2 SLNECNA ENERGIA * 2.1. Pasivne vyuzivanie slnecneho ziarenia * * 2.2. SLNECNE KOLEKTORY * * 2.3. Navrhovanie solarneho systemu na pripravu teplej vody * * 2.4. SOLARNA TERMALNA VYROBA ELEKTRINY * * 2.5. FOTOVOLTAIKA * * TECHNOLOGIA* * SOLARNE SYSTEMY* * 2.6. AKUMULACIA SLNECNEJ ENERGIE - VODIKOVE HOSPODARSTVO * SLNECNA ENERGIA Kazdy rok dopada zo Slnka na Zem asi 10 tisickrat viac energie, ako ludstvo za toto obdobie spotrebuje. Mnozstvo dopadajucej slnecnej energie na uzemie Slovenska je asi 200-nasobne vacsie, ako je sucasna spotreba primarnych energetickych zdrojov u nas. Je to obrovsky, doposial takmer uplne nevyuzity potencial. Vyuzivanie slnecnej energie je dnes najcistejsim sposobom vyuzivania energie vobec a na rozdiel od inych zdrojov (aj obnovitelnych) su dopady na okolite zivotne prostredie zanedbatelne. Slnecna energia je hnacim strojom zivota na Zemi. Zohrieva atmosferu a Zem, vytvara vietor, zohrieva oceany, sposobuje odparovanie vody dava silu vodnym tokom, rastlinam aby mohli rast a z dlhodobeho hladiska vytvara aj fosilne paliva. Slnecna energia a z nej pochadzajuce obnovitelne zdroje energie - veterna, vodna a biomasa mozu byt vyuzite na vyrobu vsetkych foriem energie, ktore dnes ludstvo vyuziva. SLNECNE ZIARENIE Slnecne ziarenie je elektromagneticke ziarenie s vlnovymi dlzkami v rozsahu od 0,28 do 3,0 æm. Slnecne spektrum zahrnuje maly podiel ultrafialoveho ziarenia (0,28 - 0,38 æm), ktore je pre ludske oko neviditelne a predstavuje asi 2 % solarneho spektra. Viditelne svetlo ma vlnove dlzky od 0,38 do 0,78 æm a predstavuje asi 49% spektra. Zvysok tvori infracervene ziarenie s vlnovymi dlzkami 0,78 - 3,0 æm. Obr. spektrum Slnko neustale produkuje obrovske mnozstvo energie - priblizne 1,1 x 1020 kWh kazdu sekundu (jedna kilowatthodina je mnozstvo energie, ktore spotrebuje 100 W ziarovka po dobu desat hodin). Vrchna vrstva atmosfery prijima asi dve miliardtiny Slnkom vytvorenej energie, co je asi 1,5 x 1018 kWh za rok. V dosledku odrazu, rozptylu a absorpcie plynmi a aerosolmi v atmosfere dopada na zemsky povrch len asi 47% z tejto energie (7 x 1017 kWh). Okamzity vykon slnecneho zdroja predstavuje v atmosfere 1,7 .1017 W. Obr. slnkozem V nasich zemepisnych podmienkach to znamena, ze energia dopadajuca na plochu 1 m2 dosahuje hodnotu 1000 az 1250 kWh/rok (cca 5 GJ). Z uvedenej intenzity ziarenia vyplyva, ze teoreticky pri 100% ucinnosti vyuzitia tejto energie by sme z plochy 3 x 3,3 metra mohli ziskat dostatok energie na pokrytie celorocnej spotreby tepla a teplej vody pre priemernu domacnost na Slovensku. Barieru pre taketo vyuzitie nepredstavuje len nerealizovatelna 100 %-na ucinnost zariadenia, ale aj odchylky v mnozstve dopadajuceho ziarenia v priebehu roka a jeho energetickej hustote. Hustota slnecneho ziarenia je totiz mnohonasobne nizsia ako v pripade fosilnych paliv, na druhej strane je vsak toto ziarenie homogennejsie rozlozene ako zasoby klasickych paliv na Zemi. Porovnanie hustoty energie pre rozne zdroje. Hustota energie kW/m2 Slnecne ziarenie nad zemskou atmosferou 1,35 Slnecne ziarenie na povrchu Zeme 0,1 (Slovensko - priemer) Uhlie (spalovacia pec velkej elektrarne) 500 Jadrova energia (palivovy clanok vo velkej atomovej 650 elektrarni) Elektricky kabel 1.000.000 Zemska atmosfera sa otepluje v dosledku priameho slnecneho ziarenia priamo a nepriamo rozptylom ziarenia vo vzduchu (tzv. difuzne ziarenie). Sucet oboch tychto zloziek predstavuje globalne ziarenie. Mnozstvo dopadajuceho ziarenia na konkretnom mieste vsak zavisi na viacerych faktoroch ako su napr.: * zemepisna poloha * miestna klima * rocne obdobie * sklon povrchu k dopadajucemu ziareniu. CAS A MIESTO Mnozstvo dopadajuceho slnecneho ziarenia sa meni v dosledku relativneho pohybu Slnka. Tieto zmeny zavisia na dennom a rocnom obdobi. Vo vseobecnosti plati, ze najviac ziarenia dopada na Zem na poludnie, kedy poloha Slnka na oblohe je najvyssia a cesta prechadzajuceho slnecneho ziarenia cez atmosferu je najkratsia. Tym dochadza k najmensiemu rozptylu a absorpcii ziarenia v atmosfere. Mnozstvo dopadajucej energie sa meni pocas roka a predstavuje napr. menej ako 0,8 kWh/m2 za den pocas zimy v Severnej Europe az po viac ako 4 kWh/m2 za den pocas leta v tomto regione. Tento rozdiel sa zmensuje pre regiony, ktore lezia blizsie k rovniku, kde je intenzita ziarenia najvyssia. Tak napr. priemerna hustota dopadajuceho ziarenia dosahuje v Strednej Europe 1100 kWh/m2 v Strednej Azii asi 1700 kWh/m2 a v niektorych africkych krajinach asi 2200 kWh/m2 za rok. Je evidentne, ze geograficke a sezonne rozdiely su znacne a musia byt brane do uvahy pri navrhovani solarnych aplikacii (pozri tabulku). Zmeny intenzity dopadajuceho slnecneho ziarenia v niektorych oblastiach sveta (sklon povrchu 30 stupnov). Europa Karibska oblast Juzna Stredna Severna kWh/m2.den Januar 2,6 1,7 0,8 5,1 Februar 3,9 3,2 1,5 5,6 Marec 4,6 3,6 2,6 6,0 April 5,9 4,7 3,4 6,2 Maj 6,3 5,3 4,2 6,1 Jun 6,9 5,9 5,0 5,9 Jul 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 Oktober 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 hladiska pouzivanych technologii nizsia energeticka hustota znamena vacsie naroky na plochu zariadeni. To spolu s problemom casovo meniacej sa intenzity dopadajuceho ziarenia predstavuje hlavnu nevyhodu v porovnani s fosilnymi palivami, kde je energia uskladnena vo vysoko koncentrovanej forme. OBLAKY Meniace sa atmosfericke podmienky maju vyrazny vplyv na mnozstvo dopadajuceho slnecneho ziarenia na Zem. Je evidentne, ze mnozstvo energie klesa s narastajucou oblacnostou a najlepsie slnecne podmienky sa nachadzaju v pustnych oblastiach s minimalnou oblacnostou v priebehu roka. Miestne geograficke pomery tiez ovplyvnuju tvorbu oblacnosti. Tak pritomnost kopcov, oceanov a velkych jazier znamena, ze intenzita dopadajuceho slnecneho ziarenia sa moze lisit od susednych miest. Napriklad kopcovite oblasti vykazuju nizsiu uroven slnecneho ziarenia ako rovinate oblasti. Suvisi to s tym, ze v kopcoch sa tvori vacsia oblacnost ako na rovinach. Primorske oblasti sa taktiez lisia z hladiska intenzity ziarenia od oblasti polozenych dalej od pobrezia. V nasich podmienkach sa intenzita globalneho slnecneho ziarenia moze napoludnie menit od asi 1000 W/m2 pocas jasneho dna (za mimoriadne vyhodnych podmienok to moze byt este viac) po menej ako 100 W/m2 pocas zamraceneho dna. ZNECISTENIE OVZDUSIA Tak prirodne ako aj clovekom sposobene javy mozu ovplyvnovat intenzitu dopadajuceho ziarenia. Znecistenie vzduchu v mestach, dym z lesnych poziarov, ciastocky popola z vulkanickej cinnosti a ine javy znizuju tuto intenzitu v dosledku absorpcie a rozptylu. Tieto faktory maju velky vplyv hlavne na priamu zlozku slnecneho ziarenia. Intenzita priameho slnecneho ziarenia v oblasti silne znecisteneho ovzdusia napr. smogom moze byt znizena az o 40 %, kym globalna intenzita ziarenia sa znizi o 15% to 25%. Silne vulkanicke erupcie dokazu znizit intenzitu priameho ziarenia aj vo velmi vzdialenych oblastiach o 2 % a globalneho ziarenia o takmer 10% pocas 6 mesiacov po erupcii. Hoci vulkanicky popol z atmosfery postupne vypadava, jeho uplne odstranenie moze trvat niekolko rokov. Potencial Potencial slnecneho ziarenia je z celosvetoveho pohladu obrovsky a pri nulovych nakladoch na palivo poskytuje az 10.000-krat viac energie, ako sa je kazdorocne vo svete spotrebuje. Vsetci obyvatelia Zeme rocne spotrebuju asi 8,5 x 1013 kWh komercnej energie. Okrem toho tiez spotrebovavaju energiu, ktora sa neobjavuje v energetickych statistikach (hlavne biomasa pouzivana v rozvojovych krajinach). Podla niektorych expertov tato nekomercna energia sa moze na celkovej spotrebe podielat az jednou patinou. Ale aj keby bol tento prispevok zapocitany do spotreby energie, aj tak by celkova spotreba predstavovala jednu sedem tisicinu energie dopadajucej na Zem zo Slnka. Aj v takych vysoko energeticky narocnych krajinach ako je napr. USA ( rocna spotreba 2,5 x 1013 kWh) je mnozstvo dopadajucej slnecnej energie niekolko stonasobne vacsie ako spotreba. V mnohych krajinach by stacilo pokryt menej ako 1 % uzemia (napr. strechy budov, nevyuzite plochy) slnecnymi technologiami, aby bol zabezpeceny dostatok energie pre celu krajinu. Z praktickeho hladiska vsak nie je logicke, aby pri existencii inych obnovitelnych zdrojov energii bola energeticka spotreba vylucne pokryvana takymito technologiami. Podstatne je, ze aj v nasich klimatickych podmienkach je potencial slnecnej energie obrovsky, ved len energia dopadajuca na strechu budovy vo vacsine pripadov presahuje spotrebu energie v nej. Intenzita slnecneho ziarenia u nas predstavuje asi 1100 kWh/m2 za rok, kym priemerna spotreba v obytnych domoch je len asi 150 kWh/m2 na vykurovanie a 25-50 kWh/m2 na chod elektrospotrebicov a na varenie. Z uvedeneho vyplyva, ze mnozstvo dopadajucej slnecnej energie je az 5-krat vacsie alebo vyjadrene inak je postacujuce na pokrytie spotreby az 5-poschodovej obytnej budovy (merane v hodnotach na m2 horizontalneho povrchu). Hoci slnecna energia je z hladiska celorocneho priemeru dostatocna na pokrytie spotreby energie v mnohych domacnostiach, jej prakticke vyuzitie je obmedzene premenlivostou intenzity ziarenia v priebehu roka a obmedzenou moznostou skladovania energie. Bez ohladu na nevyhody, dnes existuje dostatok moznosti a technickych zariadeni, ktore su schopne velmi ucinne premienat slnecnu energiu tak na teplo ako aj elektrinu a to aj pri relativne nizkych investicnych nakladoch. Napr. pre jednoduche solarne systemy (kolektory) vychadza, ze v nasich podmienkach su schopne bezne pokryt 60-80% spotreby teplej vody a 25 - 50% spotreby energie na kurenie pre priemerny dom. obr. solenergslov.jpg VYUZIVANIE SLNECNEJ ENERGIE Rozlisujeme tri zakladne sposoby vyuzitia slnecnej energie : * Pasivne vyuzitie vhodnou architekturou kde tvar a vystavba budov je navrhnuta tak, aby dopadajuce ziarenie a nasledne jeho skladovanie a distribucia po budove viedli k maximalnemu efektu. * Vyuzitie slnecnych kolektorov na pripravu teplej uzitkovej vody resp. vykurovanie priestorov. * Vyroba elektrickej energie slnecnymi (fotovoltaickymi) clankami alebo inymi systemami koncentrujucimi slnecne ziarenie. * Pasivne vyuzivanie slnecneho ziarenia Pasivna slnecna architektura (dizajn) je v sucasnosti vyuzivana v budovach pomocou existujucich technologii a materialov s cielom zohrievat (resp. chladit) a osvetlovat priestory budov. Takato architektura v sebe zahrnuje integrovanie tradicnych stavebnych elementov ako je kvalitna izolacia alebo energeticky ucinne okna a umiestnenie budovy resp. rozmiestenie vnutornych priestorov budov tak, aby bol dosiahnuty maximalny energeticky ucinok. Architektura bola v minulosti inspirovana, tradiciou, miestnymi podmienkami a tiez dostupnostou stavebnych materialov. Hoci solarna architektura nebola v minulosti chapana tak oko je to dnes, niektore jej prvky sa objavili uz velmi davno. Uz v roku 100 pred Kristom spisovatel Plinius si postavil letny dom v Severnom Taliansku, ktory mal tenke platky sludy pouzite ako okna. Miestnost takto vybavena sa stala teplejsou a usetrilo sa na nedostatkovom palivovom dreve. Zname rimske kupele v 1. az 4. st. pred Kristom mali velke na juh orientovane okna , aby do miestnosti mohol prudit teply vzduch z vonku. V 6. storoci nasho letopoctu boli "slnecne miestnosti" natolko popularne, ze Justiniansky kodex hovoril o "prave na Slnko", aby bol zabezpeceny pristup kazdeho jednotlivca k slnecnemu ziareniu. Velke presklenne priestory boli velmi popularne uz okolo roku 1800 a na mnohych miestach vytvarali promenadu podobnu dnesnym sklenikom. Pasivne slnecne budovy sa stavali vo velkom pocte v USA v roku 1947, kedy sa v dosledku 2. svetovej vojny prejavil nedostatok energetickych zdrojov. V tomto obdobi vydala Libbey-Owens-Ford Glass Company knihu nazvanu "Tvoj slnecny dom", v ktorej boli prezentovane diela 49 najznamejsich americkych solarnych architektov. V polovici 50-tych rokov architekt Frank Bridgers navrhol prvu komercnu budovu na svete, vyuzivajucu solarne ohrievanie vody a pasivnu solarnu architekturu. Tento solarny dom nazyvany Bridgers-Paxton Building bol trvalo vyuzivany az do obdobia, kedy bol zaradeny do Americkeho Narodneho Historickeho Registra ako prva solarna budova na svete. Nizke ceny ropy sa na konci 50-tych rokov prejavili aj tym, ze zaujem o solarne budovy a uspory energie opadol. Po ropnych krizach a hlavne zaciatkom 90-tych rokov, kedy bolo jasne, ze nizke ceny ropy su v nenavratne, ceny energie a trzne sily sa stali hlavnym motivom opatovneho zaujmu o solarnu architekturu. Dnesna solarna architektura vyuziva konstrukciu budovy ako kolektor, akumulator a zariadenie na transport tepelneho ziarenia. Takato definicia vyhovuje vacsine systemov, kde je slnecne tepelne ziarenie absorbovane v stenach alebo podlahach budov. Existuju vsak aj systemy, ktore vyuzivaju niektore specialne stavebne prvky ako nadrze s vodou alebo betonove bloky na akumulaciu tepla. Najjednoduchsou formou pasivneho vyuzivania slnecnej energie je navrhovanie a stavba domov tak, aby mnozstvo dopadajucej energie bolo co najvyssie. Pre typicku budovu moze prispevok pasivneho slnecneho dizajnu predstavovat az 15%-nu usporu energie na vykurovanie. Ked si uvedomime, ze na Slovensku sa az 40% spotrebovanej energie (v pripade domacnosti az 78 %) vyuziva na vykurovanie budov zistime, ze v slnecnej architekture sa skryva obrovsky potencial uspor. Vo vyspelych krajinach zacina principy slnecnej architektury vyuzivat stale viac architektov, a to nielen pri navrhovani novych domov, ale aj pri rekonstrukcii starsich budov. Najvacsi zisk z pasivneho vyuzitia slnecneho ziarenia, a to pri najnizsich nakladoch, sa da docielit uz pri projektovani budovy. Zasadou byva, ze vsetky velke okna by mali byt orientovane na juh. Dom s takto orientovanymi oknami potrebuje az o 10-20 % menej tepelnej energie ako podobny dom so severnou resp. vychodo-zapadnou orientaciou okien. Ak je takato orientacia okien kombinovana s efektivnym rozlozenim obytnych a neobytnych (nevykurovanych) priestorov domu, tak uspory bez vynalozenia dodatocnych nakladov mozu dosiahnut az 50 %. Pod efektivnym rozlozenim sa rozumie umiestnovanie obytnych miestnosti v juznej casti domu a neobytnych