Sluneční (solární) energie

www.energ.cz

Solární energie patří mezi nevyčerpatelné zdroje energie. Její využití nemá žádné negativní dopady na životní prostředí. Množství využitelné energie závisí na klimatických podmínkách jednotlivých částí zemského povrchu. Lze ji dobře využívat nejen v oblastech s dlouhým slunečním svitem, ale i s vyšší nadmořskou výškou.

V České republice jsou poměrně dobré podmínky pro využití energie slunečního záření, přestože množství sluneční energie v průběhu roku kolísá a největší množství sluneční energie dopadá v období, kdy spotřeba tepla je nejnižší.

Ročně dopadá kolmo na 1 m² plochy 800 - 1250kWh solární energie. Od dubna do října 75% energie a 25% energie v období od října do dubna.

Celková doba slunečního svitu v našich podmínkách se pohybuje v rozmezí 1400 - 1800h/rok. V horských oblastech dosahuje doba 1 600h za rok, v nížinných oblastech jižní Moravy 2000h.

Celkové záření se skládá z přímo dopadajícího a difuzního záření. Difuzní záření vzniká odrazem slunečního světla na pevných i kapalných částicích rozptýlených v atmosféře (např. na mracích, prachových částicích, atd.) a tvoří až 50% z celkového množství slunečního záření.

Využití sluneční energie

V našich podmínkách je možné využívat sluneční energii zejména k výrobě tepla tzn. k přípravě teplé vody, k ohřevu vody v bazénech, k dotápění či vytápění objektů (domy, rekreační zařízení, skleníky, sušárny, atd.). Méně výhodné je využití přeměny energie Slunce na elektrickou energii fotovoltaickými články.

Využití slunečního záření k výrobě tepla

Pasivní solární soustavy

Sluneční záření se mění na teplo pomocí stavebního řešení budovy, které vychází z obdobných principů jako skleník. Množství získané energie závisí na poloze, druhu, architektonickém řešení budovy a použitých materiálech. Doporučuje se používat skla s reflexní folií, která zabraňují zpětnému vyzařování tepla ven z místnosti a v létě zabraňují přehřívání. Podobnou funkci mohou mít i vnější žaluzie.

            Pasivní systémy lze výborně využít u nově budovaných objektů (dekorativní a současně energeticky úsporné prvky). U starších objektů je možné dostavět prosklenou verandu, skleník.

Aktivní solární soustavy

Sluneční záření se přeměňuje na teplo pomocí zařízení tzv. solárních kolektorů. Teplo získané v kolektorech se využívá přímo k přitápění, k ohřevu vody nebo se může ukládat v akumulačních nádržích a využívat později (v noci, ve dnech se slabým slunečním svitem).

Princip

Největší význam pro úspory energie mají aktivní systémy, které získávají tepelnou energii pomocí kapalinových nebo vakuových (plochých i trubicových) kolektorů.

Kapalinové solární kolektory

Solární kolektory zachycují skleněnou plochou či trubicí sluneční záření a přeměňují je na tepelnou energii. Tato energie je pohlcována absorbérem a odváděna teplonosnou kapalinou (voda, ekologicky nezávadné nemrznoucí kapaliny např. sloučeniny glykolu, solaren, atd.) Ta odvádí teplo do výměníku, kde je předáváno k ohřevu vody (TUV) nebo topné vodě.

Kolektory, které jsou vybavené selektivní absorpční vrstvou mají vyšší účinnost, protože dokáží zachytit i difuzní záření tj. záření rozptýlené, které vzniklo odrazem slunečního záření na překážkách v atmosféře (oblaka, nečistoty, atd.).

Vakuové solární kolektory

Solární kolektory zachycují vakuovanou skleněnou plochou či trubicí sluneční záření a přeměňují je na tepelnou energii, která odpařuje teplonosnou kapalinu. Teplonosná kapalina přechází jako pára do kondenzátoru, kde výměníku předá teplo topné vodě, TUV, ochladí se a zkapalní (zkondenzuje)a vrací se zpět do kolektoru. Vakuum dobře snižuje ztráty a tím zvyšuje účinnost zařízení zejména v zimních měsících.

