Saulės energija stiklo vamzdelyje
Kai pirmą kartą pamačiau vakuuminį saulės kolektorių ant kaimyno stogo, pagalvojau – kas čia per keisti stikliniai vamzdeliai? Atrodė tarsi kažkoks mokslo laboratorijos eksperimentas, o ne įprastas šildymo įrenginys. Tačiau pasigilinus tampa aišku, kad šie neįprastai atrodantys prietaisai yra vienas išmintingiausių būdų paversti saulės spindulius naudinga šiluma.
Vakuuminis saulės kolektorius veikia pagal gana paprastą principą – jis sugauna saulės energiją ir perduoda ją vandeniui ar kitam šilumnešiui. Bet štai kaip jis tai daro – tai jau tikra inžinerijos magija. Kiekvienas stiklinis vamzdelis iš tiesų yra dvigubas, o tarp sienelių – beveik tobulas vakuumas. Panašiai kaip termose, tik čia ne kavą saugome, o priešingai – stengiamės kuo efektyviau surinkti ir išlaikyti šilumą.
Kodėl vakuumas yra toks svarbus
Vakuumas šiuose kolektoriuose atlieka kritinę funkciją, ir čia slypi pagrindinis skirtumas nuo įprastų plokščių kolektorių. Kai tarp dviejų stiklo sluoksnių nėra oro, šiluma negali išsisklaidyti per konvekciją – paprasčiau tariant, nėra oro molekulių, kurios galėtų tą šilumą išnešti lauk. Tai reiškia, kad net šaltą žiemos dieną, kai lauke -15°C, kolektorius gali pasiekti 150-200°C temperatūrą viduje.
Pabandykite įsivaizduoti įprastą plokštųjį kolektorių – jis veikia kaip didelis juodas radiatorius po stiklu. Kai oras šaltas ir vėjuotas, daug surinktos šilumos tiesiog išgaruoja į aplinką. Vakuuminis kolektorius šią problemą sprendžia radikaliai – jei nėra oro, nėra ir šilumos nuostolių. Todėl šie kolektoriai puikiai veikia net debesuotomis dienomis ar žiemą, kai saulė žema ir silpna.
Kaip vamzdelis paverčia šviesą šiluma
Kiekvienas vamzdelis turi specialų absorbcinį sluoksnį – dažniausiai tai vario ar aliuminio plokštelė, padengta selektyviu dangalu. Šis dangalas yra tikras technologinis stebuklas: jis sugeria beveik visą matomą šviesą (apie 95%), bet išspinduliuoja labai mažai infraraudonųjų spindulių. Tai tarsi vienpusis veidrodis šilumai – į vidų įleidžia, bet atgal neišleidžia.
Viduje esantis absorbcinių plokštelių dizainas gali skirtis. Populiariausios yra dvi konstrukcijos: „heat pipe” (šilumos vamzdelis) ir tiesioginio srauto sistemos. Heat pipe veikia fascinuojančiai – tai uždaras vamzdelis su specialiu skysčiu, kuris žemoje temperatūroje virsta garais, pakyla į viršų, atiduoda šilumą, vėl kondensuojasi ir grįžta žemyn. Viskas vyksta automatiškai, be jokių siurblių ar judančių dalių.
Tiesioginio srauto sistemose vanduo ar šilumnešis tiesiog teka per vamzdelį ir pašyla. Paprasčiau, bet kartais mažiau efektyvu, ypač kai temperatūros labai skiriasi.
Montavimas ir orientacija – ar tikrai taip svarbu
Vienas iš vakuuminių kolektorių privalumų – jie gerokai atlaidesni kampui, kuriuo krenta saulės spinduliai. Plokštieji kolektoriai geriausia veikia, kai saulė krenta statmenai į jų paviršių. Vakuuminiai dėl savo cilindrinės formos sugauna šviesą iš įvairių kampų. Tai reiškia, kad jie efektyviai veikia nuo ryto iki vakaro, net kai saulė žema horizonte.
Tačiau tai nereiškia, kad galima juos montuoti bet kaip. Optimalus kampas Lietuvoje yra apie 35-45 laipsnių nuo horizontalios plokštumos, o orientacija – į pietus. Bet net jei jūsų stogas nukreiptas į pietryčius ar pietvakarius, vakuuminiai kolektoriai vis tiek veiks gana efektyviai. Esu matęs sėkmingai veikiančias sistemas net ant rytinių stogų – tiesiog reikia šiek tiek daugiau vamzdelių.
Svarbu palikti tarpą tarp kolektoriaus ir stogo paviršiaus – reikalinga ventiliacija. Nors vakuumas apsaugo nuo šilumos nuostolių, pats kolektoriaus korpusas vis tiek šiek tiek kaista, ir jam reikia vėsinimo.
Kas nutinka žiemą ir kaip sistema išvengia užšalimo
Daugelis žmonių nerimauja, ar nesutrūks stikliniai vamzdeliai šalčiui užklupus. Iš tikrųjų, šie vamzdeliai pagaminti iš borosilikatinio stiklo – to paties, iš kurio gaminama laboratorinė įranga ir aukštos kokybės virtuvės indai. Jis atlaikia didelius temperatūros svyravimus ir mechanines apkrovas.
Bet kas nutinka su vandeniu sistemoje? Čia yra keli sprendimai. Daugelis sistemų naudoja ne gryną vandenį, o mišinį su propilenglikoliu – ekologišku antifrizu, kuris neužšąla net -30°C temperatūroje. Šis skystis cirkuliuoja uždarame kontūre, o šilumą perduoda vandeniui per šilumokaiti kaupimo talpe.
