NKO
Napkollektor működésének vizsgálata
Felmérések szerint a lakosság energiafelhasználásának 70 százaléka fűtésre fordítódik. Bár a hagyományos energiahordozók egyre drágábbak és használatukkal szennyezzük környezetünket, mégis egyelőre nagyon kevesen próbálkoznak megújuló energiaforrásokkal kiváltani ezeket. Ennek fő oka, hogy akár a szél, akár a földhő vagy a Nap energiáját akarjuk hasznosítani, az erre szolgáló eszközök túl drágák egy átlagos háztartás számára, így megtérülési idejük kedvezőtlen.
Munkánk során egy olyan új alternatívával foglalkozunk, amely a napenergiát kívánja hasznosítani, de drága készülék beszerzése helyett házilag is elkészíthető. Mindössze üres alumínium üdítős- vagy sörösdobozokra és néhány könnyen beszerezhető barkácsárura van hozzá szükség. A berendezés lényege, hogy a szoba levegőjét az egymáshoz erősített dobozokon keresztül átáramoltatjuk ventilátor segítségével. Eközben a nap sugárzása felmelegíti az áramló levegőt és a szobába ez már magasabb hőmérsékleten jut vissza.
Ezt a köznyelven „sörkollektornak” nevezett szerkezetet készítettük el és azt vizsgáltuk, hogy valóban használható-e fűtéskiegészítőként. Továbbá azzal is foglalkoztunk, hogy növelhető-e a berendezés hatásfoka, ha változtatunk a fizikai paramétereken vagy a rendszer összetételén.
Emellett célunk, hogy olyan megoldást találjunk, amivel minél költséghatékonyabban elkészíthető a kollektor, a legegyszerűbb és legolcsóbb összetevőkből, de ez ne csökkentse a kinyert hőenergia mértékét. Ehhez több rendszert építettünk meg és azonos körülmények között mértük hatásfokukat.
Bár ezzel a rendszerrel egyenlőre nem lehet majd teljességgel kiváltani a hagyományos fűtési rendszert, de méréseink célja, hogy megállapíthassuk megéri-e beruházni egy ilyen berendezés megépítésére, csökkentheti-e a lakásunk fűtésére szolgáló kiadásainkat, illetve ezáltal a légkörbe juttatott szennyező anyagok mennyiségét.
A
Nap a Naprendszer legnagyobb tagja, tömegének
99,87 százaléka koncentrálódik benne. Gáz halmazállapotú, közepében
helyezkedik el a mag, itt folyik a termonukleáris fúzió, amely a Nap energiáját
termeli. Ennek folyamán a csillagfejlődésnek abban a fázisában, amelyben a Nap
tart, hidrogén atommagokból hélium atommagok keletkeznek. Itt a hőmérséklet kb.
15 millió Kelvin. Ez a Nap térfogatának csak 10 százalékát adja, de tömegnek
mintegy 40 százaléka itt található. Az energia gammasugarak és neutrinók
formájában keletkezik. Ez után található a kisugárzási öv, ahol a hőmérséklet 4
millió Kelvin közeli, sűrűsége kisebb a magénál. Ez a réteg továbbítja az
energiát a konvektív zónához, ahonnan azután áramlások viszik azt el a
felszínre. A Nap külső felszínének a hőmérséklete 5800 Kelvin. Azt a néhány 100
kilométer vastag övezetet, amelyet a Napból látunk, amely a napsugárzás mintegy
99 százalékát kibocsátja, fotoszférának nevezik. E fölött helyezkedik el a kb.
1000 kilométer vastag kromoszféra, amelyben a hőmérséklet folyamatosan nő, és a
fölötte elhelyezkedő koronában már több millió Kelvin értéket ér el (1. ábra).
1. ábra: A Nap szerkezete
(http://astro.elte.hu/astro/hun/oktatas/jegyzetek/CsillelemeiJegyzet/node108.html)
A Napból származó energia elsősorban közeli ibolyántúli, látható és infravörös sugárzás formájában hagyja el a csillagot, de emellett kisebb mennyiségben kibocsát gamma- és röntgensugarakat, illetve rádióhullámokat. A Napból másodpercenként kisugárzott energia teljes mennyiségét a Nap sugárzási teljesítményének nevezzük. Ez az érték 3,86*1023 kW. Ennek legfeljebb tízmilliárdod része éri el a Földet. (2. ábra)
2. ábra: A Földre jutó napsugárzás megoszlása
(http://www.okotaj.hu/szamok/22/mas4.html)
A földi légkör 1 négyzetméterére merőlegesen beeső teljesítmény így 1370 W. Ezt nevezzük napállandónak. Ez megadja, hogy átlagos Föld-Nap távolságban (~150 millió kilométer), a légkör felső határán, a sugárzás haladási irányára merőleges egységnyi felületre időegység alatt mennyi energia esik.
