Collettori solari a U: soluzione ad alta efficienza e resistenza alle basse temperature per il riscaldamento solare

Collettore solare a tubo a U: soluzione di riscaldamento solare ad alta efficienza e resistente alle basse temperature

Tra la variegata famiglia di tecnologie di utilizzo del solare termico, i collettori solari a tubi a U hanno occupato una posizione di rilievo grazie al loro design strutturale unico, all'eccezionale stabilità operativa e all'eccellente resistenza alle basse temperature. Integrano ingegnosamente l'efficienza delle piastre metalliche di raccolta del calore con le prestazioni isolanti dei tubi a vuoto, rendendoli la scelta ideale per affrontare i climi freddi e ricercare soluzioni ad alte prestazioni. Questo articolo approfondirà il principio di funzionamento dei collettori a tubi a U, esplorerà in modo completo i loro ampi scenari applicativi, analizzerà oggettivamente il loro attuale stato di mercato e guarderà con prospettiva al loro promettente sviluppo futuro.

Specifiche e dati

1) Fluido di circolazione in un tubo a U chiuso, niente acqua nei tubi a vuoto. Non c'è corrosione, nessuna perdita, nessuna formazione di calcare, nessun tubo occasionale

2) Grazie alle alette in alluminio che trasferiscono efficacemente l'energia termica, i collettori a tubi a U raggiungono temperature più elevate in breve tempo.

3) Il sistema può funzionare sotto pressione, canale di scorrimento in rame rosso metallico completamente chiuso, resistenza alla corrosione, nessuna perdita, lunga durata 

4) Nuova tecnologia di rilevamento delle perdite a tre livelli per garantire un funzionamento affidabile del sistema 

5) Specifiche di dimensioni flessibili, design ottimizzato, in grado di soddisfare i requisiti dell'energia solare e dell'integrazione edilizia

I. Principio di funzionamento: la squisita ingegneria della cattura e del trasferimento dell'energia

Il collettore solare a tubo a U è un nuovo tipo di prodotto a risparmio energetico della nostra azienda. Questo tubo a U è saldato in un'aletta di trasferimento del calore in alluminio all'interno del tubo a vuoto che trasmette il calore dal tubo interno al tubo a U. Il liquido (solitamente una miscela antigelo di glicole e acqua) nel tubo a U metallico viene riscaldato e conduce l'energia termica all'acqua all'interno dello scambiatore a piastre del serbatoio di accumulo o delle serpentine di rame a spirale interne.

Il concetto di progettazione fondamentale dei collettori solari a tubi a U è "collegamento a secco" e "trasferimento efficiente del calore", e le sue prestazioni eccezionali derivano dal funzionamento coordinato di diversi componenti chiave.

1. Tubi a vuoto e rivestimenti assorbenti selettivi:

Prima linea di difesa e motori energetici. Simile ai tubi a vuoto interamente in vetro, anche l'esterno dei collettori a tubi a U è composto da uno o più tubi a vuoto a doppio strato di vetro. La parete esterna del tubo di vetro interno è rivestita con un avanzato "rivestimento ad assorbimento selettivo" (solitamente blu o nero). Questo rivestimento è il "motore energetico" del sistema, responsabile dell'assorbimento massimo della radiazione solare (tasso di assorbimento α ≥ 0,93) e della sua conversione in energia termica, sopprimendo efficacemente la propria perdita di radiazione termica (emissività ε ≤ 0,06). L'interstrato esterno sotto vuoto (con una pressione inferiore a 10⁻³Pa) forma un eccellente strato isolante. Grazie al completo isolamento di convezione e conduzione, garantisce che il calore non fuoriesca verso l'esterno, consentendo al collettore di mantenere uno stato di funzionamento ad alta temperatura anche in ambienti freddi.

