Massimizzare l'efficienza del collettore solare: il ruolo critico dell'assorbitore solare

Massimizzare l'efficienza dei collettori solari: il ruolo chiave degli assorbitori solari

Nel campo dell'utilizzo del solare termico, l'efficienza è il parametro di riferimento definitivo per misurare il valore della tecnologia. Nel percorso verso la massima efficienza, gli assorbitori solari svolgono senza dubbio il ruolo più cruciale. Sono il "cuore" del sistema di captazione solare termico e il luogo principale in cui l'energia luminosa viene convertita in energia termica. Comprendere, ottimizzare e innovare la tecnologia degli assorbitori solari è fondamentale per liberare il potenziale dell'intero sistema e massimizzare la produzione di energia. Questo articolo approfondirà il principio di funzionamento degli assorbitori solari, esaminerà in modo completo i loro ampi scenari applicativi, analizzerà oggettivamente l'attuale stato di sviluppo e ne illustrerà le innovative e promettenti prospettive future.

I. Principio di funzionamento: la squisita conversione da fotoni a energia termica

Un assorbitore solare è un'interfaccia di conversione energetica precisa e le sue prestazioni dipendono da come elabora la radiazione solare incidente. Questo processo non è semplicemente un "oggetto nero che assorbe calore", ma piuttosto un'efficiente collaborazione tra scienza dei materiali, termodinamica e ottica.

1. Cattura dell'energia: Assorbimento selettivo spettrale

La luce solare è un'onda elettromagnetica ad ampio spettro, la cui energia è concentrata principalmente nell'intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 0,3 e 2,5 micrometri. Una comune superficie nera assorbe la maggior parte della luce solare, ma rilascia anche una grande quantità di calore sotto forma di radiazione infrarossa a onda lunga. Il compito principale di un assorbitore solare è quello di rompere questo equilibrio e ottenere un "assorbimento selettivo spettrale".

Ciò si basa sullo speciale rivestimento superficiale dell'assorbitore, che di solito ha uno spessore di pochi micrometri: il rivestimento ad assorbimento selettivo. Questo rivestimento è progettato come:

Il "divoramento avido" della radiazione a onde corte: ha un tasso di assorbimento estremamente elevato (α ≥ 0,94) per lo spettro solare (0,3-2,5µm), convertendo la stragrande maggioranza dell'energia dei fotoni in vibrazioni reticolari, cioè energia termica.

Il "guardiano avaro" della radiazione a onde lunghe: ha un'emissività estremamente bassa (ε ≤ 0,06) per la radiazione infrarossa (>2,5µm) generata dal suo stesso calore e si sforza di sopprimere la perdita di calore sotto forma di radiazione.

Questa caratteristica di "elevato assorbimento e bassa emissione" è fondamentale per consentire all'assorbitore di raggiungere e mantenere temperature elevate. Le prestazioni del rivestimento sono misurate dalla selettività (rapporto α/ε): maggiore è il rapporto, migliori sono le prestazioni del rivestimento.

2. Trasferimento di energia: conduzione efficiente del calore e minima perdita di calore

Catturare l'energia è solo il primo passo. Altrettanto cruciale è come trasferirla in modo efficace e ridurre le perdite.

Conduzione del calore: gli assorbitori sono in genere realizzati con materiali ad alta conduttività termica, come rame e alluminio, per formare piastre o tubi assorbenti. Il calore generato viene rapidamente condotto dal rivestimento all'intero substrato metallico, prevenendo il surriscaldamento locale.

Scambio termico: in un sistema a circolazione di liquidi, i canali di flusso metallici (come tubi o piastre) sono strettamente collegati a piastre che assorbono il calore e il calore viene trasferito al mezzo di scambio termico (acqua o antigelo) all'interno dei canali di flusso per convezione. L'ottimizzazione della progettazione strutturale, come la disposizione dei canali di flusso e le tecniche di saldatura, influisce direttamente sull'efficienza dello scambio termico.

Soppressione delle perdite di calore: oltre a sopprimere le perdite di calore per irraggiamento attraverso rivestimenti a bassa emissività, il sistema riduce anche le perdite di calore in altri modi. Nei collettori piani, coperture in vetro e strati isolanti laterali vengono utilizzati per ridurre le perdite per convezione e conduzione. Nei collettori a tubi sottovuoto, l'intero assorbitore è posizionato in un interstrato sottovuoto, eliminando quasi completamente le perdite di calore per convezione e conduzione.

II.Assorbitori solari BTE

Assorbitori in rame o alluminio ad alte prestazioni, saldati al laser

Produciamo assorbitori prefiniti a tutta superficie in cicli di 1 minuto da tubi di rame e lamiere di alluminio con forme curve e sinuose. Su richiesta del cliente, lavoriamo anche tubi di alluminio e lamiere di rame. Possiamo realizzare tutti i rivestimenti metallici standard.

