Přímé sluneční záření může sloužit jak pro výrobu tepla, tak pro výrobu elektřiny. V posledních letech se počet solárních systémů pro přípravu teplé vody (tzv. fototermické systémy) i díky dotačním programům výrazně zvýšil. Také počet a plocha solárních systémů pro přímou přeměnu slunečního záření na elektřinu (tzv. fotovoltaika) doznaly velmi razantního zvýšení. V této oblasti byla hlavním motivem státní politika garantovaných výkupních cen elektřiny z obnovitelných zdrojů, která však díky nekontrolovatelnosti a jistému zneužítí negativně dopadla na konečnou cenu elektřiny a v konečném důsledku na snižování konkurenceschopnosti tuzemských firem s energeticky náročnou výrobou.
My se však budeme dále zabývat oblastí využití sluneční energii v malém měřítku na úrovni rodinného, případně bytového domu či malé firmy (provozovny), a to pro přípravu teplé vody.
Tím jsme samozřejmě ani vzdáleně nevyčerpali všechny aspekty jak na straně výhod a přínosů, tak na straně nevýhod a možných ohrožení či komplikací. V každém případě se domníváme, že cesta využívání obnovitelné energie v podobě slunečního záření je cestou správnou a do budoucna velmi perspektivní. Zatím se jedná o zdroj, který nám příroda poskytuje zdarma.
Při využití sluneční energie v praxi se musíme vyrovnat jak globálně, tak lokálně, s určitými problémy, které ne vždy jsou řešitelné. Proto se také aplikace techniky na využití slunečního záření nehodí do všech míst, na všechny stavby a všechny aplikace. A znovu se dostáváme k nutnosti pečlivého a reálného posouzení aplikace v konkrétním místě, stavbě, provozních podmínkách apod.
Základní problémy při využívání slunečního záření pro energetické účely:
Zatím jsme se však nezmínili o jednom velmi efektivním a přínosném způsobu energetického využití slunečního záření, které je možné aplikovat na většinu objektů nejen v sektoru bydlení. Máme na mysli využití slunečního záření pro pasivní vytápění objektů v přechodných měsících roku. O co se vlastně jedná?
Potenciál a možnosti využití slunečního záření a jeho efektivitu můžeme významně ovlivnit v průběhu přípravy, návrhu, realizace i provozu nejrůznějších objektů a staveb.
V čem spočívá princip pasivního využití sluneční energie pro vytápění či temperování staveb? Princip je zobrazen na následujícím obrázku.
Základní myšlenka je velmi jednoduchá. V době, kdy je to žádoucí, zajistit co největší oslunění interiéru objektu tak, aby energie, která projde oknem v podobě viditelného světla se v objektu transformovala na dlouhovlnější (tepelné) záření, dále ohřívala povrchy a objekty v místnosti a zpět do místnosti vyzařovala záření tepelné. Viditelné světlo je pohlceno povrchem, který ohřeje. Ohřáté těleso pak do prostoru interiéru vyzařuje tepelné (infračervené) záření. Pokud máme dobře zvolené výplně stavebních otvorů (tedy hlavně okna - skla), zabrání vyzáření tohoto tepelného záření přes skla oken do venkovního prostoru. Tepelné záření tak zůstává v místnosti, kterou ohřívá.
Pokud je interiér daného objektu či místnosti dobře navržen s ohledem na co největší pasivní zisky, obsahuje obvykle akumulační hmoty (nějaká tělesa z větší měrnou tepelnou kapacitou a dobrou pohltivostí viditelného záření). K zabránění zpětného vyzařování tepelného záření do venkovního prostoru, se používají speciální (dnes už běžně dostupná) skla, která obvykle mají na vnějším povrchu vnitřního skla mikroskopickou vrstvu oxidu kovů, která pro tepelné záření funguje jako zrcadlo. Viditelné světlo (s určitými ztrátami) propustí dovnitř, ale tepelné záření již nepustí ven. Jak jednoduché!
V praxi je samozřejmě nutné zvažovat a pracovat s celou řadou dalších vlastností interiérů, orientací staveb, velikostí prosklenných ploch, přítomností a rozmístěním akumulačních hmot v místnosti apod. V případě bohatšího prosklení objektu či místností musíme také vždy předem pamatovat na to, že je nezbytně nutné v letních měsících zajistit, aby se díky velkorysému prosklení fasády nedostávalo dovnitř až příliš slunečního záření, které by interiér nežádoucím způsobem a velmi rychle ohřálo na velmi vysoké teploty. To je možné zajistit vhodným návrhem celé stavby, terasami, slunolamy, venkovními roletami apod.
