Napenergia, napkollektor, napelem, naptűzhely

Az épületek, családi házak legmagasabb költségeit az energiaszámlák jelentik. Lassan azonban nemcsak a magas költségek, időnként az akadozó energiaellátás, hanem a környezetre gyakorolt negatív hatás is komoly gondokat okoz. Érdemes ma már odafigyelni, milyen alternatív energiaforrások állnak a rendelkezésünkre.

A legtisztább és az egyik legígéretesebb megújuló energiaforrás a napenergia. Ebből hőenergiát napkollektorokkal, míg elektromos energiát napelemekkel lehet előállítani.

A Napból érkező energia felhasználásának két módja létezik: a passzív és az aktív energiatermelés.

A napenergia passzív módon történő hasznosításakor az épület tájolása, az árnyékolási megoldások és a felhasznált építőanyagok a meghatározóak. Cseppet sem újszerű ötletekről van szó. Már a népi építészetben is megfigyelhető, hogy a tornácos házak tetőszerkezete olyan kialakítást kapott, mely a laposan érkező téli napsugárzást beengedi az ablakon, de a  meredeken tűző forró nyári nap elől leárnyékolja az ablakot. Alapjában véve passzív napenergia-hasznosító a legtöbb épület. Tudatos tervezéssel, a környezeti adottságok kihasználásával, megfelelő tájolással, anyaghasználattal és építészeti kialakítással a Nap melegítő hatását és a napenergiában rejlő lehetőségeket fokozott módon ki lehet aknázni.

Az aktív energiatermelésnek további két módja van:

• A hőenergia „gyűjtése” és tárolása főképp napkollektorokkal történik. Ez az a berendezés, ami elnyeli a napsugárzás energiáját, átalakítja hőenergiává, majd ezt átadja valamilyen hőhordozó közegnek.
• A másik módszer során – az úgynevezett fotovoltaikus eszköz (PV), vagyis napelem – a napsugárzás energiáját elektromos energiává alakítja.

A napkollektor

A napkollektoros rendszereket az ingyenesen elérhető napenergiából használati melegvíz (a szakzsargonban szokás a HMV rövidítést is használni) előállítására és a fűtővíz melegítésére használhatjuk. A napkollektor elnyeli a napsugárzásból származó hőt és azt átadja valamilyen hőhordozó közegnek.

Használati melegvíz (HMV) előállítására szolgáló napkollektoros rendszerek
A használati melegvizet előállító napkollektoros rendszerek felépítésük szerint lehetnek egykörösek vagy kétkörösek.
Az egykörös rendszerekben a kollektor belsejében a felfűtendő közeg (a használati melegvíz) kering, ezért a rendszer csak a nyári időszakban használható. Fagypont alatti külső hőmérséklet esetén a kollektorokban a víz megfagy, amit ezért időben le kell üríteni. A megoldás előnye az egyszerűség, hátránya a korlátozott alkalmazhatóság és a vízkövesedési hajlam.
A kétkörös rendszer esetében a kollektor köre és a használati melegvíz köre elkülönül egymástól. Ezáltal lehetővé válik, hogy a kollektor csöveiben fagyállót keringtessünk. Ebből kifolyólag a rendszer az egész év során kihasználható. A használati melegvíz felfűtése egy hőcserélőn keresztül történik. Előnye a 12 hónapos kihasználhatóság, a fagymentes üzem, a vízkö képződés kizárása, a hátránya a megnövekedett beruházási költség.

Fűtési célt szolgáló napkollektoros rendszerek
A téli időszakban a fűtés emészti fel a legnagyobb költségeket. A napsugárzás viszont a téli fűtési szezonban is nagyon jól hasznosítható kiegészítő fűtési célra. Az átmeneti időszakban a napenergia szerepe különös jelentőséggel bírhat.

Napkollektorokkal kiválóan lehet meleg vizet termelni, medencét és épületet fűteni. Egy megfelelően méretezett napkollektoros rendszer, a használati meleg víz 70-80 százalékát, a fűtési energiaigény 30-40 százalékát, míg egy medence hőigényének akár 90 százalékát is biztosíthatja évente.

