Racionální využití sluneční energie

Česká republika má poměrně dobré podmínky pro využití solární energie. Celkově na naší republiku dopadá od 1100 do 1250 kWh/m² sol. en. ročně, přičemž doba přímého slunečního svitu se pohybuje mezi 1600-2200 hod. Nutno však poznamenat, že energie dopadá na zem značně nerovnoměrně, jednak v závislosti na počasí a jednak v závislosti na ročním období. V ČR dopadá v období mimo topnou sezónu až 75% ročního množství sol. en., na zbytek roku, tedy asi na 7 měsíců, připadá pak jen 25% energie. Přesná čísla záleží na počasí a na oblasti. V horských oblastech, kde je delší topná sezóna, je poměr o trochu příznivější, což se nejvíce projeví v jarních měsících.

Sluneční energii využíváme v zásadě dvěma způsoby a to pasivně nebo aktivně.
První způsob využití je u nás značně rozšířen a jde o využití sluneční energie bez speciálního technického zařízení určeného k tomuto účelu např. slunečního kolektoru. Typickým představitelem staveb určených speciálně pro pas. využití sol. en. je skleník.
Aktivní využití sol. en. není zatím u nás široce rozšířeno, jde v zásadě o nepřímé využívání sluneční energie pomocí sl. kolektoru, fotovoltaických článků, parabolických zrcadel apod., často je tento systém spojen s akumulací energie. Jedním z důvodů malého rozšíření je investiční náročnost a dlouhá doba návratnosti investic do těchto zařízení.

Pasivní využití sluneční energie

Jedná se vlastně o využití sl. en. vhodnou konstrukcí budov - přesně na jih orientovaná okna (střešní okna) atd. Dobré využití sl. en. lze zajistit u nové budovy již v projektu, kde tyto úpravy většinou neznamenají další vícenáklady a dosahované úspory jsou významné.

Hlavní zásady pro projektování domů, pro optimální využití sl. energie:

1. Přesná jižní orientace budovy - nikoli JV nebo JZ!!
2. Všechna okna pokud to jen lze směřovat na jih, u střešních oken je nutno zajistit odstínění sl. záření pro letní období.
3. Okna musí být přiměřené velikosti, zbytečně velká okna žádné úspory nepřinášejí.
4. Vyhnout se oknům na západ, která způsobují přehřívání budov v létě a jejichž energetický přínos v zimě je malý.
5. Neprojektovat zbytečně velký přesah sedlové střechy na jižní stranu budov (stínění i v zimním období)

Každý dům, jenž bude postaven podle těchto jednoduchých pěti zásad, bude mít bez dalších vícenákladů menší energetickou spotřebu.

Speciální budovy určené pro využití sluneční energie jsou např. u nás velice rozšířené skleníky a pařeniště sloužící k pěstování teplomilných druhů rostlin. Účinnost těchto staveb nejvíce ovlivňuje poměr jejich povrchu k zastavěné ploše. Proto je výhodné stavět tyto stavby co nejnižší, např. nízké prosklené stěny a sedlová prosklená střecha.
Další rodinou speciálních budov jsou solární skleníky určené k dosychání zavadlých rostlin v zemědělství. Avšak využití těchto staveb pouze na několik týdnů v roce je ekonomicky nevýhodné, proto také tyto stavby zatím nenašly širší uplatnění a zůstaly na bázi projektu nebo vzorových staveb.

Aktivní využití sluneční energie

Aktivní využití sluneční energie můžeme rozdělit na využítí tepelné energie a přímou přeměnu slunečního záření na elektrickou energii pomocí fotovoltaických kolektorů.
Vzhledem k současnému stavu techniky je cena fotovoltaických kolektorů na takové úrovni, že jejich využití k výrobě energie tam, kde existuje el. síť, je ekonomicky neúnosné. Proto se jimi nebudeme dále zabývat.