Závěrem ještě jedna historická poznámka k pasivnímu využívání sluneční energie v minulosti. Už naši předkové dokázali velmi efektivně sluneční energii pasivně využívat. Vzpomeňme si například na velmi jednoduchou, ale účinnou metodu konzervace potravin (či krmiva pro dobytek) prostým sušením na slunci (sušené ovoce, maso, ryby, seno pro dobytek, obilí apod.). Hospodyňky by možná ještě dodaly jedno využití přímého slunečního záření (především krátkovlnější části viditelného spektra) při bělení prádla přírodním způsobem venku na slunci.
Pro aktivní využívání energie přímého slunečního záření potřebujeme nějaké dodatečné zařízení, které bude sluneční záření absorbovat a nějak dále přeměňovat, zpracovávat, transportovat, akumulovat, distribuovat apod.
Do této oblasti spadá celá řada zařízení jak na přípravu teplé vody či přitápění (fototermické kolektory), tak na přímou přeměnu slunečního záření na elektřinu (fotovoltaické panely) díky tzv. fotoefektu. V posledních několika letech se počet obojího zařízení výrazně zvýšil a proto není problém se s nimi při cestách setkat. Fototermické systémy se používají především v menších soustavách pro přípravu teplé vody (případně přitápění či dohřev vody v bazénech), a to jak v rodinných domech, bytových domech, objektech občanské vybavenosti, tak menších firmách a provozovnách. Naopak fotovoltaické systémy byly a jsou v posledních letech budovány jako samostatná, někdy velmi rozlehlá zařízení ve vlastnictví firem za účelem dosažení zisku (díky garantovaným výkupním cenám elektřiny z těchto zdrojů). V posledních letech se však s fotovoltaickými systémy setkáváme už občas i na střechách rodinných domů či menších provozoven.
V našem dalším popisu se budeme věnovat téměř výhradně fototermickým systémům a informace k fotovoltaickým systémům ponecháme specializovaným internetovým stránkám. Jak už jsme si několikrát uváděli, fototermické systém slouží pro přípravu teplé vody, přitápění objektů či předehřev či ohřev vody v bazénech. Obvykle známe systémy využívající pro přenost tepla od kolektorů k akumulačnímu zásobníku kapalinu, ale existují také vzduchové fototermické kolektory, z nichž vystupuje přímo ohřátý vzduch, který je dále používán (pro přitápění v objektu, sušení apod.).
Princip systému fototermických kolektorů pro přípravu teplé vody je relativně velmi jednoduchý. Pro ty z vás , kteří jste se s tí zatím nesetkali nebo se tím nezabývali se pokusíme zařízení stručně popsat.
Systém má tři základní části, které by měly být vzájemně optimalizovány při návrhu systému. Jedná se o část samotných (1) fototermických kolektorů, které jsou umístěny tak, aby byly co nejvíce v průběhu dne i roku osluněny (azimut, sklon vůči rovině). Kolektory jsou vybaveny absorpční vrstvou, která zajišťuje co největší absorpci slunečního záření a jeho přeměnu na teplo, které předává teplonosné kapalině v primárním okruhu systému.
Primární okruh teplonosné kapaliny (pro celoroční provoz obvykle nemrznoucí) přivádí kapalinu z kolektorů do (2) akumulační nádrže (zásobníku), kde ve výměníku předává teplo získané v kolektoru vodě v zásobníku. Ze zásobníku je pak teplá (či předehřátá) voda rozvedena do místa spotřeby (případně až po dohřevu jiným zdrojem, pokud solární ohřev nestačí dosáhnou požadované teploty). K tomu aby to fungovalo je kromě rozvodů teplonosné látky mezi kolektorem a zásobníkem potřeba také (3) řídící jednotka (regulátor) s čidly a čerpadlo, zajišťující dostatečný oběh teplonosné látky mezi kolektorem a výměníkem v zásobníku.
Jak to celé funguje? Opravdu jednoduše. Zásobník na teplou vodu je v praxi obvykle bivalentní (případně multivalentní), což znamená, že teplo pro ohřev vody je možné dodávat ze dvou (případně více) zdrojů tepla. Zásobník na výše uvedeném obrázku je zobrazen pouze s možností ohřevu z kolektorů.
