Napkollektordömping – de melyiket válasszuk?

Néhány éve még a Magyarországon alkalmazott napkollektorok döntő többsége hagyományos síkkollektor volt. Mára azonban egyre nagyobb arányban jelennek meg a legkülönbözőbb kialakítású, főleg vákuumcsöves napkollektorok. A kínálat növekedése természetesen örvendetes, másrészt viszont meg is nehezíti a választást – ebben próbálunk segíteni.

 

Síkkollektorok

A napkollektorok legelterjedtebb, legismertebb változata az úgynevezett síkkollektor, melynek felépítése az 1. ábrán látható. A síkkollektor tulajdonképpen egy elől üvegezett, hátul hőszigetelt lapos dobozszerkezet, melybe belül jó napsugárzás elnyelő képességű fekete lemezre (abszorberre) erősített csőkígyó található. A síkkollektorok működése egyszerű: a napsugárzás áthalad a jó fényáteresztő képességű (alacsony vastartalmú) üveg fedőlapon és elnyelődik az abszorberen, ami az elnyelt napsugárzás hatására a hozzá erősített csőkígyórendszerrel együtt felmelegszik. A keletkezett hőenergiát aztán a csővezetékben keringtetett hőátadó folyadékkal lehet elszállítani a napkollektorból, és lehet felhasználni például vízmelegítésre.

1. A síkkollektorok felépítése

 

Síkkollektorokat már több évtizede alkalmaznak iparszerűen, ezért gyártásuk, üzemeltetésük során bőséges tapasztalat halmozódott fel. Ennek köszönhetően mára a termékpaletta meglehetősen letisztult, a jelentősebb gyártók által kínált síkkollektor-változatok között nehéz különbséget tenni. A síkkollektorok közös jellemzője az egyrétegű üvegfedés, és a magas szelektivitású elnyelőlemez alkalmazása. Az ilyen kollektorok maximális hatásfoka 80 százalék körüli érték, átlagos, derült időjárás esetén pedig 60 százalék körüli hatásfokkal alakítják át a napsugárzást hőenergiává. Ilyen, átlagos körülmények mellett fellépő veszteségek nagysága látható a 2. ábrán.

2. Síkkollektorok átlagos veszteségei

 

Vákuumos kollektorok

A 2. ábrából látható, hogy a síkkollektorok konvektív hővesztesége átlagos körülmények esetén 13 százalék körüli érték. A konvektív hőveszteség okozója a kollektorházban lévő levegő, mely mozgásával, keringésével a meleg abszorbert visszahűti a hidegebb üvegfedés felé. Ha tehát a kollektorházból sikerülne kiszívni a levegőt, ezáltal vákuumot hozva létre, akkor meg lehetne szüntetni a konvektív hőveszteséget. Ezzel a céllal fejlesztették ki a vákuumos kollektorokat. A vákuum értelme tehát kizárólag a konvektív hőveszteség csökkentése, a napsugárzás-elnyelő tulajdonságokat a vákuum nem befolyásolja. Nem változik lényegesen a hővezetés útján létrejövő veszteség sem, hiszen annak értéke eleve csak 3 százalék körüli, valamint a levegő alapvetően jó hőszigetelő, hővezetési tényezője körülbelül fele a hőszigetelő anyagokénak.

Egy síkkollektorházat meglehetősen nehéz úgy tömíteni, hogy az a teljes élettartam alatt, legalább 20-30 évig megtartsa a vákuumot. Létezik ugyan vákuumos síkkollektor, de ennél a vákuumot nem a gyártáskor, hanem a felszerelés után kell létrehozni. A kollektoroktól a kazánházig vékony rézcsőből vákuumvezetéket kell kiépíteni, ennek a végére egy gyorscsatlakozót és a vákuumot mutató nyomásmérőt kell felszerelni, a kollektorokból a levegőt pedig vákuumszivattyúval kell eltávolítani. A fejlett tömítéstechnikának köszönhetően az ilyen síkkollektorok a vákuumot 2-3 évig megtartják, és miután a nyomásmérő jelzi a vákuum csökkenését, a kompresszoros vákuumozást meg kell ismételni. Az ilyen rendszernek előnye, hogy a vákuum értéke folyamatosan ellenőrizhető, hátránya viszont az időszakos vákuumozás igénye.