Bár csak egy a több millió másik csillag közül, a Nap sugárzásának energiája elengedhetetlen volt a földi élet kialakulásához és az emberiség fejlődéséhez. Annak ellenére, hogy szinte minden általunk használt energiahordozó eredeti forrása a Nap, közvetlenül a belőle származó sugárzást mégsem hasznosítjuk jelentősebb mértékben.
Hazánkban a napsugárzás energiasűrűségének átlagértéke 1760 kWh/m2/év, ami azt jelenti, hogy például kb. 21 km2-nyi területre hazánk körülbelül 40 TWh-nyi energiaszükségletével egyenlő mennyiségű energia érkezik. A napos órák száma 1900-2200 óra/év között változik (földrajzi fekvéstől függően) (3. ábra).
3. ábra: Magyarország napsugárzási mérlege (www.hik.hu/.../site/books/b108/kepek/1-4.jpg)
A fűtési költségek és a környezetet érő terhelés csökkentésének egyik lehetséges módja a napsugárzás energiájának fűtési célú hasznosítása. Ennek többféle módja van:
4. ábra (http://www.okotaj.hu/szamok/22/mas4.html)
A fotovillamos megoldás során napelem segítségével alakítjuk át a napenergiát közvetlenül villamos energiává. Az ily módon kapott 12 vagy 24 V-os egyenfeszültséggel közvetlenül lehet fogyasztókat (pl. világítás, szellőztetés) működtetni. Szükség esetén 220 V-os váltóáramú hálózati fogyasztók is működtethetők egy inverteres egység közbeiktatásával.
Mindkét esetben problémát jelent a begyűjtött hő- ill. villamos energia
tárolása. Ennek oka az, hogy az energiát sokszor éppen akkor szeretnénk
felhasználni, amikor az a napsugárzás hiánya miatt nem áll rendelkezésre, vagy
fordítva, akkor van energiahozam, amikor nincs igény a felhasználásra. A
folyadékkal működő kollektoros hasznosítás esetén a leggyakoribb megoldás egy
megfelelő méretű szigetelt tartály alkalmazása. A napelemek által szolgáltatott
villamos energiát legegyszerűbben akkumulátorokban tárolhatjuk.
A napenergia felhasználása direkt és indirekt módon lehetséges. Indirekten akkor, ha szél-, biomassza, víz- és felszínközeli hő- vagy fosszilis energiát használunk.
A szélerőművekben felhasznált energia a légkör hely szerint különböző mértékű felmelegedése után létrejövő nyomáskülönbség hatására kialakuló szél rendezett mozgási energiáját használja fel.
Tágabb értelemben a biomassza energetikai célú felhasználása is napenergia-hasznosítást jelent, hiszen a növények az asszimiláció során a napsugárzás segítségével alakítják át a szervetlen anyagokat szerves vegyületekké. Más szóval a növények kémiailag kötik meg a napenergiát, amit aztán a növényi rostok elégetése során hőenergiaként hasznosíthatunk.
A nem direkt napenergiák közé értendő a vízierőművekben felhasznált energia is, mert a vizet a tengerekből a napsugárzás párologtatja el a magasba, ahonnan csapadék formájában leesve helyzeti energiára tesz szert.
A biotömegben tárolt energia is a napsugárzás segítségével alakul ki, a biotömegből alakulhatnak ki geológiai idők alatt a szénhidrogének.
A napenergia direkt felhasználása a napsugárzás energiáját napelemekkel alakítja másodlagos energiahordozóvá.
A direkt és indirekt napenergia, mint energiaforrás másik
nagy hátránya, hogy nem koncentrált. A napelemek
alkalmazása főleg a 35. szélességi fokig hatásos. Nagy sivatagokban, ahol sok a
napsütés és nagy területek állnak rendelkezésre, ott elképzelhető az
alkalmazásuk, de ez még nem jutott el a gyakorlati technika szintjére. [2.]
A napcellák azért tűnnek
vonzó energiaforrásoknak, mivel működésük közben nem okoznak semmiféle
szennyezést. Élettartamuk megfelelő anyagok alkalmazása esetén akár 20 év is
lehet és nagyon kevés törődést igényel a fenntartásuk. A rá irányuló
fejlesztések elsődleges céljai között szerepel az energia előállítási
költségének radikális csökkentése, elsősorban a cellahatásfok, modulhatásfok
növelésével, a modulok élettartamának és stabilitásának növelésével, valamint a
felhasznált anyagok és technológiák előállítási költségének csökkentésével.
Akkor lesz igazán versenyképes a fotovillamos energia ára, ha megnő rá a piaci
kereslet, így nőhet a gyártási kapacitás. Ez egy ördögi kört alkot, amiből csak
megfelelő propaganda és állami támogatás segítségével lehetne kitörni. [3.]
A napenergia hasznosító berendezések másik típusa a napkollektor (6. ábra). Amelyet a Nap irányába kell tájolni. Ez beépíthető például tetőablakként, ami esztétikai szempontból előnyös, ugyanakkor hátránya a meghibásodás esetén jön elő, hisz nehéz megközelíteni őket. Rövidebb élettartamúak (kb. 15 év), valamint kisebb hatásfokúak, mint a napelemek.