Uvnitř takového zásobníku je tzv. výměník, tedy zažízení zajišťující předání tepla z jedné kapaliny do druhé prostřednictvím tzv. teplosměnných ploch. Ty jsou důležité, protože jejich celková plocha by měla být nadimenzována tak, aby byla schopna přenést výkon fototermických kolektorů do zásobníku a celý jeho objem ohřát na požadovanou teplotu (v případě daných podmínek - délka slunečního svitu apod.).
Primární okruh z trubek spojuje absorpční plochy a výměníky v kolektorech (obvykle někde na střeše) s výměníkem tepla umístěným v zásobníku (v koupelně, provozní místnosti, sklepě apod.). Oběh kapaliny zajišťuje zabudované čerpadlo, které je napojeno na regulaci, řídící jednotku celého systému.
Pokud na sluneční kolektory nesvítí sluníčko, nic se neděje. Jakmile však sluníčko na kolektory (jejich absorpční plochy) zasvítí, velmi rychle se začne zvyšovat jejich teplota. Teplotu v kolektorech však hlídá jedno z čidel napojených na řídící jednotku (regulaci). Druhé čidlo je umístěno v zásobníku a hlídá teplotu připravované vody. Jakmile regulace zjistí, že teplota v kolektorech je vyšší než teplota v zásobníku o danou (obvykle nastavitelou) hodnotu, zapne se čerpadlo primárního okruhu. Čerpadlo zajistí oběh ohřáté vody z fototermického kolektoru do zásobníků, kde se ve výměníku ochladí a je hnáno zpět do kolektoru... a tak pořád dokola. Jakmile regulace zjistí, že je rozdíl teplot mezi kolektorem a zásobníkem menší než nastavená teplota, čerpadlo se vypne. Nemá smysl zajišťovat oběh kapaliny v primárním okruhu, když již nedochází k přenosu tepla z kolektorů do zásobníku.
Ze zásobníku pak vedou obvykle dvě trubky. Přívod studené vody pro ohřev na teplou vodu a výtok teplé vody do rozvodů teplé vody v objektu.
Jak vypadá kontrukce fototermického kolektoru vidíme na obrázku vlevo. Jedná se o řez standardním plochým kolektorem. Kolektor je tvořen pevnou plytkou vanou (rámem), obvykle z kovu, která je na spodní straně vybavena tepelnou izolací. Horní část vany kolektoru je kryta sklem přes které do kolektoru proniká sluneční záření.
V prostoru vany kolektoru mezi tepelnou izolací a sklem je umístěna deska absorbéru, která je na zadní straně vybavena obvykle naletovanými trubicemi, v nichž proudí teplosměnná látka. Tato kapalina pak odnímá kolektoru teplo a díky čerpadlu jej přenáší do výměníku umístěném v zásobníku na teplou vodu.
Samozřejmě tím by neměl náš stručný výčet končit, ale další věci necháme na specializovaných serverech a organizacích.
Přehled vybraných typů, případně jejich variací a aplikací najdete v obrazové podobě níže. Výčet ani popis kolektorů samozřejmě není vyčerpávající a zcela by přeshoval rozsah a účel těchto webových stránek.
Ukázka jednoduchého plochého absorbéru na společné konstrukci se zásobníkem.
Klasické ploché nevakuované kolektory na střeše rodinného domu.
Ploché kolektory na venkovní konstrukci mimo půdorys objektu.
Ukázka trubicových kolektorů na jednom z veletrhů.
Ukázka trubicových kolektorů na modelu střechy objektu.
Jiná varianta trubicových kolektorů pro umístění jak na šikmé, tak na ploché střechy.
Zvláštní typ trubicových kolektorů vhodný na střechy, kde nesmí být kolektory vidět (např. památkově chráněné objekty).
Touto malou fotogalerií jsme samozřejmě ani zdaleka nevyčerpali možné varianty konstrukce a rozměrů fototermických solárních kolektorů.
V nejrůznějších materiálech a propagačních podkladech dodavatelských firem najdeme mnohdy neuvěřitelná čísla o návratnosti nabízených solárních systémů. Každý soudný člověk je schopen si alespoń přibližně návratnost těchto systémů propočítat.
Zpracovali jsme podrobné technicko-ekonomické modely solárních fototermických systémů, ale pro tyto stránky by se jednalo o zbytečně náročný materiál, a tak jsme se raději rozhodli zveřejnit výsledky ojedinělého měření v reálných provozních podmínkách. Měření probíhá nepřetržitě už po dobu 10 let. Jedná se o monitorování spotřeby teplé vody z fototermického solárního systému umístěného na rodinném domě.