Tepelnou energii využíváme pomocí slunečních kolektorů, existují v zásadě dva typy: deskové kolektory a kolektory koncentrační. Popř. hybridní typy, které využívají částečně obou metod. Koncentrační kolektory jsou schopné efektivně využívat pouze přímé sluneční záření, jeden ze způsobů je využití lomů světla průchodem z různých prostředí, další způsob je použití zrcadel a čoček. Dále se používají různé fokusující kolektory parabolického typu, základem je parabolické zrcadlo nebo jiná reflexní plocha a přijímač koncentrovaného záření v ohnisku paraboly. Koncentrační kolektory jsou mnohem dražší než kolektory deskové, jejich výhodou je ovšem možnost získání tepla o daleko vyšší teplotě než je tomu u deskových kolektorů, parabolické typy dokáží vyvinout teplotu až několik tisíc stupňů Celsia. Umožňují tak využít sluneční energii pro technologické procesy. Právě pomocí parabolického kolektoru byl již na konci 19. stol. poháněn parní stroj.

Deskové kolektory

Jsou v podstatě jediné kolektory, které se u nás v praxi používají. Fungují velice jednoduše a to na principu skleníkového efektu. Základem kolektoru je zasklený rám s dutým absorbérem tepla. Sluneční záření projde krycím sklem a je absorbováno černou plochou (absorbérem) z mědi, hliníku nebo umělé hmoty, díky vlastnostem skla nedojde již k jeho opětovnému vyzáření do prostoru. Pro zmenšení tepelných ztrát je kolektor ze spodní části izolován.
V absorbéru proudí teplonosná látka, může to být kapalina (voda nebo nemrznoucí směs) nebo i obyčejný vzduch - podle toho dělíme deskové kolektory na kapalinové a vzduchové. Účinnost těchto kolektorů se během roku pohybuje od 80 a více procent. Praktická účinnost však závisí na rozdílu teplot teplonosné látky a teploty vzduchu, protože kolektor se stává teplejším než okolní prostředí a část tepla vyzáří bez užitku zpět do okolí. Čím nižší teplotu teplonosné látky vyžadujeme, tím více energie kolektor získá.
Existuje speciální typ deskového kolektoru - vakuový kolektor, který do určité míry kompenzuje tyto ztráty a je primárně určen pro přitápění v zimním období, avšak vzhledem k jeho ceně se jedná opět o nenávratnou investici.

Jak již bylo řečeno na začátku, cca 75% energie slunečního záření dopadá v ČR za 150 dnů mimo topné období a jen 25% energie připadá pro 215 dní topného období. Je pravda, že solárními systémy lze přitápět do nízkopotenciálního topení, ale už z těchto počtů je zcela logické, že solární systémy z profesionálních dílů se po dobu své životnosti nezaplatí.
Výjimku tvoří vzduchové kolektory instalované např. v rekreačních objektech sloužící k temperování. Prakticky je u nás z ekonomického hlediska možno použít sol. energii jen pro ohřev teplé užitkové vody. Proto se dále budeme zabývat pouze těmito systémy.

Solární soustavy pro ohřev TUV

Hlavní součástí solárních soustav jsou sluneční kolektory sloužící jako zdroj tepla a solární zásobník, v kterém se ohřívá TUV a který slouží zároveň jako akumulátor tepla, ve většině případů se jedná o bojler s topným hadem (měděný trubkový výměník). Systém je tedy dvouokruhový, a proto je možné jej používat celoročně.
Jednookruhové systémy bez výměníku, kdy v kolektorech proudí přímo ohřívaná voda, se pro ohřev TUV používají jen zřídka, pro svou nevýhodu každoročního vypouštění a napouštění (setkáte se s nimi u ohřevu bazénů...)

Podle způsobu zapojení rozdělujeme systémy na samotížné a systémy s nuceným oběhem.

Samotížné soustavy

Používají se pro menší a střední systémy pro ohřev max. 400 l TUV denně.