resp. miestnosti s nizsim narokom na vykurovanie v severnych castiach domu (kuchyna, predsien, chodba). Velke okna sa kombinuju s pristreskami a tienenim, ktore zabranuju prehriatiu miestnosti v lete. Uspory energie su najvacsie, ak je vnutorna cast domu vybudovana z teplo absorbujucich materialov a pri pouziti okien s dvojitym sklom. Obr. pasive K pasivnemu vyuzitiu slnecnej energie a usporam energie taktiez prispievaju aj zimne zahrady alebo presklenne balkony tie si vsak casto vyzaduju dodatocne naklady. Tepelne uspory su v tychto priestoroch dosahovane trojakym sposobom : * dodatocnou izolacnou vrstvou, ktoru tieto priestory predstavuju, * tym, ze slnecne ziarenie vyhrieva presklenny priestor znizuju sa tepelne straty cez stenu budovy * vzduch z tohto priestoru moze byt ventilovany do vnutornych priestorov domu. Ukazuje sa, ze presklenne priestory znizuju straty energie cez steny budovy asi na polovicu. Celkove uspory vsak zavisia na sposobe, ako sa dom a jeho presklenna pristavba vyuzivaju. Ak napr. dvere a okna medzi tymto priestorom a domom su otvorene alebo je tento priestor osobitne vykurovany, vysledkom moze byt vyssia spotreba energie ako bez pouzitia tychto priestorov. PRVKY slnecnEJ ARCHITEKTURY Existuje niekolko zakladnych principov vyuzivania pasivnej solarnej architektury s cielom uspory energie na vykurovanie budovy. Tieto principy, tak ako su definovane nizsie, mozu mat mnoho variacii, a tak obohatit tradicnu architekturu. Podstatnym prvkom pasivneho solarneho domu je umiestnenie budovy vratane kvalitnej izolacie, orientacia okien a tepelna kapacita. Vsetky tieto prvky by mali byt navrhovane sucasne. Pre dosiahnutie malych zmien vnutornej teploty by mala byt izolacia umiestnovana zvonku teplo absorbujucich materialov (tepelna kapacita). Avsak v priestoroch, kde sa vyzaduje rychly narast vnutornej teploty, by mala byt ista cast izolacie a materialov s nizkou teplotnou kapacitou umiestnovana na vnutorne povrchy budovy. Optimalny vyber materialov a izolacie pre kazdy objekt znamena nielen usporu energie, ale aj financnu usporu za material. Solarnu architekturu je tiez vhodne kombinovat s aktivnymi slnecnym systemami ako su slnecne kolektory alebo slnecne clanky (pozri nizsie). MIESTO Podla studie americkeho ministerstva energetiky "Landscaping for Energy Efficiency", rozumne umiestnenie budovy v terene moze znamenat az 25%-nu usporu energie na vykurovanie a klimatizaciu. Mimoriadny vyznam sa priklada rozmiestneniu stromov, vrhajucich tien v okoli budovy v lete a chraniacich budovu pred zimnymi vetrami. Popri tieni stromov ma vyznam zaoberat sa aj povrchom okolia napr. travnikom, ktory v dosledku odparovania vlhkosti z vegetacie moze znizit teplotu vzduchu v okoli az o 5 stupnov, a tak ochladzovat budovu. Stromy su sice vynikajucim prirodnym tienidlom, avsak musia byt rozumne umiestnene, aby poskytovali tien v lete a netienili slnecne ziarenie v zime. Je treba si uvedomit, ze aj listnate stromy, ktore uz v zime listie nemaju, tienia cast slnecneho ziarenia v tomto obdobi. Niekolko takychto stromov dokaze odtienit az 50 % potrebneho slnecneho svitu v zime, co je potrebne vyvazit zvysenym vykurovanim. OKNA Vsetky budovy s aplikovanou pasivnou solarnou architekturou zavisia na ucinnosti okien. Sklo a ine transparentne materialy dovoluju prenikat kratko-vlnovemu slnecnemu ziareniu do budovy a zabranuju unikaniu dlho-vlnoveho (tepelneho) ziarenia z budovy do jej okolia. Okna reguluju tok tepelnej energie v principe dvoma sposobmi: * umoznuju ohrievanie vnutorneho priestoru miestnosti slnecnym ziarenim na teplotu vyssiu, ako je vonkajsia teplota a * zamedzenim vstupu slnecneho ziarenia do miestnosti (orientaciou a tienenim) tiez ochladzovat vnutorny priestor v lete. Ked sa vyuziva slnecne ziarenie na ohrev budovy, je ucelne, aby orientaciou okien bolo vyuzite maximum slnecneho ziarenia, ktore v zime dopada na budovu od 9 hod. do 15 hod. Z tohto hladiska je treba zvazit umiestnenie stromov, ktore mozu vrhat na budovu tien. Je vsak potrebne zdoraznit, ze je mozne navrhnut budovu tak, aby bol vyhlad do kazdeho smeru a sucasne bola energicky uspornou budovou so slnecnou architekturou. Dobre izolovane steny, podlahy a strecha budovy su dolezitejsie ako rozmiestnenie miestnosti, a ked je nutne umiestnit okna na zapad, je potrebne aby boli dobre izolovane a mensich rozmerov. Pre dobry vyber skla okien je nevyhnutne poznat vztah svetla a tepla. Slnecne ziarenie sa sklada z viacerych vlnovych dlzok, a preto rozne typy skla budu rozne selektivne prepustat, absorbovat alebo odrazat rozne zlozky slnecneho spektra. Bezne sklo prepusta slnecne ziarenie s vlnovym dlzkami od 0,4 do 2,5 æm. Ked tato tepelna energia dopada na nepriesvitne predmety za sklom, jej vlnova dlzka vzrastie na 11 æm. Sklo posobi ako nepriepustna bariera pre tuto vlnovu dlzku, a tym zachytava slnecnu energiu, ktora by inak unikla von. Mnozstvo ziarenia prenikajuce sklom zavisi na uhle dopadu. Optimalny uhol je 90o. Ked svetlo dopada na sklo pod uhlom mensim ako 30o vacsina ziarenia sa odrazi. Popri svetelnej pohode je z hladiska vyberu skla najdolezitejsim parametrom priepustnost infracerveneho tepelneho ziarenia. Specifikaciou spravneho typu skla je mozne zachytavat tepelne ziarenie v miestnosti, a tym ju ohrievat a tiez odrazat infracervene ziarenie, aby v pripade potreby nedoslo k ohrievaniu vnutornych priestorov. Existuju tri sposoby, ktorymi teplo prechadza cez sklo: Vedenim (kondukcia), pri ktorom teplo prechadza materialom priamym kontaktom s nim. Teplo moze byt pocitovane napr. dotykom skla. Ziarenim (radiacia), pri ktorom sa teplo siri cez material vdaka prechadzajucemu elektromagnetickemu ziareniu. Tento jav sposobuje pocit tepla vychadzajuceho z povrchu skla. Pohybom (konvekcia) tepla, ktory je zabezpecovany pohybom vzduchu. Prirodne prudenie vzduchu s tendenciou pohybu tepleho vzduchu smerom k chladnejsiemu, znamena ze teplo je mozne ziskat alebo stratit. Parameter, ktory v odbornej literature vyjadruje izolacne vlastnosti skla sa nazyva R-faktor. Je urceny stupnom vodivosti, ziarenia a pohybu tepla cez sklo. Je potrebne zdoraznit, ze infiltracia vzduchu ma tiez vplyv na vysledny R-faktor skla. Mnozstvo tepla, ktore prechadza v okoli skla, je rovnako dolezite ako mnozstvo tepla prechadzajuce cez sklo. Vzduch moze unikat alebo vnikat do budovy v okoli presklennych priestorov cez ramy a ine konstrukcie. Kvalita prace a instalacie celeho okenneho systemu vratane ramu ma vplyv na infiltraciu vzduchu. Pokroky v technologii vyroby skla okien sa od roku 1970 stali najvacsim prinosom k usporam energie v budovach a hraju vyznamnu ulohu v slnecnej architekture. Hlavnymi prinosmi vo vyvoji okien su: * Dvojite a trojite skla okien s vysokym R-faktorom. * Skla s nizkym vyzarovanim alebo pokrytim, ktore umoznuju zachytavat viac tepla vnutri a prepustat menej von. * Okna plnene argonom (alebo inymi vzacnymi plynmi), ktore zvysuju tepelno-izolacne vlastnosti v porovnani s oknami s normalnym vzduchom. * Technologie so zmenenou fazou, ktore umoznuju menit sklo na priesvitne a nepriesvitne podla napatia, ktore je na ne prilozene. Obr. okno Okna sa robia z roznych typov skla, plexiskla a inych materialov. Hoci jednotlive materialy sa uplatnuju v roznych aplikaciach, pouzitie obycajneho skla sa ukazalo ako najuzitocnejsie a preto je tiez najrozsirenejsie. Ine typy skla umoznuju solarnemu architektovi navrhnut stavbu najviac vyhovujucu poziadavkam klienta. Okno s jednou sklenenou tabulou je najjednoduchsim typom okna. Jednoduche okna maju vysoku priepustnost svetla , ale tiez slabe izolacne vlastnosti. Ich R-faktor je priblizne 1,0. Jednoduche skla su ucinne ako ochrana v teplom klimatickom prostredi (pokial sa nepouziva klimatizacia), pouzivaju sa ako pokrytie slnecnych kolektorov alebo sklenikov. Budovy s jedno-tabulovymi oknami vykazuju velke teplotne vykyvy, zvysenu kondenzaciu vlhkosti a poskytuju minimalnu ochrannu vrstvu pred vonkajsim prostredim. Najrozsirenejsim typom okna je okno s dvoma sklami. Dvojtabulove okna su v podstate dve skla zmontovane do jedneho okna s vnutornym tepelno-izolacnym priestorom. Izolovane okna maju niekedy vnutorny priestor medzi sklami vyplneny materialom pohlcujucim vlhkost a bezne byvaju utesnene silikonom. Vnutorny priestor okien zvysuje odpor pre prenos tepla a ich celkovy R-faktor je asi 1,8-2,1. Velke priestory medzi sklami nevedu k zvysovaniu R-faktora. V skutocnosti velke medzery zvysuju vedenie tepla vo vnutri a vedu k tepelnym stratam. Pravidlom byva, ze vnutorny priestor medzi sklami okna je 2 az 4 centimetre. Je vsak mozne tuto vzdialenost predlzit az na 10-12 centimetrov bez toho, aby dochadzalo k tepelnym stratam. Pri tak velkych vzdialenostiach skiel sa vsak okna stavaju velmi velkymi a tazkymi. Vo vyspelych krajinach sa dvojite okna s izolovanymi sklami stali standardom a jednoduche skla sa v beznych oknach budov prakticky nepouzivaju. Okna s vysoko-ucinnymi tepelno-izolacnymi vlastnostami vykazuju este lepsie hodnoty R-faktora. Taketo typy okien tiez poskytuju vacsie moznosti architektovi budovy nakolko tam kde by mali byt steny alebo strecha z klasickeho materialu, mozu byt presklenne slnecne priestory. Tmave priestory sa tak stanu svetlymi, mozu ziskat viac tepelneho ziarenia a znizit naroky na vykurovanie. Pri relativne nizkych nakladoch je mozne zvysit tepelnu ucinnost budovy, znizit vlhkost a zlepsit flexibilitu dizajnu. Dnes existuje na trhu niekolko vysoko-ucinnych okien. Nizke tepelne vyzarovanie skiel znamena, ze ziarenie je pohlcovane v miestnosti. R-faktor takychto okien sa pohybuje na urovni 2,6 az 3,2. Plynom plnene okna maju este lepsie tepelno-izolacne vlastnosti. Pouzitim vzacneho plynu ako je krypton alebo argon sa ich R-faktor zvysuje asi o 1,0. Inertne plyny nemaju ziadne negativne ucinky na organizmus avsak okna nimi plnene su podstatne drahsie. Vyznam ma aj tienenie okien napr. zaclonami. Popri dekorativnom vyzname maju zaclony na oknach aj tepelno-izolacne vlastnosti. Znizuju tepelne straty pocas chladneho obdobia a zvysuju tepelny zisk pocas tepleho obdobia roka. Drevena garniza nad zaclonou zabranuje tomu, aby teply vzduch prudil medzi oknom a zaclonou. Aby bol dosiahnuty maximalny efekt, zaclona by mala siahat minimalne 30 cm pod spodnu hranu okna. Optimalne je, ked siaha az po zem. TEPELNA KAPACITA - AKUMULACIA TEPLA V BUDOVE Slnecne ziarenie dopadajuce na povrchy stien, okien a inych struktur je budovou absorbovane a skladovane v zavislosti na tepelnej kapacite materialov. Takto uskladnena energia je potom vyzarovana do vnutornych priestorov budovy. Tepelna kapacita pouzitych materialov posobi podobne ako baterie v systemoch so slnecnymi clankami alebo ako zasobnik teplej vody v systemoch so slnecnymi kolektormi. Vsetky tieto zariadenia skladuju slnecnu energiu pre neskorsie vyuzitie. Tepelna kapacita moze byt vyuzita v pasivnej slnecnej architekture viacerymi sposobmi siahajucimi od pokrytia podlahy az po vodou plnene nadrze. Je potrebne vediet, ze tmave povrchy odrazaju menej slnecneho ziarenia, a preto pohlcuju viac tepla. Tmava podlaha pohlcuje teplo pocas celeho dna a opatovne teplo vyzaruje do miestnosti v noci. Rychlost prestupu tepla zavisi na rozdiele teplot medzi zdrojom tepla a objektom kam teplo unika. Vsetky povrchy budov stracaju teplo vedenim, ziarenim a pohybom. Dobre navrhnuta budova minimalizuje straty a maximalizuje ucinnost rozvodu tepla v budove. Vhodne aplikovat tepelnu kapacitu (teplo-absorbujuce materialy) vo vnutri budovy znamena tiez zvazit okolitu klimu. Tazke budovy s vysokou tepelnou kapacitou su zvycajne prijemnejsie v horucom (suchom) a tiez chladnom podnebi. V teplom ale vlhkom podnebi maju len malo prednosti. V chladnom prostredi vyssia tepelna kapacity budovy posobi ako tepelny sklad a znizuje naroky na vykurovanie s vynimkou velmi chladnych dni so zatiahnutou oblohou. V tazkych budovach, kde sa kuri nepravidelne, vsak zabezpecenie prijemnej mikroklimy, znamena vyssie naroky na vykurovanie. Obr. dom Navrhnutie vhodnej tepelnej kapacity budovy je zvycajne jednou z najtazsich uloh, pred ktorou stoji architekt navrhujuci budovu so solarnou architekturou. Mnozstvo potrebneho materialu zavisi na velkosti presklennej juzne orientovanej steny a rozmiestneni materialu. Niektore zakladne pravidla suvisiace s tepelnou kapacitou su : * Materialy s vyssou tepelnou kapacitou sa umiestnuju do miest priameho dopadu slnecnych lucov. Takto sa stavaju tepelne ucinnejsie ako materialy ktore ziskavaju teplo len nepriamo. Domy, ktore zavisia na tepelnej kapacite materialov nepriamo ziskavajucich teplo, si vyzaduju 3 az 4-krat viac materialu ako domy s priamym dopadom svetla a absorpciou tepla. * Pasivne solarne domy maju lepsie vlastnosti, ked su teplo pohlcujuce materialy rozmiestnene na vacsej ploche. Povrch tychto materialov by mal byt minimalne 3 az 6-krat vacsi ako plocha na juh orientovanych okien. Podlaha, ktora je 8 az 10 cm hruba, je tepelne ucinnejsia ako podlaha s dvojnasobnou hrubkou. * Teplo pohlcujuce materialy by sa nemali prekryvat. Koberce prakticky eliminuju uspory ziskane z pasivnych solarnych prvkov. * Dolezita je aj farba materialov pohlcujucich teplo. Najlepsie pohlcuju teplo tmave farby. Hoci stredne odtiene mozu pohlcovat az o 30 % menej slnecneho ziarenia ako farby tmave, su tiez vhodnym prvkom v solarnom dizajne. Farba vnutornych stien budovy vyrazne neovplyvnuje ucinnost solarneho dizajnu. * Materialy pohlcujuce teplo by mali byt izolovane. Izolacia podlah a inych ploch vyrazne znizuje straty energie. Pri navrhovani tepelnej kapacity budov alebo pri porovnavani roznych materialov je potrebne poznat tepelnu kapacitu tychto materialov, ktora sa udava v J/m3. stupen Celzia. Kedze tato charakteristika vyjadruje schopnost materialu pohlcovat a skladovat teplo je vyssia hodnota znakom lepsich tepelno-akumulacnych vlastnosti. Tepelna kapacita pre vybrane materialy. Material Hustota (kg/m3) Tepelna kapacita (J/m3. Deg. C) Voda 1000 4186 Kamen 2500 2250 Beton 2100 1764 Tehla 1700 1360 Materialy, ktore nie su vhodne ako tepelny akumulator Drevo 610 866 Plasty 950 798 Sklo 25 25 V minulosti existovali pokusy architektov vyuzit ako tepelny akumulator domu vodu skladovanu v objemnych