I. rész: alapok, egy egyszerűsített modell
A kollektorokkal a nap hőjét próbáljuk hasznosítani. A légkollektorok levegőt melegítenek, a meleg levegővel fűtési idényben a lakást fűtjük, fűtési idényen kívül üzemen kívül van. Létezik arra sikeres próbálkozás, hogy egy levegő-víz hőcserélőn (=bontásból származó teherautó-hűtőn) meleg vizet készítsünk, de ezt többe kerül üzemeltetni mint egy tisztán vizes rendszert (a szivattyún kívül a ventillátort is működtetni kell), és megvalósítani sem egyszerű.
Előnye, hogy a napkollektoros fűtésrásegítésnek egy viszonylag olcsón megvalósítható módját jelentik. A hőtároló maga a lakás tömege, nem kell tehát tárolóra költeni. Nem kell a fagyállóságon sem gondolkodni.
Hátránya, hogy a levegő kis tömege miatt a napkollektor teljesítményének elszállításához nagy átmérőjű csövek és viszonylag nagy légsebesség kell. Ez azt jelenti, hogy nem hangtalan a működése, zavaró lehet, és a befújás irányéval is ügyeskedni kell, hogy ne kerüljünk a légáramba. A nagy légsebesség nagy (akár 40-50 W) ventillátor-fogyasztással is jár, ha viszont kisebb teljesítményű ventilátort használunk, akkor a kollektorban a levegő hőmérséklete nagyon megnő, a hatásfok pedig lecsökken.
Hogy az alapösszefüggések világosak legyenek, először egy faék egyszerűségű légkollektoron mutatom be az alapösszefüggéseket, később bonyolítom a valósághoz. Szóval képzeljünk el egy sík fémlemezt, a hátsó oldala mögött áramlik a fűtendő levegő, elöl hőszigetelő levegőréteg, előtte üvegfedés. Ha az egyszerűség kedvéért feltesszük, hogy a fűtendő levegő mögött tökéletes hőszigetelés van, akkor ilyen egyszerűsített áramköri rajza van a kollektornak:
Ja, ha valaki nem tudná, a hőáramok az elektromos áram analógiájára számolhatók, a feszültségnek a hőmérsékletkülönbség felel meg, az áramnak a hőáram, az ellenállásnak a hőellenállás (az U-érték reciproka)
A narancs nyíl jelöli a bejövő hőáramot (napenergia mínusz optikai veszteségek), az abszorberen kialakuló (ismeretlen) hőmérséklet Ta, az áramoltatott levegő hőmérséklete Th, a külső hőmérséklet Tk. (Az áramoltatott levegő jelentősen emelkedik, az áramoltatott levegő hőfoka tehát egy kollektor-szeletre jellemző, illetve közelítő számításhoz használhatjuk a beömlő és kiömlő levegő hőfokának átlagát) Látszik, hogy a piros nyíllal jelölt veszteségi hőáram úgy csökkenthető, ha növeljük a piros ellenállás értékét. Ez megtehető kétrétegű, háromrétegű fedéssel, de ennek az optikai hatásfok csökkentése az ára. Ha a nyereség-irányú hőáramot növeljük, akkor is csökken a veszteség, Ta csökkenése miatt. A zöld nyíllal jelzett nyereségi hőáram úgy növelhető, ha az áramló levegő Th hőmérséklete minél kisebb. Nagy légsebességgel elérhető, hogy az áramló levegőt ne hagyjuk nagyon felmelegedni - de az már eleve a belépési ponton melegebb, mint a kinti hőmérséklet. A másik lehetőség, hogy a zölddel jelzett ellenállást minimalizáljuk. Ez jelen esetben a fém és a mögötte áramló levegő közötti hőátadási tényező reciproka, ami szintén a légsebesség növelésével csökkenthető.
Az egyenletek némi átrendezésével (képként itt a levezetés, ha valakit érdekel) a következő képletet kapjuk a hatásfokra:
Látható, hogy a hatásfok a hőkülönbség és a beérkező napenergia hányadosának függvénye, emiatt is szokták a napkollektorok hatásfokát
hatásfok = A - B*deltaT/I
formában megadni, ahol A és B mért konstansok. Azt szokták mondani, hogy ebben a képletben "A" az optikai hatásfok, de ez csak vizes kollektorok esetében van így. A folyadékok jóval nagyobb hőátadási tényezője miatt a fenti képletben az optikai hatásfok szorzója gyakorlatilag egy. Gyakorlásképpen becsüljük meg egy olyan sörkollektor hatásfokát, ahol a sörcsövek hátulja ügegyapotba van ágyazva, és kétrétegű polikarbonát fedése van.
A polikarbonát U értéke 3,1, annak reciproka 0,3226, ezt megfeleltetem a veszteség oldali hőellenállásnak. Némileg nagyobb lenne amiatt, hogy a levegő már nem olyan hőfokú, mint az abszorber (pedig az U-érték kalkulálásánál egységes meleg-oldali hőfokkal számoltak), de a hőszigetelés felé menő veszteségeket se vesszük figyelembe, és azt sem, hogy az U érték valójában hőmérsékletfüggő, és a kollektorban nem szobahőmérséklet van. Szóval Rv=0,3226
A sörcső belsejében kényszeráramlás van. A hőátadási tényező 5,7+3,7v lenne akkor, ha ez egy sík, sima felület lenne. Nem az, de vegyük nulladik közelítésnek. 100 légköb/óra tényleges légsebességnél, 13 párhuzamos sörcsőnél 0,644 m/s a sörcsőben az átlagos áramlási sebesség. Ez 8,08-as hőátadási tényezőt ad. Tovább növelhetjük amiatt, mert egy négyzetméterre több mint egy négyzetméter hőátadó felület jut. Hogy hányszor több az a nap beesési szögétől is függ, számoljuk 1,4-szeres felülettel, így adódik 11,3-as hőátadási tényező. Így Rh=0,0884
Tudnunk kell még az optikai hatásfokot. A kétrétegű PC fényáteresztése 80%, az abszorberfesték annak kb. 90%-át nyeli el, tehát az optikai hatásfok 72%.
Így a hatásfok: A=72%*(0,3226/(0,3226+0,0884))=56,9%
B=2,38
Ez azt jelenti, hogy abban az üzemállapotban, amikor a nap a kolira merőlegesen 1000W/nm intenzitással süt, kint nulla fok van, a beszívott levegő 20, a kifújt 40 fokos, akkor:
deltaT átlaghőfokkal számolva: 30 fok, így deltaT/I= 0,03
a hatásfok 56,9%-7,1%=49,8%
Ez csak egy leegyszerűsített modell légkollektorok - sőt bármilyen kollektor - hatásfokának első becslésére. A következő részben bonyolultabb modellekkel jelentkezem....
