Solárne zariadenia, ich využitie a úspory.

Skladba zariadení so solárnymi kolektormi

Solárne zariadenia pozostávajú z jednotlivých častí: slnečný kolektor, tepelný zásobník a solárny okruh (systém na prenos tepla so všetkými prvkami).

Solárny kolektor je zariadenie, ktoré premieňa dopadajúce slnečné žiarenie na teplo. Samotná premena prebieha v absorbéry (ústredný prvok kolektora). Teplo sa a prenáša do teplonosného média (napr. voda, vzduch apod.), aby mohlo byť transportované k miestu spotreby. Existuje mnoho spôsobov a konštrukcií, ktoré sú vhodné pre rôzne použitia. Hlavný dôraz sa kladie popri účinnosti na životnosť tzn., že použité materiáli musia byť odolné voči poveternostným vplyvom a UV-žiareniu. Solárny kolektor musí byť inštalovaný tak, aby prijímal čo najviac slnečného žiarenia, teda predovšetkým na južných nezatienených strechách, alebo iných oslnených miestach.

Tepelný zásobník má za úlohu vyrovnávať prirodzené kolísanie dodávok slnečnej energie. Je navrhnutý na požadované využitie slnečnej energie. Používajú sa rôzne konštrukcie, ktoré sa líšia podľa fyzikálnych vlastností (beztlakový, tlakový, zásobník latentného tepla atď.), druhu použitého média (vodný, štrkový atď.), konštrukčného materiálu (oceľový plastový), účelu použitia (zásobník pitnej vody, vyrovnávací zásobník apod.). Použité materiály musia vykazovať dobrú tepelnú odolnosť a životnosť najmenej 20 rokov.

Solárny okruh slúži k tomu, aby teplo produkované z kolektora bolo transportované do zásobníka, resp. k priamej spotrebe a to prečerpávaním teplonosného média (vody ,iných kvapalín, prípadne vzduchu). Teplonosné médium sa v kolektore ohreje a v zásobníku (resp. v spotrebiči) sa následne ochladí, teda odovzdá prijaté teplo. K systému prenosu tepla patria takisto aj typizované potrubia, ventily, poistné zariadenia, prípadne čerpadlá, riadiace jednotky, tepelný výmenník atď.

Predstavme si bližšie solárne kolektory a absorbéry. Nasledujúca schéma ukazuje rozdelenie kolektorov podľa druhu.

Absorbéry z umelej hmoty na ohrev bazénovej vody

Už z ich názvu je zrejmé, že hlavnou oblasťou ich využitia je ohrev vody v súkromných a verejných bazénoch v letnom období. Pozostávajú spravidla len z čierneho absorbéru, bez skrine chrániacej pred únikom tepla a bez krytu. Týmto je konštrukcia jednoduchá a cenovo priaznivá. Sú inštalované na ploché, poprípade mierne šikmé strechy. Pretože bazénové absorbéry sú z nehrdzavejúceho materiálu, môžu sa využívať v jednookruhových systémoch, kde chlórovaná voda z bazénu poháňaná obehovým čerpadlom preteká priamo absorbérom – nie je teda potrebné oddeliť solárny okruh od skutočne využívanej vody. Ak je k dispozícii filtračné čerpadlo, môže byť použité i pre solárny okruh. Pred príchodom mrazov ich je potrebné vyprázdniť. Absorpčná plocha by mala byť 50-100 % z povrchu bazénov.

