Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Környezettudományi Centrum
Vákuumos napkollektor fejlesztése Szakdolgozat
Készítette: Somogyi Dániel Környezettan alapszakos hallgató
Témavezetı: Horváth Ákos Egyetemi docens Atomfizika tanszék
Budapest 2010
1
Tartalomjegyzék
Tartalomjegyzék ............................................................................................................2 1. Bevezetés ...................................................................................................................4 2. A Napsugárzás fizikai alapjai ....................................................................................5 2.1. A Nap szerkezete ................................................................................................5 2.1.1. A Nap felépítése: Honnan tudjuk?............................................................5 2.1.2. A mag........................................................................................................5 2.1.3. A sugárzási zóna ......................................................................................6 2.1.4. A konvekciós zóna...................................................................................6 2.1.5. A Nap atmoszférája .................................................................................6 2.1.5.1. Fotoszféra.....................................................................................6 2.1.5.2. Kromoszféra.................................................................................7 2.1.5.3. Átmeneti tartomány .....................................................................7 2.1.5.4. Korona .........................................................................................7 2.1.6. A Nap mágneses mezeje ...........................................................................8 2.1.6.1. A magnetoszféra ..........................................................................8 2.2. A Napból a Földre jutó energia...........................................................................8 3. A Napenergia felhasználási lehetıségei ..................................................................10 3.1. A családi házakban történı napenergia hasznosítás fajtái ................................10 3.1.1. Passzív hasznosítás .................................................................................10 3.1.2. Aktív hasznosítás ....................................................................................11 3.1.3. Elektromos hasznosítás...........................................................................11 3.1.4. A Napenergia tárolása.............................................................................11 3.2. A hibrid Napenergia hasznosítás ......................................................................12 3.3. A direkt és indirekt hasznosítás ........................................................................12 3.4. A direkt Napfényenergia hasznosításának korlátai és hátrányai ......................13 4. A Napkollektorok általános mőködése ....................................................................14 4.1. Síkkollektorok...................................................................................................16 4.1.1. A síkkollektorok felépítése és mőködése................................................16 4.1.2. A síkkollektorok fıbb szerkezeti elemeinek leírása ...............................17 4.2. A Napkollektorok mőszaki tulajdonságai.........................................................18 4.2.1. Hatásfok ..................................................................................................18 4.2.2. Kollektorok hıtechnikai jellemzıinek egyszerőbb megadása................21 4.2.2.1. Hıtechnikai jellemzık a három fı felhasználási területre.........21 4.2.3. Napkollektorok felületei .........................................................................22 4.2.4. Vákuum- mint a kollektorok hıszigetelése ............................................22 4.3. Vákuum a csıben- vákuumcsöves kollektorok ................................................23 5. A sörkollektor vizsgálata csökkentett nyomású kamrás szigeteléssel .....................24 5.1. A munkám célja ................................................................................................24 5.1.1. Változtatások ..........................................................................................24 5.1.2. Az újonnan beiktatott alkatrészek és áraik .............................................25 5.1.3. Kép a kollektorról ...................................................................................25 5.2. A mérési tapasztalatok, eredmények ................................................................26 5.2.1. Második kísérlet......................................................................................27 5.2.2. Harmadik kísérlet....................................................................................30 5.2.3. Hatásfok kiszámítása ..............................................................................32
2
5.2.3.1. Az izzó, Napkollektorra sugárzott teljesítményének meghat ....33 5.2.4. A hatásfok kiszámítása (folytatás)..........................................................35 6. Összegzés.................................................................................................................36 Irodalomjegyzék ..........................................................................................................37
3
1. Bevezetés
A Napból összesen annyi energia jut le a Földre 3 nap leforgása alatt, hogy ezt az energiamennyiséget az emberiség 3 évig használná (Dr. GÖİZ LAJOS 2007: Energetika jövıidıben. Magyarország megújuló energiaforrásai. Lehetıség és valóság.) A felmérések azt mondják, hogy energiafelhasználásunk 2/3-a a főtésre használódik. Könnyő szerrel lehetne fedezni napenergiával, ezt a szükségletet. Ugyanakkor a fosszilis energiahordozók egyre drágábbak és igen szennyezı hatással bírnak a környezetre nézve, mégis most még nagyon kevesen próbálkoznak, és elterjedésük is mérsékelt tempóval megy végbe, azért mert a megújuló energiák hasznosítására szolgáló eszközök túl drágák (még) egy háztartásnak és túl sok az idı, ami alatt megtérülne az energiaszolgáltatással az áruk. A dolgozatom során a napenergia hasznosításával, ezen belül a Nap sugárzó energiájának felfogásával és annak minél hatékonyabb és energiaveszteség mentesebb hasznosításával foglalkozom. Segítségemre áll egy korábban elkészített ún. sörösdoboz kollektor, aminek szinte ingyen érkezı napenergia hasznosításán túl elınye az, hogy gyakorlatilag hulladékból lett összerakva, így ez egy duplán környezettudatos berendezés. Ennek a sörkollektornak a dobozában fogok alacsony nyomást kialakítani szigetelésként a nagyobb hatásfok elérése érdekében és összehasonlítani a korábbi vákuummentes sörkollektor hatásfokaival. A készülék mőködési elve az hogy a szoba levegıjét az egymáshoz ragasztott dobozokon keresztül átfújatjuk egy erre alkalmas eszköz, ventilátor segítségével, és eközben a nap sugárzása folytán felmelegszik az átáramló levegı, remélhetıleg jobban mint a vákuum nélküli kollektorban. A különbözı mértékben kialakított vákuumok arra szolgálnak, hogy szigeteljenek. Vákuumban kevés a levegı molekula, így kevés lesz az, ami közvetíti a kinetikus energiát a molekulákon keresztül, kevesebb hıt ad le kifelé felmelegedése után a kollektor. Felmelegedni ugyanakkor ugyanúgy fel fog mivel a sugárzási energia alakul át hıvé amikor valamilyen felülettel találkozik, nem kell hozzá közvetítı közeg.
4
2. A Napsugárzás fizikai alapjai
2.1. A Nap szerkezete
2.1.1. A Nap felépítése: Honnan tudjuk?
A Nap tömegébıl és fényességébıl adódóan lehet következtetni a Nap belsejében uralkodó állapotokról. Egy ilyen gázgömbnek a szerkezetét három erı határozza meg: a gáznyomás, a fénynyomás és a gravitáció. Az elıbbi kettı ellentétes irányú az utóbbi erıvel és egyensúlyban kell hogy legyenek, mivel a Nap nem fújódik fel vagy szóródik szét és nem roskad össze se. Mindezek mellett fontosak a gyakorlati megfigyelések, úgy ahogy a Föld belsı rétegeit a Föld-szeizmológiából lehet megismerni, úgy a Nap esetében Nap-szeizmológiáról beszélhetünk.
1. ábra: A Nap szerkezete (http://www.sg.hu/kep/2003_11/1104nap3.jpg)
2.1.2. A mag A Nap legbelsejében a hımérséklet 15·106 kelvin, a sőrőség pedig 1,5·105 kg/m3 . Itt magfúzió jön létre, eközben 4 H egyesül He 4-é, és energia szabadul fel. Ebbıl kifolyólag a Nap másodpercenként hozzávetılegesen 5 millió tonnát „fogy”, ez a 5
hidrogén fogyása, ami másodpercenként 8,9·1037 hidrogénatom egyesülése folytán áll be. 383·1024 watt energia keletkezik a magban ekkor. Ebbıl a magban keletkezett, majd a világőrbe kisugárzott energiából a Föld térségében 1,37 kW/m2 energiafluxus jut, amelynek egy részét a légkör elnyeli, visszaveri ugyan, de a földfelszínen még így is kb. 1 kW Napenergia esik minden merılegesen megvilágított négyzetméterre.
2.1.3. A sugárzási zóna zóna
Itt ionizált hidrogén található, ami még elegendı sőrőséget ér el, hogy a sugárzás ne hıáramlás útján, hanem sugárzás által továbbítódjon. A mag külsı határától a Nap sugarának a 0,7-ig tart a sugárzási zóna.
