Collettore solare a tubi di calore: una nuova soluzione energetica termica efficiente e affidabile

Nel contesto della transizione energetica globale e degli obiettivi di "doppio carbonio", la tecnologia di utilizzo del solare termico sta svolgendo un ruolo sempre più importante. Tra le numerose tecnologie di accumulo solare termico, il collettore solare a tubi di calore si distingue per il suo principio di funzionamento unico e le prestazioni eccezionali, diventando la soluzione preferita in campi a media e alta temperatura e in ambienti difficili. Non solo rappresenta l'eccellenza della tecnologia di utilizzo del solare termico, ma fornisce anche energia termica pulita e stabile per utenze industriali, commerciali e domestiche, grazie alle sue caratteristiche di elevata efficienza, affidabilità e lunga durata.

I. Cos'è un collettore solare Heat Pipe?

Un collettore solare a tubi di calore (heat pipe) è un dispositivo di raccolta del calore solare che utilizza i "tubi di calore", un elemento conduttore di calore ad alta efficienza, come componente principale per il trasferimento del calore. Per comprenderne la superiorità, è necessario innanzitutto conoscerne il cuore: il tubo di calore.

1. Principio di funzionamento dei tubi di calore:

Un tubo di calore è un tubo metallico sigillato (solitamente un tubo di rame) che è stato evacuato sotto vuoto. La sua parete interna è ricoperta da materiale poroso capillare (nucleo assorbente di liquidi) e riempita con una piccola quantità di mezzo di lavoro volatile (come acqua, metanolo, acetone, ecc.).

Il suo processo di lavoro può essere semplificato in quattro fasi: 

Evaporazione endotermica: un'estremità del tubo di calore (la sezione di evaporazione) viene riscaldata dalla radiazione solare e il mezzo di lavoro liquido all'interno del tubo assorbe calore ed evapora rapidamente trasformandosi in vapore. 

Flusso di vapore: a causa dell'aumento di pressione nella sezione di evaporazione, il vapore scorre ad alta velocità verso l'altra estremità del tubo di calore (sezione di condensazione) con una leggera differenza di pressione. 

Condensazione esotermica: il vapore incontra il mezzo di raffreddamento (acqua o antigelo) del collettore nella sezione di condensazione più fredda, rilasciando il calore latente di vaporizzazione e ricondensando in un liquido. 

Riflusso del liquido: il mezzo di lavoro liquido condensato rifluisce automaticamente nella sezione di evaporazione sotto l'azione capillare del nucleo di aspirazione, completando un ciclo. 

Questo processo si ripete senza bisogno di energia esterna. Alimentato esclusivamente dall'energia solare, può "trasferire" efficacemente il calore dall'estremità di raccolta a quella di scambio termico. La sua efficienza di trasferimento del calore è estremamente elevata, con un coefficiente di conduttività termica equivalente decine di migliaia di volte superiore a quello di metalli come argento e rame, che gli è valso il titolo di "superconduttore termico".

2. La struttura complessiva del collettore:

Un collettore completo di tubi sottovuoto a tubi di calore è costituito dalle seguenti parti: 

Tubo di vetro sottovuoto: protegge il tubo di calore interno e isola la perdita di calore convettiva e conduttiva attraverso lo strato di vuoto, proprio come un grande "rivestimento per pallone". 

Tubo di calore: elemento centrale di trasferimento del calore, con la sua sezione di evaporazione inserita in un tubo a vuoto per ricevere l'energia solare. 

Piastra/aletta di assorbimento del calore: fissata alla sezione di evaporazione del tubo di calore, viene utilizzata per massimizzare l'assorbimento della radiazione solare e trasferirla al tubo di calore. 

Scatola di raccolta/tubo di raccolta del calore: un tubo metallico con canali di flusso al suo interno, in cui è inserita la sezione di condensazione del tubo di raccolta del calore. Quando l'acqua fredda scorre attraverso il collettore, scambia calore con la sezione di condensazione e si riscalda prima di fuoriuscire. 

Strato isolante e guscio: proteggono la struttura interna e riducono la dispersione di calore.

Ii. Vantaggi principali dei collettori solari a tubi di calore

Rispetto ai tradizionali collettori piani o ai collettori a tubi sottovuoto interamente in vetro, la tecnologia heat pipe offre vantaggi rivoluzionari:

1. Eccellente resistenza al gelo e prestazioni a prova di esplosione:

Questo è il vantaggio più importante del collettore a tubi di calore. Il fluido termovettore nel serbatoio di accumulo è indipendente e sigillato, completamente separato dall'acqua di sistema che scorre attraverso il serbatoio di accumulo. Anche in condizioni di freddo estremo, il fluido termovettore del tubo di calore all'interno del tubo a vuoto non si congela, né causa la rottura del tubo di raccolta del calore a causa della formazione di ghiaccio. Ciò consente un funzionamento stabile durante tutto l'anno ad alte latitudini e nelle regioni fredde, senza preoccuparsi del congelamento dei tubi in inverno.

2. Alta efficienza termica e bassa perdita di calore:

I tubi di vetro sottovuoto sopprimono efficacemente le perdite di calore per convezione e conduzione. Durante il processo di cambiamento di fase del mezzo di lavoro del tubo di calore, viene trasferito un enorme calore latente di vaporizzazione, con conseguente efficienza di trasferimento termico estremamente elevata. Allo stesso tempo, anche in condizioni di luce solare debole o diffusa, presenta una bassa temperatura di avvio, una rapida velocità di risposta, può iniziare a funzionare rapidamente e può funzionare per un periodo di tempo più lungo durante il giorno.

