A napkollektorok hatásfoka és teljesítménye
2003/10. lapszám | VGF&HKL online | 35 999 |
Figylem! Ez a cikk 21 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Lapunk július-augusztusi számában összehasonlító táblázat jelent meg a Magyarországon beszerezhető napkollektorok műszaki paramétereiről. A gyártó és forgalmazó cégeknek meg kellett adniuk az általuk kínált napkollektor hatásfokát is, amit a cégek többsége 80% körüli értékben határozott meg. Vajon valós lehet-e ez a rendkívül magas hatásfok? Igen, ahogy például a mondás szerint az is igaz lehet, hogy egy Trabant üzemanyag-fogyasztása 100 km-en 1 liter. Lejtőn lefelé és hátszélben, de igaz.
A fenti bevezető talán kicsit túl morózusra sikeredett, de e cikk írója nehezen tudja leplezni bosszankodását akkor, ha tudatlanságból, vagy éppen tudatos megtévesztés szándékával a napkollektorok teljesítőképességét a valóságosnál lényegesen kedvezőbb értékben tüntetik fel. A napkollektorok ugyanis erre nem szorulnak rá. A valóságnak megfelelő, korrektül megadott paraméterek ismertetése is éppen eléggé meggyőző érv lehet a napkollektorok alkalmazása mellett. Akkor hát nézzük, mekkora lehet valójában egy napkollektor hatásfoka? Hőtermelő berendezések esetében a hatásfok a hasznosított és a bevitt hőmennyiség arányát fejezi ki. Hagyományos hőtermelő berendezések esetében a bevitt hőmennyiséget a tüzelőanyag mennyisége és fűtőértéke határozza meg. A napkollektorok „tüzelőanyaga” a Nap elektromágneses sugárzása. Ezért napkollektorok esetében a hatásfok a kollektorral hasznosított hőenergia és a napkollektorok felületére érkező napsugárzás energiájának arányát fejezi ki.
A hatásfok tehát azt mutatja meg, hogy a napkollektorok a felületükre érkező napsugárzást mekkora veszteséggel tudják átalakítani hasznos hőenergiává. Egy napkollektor veszteségeit és így a hatásfokát is jelentősen befolyásolják a pillanatnyi hőmérsékleti és a napsugárzási viszonyok. Az 1. ábra is csak egy pillanatnyi állapotot mutat. Ha megváltozik a külső hőmérséklet vagy a napsugárzás erőssége, akkor a kollektorok hatásfoka is módosul. Vagyis a hatásfokot nem lehet egy számmal kifejezni, mert az állandóan változik egy maximális érték és a nulla között. Ezért a kollektorok hatásfokát egzaktan csak grafikonnal, vagy matematikai egyenlettel lehet megadni. Nemzetközi szabványok szerint a kollektorok hatásfokát egy általában X-el jelölt paraméter függvényében adják meg.
Magyarország meterológiai adottságai mellett...
...átlagos, használati meleg vizet készítő napkollektoros rendszert alapul véve reálisan elérhető 50-70%-os szoláris részarány. Ekkor a kollektoros rendszer éves hatásfoka 30-40%, vagyis a napkollektorok az érkező napsugárzás 30-40%-át hasznosítani tudják. Magyarországon 1 m² déli tájolású és 40° körüli dőlésszögű felületre megközelítőleg 1400 kWh energia érkezik a Napból. Az éves hatásfok figyelembevételével kollektorokkal ebből átlagos esetben 500 kWh hasznosítható. Tehát Magyarországon minden négyzetméter napkollektor-felülettel kb. évi 500 kWh hőenergia nyerhető. Ez elegendő például 10 000 liter víz felfűtésére 15 °C-ról 55 °C-ra. Ha pedig a Nap benyújtaná a számlát ezért az energiáért, akkor a jelenlegi 28,78 Ft/kWh energiaár alapján minden napkollektor-négyzetméter után évi 14 400 Ft-ot kellene fizetnünk. És mint tudjuk, az energia egyre drágább lesz, a Nap viszont nem emeli szolgáltatásának díjait.