Lényegesen gyakoribb megoldás a vákuum alkalmazására az úgynevezett vákuumcsöves napkollektor. Mára szinte elárasztották a piacot a legkülönbözőbb kialakítású vákuumcsöves napkollektorok. Míg a síkkollektorok felépítése alapvetően nem tér el egymástól, addig a vákuumcsöves napkollektorok változatosabb műszaki megoldásokkal készülnek. Közös jellemzőjük az üveganyagú vákuumcső, azonban mint a 3. ábrán látható, ez is legalább kétféle kivitelben készülhet. A régebben alkalmazott egyszerű vákuumcső szimpla falú üvegcső. Hátránya, hogy az abszorbert és az erre erősített csővezetéket a csövön belül, a vákuumban kell elhelyezni, ezért a cső kivezetésénél tömítést kell alkalmazni, ami gyenge pont lehet. A másik megoldás a kettősfalú, úgynevezett „Sydney” típusú vákuumcső. Bár ezt a csőtípust valószínűleg helyesebb lenne a „Kínai” jelzővel illetni, mivel döntő részarányban onnan származik. (Kína egyébként a felszerelt napkollektorok számában világelső, második az USA, harmadik Japán, negyedik Törökország, ötödik Németország). A kettősfalú vákuumcső elve régóta ismert, hiszen ezt alkalmazzák a jól ismert termoszokban is. Rendkívüli népszerűségét annak köszönheti, hogy az abszorbert és a csővezetéket nem kell már az üvegcső gyártásakor a vákuumban elhelyezni. Ezért az ilyen csövet számtalan kollektorgyártó vásárolja meg, és helyez el benne különféle kialakítású abszorbert. További előnye még, hogy az üvegcsövet gyártó cégek többnyire valamilyen szelektív bevonatot is felvisznek a üvegcső belső felületére, ezért szelektív abszorberre sincs szükség.

3. Vákuumcsövek kialakítása

 

További változatosság jellemzi a vákuumcsöves napkollektorokat az abszorberlemez, és az erre erősített csővezeték kialakítása szerint (4. ábra). Az egyik lehetséges megoldás, amikor egyenes felületű abszorber lemezcsíkot, és erre erősített koaxiális csővezetéket alkalmaznak. A másik – főleg a kettősfalú vákuumcsöveknél alkalmazott megoldás – a kör alakú abszorber, és hajlított, U-alakú csővezeték.

4. Abszorber- és csővezeték-kialakítások vákuumcsöves napkollektoroknál

 

A vákuumcsöves napkollektorok több, egymás mellett párhuzamosan elhelyezett vákuumcsőből épülnek fel, így az egyes csövek között kisebb-nagyobb távolság van. Ezért az ilyen kollektoroknak általában rosszabb a bruttó- (hasznos-) felület kihasználtságuk, mint a síkkollektoroknak. Növelhető a kihasználtság, ha az 5. ábra szerint a kör alakú abszorberekkel szerelt vákuumcsövek mögé a napsugárzást visszaverő, tükröző lemezt helyeznek. Az ilyen reflektorokat nevezik CPC-nek (Compound Parabolic Concentrator). A reflektor hátránya viszont, hogy idővel elkoszolódik, így hatékonysága romlik.

5. CPC reflektor

 

Másik egyedi megoldás a reflektor elhelyezésére, amit kollektorokat is gyártó üvegipari cég alkalmaz, amikor a tükröző felületet a 6. ábra szerint a vákuumcsövön belül helyezik el. Ezzel kiküszöbölik a reflektáló felület elszennyeződését, ugyanakkor megmarad a visszaverő-koncentráló hatás.