Jedná se o relativně malý a velmi jednoduchý systém, který se skládá ze dvou plochých nevakuovaných panelů, zásobníků na teplou vodu o objemu 200 litrů a dalšího nezbytného příslušenství (rozvody, řídící jednotka s čerpadlem). Jak systém vypadá je uvedeno na následujícím obrázku.
Měření probíhá tak, že je každodenně odečítána hodnota teploty vody v zásobníku ve dvou místech. Zásobník je bivalentní, takže horních cca 100 litrů může být nezávisle dohřáto pomocí kotle na zemní plyn (typ výměníku - dvouplášť), ve spodní části zásobníku je umístěn výměník (vlnovec) ze solárního systému. Solární systém tak nahřívá (předehřívá celý objem zásobníku), zemní plyn dohřívá je horních 100 litrů vody.
Teploty vody jsou měřeny dvakrát denně, a to ráno (před zahájením solárního ohřevu) a odpoledne či večer pro skončení nahřívání pomocí solárního systému. Neměříme tedy standardním způsobem (klasickým měřícím zařízením, které měří teplotu vstupní a výstupní kapaliny a její průtok). Jsme si vědomi určitých omezení a možných chyb měření, které jsou však relativně zanedbatelné. Z praxe se domníváme, že skutečná spotřeba tepla ze systému je mírně vyšší než ta vypočtená.
Naměřené a vypočtené hodnoty jsou denní a jsou kumulovány do měsíčních sum, které jsou vynesené na níže uvedeném grafu. Na vodorovné ose je čas v měsících od března 2003, kdy byl systém nainstalován až do konce roku 2012. Na svislé ose je uvedena spotřeba (pozor nikoliv výkon systému) v kWh za měsíc. Graf velmi pěkně dokládá roční variace dané ročním obdobím a s tím související výškou Slunce nad obzorem a oblačností. Z pohledu jednotlivých let jsou roční průběhy velmi podobné. Určitého rozdílu si můžete všimnout v letech 2009 a dále (poslední 4 roky). Roční průběh vypadá trochu jinak. Je to způsobeno faktem, že daný rodinný dům už neobývaly jen dvě osoby, ale čtyři osoby, čímž se zvýšilo využití teplé vody připravené ze solárního systémů v jarních a podzimních měsících.
Jak už jsme uváděli, jedná se o spotřebu tepla pro přípravu teplé vody ze solárního systému, takže zde nejsou obsaženy všechny ztráty, které systém za normálních okolností má. Pokud bychom to tedy chtěli přepočítat na výrobu tepla (nikoliv spotřebu), bylo by nutné uvedené hodnoty zvýšit o 8-12 %.
V ročním vyjádření byla z měřeného fototermického solárního systému spotřebována každý rok energie v hodnotě přibližně 1 MWh (1 000 kWh), tedy 3,6 GJ ročně. Při přepočtu na náklady ohřevu z jiných paliv (zemního plynu) docházíme k úspoře za deset let provozu kolem 15 000 Kč (bez započtení elektřiny pro pohon čerpadla primárního okruhu).
Na závěr kapitoly zveřejňujeme podle našeho názoru přehledný a užitečný souhrn základních faktů k problematice využívání sluneční energie v podobě vzdělávácí tabule. Tabule byla zhotovena pro potřeby střední průsmyslové školy stavební společností Regionální energetické centrum, o.p.s.
Informační tabuli ve větším rozlišení si můžete stáhnout (jpg, 476 kB).
Přednáška "Zpráva o zatmění Slunce 21. srpna"
16. 10. 2017, 19:00 hodin, Zlín
12.10.22
Částečné zatmění Slunce nastane 25. října 2022 Začátek astronomického úkazu (první kontakt) v 11:14:58 SELČ Hvězdárna bude pro veřejnost otevřena od 11:00 do 14:00 hodiny.
16.02.22
Dne 11. února 2022 nás navždy opustil ve věku 73 let náš kamarád a kolega pan František Zloch, dlouholetý aktivní pozorovatel projevů sluneční aktivity na Astronomickém ústavu AV ČR v Ondřejově a popularizátor nejen astronomie.
10.02.22
Již dva roky (od prosince 2019) je v činnosti sluneční cyklus s pořadovým číslem 25. Jak to vypadá po srovnání lednových údajů s počty slunečních skvrn a co nás může čekat v budoucnu?