Obnovitelne zdroje energie
ZIVOTNE PROSTREDIE:
Organizacie / Granty / Casopisy / Publikacie / Publikacie / Legislativa

Obnovitelne zdroje energie - navrat na publikaciu

2 SLNEČNÁ ENERGIA

SLNEČNÁ ENERGIA

Každý rok dopadá zo Slnka na Zem asi 10 tisíckrát viac energie, ako ľudstvo za toto obdobie spotrebuje. Množstvo dopadajúcej slnečnej energie na územie Slovenska je asi 200-násobne väčšie, ako je súčasná spotreba primárnych energetických zdrojov u nás. Je to obrovský, doposiaľ takmer úplne nevyužitý potenciál. Využívanie slnečnej energie je dnes najčistejším spôsobom využívania energie vôbec a na rozdiel od iných zdrojov (aj obnoviteľných) sú dopady na okolité životné prostredie zanedbateľné.

Slnečná energia je hnacím strojom života na Zemi. Zohrieva atmosféru a Zem, vytvára vietor, zohrieva oceány, spôsobuje odparovanie vody dáva silu vodným tokom, rastlinám aby mohli rásť a z dlhodobého hľadiska vytvára aj fosílne palivá. Slnečná energia a z nej pochádzajúce obnoviteľné zdroje energie – veterná, vodná a biomasa môžu byť využité na výrobu všetkých foriem energie, ktoré dnes ľudstvo využíva.

SLNEČNÉ ŽIARENIE

Slnečné žiarenie je elektromagnetické žiarenie s vlnovými dĺžkami v rozsahu od 0,28 do 3,0 µm. Slnečné spektrum zahrňuje malý podiel ultrafialového žiarenia (0,28 – 0,38 µm), ktoré je pre ľudské oko neviditeľné a predstavuje asi 2 % solárneho spektra. Viditeľné svetlo má vlnové dĺžky od 0,38 do 0,78 µm a predstavuje asi 49% spektra. Zvyšok tvorí infračervené žiarenie s vlnovými dĺžkami 0,78 – 3,0 µm.

Obr. spektrum

Slnko neustále produkuje obrovské množstvo energie - približne 1,1 x 1020 kWh každú sekundu (jedna kilowatthodina je množstvo energie, ktoré spotrebuje 100 W žiarovka po dobu desať hodín). Vrchná vrstva atmosféry prijíma asi dve miliardtiny Slnkom vytvorenej energie, čo je asi 1,5 x 1018 kWh za rok. V dôsledku odrazu, rozptylu a absorpcie plynmi a aerosólmi v atmosfére dopadá na zemský povrch len asi 47% z tejto energie (7 x 1017 kWh). Okamžitý výkon slnečného zdroja predstavuje v atmosfére 1,7 .1017 W.

Obr. slnkozem

V našich zemepisných podmienkach to znamená, že energia dopadajúca na plochu 1 m2 dosahuje hodnotu 1000 až 1250 kWh/rok (cca 5 GJ). Z uvedenej intenzity žiarenia vyplýva, že teoreticky pri 100% účinnosti využitia tejto energie by sme z plochy 3 x 3,3 metra mohli získať dostatok energie na pokrytie celoročnej spotreby tepla a teplej vody pre priemernú domácnosť na Slovensku. Bariéru pre takéto využitie nepredstavuje len nerealizovateľná 100 %-ná účinnosť zariadenia, ale aj odchýlky v množstve dopadajúceho žiarenia v priebehu roka a jeho energetickej hustote. Hustota slnečného žiarenia je totiž mnohonásobne nižšia ako v prípade fosílnych palív, na druhej strane je však toto žiarenie homogénnejšie rozložené ako zásoby klasických palív na Zemi.

Porovnanie hustoty energie pre rôzne zdroje.

Hustota energie

kW/m2

Slnečné žiarenie nad zemskou atmosférou

1,35

Slnečné žiarenie na povrchu Zeme

(Slovensko - priemer)

0,1

Uhlie (spaľovacia pec veľkej elektrárne)

500

Jadrová energia (palivový článok vo veľkej atómovej elektrárni)

650

Elektrický kábel

1.000.000

Zemská atmosféra sa otepľuje v dôsledku priameho slnečného žiarenia priamo a nepriamo rozptylom žiarenia vo vzduchu (tzv. difúzne žiarenie). Súčet oboch týchto zložiek predstavuje globálne žiarenie. Množstvo dopadajúceho žiarenia na konkrétnom mieste však závisí na viacerých faktoroch ako sú napr.:

ČAS A MIESTO

Množstvo dopadajúceho slnečného žiarenia sa mení v dôsledku relatívneho pohybu Slnka. Tieto zmeny závisia na dennom a ročnom období. Vo všeobecnosti platí, že najviac žiarenia dopadá na Zem na poludnie, kedy poloha Slnka na oblohe je najvyššia a cesta prechádzajúceho slnečného žiarenia cez atmosféru je najkratšia. Tým dochádza k najmenšiemu rozptylu a absorpcii žiarenia v atmosfére.

Množstvo dopadajúcej energie sa mení počas roka a predstavuje napr. menej ako 0,8 kWh/m2 za deň počas zimy v Severnej Európe až po viac ako 4 kWh/m2 za deň počas leta v tomto regióne. Tento rozdiel sa zmenšuje pre regióny, ktoré ležia bližšie k rovníku, kde je intenzita žiarenia najvyššia. Tak napr. priemerná hustota dopadajúceho žiarenia dosahuje v Strednej Európe 1100 kWh/m2 v Strednej Ázii asi 1700 kWh/m2 a v niektorých afrických krajinách asi 2200 kWh/m2 za rok. Je evidentné, že geografické a sezónne rozdiely sú značné a musia byť brané do úvahy pri navrhovaní solárnych aplikácií (pozri tabuľku).

Zmeny intenzity dopadajúceho slnečného žiarenia v niektorých oblastiach sveta (sklon povrchu 30 stupňov).

 

Európa

Karibská oblasť

 

Južná

Stredná

Severná

 

kWh/m2.deň

Január

2,6

1,7

0,8

5,1

Február

3,9

3,2

1,5

5,6

Marec

4,6

3,6

2,6

6,0

Apríl

5,9

4,7

3,4

6,2

Máj

6,3

5,3

4,2

6,1

Jún

6,9

5,9

5,0

5,9

Júl

7,5

6,0

4,4

6,0

August

6,6

5,3

4,0

6,1

September

5,5

4,4

3,3

5,7

Október

4,5

3,3

2,1

5,3

November

3,0

2,1

1,2

5,1

December

2,7

1,7

0,8

4,8

ROK

5,0

3,9

2,8

5,7

Z hľadiska používaných technológií nižšia energetická hustota znamená väčšie nároky na plochu zariadení. To spolu s problémom časovo meniacej sa intenzity dopadajúceho žiarenia predstavuje hlavnú nevýhodu v porovnaní s fosílnymi palivami, kde je energia uskladnená vo vysoko koncentrovanej forme.

OBLAKY

Meniace sa atmosferické podmienky majú výrazný vplyv na množstvo dopadajúceho slnečného žiarenia na Zem. Je evidentné, že m<small>nožstvo energie klesá s narastajúcou oblačnosťou a najlepšie slnečné podmienky sa nachádzajú v púštnych oblastiach s minimálnou oblačnosťou v priebehu roka. Miestne geografické pomery tiež ovplyvňujú tvorbu oblačnosti. Tak prítomnosť kopcov, oceánov a veľkých jazier znamená, že intenzita dopadajúceho slnečného žiarenia sa môže líšiť od susedných miest. Napríklad kopcovité oblasti vykazujú nižšiu úroveň slnečného žiarenia ako rovinaté oblasti. Súvisí to s tým, že v kopcoch sa tvorí väčšia oblačnosť ako na rovinách. Prímorské oblasti sa taktiež líšia z hľadiska intenzity žiarenia od oblastí položených ďalej od pobrežia. V našich podmienkach sa intenzita globálneho slnečného žiarenia môže napoludnie meniť od asi 1000 W/m2 počas jasného dňa (za mimoriadne výhodných podmienok to môže byť ešte viac) po menej ako 100 W/m2 počas zamračeného dňa.

ZNEČISTENIE OVZDUŠIA</small>

Tak prírodné ako aj človekom spôsobené javy môžu ovplyvňovať intenzitu dopadajúceho žiarenia.<small> Znečistenie vzduchu v mestách, dym z lesných požiarov, čiastočky popola z vulkanickej činnosti a iné javy znižujú túto intenzitu v dôsledku absorpcie a rozptylu. Tieto faktory majú veľký vplyv hlavne na priamu zložku slnečného žiarenia. Intenzita priameho slnečného žiarenia v oblasti silne znečisteného ovzdušia napr. smogom môže byť znížená až o 40 %, kým globálna intenzita žiarenia sa zníži o 15% to 25%. Silné vulkanické erupcie dokážu znížiť intenzitu priameho žiarenia aj vo veľmi vzdialených oblastiach o 2 % a globálneho žiarenia o takmer 10% počas 6 mesiacov po erupcii. Hoci vulkanický popol z atmosféry postupne vypadáva, jeho úplné odstránenie môže trvať niekoľko rokov.

Potenciál

Potenciál slnečného žiarenia je z celosvetového pohľadu obrovský a pri nulových nákladoch na palivo poskytuje až 10.000-krát viac energie, ako sa je každoročne vo svete spotrebuje. Všetci obyvatelia Zeme ročne spotrebujú asi 8,5 x 1013 kWh komerčnej energie. Okrem toho tiež spotrebovávajú energiu, ktorá sa neobjavuje v energetických štatistikách (hlavne biomasa používaná v rozvojových krajinách). Podľa niektorých expertov táto nekomerčná energia sa môže na celkovej spotrebe podieľať až jednou pätinou. Ale aj keby bol tento príspevok započítaný do spotreby energie, aj tak by celková spotreba predstavovala jednu sedem tisícinu energie dopadajúcej na Zem zo Slnka. Aj v takých vysoko energeticky náročných krajinách ako je napr. USA ( ročná spotreba 2,5 x 1013 kWh) je množstvo dopadajúcej slnečnej energie niekoľko stonásobne väčšie ako spotreba. V mnohých krajinách by stačilo pokryť menej ako 1 % územia (napr. strechy budov, nevyužité plochy) slnečnými technológiami, aby bol zabezpečený dostatok energie pre celú krajinu. Z praktického hľadiska však nie je logické, aby pri existencii iných obnoviteľných zdrojov energií bola energetická spotreba výlučne pokrývaná takýmito technológiami.

Podstatné je, že aj v našich klimatických podmienkach je potenciál slnečnej energie obrovský, veď len energia dopadajúca na strechu budovy vo väčšine prípadov presahuje spotrebu energie v nej. Intenzita slnečného žiarenia u nás predstavuje asi 1100 kWh/m2 za rok, kým priemerná spotreba v obytných domoch je len asi 150 kWh/m2 na vykurovanie a 25-50 kWh/m2 na chod elektrospotrebičov a na varenie. Z uvedeného vyplýva, že množstvo dopadajúcej slnečnej energie je až 5-krát väčšie alebo vyjadrené inak je postačujúce na pokrytie spotreby až 5-poschodovej obytnej budovy (merané v hodnotách na m2 horizontálneho povrchu). Hoci slnečná energia je z hľadiska celoročného priemeru dostatočná na pokrytie spotreby energie v mnohých domácnostiach, jej praktické využitie je obmedzené premenlivosťou intenzity žiarenia v priebehu roka a obmedzenou možnosťou skladovania energie. Bez ohľadu na nevýhody, dnes existuje dostatok možností a technických zariadení, ktoré sú schopné veľmi účinne premieňať slnečnú energiu tak na teplo ako aj elektrinu a to aj pri relatívne nízkych investičných nákladoch. Napr. pre jednoduché solárne systémy (kolektory) vychádza, že v našich podmienkach sú schopné bežne pokryť 60-80% spotreby teplej vody a 25 - 50% spotreby energie na kúrenie pre priemerný dom.

obr. solenergslov.jpg

VYUŽÍVANIE SLNEČNEJ ENERGIE

Rozlišujeme tri základné spôsoby využitia slnečnej energie :

Pasívna slnečná architektúra (dizajn) je v súčasnosti využívaná v budovách pomocou existujúcich technológií a materiálov s cieľom zohrievať (resp. chladiť) a osvetľovať priestory budov. Takáto architektúra v sebe zahrňuje integrovanie tradičných stavebných elementov ako je kvalitná izolácia alebo energeticky účinné okná a umiestnenie budovy resp. rozmiestenie vnútorných priestorov budov tak, aby bol dosiahnutý maximálny energetický účinok.

Architektúra bola v minulosti inšpirovaná, tradíciou, miestnymi podmienkami a tiež dostupnosťou stavebných materiálov. Hoci solárna architektúra nebola v minulosti chápaná tak oko je to dnes, niektoré jej prvky sa objavili už veľmi dávno. Už v roku 100 pred Kristom spisovateľ Plinius si postavil letný dom v Severnom Taliansku, ktorý mal tenké plátky sľudy použité ako okná. Miestnosť takto vybavená sa stala teplejšou a ušetrilo sa na nedostatkovom palivovom dreve. Známe rímske kúpele v 1. až 4. st. pred Kristom mali veľké na juh orientované okná , aby do miestnosti mohol prúdiť teplý vzduch z vonku. V 6. storočí nášho letopočtu boli “slnečné miestnosti” natoľko populárne, že Justiniánsky kódex hovoril o “práve na Slnko”, aby bol zabezpečený prístup každého jednotlivca k slnečnému žiareniu. Veľké presklenné priestory boli veľmi populárne už okolo roku 1800 a na mnohých miestach vytvárali promenádu podobnú dnešným skleníkom.

Pasívne slnečné budovy sa stavali vo veľkom počte v USA v roku 1947, kedy sa v dôsledku 2. svetovej vojny prejavil nedostatok energetických zdrojov. V tomto období vydala Libbey-Owens-Ford Glass Company knihu nazvanú “Tvoj slnečný dom”, v ktorej boli prezentované diela 49 najznámejších amerických solárnych architektov. V polovici 50-tych rokov architekt Frank Bridgers navrhol prvú komerčnú budovu na svete, využívajúcu solárne ohrievanie vody a pasívnu solárnu architektúru. Tento solárny dom nazývaný Bridgers-Paxton Building bol trvalo využívaný až do obdobia, kedy bol zaradený do Amerického Národného Historického Registra ako prvá solárna budova na svete. Nízke ceny ropy sa na konci 50-tych rokov prejavili aj tým, že záujem o solárne budovy a úspory energie opadol. Po ropných krízach a hlavne začiatkom 90-tych rokov, kedy bolo jasné, že nízke ceny ropy sú v nenávratne, ceny energie a tržné sily sa stali hlavným motívom opätovného záujmu o solárnu architektúru.

Dnešná solárna architektúra využíva konštrukciu budovy ako kolektor, akumulátor a zariadenie na transport tepelného žiarenia. Takáto definícia vyhovuje väčšine systémov, kde je slnečné tepelné žiarenie absorbované v stenách alebo podlahách budov. Existujú však aj systémy, ktoré využívajú niektoré špeciálne stavebné prvky ako nádrže s vodou alebo betónové bloky na akumuláciu tepla. Najjednoduchšou formou pasívneho využívania slnečnej energie je navrhovanie a stavba domov tak, aby množstvo dopadajúcej energie bolo čo najvyššie. Pre typickú budovu môže príspevok pasívneho slnečného dizajnu predstavovať až 15%-nú úsporu energie na vykurovanie. Keď si uvedomíme, že na Slovensku sa až 40% spotrebovanej energie (v prípade domácností až 78 %) využíva na vykurovanie budov zistíme, že v slnečnej architektúre sa skrýva obrovský potenciál úspor.

Vo vyspelých krajinách začína princípy slnečnej architektúry využívať stále viac architektov, a to nielen pri navrhovaní nových domov, ale aj pri rekonštrukcii starších budov. Najväčší zisk z pasívneho využitia slnečného žiarenia, a to pri najnižších nákladoch, sa dá docieliť už pri projektovaní budovy. Zásadou býva, že všetky veľké okná by mali byť orientované na juh. Dom s takto orientovanými oknami potrebuje až o 10-20 % menej tepelnej energie ako podobný dom so severnou resp. východo-západnou orientáciou okien. Ak je takáto orientácia okien kombinovaná s efektívnym rozložením obytných a neobytných (nevykurovaných) priestorov domu, tak úspory bez vynaloženia dodatočných nákladov môžu dosiahnuť až 50 %. Pod efektívnym rozložením sa rozumie umiestňovanie obytných miestností v južnej časti domu a neobytných resp. miestností s nižším nárokom na vykurovanie v severných častiach domu (kuchyňa, predsieň, chodba). Veľké okná sa kombinujú s prístreškami a tienením, ktoré zabraňujú prehriatiu miestností v lete. Úspory energie sú najväčšie, ak je vnútorná časť domu vybudovaná z teplo absorbujúcich materiálov a pri použití okien s dvojitým sklom.

Obr. pasive

K pasívnemu využitiu slnečnej energie a úsporám energie taktiež prispievajú aj zimné záhrady alebo presklenné balkóny tie si však často vyžadujú dodatočné náklady. Tepelné úspory sú v týchto priestoroch dosahované trojakým spôsobom :

Ukazuje sa, že presklenné priestory znižujú straty energie cez steny budovy asi na polovicu. Celkové úspory však závisia na spôsobe, ako sa dom a jeho presklenná prístavba využívajú. Ak napr. dvere a okná medzi týmto priestorom a domom sú otvorené alebo je tento priestor osobitne vykurovaný, výsledkom môže byť vyššia spotreba energie ako bez použitia týchto priestorov.

PRVKY slnečnEJ ARCHITEKTÚRY

Existuje niekoľko základných princípov využívania pasívnej solárnej architektúry s cieľom úspory energie na vykurovanie budovy. Tieto princípy, tak ako sú definované nižšie, môžu mať mnoho variácií, a tak obohatiť tradičnú architektúru.

Podstatným prvkom pasívneho solárneho domu je umiestnenie budovy vrátane kvalitnej izolácie, orientácia okien a tepelná kapacita. Všetky tieto prvky by mali byť navrhované súčasne. Pre dosiahnutie malých zmien vnútornej teploty by mala byť izolácia umiestňovaná zvonku teplo absorbujúcich materiálov (tepelná kapacita). Avšak v priestoroch, kde sa vyžaduje rýchly nárast vnútornej teploty, by mala byť istá časť izolácie a materiálov s nízkou teplotnou kapacitou umiestňovaná na vnútorné povrchy budovy. Optimálny výber materiálov a izolácie pre každý objekt znamená nielen úsporu energie, ale aj finančnú úsporu za materiál. Solárnu architektúru je tiež vhodné kombinovať s aktívnymi slnečným systémami ako sú slnečné kolektory alebo slnečné články (pozri nižšie).

MIESTO

Podľa štúdie amerického ministerstva energetiky ”Landscaping for Energy Efficiency”, rozumné umiestnenie budovy v teréne môže znamenať až 25%-nú úsporu energie na vykurovanie a klimatizáciu. Mimoriadny význam sa prikladá rozmiestneniu stromov, vrhajúcich tieň v okolí budovy v lete a chrániacich budovu pred zimnými vetrami. Popri tieni stromov má význam zaoberať sa aj povrchom okolia napr. trávnikom, ktorý v dôsledku odparovania vlhkosti z vegetácie môže znížiť teplotu vzduchu v okolí až o 5 stupňov, a tak ochladzovať budovu. Stromy sú síce vynikajúcim prírodným tienidlom, avšak musia byť rozumne umiestnené, aby poskytovali tieň v lete a netienili slnečné žiarenie v zime. Je treba si uvedomiť, že aj listnaté stromy, ktoré už v zime lístie nemajú, tienia časť slnečného žiarenia v tomto období. Niekoľko takýchto stromov dokáže odtieniť až 50 % potrebného slnečného svitu v zime, čo je potrebné vyvážiť zvýšeným vykurovaním.

OKNÁ

Všetky budovy s aplikovanou pasívnou solárnou architektúrou závisia na účinnosti okien. Sklo a iné transparentné materiály dovoľujú prenikať krátko-vlnovému slnečnému žiareniu do budovy a zabraňujú unikaniu dlho-vlnového (tepelného) žiarenia z budovy do jej okolia. Okná regulujú tok tepelnej energie v princípe dvoma spôsobmi:

Keď sa využíva slnečné žiarenie na ohrev budovy, je účelné, aby orientáciou okien bolo využité maximum slnečného žiarenia, ktoré v zime dopadá na budovu od 9 hod. do 15 hod. Z tohto hľadiska je treba zvážiť umiestnenie stromov, ktoré môžu vrhať na budovu tieň. Je však potrebné zdôrazniť, že je možné navrhnúť budovu tak, aby bol výhľad do každého smeru a súčasne bola energicky úspornou budovou so slnečnou architektúrou. Dobre izolované steny, podlahy a strecha budovy sú dôležitejšie ako rozmiestnenie miestností, a keď je nutné umiestniť okná na západ, je potrebné aby boli dobre izolované a menších rozmerov.

