A napkollektorokkal hasznosítható napenergia mennyisége

A napenergia-tudástár előző írása a Magyarország területére érkező napsugárzás mennyiségi és geometriai viszonyait ismertette. A mostani cikk azt vizsgálja, hogy a napsugárzás mekkora részarányát tudjuk napkollektorok segítségével hasznosítani, vagyis a Napból érkező elektromágneses sugárzást milyen részarányban tudjuk átalakítani közvetlenül felhasználható hőenergiává. Ez a gyakorlatban a napkollektorok, illetve a napkollektoros rendszerek hatásfokának a meghatározását jelenti.

A napkollektorok működése

A napsugárzást a különböző tárgyak anyaguktól, kialakításuktól függő részarányban visszaverik, elnyelik, vagy átengedik. Hő akkor keletkezik, ha a napsugárzást az anyag elnyeli. Ezért természetesen egy napkollektor esetén a legfontosabb cél a napsugárzás minél nagyobb részarányú elnyelése. A napkollektorok legelterjedtebb típusa a síkkollektor, ami egy elől üvegezett, hátul hőszigetelt lapos dobozban elhelyezett csőjáratos fekete lemez. Felépítése és működése az 1. ábrán látható.

1. ábra

A napkollektor felépítése és energiamérlege

Nézzük a napkollektor működését és energiamérlegét az 1. ábra alapján. A napsugárzás elérkezik a kollektort borító üvegfedéshez, ahol sajnos annak egy része visszaverődik, egy része pedig elnyelődik, de szerencsére 90% körüli részarány sikeresen veszi az első akadályt, és áthaladva az üvegen eljut a belső elnyelőlemez (abszorber) felületére. Ennek a felületéről szintén visszaverődik a sugárzás egy része, de végül 80-82%-át sikerül elnyelni, ami maradéktalanul hővé alakul, így az abszorber lemez felmelegszik. Ezzel viszont kezdetét veszi a következő probléma, hiszen ha a kollektor belső hőmérséklete magasabb lesz, mint a környező levegő hőmérséklete, akkor a szokásos rafinált módokon (hővezetés, hősugárzás és konvekció) veszteséget jelentő hőáramok indulnak meg a kollektorból a környezet felé. Ezek mértéke annál nagyobb, minél nagyobb a hőmérséklet különbség a kollektor és a környezet között. Átlagos állapotot figyelembe véve a hőveszteségek mértéke 20-25%, így végső soron a napkollektor felületére érkező napsugárzás teljesítményének 60% körüli részarányát tudjuk hasznosított hőteljesítményként elvezetni a kollektorban keringtetett folyadékkal.

Fentiek alapján a kollektorok veszteségei két részre oszthatók:

   Optikai veszteségek (ezek nem függnek a hőmérséklet viszonyoktól):

       Az üvegborítás visszaverése és elnyelése,

       Az abszorber lemez visszaverése,

    Hőveszteségek (ezek arányosak a kollektor és a környezet közötti hőmérséklet-különbséggel):

       Az abszorber lemez sugárzási vesztesége,

       A kollektor házban lévő levegő áramlása miatt létrejövő konvektív hőveszteség,

       A kollektor ház hőszigetelésén hővezetéssel létrejövő hőveszteség.

A különböző veszteségek egyben iránymutatásként is szolgálhatnak, hogy milyen módon építsünk jó napkollektort:

Használjunk minél nagyobb fényáteresztő képességű, tehát jó minőségű, tiszta (alacsony vastartalmú), esetleg a külső felületén strukturált, ún. antireflexiós, vagy öntisztulást okozó üvegfedést.

Az abszorber lemez felületére vigyünk fel szelektív bevonatot, ami jól elnyeli a napsugárzást, ugyanakkor meggátolja a visszasugárzást.

Szigeteljük gondosan a kollektor házat, esetleg az abszorber lemezt helyezzük vákuum térbe.

Az abszorber lemezre megfelelő sűrűséggel, és megfelelő módon erősítsük rá a csőkígyót, hogy a benne keringtetett folyadék minél jobban felvehesse az abszorber hőmérsékletét.

Ha mindezekkel megvagyunk, akkor nincs más dolgunk, mint fogni a napkollektorunkat és elvinni egy megfelelő tanúsítással rendelkező vizsgáló intézetbe, ahol majd mechanikai és hőtechnikai vizsgálatoknak fogják azt alávetni. Ezek eredményeként pedig jó esetben kapunk egy tanúsítványt arról, hogy a kollektorunk megfelel a rá vonatkozó követelményeknek, és ha a hőtechnikai vizsgálatot is kértük, akkor legfontosabb dokumentumként megkapjuk a napkollektorunk méréssel megállapított hatásfok görbéjét is.