2. Piastre metalliche assorbenti il ​​calore e tubi di rame a forma di U: scambiatore di calore a nucleo

Questa è la differenza fondamentale tra i collettori a tubo a U e i normali tubi a vuoto interamente in vetro. All'interno del tubo a vuoto, invece di riscaldare direttamente il flusso d'acqua, è incorporata una piastra metallica (solitamente alluminio o rame) che assorbe il calore. Questa piastra è strettamente legata a un tubo di rame ad alta conduttività piegato a "U" attraverso precisi processi di saldatura o pressatura. Quando l'energia solare viene assorbita dal rivestimento e convertita in energia termica, il calore viene rapidamente condotto alla piastra metallica che assorbe il calore e quindi al tubo di rame a forma di U ad essa strettamente collegato.

3. Circolazione del mezzo di trasferimento del calore: un trasportatore di energia chiuso

L'acqua che scorre nel tubo di rame a U non è acqua di rubinetto utilizzata direttamente, ma uno speciale fluido termovettore antigelo (solitamente una miscela di glicole propilenico e acqua come antigelo). Questo sistema di circolazione è chiuso. Quando esposti al sole, i tubi di rame assorbono calore e il fluido termovettore antigelo al loro interno viene riscaldato. Azionato da una pompa a circolazione forzata (in alcuni sistemi a circolazione naturale, si sfrutta l'effetto termosifone), il fluido termovettore riscaldato fuoriesce dall'estremità superiore del tubo a U ed entra nello scambiatore di calore (solitamente una serpentina o una camicia) situato all'interno del serbatoio di accumulo dell'acqua. Qui, il fluido termovettore trasferisce il calore trasportato all'acqua nel serbatoio attraverso lo scambio termico. Dopo essersi raffreddato, rifluisce dall'estremità inferiore del tubo a U e viene riscaldato, formando un ciclo continuo a circuito chiuso.

Questa progettazione a "doppio circuito" (che separa il circuito di raccolta del calore dal circuito dell'acqua) è la ragione fondamentale dell'elevata affidabilità e dell'eccellente capacità antigelo del collettore a tubi a U. Non solo sfrutta la massima conservazione del calore dei tubi a vuoto, ma elimina anche completamente il rischio di congelamento e rottura delle tubazioni in inverno grazie a un circuito di lavoro antigelo chiuso.

Ii. Scenari applicativi: Adatto a un'ampia gamma di opzioni di riscaldamento pulito

Grazie alle loro caratteristiche di elevata efficienza, resistenza alle basse temperature, funzionamento a pressione e installazione flessibile, i collettori a tubi a U hanno trovato applicazione in numerosi campi.

1. Acqua calda e riscaldamento in zone fredde e ad alta quota:

Questo è il campo di applicazione più competitivo per i collettori a tubi a U. Nelle regioni con inverni freddi come la Cina nord-orientale, la Cina nord-occidentale, l'Europa settentrionale e il Canada, le sue eccezionali prestazioni antigelo lo rendono una delle soluzioni di utilizzo solare termico più affidabili, in grado di fornire acqua calda sanitaria tutto l'anno e fonti di calore ausiliarie per il riscaldamento a pavimento in inverno per case unifamiliari, villette a schiera e persino piccole comunità.

2. Sistema solare integrato nell'edificio (BIPV/T)

I collettori a tubi a U, in particolare quelli combinati con collettori piani, hanno maggiori probabilità di integrarsi con la facciata dell'edificio. Possono essere utilizzati come ringhiere per balconi, pannelli pensili per pareti esterne o componenti per tetti, garantendo un'unità di funzionalità ed estetica. Le sue caratteristiche di funzionamento in pressione garantiscono una perfetta compatibilità con la rete idrica urbana, offrendo un'esperienza di doccia con acqua a pressione potente, non diversa da quella dei tradizionali scaldabagni a gas o elettrici.

