A napenergia mint alternatív energiaforrás: a naprendszerek típusai és jellemzői
Az elmúlt évtizedben a napenergiát mint alternatív energiaforrást egyre gyakrabban használják épületek fűtésére és melegvíz-ellátására. A fő ok a hagyományos tüzelőanyagok elérhető, környezetbarát és megújuló energiaforrásokkal való hellyettesítésére irányuló törekvés.
A napenergia hővé alaítását a heliorendszerek végzik – a modul felépítése és működési elve határozza meg alkalmazásának sajátosságait. Ebben a cikkben áttekintjük a napkollektorok típusait és működési elveiket, valamint bemuttatjuk a napkollektor modulok népszerű modelljeit.
A cikk tartalma:
A heliorendszer használatának célszerűsége
A napkollektoros rendszer – olyan berendezés, amely a napsugárzás energiáját hőenergiává alakítja, amelyet ezt követően a hőcserélőbe juttat a fűtési vagy vízellátó rendszer hőhordozójának felmelegítése céljából.
A napkollektoros berendezés hatékonysága a napsugárzás mértékétől függ – az egy nap alatt 1 m² felületre érkező energia mennyiségétől, amely a napsugarak irányához képest 90°-os szögben helyezkedik el. A mutató mértékegysége kWh/m², a paraméter értéke évszakonként változik.
A mérsékelt kontinentális éghajlatú régió átlagos napsugárzási szintje 1000–1200 kWh/m² (évente). A napfény mennyisége a meghatározó paraméter a napkollektoros rendszer teljesítményének kiszámításához.

A napenergia-hőellátó rendszer telepítése költséges vállalkozás. Ahhoz, hogy a beruházási költségek megtérüljenek, elengedhetetlen a rendszer pontos számítása és a telepítési technológia betartása.
Példa. A napenergia-besugárzás átlagos értéke Tulában nyár közepén – 4,67 kW/m²*nap, ha a rendszer panelt 50°-os szögben szerelik fel. Az 5 m² felületű napkollektor teljesítménye a következőképpen számítható: 4,67*4=18,68 kW hőenergia naponta. Ez a mennyiség elegendő 500 liter víz felmelegítéséhez 17 °C-ról 45 °C-ra.

Az új technológiák bevezetésének célszerűségéről szólva fontos figyelembe venni az adott napkollektor műszaki jellemzőit. Egyesek 80 W/m² napenergia mellett kezdenek műkődni, másoknak elegendő 20 W/m².
Még déli klímában sem, a kollektoros rendszer kizárólagos fűtési célú használata nem térül meg. Ha a telepítést kizárólag télen, napfényhiány esetén használják, akkor a berendezés ára még 15-20 év alatt sem térül meg.
A napenergia-rendszer maximális hatékonyságú használatához be kell építeni a melegvíz-ellátó rendszerbe. Még télen is lehtővé tesz a napkollektor, hogy 40-50%-kál csökkense a vízmelegítésre forditott energiászámlákat.

A gazdasági előnyök mellett a „napenergiás fűtés” további előnyökkel jár:
- Környezetbarátság. Csökken a szén-dioxid-kibocsátás. Egy év alatt 1 m² napkollektor megakadályozza, hogy 350-730 kg kibocsátás kerüljön a légkörbe.
- Esztétikusság. A kompakt fürdőszoba vagy konyha helyisége megszabadítható a terjedelmes bojlerektől vagy gázbojlerektől.
- Tartósság. A gyártók szerint a telepítési technológia betartása esetén a rendszer körülbelül 25-30 évig működik. Sok cég akár 3 év garanciát is nyújt.
A napenergia használata elleni érvek: erős szezonalitás, időjárás-függőség és magas kezdeti beruházási költségek.
Általános felépítés és működési elv
Vizsgáljuk meg a napenergia-rendszer egy olyan változatát, ahol a kollektor a rendszer fő munkaeleme. Az egység külső megjelenése egy fémdobozra emlékeztet, amelynek előlapja edzett üvegből készült. A doboz belsejében található a munkaszerv – egy tekercs abszorberrel.
A hőelnyelő blokk biztosítja a hőhordozó – a keringő folyadék – felmelegítését, és a generált hőt a vízellátás köRébe tovabbítja.