Podmínkou funkce těchto soustav je umístění zásobníku TUV nad sluneční kolektory tak, aby výškový rozdíl mezi zásobníkem a horní hranou kolektorů byl alespoň 80 cm.
Prakticky systém funguje stejně jako samotížné topení, kolektory představují kotel a zásobník TUV radiátor. Průměry potrubí lze spočítat podle stejných vzorců jako pro samotížné topení (ale s konst. pro viskozitu nemrznoucí směsi), silnější potrubí nevadí. Prakticky stačí průměry jmenovité světlosti max. 20 (3/4) nebo 15 (1/2) u menších soustav. Tomu odpovídají vnější průměry měděných trubek - 22 a 18 mm.
Sluneční kolektory musí být také vhodné konstrukce pro samotížnou soustavu. Nehodí se kolektory s měděným hadem. Významnější firmy vyrábí sol. kolektory určené do samotížných soustav. V tuzemsku např. fir. Ekosolaris vyrábí kolektory vhodné jak pro nucený oběh tak pro samotíž. Z dovozu např. kolektory Heliostar jsou vyráběny buďto pro nucený oběh nebo pro samotížné soustavy - v tomto případě musíme tedy použít zvláštní typ (jeho cena není vyšší). Pro zmenšení ztrát třením se kolektory zapojují vždy paralelně.

Hlavní výhodou samotížné soustavy je jednoduchost, není potřeba regulace ani oběhové čerpadlo. Soustava není závislá na dodávkách el. energie. Prakticky stačí pospojovat kolektory a připájet je dvěma trubkami k sol. zásobníku (pokud je použita měď). Na nejvyšší místo okruhu zapojíme odvzdušňovací ventil, dále do systému vřadíme expanzní nádobu, napouštěcí a pojistný ventil, tím je systém hotov.
Jelikož systém nemá žádné aktivní prvky, je vysoce spolehlivý a bezporuchový. Pokud jsou komponenty kvalitní - nerezový zásobník, kolektory z ušlechtilých kovů, měděné potrubí, bude jeho životnost mnoho desítek let.

Hlavní nevýhodou gravitačních soustav je nutnost instalovat sol. zásobník výše než kolektory, což omezuje množství aplikací. Systém také není tak účinný, protože směs proudí pomaleji než v soustavách s nuceným oběhem, což se projeví sníženou účinností v zimě nebo při špatném počasí, zase na druhou stranu není třeba žádná energie k pohonu oběhového čerpadla.

Soustavy s nuceným oběhem

Obsahují navíc oběhové čerpadlo, regulaci a zpětnou klapku, která zamezuje zpětnému proudění.

Jejich cena je sice vyšší než cena samotížných soustav, avšak mají oproti samotížným soustavám vyšší celkovou účinnost a umožňují velkou variabilitu připojení a umístění jednotlivých komponent soustavy.

Návratnost investic do solárních soustav

Solární soustava je investice jako každá jiná, její návratnost si může každý spočítat sám dle následujícího příkladu:

Vezmeme tedy následující příklad, rodina s průměrnou denní spotřebou 150 l 65 °C teplé vody.

Energetická náročnost ohřevu:
Množství vody ... 150 l
voda - měrné teplo cca 4,2 kJ/°C/l
Výchozí tepota ... 10°C
Požadovaná teplota ... 65°C

W = (65-10) x 4,2 x 150
W = 34650 kJ
Převod na kWh: 1kWh = 3600 kJ, W = 9,625 kWh

Spotřeba za rok ..... 3513 kWh
Cena ohřevu při sazbě 0,92 Kč/kWh .... 3232 Kč

Solární systémy jsou v našich podmínkách schopny nahradit nejvíce kolem 65% energie, takže pro výše uvedený příklad by přicházela reálná úspora asi 2100 Kč ročně.

Z tohoto jednoduchého výpočtu je jasně vidět problém návratnosti investic do profesionálních solárních systémů.

Jednou z možností rychlejší návratnosti investic je samovýroba některých částí solárních soustav, např. kolektorů. Proto dále popíši dva příklady realizace takovéto soustavy.

