مجمعات الطاقة الشمسية على شكل أنبوب على شكل حرف U: حل عالي الكفاءة ومقاوم لدرجات الحرارة المنخفضة للتدفئة الشمسية

مجمع الطاقة الشمسية على شكل أنبوب على شكل حرف U: حل عالي الكفاءة ومقاوم لدرجات الحرارة المنخفضة للتدفئة الشمسية

بين مجموعة تقنيات استغلال الطاقة الشمسية الحرارية المتنوعة، احتلت مجمعات الطاقة الشمسية الأنبوبية على شكل حرف U مكانة بارزة بفضل تصميمها الهيكلي الفريد، واستقرارها التشغيلي المتميز، ومقاومتها الممتازة لدرجات الحرارة المنخفضة. فهي تدمج ببراعة كفاءة ألواح تجميع الحرارة المعدنية مع أداء عزل الأنابيب المفرغة، مما يجعلها خيارًا مثاليًا للتعامل مع المناخات الباردة والبحث عن حلول عالية الأداء. ستتناول هذه المقالة بعمق مبدأ عمل مجمعات الطاقة الشمسية الأنبوبية على شكل حرف U، وتستكشف بشكل شامل سيناريوهات تطبيقها الواسعة، وتُحلل بموضوعية وضعها السوقي الحالي، وتتطلع إلى مستقبلها الواعد.

المواصفات والبيانات

١) سائل الدوران في أنبوب U مغلق، لا يوجد ماء في الأنابيب المفرغة. لا يوجد تآكل، لا تسريب، لا تكلس، ولا أنابيب عرضية.

2) بفضل زعانف الألومنيوم التي تنقل الطاقة الحرارية بفعالية، تحصل مجمعات الأنابيب على درجة حرارة أعلى في وقت قصير

3) يمكن تشغيل النظام تحت الضغط، ومجهز بالكامل بمسار نحاسي أحمر معدني، ومقاوم للتآكل، ولا يوجد تسرب، وعمر خدمة طويل 

4) تقنية جديدة للكشف عن التسرب بثلاثة مستويات لضمان التشغيل الموثوق للنظام 

5) مواصفات الحجم المرنة، والتصميم الأمثل، يمكن أن تلبي متطلبات الطاقة الشمسية وتكامل المباني

1. مبدأ العمل: الهندسة الرائعة لالتقاط الطاقة ونقلها

مجمع الطاقة الشمسية على شكل أنبوب على شكل حرف U هو منتج جديد وموفر للطاقة من شركتنا. هذا الأنبوب على شكل حرف U مُحاط بزعانف نقل حرارة من الألومنيوم داخل أنبوب مفرغ، ينقل الحرارة من الأنبوب الداخلي إلى الأنبوب. يُسخّن السائل (عادةً خليط من الجليكول والماء) في الأنبوب المعدني على شكل حرف U، وينقل الطاقة الحرارية إلى الماء داخل خزان التخزين أو المبادل الحراري أو الملفات النحاسية الحلزونية الداخلية.

إن المفهوم الأساسي لتصميم مجمعات الطاقة الشمسية على شكل أنبوب على شكل حرف U هو "التوصيل الجاف" و"نقل الحرارة بكفاءة"، وينبع أداؤها المتميز من التشغيل المنسق للعديد من المكونات الرئيسية.

1. الأنابيب المفرغة والطلاءات الامتصاصية الانتقائية:

خط الدفاع الأول ومحركات الطاقة: على غرار الأنابيب المفرغة الزجاجية بالكامل، يتكون السطح الخارجي لمجمعات الأنابيب على شكل حرف U من أنبوب مفرغ زجاجي مزدوج الطبقة واحد أو أكثر. يُطلى الجدار الخارجي للأنبوب الزجاجي الداخلي بطبقة امتصاص انتقائية متطورة (عادةً ما تكون زرقاء أو سوداء). تُمثل هذه الطبقة "محرك الطاقة" للنظام، وهي مسؤولة عن امتصاص الإشعاع الشمسي إلى أقصى حد (معدل الامتصاص α ≥ 0.93) وتحويله إلى طاقة حرارية، مع الحدّ من فقدان الإشعاع الحراري الخاص بها بقوة (معدل الانبعاث ε ≤ 0.06). تُشكل الطبقة الخارجية المفرغة (بضغط أقل من 10⁻³ باسكال) طبقة عزل ممتازة. ومن خلال العزل التام للحمل الحراري والتوصيل، تضمن هذه الطبقة عدم تسرب الحرارة إلى الخارج، مما يُمكّن المجمع من الحفاظ على حالة عمل عالية الحرارة حتى في البيئات الباردة.