A napkollektor mindenképpen egy tárolótartállyal együtt működik. Mivel a hőhordozó 90-130°C-ra meleggszik, nem lehet közvetlenül a melegvíz-csapokba vagy a fűtőradiátorokba vezetni. A hőhordozó a bojler hőcserélőjébe áramlik. A tárolótartályt gyakran kiegészítik egy elektromos fűtőbetéttel.
Működési séma:
- A Nap felmelegíti a kollektor felületét.
- A hősugárzás az abszorbernek (elnyelő elem) adódik át, amelyben a munkafolyadék található.
- A tekercs csoveiben keringő hőhordozó felmeleggszik.
- A szivattyúberendezés, a vezérlő- és felügyeleti egység biztosítja a hőhordozó elvezetését a csővezetéken át a tárolótartály tekercséhez.
- A hő átadása a bojlerben lévő víznek történik.
- A lehűlt hőhordozó visszajut a kollektorba, és a ciklus megismétlődik.
A vízmelegítőből származó felmelegített víz a fűtési körbe vagy a vízvételi pontokhoz kerül.

A napelemeket a magánházak kialakításában leggyakrabban tartalék áramforrásként használják:
A napkollektorok fajtái
Rendeltetéstől függetlenül a napkollektoros rendszer lapos vagy gömb alakú csöves napkollektorral van felszerelve. Mindegyik opció számos megkülönböztető jellemzővel rendelkezik a műszaki jellemzők és az üzemeltetési hatékonyság tekintetében.
Vákuumcsöves – hideg és mérsékelt éghajlatra
Szerkezetileg a vákuumos napkollektor egy termoszra emlékeztet – a hűtőközeggel töltött keskeny csövek nagyobb átmérőjű lombikokban helyezkednek el. Az edények között vákuumréteg alakul ki, amely a hőszigetelésért felelős (hőmegtartás – akár 95%). A csöves forma a legalkalmasabb a vákuum megtartására és a napsugarak 'befogására'.

A belső (hő-) cső alacsony forráspontú (24-25 °C) sóolattal van töltve. Hevítés hatására a folyadék elpárolog – a gőzök felemelkednek a lombikban, és felmelegítik a kollektor házában cirkuláló hőhordozót.
A kondenzáció során a vízcseppek lefolynak a cső hegyébe, és a folyamat megismétlődik.
A vákuumréteg jelenlétének köszönhetően a termikus lombik belsejében lévő folyadék képes felforrni és elpárologni mínuszos külső hőmérsékleten (akár -35 °C-ig).
A napkollektor modulok jellemzői a következő kritériumoktól függnek:
- cső kialakítása – tollas, koaxiális;
- hőcsatorna kialakítása – «Heat pipe», egyenes áramlású cirkuláció.
Tollas lombik – üvegcső, amełyben egy lemezformájú abszorber és egy hőcsatorna található. A vákuumréteg áthalad a hőcsatorna teljes hosszán.
Koaxiális cső – kétfalu lombik, amelynek két edény fala között vákuumos 'betét' található. A hőátadás a cső belső felületéről történik. A hőcső hegye vákuumindikátorral van felszerelve.

A 'Heat pipe' csatorna a leggyakoribb hőátadási mód a napkollektorokban.
A működsi mechanizmus a könnyen párolgó folyadék lezár fémes csövekbe törénő elhelyezésén alapul.

Átfolyócsatorna – az üvegcsövön párhuzamos, U-alakú ívben összekapcsolt fémcsövek haladnak át.
A hőhordozó a csatornán átáramolva felmelegszik, és a kollektor házához jut.

A koaxiális és tollcsövek különböző módon kombinálhatók a hőcsatornákkal.
1. változat. Koaxiális cső „Heat pipe” – a legnépszerűbb megoldás. A kollektorban többszörös hőátadás történik az üvegcső falától a belső csőhöz, majd a hőhordozóhoz. Az optikai hatásfok eléri a 65%-ot.

2. változat. Koaxiális cső átfolyó cirkulációval, U-alakú kollektorként ismert. A kialakítás csökkenti a hőveszteséget – az alumínium hőenergiája a cirkuláló hőhordozós csövekhez kerül.
A magas hatásfok (akár 75%) mellett a modell hátrányokkal rendelkezik:
- bonyolult szerelés – a csövek a kollektor kétcsöves házával (mainfold) egységet alkotnak, és egészben szerelendők;
- az egyes csövek cseréje kizárt.
Ezenkívül az U-alakú egység igényes a hőhordozóra, és drágább, mint a „Heat pipe” modellek.