2.1.4. A konvekciós zóna
A sugár 0,7-ed részétıl kifele található és a semleges hidrogénnek köszönhetıen itt nem sugárzás, hanem áramlás-konvekción keresztül jut a hı a felszínre. Ezek az ún. konvekciós áramlások egyfajta belül forró kívül hideg buborékként foghatóak fel, amikben a felfele áramlanak a forró részecskék és a lehőlt anyag, aminek nincs elég energiája elhagyni a Napot a szélükön esnek vissza. A fotoszférában granulációt okoz még.
2.1.5. A Nap atmoszférája
2.1.5.1. F o t o s z f é r a
A Napból jövı fény nagy része innen származik. Alsó határán 6500 kelvin, felsı határán 4400 kelvin a hımérséklet. A sőrőség még az alsó határon se éri el a levegıének az egy ezrelékét. A Nap felületi hımérsékletének mégis az 5780 kelvin fokot értjük, mert az innen kilépı sugárzás összességében ugyanannyi energiát szállít, mintha egyetlen, ilyen hımérséklető felületrıl származna, ez a Nap effektív hımérsékletének. A konvekciós áramlások következtében kialakult granulációs jelenségek okozzák a Nap atmoszférájának jellegzetes szemcsés szerkezetét. Egy granula kb. 1000km átmérıjő, élettartamuk 8-10 perc, a feláramlás sebessége 1–2 km/s. Itt találhatóak, a napfoltok és a napfáklyák is. Elıbbiek sötétebbek és 1-2000 kelvinnel alacsonyabb hımérsékletőek 6
környezetüknél, utóbbiak világosabbak és forróbbak. A napfoltok két részre oszthatóak, belsı sötétebb az umbra, a külsı világosabb a penumbra.
2.1.5.2. K r o m o s z f é r a
A kromoszféra tartománya egyezményesen a fotoszféra leghidegebb régiójától, a kromoszféra legmelegebb területeiig tart, ahol a hımérséklet eléri a 30000 kelvin értéket. A „színes gömbhéj” legnagyobb részében azonban 6-7000 kelvin van. A sőrőség itt a felsı határán lecsökken 10
− 13
g/cm3-re. Érdekességek, hogy Napfogyatkozáskor
figyelhetı és tanulmányozható a réteg, ami vörös színő tüskékben, avagy szpikulákban és flokkuluszokban, vagyis a fotoszférából jövı granulációkban is megnyilvánul. Színképelemzések alkalmával kiderült, hogy megfigyeltek itt már olyan bonyolultabb molekulákat, mint a víz és szén-dioxid.
2.1.5.3.Á t m e n e t i t a r t o m á n y
Hımérsékleti intervallum szerint osztjuk be a légkör ezen részét is: a naplégkör azon része, ahol a hımérséklet 30 000 és 500 000 K között van. Ez a réteg nem gömbszimmetrikus, hanem térben és idıben változó, finom struktúra, mely hatással van a koronára.
2.1.5.4. K o r o n a
Definíció szerint a naplégkör azon része, ahol meghaladja a félmillió kelvint, amúgy tipikusan 1-2 millió kelvin érték itt a hımérséklet, aminek a pontos okát a mai napig nem sikerült feltárni. Annyit tudunk, hogy a koronában a Nap mágneses mezejének energiasőrősége sok nagyságrenddel meghaladja a ritka gáz termikus energiasőrőségét, így a gáz termikus energiasőrőségébıl adódó hımérsékletet megemeli. A korona kinyúlik egészen 17 millió kilométerre is, sokkal kiterjedtebb mint a Nap maga, nincs éles határa. A magas termikus hımozgásból adódóan, folyamatosan szöknek el részecskék az őrbe (alulról ez pótlódik), ez adja az ún. napszelet. A napkorona megfigyelhetı szabad szemmel napfogyatkozáskor, koronagráffal, mely mesterségesen eltakarva a Napot napfogyatkozást idéz elı, rádiósugárzást gerjesztenek 7
a koronában végbemenı egyes folyamatok és a röntgen tartományt kihasználva, mert innen nagy energiájú sugárzás bocsátódik ki a magas hımérséklet miatt, az utóbbira használatosak a speciális helyeken kiképzett őrobszervatóriumok, melyek lehetıvé teszik az amúgy földi légkörben elnyelıdı röntgen sugárzás fogadását. Az optikai színképek alapján a korona három komponensét (K-, F- és E-korona) szokás elkülöníteni.
2.1.6. A Nap mágnesen mezeje
2.1.6.1. A m a g n e t o s z f é r a
Eredete a Nap anyagában és anyagának mozgásából ered. A plazma halmazállapotú anyag a sarkoknál kisebb sebességgel forog, mint a Nap egyenlítıjénél, következésképpen a mágneses erıvonalak összegabalyodnak és hurkok formájában elszakadnak a felszíntıl, hatalmas napkitöréseket okozva ezzel. A 11 éves ciklusa során a Napnak egyre erısebbé válnak ezek a zavarok és végül kicserélıdik a két mágneses pólusa. A magnetoszféra betölti az egész Naprendszert, a bolygóközi anyagban ezt helioszferikus mágneses térnek nevezzük, ez a Nap önmagából adódó mágneses térerısségét felerısíti, a Föld közelében nagyjából két nagyságrenddel nagyobb az értéke (http://hu.wikipedia.org/wiki/Nap).
2.2. A Napból a Földre jutó energia
A Napot elhagyó fotonok nagyobb részének hullámhossza az elektromágneses spektrum ultraibolya, látható és infravörös tartományban hagyja el a csillagot, de kis mennyiségben kijutnak gamma-röntgen- és rádióhullámok is. A Nap felületérıl kibocsátott bruttó energiának csak nagyon apró része (tízmilliárdod) jut el a Föld légköréig. Az elıbbit nevezzük a Nap sugárzási teljesítményének, ami 3,86*1023 kW, az utóbbit (ami eljut a Földig) pedig napállandónak, ez megadja az átlagos Nap-Föld távolságban, a légkör felsı határán, a sugárzás irányára merıleges 1 négyzetméteres felületre, 1 másodperc alatt, mennyi energia jut. Ha belegondolunk a Napból származik minden ami a Földön megtalálható és az ezek mőködéséhez szükséges energia is. A Napenergia indirekt hasznosítása terjedt el elsısorban napjainkban, pontosabban a fosszilis energiahordozók égetés, mindezek 8
ellenére. A közvetlen sugárzási energia hasznosítása egyelıre gyerekcipıben jár és kevéssé elterjedt. Magyarországon a napsütéses órák száma 1900 és 2200 óra közt változik térben évente. Legkevesebbet süt a Nap itthon a Zempléni-hegységben és az Aggtelekihegységben. Legtöbbet az Alföld déli régióiba. Átlagosan a hozzánk esı napsugárzási energia az 1760 kWh/m2/év, amit ha 100%-os hatásfokkal mőködı napenergia hasznosító berendezésekkel (napkollektor, napelem) lefednénk egy az ország méretéhez képest aránylag kisebb területet, akkor fedezné az ország éves energiaszükségletét, ami 40TWh.
3. ábra: A közvetlen és szórt sugárzás összegének részaránya Magyarországon (www.futesuzlethaz.hu/vakumcsovesnapkollektor3.jpg)
9
4. ábra: Vízszintes felületre érkezı napsugárzás energiájának napi átlagértékei és az azokból hasznosítható energia [kWh/m2/nap] (www.vgfszaklap.hu/.../cikkkepek/2005/4/nap3.jpg)
Látható, hogy a például júniusi sugárzás mintegy 3,5-szerese a decemberiének, ebbıl pedig az következik, hogy ezt lehetne a leginkább kihasználni (és leginkább a nyári hónapokat) Napenergia hasznosítás terén.