6. ábra: Napkollektor
felépítése (http://www.intelligensepuletek.hu)
A kollektorokban egy hőabszorber anyag a Nap hőenergiáját csövekben keringő hőcserélő folyadéknak adja át. Ennek a folyadéknak a hőmérsékletét figyeli egy automata berendezés, ami a megfelelően magas érték elérésekor beindít egy szivattyút. Ez a szivattyú a folyadékot egy bojlerbe keringeti, amiben a folyadék átadja a hőt a benne lévő víznek. Ebből a bojlerből lehet például a lakások melegvízellátását megoldani, ugyanígy a fűtésre szolgáló vizet is innen lehet vételezni. Létezik olyan egyszerűbb napkollektor is, amiben a hőcserélő folyadék szivattyú nélkül, egyszerűen a gravitáció segítségével cirkulál a rendszerben. A parabolacsöves napkollektor egy tükör félcsőből áll, valamint annak a fókuszpontjában lévő abszorber csőből. Ez a megoldás azért előnyös, mivel a tükör a félcső fókuszpontjába fókuszálja a napsugarakat, így sokkal nagyobb energiát tud felvenni az ott található abszorber cső, ami a fent leírtak szerint vezeti el a hőcserélő anyagot.
Ennek egy továbbfejlesztett változata a parabolatányér alakú napkollektor, ami az egyik legjobb hatásfokú napkollektor, általában „naperőművekben” használják (7. ábra). Szinte veszteségmentes energiaátadást tesz lehetővé a hőcserélő közeg felé, mivel a Nap sugarait bármilyen irányból is érkezzenek a parabolatányér tükrére, egyetlen egy pontba fókuszálja, ahol a berendezés hőcserélő közege egy csőben áthalad.
7.
ábra: Naperőmű a
Pireneusokban (http://www.mozaik.info.hu)
Egy másik típus a vákuumcsöves napkollektor (8. ábra), aminek a legújabb generációja még csak pár éve került a piacra. Ez a napkollektor több vákuumcsővel veszi fel a Nap hőenergiáját, ez azért előnyös, mert ezek a csövek sokkal jobban vezetik a hőt, mint például a rézcsövek, amikben valamilyen folyékony anyag van.
8.
ábra: Vákuumcsöves
napkollektor felépítése (http://www.okokomfort.hu)
Ezek mellett léteznek levegős napkollektorok (9. ábra), amelyekben a napenergiát közvetlenül a levegő veszi fel, ezt a levegőt használják fel például a lakások fűtésére. A levegős kollektorok alkalmazása a mezőgazdasági termékek szárításánál, gyümölcsök aszalásánál is elterjedőben van.
9.
ábra: Levegős napkollektor
felépítése (American Solar Energy Society)
A jelenlegi energiaárak növekedésének tendenciáját, az időjárást valamint a gazdasági folyamatokat figyelembe véve egy átlagos családi ház fűtésére felszerelt napkollektor árának megtérülési ideje 10-15 év, ami relatív sok időnek számít. Probléma az is, hogy a napkollektorok nem örökéletűek, élettartamuk általában 20-30 év, tehát ennek letelte után újabb befektetésekre van szükség a rendszer cseréjéhez.
A megújulók bár a leginkább
környezetbarát energiaforrások, ezek alkalmazása során is figyelembe kell venni
a természetvédelmi szempontokat. Egyes feltételek figyelmen kívül hagyásával
ugyanis még árthatunk is a természetnek. Ezért született hazánkban egy környezet- és természetvédelmi
állásfoglalás a napenergia hasznosításáról:
„A magyar környezet- és
természetvédő szervezetek kiemelten támogatják a napenergia széleskörű
hasznosítását. Ezért erre a megújuló energiaforrásra is felállítottak egy
követelményrendszert, amit az alábbiakban összegzek:
• A passzív napenergia
kihasználását az új épületek tervezésénél fokozottan figyelembe kell venni.
• A napenergia-berendezések
(pl. napelem) gyártása során a lehető legkisebb környezeti ártalommal bíró
technológiát kell alkalmazni, a gyártás során keletkező hulladékok kezelését
megfelelően kell végezni.
• Fel kell mérni a termékek
tervezett élettartamát és ennek lejártakor megfelelően kell kezelni az akár
veszélyes hulladéknak is minősülő berendezést.
• Miután a hálózatra csak a 100 kW teljesítmény fölötti rendszereket lehet csatlakoztatni, így a kisteljesítményű napelemes rendszereknek (pl. lakossági alkalmazásoknál: családi házak) akkumulátorokat kell használniuk, amelyek igen környezetszennyezőek. Érdemes megvizsgálni, hogy menyit lehet engedni a teljesítmény-határból és ezzel minimalizálni az akku-használatot.
• Napenergiát hasznosító berendezések felszerelése csak megfelelő energiahatékonyságú épületek esetén ajánlott.