1) jednookruhový systém připojený ke stávajícímu kombinovanému bojleru.

Mnoho lidí vlastní kombinovaný bojler, v topném období je voda ohřívána kotlem např. plynovým nebo na tuhá paliva, v letním období se pak voda ohřívá elektricky.
V takovémto zapojení lze s výhodou použít jednookruhový solární systém, který zajistí velkou část potřebné energie k ohřevu TUV mimo topnou sezónu.
Na podzim před příchodem prvních mrazů se systém vypustí.
Jelikož je umístění bojleru stávající, bude popsán systém s nuceným oběhem.

Součásti sol. systému

1) stávající bojler
2) 4 ks kulové kohouty (dva stávající)
3) oběhové čerpadlo
4) solární kolektory
5) regulace + čidla
6) zpětná klapka
7) napouštěcí (vypouštěcí) ventil
8) odvzdušňovací ventil
9) přetlakový ventil
10) expanzní nádoba

Původní zapojení bojleru do topného systému

Toto je typické původní zapojení stávajícího bojleru.
Bojler je umístněn výše než kotel a je připojen silným potrubím,
které je uzavíratelné kulovými kohouty, voda proudí samotížně.

Zapojení se sol. systémem

Při montáži je nutné zajistit rovnoměrný průtok všemi kolektory, toto dosáhneme stejně dlouhými rozvody v paralelně zapojených větvích, jak je vidět ze schématu. Pokud je to jen trochu možné, zásadně zapojujeme kolektory paralelně - značně tím snižujeme hydraulické ztráty a tím i příkon oběhového čerpadla.

Soustava musí být propojena tak, aby šla bez problémů vypustit vypouštěcím ventilem, který umístíme do nejníže položeného bodu soustavy. Odvzdušňovací ventil musí být naopak v nejvyšším bodě soustavy.

Návrh oběhového čerpadla :

Při návrhu oběhového čerpadla vycházíme z jednoduché úvahy:
- i když je systém tlakový, nesmí teplota vody v kolektorech přesáhnout 100°C
- voda v bojleru může dosahovat teploty až 70°C
- dále je tu ještě přestup mezi výměníkem cca 10°C
- kolektory mohou topnou vodu při svém výkonu ohřát o max. 20°C

výkon kolektorů
Maximální výkon podomácku dělaných kolektorů bude menší než 800 W/m². Pokud bude voda v zásobníku mít již kolem 60°C, jejich výkon bude klesat, jeho klesání bude záležet na kvalitě kolektorů, ale u našich kolektorů lze počítat asi s 50% výkonu, jinak se musíme držet údajů výrobce. Nejmenší možné čerpadlo použitelné pro tuto aplikaci bude právě to, které za hodinu přečerpá tolik vody, kolik jsou kolektory schopny ohřát o 20°C.

Příklad:
Navrhněte nejmenší možné oběhové čerpadlo pro solární systém pro ohřev 200 litrů TUV, kolektorová plocha je 6 m².
Maximální výkon při vysokých teplotách
800 x 6 x 0.5 = 2400 Wh
k ohřátí jednoho litru vody o 20°C je zapotřebí 23,33 W
čerpadlo tedy musí přečerpat minimálně
2400 : 23,33 = 103 litrů vody za hodinu

Z tabulek na TZB určíme tlakové ztráty v přípojném potrubí i v kolektorech, pokud ty jsou řazeny paralelně, je třeba počítat s menším průtokem, z údajů výrobce spočítáme odpor dvouplášťového bojleru.
Podle těchto údajů každý seriózní výrobce navrhne vhodný typ oběhového čerpadla. Pokud čerpadlo mírně předimenzujeme, cca o 30%, dosáhneme lepšího výkonu kolektorů hlavně při dobrém počasí (který ale často nevyužijete), velké předimenzování bude mít za následek časté spínání čerpadla, vysoké hydraulické ztráty a tím i zvýšenou spotřebu el. energie.

