Päikesekollektor

Päikesekollektor (ingl k solar collector) on seadeldis, mis neelduva päikesekiirguse toimel soojendab kollektorit läbivat soojuskandjat, mille vahendusel saab kütta tarbevett. Päikesekollektor töötab protsessis soojusvahetina. Kollektor kasutab vee soojendamiseks Päikeselt saadud energiat, mis jõuab Maale elektromangetilise lühilainelise kiirgusena. Kui päikesekiirgus kollektoris neeldub, muundub ta pikalaineliseks soojuskiirguseks. Kollektori efektiivsus sõltub Maale langeva päikesekiirguse hulgast. Päikese kiiratavaks energiavooks Maa lähikosmoses on mõõdetud 1322–1395 W/m², keskmiseks kiirguse hulgaks on 1362 W/m² (solaarkonstant) .Päikesekiirguse hulk omakorda sõltub aastaajast, päeva pikkusest, ilmastikutingimustest ning piirkonna geograafilisest asukohast. Aastane päikesekiirguse hulk Eestis on keskmiselt 977 kWh/m².
Kõige tavalisemalt tuntakse päikesekollektori nime all päikesekiirguse abil sooja vett tootvaid plaat- (ingl k flate plate collector) või vaakumtorukollektoreid (ingl k evacuated tube collector). Koduse majapidamise jaoks täiendava sooja vee tootmiseks sobivad hästi lame- või vaakumtorukollektorid.
Suurtootmises kasutatakse süsteeme, mis koguvad päikesekiirgust suuremalt alalt. Selleks sobivad hästi päikesekiirgust kontsentreerivad peegelkollektorsüsteemid, mis jagunevad päikese kogumise viisi alusel rennsüsteemiks (ingl k parabolic trough) ja päikesetorniks (ingl k power tower).

Ajalugu

Esimese päikesekollektori leiutas 1767. aastal Šveitsi teadlane ja aristokraat Horace de Saussure. Kollektori avastamiseni viis klaasist kasvuhoonet meenutava musta põhja ja soojustatud seintega kuumkasti uurimine. Sajandite vältel täiustasid süsteemi veel mitmed teadlased. Seoses urbaniseerumise ja teaduse ning tehnika arenguga tekkis vajadus päikeseenergiat salvestada. 20. sajandi keskpaigas hakati tootma esimesi vaskplaatpäikesekollektoreid, mis ühendati soojustatud veemahutiga. Need kollektorid olid suuresti praeguste eelkäijateks.

Plaatkollektor ehk lamekollektor

Plaatkollektor ehk lamekollektor (ingl k flate plate collector) on esimene levinud päikesekollektori tüüp. Plaatkollektorid jagunevad süsteemi alusel omakorda avatud või suletud plaatkollektoriteks.
 Avatud plaatkollektori puhul on tegu tumedat värvi soojusvahetiga, mis on asetatud päikeselisse kohta. Suletud plaatkollektor on eelmise edasiarendus, kus tume päikest neelav soojusvaheti on paigaldatud pealt klaasiga ja külgedelt ning põhjast soojustatud kasti. Selle tulemusena ei jahuta jahe tuul kollektoreid nii kiiresti maha ja soojatoodang on suurem kui avatud süsteemis. Suletud süsteemis läbib päikesekiirgus läbipaistva katteplaadi ning langeb mustale päikesekiirgust absorbeerivale pinnale. Absorbeeriv pind on kontaktis kollektori tavaliselt vasest torudega ning absorbeerunud päikesekiirgus kantakse soojusena üle torudes voolavale soojuskandjale. Soojuskandja transpordib soojuse edasi tarbijani või akumulatsioonipaaki. Absorberpinna all on soojusisolatsioonikiht, mis aitab vähendada soojuskadusid. Lamekollektori tööks optimaalne temperatuurivahemik on 30–80 °C. Plaatkollektorid on päikeseküttekollektoritest tagasihoidlikuma soojatoodanguga.