Yra ir kitoks sprendimas – vadinamosios „drain-back” sistemos. Jos sukonstruotos taip, kad sustojus cirkuliacijai, skystis automatiškai nuteka atgal į talpą, o kolektoriuje lieka tik oras. Nėra skysčio – nėra užšalimo problemos. Paprasta ir elegantiškai.
Kiek šilumos galima gauti ir kam to pakanka
Vienas standartinis vakuuminis vamzdelis (apie 1,8 metro ilgio) gali pagaminti apie 100-150 W šiluminės galios optimaliomis sąlygomis. Tipinė sistema namui turi 20-30 vamzdelių, tai yra apie 2-4 kW galia. Skamba nedaug? Bet prisiminkite – tai veikia visą dieną, kai tik šviečia saulė, ir nereikia jokio kuro.
Praktiškai tokia sistema vasarą gali visiškai padengti karšto vandens poreikius 3-4 žmonių šeimai. Žiemą, kai saulės mažiau, ji vis tiek pagamina apie 30-50% reikiamos šilumos. Tai reiškia, kad per metus galite sutaupyti 50-70% išlaidų šildant vandenį. Jei turite dujų katilą ar elektrinį boilerį, jis tiesiog įsijungia tik tada, kai saulės nepakanka.
Kai kurie entuziastai vakuuminius kolektorius naudoja net patalpų šildymui, ypač su grindinio šildymo sistemomis. Čia reikia didesnės ploto ir gerai apgalvotos sistemos, bet tai įmanoma. Esu girdėjęs apie namus, kur 30-40% metinio šildymo poreikių padengia saulė.
Priežiūra ir kas gali sugesti
Vienas malonus dalykas dėl vakuuminių kolektorių – jie reikalauja minimalios priežiūros. Kartą per metus verta apžiūrėti sistemą, patikrinti slėgį, antifrizą (jei naudojamas), ir tiek. Vamzdeliai paprastai savarankiškai išsilaiko švarūs – lietaus dėka. Bet jei gyvename labai dulkėtoje vietoje ar šalia kelio, kartais pravartu juos nuplauti.
Kas gali sugesti? Retai, bet atsitinka, kad vamzdelis praranda vakuumą. Tai pastebėsite iš karto – jis nustos veikęs ir gali net aprasuoti iš vidaus. Gera žinia – vamzdelius galima keisti individualiai, nereikia keisti visos sistemos. Vieno vamzdelio kaina – apie 20-40 eurų, priklausomai nuo gamintojo.
Cirkuliacinis siurblys ir valdymo elektronika taip pat gali sukelti problemų, bet tai standartiniai šildymo sistemos komponentai, kuriuos bet kuris šildymo meistras gali pataisyti. Svarbu įsirengti kokybišką sistemą iš karto – pigūs kinų kolektoriai kartais turi prastos kokybės tarpines dalis, kurios genda greičiau nei patys vamzdeliai.
Ar verta investuoti ir kada atsipirks
Vakuuminio saulės kolektoriaus sistema vidutiniam namui kainuoja apie 2000-4000 eurų su montavimu. Skamba daug, bet pažiūrėkime realiai. Jei šildote vandenį elektra ir sunaudojate apie 4000 kWh per metus (tipiškai 3-4 žmonių šeimai), tai kainuoja apie 600-800 eurų per metus dabartinėmis kainomis. Vakuuminis kolektorius gali sutaupyti 60-70% šių išlaidų – tai apie 400-500 eurų per metus.
Paprasta matematika rodo, kad sistema atsipirks per 5-8 metus. Tai gana greitai, atsižvelgiant į tai, kad kokybiški kolektoriai tarnauja 20-25 metus. Be to, yra įvairių ES ir nacionalinių dotacijų atsinaujinančiai energetikai – jos gali padengti 30-50% investicijos.
Bet pinigai – ne vienintelis dalykas. Vakuuminis kolektorius sumažina jūsų anglies pėdsaką maždaug 1-1,5 tonos CO2 per metus. Tai lygu tam, kad nevažiuotumėte automobiliu apie 5000-7000 km. Jei aplinkosauga jums svarbi, tai svarbus argumentas.
Dar vienas aspektas – energetinis nepriklausomumas. Kai elektros ar dujų kainos šokinėja (o mes matėme, kaip jos gali šokti), saulė šviečia veltui. Tai tam tikra draudimo forma nuo energetinių krizių.
Vakuumas kaip ateities technologija šiandien
Vakuuminiai saulės kolektoriai nėra naujiena – jie naudojami jau kelis dešimtmečius. Bet technologija nuolat tobulėja. Naujausi modeliai turi geresnius selektyvius dangalus, patikimesnius vakuuminius sandarinimus, protingesnes valdymo sistemas. Kai kurie gamintojai jau siūlo kolektorius su integruotais jutikliais, kurie bendrauja su išmaniaisiais namų valdymo sistemomis.
Ateityje tikriausiai matysime dar efektyvesnius absorbcinius paviršius, galbūt net su nanotechnologijomis. Jau dabar eksperimentuojama su hibridiniais kolektoriais, kurie gamina ir šilumą, ir elektrą vienu metu. Bet net dabartinė technologija yra labai brandi ir patikima.
Jei galvojate apie atsinaujinančią energiją savo namams, vakuuminiai kolektoriai yra viena praktiškiausių ir greičiausiai atsiperkančių investicijų. Jie veikia mūsų klimato sąlygomis, nereikalauja daug priežiūros ir realiai sumažina sąskaitas. O tas jausmas, kai prausiatės karštu vandeniu, kurį sušildė saulė – beveik nemokamas ir visiškai ekologiškas – tikrai vertas.