Rozdělení solárních kolektorů

ploché kapalinové kolektory

– zachycují sluneční (energii) záření dopadající na plochu kolektoru. V absorbéru je sluneční energie předávána teplonosné kapalině k přípravě teplé vody nebo topné vodě.

trubicové kolektory

– zachycují sluneční (energii) záření ve trubicích vrstvou s absorbérem, který předává sluneční energii teplonosné kapalině.

Výkonnost dvou systémů (plochého a trubkového) je téměř stejná v létě, v zimě trubkový kolektor ztrácí méně tepla vyzařováním.

vakuové trubicové kolektory

– zachycují sluneční záření ve vakuované trubici, ve které se odpařuje teplonosná kapalina (ethylalkohol, glykol, ...), která přechází jako pára do kondenzátoru, kde výměníku předá teplo proudící kapalině (např. topná voda), zkondenzuje a vrací se zpět do kolektoru. Celý cyklus se opakuje. Vakuum dobře snižuje ztráty a tím zvyšuje účinnost zařízení.

ploché vakuové kolektory

– mají čelní plochu stejnou jako absorpční. Čím větší je propustnost a menší odrazivost použitého průhledného krytu tím větší je účinnost zařízení. Dále viz trubicové vakuové kolektory.  

koncentrační kolektory

– jejich čelní nebo odrazová plocha koncentruje záření na menší absorpční plochu tím se dosáhne vyšších teplot. Tyto kolektory mají většinou účinnost až 90% a dosahují vyšší teplotní hladiny. Jsou mnohem dražší než ploché kapalinové kolektory.

akumulační zásobníky

– objem zásobníku se určuje podle potřeby. V solárním zásobníku ohříváme teplou vodu solární energií a doplňkově např. elektřinou. Pokud uvažujeme o využití akumulace pro přitápění, pak musí být systém vybaven dvěma výměníky tepla. Jeden je napojen na okruh ústředního vytápění, druhý na solární okruh.

Provoz solárních zařízení

Jak již bylo napsáno v úvodu má Česká republika poměrně dobré podmínky pro využití solární energie. Avšak vzhledem k našim klimatickým podmínkám a tím nerovnoměrné spotřebě tepla v průběhu roku je nutné solární kolektory kombinovat s dalším stabilním zdrojem tepla např. elektrokotlem. Solární kolektory vyrábí nejvíce tepla v letních měsících, kdy je potřeba tepla nejnižší., a tak je vhodné zvážit jak využijeme teplo ze solárních kolektorů.

Pokud bychom chtěli sluneční energii využít i v chladnějších měsících pro topení či předehřev topné vody, pak je nutná soustava s větším počtem kolektorů (10 a více podle velikosti objektu, atd.). V letních měsících pak přebytečné teplo využijeme na ohřev vody v bazému.

Tepelnou energii je možné pro potřeby vytápění i dlouhodobě akumulovat v zásobnících (vodních a štěrkových). Pokud využíváme vodního zásobníku měli bychom hygienických důvodů (likvidace bakterií) aspoň jednou denně ohřát obsah zásobníku nad 60°C.

Obecně však platí, že systémy s akumulací jsou méně ekonomické.

Ekonomické hodnocení

Hodnocení ekonomické efektivnosti solárního ohřevu vychází z porovnání ceny jednotkového množství solárního tepla a prodejní ceny stejného množství tepla získaného konvenčním způsobem.