Ploché kolektory

Na ohrev vody a v rastúcej miere i na účely podpory vykurovania sa využívajú v prevážnej miere ploché kolektory. Plochý kolektor sa skladá z plášťa kolektora (väčšinou v podobe hliníkovej vane), absorbéra, tepelne odolnej izolácie s hrúbkou 40-70 mm z minerálnej vlny a priehľadného krytu. Absorbér býva vyrobený z medeného alebo hliníkového plechu so solárnym lakom alebo selekčnou povrchovou vrstvou, vďaka ktorej takmer úplne premieňa slnečné žiarenie na teplo. Používané sklo je chudobné na železo a odolné voči krupobitiu. Slnečné žiarenie prechádza krycím sklom a dopadá na absorbér, v ktorom dochádza k premene energie žiarenia na tepelnú energiu teplonosnej kvapaliny. Bežne dostupné kolektory vykazujú priemerne 60% účinnosť, zatiaľ čo pri súčasnom stave technického vývoja fotovoltaických článkov sa ich účinnosť pohybuje medzi 11% - 13%. Pre inštalácie slnečných kolektorov sa štandardne používa sklon 45°, kedy je využitie intenzity slnečného žiarenia najvyššie. Ploché kolektory sa používajú pre prípravu teplej vody a pre vykurovanie priestorov.

Vákuové kolektory

Vákuové kolektory bývajú väčšinou z výrobno-technických dôvodov prevedené vo forme radu trubíc. Úzky pás absorbéra pokrytý selektívnou vrstvou zvyšujúcou absorbčnú schopnosť je zavesený v sklenej trubici, ktorá nepohlcuje takmer nijaké žiarenie a je tepelne odolná. Tepelné straty sú podstatne redukované pomocou vákua vzniknutého odsatím vzduchu z priestoru medzi absorbérom a sklenenou trubicou. Vákuum zamedzuje vedeniu tepla čiže tepelným stratám prúdením (konvekciou) a tiež stratám spôsobeným tepelnou vodivosťou vzduchu. Vďaka vákuu dosahujú vyššiu účinnosť a vyššie teploty, na druhej strane sú náročnejšie na výrobu a udržanie vákua, a teda aj drahšie.

Koncentrujúce kolektory

Koncentrujúce kolektory sústreďujú priame slnečné žiarenie pomocou válcových, väčšinou parabolických zrkadiel na potrubie alebo pomocou kruhových zrkadiel do jedného ohniska, čím sa dajú dosiahnuť značne vysoké teploty. Takéto kolektory sa používajú najmä v solárnych elektrárňach na ohrev pracovnej látky na vysokú teplotu (250 až 800°C). Využitie nachádzajú najmä v priemysle a v rozvojových krajinách. Medzi nevýhody koncentrujúcich kolektorov patrí skutočnosť, že nevedia zvýšiť hustotu toku rozptýleného (difúzneho) žiarenia a teda okrem slnečného jasného počasia sú ich zisky zanedbateľné. K tomu sa pridáva nákladné natáčanie zrkadiel za slnkom, aby bolo zariadenie sústredené na absorbér.

Možnosti využitia

Solárny systém aktívne využíva slnečnú energiu a transformuje ju na tepelnú energiu. Najpriaznivejšie podmienky pre solárne zariadenia sú vtedy, keď sa časovo zhodujú ponuka slnečnej energie a dopyt užívateľa po nej. Solárne sústavy môžu byť uplatnené pre:

- ohrev vody v bazénoch, najmä nekrytých

- ohrev teplej vody v letnom a prechodnom období, resp. predhrievanie v zime

- vykurovanie, najčastejšie vodou, menej vzduchom ( v prechodnom období a v zime)

- temperovanie výrobných a skladových hál vzduchovými kolektormi

- výroba procesného tepla pre priemyselné využitie

- (solárne) varenie

- (solárne) sušenie, napr. potravín alebo sena

- destilácia (napr. odsoľovanie morskej vody)

Hlavná oblasť využitia pokrýva prvé tri body.

Ohrev bazénovej vody

Pri ohreve bazénovej vody sa ponuka slnečnej energie presne zhoduje s dopytom po nej, pretože nekryté bazény sú prevádzkované v letnom období, kedy je dostatok slnečného žiarenia. Je to cenovo najvýhodnejšia možnosť zohriatia vody počas dlhšej doby na príjemné teploty. Preto postačujú jednoduché cenovo výhodné absorbéry z plastov, ktoré môžu byť vďaka svojim nízkym pracovným teplotám uložené na ľahko sklonených plochách. Pre umiestnenie absorbérových rohoží sú vhodné sklonené strešné alebo trávnaté plochy. Na 1 m2 vodnej hladiny je potreba 0,5 - 0,8 m2 kolektorovej plochy. Bazénové kolektory dosahujú ročný energetický zisk asi 200 – 300 kWh/m2 plochy absorbéru, využitie teda z celoročnej ponuky slnečného žiarenia 1000 kWh/m2 je asi 20 – 30 % energie.

