Napkollektorok

Amikor napkollektorról beszélünk, elsőre szinte mindenkinek a háztetőkön található, nagy, fekete, üvegezett dobozok jutnak eszébe. Pedig egy meleg, nyári napon a locsolótömlő is kollektorként viselkedik, nem is beszélve az 50-100 literes "hordós" zuhanyzókról, melyek sok hétvégi ház elengedhetetlen kellékei. Az elv igen egyszerű: a sötét - lehetőleg optikailag fekete és matt - felület elnyeli a napsugarak nagy részét, és felmelegíti a benne található folyadékot. Felmerül a kérdés, hogy a külcsínen kívül miben is különbözik egy kerti "hordós" zuhanyzó, egy egész háztartást ellátó kollektor-rendszer? A választ akkor kapjuk meg, ha megnézzük, milyen szempontok alapján csoportosíthatók a manapság legelterjedtebb ún. síkkollektorok (1).
Az első csoportosítás szerint beszélhetünk nyitott vagy zárt rendszerről, azaz hogy a felmelegített folyadék kapcsolatban van-e a külső levegővel vagy sem. Aztán kérdéses a keringtetés formája is, nevezetesen, hogy gravitációs - azaz a folyadék hőmérséklet-különbségéből adódó sűrűségkülönbség hajtja-e a rendszert - vagy pedig keringtetőszivattyú. A harmadik fontos tulajdonsága rendszerünknek, hogy hány körös. Egykörös rendszerről beszélünk, ha a felmelegített folyadék azonos azzal, amely később felhasználásra kerül (pl. zuhanyzás, mosogatás stb.). Kétkörös rendszer esetében a napkollektorban keringő folyadék csak a hő szállítását végzi, hőjét egy hőcserélőben adja át a használati víznek. Az utolsó csoportosítási lehetőség az, hogy rendszerünk rendelkezik-e átmeneti tárolóval vagy sem (2).
A szempontok közül több kizárja egymást. A gyakorlatban 2-3-féle reális lehetőség létezik egy kollektoros rendszer megvalósítására. Az egyik, legegyszerűbb, amikor a síkkollektor két csővezetékkel egy nyitott tartályhoz van kötve, így a kollektorban felmelegedett folyadék felfelé száll, helyébe hideg víz áramlik, és így - amíg süt a nap - egy folyamatos körforgás jön létre. A kollektorral való vízmelegítés ezen formáját mediterrán országokban (pl. lakóházakon, kempingek zuhanyzójában) használják előszeretettel.
A másik klasszikus kivitel - amiről jelen cikkünk is szól - egy kétkörös rendszer, ahol a keringtetést keringtetőszivattyú végzi, és a keringő folyadék egy hőcserélőben - ami az átmeneti tárolótartály is egyben - melegíti a felhasználásra szánt vizet. Ez esetben a kollektor-körben lévő folyadék általában fagyálló, hiszen télen a kültéri csővezetékek szétfagynának tiszta víz használata esetén.

Napkollektorok fajtái, felépítésük

A napkollektorok kialakítás szerint több családba sorolhatók. A legáltalánosabbak a síkkollektorok, őket követik a vákuumcsöves kollektorok, melyek tulajdonképpen a síkkollektorok továbbfejlesztett változatai. Említést érdemelnek még a manapság egyre több helyen alkalmazott hőcsöves kollektorok is.
A síkkollektor felépítése meglehetősen egyszerű. Az általában alumíniumból készülő dobozba hőszigetelő-réteg (pl. kőzetgyapot) kerül, ezen foglal helyet az elnyelő (abszorber) felület, mely általában rézből vagy drágább kollektorok esetében más, jó hővezetésű fémből, pl. alumíniumból készül. A lemez belső felületén kígyózó réz csövek sajtolással, forrasztással vagy ultrahangos hegesztéssel kapcsolódnak az abszorber lemezhez. A doboz külső felületére ütésálló üveglap kerül, mely egyrészt védi a berendezést a mechanikai behatásoktól (pl. jégeső, hó), másrészt az üvegházhatás elvén növeli a kollektor hatásfokát. Ez a legegyszerűbb felépítési mód. Készülnek síkkolektorok más technológiával is, de az alapvető működési elv ott is ugyanaz (3, 4).
A hőcsöves kollektorok abban különböznek a síkkollektoroktól, hogy ezeknél a napsugarak nem vizet, vagy fagyálló folyadékot melegítenek, hanem hermetikusan lezárt csövekbe töltött, párolgó közeget. A felmelegedő, és így elpárolgó folyadék a cső felső részén kialakított hőcserélőben kondenzálódik és felmelegíti a kollektor felső csövében keringtetett hőhordozó folyadékot. Innentől a folyamat ugyanaz, mint a síkkollektoroknál, a keringő, fagyálló folyadék hőjét egy hőcserélőben adja át a használati víznek (5, 6).