3. Riscaldamento su larga scala per strutture commerciali e pubbliche:

Hotel, scuole, ospedali e piscine: questi luoghi hanno una domanda elevata e costante di acqua calda. Installando decine o addirittura centinaia di collettori solari a tubi a U in sistemi modulari, è possibile realizzare impianti di riscaldamento centralizzati solari su larga scala, riducendo significativamente i costi energetici delle attività commerciali.

Dormitori per dipendenti e case di cura: per luoghi di vita collettiva con una richiesta continua e stabile di acqua calda, il sistema di tubazioni a U offre una soluzione di acqua calda sicura e automatizzata.

4. Calore di processo industriale e agricolo (riscaldamento di processo)

Nei processi industriali, come la lavorazione alimentare, la produzione della birra e l'industria tessile, che richiedono acqua calda a bassa temperatura (40°C - 80°C), i sistemi solari a tubi a U possono fungere da efficaci dispositivi di preriscaldamento o riscaldamento diretto, riducendo il consumo di energia fossile e abbassando le emissioni di carbonio.

In campo agricolo può essere utilizzato come riscaldamento supplementare invernale nelle serre per creare un ambiente con temperatura adatta alla semina.

Iii. Stato di sviluppo: le principali sfide tecnologiche e di mercato coesistono

I collettori solari a tubi a U si trovano attualmente in una fase di "elevato riconoscimento tecnico ma di forte concorrenza di mercato".

La maturità tecnologica e i vantaggi prestazionali sono stati ampiamente riconosciuti: in quanto rappresentante della tecnologia di utilizzo del solare termico di seconda generazione, la sua tecnologia è già molto matura. L'efficiente "connessione a secco", l'eccezionale capacità antigelo e i vantaggi del funzionamento in pressione sono stati ampiamente riconosciuti in ambito professionale e tra gli utenti di fascia alta.

Pressione sui costi e concorrenza di mercato: la sfida principale risiede nel costo iniziale. A causa dell'integrazione di piastre metalliche assorbenti il ​​calore, tubi in rame a U e processi di saldatura, il suo costo unitario è solitamente superiore a quello dei normali tubi a vuoto interamente in vetro. Questo lo rende meno competitivo nei mercati sensibili al prezzo. Allo stesso tempo, si trova ad affrontare una doppia concorrenza: quella dei tubi a vuoto tradizionali e dei collettori piani ad alta efficienza.

Compressione intersettoriale del fotovoltaico: proprio come l'intero settore del solare termico, anche il sistema a tubi a U è stato influenzato dal continuo calo dei costi di produzione di energia fotovoltaica. In alcuni scenari in cui è necessaria solo acqua calda di bassa qualità, il modello "fotovoltaico + caldaia elettrica" ​​ha la meglio grazie alla sua semplicità di installazione e all'investimento iniziale apparentemente inferiore.

Il posizionamento di mercato è chiaro, ma sono necessarie formazione e divulgazione: attualmente, i collettori a tubi a U sono spesso posizionati come soluzioni "di fascia alta" e "ad alte prestazioni", rivolte principalmente a utenti con esigenze specifiche (come il riscaldamento nelle regioni fredde e l'integrazione negli edifici). Il mercato necessita ancora di formazione continua per consentire a un maggior numero di consumatori di comprendere i vantaggi in termini di costo del ciclo di vita offerti dalla loro affidabilità a lungo termine.

Iv. Prospettive di sviluppo: il futuro dell'integrazione guidata dall'innovazione con il sistema

Di fronte alle sfide, lo sviluppo futuro dei collettori solari a tubi a U si concentrerà sul superamento dei limiti prestazionali, sull'intelligenza del sistema e sull'ampliamento dei campi di applicazione.

Innovazione continua nei materiali e nei processi

Aggiornamento della tecnologia di rivestimento: sviluppare rivestimenti ad assorbimento selettivo con tassi di assorbimento più elevati e minore emissività, e migliorarne la stabilità alle alte temperature per prolungare la durata utile e migliorare l'efficienza.