Solárny ohrev pitnej vody

Najdôležitejšou zásadou pri dimenzovanie solárneho zariadenia pre prípravu teplej vody je dosiahnutie takmer 100%-ného pokrytia mimo obdobia vykurovania, aby v tomto období nemusel byť pre prípravu teplej vody podľa možnosti vôbec prevádzkovaný vykurovací kotol. Z tohto dôvodu je potrebné odhadnúť dennú potrebu teplej vody obyvateľov. Obvykle sa vychádza z potreby teplej vody od 40 do 60 litrov. Pre orientáciu kolektora na juh, sklone strechy 45o a stupňom pokrytia 70 % nám môže slúžiť nasledujúca tabuľka.

( Čiastočné ) solárne vykurovanie

Treba zdôrazniť, že ekonomicky zmysluplne sa solárnym zariadením nedá zabezpečiť 100 % pokrytie energetických potrieb rodinného domu na jeho vykurovanie (aspoň nie štandardne postaveného v zmysle súčasne platných noriem a predpisov na tepelné straty). Veľkosť kolektorového poľa a teda aj jeho výkon však v tomto prípade je podstatne väčší. Solárne vykurovanie môže kryť približne 15 až 30 % ročných energetických potrieb dobre izolovaného a nízkoteplotným vykurovacím systémom (podlahové, stenové alebo stropné vykurovanie) vybaveného objektu. Z pohľadu starej stavby je dôležité čo najviac znížiť spotrebu energie na vykurovanie a znížiť teplotu vykurovacej vody. Najprv je potrebne šetriť a až potom použiť solárny systém.

Dimenzovanie takýchto zariadení je oveľa komplexnejšie ako zariadení na prípravu teplej vody a vyžaduje starostlivé plánovanie a realizáciu, ak má byť prevádzka zariadenia hospodárna. V závislosti od požadovaného stupňa pokrytia je treba pre priemerný rodinný dom 20 až 40 m2 plochy slnečných kolektorov a vyrovnávací zásobník 1 až 5 m³ , ktorý na niekoľko hodín alebo dní uskladní solárne teplo. Dosiahnutie vyšších stupňov pokrytia až do 100% je principiálne možné, je však spojené s podstatne vyššími nákladmi a je preto nerentabilné (kolektorová plocha 60-80 m² a sezónny zásobník 60 000 až 80 000 l)

Úspory

Výška úspor závisí od systému ohrevu vody, alebo vykurovania, s ktorým solárny systém porovnávame. Ak sú momentálne náklady na prípravu teplej vody , alebo vykurovania vysoké kvôli neefektívnemu zdroju vykurovania, prípadne drahému palivu, finančné úspory budú vysoké. Vo všeobecnosti môžeme so solárnym systémom ušetriť:

- 50 až 70 % nákladov pri príprave teplej vody

- do 30 % nákladov pri podpore vykurovania

- 80 až 100 % nákladov pri ohreve vody v bazéne

Ďalší dôležitý aspekt je aj to, že pri slnečnom ohreve sa do atmosféry neuvoľňujú nijaké emisie. Jeden kolektor s plochou 2 m2 ušetrí 500 až 1000 kg CO2 za rok.

Vypracoval: Ing. Peter Olšavský

ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY

[1] Ladener H., Späte F., Solární zařízení, Praha 2003

[2] www.slnecnaenergia.sk

[3] Návrh energetickej politiky SR, Ministerstvo hospodárstva SR, Bratislava 2004

[4] Cihelka J., Solárni tepelná technika, Praha 1994