Napkollektorok

A napkollektorok általában sík vagy vákuumcsöves megoldásban kerülnek fel a lakóházak és a középületek tetejére. Léteznek ipari alkalmazások is, ahol a nap sugarait tükrök vagy optikai lencsék segítségével fókuszálják egy pontba, ahol igen nagy hőmérséklet érhető el. A rendszer hátránya, hogy mindig mozgatni kell a tükröket a nap mozgásának megfelelően, így ez a módszer nagyon költséges, és csak igen nagy rendszereknél éri meg kiépíteni.

A Síkkolektorok

A síkkollektor a legegyszerűbb felépítésű kollektor. Egy fekete felületű fémlemezre réz csöveket hegesztenek vagy rásajtolják a lemezeket a csövekre. A csövek egymástól adott távolságban (~10-20cm) helyezkednek el. A lemez mögé hőszigetelő anyagot helyeznek, és az egészet egy beüvegezett fémkeretbe helyezik.

A napfény elnyelődik a fekete felületen és felmelegszik. A fémlemez átadja az elnyelődött hőt a rézcsőnek, ami felmelegíti a benne lévő hőhordozó folyadékot. A hőhordozó folyadék (általában víz+fagyálló) egy hőcserélőn keresztül pedig melegíti a bojlerunkban lévő ivóvizet. Sajnos a síkkollektoroknak két nagy energiavesztéssel járó tulajdonsága is van. Mivel nagy a felületük, és üzemi hőmérsékletük jócskán a környezeti hőmérséklet felett van ezért hősugárzás formájában is adnak le energiát, valamint a környezeti levegőt is melegítik. Ez főleg télen okoz nagyobb problémát az alacsony külső hőmérséklet miatt. Továbbá a síkkollektor csak akkor jó hőtermelő, ha a napfény nagyjából merőlegesen érkezik a felületére. Minél jobban altér a beesési szög a merőlegestől annál jobban csökken a kollektor teljesítménye. Az IAM a beesési szögmódosító angol megfelelőjének (Incidence Angle Modifier) rövidítése, jelentése egyszerű: a kollektor teljesítményének és hőtermelésének változását mutatja, ahogy a Nap beesési szöge megváltozik a kollektorhoz viszonyítva.

Tehát jó lenne egy olyan elnyelő felületű kollektort készíteni, aminek valamelyik oldalára mindig közel merőlegesen érkezik a napsugárzás, például egy nagy hengerfelület, és lehetőleg jó hőszigetelésű anyaggal szigetelni mindkét oldalán, lehetőleg olyannal, ami a napsugárzást jól átereszti. Mivel a kávé ill. tea melegen tartására használt termosz is üvegből van, készíteni kell nagy termoszt a hengeres kollektorunk számára. És ebből az elméletből született meg a vákuumcsöves kollektor.

A vákuumcsöves kollektorok

A vákuumos csövek

A vákuumos csöveket eredetileg az ausztráliai Sydney egyetemen fejlesztették ki, és már évek óta használják Németországban, Kanadában, Kínában és az Egyesült Királyságban. A szoláris iparban többféle vákuumos csőtípust használnak. Az Apricus a legszélesebb körben használt "iker-üvegcső" típust használja megbízhatósága, teljesítménye és alacsony előállítási költsége miatt.
Minden egyes vákuumos cső két darab üvegcsőből áll. A külső cső (1) rendkívül erős, átlátszó bórszilikát üvegből készül, amely zápor idején képes ellenállni a 25 mm átmérőjű jégdaraboknak is. A belső cső (2) szintén bórszilikát üvegből készül, de egy speciális szelektív bevonattal (3) (Al-N/Al) készül, ami kiváló fény- és hőelnyelő, illetve minimális fény- és hővisszaverő tulajdonságokkal bír. A csövek végét összeolvasztják, a közöttük lévő levegőt pedig kiszippantják, ezáltal vákuum keletkezik. Mire jó a vákuum? A külső és a belső cső közötti légteret kiürítik, ami azt jelenti, hogy ebben a térben alig marad levegő. Ha Ön már használt üveggel bélelt termoszt, tudhatja, hogy a vákuum kitűnő hőszigetelő. Ez azért fontos, mert ha egyszer a vákuumos cső elnyelte a napból érkező hőt, nem áll szándékunkban elveszíteni azt! A vákuum segítségünkre lesz ebben, hiszen olyan jól szigetel, hogy a cső belsejében lehet akár 150 C, a külső cső akkor is hideg, ha megérintjük. Ez azt jelenti, hogy a vákuumcsöves kollektorok hideg időben is működnek, míg a síkkollektorok ilyenkor, a hőveszteség miatt, gyengén teljesítenek.
A két üvegréteg között lévő vákuum megtartása érdekében egy báriumgyűrűt használnak (mint a televíziócsövekben). A gyártási folyamat során ezt a gyűrűt magas hőmérsékletnek teszik ki, aminek eredményeként a vákuumos csövek aljára vékony réteg báriumbevonat kerül. Ez a báriumréteg aktívan elnyeli a hőtárolás és működés során, a csőben keletkező CO, CO2, N2, O2, H2O és H2 gázkibocsátást, így őrizvén meg a vákuumot. Emellett, a báriumréteg tisztán láthatóan mutatja is a vákuum állapotát. Az ezüstszínű báriumréteg fehérré változik, ha a vákuum megszűnik. Ezáltal könnyen megállapítható, hogy egy cső jó vagy rossz állapotban van-e. Tekintse meg a lenti képet.