Il processo di produzione sviluppato internamente garantisce un'area di assorbimento intatta, poiché il collegamento tra metallo e tubo avviene solo dal retro dell'assorbitore. Grazie al collegamento puramente metallico, si ottiene un trasferimento di calore ottimale e quindi una buona efficienza. Il nostro processo consente un collegamento senza fessure in tempi molto rapidi.

La progettazione dell'assorbitore basata su CAD, la lavorazione dei tubi a controllo numerico e l'impianto di saldatura laser completamente automatico consentono cicli di produzione altamente precisi e a costi ottimizzati. La tecnologia di saldatura laser collaudata da KBB per la produzione industriale di grandi quantità garantisce un collegamento ottimale dei tubi al metallo dell'assorbitore, con una qualità di produzione costante.

Gli assorbitori a superficie intera, prodotti da KBB con un rivestimento ad alta selettività, garantiscono le massime prestazioni. Su richiesta del cliente, vengono realizzati fino a una superficie di 3,00 m². Ogni assorbitore viene testato per verificarne la resistenza alla pressione e la tenuta alla pressione.

Prestiamo particolare attenzione all'imballaggio sicuro degli assorbitori. Vogliamo che i nostri assorbitori di alta qualità vi arrivino in perfette condizioni.

IIioScenari applicativi: dall'acqua calda sanitaria al motore principale dell'energia industriale

Grazie alla loro elevata efficienza nella conversione dell'energia, gli assorbitori solari sono diventati il ​​nucleo universale di numerosi sistemi di utilizzo dell'energia solare termica e il loro campo di applicazione è estremamente ampio.

1. Riscaldamento per edifici civili e commerciali

Fornitura di acqua calda sanitaria: dagli scaldabagni a tubi sottovuoto sui tetti di ogni casa ai sistemi split sui balconi delle residenze più alte, gli assorbitori sono la pietra angolare per fornire acqua calda sanitaria a basso costo.

Riscaldamento degli ambienti: abbinati al riscaldamento a pavimento o ai sistemi a fan coil, gli assorbitori solari forniscono un riscaldamento ausiliario confortevole per edifici residenziali, uffici, scuole e altre strutture in inverno, riducendo significativamente il consumo di energia fossile.

Sistema solare integrato nell'edificio (BIST): gli assorbitori sono progettati direttamente come parte delle pareti esterne, dei tetti o delle ringhiere dei balconi dell'edificio, svolgendo le loro funzioni e soddisfacendo al contempo i requisiti estetici, diventando così la "pelle attiva" dell'edificio.

2. Riscaldamento di processo industriale

Si tratta di un mercato "oceano blu" con un enorme potenziale per l'utilizzo del solare termico. In settori come la lavorazione alimentare, la stampa e la tintura tessile, l'ingegneria chimica, la produzione di materie plastiche e la produzione di birra, è richiesta una grande quantità di energia termica a media e bassa temperatura, compresa tra 80 °C e 250 °C. Campi solari termici su larga scala basati su assorbitori ad alte prestazioni possono fornire direttamente fonti di calore pulite per questi processi industriali, ottenendo "vapore solare" e sostituendo efficacemente le caldaie a gas o a carbone.

3. Agricoltura e applicazioni speciali

Riscaldamento delle serre: per fornire calore supplementare alle serre agricole in inverno e prolungare la stagione della semina.

Desalinizzazione dell'acqua di mare: l'utilizzo dell'energia termica raccolta dagli assorbitori per far evaporare l'acqua di mare è una delle tecnologie sostenibili per affrontare la carenza di acqua dolce.

Riscaldamento della piscina: anche in un semplice sistema scoperto, gli assorbitori resistenti alle intemperie possono aumentare efficacemente la temperatura dell'acqua della piscina.

4. Generazione di energia solare concentrata

Nelle centrali solari a concentrazione a canale, a torre e in altri tipi di centrali solari, l'assorbitore svolge il ruolo di "ricevitore". Viene riscaldato a diverse centinaia di gradi Celsius dalla luce solare altamente concentrata, quindi il calore viene trasferito a fluidi termoconduttori come i sali fusi e infine utilizzato per azionare turbine a vapore per la produzione di energia. In questo caso, gli assorbitori devono rimanere stabili ed efficienti anche a temperature estremamente elevate e con un'elevata densità di flusso termico.

Iv.Stato di sviluppo: coesistono tecnologie mature e sfide di mercato

Dopo decenni di sviluppo, la tecnologia degli assorbitori solari ha raggiunto un elevato livello di maturità, ma deve anche affrontare una forte concorrenza di mercato e pressioni di trasformazione.

Diversificazione e maturità dei percorsi tecnici: le tecnologie più diffuse includono assorbitori a tubo sottovuoto (assorbitori di calore metallici interamente in vetro e a tubo a U) e assorbitori a piastra piana. Il rivestimento PVD con sputtering magnetronico è diventato il processo standard per gli assorbitori ad alte prestazioni, con una durata di oltre 20 anni. La tecnologia è altamente matura e affidabile.