nadrziach alebo kamenne bloky. Teplo takto naakumulovane bolo potom rozvadzane po budove systemom cerpadiel a ventilatorov. Tieto akumulatory sa vsak ukazali ako velmi neprakticke, drahe, vyzadovali komplikovany system regulacie, navyse predstavovali zivnu podu pre rozne huby a mikroorganizmy, a preto sa od ich pouzivania upustilo. Inym dovodom ich odmietnutia bolo aj to, ze zaviseli na elektrine, vyzadovali si udrzbu a nefungovali tak, ako sa od nich ocakavalo. Tepelna izolacia Izolacne materialy su pre solarnu architekturu nesmierne dolezite. Tepelny zisk moze byt velmi rychlo vykompenzovany unikmi tepla z budovy v dosledku slabej izolacie. Klucovou ulohou je teda kontrolovanie toku tepla cez vonkajsi material budovy. Na trhu existuje viacero izolacnych materialov. Niektore, hlavne porozne materialy, funguju na principe odporu vzduchu zachytenom v drobnych medzerach medzi vlaknami alebo medzi bunkami vytvorenymi v roznych plastovych resp. penovych strukturach (polystyren, polyuretan). Inymi typmi izolacnych materialov su rozne reflexne folie, ktore odrazaju energiu (ziarenie) mimo objektu alebo povrchu. CHLADENIE V mnohych castiach sveta je pasivna solarna architektura vyuzivana nielen na ohrievanie budovy ale aj na chladenie. Jednou z najosvedcenejsich metod ako je mozne budovu ucinne chladit, je tepelne ju prepojit so zemou, ktora ma konstantnu teplotu. Umiestnenie prizemia minimalne jeden meter pod zem poskytuje rovnomernejsiu vonkajsiu teplotu, ktora pomaha tak chladeniu ako aj vykurovaniu. Primerana izolacia a kvalita stavebnych prac su vsak nevyhnutnou podmienkou pre kvalitu podzemnej stavby. Tepelna izolacia je najlepsia a tiez najekonomickejsia cesta ako temperovat budovu. Vyuzitie tepelnej kapacity zeme a dobrej izolacie udrzuje dom na primeranej teplote. Objekty vrhajuce tien zvonku i zvnutra okien (zaluzie, zaclony), ventilacia a rozne reflexne filmy su tiez velmi dolezitymi prvkami na udrzanie vnutornej teploty budovy. Z hladiska chladenia budovy je vnutorne tienenie okien (zaclony) menej ucinne ako vonkajsie, nakolko k blokovaniu slnecneho ziarenia dochadza az v miestnosti, kde sa cast tepelneho ziarenia absorbovala. V pripade, ked nie su k dispozicii vonkajsie zaluzie alebo rolety, je vnutorne tienenie nevyhnutne. Reflexne filmy a natery, ktore sa nanasaju na sklo a casto je mozne sa s nimi stretnut na administrativnych budovach, su schopne odrazit az 85 % dopadajuceho ziarenia. Takyto film blokuje ziarenie pocas celeho roka, a je preto pre solarny dizajn nevhodny hlavne na oknach orientovanych na juh. Moze vsak byt ucinny na netienenych na vychod a zapad orientovanych oknach. Tieto filmy sa odporucaju pouzivat na oknach s ciastocnym tienenim, pretoze absorbuju slnecne ziarenie a zohrievaju sklo nerovnomerne. Nerovnomerne ohrievanie skla moze sposobit jeho prasknutie alebo moze poskodit tesnenie medzi tabulami skla. * SLNECNE KOLEKTORY Zohrievanie vody Slnkom je jednym z najstarsich sposobov vyuzivania slnecnej energie. Zariadenia, ktore sa pre taketo ucely v sucasnosti pouzivaju, sa nazyvaju slnecne kolektory. Kolektory pohlcuju slnecne ziarenie a premienaju ho na teplo. Toto teplo je skladovane vo vode alebo vo vzduchu a pouziva sa na pripravu teplej vody v budovach. Moze sa vsak vyuzit aj na ohrievanie bazenov, varenie alebo susenie polnohospodarskych plodin. Slnecne kolektory sa daju vyuzit prakticky vsade tam, kde sa vyzaduje teplo. Priprava teplej vody je po vykurovani druhou najvyssou polozkou, ktoru plati priemerna rodina u nas za energiu spotrebovavanu v domacnosti. Pre niektore domy predstavuje dokonca najvacsiu polozku. Ohrievanie vody slnecnymi kolektormi moze vyrazne znizit naklady za teplo a to casto az o 70%. Slnecny kolektor, ktory je mozne tiez vyuzit na predohrev vody, je jednoduche zariadenie a nevyzaduje si takmer ziadnu udrzbu. Kolektor zohrieva vodu na velmi jednoduchom principe, s ktorym sa vacsina ludi stretla napr. v automobile alebo v zahradnej hadici, na ktoru dlhsi cas svieti Slnko. Voda alebo predmety vo vnutri automobilu sa v nich mozu zohriat na velmi vysoku teplotu. Slnecny kolektor sa zohrieva rovnako, pricom vyuziva absorbator umiestneny v tepelno-izolovanom rame, ktory umoznuje podstatne zvysit ucinnost prestupu tepla. Aj ked sa dnes kolektory uplatnuju hlavne pri priprave teplej uzitkovej vody, je energiu nimi vyrobenu mozne vyuzivat aj na vykurovanie (prikurovanie) v objektoch. V takomto pripade sa vsak pouzivaju kolektory s vacsou plochou resp. vakuove kolektory napojene na system podlahoveho kurenia. Casto je vsak potrebne mat aj zalohovy system kurenia, co zvysuje investicne naklady a cenu energie. Vykurovanie objektov slnecnymi kolektormi je takto v nasich podmienkach (poznacenych zvyhodnovanim klasickych fosilnych paliv) dnes zvacsa neekonomicke. Priprava teplej uzitkovej vody sa i napriek pretrvavajucim dotaciam do klasickej energetiky ukazuje ako podstatne ekonomickejsia. Kvalitne slnecne kolektory su schopne rocne pokryt 60-75% energie potrebnej na pripravu teplej vody pre priemerny rodinny dom, pricom v obdobi od aprila do oktobra je mozne uplne spolahnut sa na slnecnu energiu. Velmi slubnym sa ukazuje aj vyuzitie solarnych kolektorov na ohrev vzduchu pre polnohospodarske a potravinarske ucely. Tieto kolektory, v ktorych namiesto vody sa ohrieva vzduch (dalej rozvadzany ventilatorom), je mozne vyuzit napr. na susenie dreva, sena alebo inych plodin. Priklady vyuzitia vzdusnych kolektorov existuju vo viacerych krajinach, pricom len vo Svedsku ich bolo instalovanych viac ako 200.000 m2 . Umiestnene byvaju na strechach stodol a vyuzivaju sa hlavne na susenie sena. Dnes su slnecne kolektory instalovane tak na rodinnych domoch ako aj na polnohospodarskych farmach, umyvackach aut, restauraciach alebo priemyselnych budovach. Tento pestry zoznam miest ma jedno spolocne - vsade je potrebna tepla voda. Tym, ze si kolektory nasli cestu prakticky do vsetkych kutov sveta, sa ukazala ich zivotaschopnost a prinos nielen pre uzivatela ale aj pre ochranu zivotneho prostredia. HISTORIA Slnkom ohrievana voda sa vyuzivala davno pred tym, ako fosilne paliva zacali urcovat smer nasej energetickej spotreby. Zakladne principy ohrevu su zname od nepamati. Cierny povrch sa zohrieva na slnku rychlejsie ako biely alebo svetly . A prave tento princip vyuzivaju dnesne slnecne kolektory. Prvy znamy plochy kolektor bol vyvinuty v roku 1767 svajciarskym vedcom Horacom de Saussurom a neskor bol zdokonaleny Johnom Herschelom, ktory ho vyuzival na varenie jedla pocas svojej expedicii v Juznej Afrike v roku 1830. Technologia slnecnych kolektorov sa vyvinula do priblizne sucasnej podoby v roku 1908, kedy William J. Bailey z americkej oceliarne Carnegie Steel Company vyrobil kolektor s izolovanym ramom a medenymi trubkami. Kolektor bol velmi podobny termosifonu (pozri nizsie). Bailey predal asi 4000 kusov kolektorov do konca 1. svetovej vojny a podnikatel z Floridy, ktory jeho patent kupil, predal dalsich priblizne 60.000 kusov do roku 1941. Obmedzenie predaja medi v USA pocas 2. svetovej vojny viedlo k prudkemu poklesu vyroby a predaja kolektorov. Zaujem o tieto zariadenia sa objavil az po vypuknuti ropnej krizy a obrovskom naraste cien energie v roku 1973. Tato kriza vyznamne pomohla technologiam vyuzivajucim obnovitelne zdroje energie na celom svete. Narastajuca podpora a investicie do vyvoja novych technologii znamenali, ze od 70-tych rokov 20. storocia sa ucinnost solarnych systemov velmi zvysila. Nove skla a materialy pokryvajuce kolektory, selektivne farby nanasane na absorbator, zlepsena izolacia to vsetko viedlo k vyssim energetickym ziskom. TRH SO SLNECNYMI KOLEKTORMI Slnecne kolektory su dnes uz vyspelou technologiou, ktora sa uplatnuje prakticky po celom svete. Trh s plochymi kolektormi predstavuje vyznamnu polozku v krajinach ako su Izrael, Cina, Cyprus, Japonsko, Australia, Rakusko, Nemecko, Grecko, Turecko alebo USA. Predaj v Europe sa orientuje hlavne na domacnosti, kde okrem pripravy teplej uzitkovej vody sa vyuziva aj solarne vykurovanie budov a vyhrievanie bazenov. Svetova produkcia slnecnych kolektorov v roku 1995 dosiahla 1,3 milion m2, pricom Europsky trh vratane stredomorskych statov predstavoval asi 40% produkcie. Celkova plocha instalovanych kolektorov presiahla 30 milion m2 z toho v EU 8 mil. m2. Predaj ma od roku 1980 stale rastuci trend, pricom celosvetovy narast vyroby predstavuje asi o 20 % za rok. Medzi europskymi krajinami je na cele vyroby Grecko, ktore exportuje az 40 % svojej produkcie. Cielom greckeho priemyslu je zvysit rocnu vyrobu do roku 2005 na 1,3 milion solarnych systemov s celkovou plochou kolektorov 5 milion m2. Projekt realizovany na Krete si vyziada instalaciu 20.000 kolektorov pocas dvoch rokov. Na greckom trhu je v sucasnosti instalovanych 70.000 kolektorovych systemov rocne, co prispieva k znizovaniu emisii CO2 o 1,5 milion ton. Z pohladu celkovej instalovanej plochy kolektorov je z krajin EU najlepsie Nemecko so 450.000 m2 (1997) pred Rakuskom s 210.000 m2. Predaj slnecnych kolektorov v EU v roku 1996 predstavoval viac ako 700.000 m2 plochych kolektorov so sklenenym pokrytim a asi 150.000 m2 bez pokrytia. Ukazuje sa, ze narast predaja bude pokracovat aj nadalej, nakolko EU prijala vyznamne opatrenia na podporu obnovitelnych zdrojov energie. Vyroba slnecnych kolektorov vyznamne prispela aj k tvorbe novych pracovnych miest. V roku 1999 v tomto sektore pracovalo asi 10.000 ludi. Vyroba plochych presklennych kolektorov v niektorych krajinach v roku 1994. Vyroba v m2 Nemecko 170.000 Grecko 165.000 Rakusko 100.000 Velka 40.000 Britania Dansko 20.000 Ostatni 55.000 EU 550.000 Plocha slnecnych kolektorov instalovanych v niektorych krajinach a regionoch. Plocha kolektorov v m2 Stredomorske 8,5 milion krajiny USA 6,5 milion Japonsko 6 milion EU 5,6 milion Australia 2,5 milion Cina 1,5 milion Plocha slnecnych kolektorov na jedneho obyvatela bola v roku 1992 najvacsia na Cypre a v Izraeli - 0,5 m2 , za ktorym nasledovalo Grecko a Rakusko. Analyza statistik predaja slnecnych kolektorov na jedneho obyvatela ukazuje, ze nie klimaticke, ale politicko-ekonomicke podmienky v krajine urcuju objem vyroby a predaja. Uspech tejto technologie na Cypre nie je len vysledkom toho, ze tu nie su fosilne zdroje energie, ale aj cielenej vladnej politiky. Silne legislativne zazemie v prospech vyuzivania slnecnej energie existuje aj v Izraeli. Izrael a Cyprus su jedinymi krajinami, kde existuje povinnost instalovat solarne systemy na pripravu teplej vody na vsetkych novych budovach. Toto opatrenie bolo zavedene postupne. V Izraeli sa najskor vyzadovalo aby vsetky budovy vyssie ako 8 poschodi boli vybavene solarnym systemom s dostatocnym zasobnikom. Toto bolo neskor rozsirene na vsetky nove obytne budovy v krajine. V roku 1983 bol prijaty zakon, podla ktoreho vsetky nove hotely, skoly a nemocnice musia mat instalovane solarne systemy. Tieto opatrenia boli sprevadzane financnou podporou zo strany statu. Podobny vyvoj prebehol aj na Cypre, kde je v sucasnosti 90% individualnych rodinnych domov a 15% viacbytovych objektov vybavenych slnecnymi kolektormi. obr. Izrael.jpg Text: Slnecne kolektory na strechach domov v Izraeli. Na Slovensku bolo do roku 1997 instalovanych asi 20.000 m2 slnecnych kolektorov, ktore sa vyuzivaju prevazne v rodinnych domoch. Vynimkou nie su vsak ani kolektory v priemyselnych resp. polnohospodarskych podnikoch. Medzirocny prirastok novo-instalovanych kolektorov je u nas velmi maly a v roku 1994 bol len 0,25 m2 na 1000 obyvatelov. Za zmienku stoji, ze v Rakusku je tento prirastok 15,4 m2/1000 obyvatelov, pricom medzirocny narast predstavuje 20-25%. V sucasnosti v tejto alpskej krajine pripada 73 m2 slnecnych kolektorov na 1000 obyvatelov. Na Slovensku je to takmer 20-krat menej - 3,6 m2/1000 obyvatelov. Je evidentne, ze mnozstvo energie, ktoru je zo slnecnych kolektorov mozne ziskat, je v oboch krajinach zhruba rovnake. Uvedene rozdiely vo vyuzivani su vsak vysledkom cieleneho usilia, na ktorom sa v Rakusku podiela velka cast obyvatelstva. Situacia u nas je o to smutnejsia, ze na Slovensku dnes existuje dostatocna materialna zakladna pre sirsie uplatnenie tychto technologii, ved v Ziari nad Hronom sidli jedna z najvacsich svetovych firiem vyrabajucich kolektory (zn. HELIOSOLAR) spickovej kvality. Dnes vsak len 3% z produkcie Thermo/Solaru konci na nasom trhu, co je vysledkom nielen vysokej konkurencie schopnosti kolektorov na zahranicnych trhoch, ale aj nepriaznivych podmienok na domacom trhu. Hlavne bariery u nas predstavuje nizka cena energie, mala informovanost verejnosti, dlha doba navratnosti vlozenych investicii, nedostatok kapitalu, vysoke uroky a relativne vysoke investicie pre domacnosti. POTENCIAL Celkovy potencial rocnej vyroby slnecnych kolektorov v Europe sa odhaduje na 360 milion m2, co predstavuje financny objem asi 50 miliard dolarov USD pri rocnom naraste 23%. Ocakava sa, ze do roku 2005 by plocha instalovanych kolektorov s pokrytim v EU mohla dosiahnut 28 milion m2. Plocha kolektorov bez skleneneho pokrytia (plastove kolektory na vyhrievanie bazenov) by mala dosiahnut 20 milion m2. TYPY SLNECNYCH KOLEKTOROV Typicky slnecny kolektor pracuje ako miniaturny sklenik, ktory zachytava teplo pod sklenenym (alebo inym priesvitnym) krytom. Kedze slnecne ziarenie ma difuznu povahu a jeho intenzita je relativne nizka, kolektorova plocha byva zvycajne dost velka (niekolko m2). Kolektory su vyrabane v roznych velkostiach a tvaroch v zavislosti na poziadavkach ich vyuzitia. Na trhu existuje viacero typov, ktore mozno rozdelit do niekolkych kategorii. Jedno z takychto rozdeleni je v zavislosti na teplote, ktoru v pracovnom mediu (voda alebo vzduch) kolektory dosahuju. * Nizkoteplotne kolektory zohrievaju vodu na menej ako 50 st. Celzia. Zvycajne byvaju tvorene len absorbatorom (kovovym alebo plastovym) a pouzivaju sa hlavne na ohrev vody v bazenoch. * Strednoteplotne kolektory dosahuju teploty priblizne 60 az 80 st. Celzia a najcastejsie sa pouzivaju na pripravu teplej vody v budovach. Sem patria aj u nas najrozsirenejsie ploche presklenne kolektory. Teplotnym mediom moze byt aj vzduch prechadzajuci cez trubky kolektora. Osobitnu skupinu tvoria tzv. vakuove kolektory, ktore koncentruju