A báriumgyűrűt a vákuumos cső alján helyezik el.	A baloldali cső = jó, a jobboldali cső = hibás.

Az üveg vákuumos csöveket párhuzamosan fektetik egymás mellé, a felszerelés szöge pedig attól függ, melyik földrajzi szélességi foknál vagyunk.

A fűtéscsövek

A fűtéscsövek új találmánynak tűnhetnek, de igazából valószínűleg mindannyian napi szinten használjuk őket anélkül, hogy tudnánk róla. A legtöbb laptop tartalmaz kicsi fűtéscsöveket, amelyek elvezetik a processzortól a hőt, és a légkondicionáló berendezések is hőelvezető csövekkel működnek. A fűtéscsövek működési elve valójában nagyon egyszerű.

A fűtéscső belseje is légüres, majdnem olyan, mint a vákuumos cső. Ezúttal azonban nem a hőszigetelés, hanem sokkal inkább a belül lévő folyadék halmazállapotának megváltoztatása a cél. A fűtéscső belsejében ugyanis kis mennyiségű tiszta víz és egy kis speciális adalékanyag található. Tengerszint magasságban a víz 100 C-on forr, de egy hegy tetején a forráshőmérséklet 100°C alatt van. Ez a légnyomáskülönbségnek tudható be.
A fenti elvre alapozva, a fűtéscsövek légmentessé tételével, tehát a légnyomás csökkentésével, ugyanazt az eredményt érhetjük el, azaz alacsonyabb forráshőmérsékletet. Az AP napkollektor fűtéscsöveiben a forráspont mindössze 30 C. Tehát, amikor a fűtéscső hőmérséklete meghaladta a 30 C-ot, a víz elpárolog. A keletkezett pára gyorsan felszáll a fűtéscső felső részébe, ami a hőátadást biztosítja. Amint a kondenzátorból (felső részből) továbbjut a hő, a pára folyadékká (vízzé) alakul és visszafolyik a fűtéscső aljára, hogy a folyamat újra kezdődhessen.
A csőben lévő víz szobahőmérsékleten kis labdává formálódik, mint ahogy a higany, amikor szobahőmérsékleten lapos felületre öntik. Ha megrázunk egy fűtéscsövet, hallhatjuk, ahogy a vízlabda csörög benne. Habár ez csak víz, mégis úgy hangzik, mintha egy darab fém csörögne belül.
Ennek a magyarázatnak az alapján nagyon egyszerűnek tűnhet egy fűtéscső. Egy üreges rézcső, egy kis vízzel a belsejében, amiből a levegőt kiszippantották. Jól hangzik, de mindehhez több mint húszféle gyártási folyamatra és szigorú minőségellenőrzésre van szükség.
Az anyagminőség és a tisztaság rendkívül fontos. A fűtéscső belsejében bármilyen kis tisztátlanság károsan befolyásolja a teljesítményt. Magának a réznek is nagyon tisztának kell lennie, csak nyomokban tartalmazhat oxigént vagy más elemeket. Ha a réz túl sok oxigént vagy más elemet tartalmaz, akkor azok semlegesítik a vákuumot, és ezáltal egy kis légzsák keletkezik a fűtéscső tetején. Ennek pedig az a következménye, hogy a fűtéscső legmelegebb pontja (a fűtés kondenzátor legtetején) elmozdul a kondenzátortól lefelé. Ez nyilvánvalóan hátrányosan érinti a teljesítményt, vagyis kizárólag nagyon nagy tisztaságú rezet szabad használni.
A fűtéscsövekhez gyakran kenőanyagot vagy hajszálcsöves rendszert használnak, hogy elősegítsék a folyadék átfolyását, de az AP napkollektorokban használt fűtéscsöveknek nincs erre szükségük, mert a réz belső felülete olyan sima, hogy nagyon könnyen folyik rajta a folyadék. Ráadásul az AP fűtéscsöveket nem vízszintesen helyezik el. Az is megoldható, hogy a fűtéscsövek vízszintesen is továbbítsák a hőt, de az nagyon sokba kerül.
Az AP napkollektorokban használt fűtéscsövek két rézkomponensből állnak: a tengelyből és a kondenzátorból. A vákuum miatt a kondenzátor a tengelyhez van forrasztva. Láthatjuk, hogy a kondenzátor átmérője sokkal nagyobb, mint a tengelyé. Ezáltal nagyobb az a felület, amin keresztül a hő az elosztócsőbe juthat. A felhasznált réz oxigénmentes, ami hosszú élettartamot és kitűnő teljesítményt nyújt. Minden egyes fűtéscső hőtovábbító teljesítményét letesztelik, és 300°C-os hőmérsékletnek teszik ki, mielőtt használatra alkalmasnak nyilvánítják. Ebből következően a réz fűtéscsövek viszonylag lágyak. Azok a fűtéscsövek, amelyek nagyon merevek, nem mentek át ilyen precíz minőségvizsgálaton. A szigorú minőségellenőrzésnek és a nagytisztaságú réznek köszönhetően, a fűtéscsövek várható élettartama még hosszabb, mint a vákuumos csöveké.