• A berendezések gyártási folyamata során minimalizálni kell a hulladékok keletkezését, a természetre, illetve az emberi egészségre káros anyagok beépítését, valamint annak természetbe bocsátását. A berendezésekbe beépített veszélyes anyagokat az élettartam végén veszélyes hulladékként kell kezelni.
• Az energiatermelő berendezések gyártásához kapcsolódóan lehetőleg készüljön életciklus elemzés.
• A napelemekkel termelt villamos energia hasznosításának egyik leginkább környezetszennyező elemei az akkumulátorok. Ezen elemek kisebb mértékű alkalmazása érdekében szükséges a napenergiás rendszerek hálózati csatlakoztatása, valamint ezek technikai és jogi feltételeinek megteremtése.” [4.]
Decentralizált termelés: a megújulók előnye, hogy az ország legtöbb terültén rendelkezésre állnak, ezért a termelési helyükhöz közel felhasználhatóak. Ez által nincs szükség – nagy veszteséggel – akár a villamos-, akár a hőenergia szállítására távoli fogyasztókhoz, valamint az alapanyagokat sem szükséges több száz, vagy több ezer kilométerről beszerezni. A megújuló energiaforrások kisléptékű, helyi hasznosítása esetén nem csak tisztább energiatermelés valósul meg, de csökken az importfüggőség, így az energiára fordított jövedelem is a helyi gazdaságot erősíti.
Pozitív energiamérleg: a fosszilis energiahordozók kiváltására olyan megoldásokat kell találnunk, amelyek egyben a befektetett és kinyerhető energia szempontjából is ésszerűek. Nem használnánk pl. szélturbinákat, ha kevesebb energiát termelnének, mint amennyit az előállításuk és működtetésük igényel. A megújuló energiaforrások hasznosításánál is az életciklus-szemléletet és vizsgálati módszereit kell alkalmazni. Az életciklus felöleli egy termék előállításához, felhasználásához, valamint életútja végén a hulladékhasznosításhoz szükséges energiát, költségeket, szennyező kibocsátásokat stb.
Hatékonyság: a megújulók alkalmazását egy lépésnek mindig meg kell előznie: a megfelelő energiahatékonyság biztosításának. Például a mai magyar biomassza erőművek az alacsony hatékonyságuk miatt feleslegesen sok tüzelőanyagot igényelnek. Hasonló elv miatt nem érdemes egy családi ház tetejére napkollektorokat szerelni, padlófűtését hőszivattyúval működtetni, amíg a ház rosszul szigetelt. Ilyenkor nem csak értékes energiát pazarolunk el, hanem a beruházás megtérülése is lassabb. Fontos, hogy a lehető legjobb hatásfokú technológiát a megfelelően előkészített környezetben használjuk!
Környezet- és természetvédelem: alapvető, hogy
a megújuló energiaforrások felhasználásakor a lehető legkisebb környezeti kárt
okozzuk. A környezetvédelem szempontjából legkritikusabb az általában intenzív
mezőgazdaságot vonzó biomassza termelés, a madarak veszélyeztetése miatt a
szélenergia, illetve minden olyan létesítmény, ami komoly környezeti
átalakításokat igényel, pl. nagy vízierőművek, vagy a szivattyús
energiatározók. [5.]
Az eldobált sörösdobozok újrahasznosítása ugyanúgy környezetvédelem, mint a szennyezés-kibocsátás nélküli kiegészítő fűtés. Ez a levegős kollektor mindkét dolgot egyesíti magában, arról nem is beszélve, hogy jelentős fűtésköltség megtakarításra tehetünk szert vele. Átmeneti időszakban a szoba fűtésére, télen a szoba hőmérsékletének megtartására alkalmas. Ha meleg levegő áramlik a szobába, a termosztát kevesebbszer fog bekapcsolni, így kevesebbet fogyasztunk az egyre dráguló gázból vagy más egyéb nem megújuló energiaforrásból.
A kollektor valójában egy fadoboz, amelynek
előlapja egy átlátszó, 6 mm vastag, légkamrás víztiszta polikarbonát lemez (10. ábra). Ez tartalmazza a matt
feketére festett abszorbert, amely alumínium sörösdobozokból összeragasztott csövekből
áll. A dobozok mögött kőzetgyapotos szigetelés van. Alul egy elosztó, felül egy
gyüjtő doboz található, amely 1 mm-es alumínium lemezből készült. A fűtendő
helyiség levegőjét egy ventilátor egy szűrővel ellátott csövön át befújja a
kollektor osztó dobozába. Ebből az osztóból a levegő a sörösdobozból
kialakított csövekbe jut. Napsütés hatására a csövekben gyorsan felmelegszik a
levegő, amely a gyűjtődobozból egy csövön keresztül visszaáramlik a helyiségbe.
A helyiség levegője és a kollektor csöveiben áramló levegő zárt rendszert
képez. Fontos, hogy a szoba levegője ne kerüljön a kollektor dobozába, mert a
polikarbonát fedés belülről porosodhat, párásodhat, ami rontja a fényáteresztő
képességét.