ziarenie do ohniska, v ktorom prechadza trubka s teplonosnym mediom. Koncentraciou slnecneho ziarenia sa dosahuje vyssi teplotny zisk (viac ako "jedno slnko"), co dava moznost vyuzit taketo kolektory aj na vykurovanie budov. * Vysokoteplotne kolektory predstavuju hlavne parabolicke zrkadla alebo ine fokusujuce konstrukcie, ktore zohrievaju teplonosne medium na viac ako 100 st. Celzia. Taketo solarne termicke zariadenia sa pozivaju hlavne na vyrobu elektriny. Uplatnuju sa predovsetkym v oblastiach s vysokou intenzitou slnecneho ziarenia. Taketo rozdelenie kolektorov je vsak len orientacne a castejsie je mozne sa stretnut s rozdelenim podla konstrukcie kolektorov, kde tiez existuje znacna roznorodost. KOLEKTORY S INTEGROVANYM ZASOBNIKOM Najjednoduchsou formou solarneho kolektora je tzv. "zasobnikovy typ" alebo termosifon. Toto oznacenie vychadza z toho, ze kolektor je sucasne absorberom i zasobnikom teplej vody sucasne. Zasobnikove kolektory sa vyuzivaju na predohrev alebo ohrev vody. Predohrev vody je vyhodny, pretoze znizuje naklady na energiu potrebnu na vlastny ohrev vody v domacnosti. Zasobnikove kolektory su lacnou alternativou beznych plochych kolektorov. Vyznacuju sa tym , ze nemaju ziadne pohyblive casti, nevyzaduju takmer ziadnu udrzbu a maju nulove prevadzkove naklady. Kolektory s integrovanym zasobnikom vyuzivaju zvycajne jednu ciernu nadrz naplnenu vodou a umiestnenu do tepelno-izolovaneho boxu nad absorberom. Niektore boxy maju tiez reflektory, ktore zvysuju zisk tepelneho ziarenia. Nevyhodou tychto kolektorov je, ze musia byt chranene pred mrazom a ich pouzitie v zime prakticky nie je mozne. PLOCHE KOLEKTORY Ploche kolektory su najcastejsie pouzivanymi kolektormi na pripravu teplej vody. Typicky kolektor predstavuje izolovany box so sklenenym alebo inym pokrytim z priesvitneho materialu a cierny plochy absorbator. Bocne strany kolektora su izolovane podobne ako spodna strana, cim sa znizuju straty energie. Pouzity transparentny material je dolezity z hladiska strat energie. Sklo s nizkym obsahom zeleza sa vyznacuje vysokou priepustnostou pre dopadajuce svetelne ziarenie a malou priepustnostou pre unikajuce tepelne ziarenie z kolektora. Slnecne ziarenie prechadza transparentnym krytom a dopada na absorbator, ktory sa zohrieva, a tak premiena toto ziarenie na teplo. Absorbator byva najcastejsie cierny, nakolko tmava farba absorbuje viac slnecneho ziarenia ako farba svetla. Teplo sa v absorbatore odovzdava teplonosnemu mediu, ktorym moze byt tak voda ako aj vzduch, prechadzajuci v trubkach absorbatora. Pretoze vacsina ciernych farieb odraza asi 10% dopadajuceho ziarenia, niektore kolektory byvaju pokryte tzv. "selektivnym naterom", ktory zvysuje absorpciu tepla v kolektore (znizuje uniky), a tiez byva trvanlivejsim ako bezna cierna farba. Selektivny nater predstavuje velmi tenku vrstvu amorfneho polovodica naneseneho na kovovy substrat. Tieto natery maju vysoku absorpciu v oblasti viditelneho svetla a malu emisivitu v oblasti dlhovlnoveho infracerveneho ziarenia. Absorbatory byvaju vyrobene z kovov, najcastejsie medi alebo hlinika, ktore sa vyznacuju velmi dobrou tepelnou vodivostou. Med je drahsia ako hlinik, avsak vyznacuje sa vyssou vodivostou a lepsou odolnostou proti korozii. KVAPALINOVE KOLEKTORY V kolektoroch s kvapalinou ako teplonosnym mediom slnecna energia zohrieva vodu alebo nemrznucu zmes prechadzajucu trubkami v absorbatore. V takomto kolektore su trubky pripevnene (privarene) k absorbatoru tak, aby teplo pohltene absorbatorom preniklo s najnizsimi stratami do kvapaliny. Trubky prechadzaju absorbatorom bud paralelne s osobitnymi vstupmi a vystupmi na hornej a dolnej strane alebo serpentinovite. Serpentinovite rozlozenie znizuje mozne uniky kvapaliny na vstupe resp. vystupe a zaistuje rovnaky prietok. Takyto tvar vsak moze predstavovat problem v systemoch, ktore sa musia na zimu vypustit, pretoze v ohyboch trubky moze zostavat voda. Najjednoduchsie ploche kolektory vyuzivaju uzitkovu vodu, ktora sa po prechode kolektorom zohrieva, potrubim prechadza do domu, kde sa vyuziva. Takyto system sa nazyva samotiazny. V miestach, kde sa vyskytuju mrazy, sa vsak voda z takychto systemov musi na zimu vypustat, alebo sa musi do vody primiesavat nemrznuca zmes. Ploche kolektory sa v nasich podmienkach najcastejsie vyuzivaju spolu so zasobnikom vody, kde sa tepla voda z kolektora skladuje. Takyto zasobnik sluzi hlavne ako tepelny vymennik, do ktoreho z jednej strany priteka studena voda a z druhej strany sa odobera tepla voda vyrobena kolektorom. Zasobnik byva umiestneny mimo kolektora v budove. Taketo systemy vyuzivaju obehove cerpadlo a niektore regulacne prvky. Ploche kolektory s kvapalinovym teplonosicom sa okrem pripravy uzitkovej teplej vody vyuzivaju niekedy aj na vykurovanie priestorov. Kolektory bez transparentneho pokrytia sa najcastejsie vyuzivaju na ohrev vody v bazenoch. Pretoze taketo kolektory nepracuju s vysokou teplotou vody, pouzivaju sa na ich vyrobu lacne materialy najcastejsie plasty alebo guma. Taktiez ich pouzitie hlavne v letnych mesiacoch znamena, ze nepotrebuju nemrznucu zmes a pracuju s obycajnou vodou. Obr. kolektor Vzduchove kolektory Ploche kolektory, ktorych teplonosnym mediom je vzduch, maju vyhodu v tom, ze v zime nezamrznu a v horucom lete nemoze dojst k varu vody ako v nespravne prevadzkovanych kvapalinovych kolektoroch. Hoci uniky tepla z kolektora sa tu tazsie zistuju, dosledok takychto unikov nepredstavuje taky vazny problem ako u kvapalinovych kolektorov. Na konstrukciu vzduchovych systemov sa tiez vyuzivaju lacnejsie materialy ako napr. plasty, pretoze ich pracovna teplota je zvycajne nizsia ako v kvapalinovych kolektoroch. Vzduchove kolektory su jednoduche zariadenia vyuzivane hlavne na vykurovanie priestorov a susenie polnohospodarskych rastlin. Absorbatorom byva kovovy material (plech), cez ktory prudi vzduch vhanany ventilatorom. Pretoze vzduch vedie teplo ovela menej ako voda, vysledkom je, ze prestup tepla medzi absorbatorom a vzduchom je nizsi, co znamena mensi tepelny zisk ako v pripade kvapalinovych kolektorov. V niektorych vzduchovych kolektoroch sa pouzivaju aj ventilatory umiestnene na absorbatori, aby sa zvysila turbulencia vzduchu a zlepsil prenos tepla. Nevyhodou takychto systemov je vyssia spotreba elektrickej energie na pohon ventilatorov, a tym aj vyssie prevadzkove naklady. V oblastiach s chladnejsou klimou byva vzduch vhanany medzi absorbator a spodnu stenu izolacie, aby sa znizili straty tepla cez sklo. Pri prechode vzduchu medzi absorbatorom a spodnou castou kolektora (najjednoduchsi typ kolektora) dochadza k zohriatiu vzduchu o 3 az 5 st. Celzia v dosledku vysokych strat tepla vyzarovanim a vedenim. Straty tepla cez povrch kolektora je mozne ciastocne znizit pokrytim kolektora priehladnym materialom s nizkou priepustnostou infracerveneho ziarenia. Toto pokrytie vsak podstatne znizuje intenzitu dopadajuceho ziarenia na povrch, avsak v dosledku znizenych strat teplota ohriateho vzduchu moze vzrast na 20 az 50 stupnov Celzia podla kvality izolacie a prietoku vzduchu. Dalsie znizenie strat tepla (a zvysenie zisku) je mozne dosiahnut tym, ze sa vzduch vhana do kolektora nad i pod absorbatorom cim sa zdvojnasobi plocha prenosu tepla. Straty tepla vyzarovanim su znizene v dosledku nizsej teploty absorbatora. Niektore typy vzduchovych kolektorov nevyuzivaju priehladne pokrytie alebo izolacny box, v ktorom sa nachadza absorbator. Taketo kolektory su vyrobene len z cierneho perforovaneho kovoveho materialu, ktory predstavuje vlastny absorbator. Slnecne ziarenie zohrieva kov a ventilator vhana vzduch do jeho otvorov. Typicky kolektor s rozmermi 2,4x 0,8 metra je schopny zohriat 0,002 m3 vzduchu za sekundu. Dokonca aj pocas zimneho slnecneho dna dokaze takyto kolektor zohriat vzduch az o 28øC nad okolitu teplotu. Perforovane kolektory sa vyznacuju relativne vysokou ucinnostou - viac ako 70% pre niektore komercne zariadenia. Prednostami vzduchovych kolektorov su jednoduchost a spolahlivost, pricom ich zivotnost byva 10 az 20 rokov. Sucasne pouzitie vzduchovych kolektorov sa dnes obmedzuje len na pripravu horuceho vzduchu, na vykurovanie a susenie polnohospodarskych produktov hlavne v rozvojovych krajinach. Hlavnym obmedzenim braniacim sirsiemu vyuzitiu tychto kolektorov su: * vysoke naklady komercnych zariadeni, * velka plocha kolektorov, ktora je potrebna vzhladom na nizku hustotu energie a nizku specificku tepelnu kapacitu vzduchu, * velky pocet trubiek rozvadzajuci horuci vzduch, * vysoke naroky na ventilacny system * tazkosti so skladovanim vyrobenej energie. V krajinach s nizkou intenzitou slnecneho ziarenia a dlhsimi obdobiami zleho pocasia je pouzitie vzduchovych kolektorov na vykurovanie problematicke, pretoze byva casto nevyhnutne instalovat dodatocny vykurovaci system, co zvysuje naklady az na hranicu kedy sa solarny system stava neekonomicky. Slubnou cestou znizovania financnych nakladov je zabudovanie vzduchovych kolektorov do stien a striech budov a vyroba kolektorov z prefabrikovanych prvkov. VAKUOVE KOLEKTORY Ploche kolektory sa uplatnuju predovsetkym v oblastiach s dostatkom slnecneho svitu a ich hlavne vyuzitie sa obmedzuje na letne a ciastocne jesenne a jarne obdobie. Ich vyhody sa rychlo stracaju v chladnejsom obdobi so zatiahnutou oblohou. Navyse vlhkost casom sposobuje koroziu vnutornych materialov, cim sa znizuje ucinnost zariadenia. Vsetky tieto nevyhody odstranuju tzv. vakuove kolektory. Tieto kolektory zohrievaju vodu pre take aplikacie, ktore si vyzaduju vyssie teploty. Vo vakuovom kolektore slnecne ziarenie dopada cez vonkajsiu sklenenu trubicu na trubicu absorbatora, umiestnenu vo vnutri a zohrieva kvapalinu pretekajucu cez absorbator. Obe trubice su vakuovo izolovane, co vyrazne znizuje tepelne straty vedenim. Hoci straty vyzarovanim nie je mozne uplne odstranit, su ovela nizsie ako v plochom kvapalinovom kolektore. Vlastny kolektor pozostava z viacerych paralelne umiestnenych sklenenych trubic, pricom v kazdej z nich sa nachadza samostatny absorbator pokryty selektivnym naterom. Ohriata kvapalina dalej prudi do tepelneho vymennika (zasobnika), z ktoreho sa potom odobera pre dalsie pouzitie. Vakuove kolektory maju modularny charakter a trubice mozu byt pridavane alebo odoberane s ohladom na mnozstvo potrebnej teplej vody. Vakuum v sklenenej trubici je povazovane za najlepsiu izolaciu, ktora sucasne chrani absorbator pred vonkajsimi vplyvmi. Na trhu existuje viacero typov vakuovych kolektorov. Niektore vyuzivaju dokonca tretiu sklenenu trubicu vo vnutri absorbatora alebo ine konfiguracie trubic. Jeden typ vakuoveho kolektora pozostava z vnutornych trubic, z ktorych kazda je sucasne zasobnikom pre 19 litrov vody, cim odpada potreba osobitneho zasobnika mimo kolektora. Reflektory umiestnene pod vakuovou trubicou su schopne dodatocne zvysit mnozstvo dopadajuceho slnecneho ziarenie na trubicu absorbatora. Vonkajsi atmosfericky tlak a problemy spojene s utesnenim vsak robia z vakuovych kolektorov technicky mimoriadne narocne zariadenie. Aby kolektor vydrzal znacny atmosfericky tlak, je vybaveny viacerymi vnutornymi podporami. Avsak problemy s dlhodobym udrzanim vakua a dosiahnutie prijatelnych vyrobnych nakladov su doposial hlavnou prekazkou ich rozsirenia. obr. vakumkol.jpg Vakuove kolektory su vsak ucinnejsie a dosahuju vyssie teploty ako ploche kolektory z viacerych dovodov. Jednak su schopne vyuzivat tak priame ako aj rozptylene slnecne ziarenie, co spolu s minimalnymi stratami ich predurcuje pre chladnejsie oblasti. Navyse kruhovy tvar trubice znamena, ze slnecne ziarenie dopada kolmo na absorbator vacsinu dna. Pre porovnanie: plochy kolektor s fixovanou polohou vyuziva maximum slnecneho svitu len na poludnie. Hoci vakuove kolektory su s hladiska svojich technickych parametrov vyhodnejsie ako ploche, ich cena je ovela vyssia. Pre bezneho uzivatela, ktory nepozaduje vysoke teploty je preto casto vyhodnejsie nahradit mensi zisk vacsou plochou klasickeho plocheho kolektora, co v mnohych pripadoch nebyva problem. KONCENTRUJUCE KOLEKTORY Koncentrujuce kolektory vyuzivaju zrkadliace povrchy, ktore koncentruju slnecne ziarenie do ohniska, v ktorom sa nachadza absorbator. Tieto zariadenia dosahuju ovela vyssie teploty ako ostatne kolektory, na druhej strane su schopne vyuzivat len priame slnecne ziarenie, co znamena, ze pocas oblacnych dni ich tepelny zisk je prakticky zanedbatelny. Vysoke teploty sa v koncentrujucich kolektoroch dosahuju tym, ze velka zrkadliaca plocha koncentruje ziarenie do malej plochy absorbatora. Niektore typy koncentruju ziarenie do jedneho bodu (ohniska), kym ine do jednej ohniskovej ciary. Absorbatorom prechadza kvapalina, ktora vedie vytvorene teplo do osobitneho zariadenia, kde sa moze menit napr. i na elektricku energiu (pozri kap. Solarna termalna vyroba elektriny). Koncentrujuce kolektory su prakticky vyuzitelne v oblastiach s velmi vysokou intenzitou slnecneho ziarenia blizko rovnika resp. v pustnych oblastiach s minimom oblacnych dni. Kedze najvacsi zisk sa dosahuje pri kolmom dopade ziarenia na zrkadla, su tieto zariadenia vybavene natacacim mechanizmom, ktory meni ich polohu v priebehu dna tak, aby boli stale nasmerovane k slnku. Jednoduche natacacie zariadenia menia polohu v smere od vychodu na zapad. Natacacie zariadenia s dvoma osami navyse sleduju pohyb slnka aj od severu na juh a optimalne sleduju jeho polohu pocas celeho roka. Vzhladom na to, ze koncentracne kolektory su drahe a natacacie zariadenia si vyzaduju castu udrzbu, ich pouzitie sa obmedzuje len na niektore komercne aplikacie. SLNECNE VARICE A DESTILATORY Okrem klasickych kolektorov je mozne slnecne ziarenie vyuzivat aj v relativne velmi jednoduchych a lacnych zariadeniach - solarnych boxoch pouzivanych na varenie alebo destilaciu vody. Slnecne varice (pozri nizsie) su nenarocne zariadenia z hladiska ich vyroby i pouzitia. Casto pozostavaju len z izolovanej krabice na vnutornej strane pokrytej reflexnym materialom a prikrytej sklenenym krytom. Vybavene byvaju aj vonkajsim reflektorom, ktory odraza slnecne ziarenie do vnutorneho priestoru, v ktorom sa nachadza nadoba s potravinami urcenymi na varenie. Taketo zariadenia dosahuju vo vnutri az bod varu, co umoznuje ich