Pre dobrý výber skla okien je nevyhnutné poznať vzťah svetla a tepla. Slnečné žiarenie sa skladá z viacerých vlnových dĺžok, a preto rôzne typy skla budú rôzne selektívne prepúšťať, absorbovať alebo odrážať rôzne zložky slnečného spektra. Bežné sklo prepúšťa slnečné žiarenie s vlnovým dĺžkami od 0,4 do 2,5 µm. Keď táto tepelná energia dopadá na nepriesvitné predmety za sklom, jej vlnová dĺžka vzrastie na 11 µm. Sklo pôsobí ako nepriepustná bariéra pre túto vlnovú dĺžku, a tým zachytáva slnečnú energiu, ktorá by inak unikla von. Množstvo žiarenia prenikajúce sklom závisí na uhle dopadu. Optimálny uhol je 90o. Keď svetlo dopadá na sklo pod uhlom menším ako 30o väčšina žiarenia sa odrazí.

Popri svetelnej pohode je z hľadiska výberu skla najdôležitejším parametrom priepustnosť infračerveného tepelného žiarenia. Špecifikáciou správneho typu skla je možné zachytávať tepelné žiarenie v miestnosti, a tým ju ohrievať a tiež odrážať infračervené žiarenie, aby v prípade potreby nedošlo k ohrievaniu vnútorných priestorov.

Existujú tri spôsoby, ktorými teplo prechádza cez sklo:

Vedením (kondukcia), pri ktorom teplo prechádza materiálom priamym kontaktom s ním. Teplo môže byť pociťované napr. dotykom skla.

Žiarením (radiácia), pri ktorom sa teplo šíri cez materiál vďaka prechádzajúcemu elektromagnetickému žiareniu. Tento jav spôsobuje pocit tepla vychádzajúceho z povrchu skla.

Pohybom (konvekcia) tepla, ktorý je zabezpečovaný pohybom vzduchu. Prírodné prúdenie vzduchu s tendenciou pohybu teplého vzduchu smerom k chladnejšiemu, znamená že teplo je možné získať alebo stratiť.

Parameter, ktorý v odbornej literatúre vyjadruje izolačné vlastnosti skla sa nazýva R-faktor. Je určený stupňom vodivosti, žiarenia a pohybu tepla cez sklo. Je potrebné zdôrazniť, že infiltrácia vzduchu má tiež vplyv na výsledný R-faktor skla. Množstvo tepla, ktoré prechádza v okolí skla, je rovnako dôležité ako množstvo tepla prechádzajúce cez sklo. Vzduch môže unikať alebo vnikať do budovy v okolí presklenných priestorov cez rámy a iné konštrukcie. Kvalita práce a inštalácie celého okenného systému vrátane rámu má vplyv na infiltráciu vzduchu.

Pokroky v technológii výroby skla okien sa od roku 1970 stali najväčším prínosom k úsporám energie v budovách a hrajú významnú úlohu v  slnečnej architektúre. Hlavnými prínosmi vo vývoji okien sú:

Obr. okno

Okná sa robia z rôznych typov skla, plexiskla a iných materiálov. Hoci jednotlivé materiály sa uplatňujú v rôznych aplikáciách, použitie obyčajného skla sa ukázalo ako najužitočnejšie a preto je tiež najrozšírenejšie. Iné typy skla umožňujú solárnemu architektovi navrhnúť stavbu najviac vyhovujúcu požiadavkám klienta. Okno s jednou sklenenou tabuľou je najjednoduchším typom okna. Jednoduché okná majú vysokú priepustnosť svetla , ale tiež slabé izolačné vlastnosti. Ich R-faktor je približne 1,0. Jednoduché sklá sú účinné ako ochrana v teplom klimatickom prostredí (pokiaľ sa nepoužíva klimatizácia), používajú sa ako pokrytie slnečných kolektorov alebo skleníkov. Budovy s jedno-tabuľovými oknami vykazujú veľké teplotné výkyvy, zvýšenú kondenzáciu vlhkosti a poskytujú minimálnu ochrannú vrstvu pred vonkajším prostredím.

Najrozšírenejším typom okna je okno s dvoma sklami. Dvojtabuľové okná sú v podstate dve sklá zmontované do jedného okna s vnútorným tepelno-izolačným priestorom. Izolované okná majú niekedy vnútorný priestor medzi sklami vyplnený materiálom pohlcujúcim vlhkosť a bežne bývajú utesnené silikónom. Vnútorný priestor okien zvyšuje odpor pre prenos tepla a ich celkový R-faktor je asi 1,8-2,1. Veľké priestory medzi sklami nevedú k zvyšovaniu R-faktora. V skutočnosti veľké medzery zvyšujú vedenie tepla vo vnútri a vedú k tepelným stratám. Pravidlom býva, že vnútorný priestor medzi sklami okna je 2 až 4 centimetre. Je však možné túto vzdialenosť predĺžiť až na 10-12 centimetrov bez toho, aby dochádzalo k tepelným stratám. Pri tak veľkých vzdialenostiach skiel sa však okná stávajú veľmi veľkými a ťažkými. Vo vyspelých krajinách sa dvojité okná s izolovanými sklami stali štandardom a jednoduché sklá sa v bežných oknách budov prakticky nepoužívajú.

Okná s vysoko-účinnými tepelno-izolačnými vlastnosťami vykazujú ešte lepšie hodnoty R-faktora. Takéto typy okien tiež poskytujú väčšie možnosti architektovi budovy nakoľko tam kde by mali byť steny alebo strecha z klasického materiálu, môžu byť presklenné slnečné priestory. Tmavé priestory sa tak stanú svetlými, môžu získať viac tepelného žiarenia a znížiť nároky na vykurovanie. Pri relatívne nízkych nákladoch je možné zvýšiť tepelnú účinnosť budovy, znížiť vlhkosť a zlepšiť flexibilitu dizajnu. Dnes existuje na trhu niekoľko vysoko-účinných okien. Nízke tepelné vyžarovanie skiel znamená, že žiarenie je pohlcované v miestnosti. R-faktor takýchto okien sa pohybuje na úrovni 2,6 až 3,2. Plynom plnené okná majú ešte lepšie tepelno-izolačné vlastnosti. Použitím vzácneho plynu ako je kryptón alebo argón sa ich R-faktor zvyšuje asi o 1,0. Inertné plyny nemajú žiadne negatívne účinky na organizmus avšak okná nimi plnené sú podstatne drahšie.

Význam má aj tienenie okien napr. záclonami. Popri dekoratívnom význame majú záclony na oknách aj tepelno-izolačné vlastnosti. Znižujú tepelné straty počas chladného obdobia a zvyšujú tepelný zisk počas teplého obdobia roka. Drevená garniža nad záclonou zabraňuje tomu, aby teplý vzduch prúdil medzi oknom a záclonou. Aby bol dosiahnutý maximálny efekt, záclona by mala siahať minimálne 30 cm pod spodnú hranu okna. Optimálne je, keď siaha až po zem.

TEPELNÁ KAPACITA – AKUMULÁCIA TEPLA V BUDOVE

Slnečné žiarenie dopadajúce na povrchy stien, okien a iných štruktúr je budovou absorbované a skladované v závislosti na tepelnej kapacite materiálov. Takto uskladnená energia je potom vyžarovaná do vnútorných priestorov budovy. Tepelná kapacita použitých materiálov pôsobí podobne ako batérie v systémoch so slnečnými článkami alebo ako zásobník teplej vody v systémoch so slnečnými kolektormi. Všetky tieto zariadenia skladujú slnečnú energiu pre neskoršie využitie. Tepelná kapacita môže byť využitá v pasívnej slnečnej architektúre viacerými spôsobmi siahajúcimi od pokrytia podlahy až po vodou plnené nádrže. Je potrebné vedieť, že tmavé povrchy odrážajú menej slnečného žiarenia, a preto pohlcujú viac tepla. Tmavá podlaha pohlcuje teplo počas celého dňa a opätovne teplo vyžaruje do miestnosti v noci. Rýchlosť prestupu tepla závisí na rozdiele teplôt medzi zdrojom tepla a objektom kam teplo uniká. Všetky povrchy budov strácajú teplo vedením, žiarením a pohybom. Dobre navrhnutá budova minimalizuje straty a maximalizuje účinnosť rozvodu tepla v budove. Vhodne aplikovať tepelnú kapacitu (teplo-absorbujúce materiály) vo vnútri budovy znamená tiež zvážiť okolitú klímu. Ťažké budovy s vysokou tepelnou kapacitou sú zvyčajne príjemnejšie v horúcom (suchom) a tiež chladnom podnebí. V teplom ale vlhkom podnebí majú len málo predností. V chladnom prostredí vyššia tepelná kapacity budovy pôsobí ako tepelný sklad a znižuje nároky na vykurovanie s výnimkou veľmi chladných dní so zatiahnutou oblohou. V ťažkých budovách, kde sa kúri nepravidelne, však zabezpečenie príjemnej mikroklímy, znamená vyššie nároky na vykurovanie.

Obr. dom

Navrhnutie vhodnej tepelnej kapacity budovy je zvyčajne jednou z najťažších úloh, pred ktorou stojí architekt navrhujúci budovu so solárnou architektúrou. Množstvo potrebného materiálu závisí na veľkosti presklennej južne orientovanej steny a rozmiestnení materiálu. Niektoré základné pravidlá súvisiace s tepelnou kapacitou sú :

Pri navrhovaní tepelnej kapacity budov alebo pri porovnávaní rôznych materiálov je potrebné poznať tepelnú kapacitu týchto materiálov, ktorá sa udáva v J/m3. stupeň Celzia. Keďže táto charakteristika vyjadruje schopnosť materiálu pohlcovať a skladovať teplo je vyššia hodnota znakom lepších tepelno-akumulačných vlastností.

Tepelná kapacita pre vybrané materiály.

Materiál

Hustota (kg/m3)

Tepelná kapacita

(J/m3. Deg. C)

Voda

1000

4186

Kameň

2500

2250

Betón

2100

1764

Tehla

1700

1360

Materiály, ktoré nie sú vhodné ako tepelný akumulátor

Drevo

610

866

Plasty

950

798

Sklo

25

25

V minulosti existovali pokusy architektov využiť ako tepelný akumulátor domu vodu skladovanú v objemných nádržiach alebo kamenné bloky. Teplo takto naakumulované bolo potom rozvádzané po budove systémom čerpadiel a ventilátorov. Tieto akumulátory sa však ukázali ako veľmi nepraktické, drahé, vyžadovali komplikovaný systém regulácie, navyše predstavovali živnú pôdu pre rôzne huby a mikroorganizmy, a preto sa od ich používania upustilo. Iným dôvodom ich odmietnutia bolo aj to, že záviseli na elektrine, vyžadovali si údržbu a  nefungovali tak, ako sa od nich očakávalo.

Tepelná izolácia

Izolačné materiály sú pre solárnu architektúru nesmierne dôležité. Tepelný zisk môže byť veľmi rýchlo vykompenzovaný únikmi tepla z budovy v dôsledku slabej izolácie. Kľúčovou úlohou je teda kontrolovanie toku tepla cez vonkajší materiál budovy. Na trhu existuje viacero izolačných materiálov. Niektoré, hlavne porózne materiály, fungujú na princípe odporu vzduchu zachytenom v drobných medzerách medzi vláknami alebo medzi bunkami vytvorenými v rôznych plastových resp. penových štruktúrach (polystyrén, polyuretán). Inými typmi izolačných materiálov sú rôzne reflexné fólie, ktoré odrážajú energiu (žiarenie) mimo objektu alebo povrchu.

CHLADENIE

V mnohých častiach sveta je pasívna solárna architektúra využívaná nielen na ohrievanie budovy ale aj na chladenie. Jednou z najosvedčenejších metód ako je možné budovu účinne chladiť, je tepelne ju prepojiť so zemou, ktorá má konštantnú teplotu. Umiestnenie prízemia minimálne jeden meter pod zem poskytuje rovnomernejšiu vonkajšiu teplotu, ktorá pomáha tak chladeniu ako aj vykurovaniu. Primeraná izolácia a kvalita stavebných prác sú však nevyhnutnou podmienkou pre kvalitu podzemnej stavby. Tepelná izolácia je najlepšia a tiež najekonomickejšia cesta ako temperovať budovu. Využitie tepelnej kapacity zeme a dobrej izolácie udržuje dom na primeranej teplote. Objekty vrhajúce tieň zvonku i zvnútra okien (žalúzie, záclony), ventilácia a rôzne reflexné filmy sú tiež veľmi dôležitými prvkami na udržanie vnútornej teploty budovy.

Z hľadiska chladenia budovy je vnútorné tienenie okien (záclony) menej účinné ako vonkajšie, nakoľko k blokovaniu slnečného žiarenia dochádza až v miestnosti, kde sa časť tepelného žiarenia absorbovala. V prípade, keď nie sú k dispozícii vonkajšie žalúzie alebo rolety, je vnútorné tienenie nevyhnutné. Reflexné filmy a nátery, ktoré sa nanášajú na sklo a často je možné sa s nimi stretnúť na administratívnych budovách, sú schopné odraziť až 85 % dopadajúceho žiarenia. Takýto film blokuje žiarenie počas celého roka, a je preto pre solárny dizajn nevhodný hlavne na oknách orientovaných na juh. Môže však byť účinný na netienených na východ a západ orientovaných oknách. Tieto filmy sa odporúčajú používať na oknách s čiastočným tienením, pretože absorbujú slnečné žiarenie a zohrievajú sklo nerovnomerne. Nerovnomerné ohrievanie skla môže spôsobiť jeho prasknutie alebo môže poškodiť tesnenie medzi tabuľami skla.

Zohrievanie vody Slnkom je jedným z najstarších spôsobov využívania slnečnej energie. Zariadenia, ktoré sa pre takéto účely v súčasnosti používajú, sa nazývajú slnečné kolektory. Kolektory pohlcujú slnečné žiarenie a premieňajú ho na teplo. Toto teplo je skladované vo vode alebo vo vzduchu a používa sa na prípravu teplej vody v budovách. Môže sa však využiť aj na ohrievanie bazénov, varenie alebo sušenie poľnohospodárskych plodín. Slnečné kolektory sa dajú využiť prakticky všade tam, kde sa vyžaduje teplo. Príprava teplej vody je po vykurovaní druhou najvyššou položkou, ktorú platí priemerná rodina u nás za energiu spotrebovávanú v domácnosti. Pre niektoré domy predstavuje dokonca najväčšiu položku. Ohrievanie vody slnečnými kolektormi môže výrazne znížiť náklady za teplo a to často až o 70%. Slnečný kolektor, ktorý je možné tiež využiť na predohrev vody, je jednoduché zariadenie a nevyžaduje si takmer žiadnu údržbu.

Kolektor zohrieva vodu na veľmi jednoduchom princípe, s ktorým sa väčšina ľudí stretla napr. v automobile alebo v záhradnej hadici, na ktorú dlhší čas svieti Slnko. Voda alebo predmety vo vnútri automobilu sa v nich môžu zohriať na veľmi vysokú teplotu. Slnečný kolektor sa zohrieva rovnako, pričom využíva absorbátor umiestnený v tepelno-izolovanom ráme, ktorý umožňuje podstatne zvýšiť účinnosť prestupu tepla. Aj keď sa dnes kolektory uplatňujú hlavne pri príprave teplej úžitkovej vody, je energiu nimi vyrobenú možné využívať aj na vykurovanie (prikurovanie) v objektoch. V takomto prípade sa však používajú kolektory s väčšou plochou resp. vákuové kolektory napojené na systém podlahového kúrenia. Často je však potrebné mať aj zálohový systém kúrenia, čo zvyšuje investičné náklady a cenu energie. Vykurovanie objektov slnečnými kolektormi je takto v našich podmienkach (poznačených zvýhodňovaním klasických fosílnych palív) dnes zväčša neekonomické. Príprava teplej úžitkovej vody sa i napriek pretrvávajúcim dotáciám do klasickej energetiky ukazuje ako podstatne ekonomickejšia. Kvalitné slnečné kolektory sú schopné ročne pokryť 60-75% energie potrebnej na prípravu teplej vody pre priemerný rodinný dom, pričom v období od apríla do októbra je možné úplne spoľahnúť sa na slnečnú energiu.

Veľmi sľubným sa ukazuje aj využitie solárnych kolektorov na ohrev vzduchu pre poľnohospodárske a potravinárske účely. Tieto kolektory, v ktorých namiesto vody sa ohrieva vzduch (ďalej rozvádzaný ventilátorom), je možné využiť napr. na sušenie dreva, sena alebo iných plodín. Príklady využitia vzdušných kolektorov existujú vo viacerých krajinách, pričom len vo Švédsku ich bolo inštalovaných viac ako 200.000 m2 . Umiestnené bývajú na strechách stodôl a využívajú sa hlavne na sušenie sena.

Dnes sú slnečné kolektory inštalované tak na rodinných domoch ako aj na poľnohospodárskych farmách, umývačkách áut, reštauráciách alebo priemyselných budovách. Tento pestrý zoznam miest má jedno spoločné – všade je potrebná teplá voda. Tým, že si kolektory našli cestu prakticky do všetkých kútov sveta, sa ukázala ich životaschopnosť a prínos nielen pre užívateľa ale aj pre ochranu životného prostredia.

HISTÓRIA

Slnkom ohrievaná voda sa využívala dávno pred tým, ako fosílne palivá začali určovať smer našej energetickej spotreby. Základné princípy ohrevu sú známe od nepamäti. Čierny povrch sa zohrieva na slnku rýchlejšie ako biely alebo svetlý . A práve tento princíp využívajú dnešné slnečné kolektory. Prvý známy plochý kolektor bol vyvinutý v roku 1767 švajčiarskym vedcom Horacom de Saussurom a neskôr bol zdokonalený Johnom Herschelom, ktorý ho využíval na varenie jedla počas svojej expedícii v Južnej Afrike v roku 1830.

Technológia slnečných kolektorov sa vyvinula do približne súčasnej podoby v roku 1908, kedy William J. Bailey z americkej oceliarne Carnegie Steel Company vyrobil kolektor s izolovaným rámom a medenými trubkami. Kolektor bol veľmi podobný termosifónu (pozri nižšie). Bailey predal asi 4000 kusov kolektorov do konca 1. svetovej vojny a podnikateľ z Floridy, ktorý jeho patent kúpil, predal ďalších približne 60.000 kusov do roku 1941. Obmedzenie predaja medi v USA počas 2. svetovej vojny viedlo k prudkému poklesu výroby a predaja kolektorov. Záujem o tieto zariadenia sa objavil až po vypuknutí ropnej krízy a obrovskom náraste cien energie v roku 1973. Táto kríza významne pomohla technológiám využívajúcim obnoviteľné zdroje energie na celom svete. Narastajúca podpora a investície do vývoja nových technológií znamenali, že od 70-tych rokov 20. storočia sa účinnosť solárnych systémov veľmi zvýšila. Nové sklá a materiály pokrývajúce kolektory, selektívne farby nanášané na absorbátor, zlepšená izolácia to všetko viedlo k vyšším energetickým ziskom.

TRH SO SLNEČNÝMI KOLEKTORMI

Slnečné kolektory sú dnes už vyspelou technológiou, ktorá sa uplatňuje prakticky po celom svete. Trh s plochými kolektormi predstavuje významnú položku v krajinách ako sú Izrael, Čína, Cyprus, Japonsko, Austrália, Rakúsko, Nemecko, Grécko, Turecko alebo USA. Predaj v Európe sa orientuje hlavne na domácnosti, kde okrem prípravy teplej úžitkovej vody sa využíva aj solárne vykurovanie budov a vyhrievanie bazénov. Svetová produkcia slnečných kolektorov v roku 1995 dosiahla 1,3 milión m2, pričom Európsky trh vrátane stredomorských štátov predstavoval asi 40% produkcie. Celková plocha inštalovaných kolektorov presiahla 30 milión m2 z toho v EÚ 8 mil. m2. Predaj má od roku 1980 stále rastúci trend, pričom celosvetový nárast výroby predstavuje asi o 20 % za rok.