10. ábra:
A kollektor (Szerző: Juhász Edina)
Az építést az üres dobozok gyűjtésével érdemes kezdeni, amelyeket célszerű minél
hamarabb vízzel kiöblíteni a kellemetlen szagok elkerülése érdekében.
Italosdobozok készülnek alumíniumból és vasból is, de ezek egy kis mágnessel
könnyen szétválogathatók. Ha kellő számú doboz gyűlt össze, akkor a
sörösdobozokból csöveket kell készíteni. Jelen munka esetében három különböző
típusú csövet készítettünk (11. ábra).
Az egyes változatok létrehozásával azt kívántuk vizsgálni, hogy a levegő előtt
álló akadályokat variálva hogyan változnak az egyes mérési paraméterek.
A kísérleti kollektor típusonként 4 darab
oszlopból áll, amelyek egyenként 6 darab sörösdobozból. A méret megválsztásánál
szem előtt tartottuk, hogy a berendezés személyautóval szállítható legyen.
11.
ábra: A háromféle
csőtípus (Szerző:Juhász Edina)
A „fúrt” és a „sima” változat esetében csak a dobozok alját, a „perdítősnél” pedig a tetejét is ki kell vágni. Ehhez egy 44 mm átmérőjű körkiszúró szerszámra van szükség és egy alacsony fordulatra leszabályozható kézifúrógépre. (12. ábra)
12. ábra: A dobozok kifúrása (http://napenergia.freeweb.hu/gyak/szp/sztgyi.htm)
A „fúrt” és a „sima” típusú csövek esetében meghagytuk a dobozok fedelét, mindőssze abban különböznek egymástól, hogy előbbibe 3 db, egyenként 5 mm átmérőjű lyukat fúrtunk. (11. ábra)
A dobozok 200 ºC fokig hőálló sziloplaszttal lettek összeragasztva úgy, hogy a fedelükön levő ivó nyílás mindíg 180º-kal el legyen forgatva az alatta levő nyíláshoz képest. Ez az anyag rugalmas, de mégis biztos kötést ad (13. ábra).
13. ábra: A ragasztás
(http://napenergia.freeweb.hu/gyak/szp/sztgyi.htm)
A „perdítős” cső esetében a mindkét végén kifúrt dobozok közé perdítő elemeket készítettünk szintén a sörösdoboz anyagából (14.ábra). Ezek szolgálnak a levegő terelésére, azáltal hogy turbulens áramlást hoznak létre.
14.
ábra: Perdítő (Szerző: Juhász Edina)
Az oszlopokban felfelé áramló levegő a sörösdoboz szájánál felgyorsul, mivel az összeszűkül, majd a perdítőelemeken áthaladva kicsapódik a következő doboz palástjára és átveszi onnan a meleget. Ezek az oszlopok alul és felül egy-egy gyűjtődobozzal alkotnak közös légteret. A sörösdobozok, ill. a gyűjtődobozok matt feketére vannak festve hőállő festékkel, hogy jobban szívják magukba a meleget.
Az gyűjtődobozok 1 mm-es alumínium lemezből készültek (15. ábra), az éleknél a rések sziloplaszttal lettek tömítve. A dobozok fedelébe 55 mm átmérőjű körkivágás készült.
15.
ábra: Gyűjtődoboz (Szerző: Juhász Edina)
Mivel a csöveket a kísérlet során cserélgettük, azok végeit nem ragasztottuk oda a gyűjtődoboz fedeléhez sziloplaszttal. Helyette műanyag tömítést alkalmaztunk. Az alsó osztódobozba a befúvás 125 mm-es légtechnikai csővel lett megoldva és ugyanekkora a dobozból kievezető cső is. A doboz két nyílása átlósan helyezkedik el. Az alsó nyílásnál van elhelyezve a ventillátor, amely beszívja a kollektorba a levegőt. Ez a levegő bekerül a sörkollektor alsó gyűjtődobozába, és a söroszlopokon keresztül megindul felfelé, miközben a Nap melegíti a dobozokat így a benne áramló levegő felmelegszik. A fenti gyűjtődobozban a felmelegedett levegő újból összegyűlik és a kivezető csövön át távozik.
A kollektor megépítésénél elsődleges szempont a költséghatékonyság, amelynek fő titka, hogy gyakorlatilag fémhulladékot dolgozunk fel. Emellett a további költségeket is igyekeztünk úgy alakítani, hogy minél kisebb összegből lehessen megépíteni a berendezést (1. táblázat). Utóbbiak tervezésénél azonban figyelnünk kellett, hogy ez ne váljék jelentősebben a hatásfok kárára.
A kollektor méretének tervezésekor figyelembe kell venni az épület méreteit, a rendelkezésre álló anyagok mennyiségét (nem mindíg lehet kizárólag csak az elvben szükséges méretű anyagokat beszerezni), illetve az elhelyezés helyszínét is. Az alábbi anyagok egy 138x33x17 cm-es kollektorhoz elegendőek. Ennek felülete A = 0,4554 m2.