3. változat. Tollcső „Heat pipe” működési elvvel. A kollektor jellegzetességei:
- magas optikai jellemzők – hatásfok kb. 77%;
- a lapos abszorber közvetlenül adja át a hőenergiát a hőhordozós csőnek;
- az egyrétegű üveg használatának köszönhetően csökken a napsugárzás visszaverődése;
A sérült elem cseréje lehetséges a naprendszerből a hőhordozó leeresztése nélkül.
4. változat. Tollcső átfolyó működéssel – a leghatékonyabb eszköz a napenergia, mint alternatív energiaforrás hasznosítására vízmelegítéshez vagy lakásfűtéshez. A nagy teljesítményű kollektor 80%-os hatásfokkal működik. A rendszer hátránya a javítás nehézsége.

A csöves kollektorok a kiviteltől függetlenül a következő előnyökkel bírnak:
- alacsony hőmérsékleten is működőképes;
- alacsony hőveszteség;
- hosszú napi üzemidő;
- képes a hőhordozót magas hőmérsékletre felmelegíteni;
- kis szélterhelés;
- egyszerű telepítés.
A vákuumos modellek fő hátránya, hogy nem képesek megtisztítani magukat a hótakarótól. A vákuumréteg nem engedi ki a hőt, ezért a hóréteg nem olvad el, és elzárja a napfény útját a kollektormezőhöz. További hátrányok: magas ár, valamint a csövek legalább 20°-os munkadőlésszögének betartása.
A levegős hőhordozót melegítő kollektoros napenergia-berendezések használhatók melegvíz előállítására, ha tárolótartállyal vannak felszerelve:
A vákuumos napkollektor csöves változatának működési elvéről bővebben itt olvashat.
Vízes – optimális választás a déli szélességekre
A sík (panel) szolárkollektor egy téglalap alakú alumíniumlemez, amelyet felül műanyag vagy üveg fedél zár. A dobozon belül található az abszorpciós mező, egy fém spirálcső és egy hőszigetelő réteg. A kollektor területét egy átfolyó csőrendszer tölti ki, amelyben a hőhordozó áramlik.

A nagy szelektivitású abszorbens bevonat hőelnyelése eléri a 90%-ot. Az átfolyó fém csővezeték az abszorber és a hőszigetelés között helyezkedik el. Kétféle csőelrendezési séma létezik: a hárfa és a meander.
A folyadék hőhordozót melegítő napkollektorok összeszerelési folyamata számos hagyományos lépést foglal magában:
Ha a fűtési kört kiegészítik a használati meleg vizet szállító vezetékkel, akkor érdemes a napkollektorhoz hőtárolót csatlakoztatni. A legegyszerűbb megoldás egy megfelelő űrtartalmú, hőszigetelt tartály, amely képes fenntartani a felmelegített víz hőmérsékletét. Ezt egy emelvényre kell felszerelni:
Csöves kollektor folyékony hőhordozóval úgy működik, mint egy „üvegházhatás” – a napsugarak áthatolnak az üvegen és felmelegítik a csővezetéket. A tömítettségnek és a hőszigetelésnek köszönhetően a hő a panel belsejében marad.
A napelem modul szilárdságát nagyban meghatározza a védőburkolat anyaga:
- hagyományos üveg – a legolcsóbb és legtörékenyebb burkolat;
- edzett üveg – magas fényáteresztés és fokozott szilárdság;
- antireflexes üveg – maximális abszorpciós képességgel rendelkezik (95%) a napsugarak visszaverődését kiküszöbölő rétegnek köszönhetően;
- öntisztuló (poláris) üveg titán-dioxiddal – a szerves szennyeződések a napon kiégnek, a maradék szennyeződéseket az eső lemossa.
A polikarbonát üveg viseli el legjobban az ütéseket. Ezt az anyagot drága modellekben alkalmazzák.