Ottimizzazione delle piastre di assorbimento del calore: esplorare soluzioni più efficienti per la progettazione di strutture alettate per le piastre di assorbimento del calore (come strutture ondulate o saldate al laser) per massimizzare l'area di conduzione del calore e l'efficienza. Anche l'adozione di materiali più leggeri con una migliore conduttività termica è una delle possibili direzioni.

Esplorazione dei campi di applicazione a media temperatura

Ottimizzando la progettazione del sistema e la formula del fluido di lavoro, il collettore a tubi a U può produrre stabilmente energia termica a media temperatura, compresa tra 120 °C e 150 °C. Ciò aprirà le porte a un'ampia gamma di applicazioni industriali, come l'essiccazione industriale e il pretrattamento a vapore, con un enorme potenziale di mercato.

Integrazione profonda nel sistema energetico intelligente

In futuro, il sistema a tubi a U non sarà più un dispositivo di riscaldamento isolato. Integrando sensori IoT e algoritmi di controllo intelligenti, diventerà parte integrante del sistema di gestione energetica di case/edifici intelligenti. Il sistema può regolare in modo intelligente l'avvio, l'arresto e la velocità della pompa di circolazione in base alle previsioni meteorologiche, alle abitudini degli utenti e ai prezzi dell'elettricità nelle fasce orarie di punta e di fascia bassa della rete elettrica, ottimizzando economicamente l'utilizzo dell'energia e integrandosi con fonti energetiche complementari come pompe di calore e caldaie a gas.

Potenziali scorte di sistemi solari ibridi (PV-T):

La struttura a tubi a U è particolarmente adatta allo sviluppo di moduli solari fotovoltaici e termici integrati (PV-T). Le celle fotovoltaiche possono essere laminate direttamente su piastre metalliche termoassorbenti. I tubi a U possono dissipare efficacemente il calore di scarto generato dalle celle durante la generazione di elettricità. Ciò non solo riduce la temperatura dei moduli fotovoltaici (aumentando l'efficienza della generazione di energia), ma consente anche di ottenere energia termica gratuita, massimizzando l'utilizzo dell'energia solare per unità di superficie. Rappresenta una delle soluzioni definitive al problema dello spazio limitato sui tetti.

Guidato dalle politiche e dalla standardizzazione

Con l'avanzare dell'obiettivo globale della neutralità carbonica, i requisiti per il risparmio energetico negli edifici e l'impiego di energie rinnovabili in diversi Paesi diventeranno sempre più rigorosi. In quanto tecnologia matura ed efficiente per la riduzione delle emissioni, si prevede che i collettori a tubi a U saranno raccomandati in un numero maggiore di standard di "edilizia verde" e di politiche di installazione obbligatorie. Nel frattempo, la modularizzazione e la standardizzazione dei prodotti contribuiranno a ridurre i costi di produzione e installazione e ad aumentare la competitività sul mercato.

Conclusione

I collettori solari a tubi a U, con il loro raffinato design ingegneristico e gli indiscutibili vantaggi in termini di prestazioni, occupano saldamente la nicchia di mercato ad alte prestazioni e alta affidabilità nell'ambito delle tecnologie di utilizzo del solare termico. Non sono solo uno strumento potente per affrontare il freddo intenso, ma anche un elegante supporto che integra l'estetica architettonica con l'energia pulita. Nonostante le sfide di costo e di mercato, hanno dimostrato una forte resilienza tecnologica e ampie prospettive di sviluppo attraverso la continua evoluzione in settori all'avanguardia come le applicazioni industriali a media temperatura, la gestione intelligente dell'energia e la generazione di energia termofotovoltaica combinata. Nel contesto della transizione energetica globale, i collettori solari a tubi a U continueranno a contribuire in modo indispensabile alla costruzione di una società futura sostenibile e a basse emissioni di carbonio, grazie alle loro prestazioni stabili ed efficienti.