Päikesekollektor

Päikesekollektorid on olnud ja on senini suureks osaks päikeseenergia aktiivsest kasutamisest. Päikesekollektorid tänu oma lihtsalt konstruktsioonile, töökindlusele ning kõrgele efektiivsusele on tänuväärne täiendus hoonete energiakulude vähendamisse ja võimaldab ka Eesti kliimas suvist sooja tarbevett toota nii kortermajas kui eramus. 1

Tehnoloogia

Tehnoloogia päikesekollektori on küllaltki lihtne. Tegemist on soojusvahetitega, mille abil kantakse päikese poolt kiiratav soojus üle kollektorit läbivale soojuskandjale. Päikesekollektor on seade, mis absorbeerib talle langevat päikesekiirgust ning muundab selle soojuseks, mis omakorda kantakse üle soojuskandjale, mis voolab läbi kollektori. 2

Soojusenergiat rakendavad tehnoloogiad on oluliselt energiaefektiivsemad kui fotogalvaanilised elemendid, mis muundavad päikeseenergia otse elektrienergiaks. Tavapäraselt liigitatakse päikesekollektorid madalatemperatuurilisteks (nt. tarbevee soojendamine, küttesüsteemi toetamine) ning keskmise- ja kõrgtemperatuuriliseks (tööstuslikud lahendused). 3

Madalatemperatuurilisi päikesekollektoreid saab Eestis edukalt kasutada nii sooja tarbevee tootmiseks kui ka küttesüsteemi toetava lahendusena, suvisel päikesepaistelisel ajal on võimalik katta kogu tarbimise vajadus. Peamiselt kasutatakse kahte tüüpi päikesekollektoreid: plaatkollektorid (lame/tasapinnaline) ning vaakumtorudega kollektorid. 4

Kaasaegsete päikesekollektorite kasutegur võib ideaalseimatel hetkedel ulatuda 90...95 protsendini. Ideaalseks loetakse hetke, mil päikeselt suunduvad kiired ei ole varjatud pilvedega ja on võimalikult risti kollektori tasapinnaga. Alates ligikaudu märtsikuust soojendab päike kollektoris ringlevat vähemürgist madalama külmumistemperatuuriga vedelikku, ehk soojuskandjat (nn. antifriis) ja saadud soojusenergia salvestatakse läbi soojusvaheti soojussalvestisse (akumulatsioonipaaki) või otse vastavat tüüpi soojavee boilerisse. Kasumlikum on akumulatsioonipaagiga süsteemist kütta nii soojavee boilerit kui ka maja küttesüsteemi ( joonis 1). Kui päikese mõju on väike, või pilvise ilmaga soojuskiirgus täiesti puudub, köetakse boilerit ja teisi soojatarbijaid soojussalvestisse salvestunud soojusenergiaga. Tehnoloogia suudab mõningal määral päikesekiirgust isegi läbi õhemate pilvede püüda ja üsna olulisel määral soojusenergia kadusid kompenseerida. 5

 

Joonis 1. Päikeseenergia kasutamise võimalused SONNEST OÜ. [http://www.sonnest.ee/? Päikesepaneelid]. (10.11.2014).

Päikesekollektorite liigitus

Tasapinnaline päikesekollektor

Tasapinnaline päikesekollektor on kollektorite lihtsaim mudel, mis koosneb päikesekiirgust neelavast tasapinnast ja sellele paigutatud soojusvahetist, milleks lihtsaimal juhul on klaastorus liikuv õhk või vesi ( joonis 2). Lihtsama konstruktsiooni korral tsirkuleerib vesi loomulikul teel paaki. Kunstliku tsirkulatsiooni korral tuleb kasutada juhtimissüsteemi koos temperatuurianduritega, mis mõõdavad temperatuuride erinevust kollektori ja paagi vahel. Iga läbijooksuga tõstetakse vee temperatuuri paagis (5...10°C). Kollektorit kattev klaas reguleerib selle soojusvahetust. Mida paremad on katteklaasi isolatsiooniomadused, seda kõrgem temperatuuriga on väljund, kuid seda väiksem on soojusvaheti kasutegur. Madalatemperatuurse vee tootmiseks on kõige efektiivsem kasutada ilma katteklaasita kollektorit, mille juures miinuskraadide korral kasutatakse külmumisohu vältimiseks soojusvahetis vee asemel mõnda madalama külmumistemperatuuriga vedelikku, nt glükooli. 6