A panel típusú naplkorlektorok üzemeltetési és funkcionális jellemzői:
- a kényszerített cirkulációs rendszerekben jégmentesítési funkció van, amely lehétővé teszi a hóréteg gyors eltávolítását a napelemes mezőről;
- a prizmatikus üveg a sugarak széles skáláját fogja be küönböző szögekből – nyári időszaakban a berendezés hatásfoka eléri a 78-80%-ot;
- a kollektor nem fél a túlmelegedéstől – hőenergia-többlet esetén a hőhordozó kényszerhűtése lehétésges;
- fokozott ütésállóság a csöves társakhoz képest;
- bármilyen szögben történő felszerelés lehétősége;
- kedvező árpolitika.
A rendszerek nem mentesek a hiányosságoktól. A napfényhiány időszaakában, a hőmérséklet-különbség növekedésével a sík naplkollektor hatásfoka jelentoséen csökken az elégtelen hőszigetelés miatt. Ezért a panel modul nyáron vagy meleg éghajlatú régiókban válik be.
Heliorendszerek: a felépítés és üzemeltetés sajátosságai
A napelemes rendszerek sokfélesége a kővetkező paraméterek alapján osztályozható: a napsugárzás felhasználásának módja, a hőhordozó keringesének módja, a körök száma és az üzemeltetés idényjellege.
Aktív és passzív rendszerek
Minden napenergia-átalakító rendszerben van egy hőfelvevő. A nyert hő felhasználási módja alapján kétféle naplkollektor-rendszert különböztetünk meg: passzív és aktív.
Az első típus a napfűtés rendszer, ahol a nap sugárzásának hőelnyelő elemei az épület szerkezeti elemei. Napelelvő felüetként a tető, a kollektorfal vagy az ablakok szolgálnak.

Az európai országokban a passzív technológiákat energiahatékony épületek építésénél használják. A szoláris vevőfelületeket álablakokként díszítik. Az üvegburkolat mögött egy feketére festett téglafal található világos nyílásokkal.
Hőtárolóként az építmény elemei – a falak és a födémek – szolgálnak, amelyek kívülről polisztirollal vannak szigetelve.
Az aktív rendszerek olyan önálló eszközök használatát jelentik, amelyek nem tartoznak az építményhez.

Termoszifonos és cirkulációs rendszerek
A hűtőfolyadék természetes áramlásával működő szoláris hőberendezés a kollektor-tároló-kollektor körben konvekció révén valósul meg – a meleg, alacsony sűrűségű folyadék felszáll, a lehűlt pedig lefelé folyik.
A termoszifon rendszerekben a tárolótartály a kollektor felett helyezkedik el, biztosítva a hűtőfolyadék spontán cirkulációját.

A nyomásmentes szoláris rendszer számos hátránnyal rendelkezik:
- felhős napokon a komplexum teljesítménye csökken – a hűtőfolyadék mozgatásához nagy hőmérséklet-különbség szükséges;
- a folyadék lassú mozgása miatt fellépő hőveszteségek;
- a fűtési folyamat szabályozhatatlansága miatt a tartály túlmelegedésének kockázata;
- a kollektor működésének instabilitása;
- a tárolótartály elhelyezésének nehézsége – tetőre szerelve nőnek a hőveszteségek, felgyorsulnak a korróziós folyamatok, és fennáll a csatlakozók befagyásának veszélye.
A „gravitációs” rendszer előnyei: egyszerű felépítés és kedvező ár.
A cirkulációs (kényszerített) szoláris rendszer kiépítésének beruházási költségei lényegesen magasabbak, mint a nyomásmentes komplexum telepítése. A körbe egy szivattyút építenek be, amely biztosítja a hűtőfolyadék mozgását. A szivattyúállomás működését egy vezérlő irányítja.

Ez a keringési mód az egész évben működő kétkörös szoláris hőberendezésekben van használatban.
A teljes funkcionalitású komplexum előnyei:
- a tárolótartály elhelyezésének korlátlan választéka;
- szezonon kívüli működőképesség;
- az optimális fűtési üzemmód kiválasztása;
- biztonság – működés blokkolása túlmelegedés esetén.
A rendszer hátránya – az elektromos áramtól való függés.
Műszaki megoldás: egy- és kétkörös rendszerek
Az egykörös berendezésekben folyadék kering, amelyet később a vízvételi pontokhoz vezetnek. Télen a rendszerből le kell engedni a vizet, hogy megelőzzük a fagyást és a csövek megrepedését.
Az egykörös szoláris termikus komplexumok jellemzői:
- a rendszer „feltöltése” tisztított, lágy vízzel ajánlott – a sók lerakódása a csövek falán a csatornák eltömődéséhez és a kollektor meghibásodásához vezet;
- korrózió a vízben lévő túlzott levegő miatt;
- korlátozott élettartam – négy-öt év közötti;
- nyáron magas hatásfok.
A kétkörös szoláris komplexumokban speciális hőhordozó (fagyálló folyadék habzásgátló és korróziógátló adalékokkal) kering, amely a hőt a hőcserélőn keresztül adja át a víznek.