Anyag |
Mennyiség |
Ár |
víztiszta légkamrás polikarbonát (80% fényáteresztő) |
1,58 m2 |
1 556 Ft |
alumínium lemez (1mm vastag) |
0,84 m2 |
2 400 Ft |
szellőzőcső (Ø 125 mm) |
1db |
1 800 Ft |
sziloplaszt |
1db |
1 200 Ft |
kinyomópisztoly sziloplaszthoz |
1db |
340 Ft |
csatlakozó kezdő a szellőzőcsőhöz |
2db |
2 000 Ft |
Faust hőálló matt fekete szórófesték 400 ml/db |
3db |
4 200 Ft |
dugóvilla a ventillátorhoz |
1db |
300 Ft |
kőzetgyapot |
1 m2 |
576 Ft |
farostlemez |
0,9 m2 |
432 Ft |
faanyag a doboz kerethez |
0,6 m2 |
3 500 Ft |
Ventilátor 15/14 W 50/60 Hz |
|
12000 Ft |
|
összesen: |
30 304 Ft |
1. táblázat
Mivel
kollektorunk ki lesz téve az időjárás viszontagságainak, az esőnek, a hónak és
a napsugárzásnak egyaránt, ezért alkotórészei anyagainak kiválasztásánál
figyelembe kell venni, hogy azok ellenállóak legyenek. Leginkább a burkoló
doboznál fontos ez, hisz ezt éri a legtöbb károsító hatás, így a faanyagot
ésszerű előzetes kezelésnek alávetni, hogy minél tovább kitartson. A tömítő
anyagnak is vízállónak kell lennie, illetve legalább 200 fokig hőállónak, hisz
hosszú időn keresztül éri majd a Nap közvetlen sugárzása, a belső részen pedig
a külső hőmérséklethez képest már felmelegített levegő éri. Ilyen anyaggal
lehet az alumínium dobozokat is összeragasztani. A dobozokat a kisebb albedó
kedvéért festjük feketére, a festéknek is hőállónak kell lennie, illetve jobb,
ha mattabb színűt válasszunk, hogy ezzel is növeljük hőelnyelő képességét. [6.]
A kollektor zárt rendszerben keringeti a fűtendő szoba levegőjét így elkerülhetetlen, hogy a berendezés belseje porosodjon. Ennek mértéke függ attól, hogy mely helyiséget fűtjük vele. Ha ezt el akarjuk kerülni érdemes a ventilátorra egy szűrőt felszerelni és azt a szükséges időközönként tisztítani, kicserélni.
16. ábra: A sörkollektorban lezajló fizikai folyamatok sematikus ábrája
A 16. ábrán a levegős napkollektor nagyon leegyszerűsített vázlatát lehet látni. A bemenő levegő hőmérséklete T0, a kijövő levegő hőmérséklete Tm. Tm a mért hőmérsékletre utal, mert ezen a ponton fogjuk megmérni és monitorozni a levegő hőmérsékletét. A kollektor anyaga az alumínium, itt egy egyszerű csővel van ábrázolva. A cső tömege mAl, fajhője cAl. A kíslérleteinkben a csőben keresztirányban is elhelyezkedett mindig az alumínium anyagának egy része, ennek szerkezete volt a három típus között a különbség, ez most azonban nincs feltüntetve az ábrán. S a napsugárzásnak az a teljesítménye, ami átjut a polikarbonát lemezen és eléri a sörösdobozokat, Pl az a teljesítmény, amit S-ből hasznosítani tudunk fűtésre, Pv pedig a haszontalan teljesítmény, ami nem tud végig végigáramolni a csöveken, mert a dobozok kapcsolódási pontjainál, a nem tökéletes szigetelés miatt kijut a dobozokból.
Az alumínium anyagára fogjuk felírni az energiamegmaradás törvényét. Egy adott Dt idő alatt az alumínium elnyel S energiát a napsugárzásból, ez felmelegíti. Ezzel szemben két módon veszít energiát: egyrészt átadja a csőben áramló levegőnek (ez számunkra hasznos), vagy a külső levegőnek adja át a polikarbonát lap szigetelési hibáin vagy a teljes lapon keresztül is, ez a veszteség számunkra. A levegőnek Dt idő alatt átadott energiát DQ-val jelöljük, és a DQ/Dt=Pl jelölést használjuk a levegő felmelegítésének pillanatnyi teljesítményére. A veszteség irányában átadott energia Dt idő alatt a DW jelölést kapta, és a veszteség pillanatnyi teljesítménye DW/Dt=Pv.
