Alapvetően háromféle napkollektor típust különböztetünk meg: az üvegfedés nélküli abszorberek, a síkkollektorok, valamint a vákuumcsöves napkollektorok.
1. Az üvegfedés nélküli abszorberek felhasználási területe kizárólag medencék nyári fűtése, mivel ezek hővesztesége a legmagasabb, így érdemi hőtermelésre csak a nyári félévben számíthatunk. Jellemzően hőcserélő közbeiktatása nélkül, a medencevíz direkt átáramoltatásával működnek, és hűvösebb idő beálltával ezeket víztelenítik a fagyveszély miatt.
2. A síkkollektor több évtizedes gyártási múltra tekint vissza, viszonylag egyszerű szerkezeti kialakítása szinte semmit sem változott az évek során. A szolárüveg borítás alatt egy sík elnyelőfelület található, ehhez szervesen kapcsolódik a hőtovábbítást szolgáló rézcső, illetve rézcsövek. Ezeket a rézcsöveket többféle módon csatlakoztathatják az abszorberfelülethez, például sajtolás, ultrahangos hegesztés stb. A gyakorlatban kétféle belső elrendezés fordul elő: vagy 1 db hosszú, kígyózó vonalban hajlított rézcső a hőtovábbító, vagy hárfaszerű elrendezéssel több párhuzamosan futó rézcsövön keresztül történik a hő továbbítása. Az utóbbinak fő előnye, hogy az abszorberfelület átlag hőmérséklete az intenzívebb hőelszállítás miatt alacsonyabb, ezáltal kisebb mértékű a hőveszteség. Viszonylag új megoldás a vákuumos vagy nemesgáztöltésű síkkollektor, melynek kisebb a hővesztesége, hátránya viszont, hogy nagy precizitást igénylő gyártást és installálást feltételez, ráadásul a vákuum ellenőrzése időszakos karbantartást igényel, mivel a különböző anyagok közötti hermetikus lezárást csaknem lehetetlen megoldani, ezáltal az eltérő hőtágulás miatt a vákuum vagy nemesgáz idővel megszökik.
3. A vákuumcsöves kollektor több, egy sor párhuzamos átlátszó üvegcsőből áll.
Ezeknek a napkollektoroknak az alábbi fajtái ismertek:
a. Szimpla üveges vákuumcsöves kollektorok
A napkollektorok e csoportjára jellemző a 70-100 mm átmérőjű üvegcső, melynek hossza 1,2-2,5 méter. Az üvegcső belső terében helyezkedik el az abszorberlemez, amely általában egy síklemez, ritkán félköríves, az üvegcsővel koncentrikusan futó félkör keresztmetszetű. Az abszorber elnyelőfelülete, amely minden napkollektor legfontosabb „alkatrésze”, hétpecsétes titokként őrzött speciális, gyakran több rétegből álló szelektív bevonat. A fejlesztés fő iránya a minél tökéletesebb elnyelő képesség, a visszaverődő energia minimalizálásával.
A termelt hőenergia elvezetése az abszorberlemezről háromféle módon lehetséges:
1. „U” csöves (1 – üvegcső, 2 – abszorber felület, 3 – előre és visszatérő csövek)
2. koaxiális (cső a csőben) (1 – üvegcső, 2 – abszorber felület, 3 – koaxiális cső)
3. heat-pipe (1 – üvegcső, 2 – abszorber felület, 3 – a heat-pipe csöve)
| 1. | 2. | 3. |
Az üvegcső alsó vége saját anyagában beszűkül, és összeolvasztással megbízhatóan záródik. A felső csőszáj, ahol a hőenergiát továbbító cső/csövek az osztó-gyűjtő dobozba csatlakoznak, egy fémtárcsával kerül lezárásra. Itt egy speciális ragasztóanyag biztosítja az üveg-fém kapcsolatnál a vákuum megőrzését. Az eltérő hőtágulási tényezők miatt ennek a technológiának ez az „Achilles ina”, hiszen az üzemi hőmérséklet –30-tól +300°C-ig tartó intervallumban változhat, és itt a ragasztónak nem csak ragasztania kell, hanem tökéletesen tömörnek is kell lennie, a vákuum megőrzése miatt.
A precíziós gyártástechnológia miatt ezek a napkollektorok jelentik a „prémiumkategóriát”, ennek megfelelő árakkal. A technológia sajátossága, hogy üvegcső törés esetén a vákuumcső csak a szervesen összeépített hőtovábbító alkatrészekkel együtt cserélhető.
b. Ikerüveges vákuumcsöves kollektorok
1. Szimmetrikus (Sydney) típus
Ez a típuscsalád az igazi kínai „specialitás”, az ott gyártott vákuumcsöves napkollektorok több mint 99%-a ezen a technológián alapul.
