U字管真空管ソーラーコレクター：効率的な圧力支持エンジニアリング温水ソリューション

太陽熱利用分野において、真空管技術は優れた熱性能と幅広い応用により広く利用されています。中でも、真空管式太陽熱集熱器のハイエンド製品であるU字管式真空管集熱器は、真空管の効率的な集熱と平板システムの耐圧動作の利点を完璧に融合させており、大規模・中規模の太陽熱温水プロジェクトにおいて重要な選択肢となっています。本稿では、この技術の原理、特徴、そしてエンジニアリングへの応用価値について詳しく解説します。

 

I. 動作原理とシステム構造

U字型真空管コレクターは、独自の「U字型」金属管設計を採用しています。そのコア構造は以下のとおりです。

 

真空管アセンブリ 

1. 外管：高ホウケイ酸ガラス管、高い光透過率（≥91％）を確保 

2. 内管：同じくガラス製で、表面に選択吸収コーティング（α≥0.93）が施されている 

3.真空層：内管と外管の間の真空度は10⁻³Paに達し、対流と伝導による熱損失を効果的に抑制します。 

U字型金属熱交換管 

1. 紫色の銅管をU字型に曲げて真空管の内部に通す 

2. 表面には酸化防止処理が施されており、長期的な熱安定性を確保します。 

3.内部循環式凍結防止作動媒体（プロピレングリコール溶液など） 

コレクターシステム 

1. 複数のU字型真空管を並列に接続してコレクターアレイを形成する 

2. 各U字型チューブをヘッダーに通して完全な循環ループを形成する 

3.構造安定性を確保するためにアルミプロファイルブラケットを装備

 

作業プロセス:太陽光 → 外側のガラス管を透過 → 吸収コーティングで捕捉 → 熱エネルギー → 放射によりU字管のフィンに伝達 → U字管内の作動媒体に伝導 → 加熱された作動媒体は循環ポンプによって水槽熱交換器に搬送されます。

 

II. 5つのコアとなる利点

1. 耐圧運転能力 

全金属流路設計により、作動圧力は0.6～1.0MPaに達することができます。 

建物の給水ネットワークに直接接続でき、出水圧力が安定しています。 

エンジニアリングアプリケーションの要件を満たすために、複数のポイントで同時に給水をサポートします。 

2. 高効率な集熱性能

真空断熱により、熱損失が最小限に抑えられ、熱収集効率曲線が平坦になります。 

日光や気温が低い環境でも良好な性能を維持できます 

冬季の効率は平板型集熱器よりも大幅に高い

3. 優れた耐凍結性 

真空管自体には水分が溜まらないため、凍結の危険性は完全に排除されます。

不凍液作動媒体の凝固点は-35℃以下まで低下する可能性がある。

特に寒冷地での使用に適しています

4. モジュラー設計

各パイプは独立して動作し、局所的な障害がシステムの動作に影響を与えない

ホットスワップ交換をサポートし、メンテナンスが簡単かつ便利になります

熱収集エリアは需要に応じて柔軟に拡張可能

5. 直射日光に対する耐性

真空管は優れた耐高温性を備えており、400℃を超える太陽光への曝露にも耐えることができます。

パイプ破裂の危険がなく、安全性と信頼性が高い

iii. 技術的パラメータとパフォーマンス指標

標準的な性能パラメータ（単管∅58×1800mm）:

受光面積：0.12m²/個

作業媒体容量: チューブあたり0.15～0.2L

動作温度：-30℃～150℃

瞬間効率：η=0.75-0.05×(Δt/G)（Δtは温度差、Gは放射照度）

熱損失係数: ≤1.5W/m²K

システム構成の提案

水タンクの容量は、集熱面積1平方メートルあたり60～80リットルである必要があります。

不凍液作動媒体の濃度は、局所的な最低周囲温度に基づいて決定される。

循環ポンプの揚程はシステム抵抗と標高差を考慮する必要がある

 