3. A Napenergia felhasználási lehetıségei
3.1. A családi házakban történı Napenergia hasznosítás fajtái
Hogy a rezsi költségeit lefaragjuk és a környezetet ne terheljük annyira, mint a gázfőtés, elsısorban főtésre, melegítésre használhatjuk, de létezik elektromos áram termelı lehetısége is.
3.1.1. Passzív hasznosítás
Napenergia átalakító készülék nélkül hasznosítjuk a lakóházak optimális tájolásával, fekvésével, üvegezésével, szerkezetével és anyagával a Napból jövı sugárzást.
10
3.1.2. Aktív hasznosítás
Napenergia transzformáló berendezés segítségével alakítjuk át a sugárzási energiát hıvé ill. elektromos energiává. Ezek a berendezések lehetnek: napkollektorok, napelemek. Legelterjedtebb megoldásuk a napkollektor amikor a sugárzás hıvé alakulásával melegíti fel a berendezés falát, ami az ott átáramló közeg (levegı vagy víz) minél jobb hatásfokú, azaz minimálisra csökkentve az áramló közeg
által felfogott energia
haszontalan visszasugárzását vagy hıvezetés általi kibocsátódását a gépbıl. Ennek a produktumai lehetnek: meleg víz fürdésre, mosásra, fızésre, főtésre ill. meleg levegı főtésre.
3.1.3. Elektromos hasznosítás
A napelemek pedig a fotovillamos hasznosítás révén fotoeffektus útján (amikor a foton elektront üt ki a felületbıl) alakítja sugárzást elektromossággá, amire közvetlenül lehet fogyasztókat kapcsolni. Inverter beiktatásával az elıállított 12V és 24V-os egyenfeszültséget, át lehet alakítani 220V-á, ami a leghasználatosabb feszültségérték.
3.1.4. A Napenergia tárolása
A gyakorlatban azonban legtöbbször pont nem akkor akarjuk a napenergia hasznosításából érkezı javakat élvezni, amikor az idıjárás arra a legalkalmasabb, ugyanis pont ekkor van a legmelegebb és ilyenkor süt a legtöbbet a Nap. Ennél fogva szükség van a napenergia során befogott hı és áram tárolására. Elıbbire a legalkalmasabbak a szigetelt tartályok alkalmazása, illetve még a beton rendkívül jó hıtároló, az utóbbi esetben akkumulátorokkal oldhatjuk meg a problémát.
11
5. ábra: Hıszükséglet és hınyereség ábrája, mutatója országunkban (www.vgfszaklap.hu/.../cikkkepek/2005/4/nap3.jpg)
Az 5. ábra azt mutatja, hogy mekkora a differencia a mondjuk júliusi és decemberi hıszükséglet és hınyereség között. Júliusban kicsi a főtés/főtés+melegvíz hıszükséglet, de a hınyereség nagy, januárban ennek a fordítottja zajlik le. Ámbár ha csak a melegvíz hıszükségletet mutatom be, akkor az az egész évben állandó (fürdés). Hogy a nyáron „összegyőjtött” meleget télen hasznosítani tudjuk tároló egységekre lenne/van szükség.
3.2. A hibrid Napenergia hasznosítás
Hibrid napenergia hasznosítás: A napkollektor/napelem valamilyen a víz ill. levegı áramlását benne segítı perifériához kapcsolni, ami szintén a megújuló energiaforrások közül kerülhet ki: arra alkalmas helyen: kis-vízerımő vagy szélerımő, de lehet még szellıztetı, motoros ventilátor, légcsatorna.
3.3. Direkt és indirekt hasznosítás
A Napból kinyert energia hasznosításának két fı típusa van: direkt (errıl volt szó az ezt megelızı bekezdésekben) és indirekten.
12
Indirekt a szélenergia, mert a Nap a földfelszínt melegítve átadj a Nap hıjét a légkörnek és az a valóságban mindenhol másképp melegszik fel és a más hımérséklető légtömegek hımérséklet kiegyensúlyozására törekvı jelenség a szél, tehát ez az energia a Napból ered. Indirekt még a növények égetésébıl, azaz a biomassza energetikai célú felhasználásból ered ez a hasznosítás típus. Ez azt jelenti, hogy a napfény energiáját a növények felhasználják a fotoszintetikus asszimiláció során, és ennek útján alakítják át a külsıleg felszívott szervetlen anyagokat, saját szerves tömeggé. Nem direkt energiaforrás a víz gravitációs erı és párolgás (szintén a Nap mozgat) általi, helyzeti energia másodlagos energiaforrássá (pl. villamos energia) alakítása. Talán a legindirektebb a biotömegbıl elıállítódott fosszilis energiahordozók égetése, amik több energiaszinten átalakulva jutnak el-eredendıen a Nap energiájávalaz felhasználható kıolaj/földgáz állapotba.
3.4 A direkt napfényenergia hasznosításának korlátai és hátrányai
Még mielıtt elkezdenénk a napkollektorok és napelemek sok elınyét felsorolni, szólni kell arról is hogy hol és mikor nem lehet használni, valamint hogy a lakosság körében miért is nincsen még popularizálva olyan szinten, ahogy azt meg kellene tenni a Föld és gyermekeink érdekében. A legjövedelmezıbb az volna, ha a nagy sivatagokban és napfényes szavannákon létesítenék a legtöbb ilyen berendezést, persze a bioszféra változatlan megırzése mellett, mert itt, a 35. szélességi fok alatt a legtöbb a napsütéses órák száma, de ez még nem jutott el a gyakorlati kivitelezés szintjére. Nem lehet napelemet és napkollektort mőködtetni sehol sem, hogyha olyan szinten el van borulva az ég, hogy nem tudjuk meg mondani merre van a Nap. Bizonyos ideig persze a napenergia tárolható, néhány napos hıtárolás megoldható reális mérető, 1-2 m3-es puffer tárolóval, ennél hosszabb tárolás azonban már több 10, esetleg 100 m3es tárolót igényelne, ami reálisan nem javasolható minden háztartás számára. A napenergia hasznosítás nem gyógyír mindenre tehát. Magyarország meteorológiai adottságait figyelembe véve, reális beruházást feltételezve pl. a háztartások számára, nem lehet a melegvíz-készítés, és különösen nem a főtés hıszükségletét teljes egészében napkollektorokkal fedezni. Be kell érni általában
13
kisebb, meleg víz esetében 60-70%-os, főtés esetében 30-40%-os spórolási részaránnyal. Azonban ne feledjük hogy ez sem kevés! A legtöbb ember meg nem igazán tud a háztartási Napenergia hasznosító berendezések elınyeirıl, mert ennek a propagandája se olyan kiépített és megszervezett, valamint a legtöbb ember nem tudná ezeket megvenni kapásból, támogatás nélkül, ebben is az államnak volna a legfontosabb szerepe. 4. A napkollektorok általános mőködése A napkollektoros megoldás során hıt állítunk elı – ez a már leírt termikus hasznosítás. A felhasználás típusától és az elıállított hımérséklettıl függıen megkülönböztetünk alacsony, magas és közepes hımérséklető hasznosítást. Az alacsony hımérséklető rendszerek esetében 20-30 °C elıállítása a cél (pl. úszómedencék, kerti zuhanyzók). A magas hımérséklető hasznosítás (akár 400 °C-os hıátadó közeg használatával) esetén gızt állítunk elı, mellyel turbinát forgatva áramot termelünk. Eklaktáns példája a magas hımérséklető rendszereknek a kaliforniai szolár erımő. Miután a hétköznapok szempontjából a közepes hımérséklető rendszerek a legfontosabbak, ezért a továbbiakban elsısorban ezekkel foglalkozunk. Közepes hıfokú rendszereknek nevezzük azokat, melyeknek célja a 45-75 °C elıállítása. Ez döntıen a használati/technológiai melegvíz-elıállítást, főtésrásegítést, és medencevíz-melegítést tesz lehetıvé. A mőködési elvük a következı: napkollektorokkal a napsugárzást begyőjtjük, átadjuk egy hıelnyelı felületre. Ez felmelegíti a hıelnyelı felület mentén áramló folyadékot, amely hıcserélıbe vezetve vizet melegít a szekunder oldalon. A kollektor részeinek jellemzése: a mai modern síkkollektorok talán egyik legfontosabb eleme maga az abszorberlemez kiképzése. Ez lehet réz vagy alumínium, melyre ún. szuper-szelektív bevonat kerül. A bevonat szelektivitása annak abszorpciójának és emissziójának hányadosa- az-az minél több energiát tud elnyelni, miközben minél kevesebbet bocsát vissza a környezetébe, annál „szelektívebb” a bevonat. Az abszorber bevonatán kívül az is fontos, hogy a bevonatolt abszorberlemez hogyan kerül rögzítésre a rézcsı húrokhoz, melyekbe a hıátadó folyadék kering, ez manapság hegesztéssel történik. Vákuumcsöves kollektorokat elıször a ’30-as években, Angliában kezdtek el használni. Az elsı ilyen kollektor egy kivákuumozott üvegcsıbıl állt, melybe egy 14