 

Joonis 2. Tasapinnaline päikesekollektor 26

Vaakumtorudega päikesekollektor

Keerulisema konstruktsiooniga, kuid kõrgema efektiivsusega on vaakumtorusüsteemiga kollektorid, mille soojusvaheti paikneb silindrilises õhutühjas klaastorus ( joonis 3). Õhu puudumine vähendab konvektiivseid soojuskadusid kiirgust püüdvalt pinnalt katteklaasile ja suurendab sellega energia muundumise tõhusust. Erijuhul kasutavad seadmed kaheastmelist soojusvahetit, mille esimeseks astmeks on kondensatsioonitsükliga kergesti aurustuv gaas (nt glükool), mis pumpab soojust kollektori torust kondensaatorile, kus see antakse edasi paaki voolavale soojuskandjale (samuti glükoolilahus). Selline soojuspump lubab tõsta kollektorist väljuva soojuskandja temperatuuri. Vaakumtorusüsteemiga kollektorid sobivad hästi põhjamaisesse kliimasse, kuna soojuskandjana kasutatav glükoolilahus ei karda madalaid temperatuure ja silindrikujulised moodulid ei lase lumel kollektori pinnale kuhjuda. Tänu keerulisemale konstruktsioonile on nende hind kallim. 7

Vaakumtorusüsteemiga kollektoreid on samuti ka erinevaid tüüpe - mõned on toodud järgnevas loetelus 8:

a) soojustoru;
b) sydney tüüpi toru;
c) CPC vaakumtoru.

Joonis 3. Vaakumtorudega päikesekollektor 27

Kollektoriliikide eelised ning puudused

Tasapinnaline päikesekollektor

Tasapinnalise päikesekollektori eelised ja puudused on toodud loeteludena:

Tasapinnalise päikesekollektori eelised 9:

1) suveperioodil tootlikum, kuna päikeselisi päevi on rohkem (otsest päikesekiirgust);
2) kiirgust neelava absorberi pindala on kogupindala suhtes suurem (koef. 1,08) võrrelduna vaakumtorudega kollektoriteha
3) tehnoloogia tagab suurema töökindluse ja vähemalt 2 korda pikema eeldatava eluea kui vaakumtorudel, kuna tugevad materjalid ja väga lihtne tööpõhimõte vähendab kasutusriske, sealhulgas olulisemad neist on avariiolukordades ületemperatuuride ja sellest tingitud hooldusvajaduse minimiseerimine - puudub vaakumi kadumise risk;
4) kasutatatav on tõhus antifriis, mis on oluliselt odavam ja ka pikema kasutuseaga kui vaakumtehnoloogiate puhul kasutatav antifriis;
5) väga tugevad kestamaterjalid;
6) plaatkollektoritega päikeseküttesüsteemi tehtud investeeringu tasuvus on parem ja kindlamalt tagatud (kvaliteetsemad vaakumtorukollektorid on alati selgelt kallimad kui sama kvaliteediastmestiku plaatkollektorid)
7) avarad kasutusvõimalused (ka katusesse või fassaadi integreerimisvõimalused)

 

Tasapinnalise päikesekollektori puudused 10:

1) talveperioodil või paksema pilvega on võrreldavate kollektoritüüpide tootlikkus kasulikku pinda arvestades plaatkollektoril väiksem- samas kokkuvõttes, aasta lõikes ei tohiks vahe plaatkollektori kahjuks olla väga suur, parimate torukollektoritega võrreldes kõige rohkem -10%.