2. ألواح معدنية لامتصاص الحرارة وأنابيب نحاسية على شكل حرف U: المبادل الحراري الأساسي

هذا هو الفرق الجوهري بين مجمعات أنابيب التفريغ على شكل حرف U وأنابيب التفريغ الزجاجية العادية. داخل أنبوب التفريغ، بدلاً من تسخين تدفق الماء مباشرةً، تُدمج صفيحة معدنية (عادةً من الألومنيوم أو النحاس) تمتص الحرارة. تُربط هذه الصفيحة بإحكام بأنبوب نحاسي عالي التوصيل مُثني على شكل حرف U من خلال عمليات لحام أو ضغط دقيقة. عندما يمتص الطلاء الطاقة الشمسية ويحولها إلى طاقة حرارية، تنتقل الحرارة بسرعة إلى الصفيحة المعدنية الممتصة للحرارة، ثم إلى أنبوب النحاس على شكل حرف U المتصل به بإحكام.

3. دوران وسط نقل الحرارة: ناقل طاقة مغلق

الماء المتدفق في أنبوب النحاس على شكل حرف U ليس ماء صنبور مستخدمًا مباشرةً، بل وسط نقل حرارة خاص مضاد للتجمد (عادةً ما يكون مزيجًا من البروبيلين جليكول والماء كمضاد للتجمد). نظام الدوران هذا مغلق. عند تعرض الأنابيب النحاسية لأشعة الشمس، تمتص الحرارة ويتم تسخين وسط العمل المضاد للتجمد بداخلها. يعمل بمضخة دوران قسرية (في بعض أنظمة الدوران الطبيعي، يعتمد على تأثير السيفون الحراري)، ويتدفق وسط العمل الساخن من الطرف العلوي لأنبوب حرف U ويدخل المبادل الحراري (عادةً ما يكون ملفًا أو غلافًا) الموجود داخل خزان تخزين المياه. هنا، ينقل وسط العمل الحراري الحرارة التي يحملها إلى الماء في خزان المياه من خلال التبادل الحراري. بعد تبريده، يتدفق مرة أخرى من الطرف السفلي للأنبوب على شكل حرف U ويُعاد تسخينه، مشكلاً دورة حلقة مغلقة مستمرة.

هذا التصميم "ثنائي الحلقة" (الذي يفصل دائرة تجميع الحرارة عن دائرة الماء) هو السبب الرئيسي للموثوقية العالية والقدرة الممتازة على مقاومة التجمد لمجمع الأنبوب على شكل حرف U. فهو لا يستفيد فقط من الحفاظ على الحرارة بشكل مثالي للأنابيب المفرغة، بل يُلغي تمامًا خطر تجمد الأنابيب وانفجارها في الشتاء من خلال دائرة عمل مغلقة مضادة للتجمد.

ثانيًا: سيناريوهات التطبيق: مناسب لمجموعة واسعة من خيارات التدفئة النظيفة

بفضل ميزاتها المتمثلة في الكفاءة العالية ومقاومة درجات الحرارة المنخفضة والتشغيل الذي يتحمل الضغط والتركيب المرن، وجدت مجمعات الأنابيب على شكل حرف U تطبيقاتها في العديد من المجالات.

1. الماء الساخن والتدفئة في المناطق الباردة والمرتفعة:

هذا هو مجال التطبيق الأكثر تنافسية لجامعي الأنابيب U. في مناطق الشتاء الباردة مثل شمال شرق الصين، وشمال غرب الصين، وشمال أوروبا، وكندا، فإن أداءها المتميز في مقاومة التجمد يجعلها واحدة من حلول الاستخدام الحراري للطاقة الشمسية الأكثر موثوقية، فهي قادرة على توفير الماء الساخن المنزلي على مدار العام ومصادر الحرارة المساعدة للتدفئة الأرضية في الشتاء لمنازل الأسرة الواحدة والمنازل المستقلة وحتى المجتمعات الصغيرة.

2. نظام الطاقة الشمسية المتكامل مع المباني (BIPV/T)

تتميز مجمعات المياه الأنبوبية على شكل حرف U، وخاصةً تلك المدمجة مع المجمعات ذات الألواح المسطحة، بقدرتها على التكامل مع واجهات المباني. ويمكن استخدامها كسور للشرفات، أو كلوحة جدارية خارجية، أو كعنصر في أسقف المباني، مما يحقق التكامل بين الوظيفة والجمال. تضمن خصائص تشغيلها التي تتحمل الضغط توافقًا مثاليًا مع شبكة إمدادات المياه الحضرية، مما يوفر تجربة استحمام قوية بضغط الماء، لا تختلف عن تجربة سخانات المياه التقليدية التي تعمل بالغاز أو الكهرباء.

