A napkollektorok elhelyezésének megválasztásakor arra kell törekedni, hogy a napkollektoros rendszer üzemeltetési időszaka alatt a napkollektorok felületére minél több hasznosítható napsugárzás érkezzen. A napenergia térbeli és időbeli eloszlásának megértéséhez a napsugárzás geometriájának, vagyis a Nap pályájának ismerete szükséges. A Budapest földrajzi szélességére vonatkozó nappálya az 1. ábrán látható. Az ábra szemléletesen mutatja, hogy Magyarország területéről nézve a Nap télen lényegesen alacsonyabb és rövidebb pályát jár be, mint nyáron. A legrövidebb téli napon a delelési napmagasság mindössze 19°, míg ugyanez a leghosszabb nyári napon 66°.
1. ábra
A Nap látszólagos pályája Magyarországról nézve
Az 1. ábra alapján két fontos következtetést vonhatunk le. Az első az optimális tájolásra vonatkozik: a napsugárzás eloszlása a déli irányra szimmetrikus, ezért a legtöbb napsugárzás déli tájolású felületre érkezik, így a napkollektorokat is lehetőség szerint déli tájolással kell elhelyezni. A másik, már nem ennyire egyértelmű következtetés, hogy a napkollektorok optimális dőlésszöge függ attól, hogy a napkollektoros rendszert az év melyik részében szeretnék elsősorban használni.
- Egész éves, egyenletes használat. Ilyen például a leggyakrabban alkalmazott használati-melegvíz készítő napkollektoros rendszerek többsége. A napkollektorok optimális dőlésszöge ilyenkor az éves átlagos napmagasságnak megfelelően megközelítőleg 40-45°.
- Elsősorban a téli félévben történő használat. Ilyen eset például, ha a napkollektorokat főleg épületek fűtésére szeretnék minél hatékonyabban felhasználni. A napkollektorokat ilyenkor a téli alacsonyabb napmagasság miatt meredekebben kell elhelyezni, az optimális dőlésszög megközelítőleg 55-60°.
- Elsősorban a nyári félévben történő használat. Ilyen eset például, ha a napkollektorokat döntően a nyári félévben üzemelő létesítményekben pl. kempingekben, szállodákban alkalmazzák, vagy nyári üzemű szabadtéri medencék fűtése a cél. A napkollektorokat ilyenkor a nyári magasabb napmagasság miatt laposabban kell elhelyezni, az optimális dőlésszög megközelítőleg 25-30°.
A fentiek alapján viszonylag egyszerűen el tudjuk dönteni, hogy a napkollektorokat milyen tájolással és dőlésszöggel kellene felszerelnünk. Az igazi kérdés azonban általában nem is ez, hanem az, hogy mit kell tennünk, ha az optimális elhelyezést a helyszín adottságai miatt nem tudjuk megvalósítani? Milyen mértékben térhetünk el az optimális irányú felszereléstől? A kérdés megválaszolására a 2. ábrán látható táblázatot használhatjuk, melyből megállapíthatjuk, hogy a napkollektoros rendszerrel hasznosítható napenergia mennyisége hogyan csökken, ha eltérni kényszerülünk a felhasználási területnek megfelelő optimális irányú tájolástól és dőlésszögtől. A táblázat három részből áll, külön-külön táblázatok mutatják a csak téli, az egész éves, és a csak nyári üzemidejű felhasználásra vonatkozó adatokat.