Medzi európskymi krajinami je na čele výroby Grécko, ktoré exportuje až 40 % svojej produkcie. Cieľom gréckeho priemyslu je zvýšiť ročnú výrobu do roku 2005 na 1,3 milión solárnych systémov s celkovou plochou kolektorov 5 milión m2. Projekt realizovaný na Kréte si vyžiada inštaláciu 20.000 kolektorov počas dvoch rokov. Na gréckom trhu je v súčasnosti inštalovaných 70.000 kolektorových systémov ročne, čo prispieva k znižovaniu emisií CO2 o 1,5 milión ton. Z pohľadu celkovej inštalovanej plochy kolektorov je z krajín EÚ najlepšie Nemecko so 450.000 m2 (1997) pred Rakúskom s 210.000 m2. Predaj slnečných kolektorov v EÚ v roku 1996 predstavoval viac ako 700.000 m2 plochých kolektorov so skleneným pokrytím a asi 150.000 m2 bez pokrytia. Ukazuje sa, že nárast predaja bude pokračovať aj naďalej, nakoľko EÚ prijala významné opatrenia na podporu obnoviteľných zdrojov energie. Výroba slnečných kolektorov významne prispela aj k tvorbe nových pracovných miest. V roku 1999 v tomto sektore pracovalo asi 10.000 ľudí.

Výroba plochých presklenných kolektorov v niektorých krajinách v roku 1994.

 

Výroba v m2

Nemecko

170.000

Grécko

165.000

Rakúsko

100.000

Veľká Británia

40.000

Dánsko

20.000

Ostatní

55.000

550.000

Plocha slnečných kolektorov inštalovaných v niektorých krajinách a regiónoch.

 

Plocha kolektorov v m2

Stredomorské krajiny

8,5 milión

USA

6,5 milión

Japonsko

6 milión

5,6 milión

Austrália

2,5 milión

Čína

1,5 milión

Plocha slnečných kolektorov na jedného obyvateľa bola v roku 1992 najväčšia na Cypre a v Izraeli - 0,5 m2 , za ktorým nasledovalo Grécko a Rakúsko. Analýza štatistík predaja slnečných kolektorov na jedného obyvateľa ukazuje, že nie klimatické, ale politicko-ekonomické podmienky v krajine určujú objem výroby a predaja. Úspech tejto technológie na Cypre nie je len výsledkom toho, že tu nie sú fosílne zdroje energie, ale aj cielenej vládnej politiky. Silné legislatívne zázemie v prospech využívania slnečnej energie existuje aj v Izraeli. Izrael a Cyprus sú jedinými krajinami, kde existuje povinnosť inštalovať solárne systémy na prípravu teplej vody na všetkých nových budovách. Toto opatrenie bolo zavedené postupne. V Izraeli sa najskôr vyžadovalo aby všetky budovy vyššie ako 8 poschodí boli vybavené solárnym systémom s dostatočným zásobníkom. Toto bolo neskôr rozšírené na všetky nové obytné budovy v krajine. V roku 1983 bol prijatý zákon, podľa ktorého všetky nové hotely, školy a nemocnice musia mať inštalované solárne systémy. Tieto opatrenia boli sprevádzané finančnou podporou zo strany štátu. Podobný vývoj prebehol aj na Cypre, kde je v súčasnosti 90% individuálnych rodinných domov a 15% viacbytových objektov vybavených slnečnými kolektormi.

obr. Izrael.jpg

Text:

Slnečné kolektory na strechách domov v Izraeli.

Na Slovensku bolo do roku 1997 inštalovaných asi 20.000 m2 slnečných kolektorov, ktoré sa využívajú prevažne v rodinných domoch. Výnimkou nie sú však ani kolektory v priemyselných resp. poľnohospodárskych podnikoch. Medziročný prírastok novo-inštalovaných kolektorov je u nás veľmi malý a v roku 1994 bol len 0,25 m2 na 1000 obyvateľov. Za zmienku stojí, že v Rakúsku je tento prírastok 15,4 m2/1000 obyvateľov, pričom medziročný nárast predstavuje 20-25%. V súčasnosti v tejto alpskej krajine pripadá 73 m2 slnečných kolektorov na 1000 obyvateľov. Na Slovensku je to takmer 20-krát menej - 3,6 m2/1000 obyvateľov. Je evidentné, že množstvo energie, ktorú je zo slnečných kolektorov možné získať, je v oboch krajinách zhruba rovnaké. Uvedené rozdiely vo využívaní sú však výsledkom cieleného úsilia, na ktorom sa v Rakúsku podieľa veľká časť obyvateľstva. Situácia u nás je o to smutnejšia, že na Slovensku dnes existuje dostatočná materiálna základňa pre širšie uplatnenie týchto technológií, veď v Žiari nad Hronom sídli jedna z najväčších svetových firiem vyrábajúcich kolektory (zn. HELIOSOLAR) špičkovej kvality. Dnes však len 3% z produkcie Thermo/Solaru končí na našom trhu, čo je výsledkom nielen vysokej konkurencie schopnosti kolektorov na zahraničných trhoch, ale aj nepriaznivých podmienok na domácom trhu. Hlavné bariéry u nás predstavuje nízka cena energie, malá informovanosť verejnosti, dlhá doba návratnosti vložených investícií, nedostatok kapitálu, vysoké úroky a relatívne vysoké investície pre domácnosti.

POTENCIÁL

Celkový potenciál ročnej výroby slnečných kolektorov v Európe sa odhaduje na 360 milión m2, čo predstavuje finančný objem asi 50 miliárd dolárov USD pri ročnom náraste 23%. Očakáva sa, že do roku 2005 by plocha inštalovaných kolektorov s pokrytím v EÚ mohla dosiahnuť 28 milión m2. Plocha kolektorov bez skleneného pokrytia (plastové kolektory na vyhrievanie bazénov) by mala dosiahnuť 20 milión m2.

TYPY SLNEČNÝCH KOLEKTOROV

Typický slnečný kolektor pracuje ako miniatúrny skleník, ktorý zachytáva teplo pod skleneným (alebo iným priesvitným) krytom. Keďže slnečné žiarenie má difúznu povahu a jeho intenzita je relatívne nízka, kolektorová plocha býva zvyčajne dosť veľká (niekoľko m2). Kolektory sú vyrábané v rôznych veľkostiach a tvaroch v závislosti na požiadavkách ich využitia. Na trhu existuje viacero typov, ktoré možno rozdeliť do niekoľkých kategórií. Jedno z takýchto rozdelení je v závislosti na teplote, ktorú v pracovnom médiu (voda alebo vzduch) kolektory dosahujú.

Takéto rozdelenie kolektorov je však len orientačné a častejšie je možné sa stretnúť s rozdelením podľa konštrukcie kolektorov, kde tiež existuje značná rôznorodosť.

KOLEKTORY S INTEGROVANÝM ZÁSOBNÍKOM

Najjednoduchšou formou solárneho kolektora je tzv. “zásobníkový typ” alebo termosifón. Toto označenie vychádza z toho, že kolektor je súčasne absorbérom i zásobníkom teplej vody súčasne. Zásobníkové kolektory sa využívajú na predohrev alebo ohrev vody. Predohrev vody je výhodný, pretože znižuje náklady na energiu potrebnú na vlastný ohrev vody v domácnosti. Zásobníkové kolektory sú lacnou alternatívou bežných plochých kolektorov. Vyznačujú sa tým , že nemajú žiadne pohyblivé časti, nevyžadujú takmer žiadnu údržbu a majú nulové prevádzkové náklady. Kolektory s integrovaným zásobníkom využívajú zvyčajne jednu čiernu nádrž naplnenú vodou a umiestnenú do tepelno-izolovaného boxu nad absorbérom. Niektoré boxy majú tiež reflektory, ktoré zvyšujú zisk tepelného žiarenia. Nevýhodou týchto kolektorov je, že musia byť chránené pred mrazom a ich použitie v zime prakticky nie je možné.

PLOCHÉ KOLEKTORY

Ploché kolektory sú najčastejšie používanými kolektormi na prípravu teplej vody. Typický kolektor predstavuje izolovaný box so skleneným alebo iným pokrytím z priesvitného materiálu a čierny plochý absorbátor. Bočné strany kolektora sú izolované podobne ako spodná strana, čím sa znižujú straty energie. Použitý transparentný materiál je dôležitý z hľadiska strát energie. Sklo s nízkym obsahom železa sa vyznačuje vysokou priepustnosťou pre dopadajúce svetelné žiarenie a malou priepustnosťou pre unikajúce tepelné žiarenie z kolektora. Slnečné žiarenie prechádza transparentným krytom a dopadá na absorbátor, ktorý sa zohrieva, a tak premieňa toto žiarenie na teplo. Absorbátor býva najčastejšie čierny, nakoľko tmavá farba absorbuje viac slnečného žiarenia ako farba svetlá. Teplo sa v absorbátore odovzdáva teplonosnému médiu, ktorým môže byť tak voda ako aj vzduch, prechádzajúci v trubkách absorbátora. Pretože väčšina čiernych farieb odráža asi 10% dopadajúceho žiarenia, niektoré kolektory bývajú pokryté tzv. “selektívnym náterom”, ktorý zvyšuje absorpciu tepla v kolektore (znižuje úniky), a tiež býva trvanlivejším ako bežná čierna farba. Selektívny náter predstavuje veľmi tenkú vrstvu amorfného polovodiča naneseného na kovový substrát. Tieto nátery majú vysokú absorpciu v oblasti viditeľného svetla a malú emisivitu v oblasti dlhovlnového infračerveného žiarenia. Absorbátory bývajú vyrobené z kovov, najčastejšie medi alebo hliníka, ktoré sa vyznačujú veľmi dobrou tepelnou vodivosťou. Meď je drahšia ako hliník, avšak vyznačuje sa vyššou vodivosťou a lepšou odolnosťou proti korózii.

KVAPALINOVÉ KOLEKTORY

V kolektoroch s kvapalinou ako teplonosným médiom slnečná energia zohrieva vodu alebo nemrznúcu zmes prechádzajúcu trubkami v absorbátore. V takomto kolektore sú trubky pripevnené (privarené) k absorbátoru tak, aby teplo pohltené absorbátorom preniklo s najnižšími stratami do kvapaliny. Trubky prechádzajú absorbátorom buď paralelne s osobitnými vstupmi a výstupmi na hornej a dolnej strane alebo serpentínovite. Serpentínovité rozloženie znižuje možné úniky kvapaliny na vstupe resp. výstupe a zaisťuje rovnaký prietok. Takýto tvar však môže predstavovať problém v systémoch, ktoré sa musia na zimu vypustiť, pretože v ohyboch trubky môže zostávať voda. Najjednoduchšie ploché kolektory využívajú úžitkovú vodu, ktorá sa po prechode kolektorom zohrieva, potrubím prechádza do domu, kde sa využíva. Takýto systém sa nazýva samotiažny. V miestach, kde sa vyskytujú mrazy, sa však voda z takýchto systémov musí na zimu vypúšťať, alebo sa musí do vody primiešavať nemrznúca zmes.

Ploché kolektory sa v našich podmienkach najčastejšie využívajú spolu so zásobníkom vody, kde sa teplá voda z kolektora skladuje. Takýto zásobník slúži hlavne ako tepelný výmenník, do ktorého z jednej strany priteká studená voda a z druhej strany sa odoberá teplá voda vyrobená kolektorom. Zásobník býva umiestnený mimo kolektora v budove. Takéto systémy využívajú obehové čerpadlo a niektoré regulačné prvky. Ploché kolektory s kvapalinovým teplonosičom sa okrem prípravy úžitkovej teplej vody využívajú niekedy aj na vykurovanie priestorov. Kolektory bez transparentného pokrytia sa najčastejšie využívajú na ohrev vody v bazénoch. Pretože takéto kolektory nepracujú s vysokou teplotou vody, používajú sa na ich výrobu lacné materiály najčastejšie plasty alebo guma. Taktiež ich použitie hlavne v letných mesiacoch znamená, že nepotrebujú nemrznúcu zmes a pracujú s obyčajnou vodou.

Obr. kolektor

Vzduchové kolektory

Ploché kolektory, ktorých teplonosným médiom je vzduch, majú výhodu v tom, že v zime nezamrznú a v horúcom lete nemôže dôjsť k varu vody ako v nesprávne prevádzkovaných kvapalinových kolektoroch. Hoci úniky tepla z kolektora sa tu ťažšie zisťujú, dôsledok takýchto únikov nepredstavuje taký vážny problém ako u kvapalinových kolektorov. Na konštrukciu vzduchových systémov sa tiež využívajú lacnejšie materiály ako napr. plasty, pretože ich pracovná teplota je zvyčajne nižšia ako v kvapalinových kolektoroch.

Vzduchové kolektory sú jednoduché zariadenia využívané hlavne na vykurovanie priestorov a sušenie poľnohospodárskych rastlín. Absorbátorom býva kovový materiál (plech), cez ktorý prúdi vzduch vháňaný ventilátorom. Pretože vzduch vedie teplo oveľa menej ako voda, výsledkom je, že prestup tepla medzi absorbátorom a vzduchom je nižší, čo znamená menší tepelný zisk ako v prípade kvapalinových kolektorov. V niektorých vzduchových kolektoroch sa používajú aj ventilátory umiestnené na absorbátori, aby sa zvýšila turbulencia vzduchu a zlepšil prenos tepla. Nevýhodou takýchto systémov je vyššia spotreba elektrickej energie na pohon ventilátorov, a tým aj vyššie prevádzkové náklady. V oblastiach s chladnejšou klímou býva vzduch vháňaný medzi absorbátor a spodnú stenu izolácie, aby sa znížili straty tepla cez sklo. Pri prechode vzduchu medzi absorbátorom a spodnou časťou kolektora (najjednoduchší typ kolektora) dochádza k zohriatiu vzduchu o 3 až 5 st. Celzia v dôsledku vysokých strát tepla vyžarovaním a vedením. Straty tepla cez povrch kolektora je možné čiastočne znížiť pokrytím kolektora priehľadným materiálom s nízkou priepustnosťou infračerveného žiarenia. Toto pokrytie však podstatne znižuje intenzitu dopadajúceho žiarenia na povrch, avšak v dôsledku znížených strát teplota ohriateho vzduchu môže vzrásť na 20 až 50 stupňov Celzia podľa kvality izolácie a prietoku vzduchu. Ďalšie zníženie strát tepla (a zvýšenie zisku) je možné dosiahnuť tým, že sa vzduch vháňa do kolektora nad i pod absorbátorom čím sa zdvojnásobí plocha prenosu tepla. Straty tepla vyžarovaním sú znížené v dôsledku nižšej teploty absorbátora.

Niektoré typy vzduchových kolektorov nevyužívajú priehľadné pokrytie alebo izolačný box, v ktorom sa nachádza absorbátor. Takéto kolektory sú vyrobené len z čierneho perforovaného kovového materiálu, ktorý predstavuje vlastný absorbátor. Slnečné žiarenie zohrieva kov a ventilátor vháňa vzduch do jeho otvorov. Typický kolektor s rozmermi 2,4x 0,8 metra je schopný zohriať 0,002 m3 vzduchu za sekundu. Dokonca aj počas zimného slnečného dňa dokáže takýto kolektor zohriať vzduch až o 28°C nad okolitú teplotu. Perforované kolektory sa vyznačujú relatívne vysokou účinnosťou – viac ako 70% pre niektoré komerčné zariadenia. Prednosťami vzduchových kolektorov sú jednoduchosť a spoľahlivosť, pričom ich životnosť býva 10 až 20 rokov.

Súčasné použitie vzduchových kolektorov sa dnes obmedzuje len na prípravu horúceho vzduchu, na vykurovanie a sušenie poľnohospodárskych produktov hlavne v rozvojových krajinách. Hlavným obmedzením brániacim širšiemu využitiu týchto kolektorov sú:

V krajinách s nízkou intenzitou slnečného žiarenia a dlhšími obdobiami zlého počasia je použitie vzduchových kolektorov na vykurovanie problematické, pretože býva často nevyhnutné inštalovať dodatočný vykurovací systém, čo zvyšuje náklady až na hranicu kedy sa solárny systém stáva neekonomický. Sľubnou cestou znižovania finančných nákladov je zabudovanie vzduchových kolektorov do stien a striech budov a výroba kolektorov z prefabrikovaných prvkov.

VÁKUOVÉ KOLEKTORY

Ploché kolektory sa uplatňujú predovšetkým v oblastiach s dostatkom slnečného svitu a ich hlavné využitie sa obmedzuje na letné a čiastočne jesenné a jarné obdobie. Ich výhody sa rýchlo strácajú v chladnejšom období so zatiahnutou oblohou. Navyše vlhkosť časom spôsobuje koróziu vnútorných materiálov, čím sa znižuje účinnosť zariadenia. Všetky tieto nevýhody odstraňujú tzv. vákuové kolektory. Tieto kolektory zohrievajú vodu pre také aplikácie, ktoré si vyžadujú vyššie teploty. Vo vákuovom kolektore slnečné žiarenie dopadá cez vonkajšiu sklenenú trubicu na trubicu absorbátora, umiestnenú vo vnútri a zohrieva kvapalinu pretekajúcu cez absorbátor. Obe trubice sú vákuovo izolované, čo výrazne znižuje tepelné straty vedením. Hoci straty vyžarovaním nie je možné úplne odstrániť, sú oveľa nižšie ako v plochom kvapalinovom kolektore. Vlastný kolektor pozostáva z viacerých paralelne umiestnených sklenených trubíc, pričom v každej z nich sa nachádza samostatný absorbátor pokrytý selektívnym náterom. Ohriata kvapalina ďalej prúdi do tepelného výmenníka (zásobníka), z ktorého sa potom odoberá pre ďalšie použitie. Vákuové kolektory majú modulárny charakter a trubice môžu byť pridávané alebo odoberané s ohľadom na množstvo potrebnej teplej vody. Vákuum v sklenenej trubici je považované za najlepšiu izoláciu, ktorá súčasne chráni absorbátor pred vonkajšími vplyvmi.

Na trhu existuje viacero typov vákuových kolektorov. Niektoré využívajú dokonca tretiu sklenenú trubicu vo vnútri absorbátora alebo iné konfigurácie trubíc. Jeden typ vákuového kolektora pozostáva z vnútorných trubíc, z ktorých každá je súčasne zásobníkom pre 19 litrov vody, čím odpadá potreba osobitného zásobníka mimo kolektora. Reflektory umiestnené pod vákuovou trubicou sú schopné dodatočne zvýšiť množstvo dopadajúceho slnečného žiarenie na trubicu absorbátora. Vonkajší atmosferický tlak a problémy spojené s utesnením však robia z vákuových kolektorov technicky mimoriadne náročné zariadenie. Aby kolektor vydržal značný atmosferický tlak, je vybavený viacerými vnútornými podporami. Avšak problémy s dlhodobým udržaním vákua a dosiahnutie prijateľných výrobných nákladov sú doposiaľ hlavnou prekážkou ich rozšírenia.

obr. vakumkol.jpg

Vákuové kolektory sú však účinnejšie a dosahujú vyššie teploty ako ploché kolektory z viacerých dôvodov. Jednak sú schopné využívať tak priame ako aj rozptýlené slnečné žiarenie, čo spolu s minimálnymi stratami ich predurčuje pre chladnejšie oblasti. Navyše kruhový tvar trubice znamená, že slnečné žiarenie dopadá kolmo na absorbátor väčšinu dňa. Pre porovnanie: plochý kolektor s fixovanou polohou využíva maximum slnečného svitu len na poludnie. Hoci vákuové kolektory sú s hľadiska svojich technických parametrov výhodnejšie ako ploché, ich cena je oveľa vyššia. Pre bežného užívateľa, ktorý nepožaduje vysoké teploty je preto často výhodnejšie nahradiť menší zisk väčšou plochou klasického plochého kolektora, čo v mnohých prípadoch nebýva problém.

KONCENTRUJÚCE KOLEKTORY

Koncentrujúce kolektory využívajú zrkadliace povrchy, ktoré koncentrujú slnečné žiarenie do ohniska, v ktorom sa nachádza absorbátor. Tieto zariadenia dosahujú oveľa vyššie teploty ako ostatné kolektory, na druhej strane sú schopné využívať len priame slnečné žiarenie, čo znamená, že počas oblačných dní ich tepelný zisk je prakticky zanedbateľný. Vysoké teploty sa v koncentrujúcich kolektoroch dosahujú tým, že veľká zrkadliaca plocha koncentruje žiarenie do malej plochy absorbátora. Niektoré typy koncentrujú žiarenie do jedného bodu (ohniska), kým iné do jednej ohniskovej čiary. Absorbátorom prechádza kvapalina, ktorá vedie vytvorené teplo do osobitného zariadenia, kde sa môže meniť napr. i na elektrickú energiu (pozri kap. Solárna termálna výroba elektriny). Koncentrujúce kolektory sú prakticky využiteľné v oblastiach s veľmi vysokou intenzitou slnečného žiarenia blízko rovníka resp. v púštnych oblastiach s minimom oblačných dní. Keďže najväčší zisk sa dosahuje pri kolmom dopade žiarenia na zrkadlá, sú tieto zariadenia vybavené natáčacím mechanizmom, ktorý mení ich polohu v priebehu dňa tak, aby boli stále nasmerované k slnku. Jednoduché natáčacie zariadenia menia polohu v smere od východu na západ. Natáčacie zariadenia s dvoma osami navyše sledujú pohyb slnka aj od severu na juh a optimálne sledujú jeho polohu počas celého roka. Vzhľadom na to, že koncentračné kolektory sú drahé a natáčacie zariadenia si vyžadujú častú údržbu, ich použitie sa obmedzuje len na niektoré komerčné aplikácie.

