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). 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. Päikesekollektori süsteem koosneb soojusvahetina töötavast kollektorist, torustiksüsteemist, milles ringleb soojuskandja, ja akumulatsioonipaagist, kust tuleb külm ning kuhu juhitakse kollektoris soojenenud vesi. Süsteemi tööd kontrollivad temperatuuriandurid, et vältida vee keema minemist või vajadusel suunavad vee kütmise üle muule süsteemile. Külm vesi jõuab kollektorisse pumba abil. Süsteemi osad on: kollektor, soojuskandja, torustik, akumulatsioonipaak, temperatuuriandurid, pump. Päikesekollektorsüsteemi lihtsustatud variandis kasutatakse soojuskandjana vett ning see süsteem toimib piirkondades, kus aastane temperatuur püsib ühtlane ega lange alla nulli. Süsteem toimib järgmiselt: akumulatsioonipaagi põhjas olev jahe vesi pumbatakse üles kollektorisse, kus vesi soojeneb ning tõuseb kollektori ülaossa. Sealt juhitakse soojenenud vesi torustiku kaudu akumulatsioonipaaki. Akumulatsioonipaak on omakorda ühendatud torude kaudu boileriga. Päikeseküttesüsteemi efektiivseks toimimiseks on vaja, et: kollektori pind absorbeeriks päikesekiirgust võimalikult efektiivselt; kollektori pind kiirgaks pikalainelist soojuskiirgust tagasi võimalikult halvasti; soojuskadude vähendamiseks oleks kollektori katte soojusjuhtivus võimalikult väike; kollektori taga- ja külgpinnad oleks hästi soojustatud; kollektorisse tuleva soojust kandva vedeliku temperatuur oleks võimalikult madal; kollektori pind oleks võimalikult ühtlase temperatuuriga; ringleva soojuskandja soojuskaod oleks võimalikult väikesed (isoleeritud torustik). Põhjamaades ja muudes piirkondades, kus temperatuur võib langeda alla nulli, tuleks eelistada süsteeme, mille soojuskandja miinuskraadidega ei külmuks. Sel juhul võib soojuskandjana kasutada glükooli-, piirituse- või muid spetsiifilisi lahuseid. Lahuse puhul on oluline, et ta oleks hea soojusmahtuvusega ning ei oleks oksüdeeriv. Mitteoksüdeerivus on oluline sellepärast, et süsteemis ei tekiks roostet ega katlakivi, mis võiks süsteemi ummistada. Plaat- või vaakumtorukollektorid paigaldatakse tavaliselt katustele horisontaalpinnast lähtuvalt 46–65° nurga all. Päikesekollektorite kasutusvaldkond on väga lai. Kollektoritega saab kütta nii tarbe- kui ka basseinivett või kasutada sooja vett täiendavalt keskküttes. Eestis on päikesekollektoreid võimalik kasutada täiendkütte allikana keskmiselt märtsist oktoobrini. 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 soojustoodang 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 soojustoodanguga. 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. 2012. aasta lõpuks oli paigaldatud kollektorite koguvõimsus 269,3 GW ning suurim tootja oli Hiina, kus paiknes 67% koguvõimsusest. Hiinale järgnes Euroopa – 15,9% koguvõimsusest – ning ülejäänud 17,1% jagunes USA ja Kanada (6,4%), Aasia (3,8%), Ladina-Ameerika (2,7%), Austraalia ja Uus-Meremaa (2,0%), MENA piirkonna (1,8%) ja Sahara-aluse Aafrika (0,4%) vahel. MENA (Middle East and North Africa) piirkonna all mõeldakse Iisraeli, Jordaaniat, Liibanoni, Marokot ja Tuneesiat. Sahara-alusesse Aafrikasse kuuluvad Mosambiik, Namiibia, Lõuna-Aafrika Vabariik ja Zimbabwe. Kollektori tüüpidest kasutati ülemaailmselt enim vaakumtorukollektoreid, mis andsid 64,6% (174,1 GW) koguvõimsusest. Kasutuselt järgnesid vaakumtoru kollektoritele lamekollektorid, mis andsid 26,4% (71 GW). Ülemaailmselt kasutatakse kollektorsüsteeme enim ühepereelamute tarbevee soojendamiseks (78%). Lisaks kasutatakse süsteemi mitmepereelamutes, turismisektoris ning avalikus sektoris (9%), aga ka basseinide kütteks (8%). Vähem kasutatakse kollektoreid ruumide kütteks (4%). Paigaldatud koguvõimsus on riigiti järgmine: Tõlkimise ja määratluse sõnaraamat inglise-eesti Internetis "solar collector", kasutatud 04.10.2014 [1] Woods, T., Rottman, G., Cahalan, R., Harder, J., Kopp, G., Lean, J., Snow, M., George, V. The SORCE mission celebrates ten years. The Earth Observer, 25(1), 3–13 (2013). Päikeseressurss Eestis [2] (eesti) Design of solar collector networks for industrial applications, Applied Thermal Engineering 22.09.2014, kasutatud 04.10.2014 [3][alaline kõdulink](inglise) Tõlkimise ja määratluse sõnaraamat inglise-eesti Internetis "flat plate collector", kasutatud 04.10.2014 [4] Tõlkimise ja määratluse sõnaraamat inglise-eesti Internetis "evacuated tube collector", kasutatud 04.10.2014 [5] Tõlkimise ja määratluse sõnaraamat inglise-eesti Internetis "parabolic trough", kasutatud 04.10.2014 [6] Tõlkimise ja määratluse sõnaraamat inglise-eesti Internetis "power tower", kasutatud 04.10.2014 [7] Solar History, kasutatud 04.10.2014 [8](inglise) Vaakum-päikesekollektor on väga tõhus, Leho Laul, Keskkonnatehnika nr 2/2009, kasutatud 04.10.2014, [9] (eesti) Here comes the sun: a field trial of solar water heating systems, The Energy Saving Trust 01.09.2011, kasutatud 04.10.2014 [10](inglise) Päikesekollektorid, kasutatud 04.10.2014,[11](eesti) Solar thermal collectors and applications, Soteris A. Kalogirou, kasutatud 04.10.2014 [12] (eesti) Tõlkimise ja määratluse sõnaraamat inglise-eesti Internetis "u-pipe system", kasutatud 04.10.2014 [13] Tõlkimise ja määratluse sõnaraamat inglise-eesti Internetis "heat pipe system", kasutatud 04.10.2014 [14][alaline kõdulink] Solar heat worldwide, Markets and Contribution to the Energy Supply 2012 edition 2014, Franz Mauthner and Werner Weiss. Kasutatud 04.10.2014 [15] (inglise)