síkkollektor-szegmenst helyeztek el. Az abszorber-szegmenst a kiépítés során a tetı tájolásának megfelelıen elforgatták. A vákuum jobb hıszigetelést eredményezett, az abszorber forgatásával pedig kisebb irányérzékenységet lehetett elérni. A mai dupla vákuumcsöves berendezésekben a 2 üvegcsı között vákuum van, mely biztosítja a közel tökéletes
hıszigetelést,
míg
a
belsı
üvegcsı
szelektív
bevonata-elsıdleges
abszorberfelület- kis irányérzékenységet tesz lehetıvé. A napkollektorok teljesítményére vonatkozólag is tenni kell egypár megjegyzést. Ezt minimális kWh/m2/évben határozzuk meg. Ez tehát a fajlagos teljesítményérték, melyet a kollektor hıelnyelı felületével kell beszorozni és megkapjuk az összes teljesítményét az adott kollektornak. Kollektor bruttó felületének jelentése pedig: mennyi helyet foglal el a tetın. A kollektorok teljesítményére vonatkozó információkból kiderül, hogy egy rendszernél nem számít annyira, hogy vákuumcsöveset vagy síkkollektort használunk, hanem az hogy a rendszer hıtermelése megfelelıen lett-e kiszámítva, azaz bruttó felületéhez képest elegendı pl. meleg vizet állít-e elı arányaiban: ökölszabályként kimondható, hogy a mai modern kollektorok éves átlaghozamának kiszámításához nézhetjük a napi nettó m2-kénti 70-100 liter 45°C-os víz elıállítását. Fontos paraméter még a kollektor üresjárati hımérséklete, ami azt mutatja meg, hogy hány fokig melegszik fel az abszorber a kollektorban. Ebbıl következtethetünk arra is, hogyha ugye minél jobban melegszik fel az abszorber, az annál jobb minıségő. A mai modern kollektorok esetében ez lehet 220-350°C, és ez bizonyos illesztési (lágyforrasztás kizárása) elıírásokat és a rendszer biztonsági komponenseinek maradéktalan beépítését követeli meg. Ha már egy konkrét példát nézünk és vásárlásra adnánk a fejünket, akkor a legfontosabb szempont amit a kollektor típusán kívül tudnunk kell, azok a minıség és mennyiség: a megtermelt energiát tárolni kell, hiszen a felhasználás és a termelés idıpontja legtöbbször nem esik egybe. Meg kell fontolnunk nagyjából mennyi napi igényre van szükségünk és ez alapján vásárolni. Pl. egy 4 fıs háztartás napi használati melegvíz-igényének fedezésére feltétlenül szükséges egy 200-300 literes hıcserélı tároló használata és egy pl. 200 literes tartály megfőtésére szükség van kb. 2-3m2 abszorber felületre. Ezekbıl következik, hogy az egyik gyártónál ez egy 2,2m2-es, míg a másiknál 2 db 1,7m2-es nettó kollektor felülettel rendelkezı kollektorral oldható meg. Lényeges azonban hogy ha túlméretezzük a kollektor felületet, azzal nem fogunk elérni magasabb hımérsékletet, hiszen a kollektort alkotó összes komponens együttes 15
egymásra hatása
szabja meg. Ezt nevezzük rendszeroptimalizálásnak. Az alapelv
azonban mindig azonos kell hogy legyen: a napi hımennyiség tárolásához azonos térfogatú tárolókapacitást kell hozzárendelni.
4.1. Síkkollektorok 4.1.1. A síkkollektorok felépítése és mőködése
A napkollektorok legelterjedtebb, legrégebben használt típusa a síkkollektor, aminek a szerkezeti kialakítása az 1. ábrán látható (?). Ez egy elıl üvegezett, hátul hıszigetelt lapos dobozban elhelyezett csıjáratos fekete lemez. A mőködési elve igen egyszerő: a napsugárzás áthalad az üvegfedésen, majd a fekete abszorber lemezen elnyelıdik, és így hıvé alakul, aminek következtében a lemez a ráerısített csıkígyóval együtt felmelegszik. Az így keletkezett hıenergiát a csıvezetékben keringetett folyadékkal lehet a napkollektorból elvezetni. Látszólag tehát a kollektor mőködési elve és szerkezeti kialakítása valóban egyszerő, ahhoz azonban, hogy jó minıségő kollektort kapjunk a részletek gondos kidolgozása is nagyon fontos.
6. ábra: Síkkollektor fıbb szerkezeti elemeinek ábrája (ocean-l.hu/.../sikkollektor%20metszet.jpg )
16
4.1.2. A síkkollektorok fıbb szerkezeti elemeinek leírása
A legfontosabb elem az abszorber lemez lesz. Ennek a feladata a napsugárzás elnyelése és hıvé alakítása, valamint a keletkezett hı átadása a kollektorban keringı munkaközegnek. A napsugárzást minden fekete színő és matt felülető anyag jó hatásfokkal elnyeli, azonban ha a környezeti hımérséklet fölé melegednek, maguk is sugárzóvá válnak, ami veszteséget jelent. A hısugárzás hullámhossza a sugárzó test hımérsékletétıl függ. A napsugárzás a magas hımérséklető Napból származik, ezért ez rövid hullámhosszú sugárzás, míg a Naphoz képest alacsony hımérséklető abszorberlemez hosszút bocsát ki. A jó hatásfokú napkollektorok abszorberlemezét ezért olyan ún. szelektív bevonattal látják el, mely a rövid hullámhosszú sugárzást szinte tökéletesen elnyeli, míg a saját hosszú hullámhosszú sugárzását nem engedi át, azt visszaveri. Ezek többnyire feketekróm, nikkel- vagy titániumoxidréteg lehet.
7. ábra: A szelektív és fekete abszorber elnyelı épességének összehasonlítása (www.vgfszaklap.hu/.../cikkkepek/2005/4/nap3.jpg )
A másik nagyon fontos része a kollektornak a szolárüveg, aminek kettıs funkciója van: felülrıl lezárja a kollektort és védjen a mechanikai behatásoktól, valamint minél nagyobb részarányban engedje át a napsugárzást és az abszorberlemez fölött kialakuló zárt légréteggel csökkentse a konvektív hıveszteséget. - Speciális mikroprizmás hıedzett 4 mm vastag szolárüveg. A sima üveg, (pl. ablaküveg) a napsugárzás 85 %-át átengedi, 15 %-át visszatükrözi. A szolárüveg 92-93%-át engedi át a napsugárzásnak. Az üveg jégesınek ellenáll. 17
A kollektorok dobozszerkezetének feladata az elıbb leírt egységek és a hıszigetelés valamint a csırendszer egységben tartása, lezárása, a nedvesség bejutásának megakadályozása. Ez utóbbi nagyon fontos, mert a kollektorok tönkremenetelét sokszor a belsı nedvesség, pára okozza. Ugyanakkor nem lehet teljesen légtömörre lezárni a házat, mert a nagy hıingásból adódó légtérfogatváltozást nem bírnák a szerkezeti elemek, úgymond hagyni kell a kollektornak némi „szuszogási” lehetıséget. Ezek a házak általában alumíniumlemezbıl készülnek. Fontos, hogy az üveg fedılap tömítése ne öregedjen el, ellenálljon a magas hıfoknak és a sugárzásnak. A kollektorházon belül, az abszorberlemez és a hátlap közti részt a szigetelés tölti ki. Erre a célra általában kızet- vagy üveggyapotot használnak. Itt is fontos természetesen, hogy bírja az üresjárati üzemmódból adódó magas hıfokot, valamint úgy kell beépíteni, hogy az abszorberlemez hıhídmentesen helyezkedjen el. Alkalmazott vastagsága általában 40-60 mm.