Il miglioramento delle prestazioni entra in una fase di stallo: per le applicazioni convenzionali a media e bassa temperatura, il tasso di assorbimento e l'emissività del rivestimento assorbente hanno raggiunto i loro limiti fisici. Ulteriori miglioramenti marginali richiedono ingenti investimenti in ricerca e sviluppo e il rapporto costo-efficacia sta gradualmente diminuendo.

Pressione sui costi e concorrenza di mercato: il costo di produzione degli assorbitori ad alte prestazioni, in particolare quello dei processi PVD, rimane relativamente elevato. Ciò li pone in concorrenza sia con i prodotti di rivestimento tradizionali sia con quelli elettrochimici nei mercati sensibili al prezzo.

La pressione intersettoriale del fotovoltaico: il continuo e forte calo del prezzo dei moduli fotovoltaici rappresenta la sfida più impegnativa per il mercato dell'utilizzo termico a media e bassa temperatura nell'energia solare. In molti scenari, la soluzione "fotovoltaico + pompa di calore elettrica/riscaldamento a resistenza" rappresenta una concorrenza diretta ai sistemi solari termici tradizionali grazie alla sua flessibilità di installazione e ai vantaggi in termini di costi iniziali.

V. Prospettive di sviluppo: il futuro dell'innovazione e dell'integrazione di sistema

Nonostante le sfide, il futuro degli assorbitori solari non è stagnante, ma si sta evolvendo verso prestazioni più elevate, maggiore intelligenza e una maggiore integrazione.

1. Svolte rivoluzionarie nei materiali e nei rivestimenti

Rivestimenti a media e alta temperatura: l'attenzione della ricerca e dello sviluppo si sta spostando verso rivestimenti in grado di rimanere stabili a lungo a temperature superiori a 250 °C nell'aria. Rivestimenti selettivi basati su nuovi materiali come il nitruro di cromo e alluminio e il carbonio simile al diamante promuoveranno notevolmente l'applicazione industriale dell'energia solare a media temperatura e lo sviluppo di CSP efficienti.

Materiali intelligenti e rivestimenti adattivi: esplora materiali con proprietà termocromiche in grado di regolare automaticamente la propria emissività a diverse temperature, mantenere una bassa emissività durante la raccolta del calore e aumentare l'emissività in caso di surriscaldamento per autoprotezione, migliorando così la sicurezza e l'adattabilità del sistema.

2. Ottimizzazione della progettazione strutturale e del processo di produzione

Microcanali e trasferimento di calore migliorato: la progettazione di canali di flusso su scala microscopica all'interno dell'assorbitore può aumentare significativamente l'area di scambio termico, ridurre la resistenza termica e migliorare l'efficienza del trasferimento di calore. È particolarmente adatto per applicazioni compatte e ad alta densità di potenza.

Produzione additiva (stampa 3D): utilizzando la tecnologia di stampa 3D in metallo, è possibile realizzare strutture complesse e integrate di assorbimento del calore che non possono essere ottenute con i processi tradizionali, ottenendo la combinazione topologica ottimale di canali di flusso e corpi di assorbimento del calore e massimizzando le prestazioni termiche.

3. Posizione centrale nei sistemi fotovoltaici e solari termici

I sistemi solari fotovoltaici e termici rappresentano un'importante direzione per il futuro. In questo sistema, l'assorbitore funge direttamente da dissipatore di calore per il backsheet fotovoltaico, raccogliendo in modo efficiente il calore di scarto generato dalle celle solari. Ciò non solo riduce significativamente la temperatura dei moduli fotovoltaici (migliorandone l'efficienza di generazione e la durata), ma consente anche di ottenere contemporaneamente preziosa energia termica, ottenendo un miglioramento significativo dell'efficienza complessiva di utilizzo dell'energia solare per unità di superficie.

4. Integrazione tra digitalizzazione e intelligenza

In futuro, gli assorbitori non saranno più componenti "stupidi". Integrando microsensori di temperatura e flusso e connettendoli alla piattaforma Internet of Things, sarà possibile monitorarne lo stato di funzionamento in tempo reale, valutarne il degrado delle prestazioni, prevederne le esigenze di manutenzione e coordinarli in modo intelligente con altri sistemi energetici (come pompe di calore e serbatoi di accumulo termico) per ottimizzare l'efficienza energetica a livello di sistema.

Conclusione

L'assorbitore solare, questo componente apparentemente semplice, è in realtà il fiore all'occhiello della tecnologia di utilizzo del solare termico. Le sue prestazioni determinano direttamente la produzione energetica e l'economia dell'intero sistema. Nell'ambito dei grandi obiettivi della transizione energetica globale e della neutralità carbonica, la ricerca di una maggiore efficienza è senza fine. Grazie alla continua innovazione nella scienza dei materiali, al perfezionamento della progettazione strutturale e alla profonda integrazione con tecnologie digitali e intelligenti, gli assorbitori solari continueranno a superare i propri limiti e a consolidare la loro insostituibile posizione di collettori solari efficienti. Non è solo la chiave per massimizzare l'efficienza dei collettori solari, ma anche un potente motore che guida l'intera società verso un futuro energetico pulito e a basse emissioni di carbonio.