A kétkörös modul üzemeltetésének árnyalatai: a hatásfok enyhe csökkenése (3-5%-kal kevesebb, mint az egykörös rendszerben), a hőhordozó teljes cseréjének szükségessége 7 évente.
A működés feltételei és a hatékonyág növelése
A szoláris rendszer tervezését és telepítését jobb szakemberekre bízni. A telepítési technika betartása biztosítja a működőképességet és a megadott teljesítmény elérését. A hatékonyság és az élettartam javítása érdekében figyelembe kell venni néhány árnyalatot.
Termosztatikus szelep. A hagyományos hőellátó rendszerekben termosztatikus elem ritkán kerül beépítésre, mivel a hőmérséklet-szabályozásért a hőtermelő felel. Azonban a szoláris rendszer kialakításakor nem szabad megfeledkezni a védőszelepről.

A szelep optimális elhelyezése – 60 cm-re a fűtőberendezéstől. Közeli elhelyezés esetén a „termosztát” felmelegszik és blokkolja a melegvíz-ellátást.
A tárolótartály elhelyezése. A HMV puffertartályát hozzáférhető helyen kell telepíteni. Kompakt helyiségben történő elhelyezéskor különös figyelmet kell fordítani a belmagasságra.

A tágulási tartály telepítése. Az elem kompenzálja a hőtágulást a stagnálás időszakában. A tartály szivattyúberendezés fölé történő telepítése a membrán túlmelegedését és idő előtti elhasználódását okozhatja.

A napkollektor kör csatlakoztatása. A csövek csatlakoztatásakor ajánlott hurkot kialakítani. A „hőhurok” csökkenti a hőveszteséget, megakadályozva a felmelegített folyadék távozását.

Visszacsapó szelep. Megakadályozza a hőhordozó keringésének „felborulását”. Napenergia hiányában a visszacsapó szelep nem engedi a nappal felhalmozott hő elszóródását.
Népszerű »napkollektor« modulok
Keresettek a hazai és külföldi vállalatok napkollektoros rendszerei. Jó hírnevet szereztek a következő gyártók termékei: NPO Mashinostroyeniya (Oroszország), Gelion (Oroszország), Ariston (Olaszország), Alten (Ukrajna), Viessmann (Németország), Amcor (Izrael) stb.
A „Szokol” napkollektoros rendszer. Síkkollektor, amely többrétegű optikai bevonattal és magnetronos porlasztással van ellátva. A minimális sugárzási képesség és a magas abszorpciós szint akár 80%-os hatásfokot biztosít.
Üzemeltetési jellemzők:
- üzemeltetési hőmérséklet: -21 °C-ig;
- hő visszasugárzás: 3-5%;
- felső réteg: edzett üveg (4 mm).
Az SVK-A (Alten) kollektor. Vákuumos napkollektor 0,8-2,41 m² abszorpciós felülettel (modelltől függően). Hőhordozó: propilén-glikol, a réz hőcserélő 75 mm-es hőszigetelése minimalizálja a hőveszteséget.
További paraméterek:
- ház: eloxált alumínium;
- hőcserélő átmérője: 38 mm;
- szigetelés: ásványgyapot, antihigroszkópos kezeléssel;
- bevonat: bórszilikát üveg 3,3 mm;
- Hatásfok: 98%.
Vitosol 100-F – vízszintes vagy függőleges beépítésű síkkollektor. Réz abszorber hárfa alakú csőkígyóval és heliotitán bevonattal. Fényáteresztés: 81%.