Leggyakoribb az 1,8 méter hosszúságú, 58 mm-es külső, és 47 mm-es belső üvegcső átmérővel rendelkező vákuumcső, melynek a falvastagsága 1,5-1,8 mm. Ez alig fele a síkkollektoroknál megszokott 3,6 - 4,0 mm-es szolárüveg borításnak, de a kör keresztmetszet meglepően nagy szilárdságot biztosít, gondoljunk csak az építészetben használatos boltívre, vagy a katonai rohamsisakra. Hogy ez mennyire nem elméleti fejtegetés, azt 2007 tavaszán a kecskeméti napkollektor tulajdonosok saját „bőrükön”, és napkollektoraikon megtapasztalhatták. Sokak számára okozott meglepetést, hogy a totálkárosra vert autók mellett a vákuumcsöves kollektorok egyes típusai sértetlenek maradtak.
Felépítése alapján legközelebbi rokona a „közönséges” termosz, csak ebben az esetben a belső üvegcső külső felülete abszorber bevonattal lesz ellátva, természetesen 360 fokban, körkörösen. Ebből adódik az egyik nagy előnye, hogy ha egy darab vákuumcsövet teszünk ki a napra (függőleges pozicionálással), akkor napszaktól függetlenül mindig azonos méretű abszorberfelület fog „napozni”. Természetesen, ha több csőből álló napkollektort „napoztatunk”, akkor a csőtávolság függvényében ez már „csak” 5-6 órán keresztül lesz igaz, mivel a csövek egymás árnyékába kerülnek egy beesési szögön túl.
A teljes üveg-üveg kapcsolat miatt a vákuumvesztés nagyon ritkán előforduló meghibásodás. Esetleges üvegtörés alkalmával viszont a vákuumcső önmagában cserélhető a régi hőtovábbító szerelvények megtartásával.
Több cég webes felületéről letölthető a mellékelt ábra, amely alapján megállapítható egy idejétmúlt adat, hogy az ikerüveges napkollektor abszorber felületen mért hatásfoka nem haladhatja meg a 80%-ot. Ezzel szemben, a legújabb fejlesztésű többrétegű elnyelőfelületeknek is köszönhetően, a belső felépítés függvényében, a 88-94 % is igazoltan elérhető hatásfok.
Az ikerüveges vákuumcsöves napkollektorok másik lehetséges felépítése az ún. CPC tükrös kivitel.
Ezek a típusok a ritkább kiosztású csövek mögé szerelt fényvisszaverő felületekkel nyerik vissza a csőtakarékosság miatt elveszni látszó hősugarakat, melyek visszaverődés révén a vákuumcsövek árnyékos oldalon lévő abszorberfelületén hasznosulnak.
Ez egy ügyes próbálkozás az abszorberfelület hőveszteségének csökkentésére, mivel ebben az esetben van egy „valóságos” elnyelőfelületünk a vákuumban lévő belső csőfelületen, és van egy „kvázi” elnyelőfelület, amely a fényvisszaverő tükör csövek közé eső, látható része. Hővesztesége a tükörnek nincsen, hiszen nem melegszik fel, és nincsen róla hőelvétel, így a teljes kollektorra számított hőveszteségi tényező (a1) igen alacsony értékű lehet.
A gyakorlatban az újkori állapotnak megfelelő paraméterek a szabad ég alatt lévő tükrös felület szennyeződésével nem tarthatóak, a kollektor teljesítménye várhatóan csökkenni fog.
2. Aszimmetrikus
(Schott)
Az előzőekben említett hőveszteség csökkentés következő állomása a napkollektorok „törzsfejlődése” során az aszimmetrikus felépítésű ikerüveges vákuumcső. Kialakítása hasonlít a naperőműveknél használatos parabolavályús megoldásra.
A külső és belső üvegcső továbbra is biztonságos üveg-üveg kapcsolattal őrzi a kettőjük közti térben a vákuumot. A belső üvegcső átmérője nem éri el a külső cső átmérőjének a felét, így ennek a felületnek kismértékű a hővesztesége. A napenergiát fogadó felület kiegészül még a külső üvegcső belső felületének hátsó felületére felhordott tükörfoncsorral. Ez a visszaverő-felület „patika tisztaságú” vákuumban helyezkedik el, visszaverő képessége várhatóan azonos marad élettartama folyamán.
Az ilyen típusú vákuumcsöveknél a termelt hőenergia elszállítása a kollektor gyűjtőcsövezése felé rendszerint koaxiális-csöves kivitelben valósul meg.
Heat-pipe technológia
Már megint egy „ránktelepült” idegen kifejezés. Szó szerint lefordítva is használhatnánk, egyszerűen így: hő-cső.
Első pillantásra egy végtelenül egyszerű szerkezet, mindkét végén lezárt hosszú rézcső, amely a felső végén, a jobb hőátadást elősegítendő, nagyobb átmérőre bővül.