4.2. A Napkollektorok mőszaki tulajdonságai
4.2.1. Hatásfok
A hıtermelı berendezések esetében a hatásfok a hasznosított és a bevitt hımennyiség arányát fejezi ki. A napkollektorok bevitt hımennyisége a Nap elektromágneses sugárzása. Tehát a hasznosított hıenergia és a napkollektor felületére érkezı sugárzás energiájának aránya fogja megadni a hatásfokot: Kollektorhatásfok= Kollektorral hasznosított hımennyiség/Kollektor felületére érkezı napsugárzás. A hatásfokból visszaszámolható veszteségek átlagosnak tekinthetık derült nap sugárzási és hımérsékletviszonyai esetén.
18
8. ábra: Síkkollektor felépítése és átlagos napenergia hasznosító képessége (www.vgfszaklap.hu/.../cikkkepek/2005/4/nap3.jpg)
Kollektorok hatásfoka pontosan követi a pillanatnyi sugárzási és hımérsékleti viszonyokat, ezért nem lehet egy számmal megadni, mert állandóan változik egy maximális érték és 0 közt. Ezért a kollektorok hatásfokát egzakt módon csak grafikonnal vagy matematikai egyenlettel lehet megadni. Egy szelektív síkkollektor hatásfokgörbéje a 4. ábrán látható. Szabványok szerint a hatásfokot egy általában X-szel jelölt paraméter függvényében adják meg: X = Kollektor hımérséklet - Környezeti levegıhımérséklet/ Kollektor felületére érkezı napsugárzás. A maximális hatásfokérték ebbıl látszik, hogy akkor lesz amikor X nulla, ami azt jelenti, hogy a kollektor és a környezeti levegıhımérséklet megegyezik. Ez a pont az optikai hatásfok. Mivel itt nincs hıveszteség, a veszteségek csak optikai jellegőek, az üvegfedés fényáteresztı képességétıl és az elnyelılemez napsugárzás-elnyelı képességétıl függenek. Ez az állapot nem igazán fordulhat elı, mivel a levegı hımérséklete még nyáron is többnyire csak 20-30°C, a kollektorok hıfoka pedig csak akkor lehet ugyanennyi, ha maximum 10-20°C-os vizet főtenek. Persze lehet ilyen üzemmód nyáron a hálózati hideg víz elımelegítésekor vagy medencék főtésekor, de általában nem ez a jellemzı.
19
9. ábra Kollektor hatásfoka különbözı környezeti feltételeket mutató változó (X) függvényében (http://www.naplopo.hu/Cikkek/Napenergia-lehetosegek/8-abra.gif)
Ha X értéke növekszik, vagyis nı a különbség a számlálóban, akkor folyamatosan csökken a hatásfok, egészen a nulláig. Ha a hatásfokot képlettel adják meg, akkor a csökkenés egy elsı és egy másodfokú taggal jellemezhetı. Ennek képlete: η(X)= η0 – a1 · (- a2) · G · X2 ahol: η0: a kollektor optikai hatásfoka a1: az elsıfokú hıveszteségi együttható a2: a másodfokú hıveszteségi együttható X: a hatásfok független változója X = (tkoll-tlev) / G , [X] = (K · m2 ) / W Tkoll: a kollektor közepes hıfoka: (tki + tbe) / 2 Tki: a kollektorból kilépı hıhordozó közeg hımérséklete Tbe: a belépı közeg hıfoka Tlev: a környezeti levegı hımérséklete
20
G: a kollektor felületére merılegesen esı globális napsugárzás [W/m2]
4.2.2. A kollektorok hıtechnikai jellemzıinek egyszerőbb megadása
A
minısítı
intézetek
közzétesznek
az
elıbbieknél
kézzelfoghatóbban
összehasonlítható mérési eredményeket és szimulációs számítással meghatározott értékeket is: például a kollektorok hatásfokát vagy teljesítményét bizonyos diszkrét, a valódi üzemmódokat jól jellemzı hımérséklet- és napsugárzási értékek esetére. (1. táblázat!?) Egy másik, még érthetıbb mód a kollektorok jóságának jellemzésére, ha megadják, hogy az adott kollektort alkalmazva 3 jellemzı felhasználási terület esetén egy évben egy m2 kollektorfelülettel mekkora hımennyiséget lehet hasznosítani. Az így közölt értékeket számítógépes szimuláció útján határozzák meg.
4.2.2.1. H ı t e c h n i k a i j e l l e m z ı k a h á r o m f ı f e l h a s z n á l á s i t e r ü l e t r e
Felhasználási terület Használati melegvízkészítés Használati melegvízelımelgítés Épületfőtés rásegítés
hol-hány fınek családi ház: 46 fınek nagyobb létesítmények: 200 fı családi ház: 46 fınek
éves hıszükséglet
kollektor fedezet
elérhetı fajlagos koll.-hınyereség
4200 kWh
60%
~500 kWh/m
2
191 700 kWh
25%
~750 kWh/m
2
16 340 kWh
25%
~350 kWh/m
2
1. táblázat
A fenti 3 példából látszik, hogy a hasznosítható hıenergia szempontjából mennyire döntı jelentıségő, hogy a kollektorokat mire használják. Téves az, az általánosan elterjedt nézet miszerint a kollektorokat melegvíz-készítésre nem, csak főtés rásegítésre lehet gazdaságosan alkalmazni: ha csak a főtés miatt viszonylag nagymérető napkollektor-felületet építenek ki, és a nyári hónapokban érkezı napsugárzást nem tudják mire hasznosítani, akkor ez elvész, és a kollektorok fajlagos éves energiahozama alacsony lesz, ami rontja a gazdaságosságot. Leggazdaságosabban nagymérető, használati melegvíz-készítı rendszerek hozhatóak létre, ahol a kollektorok csak elımelegítést végeznek, kb. 25-30%-os éves szoláris részarány mellett.
21
4.2.3. Napkollektorok felületei Nem mindegy, hogy a kollektorok milyen felületére kell számítani a napsugárzást. Általában 3-féle felületet különböztetünk meg: bruttó (teljes), abszorberés szabad üvegfelületet. Hatásfok kiszámításnál manapság, inkább a szabad üvegfelületet veszik figyelembe.
4.2.4. Vákuum – mint a kollektorok hıszigetelése A síkkollektorok konvektív hıvesztesége átlagos körülmények esetén 13% körüli érték. A konvektív hıveszteség okozója a kollektorházban lévı levegı, mely mozgásával, keringésével a meleg abszorbert visszahőti a hidegebb üvegfedés felé. Ha tehát a kollektorházból sikerülne kiszívni a levegıt, ezáltal vákuumot hozva létre, akkor mérsékelni lehetne a konvektív hıveszteséget. Tehát ennek értelme a konvektív hıveszteség csökkentése, a napsugárzás elnyelı tulajdonságokat pedig a vákuum nem befolyásolja. A vákuumos hıszigeteléső kollektorok kialakításának egyik módja a vákuumos síkkollektor. Ez nagyrészt megegyezik a hagyományos hıszigeteléső kollektorral leszámítva a kızetgyapot szigetelést, mivel itt ennek a szerepét a vákuum adja. A kollektorház légmentesen zárt kialakítású, és a kollektorból felszerelés után vákuumszivattyúval ki lehet szívni a levegıt. Az erre alkalmas kivezetı nyílás
a
kollektoron a vákuum-adapter ami egy nyomásmérı és egy gyorscsatlakozó a vákuumszivattyúnak. Síkkollektorokat nem lehet tökéletesen légmentesen szigetelni, ezért a vákuum kb. 2-3 évig tartják, utána a vákuumozást meg kell ismételni. A nyomásmérın viszont folyamatosan látható-és így ellenırizhetı- a vákuum állapota, és az újra-vákuumozás nem igényel különösebb szerelést, csak a szivattyút kell csatlakoztatni, és néhány óráig járatni. Azért, hogy a vákuum hatására össze ne roppanjon a kollektor, az üveg és a hátlap között távtartó tüskék vannak elhelyezve. A vákuum hatásfokát még kriptongáz adagolásával lehet növelni a vákuumtérben. Jelentısebb hatásfok növekedés csak magas X-értékeknél következik be, a kollektorok jellemzıen elıforduló üzemmódjánál – ami kb. X= 0,05-nél van – az elérhetı növekedés 10-15%. Azonban a magasabb hatásfoknak ára is van: a vákuumos síkkollektorok ára kb. a duplája a normális síkkollektorokénak (ezért készítem inkább el).