Nis = Ncel/Wr x R = (Ni + Np)/Wr R

Nis náklad na jednotku vyrobené solární energie (Kč/GJ)

Ncel celkový náklad

Wr solární energie vyrobená za 1 rok (GJ)

R životnost systému (rok)

Ni investiční náklad na pořízení soustavy (Kč)

Np provozní náklady na provoz soustavy

Np = Ni x 0,005 (Kč/rok)

Základní podmínky pro úspěšnou instalaci solárních kolektorů

1) Základní podmínkou je pečlivá analýza výchozích podmínek a to nejen technických a ekonomických, ale i zvážení provozních podmínek (u podnikatelských subjektů, škol, rekreačních zařízení, atd.) a životního stylu (u majitelů rodinných domků, bytových domů)

2) Výběr vhodné lokality

3) Umístění solárních kolektorů

• orientace kolektorů na jihozápad (8 až 15°) umožňuje lepší využití energie zapadajícího slunce.
• celodenní osvit (maximum výkonu nastává kolem 14h).
• nejvhodnější je umístění kolektorů s požadovaným, sklonem 25 - 50° k vodorovné rovině.
• pro celoroční provoz je nejvhodnější sklon 45°.

4) Zabránit zbytečným ztrátám energie

• zajistit nejkratší rozvody mezi kolektorem, zásobníkem, výměníkem a jejich dobrá tepelná izolace.
• chránit kolektory před větrem (ochlazování kolektorů snižuje účinnost).
• zpřístupnit kolektory pro pravidelnou údržbu, čištění a kontrolu.
• zateplit objekt - tepelnou izolací snížit tepelné ztráty až o 30%, a tak snížit spotřebu tepla.

5) Optimálně dimenzovat topnou soustavu

• správná volba topného systému, který umožní využívat topnou vodu ohřátou na nižší teploty.
• teplotní spád (podlahové vytápění 45/35°C, velkoplošné nízkoteplotní radiátory 50/45°C).

6) Zpracování ekonomické rozvahy, která vychází ze zjištění reálných způsobů přípravy teplé                                                                vody a vytápění pro daný objekt, investičních a provozních nákladů.

Výhody využití solárních zařízení

• slunce je nevyčerpatelným zdrojem energie.
• výhodou využití sluneční energie jsou nízké provozní náklady (sluneční energie je zdarma).
• vysoká životnost zařízení 15 - 20 let a jeho nenáročná obsluha.
• vyrobená energie ze slunečního záření může nahradit 20 - 50% potřeby tepla k vytápění a 50 - 70% potřeby tepla k ohřevu vody v domácnosti.
• významným přínosem je i úspora fosilních paliv, jejichž spalováním znečišťujeme přírodu emisemi SO₂ , CO₂ , NO_x, prachových částic.

Uvedené výhody příznivě ovlivňují návratnost vložených finančních prostředků a čistotu životního prostředí.

Nevýhody využití solárních zařízení

• sluneční energii nelze využít jako samostatný zdroj tepla. Pro celoroční využití je nutný doplňkový zdroj energie - zemní plyn, elektrická energie, kapalná paliva, atd. (kotel nebo akumulační zdroj energie v zásobníku tepla), který pokrývá zvýšenou potřebu v době, kdy je slunečního záření nedostatek.
• návratnost vložených finančních prostředků je závislá na cenové úrovni používaného paliva před instalací solárních kolektorů, na velikosti soustavy a způsobu využití (ohřev vody, přitápění, ohřev bazénů, technologie, atd.).
• při instalaci solární soustavy do stávajícího objektu je návratnost investic závislá na rozsahu úprav, které je nutné provést před instalací (zateplení, úprava topné soustavy, změna doplňkového zdroje).

Využití slunečního záření k přímé výrobě elektrické energie v místech, kde není k dispozici ze sítě. Elektrická energie je vyráběna pomocí fotovoltaických článků.

Využití slunečního záření k výrobě elektrické energie

Vyrobenou elektrickou energii lze použít přímo ve spotřebičích nebo ukládat v akumulátorech a z nich čerpat v době bez slunečního svitu. Chaty, karavany, parkovací automaty, noční osvětlení, provoz malých spotřebičů. S ohledem na pořizovací cenu fotovoltaických systémů a možnosti využití v našich klimatických podmínkách je cena elektrické energie příliš vysoká.