Harc a hőveszteség ellen

A napkollektor egy olyan eszköz, amely a napsugárzásból közvetlenül hőenergiát állít elő. A működési elv egyszerű: a napsugárzás hatására a napkollektor üvegborítása alatt elhelyezett energiaelnyelő (abszorber) felmelegszik, a hátsó felületére hegesztett csőkígyóban a hőátadó folyadék átveszi a meleget és a szolár vezetéken keresztül egy hőtárolóban vagy közvetlenül a medencében - megfelelően méretezett hőcserélőn keresztül - leadja a hőenergiát.

A napkollektorok felépítésük szerint lehetnek sík vagy vákuumcsöves kollektorok. A sík kollektorok fejlesztése az 1970-es években kezdődött, jelenleg ezek biztosítják a legstabilabb működést. Az alkalmazott anyagok - az alumínium, a vörösréz és az ásványgyapot - hosszú, 25-30 éves élettartamot biztosítanak, az edzett üveg ellenáll az időjárás viszontagságainak. A sík kollektorok, annak ellenére, hogy jól hőszigeteltek, viszonylag magas hőveszteséggel üzemelnek, ez főleg a téli időszakban hátrányos.

A hőveszteség csökkentése érdekében dolgozták ki a vákuumcsöves technológiát, ebből fejlődött ki a napkollektorok új generációja. A vákuumcsöves technológia az úgynevezett "termoszkanna" elvén alapszik: egy bórszilikát alapanyagú, dupla falú üvegcső mindkét vége zárt, amelyben vákuumot hoztak létre. A belső cső felületén szelektív bevonatú abszorberréteg található, amelyet a vákuum hőszigetel. Az üvegcsőbe henger alakú hőközvetítő lemezt építenek, amelyhez rézcsövet rögzítenek. Ebben a rézcsőben kering a hőátadó folyadék. Ez a technika egyszerűvé teszi a csövek cseréjét. Ha mondjuk valamilyen baleset, műszaki hiba miatt karbantartásra szorulnak, nem kell a teljes szolárkört leüríteni.

Előnyök és hátrányok

A kollektor hatásfokát tovább növelték azzal, hogy a csöveket egy CPC (Compound Parabolic Concentrators) parabolatükör fókuszpontjában helyezték el. Így az abszorber felületet nemcsak direkt, hanem a tükörről visszaverődő diffúz sugárzás is éri.
A vákuumcsöves kollektorok méretezésénél nagy figyelmet kell fordítani a magas nyugalmi hőmérséklet miatt kialakuló hőterhelésre, amely szélsőséges esetben elérheti a 300 Celsius-fokot is.
Mindkét típusnak megvannak az előnyei és hátrányai. A sík kollektorok olcsóbbak, megbízhatóbbak, a tető síkjába beépíthetőek, hosszabb (10 év) a garanciaidejük, kisebb karbantartási költséggel, azonban télen kisebb hatásfokkal üzemelnek. A vákuumcsöves kollektorok bekerülési költsége magasabb, hatásfokuk télen jobb, viszont a garanciaidejük rövidebb (5 év), magasabb hőterhelésnek vannak kitéve, ezért várhatóan a karbantartási időszak is rövidül, aminek így természetesen magasabb a karbantartási költsége.

Tárolni kell a meleget

A napkollektorok önmagukban nem alkalmasak a napenergiából előállított energia hasznosítására. A működéshez számos kiegészítőre van szükség, ezek együttesen alkotnak egy rendszert.
A rendszer egyik fontos eleme a szolártároló. Ennek a hőszigetelése általában vastagabb (100-150 mm), mint a hagyományos tárolóké, kiépítésük lehetővé teszi mind a napkollektorokról, mind a hagyományos fűtőeszközről történő fűtést. Méretük az igényekhez igazodik.

