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.

 

 

 

 

 

1. A NAPENERGIA

1.1. A napenergia keletkezése

 

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)

 

1.2. A napenergia hasznosítása

 

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.]

 

1.2.2. Napkollektorok

 

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.

 

1.2.3. Természetvédelmi szempontok

 

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.]

 

2. A BÁDOGDOBOZOS KOLLEKTOR

 

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.

 

2.1. A kollektor felépítése

 

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.

 

2.2. A kollektor költségei és anyagai

 

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.

2.3. A működés fizikai háttere

 

 

                        

                  16. ábra: A sörkollektorban lezajló fizikai folyamatok sematikus ábrája

 

2.3.1. Energiaátadás számolása a kollektorban

 

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.

 

 

2.3.1.1. A kollektor anyagának felmelegedése

 

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.

 

2.3.1.2. A levegő felmelegedése a kollektorban

 

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.

 

2.3.2. A mért hőmérséklet időfüggésének számolása

 

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

 

2.3.3. Hatásfok számítása

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.