Vaakumtorukollektor ehk vaakumkollektor

Vaakumtorukollektori ehk vaakumkollektori (ingl k evacuated tube collector) moodustavad vakumeeritud torukeste kogumid, mis on pealt kaetud karastatud klaasiga ning mille sees ringleb soojustkandev vedelik. Kuna vaakumis on väga kõrge rõhk, muudab see soojustkandva vedeliku osakeste liikumistakistuse minimaalseks, mis soodustab oluliselt energia edasikandumist ning päikesekiirguse tõhusamat ärakasutamist. 
Samuti minimeerib vaakum soojuskadusid, tänu millele on võimalik saavutada kõrgemaid temperatuure võrreldes lamekollektoritega. Vaakumkollektori torude ümar pind püüab päikest efektiivselt kogu päikesepaistelise aja vältel, sest päikese poole on alati vähemalt üks pool toru pinnast. Kogutud päiksekiirguse hulgale lisandub ka hajuskiirgus, mis on ümber toru kogu valge aja vältel. Vaakumkollektori tööiga pikendab oluliselt asjaolu, et soojuskandjaks pole vesi, vaid mõni muu vedelik, mis ei mõju kollektorile ja torustikule nii korrodeerivalt kui vesi. Eesti tingimustes soovitatakse kasutada glükooli (40–50%) vesilahust mille soojusmahtuvus on vee omast väiksem ja tänu sellele kannab ta soojust soojaveemahutisse kiiremini üle kui vesi. Eestis loeb kollektorite kasutamisel soojusülekande kiirus, sest optimaalse kiirgustugevusega päikeselist aega on siin vähe.
Oma kerguse tõttu saab vaakumkollektorid hästi paigaldada katustele. Vaakumkollektori sobivaim paigaldusnurk Eesti tingimustes on 46° horisontaalpinna suhtes. Kui kollektoreid pole võimalik paigaldada maja lõunapoolsele katusele, tuleb arvestada ida või lääne suunas 15% suurema pinnaga.
Vaakumkollektorid jagunevad tööpõhimõtte alusel kaheks U-toru süsteemiks ja soojustoru süsteemiks. Kuigi väliselt on mõlemad süsteemid äravahetamiseni sarnased, on need tehniliselt väga erinevad.
U-toru süsteem
U-toru süsteemis (ingl k u-pipe system) antakse soojuskiirgus edasi vasktorudes liikuvale soojuskandjale, mis liigub läbi terve küttesüsteemi. Päikeselt tulev kiirgus soojendab otse vaakumtorude sees olevaid vasktorusid ning nendes soojuskandjana liikuvat glükoolilahust. Soojuskandjana liikuv glükoolilahus annab soojuse ära küttekehale, millega köetakse tarbevett.
Soojustorusüsteem
Soojustorusüsteemis (ingl k heat pipe system) on kaks soojuskandjat, mis omavahel kokku ei puutu. Üks soojuskandja kogub isoleeritud vasktorudes päikeselt soojust, liigub seejärel üles, küttes kuumaks vasktoru tipu, mis omakorda annab soojuse ära kogu süsteemi läbivale soojuskandjale. Ülekantud soojusega köetakse tarbevett. Vasktorudes võib soojuskandjana kasutada nii faasimuutusega ainet kui ka glükoolilahust. Faasimuutusega aine korral tõuseb soojaga aurustunud soojuskandja torus üles, kus ta kondenseerub ja annab soojuse ära kollektoritorule, kus voolab süsteemi läbiv soojuskandja. Raskem veeldunud soojuskandja langeb soojustoru alumisse ossa tagasi ja protsess kordub taas. Soojustoru süsteemi töötemperatuur on vahemikus 50–240 °C.
Päikesetorn
Päikesetorn (ingl k power tower) kujutab endast suuremale maa-alale paigutatud peeglite kogumeid, mis on orienteeritud ühte keskpunkti. Keskpunktiks on tavaliselt torn, milles on soojusvaheti, kus kiirgus antakse edasi. Sellise kontsentreeritud viisiga on võimalik toota suurel hulgal sooja vett näiteks keskkütte tarvis. Süsteemi suurema efektiivsuse saavutamiseks tuleks kasutada paraboolikujulisi peegleid, kuid tuleb arvestada nende kallima hinnaga, sest kuju tõttu on selliste peeglite tootmine keerukas ja kallis.
Rennsüsteem
Rennsüsteem (ingl k parabolic trough) koondab suurele alale paigaldatud paraboolikujulised peeglid üksteise kõrval pikaks renniks. Renni pind peegeldab kiired renni keskel olevale soojusvahetile, milles ringleb soojuskandjana tavaliselt võimalikult suure erisoojusega vedelik. Mida suurem on vedeliku erisoojus, seda rohkem energiat saab vedelik salvestada. Eesmärgiks on võimalikult väikse koguse energiakandjaga võimalikult suur hulk energiat kiiresti edasi juhtida.
Päikesetorni ja rennsüsteemi kasutatakse energia masstootmiseks päikesekiirgusest, mille korral suuremalt pinnalt kogutud soojusenergiaga saab teenindada juba märksa suuremat tarbijaskonda.