Vaakumtorudega päikesekollektor

Vaakumtorudega päikesekollektorite eelised ja puudused on toodud loeteludena:

Vaakumtorudega päikesekollektorite eelised 11:

1) talveperioodil tootlikum, kuna pilvise ja külma ilmaga suudab paremini hajusat kiirgust kinni püüda ja vaakumtorus on soojuskaod minimaalsed;
2) ebasoodsa katuse suuna korral on lihtne torusid käsitsi keerata päikesekiirguse suhtes optimaalsesse suunda;

 

Vaakumtorudega päikesekollektorite puudused 12:

1) suuremad kasutusriskid õrnema klaasi tõttu (vandaal, hanged, rahe, jäätumised - kuna isegi ringlusel tekkiv soojus ei suuda vaakumisolatsiooni tõttu klaasi ümber tekkivat jääd sulatada). Suviti lisandub samuti suur kasutusrisk - kõrged temperatuurid;
2) kiirgust neelava absorberi pindala on kogupindala suhtes väike (koef. 1,6 -1,9);
3) vaakumtorudel on kõrgendatud risk ringleva vedeliku keemiseks, kuna seisutemperatuur võib vaakumtoru sees olevas torus, kui ka ülemises kollektertorustikus tõusta isegi üle 200°C kõrgemaks kui tasapinnalise päikesekollektori torudes. Puudub selline antifriis talumaks selliseid temperatuure, mis muudab antifriisi pastalaadseks materjaliks, mille tulemuseks on soojusvahetuse mittetoimimine;
4) vaakumtorukollektor on hinnaklassilt alati kallim võrrelduna samasse kvaliteediastmestikku kuuluva plaatkollektoriga.

Õhukollektor

Õhukollektor kasutab päikesekiirgust õhu soojendamiseks. Soojusvaheti paikneb katteklaasi all ja õhk võib liikuda selle sees või ka selle ümber. Soojendatud õhku võib kasutada ringleva soojuskandjana, mis annab oma temperatuuri edasi läbi teise soojusvaheti, olles nii suletud ja steriilses ringluses. Kuid soojendatud õhku võib ka otse ruumidesse puhuda. Sellisel juhul toimib kollektor õhu eelsoojendajana ning asendab klassikalist ventilatsioonisüsteemi soojusvahetit, hoides nii kokku elektrit. Eriti hästi sobib see koos õhkküttesüsteemiga ruumide soojendamiseks või tehnoloogilise kuumaõhu tootmiseks. 13

Päikeseküttesüsteem

Päikeseküttesüsteem koosneb peale päikesekollektori veel ka 14:

a) automaatikaplokk;
b) pumbasõlm;
c) paisupaak;
d) ühendustorustik.
 

Päikesekollektor on aastaringselt täidetud külmakindla vedelikuga - antifriisiga. Kõige efektiivsemalt toimiks päikeseküttesüsteem sellise skeemi puhul, kus põhiküttesüsteemis on juba suuremamahuline akumulatsioonipaak (soojussalvesti) olemas. Sellisel juhul tuleb akumulatsioonipaagi alumisse ossa paigaldada vaid soojusvaheti. Päikesekollektorite paigaldamisel päikese liikumise asendi suhtes saab neid paremini seada ka vastavate kinnitusdetailidega siis kui maja katuse suunad ja kalded ei ole just kõige sobivamad. Samuti võib paneelid paigaldada maapinnale, kui seal on ruumi ja pole vigastamisohte. Varakevadel ja sügisel maakera pöörlemisel ümber päikese muutub maa liikumisnurk päikese suhtes küllaltki suures ulatuses ja sel ajal saab päikeselt vähem ka soojusenergiat, kuid ikkagi saab ja pealegi tasuta. Päikesepaisteliste ilmadega ja hea päikesekollektorite paigutuslahendusega saab maksimaalselt ära kasutada päikesesoojuse püüdmise terve päikesepaistelise päeva jooksul.