3. التدفئة واسعة النطاق للمرافق التجارية والعامة:

الفنادق والمدارس والمستشفيات والمسابح: تشهد هذه الأماكن طلبًا كبيرًا ومستمرًا على الماء الساخن. بتركيب عشرات، بل مئات، من مجمعات المياه الأنبوبية على شكل حرف U في مجموعات معيارية، يمكن بناء أنظمة تدفئة مركزية شمسية واسعة النطاق، مما يُقلل بشكل كبير من تكاليف الطاقة في العمليات التجارية.

مساكن الموظفين ودور رعاية المسنين: بالنسبة لأماكن المعيشة الجماعية ذات الطلب المستمر والمستقر على الماء الساخن، يوفر نظام الأنابيب على شكل حرف U حلاً آمنًا وآليًا للمياه الساخنة.

4. تسخين العمليات الصناعية والزراعية (تسخين العمليات)

في العمليات الصناعية مثل معالجة الأغذية والتخمير والمنسوجات التي تتطلب مياه ساخنة منخفضة الحرارة (40 درجة مئوية - 80 درجة مئوية)، يمكن أن تعمل أنظمة الطاقة الشمسية الأنبوبية على شكل حرف U كأجهزة فعالة للتسخين المسبق أو التسخين المباشر، مما يقلل من استهلاك الطاقة الأحفورية وخفض انبعاثات الكربون.

وفي المجال الزراعي يمكن استخدامه للتدفئة التكميلية الشتوية في البيوت المحمية لخلق بيئة درجة حرارة مناسبة للزراعة.

ثالثًا: حالة التطوير: تتعايش تحديات التكنولوجيا والسوق الرائدة

إن مجمعات الطاقة الشمسية على شكل أنبوب على شكل حرف U تمر حاليًا بمرحلة "الاعتراف التقني العالي ولكن المنافسة الشرسة في السوق".

حظيت مزايا النضج التكنولوجي والأداء بتقدير واسع: فبصفتها ممثلةً لتكنولوجيا الجيل الثاني من الطاقة الشمسية الحرارية، تتمتع هذه التقنية بنضج كبير. وقد حظيت كفاءة "التوصيل الجاف" وقدرتها الممتازة على مقاومة التجمد ومزايا التشغيل التي تتحمل الضغط بتقدير واسع في المجالات المهنية وبين فئات المستخدمين الراقية.

ضغط التكلفة ومنافسة السوق: يكمن التحدي الرئيسي في التكلفة الأولية. فنظرًا لدمج ألواح امتصاص الحرارة المعدنية، وأنابيب النحاس على شكل حرف U، وعمليات اللحام، فإن تكلفة الوحدة عادةً ما تكون أعلى من تكلفة الأنابيب المفرغة الزجاجية العادية. هذا يجعلها أقل تنافسية في الأسواق الحساسة للسعر. في الوقت نفسه، تواجه منافسة مزدوجة من الأنابيب المفرغة التقليدية ومجمعات الألواح المسطحة عالية الكفاءة.

الضغط على مختلف القطاعات من الطاقة الكهروضوئية: كما هو الحال مع قطاع الطاقة الشمسية الحرارية بأكمله، تأثر نظام الأنابيب على شكل حرف U بالانخفاض المستمر في تكلفة توليد الطاقة الكهروضوئية. في بعض الحالات التي لا تتطلب سوى الماء الساخن منخفض الجودة، يكون نموذج "الطاقة الكهروضوئية + الغلاية الكهربائية" هو الأوفر حظًا نظرًا لسهولة تركيبه وانخفاض تكلفة الاستثمار الأولي.

وضع السوق واضح، لكن التثقيف والتوعية ضروريان: حاليًا، تُصنّف مجمعات الأنابيب على شكل حرف U غالبًا كحلول "راقية" و"عالية الأداء"، وتستهدف بشكل رئيسي المستخدمين ذوي الاحتياجات الخاصة (مثل التدفئة في المناطق الباردة ودمج المباني). لا يزال السوق بحاجة إلى تثقيف مستمر لتمكين المزيد من المستهلكين من فهم مزايا التكلفة على مدار دورة الحياة الكاملة التي توفرها موثوقيتها على المدى الطويل.

رابعًا: آفاق التطوير: مستقبل التكامل القائم على الابتكار مع النظام

وفي مواجهة التحديات، سوف يركز التطوير المستقبلي لمجمعات الطاقة الشمسية على شكل أنبوب على اختراق حدود الأداء وذكاء النظام وتوسيع مجالات التطبيق.

الابتكار المستمر في المواد والعمليات

ترقية تكنولوجيا الطلاء: تطوير طلاءات امتصاص انتقائية ذات معدلات امتصاص أعلى وانبعاثية أقل، وتعزيز استقرارها في درجات الحرارة العالية لإطالة عمر الخدمة وتحسين الكفاءة.

