Ha valaki a szörnyű figyelmeztetés ellenére rászánja magát az olvasásra, a téma:
Mekkorra ventilátor szükséges a levegős napkollektor gazdaságos üzemeltetéséhez?
Először is a legesleges-legegyszerűbb hatásfok meghatározása:
Qh: A hasznos energia
Qbe: 1m2 felületre érkező napsugárzás energiája
Qveszteség: A kollektor környezetének leadott, tehát veszteséges energia
l : hővezetési tényező
D T: hőmérséklet különbség
A: felület
d : anyagvastagság
h :hatásfok
Qh=Qbe-Qveszteség= Qbe - l *D T*A/d ; bevezetve a x=l *A/d egyszerűsítést
Qh= Qbe -D T*x
h = Qh/ Qbe
Tehát a hasznos energia adott x mellet a hőmérsékletkülönbségtől függ.
Az ábrán látható, hogy minél nagyobb a hőmérséklet különbség, annál rosszabb a hatásfok. Ezt értelmezhetjük egyrészt úgy, hogy minél kisebb a kollektor környezetében a külső hőmérséklet, annál rosszabb a hatásfok; vagy minél magasabb a kollektor hőmérséklete annál rosszabb a hatásfok.
Mivel a külső hőmérsékletre semmilyen befolyással nem bírunk, így a továbbiakban a kollektor közepes hőmérsékletével foglakozunk.
Tehát ha a beérkező napsugárzás hatására a kollektorban található levegő kis mértékben melegszik csak meg, kicsi lesz a D T, akkor nagyobb lesz a hatásfok.
Hogyan érhetjük el, hogy a levegő csak kis mértékben melegedjen meg? Igen egyszerű, növeljük az átáramló levegő mennyiségét (tömegáram, térfogatáram). Kis térfogatáram mellett ugyanakkora hőenergia a kis mennyiségű levegőt nagyobb mértékben melegíti meg, míg a nagy térfogatáram mellet ugyanakkora hőenergia a nagy mennyiségű levegőt kis mértékben melegíti meg.
A fenti elgondolás alapján nagyon-nagy térfogatáramú ventilátor alkalmazásával a D T hőmérséklet különbséget igen alacsonyan, míg a hatásfokot igen magasan tudnánk tartani…
Ennek egyetlen egy akadálya van, ez pedig a következő:
Qh: A hasznos energia
c:fajhő
m:levegő tömege
D T: hőmérséklet különbség
r :sűrűség
Qh = c*m*D T
m= Qh /(c *D T) ; (adott hőenergia esetében, adott hőmérsékletkülönbséget megvalósító tömegáram)
V=m/r (térfogatáram, a tömegáramból)
P=15 Wh /100m3*V (az adott térfogatáramhoz tartozó ventilátor szükséges teljesítménye, ha 100m3/h szállítókapacitású ventilátor 15 Wh energiát használ fel)
Tehát, minél kisebb hőmérséklet különbséget akarunk előállítani, annál nagyobb térfogatáramra van szükség és minél nagyobb a térfogatáramunk, annál több elektromos energiát használunk fel és így gazdaságtalanná is tehetjük az üzemeltetést!
$$$
Akkor hol van a gazdaságosság?
Ehhez a fenti ismeretek birtokában meg kell határozni a kollektor valós hatásfokát. Ez a hasznos és a befektetett energiák hányadosa. Pontosan a hasznos hőenergia és a beérkező hőenergia + a ventillátorba feketetett elektromos energia hányadosa lenne. Csak lenne, mert pontatlan lenne, mivel ezeket az energiákat a gazdaságosság szempontjai szerint nem lehet összehasonlítani, mivel a napenergiát gázárban fejezzük ki, mivel gázenergiát takarítunk meg vele, míg a ventilátor működtetésére a jóval drágább elektromos energiát használjuk fel.