SLNEČNÉ VARIČE A DESTILÁTORY

Okrem klasických kolektorov je možné slnečné žiarenie využívať aj v relatívne veľmi jednoduchých a lacných zariadeniach – solárnych boxoch používaných na varenie alebo destiláciu vody. Slnečné variče (pozri nižšie) sú nenáročné zariadenia z hľadiska ich výroby i použitia. Často pozostávajú len z izolovanej krabice na vnútornej strane pokrytej reflexným materiálom a prikrytej skleneným krytom. Vybavené bývajú aj vonkajším reflektorom, ktorý odráža slnečné žiarenie do vnútorného priestoru, v ktorom sa nachádza nádoba s potravinami určenými na varenie. Takéto zariadenia dosahujú vo vnútri až bod varu, čo umožňuje ich využívanie aj na sterilizáciu a ničenie baktérií. Slnečné destilačné zariadenia (pozri nižšie) sú zariadenia používané na prípravu destilovanej vody zo slanej morskej vody alebo kontaminovanej nepitnej vody. Pracujú na princípe vyparovania vody v uzatvorenom kontajneri, ktorého konštrukcia urýchľuje normálny proces vyparovania. Destilátor sa skladá z izolovaného na čierno natreného boxu, pokrytého priehľadným materiálom skloneným tak, aby skondenzovaná čistá voda stekala do skladovacej nádrže.

POUŽITIE SLNEČNÝCH KOLEKTOROV

Slnečnú energiu premieňanú slnečnými kolektormi na užitočnú energiu je dnes možné využiť viacerými spôsobmi, z ktorých mnohé sú cenovo výhodné. Najčastejšie sa s nimi môžeme stretnúť pri:

Technológie pre uvedené aplikácie sa považujú za dostatočne vyvinuté a pre prvé dve aplikácie (príprava teplej vody a vyhrievanie bazénov) aj cenovo výhodné v porovnaní s inými technológiami prípravy teplej vody. Osobitnú kategóriu tvoria koncentrujúce kolektory, ktoré sú v niektorých oblastiach (púšte) ekonomicky výhodnými aj na výrobu elektrickej energie (pozri kapitolu o slnečnej výrobe elektriny).

PRÍPRAVA TEPLEJ VODY

Dnes vo svete pracuje niekoľko miliónov slnečných kolektorov vyrábajúcich teplú vodu. Tieto systémy poskytujú užívateľom často rovnaký komfort ako systémy s klasickými palivami, sú však z hľadiska ochrany prírody oveľa prijateľnejšie. Jeden kolektor je schopný zamedziť emisiám jednej až dvoch ton oxidu uhličitého počas jedného roka, ktoré by vznikli pri ohreve vody fosílnymi palivami. Emisie iných škodlivín ako sú oxidy síry dusíka alebo prachových častíc počas činnosti kolektora taktiež nevznikajú. Umývanie riadu alebo sprchovanie sa teplou vodou zohriatou slnečným žiarením v lete je prirodzenou a jednoduchou metódou ochrany prírody a úspory energie. Keď sú slnečné kolektory správne navrhnuté a inštalované, môžu byť aj estetickými prvkami na budove priťahujúcimi pozornosť a zvyšujúcimi úžitkovú hodnotu budovy. Na nových budovách však môžu byť kolektory zabudované do strechy tak, že sú pre vonkajšieho pozorovateľa prakticky neviditeľné.

Príprava teplej vody je v súčasnosti najrozšírenejším spôsobom využitia slnečných kolektorov. Aj v takých oblastiach ako je Severná Európa sú kolektory schopné pokryť energetické nároky na teplú vodu na 50 až 70%. Väčšie pokrytie je možné získať využitím tzv. sezónneho skladovania teplej vody (pozri kapitolu nižšie). V Južnej Európe sú kolektory schopné pokryť 70 až 90% energetických potrieb na prípravu teplej vody.

Zohrievanie vody kolektormi je veľmi účinnou metódou premeny slnečného žiarenia na energiu. Kým slnečné (fotovoltaické) články dosahujú účinnosť výroby elektriny asi 10-15%, slnečné kolektory majú účinnosť prípravy teplej vody 50 až 90%. Hoci slnečná energia nedokáže úplne pokryť celoročné nároky na prípravu teplej vody, slnečné kolektory v kombinácii s inými obnoviteľnými zdrojmi napr. drevom, štiepkami alebo peletami spaľovanými v kotloch na biomasu, sú schopné pokryť takúto potrebu počas roka bez nárokov na fosílne palivá.

FINANČNÉ NÁKLADY

Slnečné kolektory spolu s ostatnými nevyhnutnými zariadeniami (zásobník, čerpadlo, potrubie atď.) sa vyznačujú relatívne vysokou cenou celého zariadenia, ktorá v našich podmienkach môže pre jeden rodinný dom dosiahnuť i 100 tisíc korún. Nevýhodou je, že celú investíciu, ktorá je vyššia, ako v prípade plynového alebo elektrického boilera, je potrebné realizovať na začiatku. Fakt, že počas životnosti solárneho zariadenia nie je potrebné platiť za palivo znamená, že celkové náklady počas životnosti zariadenia sú zvyčajne nižšie ako v prípade plynového alebo elektrického boilera. Návratnosť vložených investícií závisí hlavne na cene fosílnych palív nahradených slnečným žiarením a v Európe sa pohybuje na úrovni 10 rokov. Životnosť solárnych zariadení však býva 20 i viac rokov. Veľkou výhodou je, že majiteľ takéhoto zariadenia nebude ohrozený rastom cien klasických palív v budúcnosti. Dôležitou črtou solárneho zariadenia je tzv. energetická návratnosť t.j. doba po ktorú zariadenie vyrobí toľko energie, koľko sa spotrebovalo na jeho výrobu. V Severnej Európe s minimom slnečného žiarenia je táto doba približne 3 roky.

KOĽKO ENERGIE KOLEKTOR VYROBÍ ?

Množstvo energie vyrobenej slnečným kolektorom závisí od dopadajúceho žiarenia a od účinnosti celého systému. Intenzita slnečného žiarenia sa často mení a je kľúčovým parametrom solárneho zariadenia. Účinnosť solárneho systému závisí na účinnosti kolektorov a stratách v obehovom systéme teplej vody (kolektor-zásobník). Keďže účinnosť obehového systému je závislá na viacerých špecifických parametroch v ďalšom je rozoberaná len účinnosť solárnych kolektorov. Účinnosť kolektora je definovaná ako podiel vyrobenej energie a energie dopadajúcej na kolektor. Je evidentné, že účinnosti sa pre rôzne typy kolektorov líšia a okrem intenzity dopadajúceho žiarenia závisia aj od tepelných a optických strát – väčšie straty znamenajú nižšiu účinnosť. Tepelné straty sú minimálne, keď je teplota vody kolektora rovnaká ako okolitá teplota vzduchu. Z tohto dôvodu vykazujú jednoduché absorbátory bez skleneného pokrytia pracujúce s nízkymi prevádzkovými teplotami a používané na vyhrievanie bazénov najvyššie účinnosti – až 90%. Avšak keby sa tieto kolektory použili na prípravu teplej vody, ktorá má zvyčajne teplotu asi 40 stupňov Celzia nad okolitou teplotou, ich účinnosť klesne na menej ako 20%. V takomto prípade sa najlepšie výsledky dosahujú s vákuovými a plochými kolektormi so selektívnym pokrytím. Keď sa vyžadujú ešte vyššie teploty vody napr. na vykurovanie, najlepšie výsledky sa dosahujú s vákuovými kolektormi.

Účinnosť slnečných kolektorov v Strednej Európe na poludnie v letnom dni (pre intenzitu žiarenia -800 W/m2).

 

Účinnosť pri teplotnom rozdieli (*)

Typ kolektora

0 st. C

(vyhrievanie bazénov)

40 st. C

(príprava teplej vody pre domácnosti)

50 st. C (**)

(vykurovanie priestorov)

Absorbátor bez pokrytia

90 %

20 %

0%

Plochý kolektor (neselektívne pokrytie)

75 %

35 %

0%

Plochý kolektor (selektívne pokrytie)

80 %

55 %

25 %

Vákuový kolektor

60 %

55 %

50 %

* Rozdiel medzi okolitou teplotou vzduchu a teplotou vody vo vnútri kolektora.

** Hodnoty pre nižšiu intenzitu žiarenia začiatkom jari (400 W/m2).

Pozn. Nízka účinnosť vákuových kolektorov v oblasti nízkych teplôt je spôsobená vysokými optickými stratami na zakrivenom povrchu skla.

Je evidentné, že kľúčovým parametrom pri výbere kolektora je popri jeho cene spôsob jeho využitia.

Porovnanie rôznych typov kolektorov na nemeckom trhu a ich ekonomické parametre sú uvedené v tabuľke.

Využitie

Typ kolektora

Prevádz. teplota ° C

Výroba energie kWh/m2/rok

Cena v DM

DM/kWh (*)

Vyhrievanie bazénu

Absorbátor

20-40

250-300

100-250

0,02-0,04

Príprava teplej vody

Plochý kolektor

Vákuový kolekt.

20-70

20-100

250-450

350-450

800-1900

1500-2500

0,16-0,21

0,21-0,28

Sušenie

Vzduchový kolektor

20-50

300-400

400-1000

0,06-0,13

* na m2 pri dobe životnosti 20 rokov.

Solárny systém môže byť navrhnutý ako jediný zdroj teplej vody, alebo môže byť doplnený iným zálohovým systémom pokrývajúcim nároky na energiu počas nepriaznivého počasia. Veľkosť celého systému závisí na počte miestností v budove, počte ľudí a spotrebe vody. Existuje niekoľko konfigurácií, vo všeobecnosti ich však je možné rozdeliť na aktívne systémy s čerpadlami a regulačnými prvkami na prenos teplej vody do zásobníka a pasívne systémy, ktoré využívajú prirodzenú cirkuláciu teplej vody.

Pri navrhovaní systému je najdôležitejšie určiť spotrebu teplej vody počas priemerného dňa. Ak je známa spotreba vody, je ďalej potrebné vypočítať veľkosť systému (plocha kolektorov, objem zásobníka). V nasledujúcej časti je uvedených niekoľko všeobecných pravidiel pri navrhovaní solárneho systému na prípravu teplej vody.

Slnečný kolektor

Slnečný kolektor je hlavnou časťou solárneho zariadenia. Najčastejšie sa využívajú ploché kolektory s priehľadným pokrytím absorbátora umiestneným v izolovanom boxe, ktorý drží celý kolektor pohromade. Keď je použité sklo ako pokrytie kolektora, je dôležité, aby malo nízky obsah železa a aby prepustilo aspoň 95% dopadajúceho slnečného žiarenia. V praxi sa nepoužíva viac ako jedna vrstva pokrytia. Ak sa používa priehľadný plastový materiál je dôležité, aby tento nepodliehal negatívnemu účinku ultrafialového žiarenia. Ako najlepšie sa v tomto smere ukázali polykarbonátové plasty. Absorbátor môže byť vyrobený z plechu s navarenými trubkami, v ktorých preteká kvapalina. Absorbátor sa zvyčajne vyrába z medi alebo nehrdzavejúcej ocele. Bežné oceľové trubky spôsobujú značné problémy v dôsledku ich korózie. Je dôležité, aby absorbátor vydržal vysoké teploty, ktoré dosahujú 100-140° C pre kolektory s neselektívnym pokrytím a 150-200° C so selektívnym pokrytím.

Výroba plochého kolektora si vyžaduje ohýbanie trubiek a ich privarovanie k plechu absorbátora. Čím väčší je kontakt medzi trubkami a plechom, tým viac energie prenikne do kvapaliny prechádzajúcej kolektorom. Selektívne pokrytie špeciálnym náterom znamená nielen vyšší teplotný zisk ale odstraňuje aj problémy s “odplyňovaním” klasickej čiernej farby pri vysokej teplote. Pri normálnych podmienkach klasická čierna farba vyžaruje teplo viac do okolia ako ho odovzdáva kvapaline v trubkách absorbátora. Materiál, z ktorého je vyrobená vonkajšia konštrukcia kolektora môže byť drevo, plast, oceľ alebo hliník. Najlepším z nich však je hliník. Tento kov si vyžaduje najmenšiu údržbu a nie je potrebné ho natierať. Plasty sa ukázali ako veľmi problematické materiály pre výrobu kolektorov, pretože majú vlastnosť degradovať pri dlhodobom pôsobení ultrafialového žiarenia. Menia farbu, postupom času sa stávajú krehkými a vznikajú v nich trhliny. Plasty majú tiež vysoký koeficient expanzie – často sa rozťahujú a sťahujú, čím vzniká problém utesnenia spojov. Použitie ocele na vonkajšiu konštrukciu má tiež nevýhody. Jednou z nich je že oceľ si vyžaduje pravidelné natieranie a že chemicky reaguje s meďou, keď je použitá ako materiál absorbátora.

Slnečné kolektory sa zvyčajne montujú na strechu budovy alebo na konštrukciu pri budove. Ich zabudovanie do strechy však môže spôsobovať problémy s utesnením strechy. Veľkosť slnečných kolektorov závisí od dennej spotreby teplej vody. Vo všeobecnosti platí, že jeden človek denne spotrebuje asi 50 litrov vody s teplotou 55 až 60 stupňov Celzia (umývanie, kúpanie, bez prania). V našich podmienkach je na výrobu 50 litrov teplej vody denne potrebných asi 1-1,5 m2 slnečných kolektorov. Výber veľkosti kolektora však závisí aj na ponuke výrobkov na trhu a nie vždy je možné nájsť veľkosť, ktorá by presne spĺňala túto požiadavku, preto býva lepšie zvoliť väčší kolektor, ktorý poskytne istú rezervu.

ORIENTÁCIA SLNEČNÝCH KOLEKTOROV

Orientácia (sklon) slnečných kolektorov je veľmi dôležitá z hľadiska optimálneho zisku energie. Zemská atmosféra pohlcuje a odráža značnú časť slnečného žiarenia, pričom najväčší zisk je možné dosiahnuť na poludnie, keď je priame žiarenie najmenej ovplyvnené atmosférou. Slnečné kolektory sa v našich podmienkach orientujú priamo na juh. Odchýlka o 20 stupňov na východ resp. západ však nemá veľký vplyv na zisk kolektora. Slnečné kolektory vybavené natáčacím zariadením , ktoré sleduje pohyb Slnka po oblohe, získajú asi o 20 % viac energie ako tie, ktoré sú pevne nasmerované na juh. Tento dodatočný zisk však zvyčajne nevykompenzuje vyššie náklady na celé zariadenie, a preto je lacnejšie inštalovať o 20 % väčšie slnečné kolektory, ako investovať do natáčacieho zariadenia.

Miestne poveternostné podmienky (ranné hmly, oblačnosť) je tiež potrebné zohľadniť pri orientácii slnečných kolektorov. Ak miestne podmienky nepredstavujú problém, ale stavba budovy neumožňuje orientovať kolektory priamo na juh, orientácia smerom na západ je výhodnejšia (vzhľadom na poobedňajšie vyššie teploty) ako orientácia smerom na východ, pretože kolektor bude mať nižšie tepelné straty pri vyššej vonkajšej teplote. Keďže poloha Slnka sa na oblohe počas roka mení, kolektory by mali mať taký sklon, aby zisk energie najviac vyhovoval potrebám. Sezónne zmeny intenzity slnečného žiarenia sú značné, a preto musia byť zohľadnené pre všetky aplikácie kolektorov. Sklon (uhol ktorý kolektor zviera so zemou) napr. 50 stupňov znamená o niečo lepšie výsledky v zime, avšak tiež nižší zisk v lete. Preto sú systémy kolektorov určených na vykurovanie miestností smerované predovšetkým s ohľadom na polohu Slnka na oblohe v zime. Kolektory určené napr. na ohrev vody v bazéne dosahujú najvyšší zisk, keď ich sklon je nižší a sleduje vysokú polohu Slnka na oblohe v lete. Aj v týchto prípadoch však platí, že straty v dôsledku odchýlky od optimálneho sklonu kolektora na ktorúkoľvek stranu je najlepšie možné vykompenzovať väčšou plochou kolektora.

obr. sklonkol.jpg

Zásobník

Pre väčšinu kolektorových systémov na prípravu teplej vody je nevyhnutné používať zásobník vody. Do zásobníka priteká potrubím studená voda a v prípade potreby sa z neho iným potrubím odoberá voda ohriata kolektormi. Veľkosť zásobníka je daná spotrebou vody. Platí, že objem zásobníka asi 80 litrov stačí pre jednu osobu so spotrebou 50 litrov teplej vody za deň. To je však len orientačná hodnota. Ak sa v domácnosti nachádza napr. práčka ,umývačka riadu, alebo osoby zvyknuté sprchovať sa niekoľkokrát denne, potom je potrebné objem úmerne zväčšiť.

Zásobníky sa bežne umiestňujú do vertikálnej polohy, ktorá zaisťuje rozloženie studenej a teplej vody vo vnútri s najnižšími tepelnými stratami. Prítok studenej vody býva vedený zo spodu a odvod teplej vody z vrchu. Umiestnenie zásobníka do horizontálnej polohy máva za následok straty tepla asi 10-20%. Teplo zo slnečných kolektorov je v zásobníku odovzdávané prostredníctvom tepelného výmenníka. Takýmto výmenníkom býva potrubná slučka na dne zásobníka alebo potrubie vedené okolo zásobníka. Potrubie umiestnené okolo zásobníka sa zvyčajne používa v systémoch s nízkym prietokom vody alebo so samotiažou vody. Všetky zásobníky vody musia byť dobre izolované, aby udržali vodu dostatočne teplú po dosť dlhú dobu. Tepelné straty závisia na mnohých parametroch (okolitá teplota, vietor, ročné obdobie atď.) a vo všeobecnosti predstavujú asi 0,5 až 1 stupeň Celzia za hodinu v noci. Izolácia by mala byť tak dobrá, aby zaručila, že teplá voda vyprodukovaná kolektorom bude teplá ešte aj po nasledujúce dva dni. Obzvlášť vrch zásobníka musí byť dobre izolovaný a bez tepelných mostíkov. Skúsenosť ukazuje, že minimálna hrúbka izolácie by mala byť asi 100 mm. Tiež by malo byť zaručené, aby nedošlo k samo-cirkulácii , t.j. aby teplá voda zo zásobníka neprechádzala späť do kolektora počas obdobia, kedy sa zo zásobníka teplá voda neodoberá.

Okruh so slnečným kolektorom

Okruh, v ktorom sa nachádza slnečný kolektor a zásobník teplej vody, sa ďalej skladá z nasledujúcich zariadení:

obr. solkolsystermosif.jpg

Text:

Okruh so solárnym kolektorom využívajúci samotiaž vody.

obr. solkolsystreg.jpg

Text:

Okruh so solárnym kolektorom s núteným obehom vody.

Údržba systému

Jednoduchosť solárnych systémov znamená, že ich údržba býva minimálna. Nevyhnutná údržba závisí na použitom systéme. Skúsenosti ukazujú, že jeden až dvakrát do roka by mal byť skontrolovaný stav a tlak kvapaliny v okruhu. V prípade, že došlo k varu, kvapalina by mala byť vymenená, pretože mohlo pri tom dôjsť k jej znehodnoteniu.

NÁVRH SOLÁRNEHO SYSTÉMU

Pre typický solárny systém na prípravu teplej vody (ohrev o 8 až 45° C) so selektívnym pokrytím absorbera platia nasledujúce pravidlá:

Pri zabezpečení týchto hodnôt je typický systém so slnečnými kolektormi schopný pokryť asi 60-70% ročnej spotreby teplej vody a vyprodukuje 350-500 kWh na jeden m2 kolektora za rok. Pre väčšie budovy (napr. hotely, nemocnice, viacpodlažné budovy) sú plochy kolektorov aj objem zásobníkov na jednu osobu nižšie avšak primerané dimenzovanie si vyžaduje väčšiu pozornosť s ohľadom na spotrebu a miestne klimatické podmienky. Skúsenosť ukazuje, že tieto systémy by mali byť navrhnuté čo najjednoduchšie a bez zbytočnej rezervy.

Pre rodinu so 4 osobami, ktorá spotrebuje v priemere 200 litrov teplej vody denne, stačí plocha kolektorov 6 m2. Počas roka tieto vyprodukujú až 3000 kWh čistej energie, čo v prípade ohrevu vody vykurovacím olejom znamená náhradu asi 300 oleja ročne.