IV. エンジニアリングアプリケーションソリューション

1. 大中規模の給湯プロジェクト

ホテル・ゲストハウスシステム：集熱面積200～500平方メートル、30～100トンの断熱水タンクを装備

学校病院システム：時間給水と一定温度制御戦略を採用

スイミングプールシステム：水温を26～28℃に保ち、運用コストを大幅に削減します。

2. 暖房統合システム

床暖房システムと組み合わせることで、冬季の基本的な暖房を提供します。

極端な天候でも安定した暖房を確保するための補助熱源を備えています。

生活用給湯を優先し、廃熱を暖房に利用する

3. 工業用予熱用途

40～80℃のプロセス熱を必要とする産業に予熱を提供します

電気めっき、食品加工、繊維印刷・染色などの分野

投資回収期間は通常2～4年です

4. 農業用乾燥システム

作物の乾燥、漢方薬原料の乾燥など

安定した熱風を供給し、乾燥品質を向上

従来の燃料の消費量を削減し、生産コストを削減する

V. システム設計のポイント

1.傾斜角度の設計を最適化する

現地の緯度に基づいて調整する

冬季使用重視：緯度+10°-15°

通年使用可能: 現地の緯度に等しい

夏季使用に重点を置く：緯度-10°～15°

2. 過熱保護

温度差サイクルの上限を設定します（通常≦90℃）

ラジエーターや地下水冷却などの緊急対策を採用する

季節的な閉塞スキームを検討する

3. キャビテーション防止設計

システムの最も高い位置に排気装置が設置されていることを確認してください

パイプラインの設計により、エアポケットの形成を回避します

自動排気バルブを採用

4. スケーリング対策

作動媒体を軟水で準備します

pH値の変化を定期的に監視する

腐食防止剤の追加を検討する

Vi. インストールおよびメンテナンスガイド

設置仕様

後部座席が前部座席によって遮られないように、パイプ間隔は0.8メートル以上である必要があります。

基礎の耐荷重は30kg/m²以上

排気口付近への設置は避けてください

メンテナンス要件

作業媒体の濃度とpH値を毎年チェックしてください

真空管の表面を四半期ごとに清掃する

循環ポンプの運転状態を毎月確認する

一般的な障害処理

効率低下：真空管の真空度を確認し、故障した真空管を交換する

漏れ：シールリングの老朽化した部分を見つけ、シール部品を交換します

循環不良：ガスを排出し、ポンプの動作を確認してください

 

Vii. 経済分析

投資構成（1000m²のプロジェクトを例に挙げると）：

コレクターシステム: 45%-50%

蓄熱システム：25％～30％

制御システム: 10%-15%

設置プロジェクト：10％～15％

収益分析

コレクター1平方メートルあたりの年間エネルギー節約量：350～550kWh

 回収期間: 3～6年（地域のエネルギー価格によって異なります）

生涯にわたる収益：初期投資の3～8倍

Viii. 従来の真空管コレクターとの比較

U字管コレクターは、従来の全ガラス真空管を採用しています。 

耐圧性能：耐圧運転（0.6～1.0MPa）、非耐圧運転 

優れた耐凍結性能（作動媒体の循環）と良好（配管内の水が凍結する可能性がある） 

排水が必要な場合は、メンテナンス用の単分岐管を交換できます。 

非常に効率的で安定しているが、水質の影響を受ける 

コストが比較的高いか低いか 

中規模・大規模の家庭用プロジェクトだけでなく、小規模プロジェクトにも適しています。

 

結論 

U字型真空管式ソーラーコレクターは、革新的な構造設計により、従来のソーラーコレクターの耐圧運転、システムメンテナンス、エンジニアリング適用性における限界を克服し、大規模・中規模の太陽熱温水プロジェクトに最適なソリューションとなっています。優れた熱性能、信頼性の高い運用特性、そして優れた拡張性により、ホテル、学校、工場など、温水を必要とする場所で大きなメリットを発揮します。

太陽熱利用技術の継続的な成熟とエンジニアリング経験の蓄積により、U字管型真空管集熱器はエネルギー転換において引き続き重要な役割を果たし、化石燃料消費の削減と二酸化炭素排出量の削減に向けた信頼性の高い技術的道筋を提供していくでしょう。U字管システムの選択は、単に給湯器を選ぶことではなく、信頼性、効率性、そして持続可能なエネルギーの未来への投資でもあります。