A napkollektorok hatásfokának megadása

Hőtermelő berendezések esetében a hatásfok a hasznosított és a bevitt hőmennyiség arányát fejezi ki. Hagyományos hőtermelő berendezések esetében, a bevitt hőmennyiséget a tüzelőanyag mennyisége és fűtőértéke határozza meg. A napkollektorok „tüzelőanyaga” a Nap elektromágneses sugárzása. Ezért napkollektorok esetében a hatásfok a kollektorral hasznosított hőenergia és a napkollektorok felületére érkező napsugárzás teljesítményének az arányát fejezi ki.

Ahol:

   :      a napkollektor által leadott, hasznos hőteljesítmény, [W/m2]

   G:        a napkollektor felületére érkező napsugárzás, [W/m2]

Egy napkollektor hasznos hőteljesítményét és így a hatásfokát is jelentősen befolyásolják a pillanatnyi hőmérséklet és napsugárzási viszonyok. Az 1. ábra is csak egy pillanatnyi állapotot mutat. Ha megváltozik a külső hőmérséklet, vagy a napsugárzás erőssége, akkor a kollektorok hatásfoka is módosul. Vagyis a hatásfokot nem lehet egy számmal kifejezni, mert az állandóan változik egy maximális érték és a nulla között. Ezért a kollektorok hatásfokát egzaktul csak grafikonnal, vagy matematikai egyenlettel lehet megadni. A hatásfok megadásának szabványos képlete (a képlet levezetéséről lásd a keretes írást):

ahol:

      :       a kollektor optikai hatásfoka,

       k1:       az elsőfokú hőveszteségi együttható,

       k2:       a másodfokú hőveszteségi együttható,

       X         a hatásfok független változója:  X = (tkoll – tlev)/G   [(K×m2 )/ W],

       tkoll:      kollektor közepes hőmérséklete tkoll= (tki + tbe)/2,

       tki:        a kollektorból kilépő hőhordozó közeg hőmérséklete,

       tbe:       a kollektorba belépő hőhordozó közeg hőmérséklete,

       tlev:      a környezeti levegő hőmérséklete,

       G:        a kollektor felületére érkező globális napsugárzás [W/m2]

Egy jellemző szelektív síkkollektor hatásfokgörbéje a 2. ábrán látható.

2. ábra

Napkollektorok hatásfoka

A hatásfok görbéjéből látható, hogy a kollektorok hatásfoka akkor a maximális, ha a független változó, X értéke nulla. Ez pedig csak akkor lehet, ha X képletében a számláló értéke nulla, vagyis a kollektorok hőmérséklete éppen megegyezik a környezeti levegő hőmérsékletével. Ezt a pontot nevezik optikai hatásfoknak, mivel itt nincs hőveszteség, a veszteségek csak optikai jellegűek, az üvegfedés fényáteresztő képességétől és az elnyelőlemez napsugárzás-elnyelő képességétől függenek. Ezt a magas optikai hatásfokot szokták tévesen megadni a kollektorok hatásfokaként. Gondoljuk csak meg, mikor fordulhat elő ez az üzemállapot? A levegő hőmérséklete még nyáron is csak többnyire 20-30°C, a kollektorok hőmérséklete pedig csak akkor lehet ugyanennyi, ha maximum 10-20°C-os vizet fűtenek. Természetesen lehet ilyen üzemmód nyáron, a hálózati hidegvíz előmelegítésekor, vagy medencék fűtésekor, de általában nem ez a jellemző. Ezért félrevezető, ha a kollektorok hatásfokaként a maximális, optikai hatásfokot adják meg.

A kollektorok hatásfoka a fenti képlet szerint egyértelműen meghatározható, ha megadják h0, k1, és k2 értékét. Ez a megadási mód lehetővé teszi különböző kollektorok összehasonlítását. Hangsúlyosan azt is mondhatnánk, hogy csak ez teszi lehetővé az egyes kollektorok egzakt összemérését. Vagyis, ha valaki meg akar győződni egy napkollektor minőségéről, akkor nincs más dolga, mint elkérni a forgalmazótól a kollektorra vonatkozó, független, akkreditált vizsgáló intézet által kimért hatásfokgörbét. Más adat, például a kollektorok teljesítményének feltüntetése nem alkalmas az összehasonlításra. A kollektorok teljesítménye ugyanúgy, mint a hatásfok pillanatról-pillanatra változik. Értéke nem csak a kollektorok jóságától, hanem a napsugárzás erősségétől és a hőmérséklet viszonyoktól is függ. Ha a maximális teljesítményt adnánk meg, pl. 1000W/m2 napsugárzásra és X=0 értékre vonatkoztatva, akkor az ugyanúgy félrevezető lenne, mint az optikai hatásfok megadása hatásfokként.