Következtetések és hasznos vidéó a témából
A napkollektorok működési elve és típusai:
A lapos kollektor teljesítményének értékelése fagypont alatti hőmérsékleten:
A panel típusú napkollektor beépítési technológiája a Buderus modell példáján:
A napenergia megújuló hőforrás. A hagyományos energiahordozók árának növekedése miatt a szolár rendszerek bevezetése indokolja a tőkebefektetést, és a megfelelő telepítési technika betartása mellett a következő öt éven belül megtérül.
Ha értékes információkkal rendelkezik, amelyeket meg szeretne osztani weboldalunk látogatóival, kérjük, hagyja meg észrevételeit a cikk alatti blokkban. Ugyanitt felteheti a cikk témájával kapcsolatos kérdéseit, vagy megoszthatja tapasztalatait a napkollektorok használatáról.

Az otthonom világítására és fűtésére napenergiát használni – ez az álmom. Gyűjtök pénzt, és megvalósítom. Ismerősöm napelemeket telepített a tetőre. Az átalakítási folyamat 25 ezer dollárba került. Most annyi áramot termelnek, ami a családnak elég, sőt a felesleget eladják az államnak. Kiszámolták, hogy a költségek 6 év alatt térülnek meg, utána pedig bevételhez jutnak. Jövedelmező befektetés.
Az ismerőse ferdít – magánszemély nem adhat el áramot az államnak. Ráadásul a berendezés sem örök életű. Karbantartásra és javításra lesz szükség.
Még kb. 20 évet kell várni – talán addigra olcsóbb lesz. De a mi országunkban nem…
Még sok vita lesz ebben a témában. Többször olvastam olyan tanulmányokat, amelyek szkeptikusan viszonyulnak az ilyen projektek megtérüléséhez. Úgy tűnik, minden a ház regionális elhelyezkedésén múlik. Még ha 1000 kW-ot fogyasztanak is havonta 12 Ft-ért, a 25 ezer dollár 5 év alatt nem térül meg.)
Fűtés szempontjából viszont szerintem érdekes. Csak felmerül a kérdés, hogy a napkollektor képes-e teljes mértékben ellátni a fűtést és a meleg vizet a középső szélességi fokokon? Akkor a megtérülés kérdése másodlagossá válik.
Üdvözlöm! Ugyanezen a kérdésen gondolkodom, és itt a probléma nem a középső szélességi fokokban van, hanem a nappali fény időtartamában. Az akkumulátorok és a kollektorok a napfényből dolgoznak, nem a nap hőjéből. Télen a nappali ciklus hossza, az éjszakai időszak, a felhős évszak (és néha az ilyen időjárás hetekig tart).
Kétségessé válik a gyártók verziója a 10 éves megtérülésről, figyelembe véve az akkumulátorok átlagos élettartamát 25 év és a napelemekét 12 év. És egyre igazabbnak tűnik a nemrég kiszámolt 45 éves megtérülésről szóló verzió, ami már nem tűnik annyira célszerűnek.
Hogyan számoljuk ki a megtérülést a Krasznodari területre? Nálunk a napsütéses napok számával minden rendben van. Egyáltalán nehéz lesz saját kezűleg felszerelni a paneleket?
Üdvözlöm, Borisz! A Krasznodari területen az alternatív energia elég jól fejlett, különösen a hálózati naperőművek (SZESZ).
Ami a megtérülést illeti, itt el kell végezni néhány számítást. Hogy érthetőbb legyen, hozok egy példát egy kész projektre Szocsi városában, egy 10 kW teljesítményű hálózati naperőműre. Rögtön vegyük figyelembe a helyi villamosenergia-tarifát: 31,6 Ft/kWh.
Magának a naperőműnek a költsége 2 360 000 Ft, plusz a tetőre való gerenda és rögzítők, fogyóeszközök és szerelési munkák 440 000 Ft-ba kerülnek. Összesen 2 800 000 Ft.
Mellékelem a 10 kW-os naperőmű éves villamosenergia-termelésének grafikonját, amely 15 900 kWh. A havi átlagos megtakarítás grafikonja azt mutatja, hogy a naperőmű évi 500 000 Ft megtakarítást tesz lehetővé.
Könnyen kiszámolható, hogy Szocsiban egy ilyen állomás 5 év alatt megtérül.
A szerelést ajánlom olyan szervezet csapatára bízni, amely hőtechnikai szerelésre szakosodott, hogy hivatalos garanciát kapjon.