22
4.3. Vákuum a csıben- vákuumcsöves kollektorok
10. ábra: A vákuumcsöves kollektor mőködési szemléltetıje (www.nr2001.hu/mukodes_clip_image002.jpg )
A vákuumcsöves napkollektor az újabb mőszaki fejlesztések eredménye. Az ikerüveges változat alapötlete a termoszüvegektıl ered. A dupla üvegfal belsı felére gızöléses eljárással hordják fel az abszorber réteget. A külsı üvegcsı teljesen átlátszó. A beesı fény a belsı üveg felületén hıvé alakul, melyet az üvegcsı belsejében elhelyezett főtıcsı továbbít a győjtıegységbe. Innen a rendszerben keringtetett folyadék a víztartályba szállítja az átvett hıt. A két üvegcsı közötti teret vákuum tölti ki, amely a hıszigetelést biztosítja. Magyarországon az utóbbi években kedvezı áruk miatt nagyon elterjedtek ezek a típusok, ám itt rögtön meg kell jegyezni, hogy a külsıre azonosnak tőnı gyártmányok között igen nagy különbség lehet a teljesítmény tekintetében. Ha valahol, hát a napenergia-hasznosításban nagyon igaz a régi, magyar mondás, miszerint „olcsó húsnak híg a leve”. Az egyes gyártmányok közt akár 30% teljesítménykülönbség is lehet, ami azt jelenti, hogy a gyenge minıségő utánzatok teljesítménye még a közepes minıségő síkkollektorokét is alig éri el. Ha már árról van szó, akkor meg kell említeni, hogy a valóban jó minıségő vákuumcsöves kollektorok ára általában lényegesen magasabb, mint a síkkollektoroké és ezt a magas árkülönbözetet nem tudják kompenzálni az éves átlagban elérhetı 10-20%-os teljesítmény többlettel.
23
5. A sörkollektor vizsgálata csökkentett nyomású kamrával 5.1. A munkám célja Juhász Edina napkollektoros munkáját fejlesztem tovább a dolgozatomban. A levegıs sörös doboz síkkollektort, ami hagyományos levegıs és kızetgyapot szigeteléső, átépítettük csökkentett nyomású kamrás szigeteléső sörös dobozos kollektorrá. Ehhez számos újítást és változtatást kellett véghez vinni. De nézzük meg elıbb a levegıs sörös dobozos síkkollektor felépítését és mőködését. A fı célom nem az, hogy azt számoljam ki, hogy a levegıs vagy a csökkentett nyomású kamrás szigeteléső kollektor mőködtetése térül meg hamarabb, hanem az, hogy milyen hatásfok növekedést –már ha elérem- tudok elérni ezzel az átépített verzióval. „A
kollektor valójában egy fadoboz, amelynek elılapja egy átlátszó, 6 mm
vastag, légkamrás víztiszta polikarbonát lemez (10. ábra). Ez tartalmazza a matt feketére festett abszorbert, amely alumínium sörös dobozokból összeragasztott csövekbıl áll. A dobozok mögött kızetgyapotos szigetelés van. Alul egy elosztó, felül egy gyüjtı doboz található, amely 1 mm-es alumínium lemezbıl készült. A főtendı helyiség levegıjét egy ventilátor egy szőrıvel ellátott csövön át befújja a kollektor osztó dobozába. Ebbıl az osztóból a levegı a sörösdobozból kialakított csövekbe jut. Napsütés hatására a csövekben gyorsan felmelegszik a levegı, amely a győjtıdobozból egy csövön keresztül visszaáramlik a helyiségbe. A helyiség levegıje és a kollektor csöveiben áramló levegı zárt rendszert képez. Fontos, hogy a szoba levegıje ne kerüljön a kollektor dobozába, mert a polikarbonát fedés belülrıl porosodhat, párásodhat, ami rontja a fényáteresztı képességét.” 5.1.1. Változtatások Elsı kézbıl a korábbi kollektor faburkolatát lebontottuk a belsı részekrıl és helyette 18mm vastag laminált bútorlappal helyettesítettük, a bútorlapot méretre vágattuk a precíz vágás biztosította a pontos illesztéseket, ami elengedhetetlen a vákuum kialakításához. De ennek cseréje elıtt a sörösdobozokat szétszedtük és a régi gumitömítéseket eltávolítottuk és FBS szilikonos tömítı ragasztóval illesztettük össze. A polikarbonát és a kollektor hátfala között kereszthidalásokat raktunk a nyomáskülönbség okozta alakváltozás elkerülése érdekében. A bútorlapokból kialakítottuk a házat, a ház illesztéseit is evvel a ragasztóval végeztük és csavarokkal 24
erısítettük meg. Valamint az összeillesztett teljes szerkezet kapott egy új polikarbonát fedést, mert a régi megolvadt, elhasználódott. Az összeszerelés után elláttuk a berendezést egy szelepes csıvéggel, ahova a vákuumszivattyú csatlakoztatható. 5.1.2. Az újonnan beiktatott alkatrészek és áraik
alkatrész fehér bútorlap: FBS szilikonos ragasztó szelepes rézcsı csatlakozó facsavarok 4x45mm 20x20x250 mm-es hasábfa polifóm új polikarbonát lemez vákuumszivattyú
mennyiség 2 0,7 m 3 tubus 1 db 30 db 3 db 2 0,1 m 2 0,35 m 1 db
ár 1 540 Ft 1 500 Ft 250 Ft 150 Ft 300 Ft 1500 Ft 1556 Ft 21350 Ft
2. táblázat Tehát ha így építenénk meg a napkollektort az árdifferencia (vákuumszivattyú nélkül):30 304 Ft helyett a hagyományos szigeteléső sörös doboz kollektor esetében 28 146 Ft. Ami olcsóbb. Figyelembe kell venni, azonban a vákuumszivattyú mőködtetési költségeit. 5.1.3. Kép a kollektoromról
1. kép: A csökkentett nyomású kamrás kollektorom elıl nézetben
25
2. kép: A kollektorom hátulnézetben
5.2. A mérési tapasztalatok, eredmények
Ugyebár a hatásfok növekedést szemléletesen két értékkel vizsgálhatjuk meg. Egyik, az hogy mennyivel nagyobb hımérsékletre megy fel a kollektorból kiáramlott levegı a hagyományos szigeteléső verzióhoz képest. A másik meg egy hımérsékleti értéket mennyivel rövidebb idı alatt vesz fel a vákuumos szigeteléső kollektor. Számolni az elıbbivel fogok. Az elsı mérést 0,5 m-rıl bevilágítva végeztük egy 1000W-os lámpával bevilágítva, vákuumszivattyúzás nélkül. A szoba hımérséklete 24°C-os volt a mérés kezdetén. Kezdetben nem vizsgáltuk a hımérséklet állandóságig való felfutási idıt, de a napkollektorból kiáramló levegı hımérsékletemelkedése 44,5 °C-nál állt meg. A mérés célja csak a véghımérséklet becslése volt vákuum nélkül. A késıbbiekben az idıfüggést is fogjuk vizsgálni. Miután rácsatlakoztattuk a vákuumszivattyút és elindítottuk, ~0,48 MPa nyomást létrehozva a kollektor abszorbere és a polikarbonát fedılap között, folyamatos szivattyúzás mellett (a nem megfelelı illesztések következtében valahol engedhet), a hımérséklet elıször lecsökkent, 44,1 °C-ra, majd felment 44,8-ra, ami meglehetısen
26
kicsi hatásfok növekedést jelent. Majd elkezdett a kiáramló levegı hőlni vészjóslóan, ami a vákuumozás és a nem megfelelı illesztések következtében jöhetett létre, ugyanis beszívta a szoba hidegebb levegıjét. Ennek kiküszöbölésére a kollektorba meg kellett keresnünk azt a helyet ahol enged és a mérést újra elvégezni ezután. Hımérsékleti felfutási idıt itt sem néztünk, de valószínő, hogy több lehet a kiáramlott levegı hımérsékletének állandósult állapotba jutása. Meg kell még jegyeznem azt, hogy sajnos csak folyamatos levegı elszívással tudjuk a kísérleteket végezni, mivel ha lekapcsoljuk a szivattyút, visszaszívja a nem megfelelı szigetelés miatt a kollektor, ami mőködtetési költségeit igencsak megdobja, mert a lényege az volna, hogy néha levákuumoljuk és jó darabig mőködik zavartalanul. Jóval kompaktabbul szigeteltebb verziót kellene ehhez építeni, ami viszont már szintén nem két fillér.
