Vaakum-päikesekollektor on väga tõhus

Vett soojendavaid seadmeid on kasutatud juba aastasadu. Kui 18. sajandi alguses hakati rohkem klaasi kasutama, leiti üha enam võimalusi päikesekiirguse ärakasutamiseks. Päikesekollektori leiutas Šveitsi aristokraat ja loodusteadlane Horace-Bénédict de Saussure aastal 1767. Klaasist kasvuhoonet meenutava, musta põhja ja soojustatud seintega nn kuumkasti (hot box) uurides avas ta ukse täiesti uuele teadusharule.

Päikesekollektoritüübid

Kindlasti oleme kogenud päikese mõju tumedatele kehadele ning musta värvi võimet soojust neelata. Esimesed päikesekollektorid olidki mustaks värvitud veetünnid. Nendes soojenenud vesi kasutati päeva jooksul ära, tünnid täideti uuesti külma veega ja järgmisel päikesepaistelisel päeval kõik kordus. Teaduse ja tehnika arenedes ning urbaniseerumisega seoses tekkis vajadus kogutud energiat salvestada, et seda oleks võimalik kasutada ka siis, kui päike ei paista. 20. sajandi keskpaigas hakatigi tootma esimesi vaskplaat-päikesekollektoreid (joonis 1), mis ühendati soojustatud veemahutiga. Nii sai päikeseenergiat kasutada ka pilvistel päevadel. Tehnoloogia areng kulgeb tõhususe suurendamise ning kadude vähendamise suunas, pidades silmas kulude alandamist ja mugavuse suurendamist. Uuendustele vaatamata on arhailine plaatkollektor ajale jalgu jäämas ning asendumas tõhusamate ja võimsamate päikesekiiri püüdvate vaakumkollektoritega.

Vaakum-päikesekollektori tööpõhimõte

Vaakumkollektoris püüavad päikesekiiri (olenevalt mudelist) kümned topeltklaasiga vaakumtorud (joonis 2). Välimuselt raadiolampi meenutava toru eesmärk on kasutada võimalikult suurt hulka sellele langevast päikesekiirgusest. Päikesekiired läbivad topeltklaasi ning soojendavad sisemist vasktoru, mille sees on vedel soojuskandja – glükooli vesilahus. Iga selline vaakumtoru tõstab lahuse temperatuuri päikesekollektoris. Kogutud soojus kandub soojaveemahuti spiraalidesse ning neilt omakorda soojendatavale veele.

Tänu klaastoru sees olevale spetsiaalsele kattekihile ei saa suurem osa päikesekiirgusest klaastorust tagasi peegelduda, ning just see tagab vaakumkollektori suure tõhususe. Peale selle on toru varustatud infrapunakiirgust läbi laskva kihiga, mis soodustab süsteemi toimimist ka mõõdukalt pilves ilmaga. Toru ise on valmistatud vastupidavast borosilikaatklaasist, mis peab vastu ka rusikasuurustele raheteradele või väiksematele puuokstele. Sellistest torudest koosnev kollektor (joonis 3) on võimeline päikeseenergiat soojuseks muundama ka siis, kui plaatkollektorile langevate kiirte kaldenurk ei oleks soojuskandja temperatuuri tõstmiseks enam piisav.

Vaakum-päikesekollektori eelised plaatkollektoriga võrreldes

Peale plaatkollektorist silmanähtavalt erineva välimuse (joonis 4) saab torukollektori eripära seletada ka mõiste ‘vaakum’ kaudu. Et vaakumis on rõhk väga väike, on vedelikuosakeste liikumistakistus selles peaaegu olematu. Soojustehnikas tähendab see energia kiiremat edasikandumist ning päikesekiirituse tõhusamat ärakasutamist. Vaakum minimeerib soojusenergia ülekandumist kollektori raamile, enne kui kogutud soojushulk soojaveemahutisse jõuab. Plaatkollektori pindade vahel olev gaas ei suuda soojust nii hästi kinni pidada, mistõttu soojakadu on peaaegu kaks korda suurem. Halb isolatsioon muudab plaatkollektori tundlikuks ilmastikuoludele, sh tuulele ja niiskusele, mistõttu ta võib vaid paari aastaga kasutuskõlbmatuks muutuda.

Vaakumkollektori tööiga on pikem, kuna soojuskandja on glükoolilahus, mille kollektoreid ja torustikku korrodeeriv mõju on väiksem kui plaatkollektoris ringleval veel. Glükooli vesilahuse (40–50%) soojusmahtuvus on vee omast väiksem ning seetõttu kannab ta soojust soojaveemahutisse kiiremini üle kui vesi.

Eestis on päikesekollektorite jaoks piisavat suvist päikesekiirgust niigi vähe, mistõttu soojusülekande kiirus on väga oluline. Vaakumkollektorisüsteemi on võimalik ühendada ka põrandaküttega. Soojaveemahutit saab lisaks kütta elektri ja/või katlaga. Vaakum-päikesekollektorite paigaldamine on küll kulukas, kuid see-eest on nende kasutamine tõhus ja mugav. Talvel pole karta torustiku lõhkikülmumist ega ole vaja vedelikku välja pumbata, sest etüleenglükooli 50%-lise vesilahuse külmumistemperatuur on –37 °C.

Vaakum-päikesekollektorite tüübid

Vaakumkollektorites kasutatavaid vasktorusid on peamiselt kaht tüüpi: U-kujulisi ja soojatoruga (heat-pipe) kollektoreid. Tööpõhimõte on mõlemal küll üldjoontes sama, kuid siiski on mõningaid erinevusi. U-kujulistest vasktorudest liigub läbi seesama soojuskandja, mis küttesüsteemistki. Päike soojendab vaakumtorude sees olevaid vasktorusid ning nendes voolavat glükoolilahust. Heat-pipe-vaakumtorudega kollektorites on isoleeritud vasktorud, mis on ka täidetud glükoolilahusega, ent ringleva soojuskandjaga (ka see on glükoolilahus) kokku ei puutu. Päikese soojendatud vedelik tõuseb toru ülemisse ossa ning kütab kuumaks vasktoru tipu, mis omakorda soojendab kollektori ülemist osa läbivat, soojaveemahuti vett kütvat soojuskandjat. Heat-pipe-torude läbimõõt on suurem ja soojuskadu väiksem kui U-torudel. Heat-pipe-kollektor on aga kallim, mis võib nende kasutamist Eestis piirata. Valitav kollektoritüüp oleneb kasutuskohast. Loomafarmis, kus põhieesmärk on saada sooja vett ning vähendada kulusid, annavad parima lahenduse plaatkollektorid, eramule sobivad aga enamasti U-kujuliste vasktorudega vaakumkollektorid ning suurtele siseujulatele heat-pipe-kollektorid.

Kütmisviis valitakse enamasti tasuvusaega silmas pidades. Kui aga õnnestub leida ettevõte, kes aruka lahenduse huvides on nõus ka oma rahakotti kergendama, võib vaakum-päikesekollektor isegi meie laiuskraadil end kuhjaga ära tasuda.

Artikli autor on LEHO LAUL, Covertech Invest OÜ

Artikkel ilmus ajakirjas Keskkonnatehnika 2/2009 lk 28–29

Foto: Wikimedia Commons