2. ábra
A napkollektoros rendszer által hasznosított napenergia mennyiségének csökkenése az optimális dőlésszögtől és tájolástól való eltérés függvényében
A 2. táblázatból az alábbi következtetéseket vonhatjuk le:
- Általános, egész éves használat esetén a napkollektorokkal hasznosítható napenergia mennyisége csak kis mértékben csökken, ha eltérni kényszerülünk az optimális irányú elhelyezéstől. Például délkeleti, vagy délnyugati tájolás esetén a csökkenés mértéke csak 5% körüli. Ebből következik, hogy nem kell görcsösen ragaszkodni a legjobb dőlésszöghöz és tájoláshoz. Sokszor látni olyan megoldásokat, amikor a tetőre szerelt napkollektorokat a pontosan déli tájolás és az optimális dőlésszög elérése érdekében a tetősíktól mindkét irányban, egyedi tartószerkezet alkalmazásával kiemelik. Az ilyen megoldások többnyire bonyolultak, költségesek, csúnyák, valamint a kiemelés miatt a napkollektorok jelentős szélterhelésnek is ki lesznek téve, ami fokozott kockázatot rejt magában. Az kiemelést biztosító egyedi tartószerkezet helyett sokszor egyszerűbb, olcsóbb, és főleg esztétikusabb megoldás az, ha inkább kicsivel több napkollektort alkalmaznak, de a tető síkjával megegyezően felszerelve.
- Csak nyári használat esetén még kevésbé fontos az optimális elhelyezéshez ragaszkodni. Nyáron magasról süt a nap, ezért a napkollektorokat kis dőlésszöggel helyezhetjük el, ebben az esetben pedig a tájolás szerepe nem jelentős. A kis dőlésszög mellett akár teljesen keleti, vagy nyugati tájolást is alkalmazhatunk, az energiahozam csökkenése csak 10-15%. Nyári üzemnél viszont nem célszerű a napkollektorokat függőlegesen elhelyezni, pl. homlokzatra, vagy kerítés falra, mert ez már jelentősebb, 40%-nál nagyobb hatékonyság csökkenést eredményez.
- A legjobban természetesen akkor kell ügyelni a napkollektorok tájolására és dőlésszögére, ha a napkollektoros rendszer elsődleges célja a téli félévben történő fűtésrásegítés. Télen a nap viszonylag rövid ideig, döntően csak a déli irányból, és alacsony magasságból süt. Ezért csak kis mértékben térhetünk el a déli tájolástól, és a meredek, dőlésszöghöz is jobban kell ragaszkodnunk.
- A táblázat adatait alaposabban szemügyre véve azt is észrevehetjük, hogy ha a déli tájolástól azonos mértékű eltérést vizsgálunk keleti, vagy nyugati irányba, akkor a nyugati irányba valamivel kedvezőbb adatokat találunk. Ennek egyik oka az, hogy délután többnyire tisztább az égbolt, és melegebb a külső hőmérséklet is. A másik ok a napkollektoros rendszer működésében rejlik. Délelőtt többnyire hidegebb vizet kell fűteni a napkollektorokkal, mint délután, amikor a napkollektorok általában már melegebbre fűtötték a tárolót. Ezért előnyösebb, ha a kissé nyugati tájolás miatt délután éri inkább kedvezőbben a napsugárzás a napkollektorokat, amikor a melegebb víz továbbfűtéséhez jobban szükség van a nagyobb napkollektor hatékonyságra. Ha tehát választanunk kell pl. a délkeleti, vagy a délnyugati tájolás között, akkor többnyire a délnyugati tájolás mellett célszerű dönteni.
Törekedjünk az egyszerű, esztétikus felszerelésre!
Gyakori tévhit, hogy ha egy megközelítőleg déli tájolású napkollektor mező helyett inkább több, eltérő tájolású, de összességében azonos nagyságú napkollektor mezőt alkalmazunk, akkor több napenergiát is tudunk hasznosítani. Az érvelés szerint, ha pl. van délkeleti, déli, és délnyugati tájolású napkollektor mezőnk is, akkor „a napkollektor mezőket körbe járja a nap”, és így minden napszakban lesz olyan mező, amit optimális irányból süt a nap. Ez persze igaz, de ugyanakkor az is igaz, hogy mindig lesz a napsugárzás szempontjából kedvezőtlenül elhelyezkedő mező is. Fogadjuk el, hogy legtöbb napsugárzás a déli tájolású felületre érkezik, ezért ennél kedvezőbben nem tudjuk elhelyezni a napkollektorainkat. A 3. képen például egy olyan nyolcszög alaprajzú épületet láthatunk, melynek nyolc különböző tájolású tetőfelülete közül ötre helyeztek napkollektorokat, méghozzá úgy, hogy minden talpalatnyi tetőfelületet alaposan kihasználtak. Az ilyen felszerelés nem túl esztétikus, és nem is túl hatékony, alkalmazása még akkor is kérdéses, ha más módon végképp nem tudjuk a napkollektorokat elhelyezni.