THERMOSIFÓN – SOLÁRNY SYSTÉM S PRIRODZENOU CIRKULÁCIOU

Solárne systémy využívajúce prirodzenú cirkuláciu vody (samotiaž) sa tiež nazývajú termosifóny. Tieto systémy sú vhodné najmä na miestach, kde sa nevyskytujú mrazy. Vyznačujú sa relatívne nízkou účinnosťou, ale na druhej strane poskytujú aj niekoľko výhod. Sú jednoduché a tým, že nepotrebujú žiadne čerpadlá, nie sú ani závislé na elektrickej energii. Celý okruh s termosifónom pozostáva len z kolektora zásobníka a potrubnej trasy. Cirkulácia vody v nich nastáva v dôsledku rozdielu hustoty teplej a studenej vody. Pri ohreve vody v kolektore teplá voda stúpa hore, odkiaľ sa odvádza potrubím do zásobníka a súčasne je nahrádzaná chladnejšou vodou, privádzanou do spodu kolektora potrubím zo zásobníka. Z uvedeného princípu je zrejmé, že kolektory je nutné umiestniť pod úroveň zásobníka a izolovať obidve potrubné trasy.

Termosifóny majú problémy už pri miernych mrazoch. Stačí jedna mrazivá noc a nechránený kolektor môže byť vážne poškodený. Niektoré systémy obchádzajú tento problém tým, že využívajú medené trubky v absorbátore s priemerom až 10 cm s dvojitým skleneným pokrytím kolektora. Objem vody v tak hrubej trubke je príliš veľký na to, aby zamrzol počas miernej zimy. Termosifóny sa bežne používajú v subtropických a tropických oblastiach.

obr. termosifon.jpg

Text:

Termosifón.

Solárne vyhrievanie bazénov

Vyhrievanie bazénov slnečnou energiou je mimoriadne logickým riešením. V letných mesiacoch resp. v čase, kedy Slnko svieti najviac a teplota vzduchu je najvyššia, je nezmyselné spaľovať fosílne palivá na ohrev vody. Slnko ju dokáže zohriať na vyššiu teplotu, ako potrebujeme a to bezplatne. Solárne systémy na ohrev vody v bazénoch sú veľmi populárne hlavne v USA. Americké ministerstvo energetiky označilo vyhrievanie bazénov slnečnou energiou za jeden z najúčinnejších spôsobov znižovania spotreby energie v rodinných domoch. Dnes v USA existuje viac ako 200.000 bazénov vyhrievaných slnečnými kolektormi. Najstaršie systémy sú využívané už viac ako 25 rokov, sú cenovo výhodné v porovnaní s klasickými palivami a vyžadujú minimálnu údržbu. Zaujímavé je, že tieto výhody platia aj pre systémy umiestnené v severnej časti USA. Solárne vyhrievanie bazénov je vhodné aj pre bazény vo vnútri budov alebo pre väčšie komerčné kúpaliská.

Napriek skutočnosti, že existujú značné rozdiely v cenách v závislosti na veľkosti alebo na miestnych podmienkach, ak sú solárne systémy navrhnuté s cieľom nahradiť klasický ohrev elektrickou energiou, doba návratnosti vložených investícií býva zväčša dva až štyri roky. Navyše solárne vyhrievanie môže predĺžiť sezónu o niekoľko týždňov bez dodatočných nákladov. Väčšina bazénov so solárnym vykurovaním je veľmi jednoduchá. Ako solárny kolektor môže poslúžiť už obyčajná čierna gumená hadica. Pre bazény umiestnené v budovách, ktoré sú využívané aj v zimných mesiacoch, je však nutné použiť klasické kolektory.

Hoci solárne kolektory sa zvyčajne nachádzajú na strechách budov, môžu byť umiestňované kdekoľvek na zemi, kde dopadá slnečné žiarenie väčšinu dňa. Typ strechy alebo materiálu strechy nie je dôležitý. Podstatná je plocha kolektorov, ktorá je závislá na veľkosti bazénu. Pomer plochy kolektorov k ploche bazénu však nie je konštantný , ale závisí na miestnych podmienkach, orientácii kolektorov, tienení bazénu a kolektorov a sezóne. Vo všeobecnosti však platí, že plocha kolektorov by mala byť zvyčajne 50% až 100% plochy bazénu.

obr. swimpool.jpg

AKO PRACUJÚ SYSTÉMY SOLÁRNEHO OHREVU BAZÉNOV ?

Dostatočný ohrev vody v bazéne môžu zaručiť už nízkoteplotné kolektory priamo pripojené na filter cirkulácie vody. V niektorých prípadoch je však nutné dodatočné čerpadlo vody. Najúčinnejšie systémy využívajú automaticky riadenú cirkuláciu vody. Čerpadlo na filtri vody je nastavené tak, aby pracovalo počas najväčšej intenzity slnečného žiarenia. Počas tohto obdobia, t.j. keď senzory zaregistrujú vyššiu teplotu vody v kolektoroch, spustí sa chod čerpadla vháňajúceho vodu z bazénu do kolektorov, kde sa voda zohrieva. Zohriatá voda sa potom vracia do bazénu. Keď teplá voda nie je potrebná, zvyčajne prechádza obchvatom okolo kolektorov. Keďže celý systém má len veľmi málo pohyblivých častí znižujú sa náklady na prevádzku a údržbu. Údržba spočíva len v pravidelnej kontrole filtrov a vo vypustení vody v zimnom období. Kolektory slnečného ohrevu bazénu bývajú zvyčajne uložené na streche budovy. Zásadou tiež býva, že ich sklon k horizontálnej rovine je menší ako 30 °.

SOLÁRNE KÚRENIE

Vyššie uvedené systémy využívajú ploché slnečné kolektory na prípravu teplej vody. Na to, aby mohli byť kolektory využívané aj na vykurovanie miestností, je často potrebné vybudovať v budove tzv. nízko-teplotné vykurovanie (najčastejšie podlahové pracujúce s teplotou približne 50° C) a celý systém musí byť doplnený skladovaním teplej vody. Podlahové kúrenie má výhodu v tom, že trubky v podlahe môžu slúžiť tiež aj ako zásobník tepla.

Solárne vykurovanie však zvyčajne prináša užívateľovi menší zisk ako systémy na prípravu teplej vody, a to tak z hľadiska energie ako i ceny. Súvisí to s tým, že vykurovanie je potrebné hlavne v zimnom období, kedy je účinnosť výroby tepla kolektormi najnižšia. A naopak v lete je celý systém vo väčšine prípadov nevyužívaný. Avšak v miestach, kde je potrebné vykurovanie aj v lete napr. na horských chatách, môže byť solárne kúrenie vhodným riešením. V našich klimatických podmienkach je možné slnečným kúrením inštalovaným v typickom dome pokryť asi 20% celkovej spotreby tepla a pre tzv. nízkoenergetické domy (s veľmi dobrou izoláciou) to môže byť až 50%. Zvýšiť tento podiel je možné napr. zväčšením zásobníkov teplej vody. Ak by mal solárny systém pokryť 100 % energie na vykurovanie, potom by dom mal byť vybavený kolektormi s plochou 25 m² a zásobníkom (s objemom 85 m³) s izoláciou až 100 cm. Hoci solárne vykurovanie domov je technicky možné, zvyčajne býva oveľa ekonomickejšie investovať do lepšej izolácie domu, a tak znížiť spotrebu energie a náklady na vykurovanie.

SEZÓNNE SKLADOVANIE TEPLEJ VODY

V prípade, že sa spojí viac solárnych kolektorov napr. na viacerých domoch spolu s veľkým zásobníkom vody do jedného systému, je možné účinnejšie skladovať teplo a následne v zime vykurovať tieto domy. Vo svete existuje niekoľko takýchto systémov, ktoré pracujú na princípe výroby teplej vody kolektormi v lete a jej celoročnom skladovaní v obrovskom zásobníku, z ktorého sa teplá voda odoberá v zimnom období. Takéto sezónne skladovanie teplej vody však znamená, že objem vody potrebnej na vykúrenie jedného domu je porovnateľný s objemom celého domu a spoločný zásobník okrem toho, že musí byť veľký, musí byť tiež veľmi dobre izolovaný. Väčší zásobník má však relatívne nižšie straty tepla na jednotku objemu ako malý zásobník, a preto aj izolácia môže byť relatívne tenšia.

Veľké zariadenia sezónneho skladovania teplej vody napojené na systém centrálneho kúrenia pre viacero domov dnes pracujú napr. v Dánsku, Švédsku, Švajčiarsku, Francúzsku alebo USA. Solárne kolektory sú zvyčajne umiestnené na zemi a vytvárajú veľké kolektorové polia. Bez skladovania teplej vody by takýto systém dokázal pokryť približne 5% celoročnej spotreby tepla, v čom sú zahrnuté aj straty tepla v rozvodoch na úrovni asi 20%. Ak by takýto systém mal zásobník s jednodňovou kapacitou (deň-noc), potom by sa podiel slnečnej energie na spotrebe energie zvýšil na 10-12%. S veľkým zásobníkom skladujúcim teplú vodu celoročne však takýto systém dokáže pokryť až 100% spotreby tepla na vykurovanie domov. Taktiež existuje možnosť kombinovať klasický centrálny systém vykurovania s individuálnymi solárnymi systémami. Potom centrálny systém môže byť odstavený v lete, kedy je nadbytok slnečnej energie a spustený v zime, kedy jej je nedostatok.

Veľké solárne systémy so sezónnym skladovaním teplej vody boli síce inštalované vo viacerých krajinách, avšak ich nevýhodou je, že náklady na výrobu tepla sú ešte stále o niečo vyššie ako náklady pri výrobe z klasických palív. Objemy zásobníkov teplej vody týchto systémov sa pohybujú od niekoľko tisíc m³ až do niekoľko sto tisíc m³. Jedno z najväčších zariadení tohoto typu bolo postavené vo fínskom Oulu. Ako zásobník sa využíva veľká kamenná jaskyňa s objemom 200.000 m³ pripojená okrem solárnych kolektorov aj na systém kombinovanej výroby elektriny a tepla spa¾ujúci biomasu.

Iný projekt využívajúci tiež skalnú jaskyňu ako zásobník je zariadenie postavené vo švédskom Lyckebo. Objem zásobníka vody je 105.000 m3 a plocha kolektorov 28.800 m2. Toto zariadenie pokrýva 100% spotreby energie (8500 MWh/rok) na vykurovanie a prípravu teplej vody pre 550 obytných jednotiek. Všetky domy sú napojené na centrálny systém zásobovania teplom. Teplota dodávanej vody je 70 st. Celzia a teplota vratnej vody je 55 stupňov.

Dnes len v Európe existuje 21 väčších systémov so sezónnym skladovaním teplej vody. Parametre niektorých z nich sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.

Miesto

Štát

Od roku

Objekty zásobované teplom

Groningen

Holandsko

1984

96 radových domov

Kullavik

Švédsko

1983

40 bytov

Lyckebo

Švédsko

1983

550 obytných jednotiek

Scarborough

Kanada

1985

30.000 m2 v úradoch

Stutgart

SRN

1986

1.375 m2 v úradoch

Sunclay

Švédsko

1981

15.000 m2, škola

Treviglio

Taliansko

1982

100 bytov

Vaulruz

Švajčiarsko

1983

3.200 m2, účelová budova

Systém slnečného vykurovania inštalovaný vo švédskom meste Kungläv má nasledujúce parametre: voda zohriatá vysoko-teplotnými slnečnými kolektormi s plochou 126.000 m2 sa celoročne skladuje v izolovanej veľkoobjemovej nádrži o objeme 400.000 m3 umiestnenej v podzemnom skalnom masíve. Úspory v porovnaní s klasickým systémom vykurovania dosahujú až 75 % spotreby energie, čo predstavuje približne 42 milión kWh ročne. Teplota skladovanej vody je v závislosti na ročnom období 40 až 90 st. Celzia. Tento projekt sa vyznačuje aj finančnou výhodnosťou, nakoľko cena takto získaného tepla je len 0,09 DM/kWh (asi 1,8 Sk/kWh), čo je o málo viac ako pri konvenčnom vykurovaní. Celkové investičné náklady boli 59.000 DM (1,18 mil. Sk). Z toho 53 % predstavovali slnečné kolektory, 19 % podzemná skladovacia nádrž a 18 % systém diaľkového kúrenia. Predpokladaná životnosť systému skladovania je 40 rokov, slnečných kolektorov 20 rokov a 15 rokov pre ostatné časti. Podľa švédskych údajov by 150 až 200 veľkých slnečných zariadení so sezónnym skladovaním teplej vody mohlo v tejto škandinávskej krajine pokryť až 10 % ročnej spotreby energie v systémoch diaľkového kúrenia.

obr. kolektpole.jpg

Skúsenosti ukazujú, že návratnosť vložených investícií do systémov sezónneho skladovania tepla je často veľmi dlhá. Je preto výhodnejšie najskôr investovať do úspor energie (izolácie), potom do pasívneho solárneho dizajnu a až potom do solárnych kolektorov zabezpečujúcich zvyšok zníženej spotreby energie.

KOMBINÁCIA SLNEČNÝCH KLEKTOROV S INÝMI OBNOVITEĽNÝMI TECHNOLÓGIAMI

Kombinácia slnečnej energie s inými technológiami využívajúcimi obnoviteľné zdroje napr. s biomasou môže byť často ideálnym riešením problémov so skladovaním slnečnej energie. Solárne kúrenie doplnené záložným systémom na spaľovanie biomasy napr. dreva alebo peletov je jedným z takýchto riešení. Využívanie kotlov na biomasu v letných mesiacoch je poznačené nižšou účinnosťou pri malej záťaži a relatívne veľkých stratách v potrubí. Slnečné žiarenie je schopné poskytnúť 100% energie na teplo v letných mesiacoch. V zime, keď je zisk zo slnečného žiarenia najnižší, je to práve biomasa ako zakonzervovaná slnečná energie, ktorá dokáže pokryť celú spotrebu energie v bežnom dome (pozri kapitolu Biomasa). Skúsenosti zo strednej Európy ukazujú, že takéto kombinované systémy sú veľmi praktické. Približne 20-30% spotreby energie býva pokrytých slnečnými kolektormi a zvyšných 70-80% biomasou. Spotreba biomasy (napr. dreva) na vykurovanie jedného domu za rok predstavuje asi 15 m³ za rok, pričom pribli˛ne 3 a˛ 4 m³ dreva mōže nahradiť solárny systém.

SOLÁRNE DOMY

Budovy, ktoré využívajú len slnečnú energiu a sú nezávislé na iných zdrojoch energie sa nazývajú solárne domy. Charakteristické pre ne sú nielen veľké kolektory a dobre izolované zásobníky teplej vody s objemom 5 až 30 m³, ale aj slnečné články na výrobu elektriny alebo kvalita konštrukcie (izolácia). Nevýhodou však sú veľmi vysoké investičné náklady. Taktiež skladovanie veľkých objemov vody sa ukázalo ako málo praktické. Existuje viacero typov týchto nízko energetických domov. Všetky sa vyznačujú pozoruhodným využívaním slnečnej energie. Jeden z nich stojí vo švajčiarskom Oberburg-Burgdorfe a nazýva sa Jaenni-Solarhaus. V tejto budove je celá energetická spotreba tepla aj elektriny pokrytá z ”vlastných zdrojov”. Na prípravu teplej vody sa využívajú slnečné kolektory s plochou 84 m2 a výroba elektrickej energie je zabezpečená fotovoltaickými článkami s veľkosťou 43 m2. Zásobník teplej vody má objem 93 m3. Takéto domy sa okrem využitia slnečných technológií vyznačujú aj extrémne kvalitnou izoláciou stien, okien a striech, čo umožňuje znížiť straty energie na minimum. Iný solárny, energeticky sebestačný, dom bol postavený v Nemeckom Badem-Wurtembegsku. V dome je okrem pasívneho slnečného designu a slnečných článkov zabudovaných do strechy budovy, inštalovaný aj systém tzv. vodíkového hospodárstva. Vodík, vyrábaný slnečnými článkami (elektrolýzou vody) sa používa tak na varenie na špeciálnom sporáku ako aj na vykurovanie miestností.

obr. frauenhoferdom.jpg

Text:

Energeticky sebestačný solárny dom vyvinutý Frauenhoferovým inštitútom v Nemecku.

SLNEČNÉ VARIČE

Slnečné variče sú zväčša jednoduché krabicové solárne kolektory určené na varenie potravín. Prvé takéto zariadenia sa v Európe ale aj Indii objavili už začiatkom 18. storočia. Variče pracujú na princípe absorpcie slnečného žiarenia v malom priestore a jeho premeny na užitočnú tepelnú energiu využívanú na varenie potravín. Slnečné variče dokážu vyprodukovať teploty vyššie ako 200 st. Celzia, čo je dostatočné pre väčšinu kuchárskych aktivít. Vo svete existuje množstvo rôznych typov slnečných varičov líšiacich sa tvarom i veľkosťou. Najrozšírenejšími sú tzv. krabicové a koncentračné variče.

KRABICOVÉ VARIČE

Dobre izolovaná krabica s čiernym vnútorným pokrytím a presklenným vrchom môže slúžiť ako jednoduchý slnečný varič, do ktorého sa umiestňujú nádoby s potravinami. Sklené pokrytie môže byť aj dvojité, čím sa dosahujú vyššie vnútorné teploty. Takýto varič môže byť doplnený aj zrkadliacou plochou odrážajúcou slnečné lúče do vnútra krabice.

Hlavnými výhodami krabicových varičov sú:

Nevýhody spočívajú v tom, že :

Vďaka ich jednoduchej konštrukcii sú krabicové variče v súčasnosti najrozšírenejšie solárne variče na svete. Vyrábajú sa vo veľkom počte nielen komerčne ale aj svojpomocne. Bežné typy majú plochu asi 0,25 m2. Takýto varič umožňuje variť asi 4 kg potravín súčasne a v tropických krajinách postačuje pre asi 5-člennú rodinu. Na trhu však existujú aj väčšie variče s plochou 1 m2. Najlepším materiálom na stavbu takéhoto variča je hliník, pretože je to dobrý vodič tepla a navyše nehrdzavie. Izolácia býva zvyčajne z prírodných materiálov alebo sklenej vlny. Zrkadliacou plochou môže byť aj hliníková fólia. Vonkajší kryt krabicového variča býva vyrobený z dreva. tvrdeného plastu alebo kovu.

V tropických oblastiach vnútorná teplota prázdneho variča dosahuje viac ako 150 ° C počas slnečného dňa. Teplota variča s potravinami je však nižšia ako 100 ° C, pretože obsah vody v potravinách neumožňuje, aby teplota vystúpila nad bod varu. Priemerná doba varenia potravín v takomto variči sa pohybuje od jednej do troch hodín v miestach s dobrou intenzitou slnečného žiarenia. Doba varenia však závisí aj na veľkosti a množstve potravín vo vnútri variča.

obr. coocbox.jpg

Text:

Krabicový varič.

REFLEXNÉ VARIČE

Najjednoduchším typom reflexného solárneho variča je konštrukcia pozostávajúca z držiaka varnej nádoby umiestnená do ohniska, do ktorého sú nasmerované slnečné lúče odrážané parabolickým zrkadlom (zrkadlami). Zrkadliacu plochu môže tvoriť kovová (hliníková) parabola alebo tiež viacero malých plochých zrkadiel pripevnených na parabolickom povrchu. V závislosti na požadovanej vzdialenosti medzi ohniskom reflektora a hrncom, môže mať tiež tvar hlbokej nádoby obopínajúcej hrniec s potravinami.

Charakteristickou vlastnosťou všetkých reflexných varičov je, že využívajú len priame slnečné žiarenie, a preto musia sledovať pohyb Slnka po oblohe. Nasmerovanie zariadenia k Slnku je istou nevýhodou týchto varičov, avšak na druhej strane využívanie priameho slnečného žiarenia prináša aj isté výhody v porovnaní s krabicovým typom variča. Hlavnou výhodou je možnosť dosiahnutia vyšších teplôt, a tým skrátenie doby varenia. Ďalšou výhodou je, že niektoré typy reflexných varičov umožňujú aj pečenie potravín.

Nevýhodami reflexných varičov sú:

Uvedené nevýhody sú síce vážnou bariérou využívania reflexných varičov avšak v krajine ako je napr. Čína, kde sa pri varení vyžadujú vysoké teploty, sú tieto typy varičov veľmi rozšírené.

obr. coocker.jpg

Text:

Reflexný varič.

POROVNANIE SLNEČNÝCH VARIČOV

Tepelný zisk slnečného variča je daný množstvom dopadajúceho slnečného žiarenia, plochou na ktorú dopadá slnečné žiarenie a ktorú varič využíva (zvyčajne 0,25 m2 až 2 m2) a tepelnou účinnosťou variča. V nasledujúcej tabuľke sú uvedené hlavné charakteristiky krabicového a reflexného typu slnečného variča.

 

Plocha v m2

Účinnosť

Výkon pri ožiarení

850 W/m2

Čas potrebný na varenie 1 litra vody

Krabicový varič

0,25

40 %

85 W

64 min.