6. Koncentráló tükörbevonat a vákuumcsövön belül

 

Az eddig ismertetett vákuumcsöves napkollektorok közös jellemzője volt, hogy közvetlenül a napkollektor körben keringtetett fagyálló folyadék cirkulált a vákuumcsövön belül is. Gyakori azonban az úgynevezett hőcsöves (Heat-Pipe) megoldás is, amikor az abszorberre erősített csövet lezárják, és alacsony vákuumba helyezett vízzel, vagy egyéb folyadékkal töltik fel részlegesen. Hőmérséklet emelkedés hatására a folyadék elpárolog, a meleg gőz a csővezeték felső részén elhelyezett kondenzátor-hőcserélő edénybe vándorol. A kondenzátort körbeveszi a speciálisan kialakított csővezeték, amiben maga a fagyálló folyadék kering. Így a fagyálló visszahűti a gőzt, az kondenzálódik, visszacsorog a csővezeték aljába, és a folyamat kezdődik elölről. Bár az ilyen kollektorok forgalmazói állítják, hogy a hőcsőelvnek köszönhetően a kollektorok hatásfoka kiemelkedően (akár 50 százalékkal) magasabb, mint a normál kollektoroké, a valóságban ez nem igaz. A hőcső alkalmazása nem eredményez hatásfokjavulást, sőt az eggyel több hőcserélő miatt inkább csökken a hatásfok. Előnye leginkább abban rejlik, hogy az egyes csövek különálló, kompakt egységet képeznek, így ezek külön szerelhetők, törés esetén a csövek a rendszer leürítése nélkül is kicserélhetők. A hőcsöves kollektorokat természetesen lejtéssel (általában 20-30°) kell szerelni.

7. Heat-Pipe hőcsöves elvű napkollektor

 

A napkollektorok összehasonlítása, kiválasztása

Amint az a fent leírtakból kiderül, manapság rengeteg féle-fajta napkollektor létezik, és ezek mindegyike megjelent már a hazai piacon is. Aki nem szakértő, nehezen tud eligazodni ebben a széles választékban. Az alábbiakban olvasható néhány támpont, amelyek segíthetnek az objektív összehasonlításban.

Először is feltétlenül tisztázni kell, hogy mekkora a napkollektor felülete. Ez első látásra egyszerűnek tűnik, másodikra azonban már nem. A kollektoroknak ugyanis többféle felületük is van. A forgalmazók általában a megnevezésben a teljes, bruttó felületet tüntetik fel – ez igazából csak azt adja meg, hogy a kollektor mekkora helyet foglal el. A hőtechnikailag hasznos felület jellemzésére két érték használatos: az abszorberfelület és a szabad üvegfelület. Régebben a kollektorok hatásfokát az abszorberfelületre számítva adták meg, ma azonban már inkább a szabad üvegfelületet veszik figyelembe. A különböző felületek számítását sík- és egyféle vákuumcsöves kollektorok esetén a 8. és 9. ábra szemlélteti.

8. Síkkollektor felületei

9. Vákuumcsöves napkollektor felületei

 

A hasznos kollektorfelület tisztázása után meg kell próbálni kideríteni azt is, hogy „mennyire jó” a kiszemelt napkollektor. Ez sem egyszerű feladat! Célszerű gyanútlanságot színlelve feltenni a következő kérdést: mekkora a kollektor teljesítménye? Ha erre a kérdésre határozott válaszként egy egyszerű számot kapunk (például 1500 W), akkor biztosak lehetünk benne, hogy a válaszadónak fogalma sincs a napkollektorok működéséről. Vagy mégis van, de az egyszerűbb utat választva megpróbálja félrevezetni az érdeklődőt (ez a rosszabbik eset). A kollektoroknak ugyanis nincs egyértelműen meghatározott teljesítménye. A pillanatnyi teljesítmény a körülményektől függ: elsősorban a napsugárzás nagyságától, aztán a külső hőmérséklettől, a kollektor hőmérsékletétől, a szélsebességtől és még számtalan apró körülménytől. Definiálható ugyan olyan üzemállapot, ahol értelmezhető a maximális teljesítmény: például a napsugárzás merőleges a napkollektor felületére, értéke 1000 W/m², és a kollektorok hőmérséklete megegyezik a környezeti levegő hőmérsékletével. Ha azonban ilyen – a valóságban szinte soha elő nem forduló – optimális körülmények esetére adják meg a kollektorok teljesítményét, akkor az félrevezető lehet. Valóságos körülmények esetén a kollektorok átlagos teljesítménye a maximális értéknek csak körülbelül 50-60 százaléka.