A melegvíztároló például az egyszerűbb változatok közé tartozik, csak használati melegvíz-előállításra alkalmas, belsejébe két hőcserélőt építettek. Léteznek úgynevezett kombi és puffer tárolók is, amelyek a melegvíz-előállítás mellett az épület fűtésrásegítésére is alkalmasak.
A kombi tároló - mint a neve is mutatja - bonyolultabb szerkezetű.
A rendszer fontos tartozéka a szolárállomás, amely egy kompakt előszerelt egység, hőszigetelt polipropilén burkolatban. A kollektor és a tároló közti hőenergia-átvitel szabályozott szállítását biztosítja.
A szolárállomás szivattyút, valamint két gravitációs szelepet is tartalmaz, amelyek megakadályozzák a szabályozatlan hőáramlásokat a rendszerben. Hat báros biztonsági szelep, áramlásmérő-szabályzószelep, valamint kiegyenlítő tartály tartozik hozzá. A szolárállomás hőszigetelt burkolata szerelésre előkészített üreggel rendelkezik, amelybe a szabályzó automatikát lehet beépíteni.
A szabályzó minden funkcióval rendelkezik, ami a rendszer működéséhez szükséges, akár négytárolós rendszert, medencefűtést és természetesen a fűtésrásegítést is önállóan lekezeli.

Akár "egységcsomagban" is

A napkollektoros rendszereket különös gonddal kell megtervezni. A kollektor felülete és a tárolóba épített hőcserélő teljesítménye szorosan összefügg. Érdemes a gyártó cégek által kínált egységcsomagokból választani. Ezek egyrészt a megfelelő méretezést, másrészt az optimális működést garantálják.
A fejlődés a szolárrendszerek működési elvében is megmutatkozik, megjelent az úgynevezett Drain-Back technológia, amelynek az a lényege, hogy üzemen kívüli időszakban a napkollektorokból a hőátadó-fagyálló folyadék leürül, így elkerülhető az a károsodás, amelyet a gyakori magas nyugalmi hőmérséklet a fagyálló folyadékban okozhat. További előnye, hogy nem szükséges kiegyenlítő tartályt, légtelenítőket, visszacsapó szelepeket beszerelni a rendszerbe, így olcsóbban lehet megvásárolni és a karbantartás is egyszerűbb.

 

A napelem

A napelemes rendszerek a napsugárzásban rejlő energiát elektromos áram termelésére hasznosítják. Az ilyen rendszerek vagy az elektromos hálózatba töltenek fel energiát, vagy akkumulátorban tárolják azt.

Az elektromos hálózatba tápláló rendszer

A napelemek közvetlenül szolgáltatják az elektromos áramot, amelyet egy inverter alkalazásával hálózati feszültséggé (230 VAC) alakít a rendszer. Az így előállított elektromos áramot a szolgáltató visszavásárolja. Ilyen esetben egy speciális mérőóra felszerelése szükséges, mely mindkét irányban képes mérni. Rögzíti az elfogyasztott és a termelt áramot is és a szolgáltató ez alapján a különbözetet számolja el. Az ilyen mérőórákat szokás "ad-vesz", vagy "oda-vissza" mérőórának is nevezni.

Akkumulátoros rendszer

Lényegében egy szigetüzemű energiatermelő egység. elsősorban ott tud teret neyerni, ahol az elektromos hálózat még nem került kiépítésre. Az ilyen rendszerek esetében a napelemek által előállított elektromos energiát a célnak megfelelő akkumulátorokban tárolja a rendszer. Itt is egy inverter alakítja át 230 VAC feszültségű hálózati váltóárammá, amit már a hagyományos fogyasztók táplálására lehet felhasználni.

Kombinált napenergia hasznosítás

Léteznek olyan megoldások is, melyek ötvözik a napelemek és a napkollektorok felhasználhatóságát, és mind a használati melegvíz előállítására, mind az elektromos energia termelésére alkalmasak.
Az ilyen rendszert foto-termikus hibrid kollektor névvel illethetjük, mely ahogy az elnevezésből is kierül hőenergia és villamos energia előállítására telepített berendezés. A napenergia termikus és fotovoltikus energia felhasználásának kombinációja növeli a rendszer hatékonyságát.