Päikesekollektorite rakendusi

Päikesekollektorite tehnoloogia eesmärgiks on päikeseenergia muutmine soojuseks. Kasutades päikesepaistet ning seda energiat kasutada sooja tarbevee ning majade keskküttesüsteemide kütmiseks. 15

Päikesekollektoreid saab aga rakendada mitmel erineval viisil, mis on toodud järgnevalt.

Termosifoon

Kõige lihtsam võimalus päikesekollektoreid rakendada on neid kasutada sooja tarbevee tootmiseks nn. loomuliku ringlusega termosifoonseadmega ( joonis 4). Sellised lahendused on laialdaselt esindatud lõunapoolsetes riikides nagu Hispaania, Kreeka, Itaalia jne. Seda põhjusel, kuna süsteem on avatud ning tarbevesi voolab läbi kollektori, siis on oluline, et temperatuur ei langeks alla 0°C. Seetõttu ei ole see süsteem põhjamaade klimaatilistes tingimustes kasutatav aastaringselt. Sobib kasutamiseks suvise kasutusega hoonete korral (nt. lastelaagrid), kuid talveks tuleb süsteem tühjendada. Reeglina ei sobi kasutamiseks, kui kollektorite pindala on üle 10 m2. 16

 

Joonis 4. Termosifoonseade 28

Suletud ringiga sooja tarbevee süsteem

Põhjamaisesse kliimasse aastaringseks kasutamiseks on sobivaimaks suletud ringiga sooja tarbevee valmistamise süsteem ( joonis 5), mille päikesekollektorit läbivaks soojuskandjaks on külmumiskindel vedelik (nt. vesi-glükooli lahus). Akumulatsioonipaagis on salvestis kaks siugu, milles üks on päikesekollektori poolt toodetava soojuse ülekandmiseks soojale tarbeveele ning teine on lisakütteallika poolt toodetava soojuse ülekandmiseks soojale tarbeveele. Põhjamaises kliimas on tarvis lisakütteallikat, et tagada sooja tarbevee valmistamine aastaringselt, kuna päikesekiirgusest selleks ei piisa. Lisakütteallikaks võib olla kütteseade (nt. pelletikatel, õlikatel, elektrikatel jne.). Samuti võib salvestite korral kasutada sisse integreeritud elektriküttekeha. Sellist tüüpi lahenduse korral 17:

  • temperatuuri hüsterees valitakse reeglina 5-10°C etteandeväärtusest;
  • pump arvutatakse põhimõttel - 1 m2 paneel=30...50 l/h;
  • ujulate puhul valitakse suurema jõudlusega pump.

Joonis 5. Suletud ringiga sooja tarbevee süsteem 29

Sooja tarbevee valmistamine ja ruumide küte

Päikeseenergiat saab lisaks sooja tarbevee valmistamisele kasutada ka ruumide kütmiseks. Mida väiksemad on hoone soojuskaod läbi piirdetarindite ja ventilatsiooni, seda efektiivsemalt on võimalik päikese poolt kiiratavat soojust ära kasutada hoonete kütteks ( joonis 6). 18

Lisakütteallikas ehk katel on siiski vajalik, kuna põhjamaistes kliimaoludes pole võimalik hoone Soojusvarustus täielikult katta päikese poolt kiiratava soojusega. Kombineeritud lahenduse üheks eeliseks on soojuse vajaduse osaline katmine tasuta saada oleva päikesekiirgusega, et sõltuvalt tarbimismustrist, võimalusel katta 20...70% kogu soojusenergia vajadusest. 19

 

Joonis 6. Päikeseküttesüsteem sooja tarbevee valmistamiseks ja ruumide kütteks 30

Basseiniküte

Päikeseenergiat päikesekiirguse näol saab kasutada ka basseinivee kütmiseks (kasutatavad ka akumulatsioonina, joonis 7). Arvestada selle juures tuleks 20:

  • tüüpiline energiavajadus basseinides jääb vahemikku 150...450 kWh iga basseini ava ruutmeetri kohta;
  • Saksamaal piisav vee soojendamiseks kuni 23°C-ni täielikult päikesekiirgusest;
  • 2000 m2-se basseini puhul on võimalik kokku hoida 75000 liitrit kütteõli ja vähendada CO2 eraldamist kuni 150000 kg (katla kasuteguriks 80%);
  • kollektori ktorabsorberi pindala peab moodustama 50...80% basseini ava pindalast;
  • hinnad sellise süsteemi kohta ligi 100 €/m2 (2009 a.);
  • kõrgema vee temperatuuri saavutamiseks võib lahendus osutuda suurema kollektorite pinna tõttu mitte tasuvaks.

Vastavalt Terviseameti 2012 a. andmetele on Eestis 175 ujulat 290 basseiniga. 21

 

Joonis 7. Päikesekiirguse abil basseini kütmine 31

Kasutamine ehitiste disainielementidena

Päikesekollektoreid on võimalik kasutada ka disainielementidena ning seejuures leida neile ka praktilisi rakendusi ( joonis 8). Päikesekollektorid võivad olla kasutuses nt päikesevarju asemel või ka katusel varikatusena. 22

 

Joonis 8. Vaakumtorukollektorid disainielemendina 32

Tehnoloogia maksumus

Investeeringumahukus

Tasapinnaliste- ning vaakumtorukollektorite vahel on läbi viidud erinevaid tehnilis-majanduslikke analüüse. Käesolevalt on esitletud kolme erinevat lamekollektorit ning kolme erinevat vaakumtorukollektorit. Näidete juures on kajastatud päikesekollektorite kasutamist nii sooja tarbevee valmistamist kui ka hoone kütmist. Nimetatud informatsiooni võib näha tabelis 1.

Tabel 1. Päikesekollektorite tehnilis-majanduslik võrdlustabel – sooja vee valmistamine ja osaline hoone küttevajaduse katmine 33

Tasuvus

Päikeseküttelahenduste ning nende tasuvuse puhul on reegliks - mida keerulisem ning integreeritum on algne süsteem tehniliselt, seda lühem on ka tasuvusaeg. Ehk, kui tegemist on vaid tarbevett soojendava süsteemiga, on tasuvusaeg pikem, aga kui süsteemiga on liidetud ka küttesüsteemid, on tasuvus lühem. Tasuvusajaks sellistele süsteemidele on alates 8 aastat. Süsteemide pakkujad hindavad tasuvusajaks tüüpilistel juhtudel 12...15 aastat. 23

Tasuvuse arvutamisel võetakse arvesse, et keskmiselt saab päikeseküttega tagasi 40% tarbeveele kuluvast energiast. Näiliselt madala protsendi põhjustab talve- ja suvekuude suur erinevus. Kui aprilli algusest kuni augustikuu lõpuni kõigub soojuseks muudetava kiirguse hulk Eestis päevas keskmiselt 4,5...5,5 kWh/m2 ümber, siis novembrist veebruarini jääb see alla 0,7 kWh/m2 päevas, mis tähendab, et kui juulis saab päikeseküttest 80% vajaminevast tarbeveest, siis detsembris vaid 5%. 24

Tasuvus kollektorite puhul on küllaltki keeruline asjaolu. Problemaatiliseks asjaoluks on süsteemi projekteerimisel vältida võimalikku ületootmist. Võttes arvesse talvekuid, oleks võimaluseks lisada päikesekollektoreid ning sellega suurendada energia hulka, mida on võimalik vähese valgusega kuudel toota. See tingib aga suvekuudel energia ülejäägi, mida pole kuhugi paigutada - veetarbimisest üksi on vähe, küttevajadus puudub, akumulatsioonipaak täitub ning selle põhjusena võib tõusta soojusvahetusvedeliku temperatuur üle lubatud piiride ning seega rikneda, mis tingib süsteemi hooldusvajaduse. Kõik see muudab tasuvusarvutusi, mistõttu pakutaksegi tasuvuseks optimistlikemail juhtudel 8 aastat, tüüpiliselt aga 12...15 aastat. 25