vyuzivanie aj na sterilizaciu a nicenie bakterii. Slnecne destilacne zariadenia (pozri nizsie) su zariadenia pouzivane na pripravu destilovanej vody zo slanej morskej vody alebo kontaminovanej nepitnej vody. Pracuju na principe vyparovania vody v uzatvorenom kontajneri, ktoreho konstrukcia urychluje normalny proces vyparovania. Destilator sa sklada z izolovaneho na cierno natreneho boxu, pokryteho priehladnym materialom sklonenym tak, aby skondenzovana cista voda stekala do skladovacej nadrze. POUZITIE SLNECNYCH KOLEKTOROV Slnecnu energiu premienanu slnecnymi kolektormi na uzitocnu energiu je dnes mozne vyuzit viacerymi sposobmi, z ktorych mnohe su cenovo vyhodne. Najcastejsie sa s nimi mozeme stretnut pri: * priprave teplej vody v domacnostiach, priemysle a komercnych budovach, * ohreve vody pre bazeny, * vykurovani budov, * suseni rastlin, * vykurovani i chladeni priestorov, * destilacii vody a slnecnom vareni. Technologie pre uvedene aplikacie sa povazuju za dostatocne vyvinute a pre prve dve aplikacie (priprava teplej vody a vyhrievanie bazenov) aj cenovo vyhodne v porovnani s inymi technologiami pripravy teplej vody. Osobitnu kategoriu tvoria koncentrujuce kolektory, ktore su v niektorych oblastiach (puste) ekonomicky vyhodnymi aj na vyrobu elektrickej energie (pozri kapitolu o slnecnej vyrobe elektriny). PRIPRAVA TEPLEJ VODY Dnes vo svete pracuje niekolko milionov slnecnych kolektorov vyrabajucich teplu vodu. Tieto systemy poskytuju uzivatelom casto rovnaky komfort ako systemy s klasickymi palivami, su vsak z hladiska ochrany prirody ovela prijatelnejsie. Jeden kolektor je schopny zamedzit emisiam jednej az dvoch ton oxidu uhliciteho pocas jedneho roka, ktore by vznikli pri ohreve vody fosilnymi palivami. Emisie inych skodlivin ako su oxidy siry dusika alebo prachovych castic pocas cinnosti kolektora taktiez nevznikaju. Umyvanie riadu alebo sprchovanie sa teplou vodou zohriatou slnecnym ziarenim v lete je prirodzenou a jednoduchou metodou ochrany prirody a uspory energie. Ked su slnecne kolektory spravne navrhnute a instalovane, mozu byt aj estetickymi prvkami na budove pritahujucimi pozornost a zvysujucimi uzitkovu hodnotu budovy. Na novych budovach vsak mozu byt kolektory zabudovane do strechy tak, ze su pre vonkajsieho pozorovatela prakticky neviditelne. Priprava teplej vody je v sucasnosti najrozsirenejsim sposobom vyuzitia slnecnych kolektorov. Aj v takych oblastiach ako je Severna Europa su kolektory schopne pokryt energeticke naroky na teplu vodu na 50 az 70%. Vacsie pokrytie je mozne ziskat vyuzitim tzv. sezonneho skladovania teplej vody (pozri kapitolu nizsie). V Juznej Europe su kolektory schopne pokryt 70 az 90% energetickych potrieb na pripravu teplej vody. Zohrievanie vody kolektormi je velmi ucinnou metodou premeny slnecneho ziarenia na energiu. Kym slnecne (fotovoltaicke) clanky dosahuju ucinnost vyroby elektriny asi 10-15%, slnecne kolektory maju ucinnost pripravy teplej vody 50 az 90%. Hoci slnecna energia nedokaze uplne pokryt celorocne naroky na pripravu teplej vody, slnecne kolektory v kombinacii s inymi obnovitelnymi zdrojmi napr. drevom, stiepkami alebo peletami spalovanymi v kotloch na biomasu, su schopne pokryt takuto potrebu pocas roka bez narokov na fosilne paliva. FINANCNE NAKLADY Slnecne kolektory spolu s ostatnymi nevyhnutnymi zariadeniami (zasobnik, cerpadlo, potrubie atd.) sa vyznacuju relativne vysokou cenou celeho zariadenia, ktora v nasich podmienkach moze pre jeden rodinny dom dosiahnut i 100 tisic korun. Nevyhodou je, ze celu investiciu, ktora je vyssia, ako v pripade plynoveho alebo elektrickeho boilera, je potrebne realizovat na zaciatku. Fakt, ze pocas zivotnosti solarneho zariadenia nie je potrebne platit za palivo znamena, ze celkove naklady pocas zivotnosti zariadenia su zvycajne nizsie ako v pripade plynoveho alebo elektrickeho boilera. Navratnost vlozenych investicii zavisi hlavne na cene fosilnych paliv nahradenych slnecnym ziarenim a v Europe sa pohybuje na urovni 10 rokov. Zivotnost solarnych zariadeni vsak byva 20 i viac rokov. Velkou vyhodou je, ze majitel takehoto zariadenia nebude ohrozeny rastom cien klasickych paliv v buducnosti. Dolezitou crtou solarneho zariadenia je tzv. energeticka navratnost t.j. doba po ktoru zariadenie vyrobi tolko energie, kolko sa spotrebovalo na jeho vyrobu. V Severnej Europe s minimom slnecneho ziarenia je tato doba priblizne 3 roky. KOLKO ENERGIE KOLEKTOR VYROBI ? Mnozstvo energie vyrobenej slnecnym kolektorom zavisi od dopadajuceho ziarenia a od ucinnosti celeho systemu. Intenzita slnecneho ziarenia sa casto meni a je klucovym parametrom solarneho zariadenia. Ucinnost solarneho systemu zavisi na ucinnosti kolektorov a stratach v obehovom systeme teplej vody (kolektor-zasobnik). Kedze ucinnost obehoveho systemu je zavisla na viacerych specifickych parametroch v dalsom je rozoberana len ucinnost solarnych kolektorov. Ucinnost kolektora je definovana ako podiel vyrobenej energie a energie dopadajucej na kolektor. Je evidentne, ze ucinnosti sa pre rozne typy kolektorov lisia a okrem intenzity dopadajuceho ziarenia zavisia aj od tepelnych a optickych strat - vacsie straty znamenaju nizsiu ucinnost. Tepelne straty su minimalne, ked je teplota vody kolektora rovnaka ako okolita teplota vzduchu. Z tohto dovodu vykazuju jednoduche absorbatory bez skleneneho pokrytia pracujuce s nizkymi prevadzkovymi teplotami a pouzivane na vyhrievanie bazenov najvyssie ucinnosti - az 90%. Avsak keby sa tieto kolektory pouzili na pripravu teplej vody, ktora ma zvycajne teplotu asi 40 stupnov Celzia nad okolitou teplotou, ich ucinnost klesne na menej ako 20%. V takomto pripade sa najlepsie vysledky dosahuju s vakuovymi a plochymi kolektormi so selektivnym pokrytim. Ked sa vyzaduju este vyssie teploty vody napr. na vykurovanie, najlepsie vysledky sa dosahuju s vakuovymi kolektormi. Ucinnost slnecnych kolektorov v Strednej Europe na poludnie v letnom dni (pre intenzitu ziarenia -800 W/m2). Ucinnost pri teplotnom rozdieli (*) Typ kolektora 0 st. C 40 st. C 50 st. C (**) (vyhrievanie (priprava teplej (vykurovanie bazenov) vody pre priestorov) domacnosti) Absorbator bez 90 % 20 % 0% pokrytia Plochy kolektor 75 % 35 % 0% (neselektivne pokrytie) Plochy kolektor 80 % 55 % 25 % (selektivne pokrytie) Vakuovy kolektor 60 % 55 % 50 % * Rozdiel medzi okolitou teplotou vzduchu a teplotou vody vo vnutri kolektora. ** Hodnoty pre nizsiu intenzitu ziarenia zaciatkom jari (400 W/m2). Pozn. Nizka ucinnost vakuovych kolektorov v oblasti nizkych teplot je sposobena vysokymi optickymi stratami na zakrivenom povrchu skla. Je evidentne, ze klucovym parametrom pri vybere kolektora je popri jeho cene sposob jeho vyuzitia. Porovnanie roznych typov kolektorov na nemeckom trhu a ich ekonomicke parametre su uvedene v tabulke. Vyuzitie Typ kolektora Prevadz. Vyroba Cena v DM DM/kWh (*) teplota energie ø C kWh/m2/rok Vyhrievanie Absorbator 20-40 250-300 100-250 0,02-0,04 bazenu Priprava Plochy 20-70 250-450 800-1900 0,16-0,21 teplej vody kolektor 20-100 350-450 1500-2500 0,21-0,28 Vakuovy kolekt. Susenie Vzduchovy 20-50 300-400 400-1000 0,06-0,13 kolektor * na m2 pri dobe zivotnosti 20 rokov. * Navrhovanie solarneho systemu na pripravu teplej vody Solarny system moze byt navrhnuty ako jediny zdroj teplej vody, alebo moze byt doplneny inym zalohovym systemom pokryvajucim naroky na energiu pocas nepriazniveho pocasia. Velkost celeho systemu zavisi na pocte miestnosti v budove, pocte ludi a spotrebe vody. Existuje niekolko konfiguracii, vo vseobecnosti ich vsak je mozne rozdelit na aktivne systemy s cerpadlami a regulacnymi prvkami na prenos teplej vody do zasobnika a pasivne systemy, ktore vyuzivaju prirodzenu cirkulaciu teplej vody. Pri navrhovani systemu je najdolezitejsie urcit spotrebu teplej vody pocas priemerneho dna. Ak je znama spotreba vody, je dalej potrebne vypocitat velkost systemu (plocha kolektorov, objem zasobnika). V nasledujucej casti je uvedenych niekolko vseobecnych pravidiel pri navrhovani solarneho systemu na pripravu teplej vody. Slnecny kolektor Slnecny kolektor je hlavnou castou solarneho zariadenia. Najcastejsie sa vyuzivaju ploche kolektory s priehladnym pokrytim absorbatora umiestnenym v izolovanom boxe, ktory drzi cely kolektor pohromade. Ked je pouzite sklo ako pokrytie kolektora, je dolezite, aby malo nizky obsah zeleza a aby prepustilo aspon 95% dopadajuceho slnecneho ziarenia. V praxi sa nepouziva viac ako jedna vrstva pokrytia. Ak sa pouziva priehladny plastovy material je dolezite, aby tento nepodliehal negativnemu ucinku ultrafialoveho ziarenia. Ako najlepsie sa v tomto smere ukazali polykarbonatove plasty. Absorbator moze byt vyrobeny z plechu s navarenymi trubkami, v ktorych preteka kvapalina. Absorbator sa zvycajne vyraba z medi alebo nehrdzavejucej ocele. Bezne ocelove trubky sposobuju znacne problemy v dosledku ich korozie. Je dolezite, aby absorbator vydrzal vysoke teploty, ktore dosahuju 100-140ø C pre kolektory s neselektivnym pokrytim a 150-200ø C so selektivnym pokrytim. Vyroba plocheho kolektora si vyzaduje ohybanie trubiek a ich privarovanie k plechu absorbatora. Cim vacsi je kontakt medzi trubkami a plechom, tym viac energie prenikne do kvapaliny prechadzajucej kolektorom. Selektivne pokrytie specialnym naterom znamena nielen vyssi teplotny zisk ale odstranuje aj problemy s "odplynovanim" klasickej ciernej farby pri vysokej teplote. Pri normalnych podmienkach klasicka cierna farba vyzaruje teplo viac do okolia ako ho odovzdava kvapaline v trubkach absorbatora. Material, z ktoreho je vyrobena vonkajsia konstrukcia kolektora moze byt drevo, plast, ocel alebo hlinik. Najlepsim z nich vsak je hlinik. Tento kov si vyzaduje najmensiu udrzbu a nie je potrebne ho natierat. Plasty sa ukazali ako velmi problematicke materialy pre vyrobu kolektorov, pretoze maju vlastnost degradovat pri dlhodobom posobeni ultrafialoveho ziarenia. Menia farbu, postupom casu sa stavaju krehkymi a vznikaju v nich trhliny. Plasty maju tiez vysoky koeficient expanzie - casto sa roztahuju a stahuju, cim vznika problem utesnenia spojov. Pouzitie ocele na vonkajsiu konstrukciu ma tiez nevyhody. Jednou z nich je ze ocel si vyzaduje pravidelne natieranie a ze chemicky reaguje s medou, ked je pouzita ako material absorbatora. Slnecne kolektory sa zvycajne montuju na strechu budovy alebo na konstrukciu pri budove. Ich zabudovanie do strechy vsak moze sposobovat problemy s utesnenim strechy. Velkost slnecnych kolektorov zavisi od dennej spotreby teplej vody. Vo vseobecnosti plati, ze jeden clovek denne spotrebuje asi 50 litrov vody s teplotou 55 az 60 stupnov Celzia (umyvanie, kupanie, bez prania). V nasich podmienkach je na vyrobu 50 litrov teplej vody denne potrebnych asi 1-1,5 m2 slnecnych kolektorov. Vyber velkosti kolektora vsak zavisi aj na ponuke vyrobkov na trhu a nie vzdy je mozne najst velkost, ktora by presne splnala tuto poziadavku, preto byva lepsie zvolit vacsi kolektor, ktory poskytne istu rezervu. ORIENTACIA SLNECNYCH KOLEKTOROV Orientacia (sklon) slnecnych kolektorov je velmi dolezita z hladiska optimalneho zisku energie. Zemska atmosfera pohlcuje a odraza znacnu cast slnecneho ziarenia, pricom najvacsi zisk je mozne dosiahnut na poludnie, ked je priame ziarenie najmenej ovplyvnene atmosferou. Slnecne kolektory sa v nasich podmienkach orientuju priamo na juh. Odchylka o 20 stupnov na vychod resp. zapad vsak nema velky vplyv na zisk kolektora. Slnecne kolektory vybavene natacacim zariadenim , ktore sleduje pohyb Slnka po oblohe, ziskaju asi o 20 % viac energie ako tie, ktore su pevne nasmerovane na juh. Tento dodatocny zisk vsak zvycajne nevykompenzuje vyssie naklady na cele zariadenie, a preto je lacnejsie instalovat o 20 % vacsie slnecne kolektory, ako investovat do natacacieho zariadenia. Miestne poveternostne podmienky (ranne hmly, oblacnost) je tiez potrebne zohladnit pri orientacii slnecnych kolektorov. Ak miestne podmienky nepredstavuju problem, ale stavba budovy neumoznuje orientovat kolektory priamo na juh, orientacia smerom na zapad je vyhodnejsia (vzhladom na poobednajsie vyssie teploty) ako orientacia smerom na vychod, pretoze kolektor bude mat nizsie tepelne straty pri vyssej vonkajsej teplote. Kedze poloha Slnka sa na oblohe pocas roka meni, kolektory by mali mat taky sklon, aby zisk energie najviac vyhovoval potrebam. Sezonne zmeny intenzity slnecneho ziarenia su znacne, a preto musia byt zohladnene pre vsetky aplikacie kolektorov. Sklon (uhol ktory kolektor zviera so zemou) napr. 50 stupnov znamena o nieco lepsie vysledky v zime, avsak tiez nizsi zisk v lete. Preto su systemy kolektorov urcenych na vykurovanie miestnosti smerovane predovsetkym s ohladom na polohu Slnka na oblohe v zime. Kolektory urcene napr. na ohrev vody v bazene dosahuju najvyssi zisk, ked ich sklon je nizsi a sleduje vysoku polohu Slnka na oblohe v lete. Aj v tychto pripadoch vsak plati, ze straty v dosledku odchylky od optimalneho sklonu kolektora na ktorukolvek stranu je najlepsie mozne vykompenzovat vacsou plochou kolektora. obr. sklonkol.jpg Zasobnik Pre vacsinu kolektorovych systemov na pripravu teplej vody je nevyhnutne pouzivat zasobnik vody. Do zasobnika priteka potrubim studena voda a v pripade potreby sa z neho inym potrubim odobera voda ohriata kolektormi. Velkost zasobnika je dana spotrebou vody. Plati, ze objem zasobnika asi 80 litrov staci pre jednu osobu so spotrebou 50 litrov teplej vody za den. To je vsak len orientacna hodnota. Ak sa v domacnosti nachadza napr. pracka ,umyvacka riadu, alebo osoby zvyknute sprchovat sa niekolkokrat denne, potom je potrebne objem umerne zvacsit. Zasobniky sa bezne umiestnuju do vertikalnej polohy, ktora zaistuje rozlozenie studenej a teplej vody vo vnutri s najnizsimi tepelnymi stratami. Pritok studenej vody byva vedeny zo spodu a odvod teplej vody z vrchu. Umiestnenie zasobnika do horizontalnej polohy mava za nasledok straty tepla asi 10-20%. Teplo zo slnecnych kolektorov je v zasobniku odovzdavane prostrednictvom tepelneho vymennika. Takymto vymennikom byva potrubna slucka na dne zasobnika alebo potrubie vedene okolo zasobnika. Potrubie umiestnene okolo zasobnika sa zvycajne pouziva v systemoch s nizkym prietokom vody alebo so samotiazou vody. Vsetky zasobniky