Reflexný varič

1,25

30 %

320 W

17 min.

Reflexné variče majú zvyčajne oveľa väčšiu reflexnú plochu ako krabicové variče, čo má za následok väčší výkon a možnosť varenia väčšieho množstva potravín. Na druhej strane ich tepelná účinnosť je nižšia, pretože varná nádoba je úplne vystavená chladiacemu účinku vonkajšieho prostredia. Výkon variča až 350 W pri slnečnom ožiarení 1000 W/m2 (bežná intenzita v tropických a subtropických oblastiach, ale aj u nás na poludnie počas slnečného letného dňa) je relatívne veľký. Pre porovnanie spálenie 1 kg suchého dreva počas jednej hodiny vedie k energetickému zisku 5000 W. Keď sa varí na otvorenom ohni, bežná účinnosť využitia energie dreva je asi 15 % a výsledný výkon, ktorý sa pri takomto varení dosahuje je asi 750 W, čo je len asi dvakrát viac ako so slnečným reflexným varičom.

Najdôležitejšou podmienkou pre využívanie slnečných varičov je dostatok slnečného žiarenia. Vzhľadom k tomu, že intenzita slnečného žiarenia v letných mesiacoch v našich klimatických podmienkach je relatívne vysoká v priemere 6 kWh/m2 (čo je porovnateľné s podmienkami v Indii alebo Keni), je možné slnečné variče využívať aj u nás. Podstatné však je, aby slnečné žiarenie bolo spoľahlivé a neprerušované počas dňa. Aj napriek istým obmedzeniam trh so slnečnými varičmi existuje aj v našich klimatických podmienkach. V krajine ako je napr. Švajčiarsko bolo v posledných rokoch predaných niekoľko tisíc veľmi účinných krabicových slnečných žiaričov. Využívanie slnečných varičov sa však presadzuje hlavne v rozvojových krajinách, kde tieto zariadenia môžu značne uľahčiť prácu miestnym obyvateľom hlavne ženám. Získavanie dreva na varenie je totiž v mnohých krajinách obtiažne a mnohé ženy v rozvojových krajinách strávia hľadaním dreva značnú časť dňa. Priemerná 15-členná rodina v Mali spotrebuje denne až 15 kg dreva , rodina v Indii približne 7-10 kg. Výsledkom býva tiež odlesňovanie územia, čo má za následok šírenie púští a znižovanie kvality pôdy. Navyše varenie na otvorenom ohni a často v uzatvorených miestnostiach môže spôsobiť poškodenie dýchacích ciest u ľudí zúčastňujúcich sa na varení (neustále vdychovanie dymu).

Väčšina ľudí žijúcich v rozvojových krajinách je chudobná a nemôže si dovoliť nakupovanie komerčných palív, čo ďalej zhoršuje ich postavenie. Pre túto skupinu ľudí sú slnečné variče, ktoré môžu byť vyrobené jednoducho a relatívne lacno z miestnych surovín, vhodným riešením.

SLNEČNÁ DESTILÁCIA VODY

Veľká väčšina ľudí v rozvojových krajinách nemá prístup k čistej a zdravotne nezávadnej vode. Podľa údajov OSN z 2,4 miliárd ľudí žijúcich v týchto krajinách má prístup k nezávadnej vode len 500 miliónov. Jedným z riešení tohto problému je aj využívanie slnečných zariadení na destiláciu vody. Solárne destilačné zariadenie, ktoré zo slanej morskej alebo znečistenej vody dokáže vyrobiť čistú destilovanú vodu, je v podstate veľmi jednoduché a princíp takejto destilácie je známy už niekoľko storočí. Už v 4. storočí n.l. Aristoteles navrhol metódu odparovania morskej vody za účelom získavania pitnej vody. Avšak prvý solárny destilátor bol vyrobený až v roku 1874 J. Hardingom a C. Wilsonom v Chile, kde sa využíval pri výrobe čistej vody v podniku na výrobu dusíkatých hnojív. Tento 4700 m2 veľký destilátor vyrobil 24.000 litrov čistej vody denne. V súčasnosti pracuje viacero takýchto veľkých destilátorov v Austrálii, Grécku, Španielsku alebo Tunisku. Menšie solárne destilačné zariadenia sa využívajú v mnohých ďalších krajinách.

Ukazuje sa, že mnoho púštnych oblastí s prístupom k morskej vode môže byť obývateľná vďaka využívaniu slnečnej energie. Táto dokáže poskytnúť tak elektrickú elektrinu na čerpanie vody (fotovoltaika) ako aj energiu na jej čistenie.

Najjednoduchší solárny destilátor predstavuje izolovaná nádrž prikrytá sklom alebo priesvitným plastom, v ktorej sa nachádza znečistená alebo morská voda. Priesvitné pokrytie umožňuje slnečnému žiareniu preniknúť do vnútra nádrže, a tým vodu odparovať. Voda potom kondenzuje na vnútornej strane pokrytia, ktoré je ochladzované vonkajším vzduchom a steká do pripravenej osobitnej nádoby mimo nádrže. Spodok nádrže je natretý na čierno, čo umožňuje vyššiu absorpciu dopadajúceho slnečného žiarenia. Nádrž býva vyrobená z cementu, plastu alebo iného vodotesného materiálu. Ak sa používajú plasty, je nutné dbať na to, aby nádrž bola vždy naplnená vodou a nedošlo k poškodeniu materiálu v dôsledku jeho roztavenia. Izolácia nádrže má tiež veľký význam a výrazne zvyšuje účinnosť odparovania.

obr. odsolovanie.jpg

Text:

Princíp solárnej destilácie.

Proces solárnej destilácie kopíruje spôsob akým v prírode vzniká čistá voda v oblakoch v dôsledku odparovania vodných tokov, morí a oceánov. Všetka voda, ktorú sme v živote spotrebovali vznikla práve slnečnou destiláciou. Výhodou solárneho destilátora je, že si nevyžaduje prakticky žiadnu údržbu. Množstvo získanej čistej vody však závisí od intenzity slnečného žiarenia. Destilátory preto vyrobia viac vody v teplých tropických a subtropických oblastiach ako v podmienkach miernej klímy. Vo všeobecnosti však solárny destilátor je schopný vyrobiť počas teplého slnečného dňa jeden liter čistej destilovanej vody za deň z každého metra štvorcového plochy, ktorú zaberá. Nádrž sa plní raz za deň zvyčajne v noci alebo ráno.

Cena takéhoto zariadenia sa vo svete značne líši v závislosti na veľkosti a konštrukcii. V USA sa destilátory so skleneným pokrytím predávajú za 25 dolárov resp. za 18 dolárov s plastovým pokrytím (má menší zisk). Cena vyrobenej čistej vody vychádza v USA v priemere na 0,1 USD za liter.

Solárne destilovaná voda má veľmi dobrú kvalitu – zvyčajne lepšiu ako voda, ktorá je bežne v predaji. Hoci v dôsledku neprítomnosti minerálnych látok je jej chuť trochu odlišná od normálnej vody, obsah baktérií, pesticídov a hnojív, ktoré sa bežne vo vode vyskytujú, je v solárne destilovanej vode znížený až o 99,5%. Toto má veľký význam pre obyvateľov v mnohých krajinách, kde cholera alebo iné vodou prenášané choroby sú príčinou smrti veľkého počtu ľudí každý deň.

Fotovoltaika (FV) je výraz odvodený z gréckeho slova “photos” (svetlo) a názvu jednotky napätia - volt. Fotovoltaika znamená priamu premenu slnečnej energie na elektrinu. Tento jav sa využíva v tzv. slnečných (fotovoltaických) článkoch. Slnečné články sa vyrábajú z polovodičových materiálov ako je napr. kremík. Účinnosť premeny slnečnej energie na elektrinu je v komerčne dostupných článkoch okolo 10% avšak v laboratórnych článkoch presiahla 20 %. Slnečné články majú výhodu v tom, že ich spojením je možné vytvárať solárne moduly, z ktorých je možné postaviť celú veľkú slnečnú elektráreň. Najväčšia takáto elektráreň bola postavená v americkom Carrisa Plain (Kalifornia) a jej inštalovaný výkon je 5 MW.

obr.PrahaCorinthiaPanorama6kW.jpg

Text:

Slnečné články inštalované na hoteli Corinthia Panorama v Prahe majú celkový výkon 6 kW. Články boli vyrobené českou firmou v Rožňove pod Radhošťem.

Vývoj slnečných článkov má za sebou relatívne dlhú históriu siahajúcu až do roku 1839, kedy francúzsky fyzik Edmund Becquerel objavil fotovoltaický jav. Míľniky vo vývoji predstavovali nasledujúce roky:

Súčasný stav na trhu solárnych článkov je charakterizovaný stálym nárastom výroby približne o 20% každý rok, avšak celková produkcia je stále relatívne malá. V roku 1998 predstavovala výroba výkon 125 MW, pričom cena článkov klesla z 50 USD/W v roku 1976 na 3 USD/W v roku 1999. Napriek tomuto pozitívnemu vývoju cena vyrobenej elektrickej energie je ešte stále relatívne vysoká a pohybuje sa na úrovni 3 až 10-násobku ceny elektriny vyrobenej z klasických palív (v závislosti na mieste a použitom systéme). Solárna výroba elektriny preto dnes predstavuje len zanedbateľný podiel na celkovej výrobe elektriny vo svete. Napriek tomu však tento podiel neustále narastá hlavne na odľahlých miestach a v aplikáciách s tzv. izolovanými systémami (nepripojené na verejnú elektrickú sieť), kde už dnes je elektrina zo solárnych článkov často lacnejšia a nahrádza tak rôzne naftové a iné generátory.

obr.pvhory.jpg

Pokrok je viditeľný na mnohých miestach sveta. Japonská vláda investuje ročne 250 miliónov dolárov s cieľom zvýšiť objem výroby v tejto krajine zo 40 MW v roku 1997 na 190 MW v roku 2000. Podobné programy prebiehajú aj vo viacerých európskych krajinách a v USA. Hnacou silou tohoto vývoja je snaha o budúcu nezávislosť na dovážaných fosílnych palivách a zlepšenie životného prostredia. Ukazuje sa, že problematika klimatických zmien môže výrazne ovplyvniť rýchlosť rozvoja priemyslu slnečných článkov. Obnoviteľné energetické zdroje sú totiž riešením, ako znížiť emisie uhlíka do atmosféry, a tak zastaviť globálne otepľovanie. Túto výzvu pochopili aj veľké ropné spoločnosti ako napr. Shell, ktorý prostredníctvom svojej dcérskej spoločnosti Shell Solar vybudoval v roku 1999 v Nemecku najväčší závod na výrobu solárnych článkov na svete. Dnes tu produkujú články s celkovou kapacitou 20 MW ročne s výhľadom na zvýšenie výroby až na 25 MW ročne. Investičné náklady vložené do tohoto podniku dosiahli 50 milión mariek.

obr. Shell20MWGelsenkirchen.jpg

Text:

Závod na výrobu slnečných článkov firmy Shell Solar v nemeckom Gelsenkirchene.

VYUŽÍVANIE SLNEČNÝCH ČLÁNKOV

Pre mnoho aplikácií sú slnečné články už dnes výhodnou alternatívou ku klasickým palivám. Slnečný článok premieňajúci svetlo na elektrinu totiž neobsahuje žiadne pohyblivé časti, čo zvyšuje jeho spoľahlivosť a nekladie nároky na údržbu a prevádzku. Solárne články sú schopné vyrábať elektrinu v každom počasí. Pri čiastočne zatiahnutej oblohe výkon dosahuje 80% ich potenciálu a aj pri úplne zatiahnutej oblohe počas dňa je tento výkon ešte 30%.

Fotovoltaické (FV) systémy sa stali najlepším riešením v takých aplikáciách, ako je napájanie vesmírnych satelitov elektrickou energiou, kde sú takmer výlučným energetickým zdrojom už od roku 1960. Na odľahlých miestach sa presadzujú slnečné články už do 70-tych rokov a v komerčných spotrebiteľských produktoch ako sú kalkulačky, rádiá alebo hodinky sa presadzujú od 80-tych rokov. V 90-tych rokoch sa o slnečné články začali vážne zaujímať aj elektrárenské spoločnosti a nastala éra ich využívania v malých elektrárňach.

obr. sat.jpg

Rozdelenie dodávok slnečných článkov podľa využitia vo svete v roku 1998.

Systémy prepojené na sieť

36 MW

Izolované systémy

34 MW

Telekomunikácie

31 MW

Spotrebná elektronika

30 MW

FV/naftové hybridné systémy

20 MW

Iné

2 MW

Spolu

153 MW

Skúsenosti z USA ukazujú, že čerpadlá vody napájané solárnymi článkami sú ekonomicky výhodné všade tam, kde by inak bolo potrebné predĺžiť sieť elektrického vedenia. Dnes viacero elektrárenských spoločností ponúka svojim zákazníkom solárne články pre takéto účely. V aplikáciách ako je napr. napájanie plotov elektrickým prúdom (ochrana zvierat na farmách), pohon cirkulačných zariadení vody alebo klimatizačných jednotiek, si slnečné články už našli svoje uplatnenie.

Články sa dnes nevyrábajú len vo forme osobitných panelov, ale viacero firiem ich montuje do strešných krytín (šindľov) alebo vonkajších materiálov na stavbu fasád budov. Inštalovanie slnečných článkov do stavebných prvkov výrazne znižuje náklady, pričom slnečné články pôsobia na budovách tiež veľmi esteticky.

obr.pvstrechla.jpg

Text:

Strecha so slnečnými šindľami.

Zaujímavosťou je, že tieto články dodávali elektrinu aj balónu Breitling Orbiter 3 počas jeho letu bez pristátia okolo sveta. Po tri týždne napájalo 20 slnečných modulov, umiestnených pod košom, navigačné, komunikačné a osvetľovacie zariadenia balóna. Každý modul bol sklonený tak, aby dokázal dodávať prúd na dobíjanie piatich olovených batérií aj počas otáčania balóna. Slnečné články pracovali bez problémov počas celej cesty.

obr. Breitling.jpg

Text:

Breitling Orbiter 3.

Fotovoltaika sa presadzuje aj v rozvojových krajinách pri elektrifikácii dedín. Dnes je na svete viac ako 2 miliardy ľudí bez prístupu k elektrickej energii. Väčšina z nich žije v rozvojových krajinách, kde až 75% populácie je bez elektriny. V mnohých oblastiach je elektrické vedenie prakticky nedostupné a slnečné články sa stávajú jediným ekonomickým riešením pre zaistenie osvetlenia, čerpania vody, telekomunikačných a zdravotníckych služieb ale aj pri rozvoji podnikania. Ľudia v rozvojových krajinách často využívajú na pohon generátorov prúdu palivá ako sú kerozín alebo nafta. Toto však so sebou prináša viacero nevýhod:

Slnečné články uvedené nevýhody z veľkej časti odstraňujú. Ukazuje sa, že svietenie pomocou slnečných článkov je v rozvojových krajinách efektívnejšie ako svietenie kerozínovými lampami. Intenzita slnečného žiarenia je vo väčšine týchto krajín značná a poskytuje dostatok čistej energie, ktorá je zadarmo. Využívanie solárnych článkov sa preto stalo jednoduchým a dnes už osvedčeným spôsobom v desiatkach tisícok aplikácií po celom svete.

Navyše perspektíva využívania slnečných článkov je veľmi dobrá. Stály pokles cien v dôsledku zvyšujúcej sa výroby a zlepšovanie účinnosti znamenajú, že na trhu s elektrickou energiou sa pre slnečné články otvoria nové možnosti. Okrem už uvedenej integrácie do stavebných materiálov sa predpokladá výstavba väčších solárnych elektrární a širšie uplatnenie v spotrebnej elektronike. Európska Únia má v úmysle zdvojnásobiť podiel obnoviteľných zdrojov na spotrebe energie do roku 2010, pričom v oblasti využívania slnečných článkov sa predpokladá inštalovať jeden milión fotovoltaických systémov s celkovým výkonom 1000 MW. BP Amoco (jedna z najväčších ropných spoločností na svete) v súčasnosti inštaluje na 200 benzínových čerpacích staniciach vo Veľkej Británii, Austrálii, Rakúsku, Švajčiarsku, Holandsku, Japonsku, Portugalsku, Španielsku, Francúzsku a USA solárne systémy vlastnej výroby s celkovým výkonom 3,5 MW. Články budú týmto staniciam dodávať elektrickú energiu. Investičné náklady na tento program dosiahli 50 miliónov dolárov a výsledkom bude zníženie emisií CO2 o 3500 ton ročne. BP Amoco sa tak stane jedným najväčších užívateľov solárnych článkov na svete a súčasne i jedným z najväčších výrobcov týchto článkov. Všetky články budú napojené na verejnú elektrickú sieť, nakoľko budú vyrábať viac elektriny, ako je spotreba týchto čerpacích staníc. Podľa predstaviteľov BP Amoco by trh so slnečnými článkami mal dosiahnuť 1000 MW v roku 2010 a 5 milión MW v roku 2050.

Výroba slnečných článkov vo svete v MW.

Región

1992

1998

USA

18,1

53,7

Japonsko

18,8

49,0

Európa

16,4

31,0

Ostatní

4,6

18,7

Spolu

57,9

152,4

TECHNOLÓGIA

Hoci sa solárne články, tým že neobsahujú žiadne pohyblivé časti, javia navonok ako jednoduché zariadenia, ukrývajú v sebe veľmi čisté polovodičové materiály, ktoré sú podobné tým, ktoré sa používajú v mikroprocesoroch počítačov. Slnečný článok pracuje na fyzikálnom princípe toku elektrického prúdu medzi dvoma prepojenými polovodičmi s rozdielnymi elektrickými vlastnosťami, na ktoré dopadá svetelné žiarenie. Sústava článkov vytvára modul alebo panel, ktorý vzhľadom na svoje elektrické vlastnosti je zdrojom jednosmerného prúdu. Jednosmerný prúd na rozdiel od striedavého tečie len jedným smerom. Tento prúd využíva mnoho jednoduchých elektrických zariadení ako sú napr. prenosné elektrospotrebiče na batérie. Striedavý prúd na rozdiel od jednosmerného neustále mení smer toku v pravidelných intervaloch. Tento typ prúdu je dodávaný verejnou elektrickou sieťou a využíva ho väčšina bežných elektrospotrebičov. V najjednoduchších solárnych aplikáciách je jednosmerný prúd vyrábaný slnečnými článkami využívaný elektrospotrebičmi priamo. V aplikáciách, kde je potrebný striedavý prúd je potrebné použiť tzv. menič, ktorý z jednosmerného vyrába prúd striedavý.

Dnešné slnečné články sa takmer výlučne vyrábajú z kremíka. Približne 80% všetkých článkov je vyrobených z kryštalického kremíka (multikryštalického alebo monokryštalického) a asi 20% sú tzv. amorfné (nekryštalické) kremíkové články nanesené na podklad vo forme tenkého filmu o hrúbke tisíciny milimetra. Kryštalické články sú zvyčajne tmavo modré a pripomínajú ľadové štruktúry. Amorfné články vypadajú hladko a menia farbu v závislosti na tom ako ich držíme. Monokryštalické články majú najvyššiu účinnosť premeny svetla na elektrinu avšak sú drahšie ako multikryštalické články. Amorfné články sa najčastejšie využívajú v malých zariadeniach ako sú kalkulačky alebo hodinky, ale ich účinnosť a dlhodobá stabilita je nižšia ako u kryštalických článkov, preto sa nepoužívajú vo väčších systémoch ako sú napr. solárne elektrárne. V laboratórnych podmienkach sú dnes vyvíjané články, ktoré sú založené i na iných materiáloch ako je kremík. Sem patria napr. kadmium sulfát teluridové články, články na báze medi, india a gália a iné.

obr.flexiblepv.jpg

Text:

Flexibilné slnečné články.

Účinnosť vyrábaných slnečných článkov s predpokladaným vývojom v budúcnosti (v %).

Technológia

1998

2000

2010

Monokryštalické články

14-16

18

22

Multikryštalické články

13-15

16

20

Tenký kremíkový film

8-10

12

15

Amorfné články

6-8

10

14

Meď-Indium diselenidové články

7-8

12

14

Kadmium teluridové články

7-8

12

14

O tom, že v blízkej budúcnosti je možné očakávať nárast účinnosti článkov svedčia aj hodnoty dosiahnuté pri výrobe článkov v laboratórnych podmienkach.

Účinnosť článkov vyrobených v laboratórnych podmienkach.

Technológia

Účinnosť v %

Monokryštalické články

25

Multikryštalické články

21

Tenký kremíkový film

16

Amorfné články

12-16

V našich klimatických podmienkach je pri použití rôznych typov článkov možné získať približne nasledujúce množstvo elektrickej energie.