 

Täiendavat lugemist

Aasta

Kategooria

Pealkiri

 

Veebileht

Solar thermal collector - Wikipedia

 

Veebileht

Solar Air Heat - Wikipedia

2013

Uuring

Energia lokaalse tootmise analüüs büroohoonele. Osa I - Taastuvenergialahendused

2013

Ettekanne

Energiatehnoloogiate tulevikust

2013

Aruanne

Energy resources of Estonia. ENMAK 2030+

2013

Aruanne

Tuule ja päikeseenergia kasutamine Tartu linnas

2013

Aruanne

Tuule- ja päikeseenergia kasutusvõimalused Eestis

2013

Aruanne

Väiketuulikute ja päikesepaneelide tootlikkuse ja tasuvuse võrdlus

2012

Aruanne

Päikeseenergeetika põhialused

2013

Ettekanne

Nullenergiahooned maasoojuse ja päikeseenergiaga

2012

Ettekanne

Taastuvenergia 100% - üleminek puhtale energiale

2008

Ülevaade

Teistmoodi energia

2013

Kogumik

TEUK kogumik

2013

Aastaraamat

Taastuvenergia aastaraamat 2013

2012

Aruanne

Varustuskindluse aruanne 2012

2013

Aruanne

Eesti elektrisüsteemi varustuskindluse aruanne 2013

2014

Aruanne

Eesti elektrisüsteemi varustuskindluse aruanne 2014

2015

Aruanne

Eesti elektrisüsteemi varustuskindluse aruanne 2015

-

Veebileht

Päikeseküte

-

Veebileht

Päikeseküte – valesti mõistetud küttesüsteem. (10.11.2014).

2012

Veebileht

Päikesepaneelid on üks odavamaid soojusenergia saamise viise. (10.11.2014).

-

Veebileht

Miks eelistame plaatkollektorit. (10.11.2014).

-

Veebileht

Päikeseküte muutub üha populaarsemaks. (10.11.2014).

2014

Ettekanne

Soojusliku päikesekollektori tootlus

2014

Ettekanne

Päikese vabasoojuse kasutus - akende energiabilanss

2007

Ettekanne

Eesti energiatehnoloogiate arendusstrateegia eeluuring

2007

Aruanne

Energiatoodete maksustamise uuring

2014

Ettekanne

Euroopa energiapoliitika valikud. Kas Euroopal on üldse valikut

2014

Ettekanne

Eesti uus energiapoliitika. Konkurentsivõimeline taastuvenergia Eestis

2014

Ettekanne

Eesti energiapoliitika mõju riigi konkurentsivõimele

2014

Ettekanne

Eesti põlevkivienergeetika tulevik

2014

Ettekanne

Eesti energiamajanduse arengukava aastani 2030

2015

Uuring

Current and Future Cost of Photovoltaics

2014

Aastaraamat

Taastuvenergia aastaraamat 2014

Viited

  1. Muiste, M., Veskimeister, J. Tuule ja päikeseenergia kasutamine Tartu linnas.↩︎
  2. Rosin, A., Link, S., Drovtar, I. Energia lokaalse tootmise analüüs büroohoonele. Taastuvenergialahendused.↩︎
  3. Päikeseküte. Päikesepaneelid ja päikesekollektorid. (07.11.2014)↩︎
  4. Cerbos küttesüsteemid. Päikeseküte muutub üha populaarsemaks.↩︎
  5. SunHeat OÜ. Miks eelistame plaatkollektorit. (07.11.2014)↩︎
  6. SunHeat OÜ. Miks eelistame plaatkollektorit.↩︎
  7. Terviseamet. Järelevalve tulemused. (10.11.2014)↩︎
  8. Tehnikamaailm - Kodu ja ehitus. Päikeseküte – valesti mõistetud küttesüsteem. (10.11.2014)↩︎