vody musia byt dobre izolovane, aby udrzali vodu dostatocne teplu po dost dlhu dobu. Tepelne straty zavisia na mnohych parametroch (okolita teplota, vietor, rocne obdobie atd.) a vo vseobecnosti predstavuju asi 0,5 az 1 stupen Celzia za hodinu v noci. Izolacia by mala byt tak dobra, aby zarucila, ze tepla voda vyprodukovana kolektorom bude tepla este aj po nasledujuce dva dni. Obzvlast vrch zasobnika musi byt dobre izolovany a bez tepelnych mostikov. Skusenost ukazuje, ze minimalna hrubka izolacie by mala byt asi 100 mm. Tiez by malo byt zarucene, aby nedoslo k samo-cirkulacii , t.j. aby tepla voda zo zasobnika neprechadzala spat do kolektora pocas obdobia, kedy sa zo zasobnika tepla voda neodobera. Okruh so slnecnym kolektorom Okruh, v ktorom sa nachadza slnecny kolektor a zasobnik teplej vody, sa dalej sklada z nasledujucich zariadeni: * cerpadlo, ktore zabezpecuje cirkulaciu vody v potrubi (nie je potrebne v systemoch so samotiazou). Cerpadlo je zvycajne riadene diferencnym termostatom, ktory zabezpeci cirkulaciu vody v pripade, ked je slnecny kolektor teplejsi ako voda v zasobniku. * potrubne trasy spajajuce zasobnik a kolektor. Rozmiestnenie potrubi by malo zarucit co najkratsiu vzdialenost. Potrubie by pri tom nemalo byt vystavene priamemu vplyvu pocasia. Najlepsie byva umiestnit ho do budovy. * jednocestny ventil zabezpeci, ze tepla voda nebude v noci prudit spat zo zasobnika do kolektora, kde by sa ochladzovala. * expanzna nadrz je bud otvorena nadoba na vrchu celeho systemu alebo tlakova nadoba, ktora obsahuje asi 5% kvapaliny solarneho okruhu. * pretlakova ochrana (len v pripade pouzitia tlakovej expanznej nadrze) musi zaistit cely system pre pripad, kedy by doslo k varu kvapaliny vo vnutri. Tento system by mal byt vzdy vybaveny akumulacnou nadrzou. Pouzity byva zvacsa normalny tlakovy ventil, ktory uvolni pretlak pri naraste objemu kvapaliny. * odvzdusnovacie ventily by mali byt umiestnene na vsetkych vrcholovych bodoch systemu, aby bolo mozne dostat vzduch z okruhu. * plniaci otvor pre kvapalinu solarneho systemu. * filter zachytavajuci necistoty z cerpadla (nie je nutny v niektorych systemoch). * tlakomery a teplomery podla potreby. * kvapalina solarneho systemu musi byt nemrznuca a netoxicka. Zvycajne sa pouziva kvapalina obsahujuca vodu so 40%-nou primesou propylen glykolu (vydrzi teplotu do minus 20 ø C) a farbiaca latka, ktora moze byt viditelna resp. cititelna v pripade, ked kvapalina prenikne do okruhu s pitnou vodou. obr. solkolsystermosif.jpg Text: Okruh so solarnym kolektorom vyuzivajuci samotiaz vody. obr. solkolsystreg.jpg Text: Okruh so solarnym kolektorom s nutenym obehom vody. Udrzba systemu Jednoduchost solarnych systemov znamena, ze ich udrzba byva minimalna. Nevyhnutna udrzba zavisi na pouzitom systeme. Skusenosti ukazuju, ze jeden az dvakrat do roka by mal byt skontrolovany stav a tlak kvapaliny v okruhu. V pripade, ze doslo k varu, kvapalina by mala byt vymenena, pretoze mohlo pri tom dojst k jej znehodnoteniu. NAVRH SOLARNEHO SYSTEMU Pre typicky solarny system na pripravu teplej vody (ohrev o 8 az 45ø C) so selektivnym pokrytim absorbera platia nasledujuce pravidla: * priemerna spotreba teplej vody na osobu a den je asi 50 litrov. * 1-1,5 m2 solarnych kolektorov je potrebnych na pripravu 50 litrov teplej vody denne. * zasobnik by mal mat objem asi 40-70 litrov na kazdy m2 solarnych kolektorov alebo asi 80 litrov na osobu. Pri zabezpeceni tychto hodnot je typicky system so slnecnymi kolektormi schopny pokryt asi 60-70% rocnej spotreby teplej vody a vyprodukuje 350-500 kWh na jeden m2 kolektora za rok. Pre vacsie budovy (napr. hotely, nemocnice, viacpodlazne budovy) su plochy kolektorov aj objem zasobnikov na jednu osobu nizsie avsak primerane dimenzovanie si vyzaduje vacsiu pozornost s ohladom na spotrebu a miestne klimaticke podmienky. Skusenost ukazuje, ze tieto systemy by mali byt navrhnute co najjednoduchsie a bez zbytocnej rezervy. Pre rodinu so 4 osobami, ktora spotrebuje v priemere 200 litrov teplej vody denne, staci plocha kolektorov 6 m2. Pocas roka tieto vyprodukuju az 3000 kWh cistej energie, co v pripade ohrevu vody vykurovacim olejom znamena nahradu asi 300 oleja rocne. THERMOSIFON - SOLARNY SYSTEM S PRIRODZENOU CIRKULACIOU Solarne systemy vyuzivajuce prirodzenu cirkulaciu vody (samotiaz) sa tiez nazyvaju termosifony. Tieto systemy su vhodne najma na miestach, kde sa nevyskytuju mrazy. Vyznacuju sa relativne nizkou ucinnostou, ale na druhej strane poskytuju aj niekolko vyhod. Su jednoduche a tym, ze nepotrebuju ziadne cerpadla, nie su ani zavisle na elektrickej energii. Cely okruh s termosifonom pozostava len z kolektora zasobnika a potrubnej trasy. Cirkulacia vody v nich nastava v dosledku rozdielu hustoty teplej a studenej vody. Pri ohreve vody v kolektore tepla voda stupa hore, odkial sa odvadza potrubim do zasobnika a sucasne je nahradzana chladnejsou vodou, privadzanou do spodu kolektora potrubim zo zasobnika. Z uvedeneho principu je zrejme, ze kolektory je nutne umiestnit pod uroven zasobnika a izolovat obidve potrubne trasy. Termosifony maju problemy uz pri miernych mrazoch. Staci jedna mraziva noc a nechraneny kolektor moze byt vazne poskodeny. Niektore systemy obchadzaju tento problem tym, ze vyuzivaju medene trubky v absorbatore s priemerom az 10 cm s dvojitym sklenenym pokrytim kolektora. Objem vody v tak hrubej trubke je prilis velky na to, aby zamrzol pocas miernej zimy. Termosifony sa bezne pouzivaju v subtropickych a tropickych oblastiach. obr. termosifon.jpg Text: Termosifon. Solarne vyhrievanie bazenov Vyhrievanie bazenov slnecnou energiou je mimoriadne logickym riesenim. V letnych mesiacoch resp. v case, kedy Slnko svieti najviac a teplota vzduchu je najvyssia, je nezmyselne spalovat fosilne paliva na ohrev vody. Slnko ju dokaze zohriat na vyssiu teplotu, ako potrebujeme a to bezplatne. Solarne systemy na ohrev vody v bazenoch su velmi popularne hlavne v USA. Americke ministerstvo energetiky oznacilo vyhrievanie bazenov slnecnou energiou za jeden z najucinnejsich sposobov znizovania spotreby energie v rodinnych domoch. Dnes v USA existuje viac ako 200.000 bazenov vyhrievanych slnecnymi kolektormi. Najstarsie systemy su vyuzivane uz viac ako 25 rokov, su cenovo vyhodne v porovnani s klasickymi palivami a vyzaduju minimalnu udrzbu. Zaujimave je, ze tieto vyhody platia aj pre systemy umiestnene v severnej casti USA. Solarne vyhrievanie bazenov je vhodne aj pre bazeny vo vnutri budov alebo pre vacsie komercne kupaliska. Napriek skutocnosti, ze existuju znacne rozdiely v cenach v zavislosti na velkosti alebo na miestnych podmienkach, ak su solarne systemy navrhnute s cielom nahradit klasicky ohrev elektrickou energiou, doba navratnosti vlozenych investicii byva zvacsa dva az styri roky. Navyse solarne vyhrievanie moze predlzit sezonu o niekolko tyzdnov bez dodatocnych nakladov. Vacsina bazenov so solarnym vykurovanim je velmi jednoducha. Ako solarny kolektor moze posluzit uz obycajna cierna gumena hadica. Pre bazeny umiestnene v budovach, ktore su vyuzivane aj v zimnych mesiacoch, je vsak nutne pouzit klasicke kolektory. Hoci solarne kolektory sa zvycajne nachadzaju na strechach budov, mozu byt umiestnovane kdekolvek na zemi, kde dopada slnecne ziarenie vacsinu dna. Typ strechy alebo materialu strechy nie je dolezity. Podstatna je plocha kolektorov, ktora je zavisla na velkosti bazenu. Pomer plochy kolektorov k ploche bazenu vsak nie je konstantny , ale zavisi na miestnych podmienkach, orientacii kolektorov, tieneni bazenu a kolektorov a sezone. Vo vseobecnosti vsak plati, ze plocha kolektorov by mala byt zvycajne 50% az 100% plochy bazenu. obr. swimpool.jpg AKO PRACUJU SYSTEMY SOLARNEHO OHREVU BAZENOV ? Dostatocny ohrev vody v bazene mozu zarucit uz nizkoteplotne kolektory priamo pripojene na filter cirkulacie vody. V niektorych pripadoch je vsak nutne dodatocne cerpadlo vody. Najucinnejsie systemy vyuzivaju automaticky riadenu cirkulaciu vody. Cerpadlo na filtri vody je nastavene tak, aby pracovalo pocas najvacsej intenzity slnecneho ziarenia. Pocas tohto obdobia, t.j. ked senzory zaregistruju vyssiu teplotu vody v kolektoroch, spusti sa chod cerpadla vhanajuceho vodu z bazenu do kolektorov, kde sa voda zohrieva. Zohriata voda sa potom vracia do bazenu. Ked tepla voda nie je potrebna, zvycajne prechadza obchvatom okolo kolektorov. Kedze cely system ma len velmi malo pohyblivych casti znizuju sa naklady na prevadzku a udrzbu. Udrzba spociva len v pravidelnej kontrole filtrov a vo vypusteni vody v zimnom obdobi. Kolektory slnecneho ohrevu bazenu byvaju zvycajne ulozene na streche budovy. Zasadou tiez byva, ze ich sklon k horizontalnej rovine je mensi ako 30 ø. SOLARNE KURENIE Vyssie uvedene systemy vyuzivaju ploche slnecne kolektory na pripravu teplej vody. Na to, aby mohli byt kolektory vyuzivane aj na vykurovanie miestnosti, je casto potrebne vybudovat v budove tzv. nizko-teplotne vykurovanie (najcastejsie podlahove pracujuce s teplotou priblizne 50ø C) a cely system musi byt doplneny skladovanim teplej vody. Podlahove kurenie ma vyhodu v tom, ze trubky v podlahe mozu sluzit tiez aj ako zasobnik tepla. Solarne vykurovanie vsak zvycajne prinasa uzivatelovi mensi zisk ako systemy na pripravu teplej vody, a to tak z hladiska energie ako i ceny. Suvisi to s tym, ze vykurovanie je potrebne hlavne v zimnom obdobi, kedy je ucinnost vyroby tepla kolektormi najnizsia. A naopak v lete je cely system vo vacsine pripadov nevyuzivany. Avsak v miestach, kde je potrebne vykurovanie aj v lete napr. na horskych chatach, moze byt solarne kurenie vhodnym riesenim. V nasich klimatickych podmienkach je mozne slnecnym kurenim instalovanym v typickom dome pokryt asi 20% celkovej spotreby tepla a pre tzv. nizkoenergeticke domy (s velmi dobrou izolaciou) to moze byt az 50%. Zvysit tento podiel je mozne napr. zvacsenim zasobnikov teplej vody. Ak by mal solarny system pokryt 100 % energie na vykurovanie, potom by dom mal byt vybaveny kolektormi s plochou 25 m? a zasobnikom (s objemom 85 m?) s izolaciou az 100 cm. Hoci solarne vykurovanie domov je technicky mozne, zvycajne byva ovela ekonomickejsie investovat do lepsej izolacie domu, a tak znizit spotrebu energie a naklady na vykurovanie. SEZONNE SKLADOVANIE TEPLEJ VODY V pripade, ze sa spoji viac solarnych kolektorov napr. na viacerych domoch spolu s velkym zasobnikom vody do jedneho systemu, je mozne ucinnejsie skladovat teplo a nasledne v zime vykurovat tieto domy. Vo svete existuje niekolko takychto systemov, ktore pracuju na principe vyroby teplej vody kolektormi v lete a jej celorocnom skladovani v obrovskom zasobniku, z ktoreho sa tepla voda odobera v zimnom obdobi. Taketo sezonne skladovanie teplej vody vsak znamena, ze objem vody potrebnej na vykurenie jedneho domu je porovnatelny s objemom celeho domu a spolocny zasobnik okrem toho, ze musi byt velky, musi byt tiez velmi dobre izolovany. Vacsi zasobnik ma vsak relativne nizsie straty tepla na jednotku objemu ako maly zasobnik, a preto aj izolacia moze byt relativne tensia. Velke zariadenia sezonneho skladovania teplej vody napojene na system centralneho kurenia pre viacero domov dnes pracuju napr. v Dansku, Svedsku, Svajciarsku, Francuzsku alebo USA. Solarne kolektory su zvycajne umiestnene na zemi a vytvaraju velke kolektorove polia. Bez skladovania teplej vody by takyto system dokazal pokryt priblizne 5% celorocnej spotreby tepla, v com su zahrnute aj straty tepla v rozvodoch na urovni asi 20%. Ak by takyto system mal zasobnik s jednodnovou kapacitou (den-noc), potom by sa podiel slnecnej energie na spotrebe energie zvysil na 10-12%. S velkym zasobnikom skladujucim teplu vodu celorocne vsak takyto system dokaze pokryt az 100% spotreby tepla na vykurovanie domov. Taktiez existuje moznost kombinovat klasicky centralny system vykurovania s individualnymi solarnymi systemami. Potom centralny system moze byt odstaveny v lete, kedy je nadbytok slnecnej energie a spusteny v zime, kedy jej je nedostatok. Velke solarne systemy so sezonnym skladovanim teplej vody boli sice instalovane vo viacerych krajinach, avsak ich nevyhodou je, ze naklady na vyrobu tepla su este stale o nieco vyssie ako naklady pri vyrobe z klasickych paliv. Objemy zasobnikov teplej vody tychto systemov sa pohybuju od niekolko tisic m? az do niekolko sto tisic m?. Jedno z najvacsich zariadeni tohoto typu bolo postavene vo finskom Oulu. Ako zasobnik sa vyuziva velka kamenna jaskyna s objemom 200.000 m? pripojena okrem solarnych kolektorov aj na system kombinovanej vyroby elektriny a tepla spa?ujuci biomasu. Iny projekt vyuzivajuci tiez skalnu jaskynu ako zasobnik je zariadenie postavene vo svedskom Lyckebo. Objem zasobnika vody je 105.000 m3 a plocha kolektorov 28.800 m2. Toto zariadenie pokryva 100% spotreby energie (8500 MWh/rok) na vykurovanie a pripravu teplej vody pre 550 obytnych jednotiek. Vsetky domy su napojene na centralny system zasobovania teplom. Teplota dodavanej vody je 70 st. Celzia a teplota vratnej vody je 55 stupnov. Dnes len v Europe existuje 21 vacsich systemov so sezonnym skladovanim teplej vody. Parametre niektorych z nich su uvedene v nasledujucej tabulke. Miesto Stat Od roku Objekty zasobovane teplom Groningen Holandsko 1984 96 radovych domov Kullavik Svedsko 1983 40 bytov Lyckebo Svedsko 1983 550 obytnych jednotiek Scarborough Kanada 1985 30.000 m2 v uradoch Stutgart SRN 1986 1.375 m2 v uradoch Sunclay Svedsko 1981 15.000 m2, skola Treviglio Taliansko 1982 100 bytov Vaulruz Svajciarsko 1983 3.200 m2, ucelova budova System slnecneho vykurovania instalovany vo svedskom meste Kunglav ma nasledujuce parametre: voda zohriata vysoko-teplotnymi slnecnymi kolektormi s plochou 126.000 m2 sa celorocne skladuje v izolovanej velkoobjemovej nadrzi o objeme 400.000 m3 umiestnenej v podzemnom skalnom masive. Uspory v porovnani s klasickym systemom vykurovania dosahuju az 75 % spotreby energie, co predstavuje priblizne 42 milion kWh rocne. Teplota skladovanej vody je v zavislosti na rocnom obdobi 40 az 90 st. Celzia. Tento projekt sa vyznacuje aj financnou vyhodnostou, nakolko cena takto ziskaneho tepla je len 0,09 DM/kWh (asi 1,8 Sk/kWh), co je o malo viac ako pri konvencnom vykurovani. Celkove investicne naklady boli 59.000 DM (1,18 mil. Sk). Z toho 53 % predstavovali slnecne kolektory, 19 % podzemna skladovacia nadrz a 18 % system dialkoveho kurenia. Predpokladana zivotnost systemu skladovania je 40 rokov, slnecnych kolektorov 20 rokov a 15 rokov pre ostatne casti. Podla svedskych udajov by 150 az 200 velkych slnecnych zariadeni so sezonnym skladovanim teplej vody mohlo v tejto skandinavskej krajine pokryt az 10 % rocnej spotreby energie v systemoch dialkoveho kurenia. obr. kolektpole.jpg Skusenosti ukazuju, ze navratnost vlozenych investicii do systemov sezonneho skladovania tepla je casto velmi dlha. Je preto vyhodnejsie najskor investovat do uspor energie (izolacie), potom do pasivneho solarneho dizajnu a az potom do solarnych kolektorov zabezpecujucich zvysok znizenej spotreby energie. KOMBINACIA SLNECNYCH KLEKTOROV S INYMI OBNOVITELNYMI TECHNOLOGIAMI Kombinacia slnecnej energie s inymi technologiami vyuzivajucimi obnovitelne zdroje napr. s biomasou moze byt casto idealnym riesenim problemov so skladovanim slnecnej energie. Solarne kurenie doplnene zaloznym systemom na spalovanie biomasy napr. dreva alebo peletov je jednym z takychto rieseni. Vyuzivanie kotlov na biomasu v letnych mesiacoch je poznacene nizsou ucinnostou pri malej zatazi a relativne velkych stratach v potrubi. Slnecne ziarenie je schopne poskytnut 100% energie na teplo v letnych mesiacoch. V zime, ked je zisk zo slnecneho ziarenia najnizsi, je to prave biomasa ako zakonzervovana slnecna energie, ktora dokaze pokryt celu spotrebu energie v beznom dome (pozri kapitolu Biomasa). Skusenosti zo strednej Europy ukazuju, ze taketo kombinovane systemy su velmi prakticke. Priblizne 20-30% spotreby energie byva pokrytych slnecnymi kolektormi a zvysnych 70-80% biomasou. Spotreba biomasy (napr. dreva) na vykurovanie jedneho domu za rok predstavuje asi 15 m? za rok, pricom pribli!ne 3 a! 4 m? dreva m?ze nahradit solarny system. SOLARNE DOMY Budovy, ktore vyuzivaju len slnecnu energiu a su nezavisle na inych zdrojoch energie sa nazyvaju solarne domy. Charakteristicke pre ne su nielen velke kolektory a dobre izolovane zasobniky teplej vody s objemom 5 az 30 m?, ale aj slnecne clanky na vyrobu elektriny alebo kvalita konstrukcie (izolacia). Nevyhodou vsak su velmi vysoke investicne naklady. Taktiez skladovanie velkych objemov vody sa ukazalo ako malo prakticke. Existuje viacero typov tychto nizko energetickych domov. Vsetky sa vyznacuju pozoruhodnym vyuzivanim slnecnej energie. Jeden z nich stoji vo svajciarskom Oberburg-Burgdorfe a nazyva sa Jaenni-Solarhaus. V tejto budove je cela energeticka spotreba tepla aj elektriny pokryta z "vlastnych zdrojov". Na pripravu teplej vody sa vyuzivaju slnecne kolektory s plochou 84 m2 a vyroba elektrickej energie je zabezpecena fotovoltaickymi clankami s velkostou 43 m2. Zasobnik teplej vody ma objem 93 m3. Taketo domy sa okrem vyuzitia slnecnych technologii vyznacuju aj extremne kvalitnou izolaciou stien, okien a striech, co umoznuje znizit straty energie na minimum. Iny solarny, energeticky sebestacny, dom bol postaveny v Nemeckom Badem-Wurtembegsku. V dome je okrem pasivneho slnecneho designu a slnecnych clankov zabudovanych do strechy budovy, instalovany aj system tzv. vodikoveho hospodarstva. Vodik, vyrabany slnecnymi clankami (elektrolyzou vody) sa pouziva tak na varenie na specialnom sporaku ako aj na vykurovanie miestnosti. obr. frauenhoferdom.jpg Text: Energeticky sebestacny solarny dom vyvinuty Frauenhoferovym institutom v Nemecku. SLNECNE VARICE Slnecne varice su zvacsa jednoduche krabicove solarne kolektory urcene na varenie potravin. Prve taketo zariadenia sa v Europe ale aj Indii objavili uz zaciatkom 18. storocia. Varice pracuju na principe absorpcie slnecneho ziarenia v malom priestore a jeho premeny na uzitocnu tepelnu energiu vyuzivanu na varenie potravin. Slnecne varice dokazu vyprodukovat teploty vyssie ako 200 st. Celzia, co je dostatocne pre vacsinu kucharskych aktivit. Vo svete existuje mnozstvo roznych typov slnecnych varicov lisiacich sa tvarom i velkostou. Najrozsirenejsimi su tzv. krabicove a koncentracne varice. KRABICOVE VARICE Dobre izolovana krabica s ciernym vnutornym pokrytim a presklennym vrchom moze sluzit ako jednoduchy slnecny varic, do ktoreho sa umiestnuju nadoby s potravinami. Sklene pokrytie moze byt aj dvojite, cim sa dosahuju vyssie vnutorne teploty. Takyto varic moze byt doplneny aj zrkadliacou plochou odrazajucou slnecne luce do vnutra krabice. Hlavnymi vyhodami krabicovych varicov su: * vyuzitie priameho aj nepriameho (rozptyleneho) slnecneho ziarenia * moznost varenia vo viacerych nadobach sucasne * nizka hmotnost a prenosnost * jednoducha obsluha * nenarocna vyroba a nizka cena. Nevyhody spocivaju v tom, ze : * varenie sa obmedzuje len na cast dna so slnecnym svitom * mierne teploty okolia znacne predlzuju dobu varenia * nie je ich mozne vyuzit na pecenie alebo grilovanie. Vdaka ich jednoduchej konstrukcii su krabicove varice v sucasnosti najrozsirenejsie solarne varice na svete. Vyrabaju sa vo velkom pocte nielen komercne ale aj svojpomocne. Bezne typy maju plochu asi 0,25 m2. Takyto varic umoznuje varit asi 4 kg potravin sucasne a v tropickych krajinach postacuje pre asi 5-clennu rodinu. Na trhu vsak existuju aj vacsie varice s plochou 1 m2. Najlepsim materialom na stavbu takehoto varica je hlinik, pretoze je to dobry vodic tepla a navyse nehrdzavie. Izolacia byva zvycajne z prirodnych materialov alebo sklenej vlny. Zrkadliacou plochou moze byt aj hlinikova folia. Vonkajsi kryt krabicoveho varica byva vyrobeny z dreva. tvrdeneho plastu alebo kovu. V tropickych oblastiach vnutorna teplota prazdneho varica dosahuje viac ako 150 ø C pocas slnecneho dna. Teplota varica s potravinami je vsak nizsia ako 100 ø C, pretoze obsah vody v potravinach neumoznuje, aby teplota vystupila nad bod varu. Priemerna doba varenia potravin v takomto varici sa pohybuje od jednej do troch hodin v miestach s dobrou intenzitou slnecneho ziarenia. Doba varenia vsak zavisi aj na velkosti a mnozstve potravin vo vnutri varica. obr. coocbox.jpg Text: Krabicovy varic. REFLEXNE VARICE Najjednoduchsim typom reflexneho solarneho varica je konstrukcia pozostavajuca z drziaka varnej nadoby umiestnena do ohniska, do ktoreho su nasmerovane slnecne luce odrazane parabolickym zrkadlom (zrkadlami). Zrkadliacu plochu moze tvorit kovova (hlinikova) parabola alebo tiez viacero malych plochych zrkadiel pripevnenych na parabolickom povrchu. V zavislosti na pozadovanej vzdialenosti medzi ohniskom reflektora a hrncom, moze mat tiez tvar hlbokej nadoby obopinajucej hrniec s potravinami. Charakteristickou vlastnostou vsetkych reflexnych varicov je, ze vyuzivaju len priame slnecne ziarenie, a preto musia sledovat pohyb Slnka po oblohe. Nasmerovanie zariadenia k Slnku je istou nevyhodou tychto varicov, avsak na druhej strane vyuzivanie priameho slnecneho ziarenia prinasa aj iste vyhody v porovnani s krabicovym typom varica. Hlavnou vyhodou je moznost dosiahnutia vyssich teplot, a tym skratenie doby varenia. Dalsou vyhodou je, ze niektore typy reflexnych varicov umoznuju aj pecenie potravin. Nevyhodami reflexnych varicov su: * potreba nastavovat varic smerom k Slnku priblizne kazdych 15 minut * kuchar musi stat na horucom Slnku pocas varenia * nemoznost vyuzit rozptylene slnecne ziarenie * aj mala oblacnost sposobuje znacne tepelne straty * zaobchadzanie s reflexnym varicom si vyzaduje istu skusenost * odrazene priame slnecne ziarenie moze byt nebezpecne pri manipulacii s varnou nadobou (oslepenie, popalenie) * varenie je obmedzene na niekolko malo hodin pocas dna * kazde jedlo uvarene pocas obeda je vecer uz vychladnute. Uvedene nevyhody su sice vaznou barierou vyuzivania reflexnych varicov avsak v krajine ako je napr. Cina, kde sa pri vareni vyzaduju vysoke teploty, su tieto typy varicov velmi rozsirene. obr. coocker.jpg Text: Reflexny varic. POROVNANIE SLNECNYCH VARICOV Tepelny zisk slnecneho varica je dany mnozstvom dopadajuceho slnecneho ziarenia, plochou na ktoru dopada slnecne ziarenie a ktoru varic vyuziva (zvycajne 0,25 m2 az 2 m2) a tepelnou ucinnostou varica. V nasledujucej tabulke su uvedene hlavne charakteristiky krabicoveho a reflexneho typu slnecneho varica. Plocha v m2 Ucinnost Vykon pri oziareni Cas potrebny na varenie 1 litra 850 W/m2 vody Krabicovy 0,25 40 % 85 W 64 min. varic Reflexny varic 1,25 30 % 320 W 17 min. Reflexne varice maju zvycajne ovela vacsiu reflexnu plochu ako krabicove varice, co ma za nasledok vacsi vykon a moznost varenia vacsieho mnozstva potravin. Na druhej strane ich tepelna ucinnost je nizsia, pretoze varna nadoba je uplne vystavena chladiacemu ucinku vonkajsieho prostredia. Vykon varica az 350 W pri slnecnom oziareni 1000 W/m2 (bezna intenzita v tropickych a subtropickych oblastiach, ale aj u nas na poludnie pocas slnecneho letneho dna) je relativne velky. Pre porovnanie spalenie 1 kg sucheho dreva pocas jednej hodiny vedie k energetickemu zisku 5000 W. Ked sa vari na otvorenom ohni, bezna ucinnost vyuzitia energie dreva je asi 15 % a vysledny vykon, ktory sa pri takomto vareni dosahuje je asi 750 W, co je len asi dvakrat viac ako so slnecnym reflexnym varicom. Najdolezitejsou podmienkou pre vyuzivanie slnecnych varicov je dostatok slnecneho ziarenia. Vzhladom k tomu, ze intenzita slnecneho ziarenia v letnych mesiacoch v nasich klimatickych podmienkach je relativne vysoka v priemere 6 kWh/m2 (co je porovnatelne s podmienkami v Indii alebo Keni), je mozne slnecne varice vyuzivat aj u nas. Podstatne vsak je, aby slnecne ziarenie bolo spolahlive a neprerusovane pocas dna. Aj napriek istym obmedzeniam trh so slnecnymi varicmi existuje aj v nasich klimatickych podmienkach. V krajine ako je napr. Svajciarsko bolo v poslednych rokoch predanych niekolko tisic velmi ucinnych krabicovych slnecnych ziaricov. Vyuzivanie slnecnych varicov sa vsak presadzuje hlavne v rozvojovych krajinach, kde tieto zariadenia mozu znacne ulahcit pracu miestnym obyvatelom hlavne zenam. Ziskavanie dreva na varenie je totiz v mnohych krajinach obtiazne a mnohe zeny v rozvojovych krajinach stravia hladanim dreva znacnu cast dna. Priemerna 15-clenna rodina v Mali spotrebuje denne az 15 kg dreva , rodina v Indii priblizne 7-10 kg. Vysledkom byva tiez odlesnovanie uzemia, co ma za nasledok sirenie pusti a znizovanie kvality pody. Navyse varenie na otvorenom ohni a casto v uzatvorenych miestnostiach moze sposobit poskodenie dychacich ciest u ludi zucastnujucich sa na vareni (neustale vdychovanie dymu). Vacsina ludi zijucich v rozvojovych krajinach je chudobna a nemoze si dovolit nakupovanie komercnych paliv, co dalej zhorsuje ich postavenie. Pre tuto skupinu ludi su slnecne varice, ktore mozu byt vyrobene jednoducho a relativne lacno z miestnych surovin, vhodnym riesenim. SLNECNA DESTILACIA VODY Velka vacsina ludi v rozvojovych krajinach nema pristup k cistej a zdravotne nezavadnej vode. Podla udajov OSN z 2,4 miliard ludi zijucich v tychto krajinach ma pristup k nezavadnej vode len 500 milionov. Jednym z rieseni tohto problemu je aj vyuzivanie slnecnych zariadeni na destilaciu vody. Solarne destilacne zariadenie, ktore zo slanej morskej alebo znecistenej vody dokaze vyrobit cistu destilovanu vodu, je v podstate velmi jednoduche a princip takejto destilacie je znamy uz niekolko storoci. Uz v 4. storoci n.l. Aristoteles navrhol metodu odparovania morskej vody za ucelom ziskavania pitnej vody. Avsak prvy solarny destilator bol vyrobeny az v roku 1874 J. Hardingom a C. Wilsonom v Chile, kde sa vyuzival pri vyrobe cistej vody v podniku na vyrobu dusikatych hnojiv. Tento 4700 m2 velky destilator vyrobil 24.000 litrov cistej vody denne. V sucasnosti pracuje viacero takychto velkych destilatorov v Australii, Grecku, Spanielsku alebo Tunisku. Mensie solarne destilacne zariadenia sa vyuzivaju v mnohych dalsich krajinach. Ukazuje sa, ze mnoho pustnych oblasti s pristupom k morskej vode moze byt obyvatelna vdaka vyuzivaniu slnecnej energie. Tato dokaze poskytnut tak elektricku elektrinu na cerpanie vody (fotovoltaika) ako aj energiu na jej cistenie. Najjednoduchsi solarny destilator predstavuje izolovana nadrz prikryta sklom alebo priesvitnym plastom, v ktorej sa nachadza znecistena alebo morska voda. Priesvitne pokrytie umoznuje slnecnemu ziareniu preniknut do vnutra nadrze, a tym vodu odparovat. Voda potom kondenzuje na vnutornej strane pokrytia, ktore je ochladzovane vonkajsim vzduchom a steka do pripravenej osobitnej nadoby mimo nadrze. Spodok nadrze je natrety na cierno, co umoznuje vyssiu absorpciu dopadajuceho slnecneho ziarenia. Nadrz byva vyrobena z cementu, plastu alebo ineho vodotesneho materialu. Ak sa pouzivaju plasty, je nutne dbat na to, aby nadrz bola vzdy naplnena vodou a nedoslo k poskodeniu materialu v dosledku jeho roztavenia. Izolacia nadrze ma tiez velky vyznam a vyrazne zvysuje ucinnost odparovania. obr. odsolovanie.jpg Text: Princip solarnej destilacie. Proces solarnej destilacie kopiruje sposob akym v prirode vznika cista voda v oblakoch v dosledku odparovania vodnych tokov, mori a oceanov. Vsetka voda, ktoru sme v zivote spotrebovali vznikla prave slnecnou destilaciou. Vyhodou solarneho destilatora je, ze si nevyzaduje prakticky ziadnu udrzbu. Mnozstvo ziskanej cistej vody vsak zavisi od intenzity slnecneho ziarenia. Destilatory preto vyrobia viac vody v teplych tropickych a subtropickych oblastiach ako v podmienkach miernej klimy. Vo vseobecnosti vsak solarny destilator je schopny vyrobit pocas tepleho slnecneho dna jeden liter cistej destilovanej vody za den z kazdeho metra stvorcoveho plochy, ktoru zabera. Nadrz sa plni raz za den zvycajne v noci alebo rano. Cena takehoto zariadenia sa vo svete znacne lisi v zavislosti na velkosti a konstrukcii. V USA sa destilatory so sklenenym pokrytim predavaju za 25 dolarov resp. za 18 dolarov s plastovym pokrytim (ma mensi zisk). Cena vyrobenej cistej vody vychadza v USA v priemere na 0,1 USD za liter. Solarne destilovana voda ma velmi dobru kvalitu - zvycajne lepsiu ako voda, ktora je bezne v predaji. Hoci v dosledku nepritomnosti mineralnych latok je jej chut trochu odlisna od normalnej vody, obsah bakterii, pesticidov a hnojiv, ktore sa bezne vo vode vyskytuju, je v solarne destilovanej vode znizeny az o 99,5%. Toto