A pontosabb hatásfok érdekében tehát nem az energiákat, hanem azok árát vesszük figyelembe!
y:az elektromos áram egységára
z:A napenergia egységára gázárban kifejezve
Árh:a hasznos energia ára
Árbe:a beérkező energia ára
Árvent:a ventilátor üzemeltetéséhez szükséges energia ára
Árh= Qh*z
Árbe=Qbe*z
Árvent=W*y
h = Árh/(Árbe+ Árvent)
A hatásfok jelgörbéből leolvasható, hogy nagy légszállítású ventilátor esetében, habár alacsony D T hőmérsékletkülönbséget hozunk létre, de a ventilátor üzemeltetésére kiadott elektromos energia lerontja a hatásfok jelgörbéjét. Abban az esetben, ha nagy hőmérséklet különbséget hagyunk, akkor a magas hőmérséklet miatti hőveszteség rontja le a jelleggörbét.
A leggazdaságosabb üzem ott van, ahol a jelleggörbe maximumot mutat. A maximum ponthoz tartozik egy D T érték,amelyből ki lehet számítani a szükséges ventilátor térfogatáramot. A probléma az, hogy ez a jelleggörbe 200 w napsugárzási értékre vonatkozik. Minden egyes napsugárzási értékhez más-más jelgörbe tartozik, így mindig más-más D T értéket,tehát más-más térfogatáram eredményeket kapunk.
Természetesen ennek a megoldáshalmaznak is van eredménye, deriválással és integrálással meg lehet határozni a legideálisabb térfogatáramot. A felsőbb matematikai számítások közlésének mellőzésével, az általam kapott érték:
50 m3/h
Ha 1m2 kollektor felületre ekkora térfogatáramot tervezünk, akkor kb. a maximális hatásfok közelében fog üzemelni a kollektor. Megnyugtatásképpen jelzem, hogy a fent említett értéktől el lehet térni. Ha eltérünk, akkor mindig lehetőleg a kisebb térfogatáram irányába térjünk el. 40 m3/h térfogatáramnál a hatásfokban pár %.-os eltérés van. Minél nagyobb az eltérés, annál rosszabb hatásfokokat kapunk főleg az alacsony napsugárzási értékek mellet. Pl. 80Wh napsugárzás és 20 m3/h térfogatáram mellet, ha hideg is van 0% hatásfokot lehet produkálni.
Komolyabb és pontosabb méretezésnek egy levegős napkollektor erőmű megépítésénél lenne értelme, de azért remélem, hogy segítettem valakinek az álomkollektor álom ventillátorának megválasztásában.
Íme, néhány hatásfok jelleggörbe, különböző külső hőmérsékletek mellett. Leolvasható, hogy a levegős kollektornak tényleg csak egy adott hőmérséklet tartományban szabad üzemelnie, ellenkező esetben igen hamar leromlik a hatásfok. Általánosságban a hatásfok a külső hőmérséklet csökkenéssel együtt csökken és egybe az érzékenysége is megnő (az optimális ponttól történő kis eltérés is nagy veszteségeket okoz.
|
| Külső hőmérséklet: + 10 C° |
|
| Külső hőmérséklet: + 5 C° |
|
| Külső hőmérséklet: 0 C° |
|
| Külső hőmérséklet: -5 C° |
|
| Külső hőmérséklet: -10 C° |
Remélem elégé szárazra sikerült a leírás, így most érthetőbben összefoglalom a fenti elméleti megállapítások gyakorlati hasznát.
1 m2 kollektor felületre 50 m3/h szállítókapacitást kell számolni. Ezzel azt érjük el, hogy a kollektorból kiáramló levegő hőmérséklete, így a kollektor hőmérséklete kb. 31 C° lesz, a kollektor megközelítőleg maximális hatásfokkal működik.
(a kételkedőknek: alkalmazzunk kisebb szállítókapacitást és hagyjuk, hogy a kollektor hőmérséklete magasabb, pld. 50 C° legyen. Helyezzük a kezünket a kollektor előlapja elé és érezzük a tenyerünkkel, hogy milyen szépen távozik az energia)
Ebből következik, hogy egy 3 m2 kollektorhoz 150 m3/h ventilátor szükséges. Ha ennél nagyobb kollektort alkalmazunk, akkor már akkora ventilátor kell, hogy annak nagyobb pld. 52 dB hangja lesz. Ez már zajt csap.
Tehát kisebb kollektort kell építeni, és olyan ventillátort kell választani, amely nem annyira zajos. (vagy a ventillátort nem a helyiségbe kell elhelyezni.)