تحسين ألواح امتصاص الحرارة: استكشاف تصميمات أكثر كفاءة لهياكل زعانف ألواح امتصاص الحرارة (مثل الألواح المموجة واللحام بالليزر) لزيادة مساحة التوصيل الحراري وكفاءته. ومن بين التوجهات الأخرى استخدام مواد أخف وزنًا ذات توصيل حراري أفضل.

استكشاف مجالات تطبيق درجات الحرارة المتوسطة

من خلال تحسين تصميم النظام وتركيبة وسط العمل، يُمكن لمجمع الأنبوب على شكل حرف U إنتاج طاقة حرارية متوسطة الحرارة بثبات، تتراوح بين 120 و150 درجة مئوية. وهذا يفتح آفاقًا أوسع للتطبيقات الصناعية، مثل التجفيف الصناعي والمعالجة المسبقة بالبخار، مع إمكانات تسويقية هائلة.

التكامل العميق في نظام الطاقة الذكي

لن يكون نظام الأنابيب على شكل حرف U في المستقبل مجرد جهاز تدفئة معزول. فمن خلال دمج مستشعرات إنترنت الأشياء وخوارزميات التحكم الذكي، سيصبح جزءًا من نظام إدارة الطاقة الذكي للمنازل/المباني. يستطيع النظام ضبط بدء وإيقاف وسرعة المضخة الدائرية بذكاء بناءً على توقعات الطقس، وعادات المستخدمين، وأسعار الكهرباء في أوقات الذروة وخارجها لشبكة الكهرباء، مما يحقق الاستخدام الأمثل للطاقة اقتصاديًا، ويعمل بالتنسيق مع مصادر الطاقة التكميلية مثل مضخات الحرارة وغلايات الغاز.

المخزونات المحتملة لأنظمة الطاقة الشمسية الهجينة (PV-T):

يُعد هيكل الأنبوب على شكل حرف U مناسبًا للغاية لتطوير وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية والحرارية المتكاملة (PV-T). يمكن تغليف الخلايا الكهروضوئية مباشرةً على ألواح معدنية ماصة للحرارة. تستطيع الأنابيب على شكل حرف U امتصاص الحرارة الزائدة الناتجة عن الخلايا بكفاءة أثناء توليد الكهرباء. هذا لا يخفض درجة حرارة الوحدات الكهروضوئية (مما يعزز كفاءة توليد الطاقة) فحسب، بل يوفر أيضًا طاقة حرارية مجانية، مما يحقق أقصى استفادة من الطاقة الشمسية لكل وحدة مساحة. يُعد هذا أحد الحلول المثالية لمشكلة محدودية مساحة الأسطح.

السياسات والتوحيد القياسي

مع التقدم في تحقيق هدف الحياد الكربوني العالمي، ستزداد صرامة متطلبات ترشيد استهلاك الطاقة في المباني وتطبيق الطاقة المتجددة في مختلف البلدان. ​​وبصفتها تقنية متطورة وفعالة لخفض الانبعاثات، من المتوقع أن تُوصى بمجمعات الطاقة الشمسية على شكل أنبوب على شكل حرف U في معايير "المباني الخضراء" وسياسات التركيب الإلزامية. وفي الوقت نفسه، سيساعد تصميم المنتجات وتوحيد معاييرها على خفض تكاليف الإنتاج والتركيب، وتعزيز القدرة التنافسية في السوق.

خاتمة

بفضل تصميمها الهندسي الرائع ومزاياها المذهلة في الأداء، تتبوأ مجمعات الطاقة الشمسية على شكل أنبوب على شكل حرف U مكانةً راسخةً في سوق تقنيات استخدام الطاقة الشمسية الحرارية، لما تتميز به من أداءٍ عالٍ وموثوقيةٍ عالية. فهي ليست أداةً فعّالةً لمواجهة البرد القارس فحسب، بل هي أيضاً ناقلٌ أنيقٌ يدمج الجماليات المعمارية مع الطاقة النظيفة. ورغم تحديات التكلفة والسوق، فقد أثبتت هذه المجمعات مرونةً تكنولوجيةً قويةً وآفاقاً واسعةً للتطوير من خلال تطورها المستمر في مجالاتٍ رائدةٍ مثل التطبيقات الصناعية متوسطة الحرارة، وإدارة الطاقة الذكية، وتوليد الطاقة الكهروضوئية الحرارية المركبة. وفي ظلّ التحول العالمي في مجال الطاقة، ستواصل مجمعات الطاقة الشمسية على شكل أنبوب على شكل حرف U المساهمةَ في بناء مجتمعٍ مستقبليٍّ مستدامٍ ومنخفض الكربون، بفضل أدائها المستقرّ والفعال.