Kremíkové články

Zisk v kWh/m2/rok

Monokryštalické

176

Multikrištalické

154

Amorfné

88

Bežný fotovoltaický článok veľkosti 100 cm2 s účinnosťou 10 % dokáže za jasného dňa vyrobiť 1 Watt elektrickej energie. Možno sa to zdá málo, ale v skutočnosti sa v kremíku ukrýva obrovská energia. Pozoruhodné pre amorfné kremíkové články, vyrobené z tenkého filmu je, že tým že sa vyžaduje len tak málo aktívneho materiálu, je jeden gram kremíka schopný počas svojej životnosti vyrobiť porovnateľné množstvo elektriny ako jeden gram uránu v atómovej elektrárni ! Navyše kremík sa v zemskej kôre vyskytuje 5000-krát častejšie ako urán a pri jeho využití sa neprodukuje rádioaktívny odpad. Kremíka je na zemi viac ako dosť veď predstavuje až polovicu hmotnosti obyčajného piesku.

KREMÍK vs. URÁN

Jeden gram uránu je schopný počas svojho štiepenia v atómovom reaktore uvoľniť energiu, z ktorej sa dá získať 3800 kWh elektrickej energie - t.j. asi toľko elektriny, koľko jej spotrebuje jedna domácnosť ročne. Tento potenciál je tak veľký, že viedol k ťažbe uránu, ktorého zastúpenie v zemskej kôre je len 5 : 100 000. Množstvo energie, ktoré je však možné získať z jednej tony uránovej rudy, sa rovná spáleniu 70 ton uhlia. Ako teda môže amorfný kremík vo fotovoltaickom článku konkurovať tejto obrovskej energii ? Obzvlášť, keď energia uvoľnená pri jednom štiepení jadra uránu je 100 miliónkrát väčšia ako energia uvolnená fotónom slnečného žiarenia v kremíkovom článku. Odpoveď je v tom, že jadro uránu sa môže štiepiť len raz, kým fotovoltaický článok môže absorbovať fotóny a premieňať ich na elektrinu až 30 rokov. V Kalifornii, kde intenzita slnečného žiarenia dosahuje až 250 W na meter štvorcový dokáže slnečný článok s účinnosťou premeny 15 % vyrobiť počas svojej životnosti asi 3300 kWh elektrickej energie, čo je približne toľko, koľko jej vyrobí jeden gram uránu v atómovom reaktore.

ŠTRUKTÚRA SLNEČNÉHO ČLÁNKU

Elektrická energia sa v slnečnom článku vyrába na spoji dvoch kremíkových vrstiev, ktoré sa líšia svojimi vlastnosťami. Jedna vrstva kremíka sa vďaka prímesí atómov fosforu vyznačuje nadbytkom elektrónov (záporných nábojov) a označuje sa ako ”N -vrstva”. Druhá vrstva kremíka je obohatená atómmi bóru, čím v nej vzniká nedostatok elektrónov, označuje sa ako ”P -vrstva” a má kladný náboj. Medzi oboma vrstvami vzniká tzv. P-N prechod, ktorý je pri dopade slnečného žiarenia aktivovaný a pripojenými vodičmi tečie medzi oboma vrstvami elektrický prúd. P-N prechod je polovodič, pretože na rozdiel od striedavých elektrických zariadení prúd tečie len jedným smerom – od záporného pólu ku kladnému. Keď na tento polovodič dopadá slnečné žiarenie (alebo žiarenie z iného svetelného zdroja), napätie medzi oboma pólmi má hodnotu asi 0,5 Voltu a pretekajúci prúd je úmerný intenzite svetelného žiarenia (množstvu dopadajúcich fotónov). V každom slnečnom článku je napätie takmer konštantné a prúd je závislý na veľkosti článku a intenzite žiarenia. Napätie solárneho panelu skladajúceho sa z viacerých článkov býva zvyčajne 12 resp. 24 V.

obr. pnprechod.jpg

Text:

P-N prechod v slnečnom článku.

Slnečné články sú vyrábané z extrémne čistého kremíka zbaveného akýchkoľvek prímesí. Výroba článkov je preto veľmi drahá. Pre porovnanie množstvo kremíka použité v jednom 50 W článku (paneli) je úmerné množstvu kremíka v integrovaných obvodoch asi 2000 počítačov, v ktorých sa využívajú polovodiče rovnakej čistoty. Zvyšný materiál v slnečnom paneli predstavuje hliník, sklo a plasty – všetko lacné a ľahko recyklovateľné materiály.

obr. pvmoduls.jpg

Text:

Slnečné panely.

Slnečné články sa montujú do panelov, v ktorých sú navzájom poprepájané a chránené skleneným pokrytím. Čím väčšia je plocha panelu a intenzita žiarenia, tým väčší prúd nimi tečie. Výkon panelov sa vyjadruje hodnotou tzv. špičkového výkonu (Wp). Watt je jednotka používaná na vyjadrenie schopnosti zariadenia generovať prúd alebo tiež vyjadruje schopnosť spotrebovávať prúd nejakým elektrickým zariadením. 1 Wp je výkon zariadenia pri špecifických podmienkach napr. pri intenzite slnečného žiarenia 1000 W/m2 dopadajúceho na článok pri nominálnej teplote 25 ° C. Tieto podmienky sú dosiahnuté pri dobrom počasí v čase, keď sa Slnko nachádza v najvyššom bode na oblohe. Na dosiahnutie výkonu 1 Wp pri takýchto podmienkach je potrebný článok asi 10 x 10 cm. Väčšie slnečné panely s rozmermi napr. 1 m x 40 cm majú bežný špičkový výkon 40-50 Wp. Veľkú časť dňa je však intenzita slnečného žiarenia nižšia ako 1000 W/m2, navyše slnečný panel sa tiež zohrieva nad nominálnu teplotu. Obidve tieto skutočnosti znižujú výkon panelu. Pre typické podmienky strednej Európy sa dá očakávať priemerný denný zisk 6 Wh (2000 Wh za rok) z každého Wp. Pre porovnanie napr. 5 Wh je energia spotrebovaná 50 W žiarovkou za 6 minút (50W x 0,1hod. = 5Wh) alebo malým prenosným rádiom so spotrebou 5 W za jednu hodinu (5W x 1h = 5Wh).

Pre zhodnotenie množstva energie, ktorú môžeme v našich podmienkach článkami získať je nutné poznať množstvo dopadajúceho slnečného žiarenia a výkon článku. Úrovne slnečného žiarenia dopadajúceho na plochu 1 m2 (pri sklone 30° ) v závislosti na ročnej dobe sú v tabuľke v úvode kapitoly o slnečnej energii. Množstvo elektrickej energie (M), ktorú článok v priebehu jedného dňa vyrobí, je možné určiť na základe nasledujúceho vzťahu:

M (kWh/deň) = P (kWp) * I (kWh/m2/deň) * E

P je špičkový výkon článku udaný v kW.

I je intenzita slnečného žiarenia dopadajúceho na plochu 1 m2/deň (udaná v kWh/m2/deň)

E je účinnosť celého systému.

Ročná výroba elektrickej energie závisí na spôsobe využitia slnečných článkov. Typická účinnosť (E) solárneho systému býva:

0,8 pre systémy pripojené na sieť

0,5 – 0,7 pre hybridné systémy

0,2 – 0,3 pre samostatne pracujúce systémy.

Hoci vyrábané články sa líšia svojou kvalitou, väčšina svetových výrobcov udáva životnosť článkov na úrovni 20 a viac rokov. V súčasnosti dodávatelia garantujú špecifický výkon článkov po dobu asi 10 rokov. Rozhodujúcim kritériom pri kúpe slnečných článkov je v prípade rôznych výrobkov porovnanie pomeru ich cien na jednotku výkonu. Z článku s výkonom 120 Wp a cenou 569 dolárov (4,74 USD/Wp) na americkom trhu je možné získať viac energie ako z “lacnejšieho” 90 Wp článku, ktorý stojí napr. 489 dolárov (5,43 USD/Wp). Vzhľadom na malé rozdiely je účinnosť bežne dostupných článkov pri kúpe zvyčajne menej dôležitá.

VÝHODY SLNEČNÝCH ČLÁKOV

Slnečné články využívajú energiu, ktorá je zadarmo, preto sa vyznačujú nízkymi prevádzkovými nákladmi a navyše aj vysokou spoľahlivosťou. Pôvodne boli vyvinuté pre použitie v kozme, kde ich údržba resp. oprava je prakticky vylúčená. Dnes takmer všetky vesmírne satelity sú napájané týmto zdrojom. Mnohé z nich pracujú veľmi dlhú dobu a bez nárokov na výmenu článkov.

Výhodou slnečných článkov a systémov z nich vytvorených je, že panely sa dajú jednoducho pridávať, a tak zväčšovať výkon celého zariadenia. Majiteľ takéhoto zariadenia môže zväčšovať jeho výkon, v závislosti na narastajúcej spotrebe energie. Panely sú prenosné podobne ako ostatné súčasti solárnych zariadení, a tak je ich možné bez problémov inštalovať na akomkoľvek mieste.

Slnečné systémy sa zvyčajne umiestňujú v blízkosti miesta spotreby elektrickej energie, čo znamená, že si vyžadujú kratšiu kabeláž v porovnaní s predĺžením bežného elektrického vedenia k užívateľovi. Navyše slnečné články si nevyžadujú použitie transformátorov vysokého napätia na nižšie, tak ako je to potrebné pri napojení sa na verejnú elektrickú sieť. Tieto výhody prispievajú k zníženiu relatívne vysokých nákladov na kúpu slnečných článkov.

obr.pvcoolertruckcb.jpg

Text:

Slnečné články na chladiarenskom vozidle. Najviac elektriny na chladenie dodávajú články v čase kedy Slnko najviac zohrieva povrch vozidla.

KOĽKO STOJÍ ELEKTRINA VYROBENÁ SLNEČNÝMI ČLÁNKAMI?

Na otázku, aké sú výrobné náklady elektriny zo slnečných článkov, neexistuje jednoduchá odpoveď. Mnoho malých solárnych zariadení dodávajúcich elektrinu pre izolované systémy (obydlia na odľahlých miestach), vyrába elektrickú energiu dnes lacnejšie ako iné dostupné alternatívy napr. predĺženie elektrického vedenia alebo používanie dieselového generátora prúdu spaľujúceho naftu.

Cena solárne vyrobenej elektriny z väčších systémov použitých napr. v plne elektricky vybavených domácnostiach závisí na počiatočných investičných nákladoch, úrokovej miere, nákladoch na prevádzku, očakávanej životnosti zariadenia a množstve vyrobenej elektriny. V podmienkach USA a cenách zariadení a komponentov v tejto krajine sa cena vyrobenej elektrickej energie pohybovala v roku 1998 od 0,20 USD/kWh do 0,50/kWh (10 Sk/kWh až 25 Sk/kWh pri kurze 50 Sk=1 USD).

KOĽKO MIESTA ZABERAJÚ SLNEČNÉ SYSTÉMY?

Bežné slnečné články z kryštalického kremíka produkujú dnes 100-120 W z každého štvorcového metra plochy, ktorú zaberajú. Jeden meter štvorcový článkov je orientačne potrebný na napájanie jednej 100 Wattovej žiarovky. Pre väčšie systémy zabraná plocha samozrejme narastá a teoreticky v prípade veľkých slnečných elektrární by mohla dosiahnuť i niekoľko štvorcových kilometrov. Je možné spočítať, že na vyrobenie elektrickej energie, ktorá sa ročne spotrebuje na Slovensku (27 miliárd kWh/rok), pri výlučnom použití slnečných elektrární, by ich plocha predstavovala asi 150 km2 (výroba 176 kWh/m2/rok). Plocha 150 km2 (12,5 x 12 km) zabraná slnečnými článkami by sa mohla zdať veľká, avšak jednoduchším a lacnejším riešením by bolo umiestnenie článkov do striech a fasád budov, tak ako sa to dnes vo svete bežne robí. Nahradenie tradičných stavebných materiálov, ktoré by boli na budove nutné v každom prípade, slnečnými článkami totiž výrazne znižuje investičné náklady. Dnes neexistuje žiadne fyzikálne obmedzenie, ktoré by limitovalo množstvo vyrobenej elektrickej energie slnečnými článkami. Keďže slnečné články nevyrábajú elektrinu v noci praktická realizácia elektro-energetiky založenej výlučne na solárnych elektrárňach by si vyžiadala vytvorenie osobitného hospodárstva na skladovanie energie založeného napr. na výrobe a použití vodíka. Takto vybudovaný energetický systém však nie je potrebný, nakoľko iné obnoviteľné zdroje (vietor, voda, biomasa, geotermálna energia) sú schopné vhodne slnečnú energiu dopĺňať.

obr. pvdialnica.jpg

text:

Slnečné články vyrábajúce elektrickú energiu popri diaľnici vo Švajčiarsku.

SOLÁRNE SYSTÉMY

Solárne systémy sa zvyčajne zaraďujú do nasledujúcich skupín:

Samostatné solárne systémy

Malé a jednoduché solárne zariadenia sa dnes veľmi často používajú na mnohých miestach sveta na čerpanie vody, napájanie klimatizačných zariadení a ventilátorov alebo rôznych meteorologických staníc. Malé systémy majú niekoľko výhod v porovnaní s tradičnými zdrojmi energie. Okrem uvedených nízkych prevádzkových a stavebných nákladoch existuje aj výhoda ich mobility. Malé zariadenie s výkonom 500 W váži menej ako 70 kg a jeho inštalácia je hotová v priebehu pár hodín. Hoci čerpadlá alebo ventilátory napojené na slnečné panely si vyžadujú istú údržbu, články je nutné len príležitostne skontrolovať a očistiť.

obr.bojapv.jpg

Samostatne pracujúce solárne systémy napájajúce energiou jednotlivé domy však majú malý zisk energie na jednotku špičkového výkonu. Súvisí to s tým, že ich výkon sa zvyčajne navrhuje pre podmienky pokrytia spotreby v zimnom období a energia nimi vyrobená letnom období je takmer nevyužitá. Typické profesionálne systémy inštalované v Európe vykazujú ročný zisk 200 - 550 kWh/kWp.

Solárne čerpanie vody

Solárne systémy poháňajúce čerpadlá vody sú vhodnou alternatívou k dieselovým generátorom alebo ručným čerpadlám, ktoré sa na tieto účely tiež používajú. Zariadenia na slnečný pohon dodávajú najviac vody v čase, keď je jej potreba najväčšia – keď Slnko svieti najviac. Solárne čerpadlá sú spoľahlivé zariadenia, jednoduché z hľadiska inštalácie a údržby. Pozostávajú z jedného alebo viacerých solárnych panelov priamo napojených na ponorné čerpadlo. Hlavný rozdiel v porovnaní s klasickými čerpadlami spočíva v tom, že solárne napájané čerpadlá pracujú na jednosmerný prúd. Navyše intenzita čerpania vody závisí na intenzite slnečného žiarenia. Nakoľko je lacnejšie skladovať vyčerpanú vodu ako energiu, slnečné čerpadlá zvyčajne nepotrebujú batérie ale nádrže na skladovanie vyčerpanej vody s kapacitou 3-10 dní. Na rozdiel od klasických čerpadiel založených na využití výkonu motora a rýchlosti čerpania, solárne zariadenia mávajú nižší výkon s pomalým čerpaním vody. Pritom využívajú energiu Slnka od jeho východu až po západ.

Moderné jednosmerné elektromotory v solárnych čerpadlách pracujú spoľahlivo pri rôznych napätiach a rýchlostiach. Tieto motory si vyžadujú len minimálnu údržbu ako napr. výmenu niektorých častí približne po 5-tich rokoch. V oblastiach, kde sú solárne čerpadlá nasadzované ako konkurencia k naftovým motorovým čerpadlám, sa ukazuje, že nevýhoda ich vysokých vstupných nákladov je rýchlo vykompenzovaná úsporami na palive a údržbe.

obr.pvpumping.jpg

SOLÁRNE SYSTÉMY S BATÉRIAMI

Najjednoduchšie solárne systémy ako napr. čerpanie vody alebo poháňanie ventilátorov solárnou energiou má nevýhodu v tom, že pracujú počas dňa len keď svieti Slnko. Aby bolo možné túto nevýhodu vykompenzovať, hlavne v prípadoch keď je energia potrebná nepretržite, používajú sa na uskladnenie solárne vyrobenej energie batérie. Batérie sa cez deň dobíjajú energiou zo slnečných článkov a následne sa z nich energia odoberá v noci alebo podľa potreby. Takto zabezpečovaná energia sa využíva pre napájanie pouličného osvetlenia, telekomunikačných zariadení, obydlí a veľkého počtu iných aplikácií, ktoré sa nezaobídu bez energie.

Bežný solárny panel vyrába jednosmerný prúd zvyčajne s napätím 12 V. Dnes je na trhu viacero elektrospotrebičov ako sú napr. žiarovky, televízne a rozhlasové prístroje ale aj chladničky, ktoré sú stavané na takéto nízke napätie. Väčšina elektrospotrebičov, s ktorými sa stretávame v domácnostiach však pracuje so striedavým prúdom a napätím 220 V. Na to, aby bolo možné využiť v solárnych systémoch aj takéto elektrospotrebiče, sa do systému vkladá tzv. menič, ktorý mení jednosmerný prúd na striedavý. Hoci menič spotrebováva istú časť energie na svoju prevádzku, takto vyrobená elektrina má rovnaké vlastnosti ako elektrina z verejnej elektrickej sieti.

Pri dobíjaní batérií solárnymi panelmi sa využíva nabíjačka, ktorá súčasne kontroluje celý proces tak, aby nedošlo k prebitiu batérie alebo jej úplnému vybitiu, čo by ju mohlo poškodiť. Batérie poskytujú solárnym systémom viacero výhod, na druhej strane však vyžadujú istú údržbu a časom aj výmenu. Solárne batérie sú podobné automobilovým, rozdiel však je v tom, že umožňujú čerpať z nich viac energie. Na rozdiel od automobilových nezničia sa ani pri častom vybití na minimálnu úroveň. Sú to batérie s tzv. hlbokým cyklom vybíjania. Ich údržba spočíva v pravidelnej kontrole elektrolytu. Taktiež by mali byť chránené pred vysokými a extrémne nízkymi teplotami.

Solárny systém s batériami dodáva energiu vždy, keď je potrebné počas dňa i noci. Koľko energie je možné z batérie v noci alebo počas zatiahnutej oblohy čerpať závisí na kapacite batérií a množstve použitých solárnych panelov. Zväčšenie počtu batérií a panelov znamená aj značné zvýšenie nákladov celého systému, preto musí byť spotreba energie spoľahlivo zhodnotená, aby bolo možné navrhnúť optimálnu kapacitu všetkých použitých komponentov.

obr.PVdomsamostat.jpg

Navrhovanie domáceho solárneho systému s batériami

Solárny systém so skladovaním energie v batériách dokáže napájať energiou veľký počet domácich elektrospotrebičov avšak len za predpokladu, že je z hľadiska svojho výkonu a spotreby správne navrhnutý. Prvým krokom pri navrhovaní veľkosti systému napr. pre rodinný dom je zhodnotenie spotreby energie.

Pre učenie spotreby energie v domácnosti je potrebné poznať počet elektrospotrebičov, ich spotrebu (W) a dobu, počas ktorej sa tieto spotrebiče využívajú napr. počas dňa alebo mesiaca.

Orientačná spotreba energie niektorých elektrospotrebičov a výpočet spotrebovanej energie za jeden deň je uvedená v tabuľke.

Zariadenie

Okamžitá spotreba

Počet hod./deň

Denná spotreba energie

Úsporná žiarovka

27 W

4

108 Wh

Úsporná žiarovka

27 W

1

27 Wh

Úsporná žiarovka

27 W

0,5

13,5 Wh

Rádio 6V

4 W

10

40 Wh

TV

15 W

2

30 Wh

Ventilátor

12 W

3

36 Wh

SPOLU

   

254,5 Wh

Ďalším krokom je zhodnotenie intenzity slnečného žiarenia v danom mieste. Tieto hodnoty je v našich podmienkach možné zistiť prostredníctvom hydrometeorologických staníc. Dôležitou veličinou je priemerné ročné (a tiež mesačné) ožiarenie konkrétneho miesta.

Navrhnutie veľkosti systému (panelov) na základe intenzity slnečného žiarenia v zimných resp. letných mesiacoch v sebe skrýva isté riziko. Využitie hodnôt intenzity žiarenia počas zimných mesiacov znamená, že celý systém by síce po celý rok pokrýval spotrebu, avšak v letných mesiacoch by vykazoval nadbytok vyrobenej energie a navyše i jeho veľkosť a tým aj cena by bola väčšia. Na druhej strane dimenzovanie systému na základe väčšej intenzity žiarenia v lete by znamenalo jeho poddimenzovanie v zimných mesiacoch.