Regulace
Pro ovládání spínání oběhového čerpadla bude použita dvoučidlová regulace sloužící k regulaci solárních systémů.

Samovýroba regulace
Pasáž o regulaci se hodí spíše pro elektroniky.
Pro ohřev TUV stačí dvoučidlová regulace, jedno čidlo měří teplotu vody hned na výstupní trubce z kolektorů - co nejblíže kolektorů, druhé čidlo měří teplotu topné vody vystupující z výměníku bojleru (vratné vody - čidlo umístěte co nejblíže bojleru). Pokud výkon kolektorů poklesne, sníží se i rozdíl mezi teplotou vody vycházející z kolektorů a teplotou ochlazené vody vycházející z výměníku bojleru. Pokud jsme v naší soustavě dimenzovali oběhové čerpadlo přesně podle výpočtu, bude při studeném bojleru rozdíl mezi vstupní a výstupní vodou z kolektorů maximálně 40°C (4800 W). Doporučuji nastavit vypnutí čerpadla, když rozdíl teplot mezi vstupem a výstupem bude menší než 4°C, a hysterezi komparátoru nastavit tak, aby čerpadlo opět zapnulo, až stoupne teplota teď již neproudící vody v kolektorech alespoň o 10°C proti vodě vycházející z výměníku bojleru. Regulaci lze vyřešit analogově s op. zesilovači a její konstrukci zvládne podle tohoto zadání každý středně pokročilý elektronik. Všem ostatním doporučuji regulaci zakoupit.

Kolektory
Kolektory se skládají z železného rámu přikrytého sklem - nejlépe tvrzeným o tloušťce 4 mm. V rámu je had z černé PE hadice průměru 3 nebo 1, had se musí vinout horizontálně, se zachováním spádu do vstupu kolektoru, jinak by systém nešel vypustit. Délka hadice by měla být co největší, ale taková, aby se jednotlivé díly nepřekrývaly. Ve všech kolektorech musí být hadice stejné délky!!!!! Ze spodní strany je nutno kolektor zaizolovat nejlépe slabým 3 cm pěnovým polystyrenem (více neuškodí, ale vzroste tloušťka kolektorů). Ideální materiál pro rám kolektoru je plast nebo lehké slitiny, ale vzhledem k ceně je možno použít i železo, v takovém případě doporučuji všechny svařené kovové díly řádně ochránit proti korozi eloxováním.
Kolektory je nejvhodnější zavěsit na vodovodní pozinkované trubky tloušťky 3/4, které se pak uchytí ke krokvím.

Plocha jednotlivých kolektorů by neměla přesáhnout 1,5 m².

2) realizace samotížné soustavy

Předpokládáme zapojení kolektorů a nového solárního bojleru umístěného nad kolektory. Vzhledem k tomu, že sol. zásobník již obsahuje výměník tepla a systém je tedy dvouokruhový, doporučuji napustit systém nemrznoucí směsí a používat jej celoročně.

Systém obsahuje
1) sol. zásobník
2) sol. kolektory
3) napouštěcí, vypouštěcí ventil
4) odvzdušňovací ventil
5) přetlakový ventil
6) expanzní nádoba

Zapojení samotížného sol. systému

Systém je velice jednoduchý a nepotřebuje údržbu ani regulaci.
Pokud jsou kolektory konstruovány svépomocí, doporučuji použít hadici se jmenovitou světlostí 1, profesionální kolektory určené pro samotížný oběh mívají několik paralelně spojených větví, tím je dosaženo menších průměrů trubek při stejných hydraulických ztrátách, což vede ke snížení množství nemrznoucí směsi v kolektoru.
Při špatném počasí je nutno počítat se zhoršenou účinností systému, avšak v absolutní hodnotě během celoročního provozu není rozdíl mezi soustavami s nuceným oběhem a samotížnými soustavami veliký.

Poznámka redakce:
Autor se vzdává nároku na honorář.