5.2.1.Második kísérlet
A mérési hiba kiküszöbölése után, nekiláttunk az újabb mérésnek, amelynél 0,75 m-re helyeztük a lámpát. A mérést a pincénkben végeztük, nyitott ablaknál. A digitális, 1 tizedes jegyig mérı hımérıt 1 cm-re a beszívó és a kifújó nyíláshoz helyeztük. Itt újra elsınek a hagyományos üzemhez a vákuum által hozzáadott hımérsékleti értéket figyeltük meg.
27
Az adatok: A napkollektor beszívott és kifújt hımérsékletének alakulása idıben: idı (min) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 (vákuum) 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64
beszívott T (C°) 16,4 16,5 16,6 16,7 16,8 16,9 16,8 17,1 17,2 17,2 17,3 17,4 17,4 17,4 17,4 17,4 17,5 17,6 17,6 17,7 17,8 17,8 18 18 18,1 18,1 18,2 18,2 18,2 18,3 18,3 18,4 18,4
kifújt T (C°) 16,3 19,5 22,2 23,2 22,3 22,4 24,4 26,6 27,4 28,4 28,5 28,3 29,9 29,6 29,8 29,6 29,7 30,8 30,5 30,8 30,6 30,5 30,5 30,3 30,4 31,1 31,5 31,5 31,7 32,4 32,5 32,5 32,4
3. táblázat
28
Az adatokból készített grafikonok:
10. ábra: A Napkollektor beszívott és kifújt levegı hımérsékletének alakulása idıben, vákuumszivattyú rákapcsolásos módszerrel a 44. perctıl.
Az ábrából világosan látható a közelítıleg exponenciális növekedése mind a kifújt mind a beszívott hımérsékletnek idıben. A beszívott hımérséklet alakulására inkább azt lehetne mondani, hogy lineáris növekedéső, mivel ez jobban hasonlít egyeneshez, mint exponenciális görbéhez. Ez a mérés azt szemlélteti, hogy a vákuumozás egy bizonyos állandósult nem vákuumozott értékre mennyi plusz fokot ad hozzá, azaz megfigyeltük azt, hogy mikor áll be egy nagyjából állandósult értékre a hımérséklet, vagyis mikor lehet rákapcsolni a szivattyút és ez milyen hıfokbeli növekményt okoz. A táblázatból és az ábrából feltőnik, hogy körülbelül a 24. perctıl fogva igen csekély mértékben növekszik a hımérséklet és a 44. percnél már harmadjára mutatta a 30,5 C° -ot, éppen ezért ekkor rákapcsoltuk a szivattyút. Látható, hogy közvetlenül rákapcsolás után csökkenés észlelhetı, ez nyilván a szigetelésbeli hibákból fakadhat, de aztán nıtt a hıfok. A vége nagyjából plusz ~2°C, ami nem tőnik egy szignifikáns növekedésnek, de azért érzékelhetıen több mint az elsı mérésben.
29
5.2.2. Harmadik kísérlet
Ennél a mérésnél azt vettem figyelembe, hogy milyen hamar megy fel a hımérséklet a nem vákuumolt és a vákuumolt üzemben egy kitőzött elvileg könnyen elérhetı és főtés rásegítésre érdemes hımérsékletre, aminek kiválasztásakor – eddigi tapasztalatokból is következıen- a 30°C-ot céloztam meg. Az adatok:
Nincs vákuumolás
Van vákuumolás
idı (min)
beszívott T (°C)
kifújt T (°C)
0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. 16. 18. 20. 22. 24. 26. 28. 30. 32.
15,2 15,3 15,4 15,4 15,5 15,6 15,7 15,9 16 16 16,1 16,2 16,2 16,3 16,4 16,4 16,5
15,4 19,3 22,7 25 26,3 27,1 27,3 28,5 28,8 29,1 29,5 29,7 29,9 29,8 30 30,4 30,7
idı (min)
beszívott T (°C)
kifújt T (°C)
0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. 16. 18. 20. 22. 24. 26. 28. 30. 32. 34. 36. 38. 40. 42. 44. 46. 48. 50. 52.
15,2 15,3 15,4 15,6 15,8 16 16,2 16,4 16,5 16,6 16,7 16,8 16,9 16,9 17 17,1 17,2 17,2 17,3 17,4 17,4 17,5 17,5 17,6 17,6 17,6 17,6
15,4 17,3 20,2 22,2 23,4 24,3 25,2 25,6 25,7 26,6 26,4 26,6 27,2 27,2 27,4 27,3 27,5 27,4 28 28,8 28,7 28,4 28,9 28,4 28,2 28 28,1
4. táblázat
30
A táblázat adataiból következı ábrák:
Vákuum nélküli 35 hımérséklet (°C)
30 25 20
beszívott T (°C)
15
kifújt T (°C)
10 5 0 0
5
10
15
20
25
30
35
idı (m in)
11. ábra: A Napkollektor beszívott és kifújt levegı hımérsékletének alakulása idıben, vákuumszivattyúzás nélkül.
Az ábrából kitőnik, hogy a hımérséklet 30°C-ra emelkedéséhez szükséges idı vákuum nélkül 28 perc. A reflektor távolsága 0,75m az abszorbert borító polikarbonáttól, ami távolságot meg kell tartani a következı mérésig, hogy az összehasonlítás hiteles legyen. A mérés közbe az ablak nyitva van a pincében és a ventilátor maximális fordulaton megy. A következı mérésig meg kell várni míg lehől a kollektor és a levegı ugyanarra a hımérsékleti értékre.
31
Vákuumos 35
hımérséklet (°C)
30 25 20
beszívott T (°C)
15
kifújt T (°C)
10 5 0 0
10
20
30
40
50
60
idı (min)
12. ábra: A Napkollektor beszívott és kifújt levegı hımérsékletének alakulása idıben, vákuumszivattyúzással.
Sajnálatos módon a hımérséklet szinte meg sem közelítette a 30°C-ot, aminek az okát a lyukak, eresztı rések engedésében, ragasztások fáradásában látom, ebbıl kifolyólag pedig a csövekben kialakult meleget kiszivattyúzza a vákuumszivattyú. Megfigyeltem még, hogy erıteljesebben emelkedik a helyiség hımérséklete, azaz a beszívott levegı, mint a korábbiakban, ami pedig a vákuumszivattyú mőködésébıl és közelségébıl adódik, ugyanis az fújja ki a kollektorban levı meleg levegıt és emeli közvetlen környezete hıfokát. Hozzátenném, hogy ez a vákuumos mérés éjszaka történt és persze ez is nyitott ablaknál, amikor is alacsonyabb a kinti hımérséklet 2°C-al, mint az elızı nem vákuumos esetben ami dél körül történt és ezek hőthették a kollektort valamilyen szinten.