Pre veľmi jednoduchý výpočet veľkosti slnečných panelov je potrebné poznať dennú spotrebu energie (Wh/d), prenásobiť túto hodnotu faktorom 1,7 , ktorý v sebe zahŕňa straty energie v systéme a predeliť výslednú hodnotu intenzitou slnečného žiarenia napr. 280 (Wh/d) x 1,7/ 5 (kWh/m2/d) = 96,2 W. Tento výkon je možné pokryť jedným 100 Wattovým resp dvoma 50 Wattovými panelmi.

Určenie kapacity alebo počtu batérií závisí na spotrebe energie a počte panelov. Pre vyššie uvedený príklad je vhodným riešením kapacita batérie 100 Ah, ktorá umožní skladovať energiu 1200 Wh pri 12 V. Táto kapacita pokryje spotrebu počas 4 dní bez Slnka pri dennej spotrebe asi 280 Wh.

Napätie systému

V minulosti takmer všetky solárne systémy pracovali s jednosmerným napätím 12 V. Súviselo to s tým, že systémy boli relatívne malé a využívali 12 V elektrospotrebiče napájané priamo z batérie. S príchodom účinných a spoľahlivých meničov napätia sa začali presadzovať 24 V systémy (napätie batérií aj panelov). Orientačne platí, že pre systémy navrhnuté na nižšiu spotrebu ako 2000 Wh denne je najlepšie napätie 12 V. Pre systémy so spotrebou 2000 až 6000 Wh denne je ideálne napätie 24 V a pre systémy s vyššou spotrebou ako 6000 Wh sa využíva napätie 48 V.

Napätie systému je veľmi dôležité, pričom určuje výber meniča, regulačných prvkov, nabíjačky batérií a vodičov. Zvyčajne, keď sa raz uvedené komponenty zakúpia, nedá sa celý systém veľmi meniť. Hoci niektoré časti, ako sú slnečné panely, môžu byť prepojené z 12 V na vyššie napätie, iné komponenty ako sú napr. menič alebo regulačné prvky pracujú len s jedným špecifickým napätím.

Batérie

Batéria skladuje energiu vyrobenú slnečnými panelmi a následne dodáva túto energiu rôznym elektrospotrebičom. Batérie musia pokrývať špičkovú spotrebu, ktorú solárne články nie sú schopné pokryť vlastným výkonom a tiež musia zabezpečovať energiu v noci alebo počas nepriaznivého počasia. Automobilové batérie, ktoré sú dostupné takmer všade na svete, nie sú pre solárne systémy vhodné. Ich hlavnou nevýhodou je, že nevydržia dlho neustále úplné vyvíjanie a následné nabíjanie v krátkych intervaloch. Na trhu sa preto objavili tzv. solárne batérie, ktoré vyhovujú takýmto podmienkam nabíjania a vybíjania a sú malo citlivé na cyklickú prevádzku. Pre bežné solárne systémy sa zvyčajne využíva viacero batérií zapojených paralelne tj. všetky kladné póly (označené ako +) a všetky záporné póly (-) sú navzájom prepojené. Na ich prepojenie sa používajú bežné hrubé medené vodiče nie dlhšie ako 30 cm. V blízkosti batérií by sa nemalo manipulovať s otvoreným ohňom, nakoľko pri ich dobíjaní vznikajú potenciálne výbušné plyny. Batérie by tiež mali byť vetrané a nemali by sa uzatvárať do krabíc, alebo prikrývať krytmi.

Kapacita batérie sa udáva v ampér-hodinách (Ah). Batéria s kapacitou 100 Ah a napätím 12 V dokáže uskladniť 1200 Wh (12 V x 100 Ah). Avšak kapacita batérie sa mení v závislosti na trvaní nabíjania a je schopná dodať napr. viac energie počas 100 hodinového vybíjania ako počas 10 hod. obdobia. Keď sa skladuje energia v batériách, časť z nej sa stráca samo-vybíjaním. Automobilové batérie majú bežne účinnosť asi 75%, kým solárne batérie o niečo vyššiu. Istá časť kapacity automobilovej batérie sa postupne stráca pri každom nabíjaní resp. vybíjaní a to až na úroveň keď batéria musí byť vymenená. Solárne batérie majú dlhšiu životnosť ako automobilové, ktoré vydržia asi 2 až 3 roky.

Pri navrhovaní solárneho systému s batériami je nutné uvažovať so skladovacou kapacitou potrebnej energie asi na 4 dni. Keď berieme do úvahy väčší systém so spotrebou napr. 2480 Wh denne potom vydelením tejto hodnoty napätím systému 12 V dostaneme dennú spotrebu z batérie 206 Ah. Pre štyri dni to znamená 4 x 206 Ah alebo 826 Ah. V prípade použitia olovených batérií je potrebné pridať asi 20% k tejto hodnote, pretože batériu nie je možné nikdy úplne vybiť. Z toho nám vyplynie kapacita 991 Ah.

Regulátor nabíjania

Batéria dokáže vydržať niekoľko rokov len za predpokladu, že sa používa dobrá nabíjačka s elektronickou reguláciou. Táto regulácia chráni batériu pred prebitím alebo hlbokým vybitím, čo by ju mohlo poškodiť. Ak je batéria úplne nabitá, regulátor znižuje prúd dodávaný solárnymi článkami až na úroveň vlastných strát zariadenia. Na druhej strane regulátor prerušuje dodávku energie z batérie elektrospotrebičom, keď kapacita batérie klesne pod kritickú úroveň. Preto náhly výpadok energie v solárnom systéme nie je poruchou ale len bezpečnostným opatrením. Regulátory nabíjania sú elektronické zariadenia a ako také sa môžu nesprávnym zaobchádzaním pokaziť. Lepšie regulátory sú vybavené ochranou pred takýmto vplyvom z vonku. Ochrana zamedzí poškodeniu vplyvom skratu alebo prepólovaniu batérií (mylné prepojenie kladných a záporných pólov). Mnoho regulátorov je tiež vybavených ukazovateľmi stavu batérie.

Menič

Menič je zariadenie, ktoré mení jednosmerný prúd z batérie na striedavý (220 V , 50 Hz resp. iné hodnoty). Meniče sú dodávané v rôznych veľkostiach podľa svojho výkonu od asi 250 W (cena asi 300 USD) až po viac ako 8000 W (6000 USD). Moderné meniče sú schopné dodávať elektrickú energiu oveľa lepšej kvality ako bežné elektrárne a prenosová sústava. Menej kvalitné meniče však môžu spôsobovať šum v niektorých elektronických prístrojoch. Meniče sú tiež schopné pracovať ako “bufer” medzi solárnym (domácim) systémom a rozvodnou sieťou, a tak umožniť predávanie nadbytočnej elektriny do siete.

Vodiče

Jednoduchou cestou, ako zamedziť stratám energie, je použitie vhodných elektrických vodičov (káblov). Vodiče by mali byť vždy tak krátke ako je len možné. Tie, ktoré spájajú rôzne elektrospotrebiče by mali mať minimálny prierez 1,6 mm2. Na zabezpečenie napäťových strát nižších ako 3% by vodiče medzi solárnymi panelmi a batériami mali mať prierez 0,35 mm2 (12 V systém) alebo 0,17 mm2 (24 V systém) na každý m2 solárneho panelu. Preto 10 m kábel pre 2 panely si vyžaduje minimálny prierez 10 x 2 x 0,35 mm2 = 7 mm2. Nakoľko s káblami o priereze viac ako 10 mm2 sa ťažko pracuje a ťažko sa zháňajú, je často potrebné tolerovať vyššie straty v systéme. Ak je časť vodiča vystavená vonkajšiemu prostrediu, mala byť odolná proti poveternostným vplyvom.

Natáčacie zariadenia

Solárne články pracujú najúčinnejšie keď sú natočené priamo k Slnku. Natáčacie zariadenia umožňujú pomocou pohyblivej platformy nastaviť optimálnu polohu článkov k Slnku v priebehu dňa. Takéto smerovanie dokáže zvýšiť zisk energie v zime o 10% a v lete až o 40%. Pri navrhovaní celého systému však musí byť zhodnotená aj spotreba energie natáčacím zariadením a tiež i jeho cena, pretože v mnohých prípadoch zisk z natáčania nevyváži vyššiu spotrebu. Na mnohých miestach je výhodnejšie inštalovať viac článkov, ako investovať do natáčacieho zariadenia. V USA napr. vychádza natáčacie zariadenie výhodnejšie len v prípade inštalácie viac ako 8 solárnych panelov s celkovým výkonom 800 W.

Spotreba energie

Keďže náklady na výstavbu solárneho systému sú relatívne vysoké, je pri využívaní slnečnej energie rovnako dôležité sústrediť sa aj na spotrebu energie zariadeniami napr. v dome vybavenom takýmto systémom. Významnú položku tu má osvetlenie a použitie vhodných typov žiaroviek. Ukazuje sa, že v solárnych aplikáciách je takmer vždy výhodné investovať do úsporných kompaktných fluorescenčných žiariviek, ktoré sa vyznačujú nízkou spotrebou (menej ako 20 % spotreby klasickej žiarovky) a dlhou životnosťou (často až 10 rokov). Úsporná 18 W žiarivka dokáže nahradiť tradičnú 100 W žiarovku. Nevýhodou je, že na trhu (aj to len v zahraničí) existuje len veľmi málo žiariviek na jednosmerný prúd, a preto býva nevyhnutné používať menič napätia.

Životnosť a cena komponentov

Dôležitým parametrom v ekonomickej analýze solárneho systému je životnosť a cena komponentov, z ktorých sa systém skladá. Výrobcami udávaná životnosť jednotlivých zariadení je nasledovná:

Solárne panely vydržia pracovať asi 20 rokov. Dobré upevnenie a kryt zo skla s nízkym obsahom železa sú schopné zaručiť aj dlhšiu životnosť. Galvanizovaná kovová konštrukcia a ukotvenie panelov vydržia asi tak dlho ako panely samotné. Vyžaduje si však istú údržbu podobne ako iné kovové materiály. Solárne batérie vydržia v závislosti v závislosti na charaktere nabíjania a vybíjania v priemere asi 4 roky. Elektronický regulátor má životnosť minimálne 10 rokov podobne ako meniče napätia.

Orientačné ceny komponentov solárneho systému v USA (1999).

Solárne články

5 USD/Wp

Menič

0,5 USD/W

Galvanizovaná konštrukcia

0,3 USD/Wp

Regulačné zariadenie

0,5 USD/Wp

Vodiče

0,7 USD/m

Batérie

100 USD/kWh kapacity

Hybridné solárne systémy

Solárne články spoločne s iným typom elektrického zdroja (elektromotory na iné palivá) dokážu veľmi dobre pokrývať meniace sa nároky spotreby energie a to pri nižších nákladoch, ako by to bolo pre systémy založené len na jednom zdroji. V prípadoch, keď je potrebné mať nepretržite spoľahlivý zdroj energie alebo keď sa vyžaduje vyšší výkon ako je schopný dodať solárny systém, je pripojenie ďalšieho elektrického zdroja vhodným riešením. Solárne články v priebehu dňa pokrývajú spotrebu energie a súčasne dobíjajú batérie. Keď sú batérie vybité, energiu do systému dodáva iný zdroj až pokiaľ sa batérie nedobijú. Takéto systémy sú schopné dodávať energiu kedykoľvek, pričom dodatočný elektrický generátor pôsobí tiež ako záložný zdroj. Výhodou je, že prevádzka solárnych článkov je tichá a neznečisťuje okolité prostredie. Takýto systém môže byť aj cenovo výhodný, nakoľko záložný elektrický generátor znamená menšie nároky na články a menej batérií. Hoci pripojenie dodatočného elektrického zdroja sa môže zdať komplikované, moderné elektronické regulačné zariadenia umožňujú, aby takýto systém pracoval úplne automaticky. Regulačné prvky pripájajú zdroje a menia jednosmerné napätie na striedavé podľa okamžitej spotreby. Popri tradičných generátoroch prúdu je možné do systému pripojiť aj malé vodné elektrárne alebo malé veterné generátory prúdu a vytvoriť tak väčší hybridný systém.

Hybridné systémy majú zvyčajne vyšší zisk energie ako samostatne pracujúce systémy, nakoľko ich veľkosť je navrhovaná na pokrývanie spotreby energie v lete s využitím záložného zdroja v zime. Typický ročný zisk solárneho zariadenia sa v závislosti na stratách spôsobených regulátorom dobíjania a batériou, pohybuje na úrovni 500 - 1250 kWh/kWp.

Solárne články pripojené na sieť

Tam, kde je dostupná elektrická rozvodná sieť, je možné prepojiť solárny systém, napr. inštalovaný na streche domu, so sieťou a tak nahradiť použitie batérií. Na sieť pripojené solárne systémy sa vyznačujú najvyššou účinnosťou - ziskom energie na jednotku inštalovaného výkonu, pretože všetka vyrobená energia sa buď spotrebuje v mieste výroby, alebo sa dodáva do rozvodnej siete. Typický ročný zisk v našich klimatických podmienkach predstavuje 800 - 1400 kWh/kWp.

Dnes existuje vo svete niekoľko tisíc takto pripojených solárnych systémov na verejnú elektrickú sieť. Hlavným motívom majiteľov býva, že solárnym systémom je možné znížiť vlastnú spotrebu energie kupovanej zo siete. Navyše majiteľovi toto pripojenie umožňuje predávať nadbytočnú energiu v prípade, keď ju nie je schopný využiť sám. Bežne to funguje tak, že merač spotreby elektriny sa točí naopak, keď solárny systém dodáva elektrinu do siete. V čase keď je domáca spotreba vyššia ako výroba solárnym systémom, odoberá elektrinu zo siete podobne ako iní užívatelia. Sieť takto funguje ako záložný zdroj (batérie) pre jeho potreby.

obr. PVsiet.jpg

Pre takéto pripojenie však elektrárenské (rozvodné) spoločnosti vyžadujú použitie kvalitných meničov napätia a regulačných obvodov, ktoré presne spĺňajú napäťové a frekvenčné podmienky siete a tiež vyhovujú bezpečnostným požiadavkám. V prípade poruchy vo vonkajšom vedení musia bezpečnostné prvky solárny systém okamžite od siete odstaviť. To zamedzí zraneniu opravárov elektrickej siete elektrinou dodávanou solárnymi článkami. Vzhľadom na to, že elektrina zo solárnych článkov je ešte stále drahšia ako z fosílnych palív v niektorých krajinách existuje podpora budovania solárnych systémov cestou osobitných taríf, čím sa slnečná energia stáva ekonomickejšou. Napríklad v USA elektrárenské spoločnosti nakupujú od nezávislých výrobcov elektrinu za vyššiu cenu počas špičkového odberu v priebehu dňa. V niektorých častiach USA sa cena špičkovej elektriny pohybuje takmer na úrovni ceny elektriny vyrobenej solárnym systémom. Podobne je to aj v Nemecku, kde rozvodné závody sú zo zákona povinné vykupovať solárnu elektrinu až za 0,99 DM/kWh (20 Sk/kWh). Počet solárnych systémov pripojených na sieť v USA ako aj v Európe preto rastie veľmi rýchlo.

Elektrárenské spoločnosti v rôznych krajinách sveta využívajú solárne systémy už dlhšiu dobu. Väčšina týchto systémov má menší výkon ako 1 kW a využíva batérie na skladovanie energie. Takéto zdroje napájajú napr. stožiare elektrického vedenia alebo iné výstražné objekty a počas svojej dlhoročnej činnosti preukázali spoľahlivosť a pripravili cestu pre výstavbu väčších zariadení. Elektrárenské spoločnosti sa zaujímajú o solárne články hlavne z dôvodu stále narastajúcich nárokov na znižovanie emisií pri výrobe elektriny. Veľké solárne elektrárne pozostávajúce z mnohých solárnych panelov sú vhodným riešením pre tieto spoločnosti, nakoľko ich výstavba je oveľa rýchlejšia ako výstavba klasických elektrární. Elektrárne tiež môžu budovať solárne systémy v miestach, kde sú najviac potrebné a navyše je ich možné ľahko zväčšovať, keď spotreba energie vzrastie. Nevýhodou solárnych elektrární je, že pri súčasnom stanovovaní cien elektriny, je energia z nich vyrobená stále drahšia ako v elektrárňach na fosílne palivá. Navyše ich výroba je ovplyvňovaná počasím a obmedzuje sa len na časť dňa. Integrovanie solárnych elektrární do siete si preto vyžaduje isté obmedzenia. Na druhej strane však prináša výhody v oblastiach, kde budovanie tradičného elektrického vedenia je spojené s istými obmedzeniami. Solárna elektráreň v odľahlom mieste znižuje prenosové straty vo vedení na dlhých vzdialenostiach od zdroja k spotrebiteľovi. Tým sa solárny zdroj stáva hodnotnejším aj pre elektrárenské spoločnosti, pretože sa dostávajú bližšie k potenciálnym spotrebiteľom napr. tiež v oblastiach s rýchlo narastajúcim počtom obyvateľov. Výstavba solárnych elektrární je pre elektrárenské spoločnosti úplne novým typom podnikania. Na rozdiel od klasických elektrární solárne si vyžadujú vysoké počiatočné investičné náklady, majú však nulové náklady na palivo. Uhoľné alebo plynové elektrárne majú nižšie náklady na výstavbu (vzhľadom na jednotku výkonu), avšak cena paliva hrá veľmi významnú úlohu v ich ekonomike. Ceny klasických palív sa často menia a ich vývoj v budúcnosti je ťažké predpokladať v čase budovania klasickej elektrárne. Takisto je ťažké vedieť aké náklady si vyžiadajú klasické elektrárne v súvislosti s ochranou životného prostredia a sprísňujúcich sa limitov emisií v budúcnosti. Tieto skutočnosti významne ovplyvňujú rozhodovanie sa viacerých elektrárenských spoločností. Je totiž evidentné, že ceny klasických palív budú len rásť (hlavne ropy a zemného plynu) rovnako ako budú zavádzané nové resp. prísnejšie ekologické dane. Solárne elektrárne majú z tohoto pohľadu bezkonkurenčnú výhodu, pretože dnes ani v budúcnosti ich prevádzka nebude zviazaná s palivovými ani ekologickými nákladmi.

Jedným z riešení problému skladovania slnečnej energie pre budúcnosť môže byť využívanie tzv. vodíkového hospodárstva. Podstatou tohoto hospodárstva je výroba vodíka elektrolýzou vody pomocou elektriny generovanej slnečnými článkami. Účinnosť rozkladu vody elektrickým prúdom dosahuje až 90%. Voda sa pri tomto procese rozkladá na vodík a kyslík. Vodík sa zachytáva v tlakových nádržiach a ako palivo sa potom spaľuje za prítomnosti kyslíka. Pri tomto procese sa uvoľňuje užitočná energia a celý cyklus sa uzatvorí za vzniku malého množstva dusíka a vody. Voda predstavuje odpad a súčasne surovinu, z ktorej je možné opätovne vodík získavať. Je evidentné, že vodík je možné vyrábať z akýchkoľvek zdrojov energie vrátane elektriny vyrobenej z fosílnych palív resp. z uránu. Ak by sa vodík vyrábal z nefosílnych zdrojov napr. slnečnými článkami, nedochádzalo by k žiadnej emisii škodlivín resp. skleníkových plynov, pretože na jeho výrobu sú potrebné len obnoviteľné suroviny (voda, slnečné žiarenie) a v hojnej miere sa vyskytujúce prvky v zemskej kôre (v prípade slnečných článkov - kremík). Vodík sa takto môže stať palivom budúcnosti s neobmedzenými zásobami pre celé ľudstvo. Vodík ako energetický zdroj je :

Vodík je možné pri teplote -253 st. Celzia skvapalniť (zhustiť) tak, že sa dá použiť ako palivo na výrobu tepla, elektriny alebo v motorových vozidlách. Ako nevýhoda sa často uvádza jeho výbušnosť, avšak priemyselné skúsenosti ukazujú, že vodík je možné bezpečne transportovať napr. plynovodmi. V Porúrí existuje už viac ako 50 rokov 210 km sieť, ktorou sa vodík transportuje - do dnešnej doby bez akejkoľvek nehody.

Počiatočná aplikácia vodíkového hospodárstva v praxi bude pravdepodobne v sektore dopravy. Prvé pokusy s autami spaľujúcimi vodík prebehli v mnohých krajinách (Nemecko, Japonsko, USA, Švédsko). Vyhliadky pre túto aplikáciu sú veľmi dobré, nakoľko fosílne palivá používané v doprave patria k najdrahším a súčasne najznečisťujúcejším palivám v súčasnosti. Prechod na vodíkové hospodárstvo by si však predovšetkým s ohľadom na vysoké kapitálové nároky spojené so zavedením takéhoto systému, vyžadoval niekoľko desaťročí.

Obnovitelne zdroje energie - navrat na publikaciu


ZIVOTNE PROSTREDIE:
Organizacie / Granty / Casopisy / Publikacie / Publikacie / Legislativa