A teljesítmény helyett hasznosabb megtudakolni a napkollektor hatásfokát – a teljesítményhez hasonlóan azonban ez sem jellemezhető egy számmal. Teljes képet csak akkor alkothatunk, ha megismerjük a napkollektorra vonatkozó – független napkollektor-vizsgáló intézet által hitelesített – hatásfok görbét. A hatásfok megadásának módja szabványosított, ezért a kollektorok ez alapján jól összehasonlíthatók. Példaként a 10. és 11. ábrán ismertetünk néhány vákuumcsöves és síkkollektor hatásfokgörbét. Az adatok a svájci SPF (Solartechnik Prüfung Forschung) intézet 2004-es kiadású információs CD-jéről származnak. Ami első látásra is feltűnő: a különböző vákuumcsöves napkollektorok hatásfoka igen nagy szórást mutat, míg a síkkollektorok viszonylag azonos hatásfokkal rendelkeznek. Az tehát, ha valamely cég vákuumcsöves kollektort kínál, még önmagában nem garancia a magas hatásfokra.

10. Vákuumcsöves napkollektorok hatásfoka

11. Síkkollektorok hatásfoka

 

A hatásfok grafikonokba vastag piros vonallal berajzoltuk a leggyakoribb jellemző értéket is. Ebből látható, hogy a vákuumcsöves napkollektorok hatásfoka kevésbé meredeken csökken, mint a síkkollektoroké. Ez azt jelenti, hogy a vákuumos kollektorok hatásfoka magasabb akkor, amikor a kollektor és a környezeti levegő hőmérséklete között nagyobb a hőmérséklet különbség (tehát például télen). Ez természetes, hiszen ekkor jelentkezik a vákuum okozta jobb hőszigetelés előnye.

A hatásfok mellett azonban nem elhanyagolható körülmény a napkollektorok ára sem. Valószínűleg nem célszerű megvásárolni a világ legmagasabb hatásfokú kollektorát akkor, ha az háromszor annyiba kerül, mint egy jó, átlagos minőségű kollektor. Ma a vákuumos kollektorok ára minimum a duplája a síkkollektorokénak. Ezt a hátrányt nem tudják behozni egész élettartamuk során sem. Tehát, ha a gazdaságosság, az adott befektetéssel hasznosítható napenergia mennyisége számít, akkor a vákuumcsöves napkollektorok ma még nem tudnak versenyezni a jó minőségű síkkollektorokkal.

A kollektorok kiválasztásánál természetesen fontos szempont az is, hogy mire használják majd azokat. Más-más követelményeket támaszt egy szabadtéri medence nyári fűtése, az egész éves használati meleg víz készítés, vagy a téli fűtésrásegítés.

Az egyes napkollektor forgalmazóktól gyakran hallani, hogy az ő általuk kínált napkollektor akkor is működik, ha teljesen borult az idő, és a Napot egyáltalán nem látni. Ebből annyi igaz, hogy a jó minőségű kollektorok a gyenge, szórt napsugárzást is képesek hasznosítani. De ne feledjük, hogy a kollektorok csak az érkező napsugárzást tudják hőenergiává alakítani. Ha ez nagyon alacsony, akkor a hiba nem a kollektorban van, hanem az időjárásban, és ezen a legjobb minőségű napkollektorral sem lehet segíteni.

Végezetül: a napkollektor kiválasztásánál fontos szempont a garancia, és a gyártó, forgalmazó cég megbízhatósága. Ma a kollektorokra általában 10 év garanciát szokás adni. Lényeges az is, hogy a kollektorokhoz be lehessen szerezni a különböző tetőszerkezetekre történő felszereléshez szükséges, időjárásálló és esztétikus tartószerkezeteket. És az sem árt, ha a forgalmazó cég a napkollektorokon kívül teljes rendszert tud kínálni, mert így egy helyről beszerezhető minden berendezés, ezzel pedig elkerülhető az esetleges meghibásodáskor a különböző szállító cégek egymásra mutogató felelősségelhárítása.