Ha a kollektorok hatásfokát mindenképpen egy számmal szeretnénk jellemezni, akkor erre a legalkalmasabb az un. „jellemző hatásfok” lehet. Jellemző hatásfoknak a hatásfok X=0,05 értéknél mérhető nagyságát nevezik. Azért nevezik jellemző hatásfoknak, mert az ebben a pontban lévő üzemállapot viszonylag jól jellemzi a kollektorok leggyakoribb üzemmódját. Pl. X értéke akkor 0,05 ha a kollektor hőmérséklete 60°C, a levegő hőmérséklete 20°C, a napsugárzás értéke pedig 800W/m2. A jó minőségű kollektorok jellemző hatásfoka általában 60% körüli értékű.

A kollektorok hatásfokának összehasonlításánál fontos azt is tisztázni, hogy a hatásfokot a kollektorok milyen felületére adták meg. A hatásfok definíciójában ugyanis az szerepel, hogy az a hasznosított hőmennyiség és a kollektorok felületére érkező napsugárzás arányát fejezi ki. De a kollektorok milyen felületére kell számítani a napsugárzást? Kollektoroknál általában három felületet különböztetnek meg: bruttó (teljes), abszorber és szabad üvegfelületet. Ezek arányát síkkollektor és vákuumcsöves kollektor esetén a 3. ábra szemlélteti. Régebben a kollektorok hatásfokát általában az abszorberfelületre vonatkoztatva adták meg, jelenleg azonban már a szabad üvegfelületet veszi figyelembe. Szabad üvegfelületnek annak a felületnek a vetületét nevezik, amelyen keresztül a napsugárzás be tud jutni a kollektor belsejébe.

3. ábra

Napkollektorok felületei

Az eddig ismertetettek alapján láthattuk, hogy a kollektorok pillanatnyi hatásfoka üzemállapottól függően nulla, és egy maximális, általában 80% körüli érték között mozog. A jellemző hatásfok megmutatta azt is, hogy egy derült napon, átlagos hőmérsékletviszonyok esetén a kollektorok hatásfoka 60% körüli érték. De vajon mekkora egy napkollektoros rendszer éves hatásfoka? Erre a kérdésre még nehezebb válaszolni, mert az éves hatásfok nem csak a kollektorok, hanem az egyéb alkotóelemek és a kivitelezés minőségétől is függ. Jentősen befolyásolja a hatásfokot a napkollektoros rendszer kihasználtsága is. Túlméretezett, magas szoláris részarányra törekvő rendszernél nyáron gyakran áll elő üresjárat, ami az éves hatásfokot csökkenti. Ugyanakkor alulméretezett rendszernél mindig biztosított a kollektorokkal hasznosított napenergia felhasználása, ezért magas éves hatásfok érhető el. A szoláris részarány és az éves hatásfok összefüggése a 4. ábrán látható.

4. ábra

Éves szoláris részarány és rendszerhatásfok összefüggése

Magyarország meteorológiai adottságai mellett átlagos használati-melegvíz készítő napkollektoros rendszert alapul véve reálisan elérhető éves 55-65%-os szoláris részarány. Ekkor a kollektoros rendszer éves hatásfoka 35-40%. Vagyis a napkollektorok az érkező napsugárzás 35-40%-át hasznosítani tudják. Hazánkban 1 m2 déli tájolású és 45° körüli dőlésszögű felületre az előző cikk szerint megközelítőleg 1370 kWh energia érkezik a Napból. Az éves hatásfok figyelembevételével kollektorokkal ebből átlagos esetben 550 kWh/m2, jobb kihasználtság esetén pedig akár 600-650 kWh/m2 is előállítható. Az érkező és a hasznosítható napsugárzás átlagos napi mennyisége havi bontásban az 5. ábrán látható. 1 m2 megközelítőleg déli tájolású és 45° körüli dőlésű felületre a nyári hónapokban naponta több mint 5 kWh hőmennyiség érkezik, és ebből napkollektorokkal 2-3 kWh hőmennyiséget tudunk hasznosítani. Vagyis – hogy kézzelfoghatóbb legyen ez az adat - 1 m2 napkollektorral nyáron napi 50-60 liter tudunk felmelegíteni 50°C-ra. De látható az ábrából az is, hogy a jó minőségű napkollektoros rendszerek nem csak nyáron, hanem – bár természetesen kisebb mértékben - a téli félévben is alkalmasak hőtermelésre. Bár decemberben és januárban a hasznosítható napenergia viszonylag kevés, március-áprilisban, illetve szeptember-októberben már 1,5-2 kWh/m2 hőmennyiséget tudunk napkollektorral előállítani.

5. ábra

Érkező és hasznosítható napsugárzás