Egy Dt időintervallumban az alumínium által felvett hő DE=(S-Pl-Pv)Dt. Ez az energia az alumínium hőmérsékletét megemeli, ezt a hőmérsékletnövekedést jelöljük DTAl-lel, és ezt a Q=cmDT összefüggés alapján számolhatjuk ki.
cAlmAlDTAl=DE=(S-Pl-Pv)Dt
ebből következik az időfüggéseket meghatározó differenciálegyenlet:
cAlmAl
dTAl/dt=S-Pl-Pv (1)
Mindkét oldal dimenziója W (watt), tehát az S a napsugárzás intenzitásának és a kollektor effektív felületének a szorzata. A jobb oldalon található teljesítmények mind az idő függvényei és bonyolult függvényalakok adódnak a valóságban. Az egyenleteket úgy próbáljuk megoldani, hogy egyszerű eseteket tételezünk fel, amik megragadják a jelenség lényegét. A méréseink során pedig kiválasztunk olyan időtartományokat, amikor az említett egyszerűsítések indokoltak. Például a stacionárius eset, amikor minden időben állandó, vagy az S=állandó esete, ami szintén jó közelítés sok esetben.
A DQ/Dt=Pl energiaátadás a csőben lévő teljes levegő- és teljes dobozmennyiségre értendő. Itt a nehézséget az okozza, hogy a cső elején a levegő hőmérséklete még kicsi, és ez a hőmérséklet monoton nő a csőben haladva. Ezért a cső egyes darabjait külön kell megvizsgáljuk. Vegyünk egy kicsi ”levegődarabot” (kicsiny csőrészlet a teljes keresztmetszettel) a csőben, és ennek útját követjük végig. A darab hossza a teljes hossz N-ed része legyen L/N, a cső keresztmetszete legyen A. A kicsi levegőelem térfogata így AL/N. A cső hossza mentén növekedő változó legyen: y.
A következő egyszerűsítéseket tesszük:
- az alumínium anyagán belüli hővezetés olyan gyors, hogy a dobozok hőmérséklete mindig azonos
- azalatt az idő alatt, amíg a levegő áthalad a kollektoron az alumínium anyaga csak kicsit melegszik fel, és minden részén azonos mértékben az előző feltétel alapján.
Mivel a TAl igazából helytől kicsit függő paraméter, így esetünkben mindig konstans lesz.
Az adott levegőelem mozgása során az y-nal jelzett helyzetben van, és Dt idő alatt felvesz valamennyi energiát, ezt jelöljük DQ(y)-nal. Ez mikroszkopikus szemléletben azért történik, mert a hidegebb levegő molekulái ütköznek az alumínium atomtörzseivel és energiát szereznek az ütközésben. Ez a DQ(y) átvett energia függ attól, hogy ez alatt a Dt idő alatt hány molekula ütközött. Ezt több tényező befolyásolja:
- a levegő és az alumínium határoló felületének nagysága,
- a levegő áramlási sebessége,
- áramlási viszonyok.
(Kísérleteink egyik célja pont annak vizsgálata, hogy a három módon elkészített dobozrendszer hőátadása mennyire különbözik. Például, meg lehet-e spórolni a perdítőlemezek készítését, ami technológiailag biztosan könnyebbség.)
Az átadott DQ(y) energiát a következőképpen számoljuk:
DQ(y)
=w(TAl-T(y)) Dt 2rpDyr.
Itt w-t hőátadási együtthatónak nevezzük, T(y) pedig a levegő helytől függő hőmérséklete. Ez az egyenlet azt jelenti, hogy a hőátadás legfontosabb paramétere a levegő és a doboz anyagának hőmérsékletkülönbsége, az ütköző molekulák száma arányos még a henger palástjának nagyságával (r2pDy) és a sűrűséggel. (A helyzet a valóságban ennél biztosan bonyolultabb, ezek w tényezőt befolyásolják majd.) Ennyi (DQ) hőmennyiséget vesz fel a levegő Dy út megtétele alatt miközben felmelegszik DQ(y)=cmDT-ből számolható módon, m a levegődarabunk tömege, c a levegő fajhője, amit állandónak veszünk (mivel változik a hőmérséklet, ez egy egyszerűsítést jelent). Ahogy halad a levegő a cső vége felé egyre kevesebb energiát vesz át, hiszen már egyre jobban felmelegedett.
cm
(T(y+Dy)-T(y))=
crr2pDy
(T(y+Dy)-T(y))=w(TAl-T(y))
Dt 2rpDyr. (2)
A levegődarab sebessége v=Dy/Dt, ebből adódik, hogy
(1)
Ez egy alakú differenciálegyenlet, aminek megoldását a Függelékben részletezett módon számolhatjuk ki. Itt x® y, és a kezdőfeltétel: T(0)=T0
A megoldás , és B=T0-Z/K. A Z/K állandó jelentése az y=¥-ben felvett T(y), ezt T¥ -vel jelöljük. Azaz
. (3)
Az (1) egyenlettel összehasonlítva nyerjük az állandók jelentését: H=w/crv, T¥=TAl.
Ez szemléletesen azt jelenti, hogy a levegődarab hőmérséklete exponenciálisan közelít az alumíniumfal hőmérsékletéhez. A cső azonban nem végtelen hosszú, ezért a kimenő Tm hőmérséklet ennél kisebb lesz. Ha túl kicsire tervezzük a kollektor csőhosszát, akkor Tm a TAl-nél jóval kisebb marad.