Napkollektor hatásfoka, hatásfok növelése

Hatásfok alatt a kinyert hőmennyiség és a befektetett hőmennyiség hányadosát értük. Ez függ a napsugárzás erősségétől és a szállító közeg hőmérsékletétől (7). Megemlítendő, hogy a kollektor üresjárati hőmérséklete (amikor a hőhordozó anyag nem kering) elérheti a 180-200 °C-ot is. Célunk tehát a hőveszteségek csökkentése. Egy meleg nyári napon a síkkollektor elérheti a 75-80%-os hatásfokot, míg egy esős, őszi napon ez az érték mindössze 6% körül van. A ma használt kollektorok közül a legnagyobb hatásfokkal a vákuumcsöves kivitelűek üzemelnek.
A hatásfok növelésének legegyszerűbb módja síkkollektorok esetében az üveggel való lefedés. Mint azt már a napelemeknél láttuk, az üvegen könnyedén áthatoló, kis hullámhosszúságú, látható fénysugár az abszorber lemez felületén hővé alakul, az arról kisugárzott, nagy hullámhosszúságú hősugárzást viszont az üveg belső felülete visszaveri, nem engedi ki. A hatásfok növelésének további módja, úgynevezett szelektív bevonat használata, amely annyit tesz, hogy az abszorber lemezt egy olyan anyaggal vonjuk be, amelynek az elnyelési képessége közel 100%, viszont a kisugárzott hő a lehető legalacsonyabb szinten maradjon.
A hatásfok növelésének harmadik útja, az abszorber lemez és az üveg közti légréteg kiszivattyúzása, ám ez esetben feltétlenül szükséges az üveg megfelelő számú helyen történő kitámasztása, hiszen a külső nyomás a viszonylag nagy felületű üveglapot azonnal összeroppantaná.
Légritka környezet létrehozása egy sík felület alatt, több szempontból is problémás feladat, ezért születtek meg a már említett ún. vákuumcsöves kollektorok. Ez esetben az abszorber lemez és a rézcső, egy hengeres üvegcsőben foglal helyet. A csőkivezetéseket a megfelelően tömítik, és a csőből kiszivattyúzzák a levegő jelentős részét. A henger alak sokkal szerencsésebb, hiszen öntartó, nem igényel külön kitámasztást, valamint a tömítendő felület is jelentősen kisebb, mint egy síkkollektornál (8, 9).

Megvalósítás

Ha napkollektor vásárlásra vagy építésre adjuk a fejünket, alapos tervezésre lesz szükségünk. Először is tisztázni kell, hogy a megtermelt melegvíz milyen igényt kíván kielégíteni. Szóba jöhet lakóház fűtése, használati melegvíz, uszoda vizének melegen tartása, és még megannyi felhasználási terület. A második fontos kérdés, hogy az év mely szakaszában kívánjuk hasznosítani a kollektor által termelt melegvizet. Mivel télen, kora tavasszal és késő ősszel jelentősen kevesebb a Napból rendelkezésünkre álló hőmennyiség, ezért jelentősen több kollektorra is lesz szükségünk, ha teljes melegvíz-igényünket ezen évszakokban is természetes úton kívánjuk kielégíteni. Ennek az anyagi vonzata is tág határok között mozog, ezért a kollektorvásárlás gondos anyagi mérlegelést is megkíván.
Példánk egy négytagú családdal számol, ahol az a cél, hogy kora nyártól késő őszig a melegvíz 100%-át a kollektor-hálózat termelje meg. Hogy hány négyzetméter napkollektorra lesz szükségünk, ahhoz segítséget nyújthat a külön keretben található, tájékoztató jellegű számítás. A kollektor paneleken kívül szükség lesz egy átmeneti tárolóra is, amely a család melegvizét tárolja felhasználásig. Az esetek döntő többségében itt adja át hőjét a kollektorban keringő folyadék a felhasználásra szánt víznek. Ez a tároló ad helyet a kiegészítő fűtőegységnek is - mely lehet villamos fűtőtest vagy egy hagyományos kazános rendszer hőcserélője - amely borús, illetve téli napokon segít rá kollektoraink munkájára. A kiegészítő fűtés ki, ill. bekapcsolását egy hőmérséklet-érzékelő vezérli. A kiváló hőszigetelésnek köszönhetően a jó minőségű tárolók 24 óra alatt mindössze 1-2 °C-t hűlnek, bár megjegyzendő, hogy a tároló veszteségei az egész rendszer veszteségeihez képest elenyészők. A rendszer részét képezi még a keringtetőszivattyú, illetve a tágulási tartály, valamint a megfelelően szigetelt csőhálózat (10).

Felszerelés, tájolás

Amennyiben kész rendszert kívánunk vásárolni, könnyű dolgunk van, hiszen több magyar és a külföldi cég is ajánl kulcsrakész megoldásokat. A kollektorok tömege akkora, hogy egy kész háztető kényelmesen elbírja, viszont ha egy épülő ház részeként tervezzük be, akkor a tető szerves részévé is válhat. A felszerelés igen egyszerű, minimális műszaki hozzáértéssel saját kezűleg is megoldható. Hasonlatosan a napelemekhez, itt is akkor érjük el a maximális teljesítményt, ha a kollektorok megfelelően vannak tájolva. A tájolásról részletesebben már írtunk a szolárcellák kapcsán, ismétlésként annyit, hogy minden esetben déli irányba állítsuk a paneleket. Dőlésszögük attól függ, hogy milyen évszakban használjuk őket, nyáron a 32°, egész éves használat esetén 40°, téli üzemben pedig 60° a célszerű dőlésszög a vízszinteshez képest.