3. ábra
Napraforgó ház - napkollektorok ötféle tájolással felszerelve
Az egy rendszeren belül alkalmazott napkollektorokat lehetőség szerint azonos dőlésszöggel és tájolással, azonos nagyságú mezőkben kell elhelyezni. Így egyszerű lesz a rendszer vezérlése és hidraulikus bekötése és beszabályozása is. Ha mégis eltérő dőlésszögű vagy tájolású mezőket építünk ki, akkor minden eltérő elhelyezkedésű mezőhöz külön szivattyús ágat kell kiépíteni, és olyan bonyolultabb és drágább szabályozót kell alkalmazni, ami tudja kezelni a több kollektormezős rendszereket (4. ábra).
4. ábra
Két eltérő tájolású napkollektor mezőt tartalmazó rendszer kapcsolása és szabályozása
Szintén gyakran felmerül az a kérdés is, hogy a napkollektorokat célszerű-e forgatható, napkövető módon felszerelni. Természetesen ez technikailag megoldható, és a nap irányába forgatott napkollektorok felületére nyilvánvalóan több napsugárzás érkezik. A kérdés csak az, hogy a mozgatható napkollektor mező által hasznosított energiatöbblet indokolja-e a lényegesen bonyolultabb, költségesebb, nagyobb helyigényű és pl. egy normál sátortetős épülethez nehezen illeszthető felszerelési mód alkalmazását? Számítógépes méretezés alapján megállapítható, hogy a napkövetéssel elérhető energia többlet kb. 40%. Ez persze nem kevés, de gondoljuk meg, hogy 40%-al nagyobb napkollektor mező alkalmazásával ugyanezt az eredményt el tudjuk érni, és a napkollektorokat ekkor egyszerűen, esztétikusan, a tető síkjába illeszkedő módon tudjuk beépíteni.
A napkollektorok beárnyékolásának figyelembevétele
A napkollektorokat lehetőség szerint olyan felületre kell felszerelnünk, amit nem árnyékolnak be a környező fák, épületek, vagy egyéb tereptárgyak. Ha ilyen felületet nem találunk, akkor meg kell becsülnünk, hogy a beárnyékolás mértéke mekkora. Példaként vizsgáljuk meg az 5. képen látható épületet, ahol két termetes fenyőfa található a napkollektorok előtt.
5. ábra
Az árnyékolás miatti napkollektor hozam csökkenésének meghatározására több módszer és eszköz is létezik. Vásárolhatunk erre a célra kifejlesztett méreg drága műszert, de ma már beszerezhetünk az okos-telefonunkra is erre használható alkalmazást. Az általánosan alkalmazott módszer mégis az, ha az árnyékolást okozó tereptárgyak főbb paramétereit lemérjük, és ezt felrajzoljuk a felszerelés helyszínére vonatkozó nappálya diagramba. Ez az eljárás látható a 6. ábrán. A módszer segítségével még nem tudjuk pontosan megmondani, hogy mekkora lesz a napkollektoros rendszer árnyékolás miatti energiahozam csökkenése, de azt meg tudjuk határozni, hogy melyik hónapokban, és milyen időintervallumok között fog jelentkezni az árnyékolás. Az így meghatározott árnyékmaszkot pedig már fel tudjuk vinni egy erre alkalmas számítógépes méretezési programba, ami már pontosan kiszámolja az árnyékolás mellett hasznosítható napenergia mennyiségét.
6. ábra
Megjelent az Épületgépész 2012/3. számában
