Napkollektorok - Elmélet

Napkollektorok hatásfoka: Egységnyi felületre érkező napsugárzási energiából kinyerhető hőmennyiség. Ezt alapvetően két tényező befolyásolja. Az egyik az optikailag lefedett terület, a másik pedig a már felmelegített folyadék hővesztesége. Nézzük, hogy néz ez ki a sík- és a vákuumcsöves kollektorok esetén:
A síkkollektorok bruttó felületét éri a napsugárzás, ami a szegéllyel, az abszorber és a ház közötti légrés mérettel nagyobb, mint az elnyelő felület. Ezen kívül számolni kell még a napsugárzás visszaverődéséből adódó veszteséggel. A síkkollektorokban optikailag hasznosítható napsugárzás az abszorberen nyelődik el. Síkkollektorok esetén az optikai hatásfok 70% felett van (egyes tipusoknál elérheti a 80%-ot is).

A vákuumcsöves napkollektorok abszorber felületét a belső cső falán lévő fekete bevonat napsugárzás felé néző felülete jelenti. A jobb felületkihasználás érdekében sokszor alkalmaznak a csövek mögé helyezett reflexiós lemezeket. Jelentős veszteség keletkezik a cső falán eltérülő napsugarak által. A csövek egymás mellett viszonylag nagy távolságban helyezkednek el, ebből adódóan a vákuumcsöves napkollektorok optikai hatásfoka gyártótól függően 50-70% között változó.

A hatásfokot befolyásoló másik tényező a hőveszteség. Síkkollektorok esetén hőveszteség keletkezik az üvegfelületen, illetve a ház és az abszorber felület közötti szigetelésen keresztül. Könnyen belátható, hogy alacsony környezeti és magas folyadék hőmérséklet esetén hagyományos síkkollektorokban a veszteség is nagy, míg magas környezeti hőmérséklet esetén a veszteség kicsi. Vákuum szigetelés esetén (vákuumcsöves- és vákuumos síkkollektorok) a veszteség lényegesen kisebb (légüres térben nincs hőszállító közeg). Ugyanakkora felületet lefedő sík- és vákuumcsöves napkollektorok közül nyári időszakban (elsősorban a déli órákban) a síkkollektorok hatásfoka jobb, minden más esetben a vákuumcsöves „viszi a pálmát”.

A vákuumcsöves kollektornak a jó hőhasznosítása legalább akkora problémát jelent, mint amennyi örömöt okoz. A kollektorokban keringő folyadék zárt rendszert alkot a hőcserélővel és a szállító csővezetékekkel. Ebben a zárt rendszerben a nyomás általában 4 bar. Ekkora nyomáson a fagyállóval kevert desztillált víz forráspontja 180 oC felett van.
A vákuumcsöves napkollektorok esetén sűrűn előfordul (pl. nyári szabadság idején), hogy nincs szükség már több melegre a tartályban, ezért a vezérlő rendszer leállítja a folyadék keringést a rendszerben. Ezzel egyidőben megszűnik az abszorber felületről a hőelvonás, ami nagyon gyorsan a forráspont fölé emeli a fagyállós folyadék hőmérsékletét. Jól megválasztott tágulási tartály esetén csupán annyi történik, hogy a keletkezett gőz a tágulási tartályba terjeszkedik, rosszul méretezett tágulási esetén a biztonsági szelepen át távozik a „felesleg”.
A sok felforrás megváltoztatja a fagyálló folyadék viszkozitását, ami keringtetési problémákat okoz. Emiatt célszerű a rendszerben lévő folyadékot lecserélni. A biztonsági rendszer működése szintén folyadék utánpótlást (cserét) igényel. Tehát vákuumcsöves kollektorok használata esetén célszerű a rendszert úgy tervezni, hogy biztosított legyen a folyamatos keringés (hőelvétel) a primer rendszerben.

A vákuumcsöves kollektorok eme jelentős hátrányát hivatott kiküszöbölni az u.n. drain back rendszer (9. ábra). Képzeljen el egy álló bojlert, amibe egy csőkígyós hőcserélőt építettek. A hőcserélős körben van még egy keringtető szivattyú, egy drain back tartály a mennyezethez közel elhelyezve és maga a kollektor a tetőn. Feltöltik a rendszer vízzel (!), a drain back tartály tetejéig. Amikor az automatika érzékeli, hogy a kollektor hőmérséklete megfelelő és a tartályban is melegíteni kell a vizet, akkor elindítja a keringető szivattyút, ami csökkenti a vízszintet a drain back tartályban és felnyomja azt a kollektorba, majd visszafolyik a drain back tartályba. Ha nincs szükség több fűtésre, akkor az automatika leállítja a keringtető szivattyút, a víz pedig a gravitáció hatására leeresztődik a kollektorból. Ennek a rendszernek is megvannak a hátrányai, pl. erősebb keringtető szivattyúra van szükség, fagymentes térben kell elhelyezni a drain back tartályt, folyamatos csordogáló hang hallatszik a rendszerből.

Hagyományos síkkollektorok esetén a felforrási probléma szinte sosem jelentkezik, mert a magas kollektor hőmérséklethez képest viszonylag alacsony környezeti hőmérséklet hatására akkora hőveszteség keletkezik, ami nem engedi meg a rendszer felforrását.
\r\nEzek után nem lehet egyszerűen azt mondani, hogy ez jobb mint a másik. Számos tényezőt kell megvizsgálni a tervezés során (pl. tájolás, dőlésszög, hőigény, melegvíz használat módja, biztosítható-e a folyamatos hőelvétel stb.), aminek következtében az éppen oda illőt kell választani. Nem szabad viszont elfelejteni, hogy rosszul működő rendszer esetén nem a napkollektor a rossz, hanem a telepítés silány.

Mennyire gazdaságos, mikor térül meg?
Egy rendszer akkor működik gazdaságosan, ha a kihasználási óraszáma magas (pl. használati melegvízre egész évben szükség van). A mikor térül meg kérdésre pedig a mihez képest a visszont kérdés. HMV előállítást feltételezve, pl. földgáz jelen árához viszonyítva a megtérülési idő kb. 10-12 évre tehető. Ugyanez a rendszer a nappali villamos energia jelenlegi árához viszonyítva már 3-4 év alatt megtérülhet.

Sláger téma még a fűtés rásegítés. Ezzel az a helyzet, hogy ha a fűtési rendszer nem tartalmaz alacsony hőfokú fűtésrészeket (pl. padlófűtés, falfűtés), akkor nem érdemes ilyenben gondolkodni. Ugyanis megfelelő mennyiségű hő előállításához (átmeneti és téli időszakban, amikor amúgy is kisebb a besugárzás mértéke) nagy felületeket kell befednünk. Radiátoros fűtés esetén a visszatérő víz hőmérséklete általában 40-50 oC, aminél melegebbet kell előállítani a napkollektorokkal, hogy „rásegíthessünk” a fűtésre. A padlófűtés 25-30 oC-os hőmérsékletével már lényegesen könnyebb dolgunk van. Ha viszont a jó nagy felületű rendszerünket csak az átmeneti és téli időszakban használjuk (amikor a teljes időtartam kb. 1/3-a használható ki), akkor a kihasználtsági mutató igen komoly mértékű csorbát szenved, hiszen a legnagyobb energiatartalommal bíró nyári napsugárzást veszni hagyjuk. A mutató javítására ad jó lehetőséget pl. a medence fűtése.