A hatásfok görbéjéből látható, hogy a kollektorok hatásfoka akkor maximális, ha az X értéke nulla. Ennyi pedig csak akkor lehet, ha X képletében a számláló értéke nulla, vagyis a kollektorok hőmérséklete éppen megegyezik a környezeti levegő hőmérsékletével. Ezt a pontot nevezik optikai hatásfoknak, mivel itt nincs hőveszteség, a veszteségek csak optikai jellegűek, az üvegfedés fényáteresztő képességétől és az elnyelőlemez napsugárzás-elnyelő képességétől függenek. Ezt a magas optikai hatásfokot szokták tévesen megadni a kollektorok hatásfokaként. Az X=0 pontban mérhető hatásfok azonban nagyjából megfelel a bevezetőben, a Trabant esetében említett hátszél és szakadék üzemmódnak. Gondoljuk csak meg: a levegő hőmérséklete még nyáron is csak 20-30 °C, a kollektorok hőmérséklete pedig csak akkor lehet ugyanennyi, ha maximum 10-25 °C-os vizet fűtenek. Természetesen lehet ilyen üzemmód nyáron, a hálózati hideg víz előmelegítésekor vagy medencék fűtésekor, de általában nem ez a jellemző. Ezért félrevezető, ha a kollektorok hatásfokaként a maximális, optikai hatásfokot adják meg. Ha X értéke növekszik, vagyis nő a különbség a kollektor és a levegő hőmérséklete között, akkor folyamatosan csökken a hatásfok, egészen a nulla értékig. Vagyis ha valaki meg akar győződni egy napkollektor minőségéről, akkor nincs más dolga, mint elkérni a forgalmazótól a kollektorra vonatkozó, független, akkreditált vizsgálóintézet által kimért hatásfokgörbét. Más adat, például a kollektorok teljesítményének feltüntetése nem alkalmas az összehasonlításra. A kollektorok teljesítménye ugyanúgy, mint a hatásfok pillanatról-pillanatra változik. Értéke nem csak a kollektorok jóságától, hanem a napsugárzás erősségétől és a hőmérsékleti viszonyoktól is függ. Ha a maximális teljesítményt adnánk meg, pl. 1000 W/m2 napsugárzásra és X=0 értékre vonatkoztatva, akkor az ugyanúgy félrevezető lenne, mint az optikai hatásfok megadása hatásfokként.
Ha a hatásfokot mindenképpen egy számmal szeretnénk jellemezni, akkor erre a legalkalmasabb az ún. „jellemző hatásfok” lehet. Jellemző hatásfoknak a hatásfok X=0,05 értéknél mérhető nagyságát nevezik. Azért nevezik jellemző hatásfoknak, mert az ebben a pontban lévő üzemállapot viszonylag jól jellemzi a kollektorok leggyakoribb üzemmódját. Pl. X értéke akkor 0,05, ha a kollektor hőmérséklete 60 °C, a levegő hőmérséklete 20 °C, a napsugárzás értéke pedig 800 W/m2. A jó minőségű kollektorok jellemző hatásfoka általában 60% körüli értékű. A kollektorok hatásfokának összehasonlításánál fontos azt is tisztázni, hogy azt a kollektorok milyen felületére adták meg. A hatásfok definíciójában ugyanis az szerepel, hogy az a hasznosított hőmennyiség és a kollektorok felületére érkező napsugárzás arányát fejezi ki. De a kollektorok milyen felületére kell számítani a napsugárzást? Kollektoroknál általában három felületet különböztetnek meg: bruttó (teljes), abszorber és szabad üvegfelületet.Régebben a kollektorok hatásfokát általában az abszorberfelületre vonatkoztatva adták meg, a jelenleg elfogadott európai szabvány azonban már a szabad üvegfelületet veszi figyelembe. Szabad üvegfelületnek annak a felületnek a vetületét nevezik, amelyen keresztül a napsugárzás be tud jutni a kollektor belsejébe.
Az eddig ismertetettek alapján láthattuk, hogy a kollektorok pillanatnyi hatásfoka üzemállapottól függően nulla és egy maximális, általában 80% körüli érték között mozog. A jellemző hatásfok megmutatta azt is, hogy egy derült napon, átlagos hőmérsékletviszonyok esetén a kollektorok hatásfoka 60% körüli érték. De vajon mekkora a kollektorok éves hatásfoka? Erre a kérdésre még nehezebb válaszolni, mert az éves hatásfok nem csak a kollektorok minőségétől, hanem a napkollektoros rendszer kihasználtságától is függ. Túlméretezett, magas szoláris részarányra törekvő rendszernél, az átlagosnál erősebb napsütés esetén a kollektorokkal hasznosítható napenergiát a rendszer már nem tudja fogadni, ezért a többlettermelés elvész, az éves hatásfok alacsony. Ugyanakkor alulméretezett rendszernél mindig biztosított a kollektorokkal hasznosított napenergia felhasználása, ezért magas éves hatásfok érhető el.
Varga Pál
