubo de calor: O elemento central de transferência de calor, com a sua secção de evaporação inserida num tubo de vácuo para receber energia solar. 

Placa/aleta de absorção de calor: fixada na secção de evaporação do tubo de calor, é utilizada para maximizar a absorção da radiação solar e transferi-la para o tubo de calor. 

Caixa coletora/tubo coletor de calor: Um tubo metálico com canais de fluxo internos, onde é inserida a secção de condensação do tubo de calor. Quando a água fria flui pelo coletor, troca calor com a secção de condensação e é aquecida antes de sair. 

Camada de isolamento e casca: Proteja a estrutura interna e reduza a perda de calor.

Ii. Principais vantagens dos coletores solares de tubo de calor

Comparada com os coletores tradicionais de placa plana ou coletores de tubo de vácuo totalmente em vidro, a tecnologia de tubo de calor traz vantagens revolucionárias:

1. Excelente resistência à geada e desempenho à prova de explosão:

Esta é a vantagem mais proeminente do coletor de calor por tubo. O meio condutor de calor no depósito de recolha é independente e selado, completamente separado da água do sistema que flui através do depósito de recolha. Mesmo em condições extremamente frias, o meio de trabalho do tubo de calor no interior do tubo de vácuo não congela, nem rompe o tubo de recolha de calor devido à formação de gelo. Isto permite que opere de forma estável durante todo o ano em regiões frias e de alta latitude, sem a preocupação do congelamento do tubo no inverno.

2.º Alta eficiência térmica e baixa perda de calor:

Os tubos de vidro a vácuo suprimem eficazmente as perdas por convecção e condução de calor. Durante o processo de mudança de fase do fluido de trabalho do tubo de calor, é transferido um enorme calor latente de vaporização, resultando numa eficiência de transferência de calor extremamente elevada. Além disso, mesmo sob luz solar fraca ou condições de luz difusa, tem uma temperatura de arranque baixa, uma velocidade de resposta elevada, pode iniciar o trabalho rapidamente e pode trabalhar durante mais tempo ao longo do dia.

3. Operação estável e fiável, manutenção simples 

Funcionamento pressurizado: A água do sistema flui no tanque de recolha de metal, que pode suportar uma elevada pressão da água da torneira ou do sistema, com uma forte saída de água e boa compatibilidade com o sistema de abastecimento de água do edifício. 

Design de "isolamento térmico": um único tubo de vácuo está ligado à caixa de recolha através de um anel de vedação elástico. Se um tubo de vácuo estiver danificado, pode ser substituído simplesmente rodando-o e puxando-o separadamente. A água do sistema não irá verter e os outros tubos de recolha de calor continuarão a funcionar. A manutenção é extremamente conveniente e não afeta o funcionamento geral do sistema. 

Resistência do tubo de calor à exposição ao ar: O tubo de calor possui uma funcionalidade de autorregulação da temperatura. Quando a temperatura na secção de condensação é demasiado elevada, a eficiência da transferência de calor irá diminuir, evitando o problema de degradação do desempenho causado pela exposição prolongada ao ar.

4. Instalação flexível e fácil integração com edifícios

O coletor está separado do depósito de água e a posição de instalação não é restrita. O coletor pode ser instalado no telhado, na fachada da varanda ou no para-sol do edifício, etc. O reservatório de água pode ser instalado na sala de equipamento interior, o que aumenta significativamente a flexibilidade e a estética do projeto integrado no edifício.

Iii. Principais Cenários de Aplicação

O âmbito de aplicação dos coletores solares de tubo de calor é extremamente amplo, abrangendo vários campos, desde a água quente doméstica até ao pré-aquecimento industrial.

1. Sistemas de água quente doméstica e comercial

Esta é a aplicação mais fundamental e também a mais difundida. Fornece água quente sanitária estável e de baixo custo para vivendas, condomínios residenciais, hotéis, escolas, hospitais, piscinas e outros locais. A sua resistência à geada é particularmente adequada para projetos centralizados de água quente em regiões frias do norte.

2. Sistema de aquecimento solar

Combinado com o aquecimento do piso, unidades de ventiloconvetores e outros sistemas terminais, proporciona aquecimento de inverno para edifícios. Em combinação com a tecnologia de armazenamento de calor intersazonal, pode reduzir significativamente o consumo de energia fóssil no inverno e é uma das tecnologias-chave para atingir o objetivo de consumo de energia quase nulo nos edifícios.

3. Aquecimento de processos industriais

Muitos processos industriais (como o processamento de alimentos, a impressão e tingimento têxtil, a galvanoplastia, o abate, a engenharia química, etc.) requerem grandes quantidades de água quente ou vapor a temperaturas médias e baixas (60 ℃-150 ℃). Os coletores de tubos de calor podem fornecer eficazmente esta parte das fontes de calor limpas, substituindo as caldeiras a gás ou elétricas e ajudando as empresas a reduzir as emissões de carbono e os custos operacionais.

4. Aplicações agrícolas:

É utilizado para a preservação do calor e aquecimento em estufas, temperatura constante em tanques de aquacultura, secagem de produtos agrícolas, etc., promovendo o desenvolvimento de poupança de energia da agricultura moderna.

Iv. Perspetivas e desafios do mercado

Com a ênfase global na energia renovável e o contínuo amadurecimento da tecnologia, as perspetivas de mercado para os coletores solares de tubo de calor são amplas. Os seus fatores determinantes incluem: 

Apoio político: Compromissos de redução de carbono e políticas de subsídios para construções ecológicas de governos de todo o mundo. 

Segurança energética: reduzir a dependência dos combustíveis fósseis tradicionais. 

Eficiência económica: Apesar do investimento inicial ser relativamente elevado, o retorno do investimento ao longo do seu ciclo de vida de 15 a 20 anos é muito considerável. 

Ao mesmo tempo, enfrenta também alguns desafios 

Custo inicial: Comparado com os colecionadores tradicionais, o seu custo de fabrico é ainda relativamente elevado. 

Sensibilização do mercado: É necessário popularizar ainda mais as suas vantagens tecnológicas e aumentar a aceitação do mercado. 

Integração do sistema: É necessária uma melhor integração com sistemas de controlo mais inteligentes, tecnologias de armazenamento de energia e fontes de energia auxiliares para fornecer energia estável 24 horas por dia.

V. Conclusão

Os coletores solares de tubo de calor, com as suas vantagens inerentes em princípios físicos, resolveram muitos dos problemas dos coletores solares tradicionais em termos de resistência ao congelamento, resistência à pressão, manutenção e segurança. Não se trata apenas de um aquecedor de água, mas de uma unidade solar térmica modular, altamente eficiente e fiável. Seja para fornecer calor às famílias ou para injetar energia verde nas fábricas, demonstraram uma forte adaptabilidade e vitalidade. 

Na busca atual pelo desenvolvimento sustentável e independência energética, escolher uma solução de coletor solar com tubo de calor significa escolher uma forma inteligente, fiável e orientada para o futuro de utilizar energia verde. Tornar-se-á certamente uma parte indispensável e crucial da construção de um futuro sistema energético inteligente e do alcance da meta da neutralidade carbónica.