Aurinkokeräinten hyötysuhteet

Aurinkokeräimeen lankeavan auringonsäteilyn määrästä voidaan hyödyntää vain osa. Keräimen hyötysuhde tekniikasta ja olosuhteista riippuen voi olla jopa yli 70 prosenttia. Koko järjestelmän hyötysuhde on kuitenkin pienempi muun muassa käytännön lämpötilaolosuhteista ja lämpöenergian varastointikapasiteetista johtuen.

Aurinkoenergiajärjestelmästä saatavan energian määrään vaikuttaa muun muassa:

• aurinkokeräimen katteen (lasin) ominaisuudet
• lämmöneristys ja tiiviys
• aineiden absorptio- ja lämmönsiirtokyky
• lämmönsiirtoaineen ominaisuudet
• aurinkokeräimen käyttölämpötila
• etäisyys keräimistä varaajaan
• lämmönsiirtoputkien lämmöneristys
• aurinkokeräimen suuntaus ja kaltevuus
• varaajan lämpötila
• tarvittava lämpötila ja tarvittava energiamäärä
• ulkolämpötila ja tuulisuus
• auringon tulokulma (vuodenaika ja kellonaika)
• varjot

Aurinkokeräimille voidaan laskea lämpöteho ja hyötysuhde, kun tunnetaan keräimen pinta-ala, keskimääräinen lämpötila, ympäristön lämpötila ja säteilymäärä. Hyötysuhde on sitä heikompi, mitä suurempi on lämpötilaero keräimen ja ympäristön välillä ja mitä pienempi auringon säteilyteho on.

Vuositason energiantuottoa (kWh/a) vertailtaessa voidaan todeta tyhjiökeräimien olevan vain vähän tasokeräimiä tehokkaampia, mutta hinnaltaan tyhjiökeräimet ovat noin 30–50 prosenttia kalliimpia.

Kuva 1. Hyötysuhde erityyppisillä aurinkolämpökeräimillä erilaisissa lämpötilaolosuhteissa. Lämpötilaero keräinnesteen keskilämpötilan ja ulkolämpötilan välillä. Lähde Savosolar

Esimerkki kuvassa 1 esitetyn kuvaajan lukemisesta: Keräimeen menee sisään 40-asteinen neste ja neste on keräimessä lämmettyään 60-asteista. Keräinnesteen keskimääräinen lämpötila keräimessä on silloin 50 °C. Jos ulkolämpötila on 20 °C, kuvaajan tarkoittamaksi lämpötilaeroksi tulee 30 °C. Kuvaajasta luettaessa hyötysuhde on tällöin keräintekniikasta riippuen noin 0,57–0,85 (eli 57–85 prosenttia).

Kaikilla nestekiertoisilla keräimillä lämmönkeruukyky on tehokkaampi silloin, kun keräimeen sisään tuleva neste on mahdollisimman viileää. Tämä edellyttää mahdollisimman matalaa lämpötilaa energiavaraajassa tai vastaavasti matalaa lämmitysverkon paluulämpötilaa.

Kuva 2 havainnollistaa aurinkokeräimissä kiertävän lämmönsiirtoliuoksen sisäänmenolämpötilan merkittävää vaikutusta saavutettavaan hyötysuhteeseen. Mikäli lämpöä ei tarvitse nostaa varaajassa korkealle, myös keräimeen sisäänmenevä neste on alemmalla lämpötila-alueella. Matalaa lämpötilatasoa voidaan hyödyntää esimerkiksi ympärivuotiseen pesu- ja saunatilojen lattialämmitykseen sekä pelkkään käyttöveden esilämmitykseen. Tällöin aurinkokeräimien hyötysuhde saadaan pidettyä korkeana.

Kuva 2. Lämmöntuotto tehostuu selvästi, kun keräimeen sisään tuleva neste on viileämpää.

Tyypillisesti esimerkiksi varhain aamulla ja myöhään iltapäivällä on tilanteita, jolloin auringon säteilyteho ei riitä, ja käyttö- ja ulkolämpötilan ero on suuri. Suuren lämpötilaeron takia myös lämpöhäviöt ovat silloin suuret.

Tasokeräimillä, joissa on suuri absorptiopinta, saavutetaan parhaat hyötysuhteet, kun tuotettava lämpötila on suhteellisen matala eli keräimen ja ympäristön lämpötilaero ei ole kovin suuri. Siksi lämmitysjärjestelmissä pitäisi käyttää mahdollisimman matalia lämpötiloja sallivia lämmönjakotapoja, ja aurinkolämpö tulisi syöttää järjestelmässä mahdollisimman viileään pisteeseen. Vesikiertoisessa lattialämmityksessä se toimii selvästi paremmin kuin patteriverkossa matalamman lämpötilatason vuoksi.