A beltartalom is szolid összeállítású, 25 mbar vákuum, és néhány milliliter desztillált víz. A vákuumra azért van szükség, hogy a víz forráspontját, és így a gőzképződés kezdőhőmérsékletét 30°C alá vihessük le.
Az ábrán látható hőszállítási folyamat (gőzképzés-felemelkedés-kondenzációs hőleadás-visszacsorgás) már 25-30°C közt beindul, és a gőznyomás emelkedésével kialakuló önszabályzó folyamat révén a víz forráspontja 100-150, vagy akár 280°C-on is lehet.
Némely napkollektor-értékesítő állítása, miszerint a hőcsöves napkollektorok nagyobb teljesítményűek, mint „hagyományos” felépítésű társaik, a fenti ábra hosszas tanulmányozása után sem igazolható, hiszen a hőenergia (a Termodinamika I.-s törvénye alapján) egy magasabb hőmérsékletű pontról áramlik egy alacsonyabb hőmérsékletű pont felé, ezenközben semmi oka arra, hogy megszaporodjon, sőt…
Valami oknak viszont csak kell lenni, ami miatt a heat-pipe felépítésű vákuumcsöves napkollektorok egyre nagyobb teret hódítanak.
Van is, de nem többletenergiával, hanem logisztikával kapcsolatos.
3-5 négyzetméteres, 50-80 kg súlyú napkollektorok szállítása a gyártótól a telepítés helyszínére (ez többnyire egy háztető, 9-30 méter magasságban) költséges feladat.
A heat-pipe felépítés révén a napkollektorok főbb alkatrészei kezelhető méretű dobozokban érkeznek a telepítés helyszínére, megtakarítva a daruzás költségét, és adott esetben 1 fős kivitelező „csapat” is tud szerelni, ha lassan is.
A moduláris felépítés magában hordozza az alacsony költségű felújítás lehetőségét néhány évtized múltán, vagy jövőre, egy katasztrofális jégverés nyomán.
Egy-egy üvegcső kiesése a termelésből szinte észrevehetetlen, hiszen egymástól függetlenül üzemelnek. Vákuumcső vagy heat-pipe csere a szolárrendszer leállítása nélkül, üzem közben elvégezhető.
Van még egy szempont, ez cseppet sem logisztikai jellegű. A vákuumcsöves kollektorok magas üresjárati hőmérsékletét (áramszünet, szabadság miatti túltermelés, 5 napos üzem miatti hétvégi túltermelés) elég valószínűtlen vállalkozás kézben tartani egy zárt rendszernél úgy, hogy a 6 bar-t se lépjük túl, ahol a biztonsági szelep elengedi a propilén-glikolt.
A heat-pipe-os hőtovábbítás lehetőséget biztosít a Drain-back rendszerfelépítésre, ahol a kollektorok stagnációs állapotában a rendszer leürül, és szárazon, túlnyomás nélkül viseli a szélsőséges üzemi állapotokat.
A vákuumcsöveknek kétféle típusa van:
- Az egyik típus (üveg-üveg) esetén a csövek egy belső és egy külső üvegcsőből állnak. A belső cső ún. szelektív bevonattal van borítva, amely elnyeli a napenergiát, ugyanakkor minimalizálja a visszasugárzást. A két üvegcső közötti térből a levegőt kiszivattyúzzák, ezáltal vákuum keletkezik, ami csökkenti a hőveszteséget. Ezek a csövek akár borús időben és alacsony környezeti hőmérséklet esetén is működnek. Mivel a cső 100%-ig üvegből van, a szivárgásból eredő vákuumveszteség esélye elhanyagolható.
- A másik típusnál (üveg-fém) a cső egy szimpla üvegcsőből áll. A cső belsejében általában egy egyenes rézlemezt helyeznek el, amit egy réz fűtéscsőhöz vagy vízcsőhöz csatlakoztatnak. Ez megjelenésében leginkább egy csőbe zárt síkkollektor szeletre hasonlít, ezeknél a típusoknál a körkörös abszorberfelületből adódó hozamnövelő hatás nem jelentkezik. Ezek a csövek nagyon hatékonyak, de további probléma lehet a vákuumveszteség. Ez főként annak a ténynek tudható be, hogy a cső lezárása, ragasztása üveg és fém között történik. Ennek a két anyagnak más a hőtágulási együtthatója, tehát egy idő után, a mindennapi összehúzódásnak, illetve kitágulásnak köszönhetően a ragasztás megsérülhet, és a vákuum megszűnhet. Az üveg-üveg csövek valamivel alacsonyabb hatásfokúak, mint az üveg-fém kapcsolatú csövek, viszont a körkörös abszorberfelületből adódó többlethozam ezt kompenzálja, ráadásul jóval megbízhatóbbak.
|
|