5.2.3. A hatásfok kiszámítása
Amint már írtam a 4.2.1. Hatásfok címő fejezetben, a hatásfok definíciója napkollektorok esetében: a hasznosított hımennyiség egy adott idı alatt, és a kollektor felületére beérkezı napsugárzás energiájának hányadosa. Itt nem a 4.2.1. fejezet szerinti képlet alapján a külsı hımérsékletbıl számolom a hatásfokot, mivel paraméterét és együtthatóit nem tudom és kiderítésük meghaladná a megengedett terjedelmet., hanem
32
kísérletbıl határozom meg. A Juhász Edina és Pongó Veronika féle TDK munkához hasonló módon számolok, mivel ık is az 1000W-os izzó segítségével határozták meg és így csak az izzó teljesítményét tudjuk, a napsugárzás intenzitását nem.
5.2.3.1. A z
izzó,
Napkollektorra
sugárzott
teljesítményének
meghatározása
Tehát az 1000W-os izzóval 0,75 m-rıl méregettük meg LUX- mérıvel közvetlenül a kollektor felületén -feltéve hogy a Lux arányos a teljesítménnyel- hogyan oszlanak el a fényintenzitás értékek 10cm-enként lemérve a kollektor közepétıl felfele és jobbra, mivel lefele és balra ugyanazok az értékek lennének a szimmetrikus eloszlás miatt. Megmértük még ezeket az értékeket, addig amíg a Luxmérı nulla közeli értéket nem mutat. Ezután a függılegesen és vízszintesen kimért értékekbıl görbéket készítettünk a teljes felületre, amik amúgy durva közelítéssel haranggörbét adtak ki:
13. ábra: Az izzóval megvilágított falon a fényerısség alakulása a napkollektor felületén függılegesen (0-1,2 m) és azon túl is.
33
Azért ~0,6 m-nél van a fényerısség csúcsa, mert 0,6m magasságba helyeztük el az izzót (~kollektor közepe) és a 0m az 1,2m, ahonnan indul jobb oldalt a görbe, bal oldalt meg elnyúlik mert feljebb is lehet mérni a kollektor tetejétıl (0 m) a fal folytatásából adódóan.
14. ábra: A fényerısség alakulása a Napkollektor felületén (0-0,14 m*2) 0,6 m-es magasságban vízszintes síkban mérve, és az túl.
Majd összeadtuk a teljes görbe alatti területet, valamint azokat a sávokat amik pont a kollektor magasságára, függıleges síkban(~0-1,2 m) és szélességére, vízszintes síkban(~-0,14-0,0m, és -0,14-nél nincs már görbe, de mivel szimmetrikus -0,14-0,0m-ig számoltuk ki a görbe alatti területet és azt kétszereztük meg) esik. Elosztottam a kollektor felületére esı görbeterületet a teljes görbeterülettel a függıleges értékeknél és a vízszintes értékeknél külön-külön és megkaptam két olyan értéket, ami kifejezi azt, hogy vízszintesen és függılegesen mennyi teljesítmény jut a kollektorra 75 cm távolságból egy 1000W-os izzóból. Ezután már csak a két értéket össze kellett szorozni, hogy a értéket felületre és ne kétirányú távolságra tudjam. Ez az érték 0,225 lett. Tehát az 1000W-ból 225W jut a kollektor felületére, így a nevezıt megkaptuk.
34
5.2.4. A hatásfok kiszámítása (folytatás)
cvρA(Tm − T 0) η = Pl = S
S
ahol:
Pl: Napkollektor teljesítménye S: Izzó teljesítmény, ami a napkollektor felületére jut c: levegı fajhıje= 1004, J/(kg*K) v: a napkollektorból kiáramló levegı sebessége= 4,17 m/s ρ: levegı sőrősége= 1,21 kg/m3 (~17,5 fokon) A: a napkollektor csövének keresztmetszete= 0,00073 m2 Tm: kiáramló levegı hımérséklete T0: beáramló levegı hımérséklete Második kísérletnél, vákuumrácsatlakoztatás elıtti Tm és T0 hımérsékleti értékekkel behelyettesítve, melyek már egy bizonyos idı elteltével állandósultak: Tm=18°C, T0=30,5°C. Ezekbıl a hatásfok: η=1004*4,17*1,21*0,00073*(30,5-18)/225=0,205 Rácsatlakoztatva vákuumszivattyút: Tm=32,5°C, T0=18,4°C η=1004*4,17*1,21*0,00073*(32,5-18,4)/225=0,232 A hatásfok növekedés a vákuumrácsatlakoztatás után 2,7%. Harmadik kísérletnél, amikor azonos hımérsékletrıl (15,2°C-ról) indítottam a nem vákuumos és vákuumos összehasonlító mőködtetést, nem vákuumosnál a mérés kezdetétıl számítva a 32. percben (itt már elérte a célhımérsékletet, ami 30°C): T0=16,5°C,
Tm=30,7°C
η=1004*4,17*1,21*0,00073*(30,7-16,5)/225=0,233
35
Vákuumosnál, a mérés kezdetétıl számítva ugyanabban az idıpontban, mint a nem vákuumos kísérletnél, hogy összehasonlítható legyen: T0=17,2°C,
Tm=27,5°C
η=1004*4,17*1,21*0,00073*(27,5-17,2)/225=0,169 Sajnos ebben az esetben az nem jött be, hogy tisztán csak a vákuumos mőködtetés hatásfok növekedést eredményezett volna, hiszen 6,4%-os csökkenés figyelhetı meg. Ennek okát annak tudom be, hogy itt a vákuumos mőködtetés jóval több ideig, pontosabban 14 perccel tovább lett mőködtetve, mint a vákuum rákapcsolásos-segítéses mérésnél. Éppen ezért több idı jutott a konstrukció hibáiból adódó, a külsı téri hidegebb levegı beszívásához, és nem tudott úgy felemelkedni a hımérséklet, ahogy a második kísérletben.
6. Összegzés
Mivel a csökkentett nyomású szigeteléső napkollektor lényege az volna elsısorban, hogy a sima levegıs szigeteléső kollektoréhoz képest magasabbra emelje környezete hıfokát és másodsorban pedig, hogy hosszabb távon gond nélkül lehessen üzemeltetni. Ennek egyikét sem tudta teljesíteni az átépített kollektorom, mert a csökkentett nyomást sajnos nem bírták ki a sörös dobozok ragasztásos illesztései, valamint véleményem szerint a kollektor keret-doboza is szívta be a kinti alacsonyabb hımérséklető
levegıt.
Megoldásként
egy
kompaktabb,
talán
egybeöntött
alumíniumcsövekbıl készült abszorber felületet kellene telepíteni bele és külsejét is meg kellene erısíteni még, vagy azt is fémbıl készíteni.
36
Irodalomjegyzék
Dr. GÖİZ LAJOS 2007: Energetika jövıidıben. Magyarország megújuló energiaforrásai. Lehetıség és valóság. - Bessenyei kiadó, Nyíregyháza. Pp. 49-96.
JUHÁSZ EDINA és PONGÓ VERONIKA 2008: Bádogdobozokból készült napkollektor mőködésének vizsgálata.
SAJTI MIKLÓS 2007: Praktikus napenergia. – Épületgépészeti szakkiadvány-sorozat – vgf.hu – Megújuló energiák. Pp. 2-5.
VARGA PÁL 2007: Síkkollektorok. - Épületgépészeti szakkiadvány-sorozat – vgf.hu – Megújuló energiák. Pp. 6-11.
http://hu.wikipedia.org/wiki/Nap
http://www.napkollektor.net/alevegosnapkollektor
37
