A vákuumcsöves technológia jelenleg a leghatékonyabb a napkollektorokban alkalmazottak közül.

Egy ideig nagyon drága rendszer volt, és nehezen elérhető. Ez a rendszer azonban egyre hozzáférhetőbb egyes alkalmazások számára, amint azt a vákuumcsöves kompakt termoszifon melegvíz rendszerek elterjedése bizonyítja, amelyek az elmúlt években behatoltak olyan piacokra, mint Mexikó.

napkollektorok

Miért hatékonyabbak a vákuumkollektorok, mint a laposak? A pontosabb válasz megismerése érdekében ismerni kell azokat a fizikai folyamatokat, amelyek révén a hőenergia az egyik testből a másikba kerül, és amelyek beavatkoznak azokba a folyamatokba, amelyek meghatározzák az egyik kollektor nagyobb vagy kisebb hatékonyságát a másikhoz képest.

A hőátadás módjai

Három módon lehet a hőt átadni az egyik testből a másikba:

Vezetés- Ez a hőátadás két különböző hőmérsékletű test között történik, amelyek közvetlen fizikai kapcsolatban állnak, vagy ugyanazon test két területe között, különböző hőmérsékleteken. A hőátadási fluxus attól függ, hogy milyen széles az érintkezési felület a két különböző hőmérsékletű terület között, és a közöttük fennálló hő-egyensúlyhiánytól. Ez a fajta átadás empirikusan ellenőrizhető egy forró test megérintésével (hőt juttat el hozzánk), vagy egy tűznek kitett fémes elem tartásával (észrevesszük, hogy a hő fokozatosan oszlik el az objektumon)

Konvekció- A hőátadás típusa, amely csak folyadékok között fordul elő, a szilárd anyagok között nem. Azért fordul elő, mert a folyadék hőmérséklete emelkedésével elveszíti a sűrűségét, és a leghidegebb és legsűrűbb közeg fölé emelkedik, hőjét az utóbbi felé továbbítja. Ez a fajta sebességváltó empirikusan tesztelhető, ha a kezét egy radiátorra vagy tűzhelyre helyezi. A meleg levegő felfelé haladó áramlása érezhető lesz

Sugárzás. Ebben az esetben nem szükséges, hogy a testek érintkezzenek a hő továbbításáért, és akár vákuumban is létezhetnek közöttük. Minden test az abszolút nulla (-273 Celsius-fok) fölötti hőmérsékleten való elhelyezés egyszerű tényével elektromágneses sugárzást bocsát ki. Minél magasabb a hőmérséklete, annál nagyobb a sugárzása.

Például két test, az egyik 30 Celsius-fokon, a másik 130 Celsius-fokon sugárzó energiát bocsát ki. Egymás mellé helyezve sugárzáscsere lesz közöttük. A 10 fokos hőmérsékleten sok energiát szív el a 130 fokos testsugárzás, és keveset ad neki. Így a 130 fokos test sokkal több sugárzást bocsát ki, mint amennyit képes elnyelni a 10 fokos testből. Egyéb külső tényezők hiányában a végeredmény az lesz, hogy a 10 fokos test felmelegszik, és a 130 fokos test lehűl, amíg mindkettő el nem éri ugyanazt a hőmérsékletet, és ugyanolyan mennyiségű energiát vesz fel és bocsát ki. Az ilyen típusú hőátadás legtisztább példáját maga a Nap szolgáltatja, amely nagyon magas hőmérsékletű és üres térben juttatja el hozzánk hőjét.
Normális esetben a három hőátadási módot egyidejűleg adják meg, bár különböző arányban.

A napenergia-kollektorokban a következő hőátadási összefüggéseket állapíthatjuk meg. A nap süt a kollektorra, és megemelkedik a hőmérséklete. Ezzel a hővel a kívánt folyadékot, általában vizet kell melegíteni. (vagy víz és fagyálló). Azonban nem az összes keletkezett hőt használják fel a kívánt folyadék melegítésére, mivel egy része visszavonhatatlanul elveszik a kollektorral érintkező külső levegő felmelegítésénél (vezetés és konvekció), egy másik része pedig sugárzás által elvész a hőmérséklet emelkedése óta a gyűjtő több energiát bocsát ki, mint az a környezet, amelyben megtalálható, ebben az értelemben veszteségeket okoz.

Nem minden gyűjtő egyforma, és hatékonyabbak lesznek azok, akik jobb kapcsolatot tartanak fenn a Nap energiájából nyert és elvesztett között.

Kétféle módon lehet javítani a kollektorokat, javítani a napból nyert energianyereséget és/vagy csökkenteni annak veszteségeit.

A vákuumcsöves kollektorok fejlesztésének célja a vezetési és konvekciós veszteségek elkerülése. Amint láttuk, a hő átvezetése vezetéssel és konvekcióval anyagot igényel. Emiatt az abszorber elhelyezésével egy olyan csőben, amelyben a vákuum létrejött, ezekkel a módszerekkel csak a sugárzásból származó hőveszteséggel (amely vákuumban átvihető) kerüli el a veszteségeket.

Ha kevesebb hő veszik el, akkor több hő áll rendelkezésre a szükséges folyadék felmelegítésére, így nagyobb teljesítményt érhet el ugyanannyi energiamennyiségért a Naptól.

Érdemes megemlíteni azt is, hogy a kollektorcsövek hengeres alakja miatt több napfényvisszaverődés keletkezik, mint a lapos kollektorokban, ami azt jelenti, hogy a Naptól származó energia nyereség kisebb. Ennek a formának az alkalmazása azonban kompenzálja, mivel a vákuum miatt több energia veszik el, mint a visszaverődések miatt.

Vákuumcsöves kollektorok típusa

A különféle vákuumcsöves kollektor rendszerek kiürített csöveken alapulnak. Ezek két koncentrikus csőből állnak, amelyek között a levegő beszívódik, és vákuumot eredményez. Az egyik végén mindkét cső össze van kötve, és lezárja a vákuumot. Mindkét cső belsejében (ezentúl ezekre a vákuumra koncentrikus csövekre fogunk utalni. Középen ürített csövekként) a különböző típusú abszorberek találhatók, amelyek meghatározzák a különböző rendszereket.

A kiürített csövek rendszerei


Egyes gyűjtők a CPC (Koncentrikus Parabolikus Gyűjtő) nevű rendszert használják a két cső közé eső napsugárzás előnyeinek kihasználására. Ez a rendszer egy sor reflektorból áll, amelyek a cső és a cső közé eső fényt a hátsó részük felé irányítják, ahol szintén használják. Ezzel a kollektorok elől és hátul egyaránt fényt kapnak. A CPC rendszerrel a négyzetméterenkénti tényleges gyűjtőterület megnő a vákuumcső technológiai tényezőnél, amely azonban mindig a lapos kollektorok alatt lesz (négyzetméterenként kevesebb gyűlik össze, de a rögzítettek hatékonyabb felhasználása)