Ez egy levegődarab hőmérsékletének változása, de ez írja le a teljes csőben egy adott pillanatban fennálló hőmérsékleteloszlást is, ha a TAl időben állandó. Korábbi feltevésünk alapján azonban, a korábban használt Dt jóval nagyobb, mint a Dt,, azaz a fal sokkal lassabban melegszik, mint a levegődarab, és így a T(y) eloszlás (3) érvényes a teljes kollektorra.
Ebből a Tm, kiáramlási hőmérséklet:
(4)
Ez a kezdeti és a fal hőmérsékletének súlyozott átlaga, minél hosszabb a cső, annál nagyobb súllyal esik a TAl, azaz a p annál nagyobb.
A Tm meghatározása alapján meg tudjuk mondani, hogy a levegő mennyi energiát vesz fel a falból. Ismét felhasználjuk azt a közelítést, hogy az alumínium dobozok (fal) hőmérséklete lassan változik, közben a kollektor légtérfogatának többszöröse átáramlik rajta. Egy adott Dt idő alatt a TAl még állandó, de sok levegődarab végigment a csövön, és felvett cm(Tm-T0) energiát. Amíg egy ilyen levegődarab elhagyja csövet, a rendszerből cm(Tm-T0) energiát veszünk ki, és a csőben a hőmérséklet eloszlása nem változott, a kis levegődarabok által felvett hő, és a csőben való haladás épp ugyanazt az állapotot állítják elő (TAl=állandó). Ezért az alumíniumtól elvett energia cm(Tm-T0), és itt m=rAvDt. Ezért
Pl=crAv(Tm-T0) (5)
TAl-t még természetesen befolyásolja, hogy az alumíniumra felírt energiamegmaradásnak (1) megfelelően mekkora a veszteség a külső levegő felé.
A cAlmAl dTAl/dt=S-Pl-Pv egyenletet kell ésszerű közelítések mellett megoldanunk. Az S bejövő intenzitást mindig időben állandónak tételezzük fel.
A külső levegőnek leadott veszteség teljesítményét a Pv= cAlmAl k(TAl-T0) összefüggéssel számoljuk, ahol a k hőátadási konstansban benne van a kollektor és a külső levegő érintkezési felületének effektív területe is.
A TAl(t) függvényt átalakíthatjuk Tm(t) függvényre az előzőekben meghatározott egyenletek alapján: TAl(t)= (Tm(t)-qT0)/(1-q)
Az eredeti egyenlet
(6)
így alakul:
ebből:
.
1-q=p-vel írva:
(7)
Ez ismét egy alakú differenciálegyenlet, aminek megoldását a Függelékben részletezett módon számolhatjuk ki. Itt x® t, és a kezdőfeltétel: T(0)=Ti
A megoldás , és B=Ti-Z/K. A Z/K állandó jelentése a t=¥-ben felvett hőmérséklet, amit jelöljünk Z/K=Tt-vel (telítési hőmérséklet). Azaz
. (8)
Ti kezdeti hőmérséklet melegítéskor megegyezik a külső hőmérséklettel, hűléskor pedig annál magasabb.
A K értékét (7)-ből leolvashatjuk: K=crAvp/cAlmAl+k
A mérések során többször tapasztaltunk olyan időszakot, amikor a bejövő napsugárzás és a kollektorból kimenő levegő hőmérséklete is közel időfüggetlen volt. Ezen esetekben az (6) alapegyenlet stacionárius állapotnak megfelelően egyszerűsödik:
Ahol Pl a hasznosított teljesítmény (watt), Pv a nem hasznosított teljesítmény (watt).
A sörkollektor hatásfoka a következőképpen számítható:
S=IAk, alapján. Ahol I a napsugárzás intenzitása (W/m2), Ak a kollektor effektív felülete.
Mérési feladatok
1. Mérd meg hogyan melegszik fel a napkollektorban a levegő egy állandó fényerejű lámpa megvilágítása hatására! Illessz megfelelő függvényt erre az időbeli adatsorra, és határozd meg a felfutás gyorsaságát meghatározó k-értéket!
2. Vedd fel a lehűlési görbét szobahőmérsékletű környezet esetén! Illesztéssel határozd meg a k-értéket erre az esetre is.
3. Mérd meg a melegedési görbét nem állandó intenzitású természetes napsugárzás hatására. (Napsütéses időjárás esetén.)
4. Mérd ki a lehűlési görbét szabad levegőn.
5. Mérd ki a felmelegedett levegő hőmérsékletét az átáramló levegő sebességének függvényében!
6. Határozd meg a felmelegedési görbét több sebességnél, és értékeld az illesztéssel meghatározott k-értékeket.
7. Számold ki a napkollektor teljesítményét néhány esetben! Értelmezd a különbségeket!
8. Határozd meg a napkollektor hatásfokát a www.naplopo.hu napsugárzási adatai alapján. (Ez két-három nap késéssel az interneten megjelenik.)
9. Számold ki a te mérési eredményeid alapján mennyi idő alatt térülne meg egy ilyen napkollektor.