3. Funzionamento stabile e affidabile, manutenzione semplice 

Funzionamento pressurizzato: l'acqua del sistema scorre nel serbatoio di raccolta in metallo, che può resistere all'elevata pressione dell'acqua del rubinetto o del sistema, con una forte portata d'acqua e una buona compatibilità con il sistema di approvvigionamento idrico dell'edificio. 

Design a "isolamento termico": un singolo tubo a vuoto è collegato alla scatola di testa tramite un anello di tenuta elastico. Se un tubo a vuoto è danneggiato, può essere sostituito semplicemente ruotandolo ed estraendolo separatamente. L'acqua nel sistema non perde e gli altri tubi di raccolta del calore possono continuare a funzionare. La manutenzione è estremamente comoda e non influisce sul funzionamento generale del sistema. 

Resistenza del tubo di calore all'esposizione all'aria: il tubo di calore è dotato di una funzione di autoregolazione della temperatura. Quando la temperatura nella sezione di condensazione è troppo elevata, l'efficienza di trasferimento del calore diminuisce, evitando il problema del degrado delle prestazioni causato dall'esposizione prolungata all'aria.

4. Installazione flessibile e facile integrazione con gli edifici

Il collettore è separato dal serbatoio di accumulo dell'acqua e la posizione di installazione non è limitata. Il collettore può essere installato sul tetto, sulla facciata di un balcone, sulla tenda da sole dell'edificio, ecc. Il serbatoio di accumulo dell'acqua può essere posizionato nel locale tecnico interno, il che migliora notevolmente la flessibilità e l'estetica del design integrato con l'edificio.

Iii. Principali scenari applicativi

L'ambito di applicazione dei collettori solari a tubi di calore è estremamente ampio e comprende vari settori, dall'acqua calda sanitaria al preriscaldamento industriale.

1. Sistemi di acqua calda sanitaria domestici e commerciali

Questa è l'applicazione più fondamentale e anche la più diffusa. Fornisce acqua calda sanitaria stabile e a basso costo per ville, comunità residenziali, hotel, scuole, ospedali, piscine e altri luoghi. La sua resistenza al gelo è particolarmente adatta per progetti di acqua calda centralizzata nelle fredde regioni settentrionali.

2. Sistema di riscaldamento solare

In combinazione con il riscaldamento a pavimento, i ventilconvettori e altri sistemi terminali, fornisce il riscaldamento invernale degli edifici. In combinazione con la tecnologia di accumulo termico interstagionale, può ridurre significativamente il consumo di energia fossile in inverno ed è una delle tecnologie chiave per raggiungere l'obiettivo di un consumo energetico prossimo allo zero negli edifici.

3. Riscaldamento di processo industriale

Molti processi industriali (come la lavorazione alimentare, la stampa e la tintura tessile, la galvanica, la macellazione, l'ingegneria chimica, ecc.) richiedono grandi quantità di acqua calda o vapore a temperature medie e basse (60-150 °C). I collettori a tubi di calore (heat pipe) possono fornire efficacemente questa parte di fonti di calore pulite, sostituendo le caldaie a gas o elettriche e aiutando le aziende a ridurre le emissioni di carbonio e i costi operativi.

4. Applicazioni agricole:

Viene utilizzato per la conservazione del calore e il riscaldamento nelle serre, per mantenere una temperatura costante negli stagni di acquacoltura, per l'essiccazione dei prodotti agricoli, ecc., favorendo lo sviluppo del risparmio energetico nell'agricoltura moderna.

Iv. Prospettive e sfide del mercato

Con l'attenzione globale rivolta alle energie rinnovabili e la continua evoluzione tecnologica, le prospettive di mercato per i collettori solari a tubi di calore sono ampie. I fattori trainanti includono: 

Supporto politico: impegni di riduzione delle emissioni di carbonio e politiche di sussidi per l'edilizia ecologica dei governi di tutto il mondo. 

Sicurezza energetica: ridurre la dipendenza dai combustibili fossili tradizionali. 

Efficienza economica: nonostante l'investimento iniziale relativamente elevato, il ritorno sull'investimento nel corso del suo ciclo di vita di 15-20 anni è molto considerevole. 

Allo stesso tempo, deve anche affrontare alcune sfide 

Costo iniziale: rispetto ai collettori tradizionali, il costo di produzione è ancora relativamente elevato. 

Consapevolezza del mercato: è necessario diffondere ulteriormente i suoi vantaggi tecnologici e migliorarne l'accettazione da parte del mercato. 

Integrazione del sistema: è necessario integrare meglio sistemi di controllo più intelligenti, tecnologie di accumulo di energia e fonti di energia ausiliarie per fornire energia stabile 24 ore su 24.

V. Conclusione

I collettori solari a tubi di calore, con i loro intrinseci vantaggi basati sui principi fisici, hanno risolto molti dei punti deboli dei collettori solari tradizionali in termini di resistenza al gelo, resistenza alla pressione, manutenzione e sicurezza. Non si tratta di un semplice scaldacqua, ma di un'unità solare termica modulare, altamente efficiente e affidabile. Che si tratti di riscaldare le famiglie o di immettere energia verde nelle fabbriche, ha dimostrato una forte adattabilità e vitalità. 

Nell'attuale ricerca di sviluppo sostenibile e indipendenza energetica, scegliere una soluzione di collettori solari a tubi di calore significa scegliere un modo orientato al futuro, intelligente e affidabile per utilizzare l'energia verde. È destinato a diventare un elemento indispensabile e cruciale per la costruzione di un futuro sistema energetico intelligente e il raggiungimento dell'obiettivo della neutralità carbonica.