ma velky vyznam pre obyvatelov v mnohych krajinach, kde cholera alebo ine vodou prenasane choroby su pricinou smrti velkeho poctu ludi kazdy den. * SOLARNA TERMALNA VYROBA ELEKTRINY Popri priamom vyuzivani tepelneho ziarenia je mozne slnecne ziarenie vyuzit (hlavne v oblastiach v dostatocnou intenzitou) aj nepriamo na vyrobu pary, z ktorej je mozne v parnej turbine vyrobit elektricku energiu. Ak sa tento proces vyuzije vo velkom rozsahu, moze byt dokonca cenovo konkurencie schopny s klasickymi postupmi vyroby elektriny. Prve komercne zariadenie tohto druhu sa objavilo v USA na zaciatku 80-tych rokov a dalo podnet k rozvoju relativne velkeho priemyselneho odvetvia. V sucasnosti je v solarnych termalnych zariadeniach instalovany elektricky vykon viac ako 400 MW (vykon jedneho atomoveho reaktora v Jasl. Bohuniciach alebo Mochovciach). Tieto zariadenia zasobuju elektrickou energiou priblizne 350 tisic ludi. Devat solarnych termalnych elektrarni bolo postavenych v kalifornskej pusti Mojave a ich celkovy elektricky vykon je 354 MW. Technologia je vhodna aj pre mnohe dalsie oblasti sveta a v krajinach ako su India, Egypt, Maroko, Grecko, Spanielsko alebo Mexiko existuju projekty na ich vystavbu. Ukazuje sa, ze ak by sa vyuzilo len 1% rozlohy svetovych pusti na vyrobu elektriny cestou solarnych termalnych elektrarni, bolo by mozne vyrobit viac elektriny, ako je sucasna celosvetova spotreba. Vystavba tychto zariadeni vsak dnes prebieha relativne pomaly vzhladom na nizke ceny fosilnych paliv. Do roku 2003 sa predpoklada instalovat v tychto zriadeniach len asi 700 MW a v roku 2010 by instalovany vykon mal dosiahnut viac ako 5000 MW, co staci na zasobovanie elektrinou pre 7 milion ludi a vedie k nahradeniu asi 46 milion barelov ropy za rok. Solarne termalne zariadenia je mozne rozdelit na niekolko typov. Podla svojej konstrukcie sa rozdeluju na koncentratory slnecneho ziarenia alebo solarne absorpcne nadrze. SLNECNE KONCENTRATORY Slnecne koncentratory vyrabaju teplo vyuzitim sustavy reflektorov, sosoviek alebo zrkadiel , ktore koncentruju slnecne ziarenie do ohniska, v ktorom sa nachadza teplonosne medium. Kedze takto vyrobene teplo je mozne skladovat, zariadenia su schopne vyrabat elektricku energiu aj v noci alebo pri zatiahnutej oblohe. Zrkadla pokryvajuce obrovsku plochu dokazu koncentrovat slnecne ziarenie do takej intenzity, ze voda nachadzajuca sa v ohnisku (bodovom alebo ciarovom) sa meni na paru pohanajucu turbinu elektrickeho generatora. Ucinnost premeny energie dosahuje asi 15 %. Typicky koncentracny system pozostava z koncentratora, teplonosneho media, ohniskovej jednotky, potrubi, generatorov elektrickeho prudu a skladovacieho systemu. Slnecne ziarenie moze byt koncentrovane viacerymi technologiami ako su napr. parabolicke koryta, parabolicke taniere alebo solarne veze. Kedze vsetky tieto systemy obsahuju teplonosne media mozu byt kombinovane aj s inymi fosilnymi palivami (zalozny system). Vyhodou takychto hybridnych systemov je, ze elektrina moze byt vyrabana nielen v case ked svieti Slnko, ale hlavne vtedy ked je to potrebne, co zvysuje ekonomicku hodnotu vyrabanej elektrickej energie a znizuje priemerne vyrobne naklady. Solarne Parabolicke Koryta Tieto systemy vyuzivaju parabolicke zrkadla v tvare koryta, ktore koncentruje slnecne ziarenie do potrubia umiestneneho do ohniska zariadenia. V potrubi prudi kvapalina, ktora sa ohrieva na takmer 400 stupnov Celzia a je precerpavana cez sustavu tepelnych vymennikov tak, ze na konci vznika para s velmi vysokou teplotou, ktora pohana turbinu generatora vyrabajucu elektrinu. Potrubia v ohnisku solarnych parabolickych koryt su zo skla a cely system byva pocas dna natacany jedno alebo dvoj osovym natacacim zariadenim smerom ku Slnku. Najvacsi takyto solarny system na svete postavila firma Luz International zaciatkom 80-tych rokov v pusti Mojave. Vyrobena elektricka energia je dodavana do verejnej siete. Prve z deviatich zariadeni (SEGS I) s vykonom 13,8 MW bolo uvedene do prevadzky v roku 1984. Ako teplonosne medium bol pouzity olej, ktory sa zohrieva v potrubi na 343 stupnov Celzia. SEGS I bol doplneny zasobnikom tepla s kapacitou 6 hodin a ako zalozny system vyroby elektriny bol pouzity generator spalujuci zemny plyn. Firma Luz neskor postavila dalsie taketo zariadenia SEGS II az VII, kazde s vykonom 30 MW. V roku 1990 boli dokoncene zariadenia SEGS VIII a IX v Harper Lake, kazde s vykonom 80 MW. Cenove naklady na vyrobu elektriny by mali byt vdaka nizsej ucinnosti a tym aj nizsej prevadzkovej teploty zariadenia o nieco vyssie, ako v pripade systemov solarnych vezi alebo solarnych tanierov (pozri nizsie), avsak v dosledku nizkych nakladov na prevadzku a udrzbu a tiez inovaciu technologie sa solarne parabolicke koryta stali najlacnejsimi a najspolahlivejsimi zariadeniami solarnej termalnej vyroby elektriny. obr. solkoryto.jpg obr. luz.jpg Text: Solarna termalna vyroba elektriny v pusti Mojave. System firmy Luz International. Solarne parabolicke taniere Tieto systemy vyuzivaju sustavu parabolickych zrkadiel v tvare tanierov (podobnych satelitnym antenam), ktore koncentruju slnecne ziarenie do absorbatora umiestneneho v ohnisku taniera. Kvapalina v absorbatore sa zohrieva az na 1000 stupnov Celzia a je vyuzivana priamo na vyrobu elektriny v malej turbine (napr. v Stirlingovom motore) pripojenej k absorbatoru. Vyhodou tychto zariadeni je aj ich stavebnicovy charakter, ktory umoznuje ich pouzitie na odlahlych miestach. V USA bolo skonstruovanych viacero prototypov s vykonmi od 7 do 25 kW. Vysoka opticka ucinnost a nizke straty energie robia z parabolickych tanierov najucinnejsie solarne zariadenia na vyrobu elektriny. System instalovany v roku 1984 v americkom Rancho Mirage (Kalifornia), ktory vyuzival Stirlingov motor, dosiahol najvyssiu ucinnost premeny slnecneho ziarenia na elektrinu na svete - 29%. Jedno z uspesnych zariadeni (STEP) bolo postavene americkom state Georgia. Pozostavalo zo 114 solarnych tanierov , kazdy s priemerom 7 metrov a pracovalo od roku 1982 do 1989. System vyrabal vysokotlakovu paru na vyrobu elektriny, strednotlakovu paru na pohon textilnych strojov a nizkotlakovu paru na pohon klimatizacneho zariadenia pre blizku textilnu fabriku. V roku 1989 bola prevadzka tohto zariadenia zastavena v dosledku zlyhania hlavnej turbiny a nedostatku financii na opravu. Sandia National Lab. a Cummins Power Generation sa v sucasnosti snazi vyvinut prve komercne zariadenie tohto druhu s vykonom 7,5 kW. Obe spolocnosti predpokladaju, ze v roku 2004 by mohli predat az 10.000 takychto jednotiek. obr. soltanier.jpg Solarne veze Solarne veze vyuzivaju kruhove pole osadene velkymi zrkadlami natacanymi smerom k Slnku a koncentrujucimi luce do ohniska centralnej veze. Absorbovane teplo sa odovzdava kvapaline, z ktorej sa v parogeneratore vyraba para pohanajuca turbinu vyrabajucu elektrinu. Natacanie je riadene pocitacom a dvojosove zariadenie zaistuje, ze zrkadla neustale smeruju luce do ohniska veze. Kvapalina cirkulujuca v absorbatore odovzdava teplo tiez termalnemu zasobniku, z ktoreho sa odobera nielen na vyrobu elektriny ale aj pre potreby priemyselnych aplikacii. Teploty, ktore su dosahovane v absorbatore sa pohybuju od 538 stupnov Celzia do 1482 stupnov Celzia. Prva solarna veza "Solar One" bola postavena v americkom Barstow v juznej Kalifornii a uspesne demonstrovala tuto technologiu vyroby elektriny. Zariadenie s vykonom 10 MW pracovalo od polovice 80-tych rokov a vyuzivalo vodu a paru pod vysokym tlakom ako teplonosne medium. V roku 1992 bola voda nahradena roztokom roztavenych soli a zariadenie bolo doplnene o novy skladovaci system tepla. Tento roztok je precerpavany z "chladnejsej" nadrze s teplotou 288 stupnov Celzia do absorbatora vo vezi, kde sa zohrieva na 565 stupnov Celzia a vracia sa do horucej nadrze, z ktorej sa odobera na vyrobu elektriny. Tento novy zasobnik, ktory v sucasnosti umoznuje skladovat solarne teplo po dobu 3 az 13 hodin, vyrazne zlepsil parametre celeho zariadenia, nakolko vyroba elektriny je mozna vtedy, ked si to vyzaduje potreba elektrickej siete. Vytazenost zariadenia tak stupla na 65%. Dalsia solarna veza "Solar Two" postavena v roku 1996 s vykonom 10 MW je v sucasnosti testovana s cielom overit technologiu pre komercne vyuzivanie. Ocakava sa, ze prve komercne zariadenia tohto typu by mali mat instalovany vykon v rozsahu 30 az 200 MW. obr. solveza.jpg obr. solarveza.jpg Text: Solarna veza Solar One. POROVNANIE TECHNOLOGII Ako vyplyva z tabulky porovnania troch termalnych solarnych systemov na vyrobu elektrickej energie najvyhodnejsimi pre pripojenie do verejnej elektrickej siete su technologie solarnych vezi a solarnych parabolickych koryt. Vykony tychto zariadeni sa pohybuju od 30 do 200 MW, kym systemy solarnych parabolickych tanierov su vhodne pre izolovane a mensie aplikacie. Najrozvinutejsou technologiou v sucasnosti su parabolicke koryta, u ktorych sa v blizkej buducnosti predpoklada ich sirsie komercne vyuzivanie. Solarne veze vsak maju perspektivu uplatnit sa vo vyrobe elektriny prave vdaka prepracovanemu systemu skladovania tepla umoznujucemu vyrobu elektriny pocas celeho dna. Solarne veze aj taniere poskytuju moznost dosiahnut vyssie ucinnosti premeny slnecnej energie na elektrinu ako solarne koryta, avsak otazkou zostava ci sa pri tychto technologiach podari znizit investicne naklady, ktore suvisia hlavne s vyrobou zrkadiel. Solarne taniere si vyzaduju vyvoj specialneho motora na vyrobu elektriny a lacnejsich koncentratorov ziarenia (tanierov). Charakteristiky solarnych termalnych zariadeni na vyrobu elektriny. Parabolicke koryta Solarne taniere Solarne veze Elektricky vykon 30-320 MW 5-25 kW 10-200 MW Prevadzkova teplota 390 750 565 (?C) Vytazenost pocas 23-50% 25% 20-77% roka Maximalna ucinnost 20%(d) 29,4%(d) 23%(p) Priemerna ucinnost 11(d)-16% 12-25%(p) 7(d)-20% Stav vyvoja Komercny prototyp Demonstracne Demonstracne zariadenie zariadenie Rizika technologie Nizke Vysoke Stredne Moznost skladovania Obmedzena Baterie Ano energie Hybridny typ Ano Ano Ano (solar/fosil) Pouzitie Vyroba elektriny Izolovane male Vyroba elektriny do do verejnej siete; elektrarne verejnej siete; vyroba tepla pre vyroba tepla pre priemysel priemysel Investicne naklady 2,7 - 4,0 1,3 - 12,6 2,5 - 4,4 USD/W (p) = predpokladana; (d) = demonstrovana. Cena elektriny vyrobenej solarnymi termalnymi elektrarnami zavisi na viacerych faktoroch ako su investicne naklady, naklady na prevadzku a udrzbu a ucinnost zariadenia. Ukazuje sa, ze cena je relativne vysoka hlavne pre mensie zariadenia a konkurencie schopnost v porovnani s klasickymi palivami sa objavuje az pri vacsich zariadeniach. Velkou vyhodou vsak je, ze su schopne vyrabat elektricku energiu v case jej potreby (vo dne v noci) a to bud cestou skladovania energie alebo pouzitim hybridnych systemov kombinujucich vyhody slnecnej energie zalohovanej fosilnym palivom. Solarne absorpcne nadrze Vyssie opisane solarne koncentracne technologie maju nevyhodu v tom, ze bez zariadeni na skladovanie energie alebo zalohovych systemov na klasicke paliva nedokazu vyrabat elektrinu v noci. Skladovanie tepla je vsak mozne aj v prirodnych nadrziach, ktore sa pre tento ucel vyuzivaju na vyrobu elektriny. Niektore prirodne vodne nadrze (napr. Mrtve more) maju relativne velmi vysoky obsah soli, pricom ich koncentracia rastie smerom od povrchu ku dnu. Charakteristicke pre taketo nadrze je, ze tu nedochadza k vyraznemu premiesavaniu a koncentracia soli zostava nerovnomerne rozlozena. V dosledku toho dochadza k vyssej absorpcii slnecneho ziarenia pri dne nadrze, kde je vysoka koncentracia soli. Voda s vyssou koncentraciou soli je totiz hustejsia, a preto sa nepremiesava s vyssie polozenou vodou. Zohrieva sa natolko, ze dochadza takmer k varu, pricom povrch nadrze je relativne chladny. Tato horuca spodna voda moze byt vyuzita ako zasobnik, z ktoreho sa teplo odvadza cirkulacnym potrubim s kvapalinou do turbiny vyrabajucej elektricku energiu. Teplotny rozdiel medzi hornou a spodnou vrstvou nadrze je na mnohych miestach dostatocny na vyrobu elektrickej energie. Taketo zariadenie bolo instalovane v Beit Ha'Arava (Izrael) blizko Mrtveho mora. Izrael je krajinou, kde je technologia solarnych absorbcnych nadrzi v sucasnosti najviac rozvinuta. Firma Ormat Systems Inc. do dnesnej doby postavila viacero takychto zariadeni v blizkosti Mrtveho mora. Najvacsie z nich malo instalovany elektricky vykon 5 MW a rozkladalo sa na ploche 20 hektarov. Ucinnost premeny slnecnej energie na elektricku bola vsak len 1 %. Hoci zariadenie pracovalo uspesne niekolko rokov, bolo v roku 1989 z ekonomickych dovodov zatvorene. Najvacsia solarna absorpcna nadrz v USA je instalovana v texaskom El Paso, kde sa rozklada na ploche 0,3 hektara a uspesne pracuje od roku 1986. Zariadenie ma elektricky vykon 70 kW a okrem elektriny vyraba aj 20.000 litrov odsolenej vody za den pre miestny potravinarsky podnik. Pri dne tejto prirodnej vodnej nadrze sa neustale udrzuje teplota okolo 90 ø C. Umele jazero s gradientom (rozdielne koncentracie) obsahu soli vo vode bolo postavene aj v americkom Miamisburgu (Ohio) a v sucasnosti sa vyuziva na ohrev vody pre miestne kupalisko a rekreacne budovy. * FOTOVOLTAIKA Fotovoltaika (FV) je vyraz odvodeny z greckeho slova "photos" (svetlo) a nazvu jednotky napatia - volt. Fotovoltaika znamena priamu premenu slnecnej energie na elektrinu. Tento jav sa vyuziva v tzv. slnecnych (fotovoltaickych) clankoch. Slnecne clanky sa vyrabaju z polovodicovych materialov ako je napr. kremik. Ucinnost premeny slnecnej energie na elektrinu je v komercne dostupnych clankoch okolo 10% avsak v laboratornych clankoch presiahla 20 %. Slnecne clanky maju vyhodu v tom, ze ich spojenim je mozne vytvarat solarne moduly, z ktorych je mozne postavit celu velku slnecnu elektraren. Najvacsia takato elektraren bola postavena v americkom Carrisa Plain (Kalifornia) a jej instalovany vykon je 5 MW. obr.PrahaCorinthiaPanorama6kW.jpg Text: Slnecne clanky instalovane na hoteli Corinthia Panorama v Prahe maju celkovy vykon 6 kW. Clanky boli vyrobene ceskou firmou v Roznove pod Radhostem. Vyvoj slnecnych clankov ma za sebou relativne dlhu historiu siahajucu az do roku 1839, kedy francuzsky fyzik Edmund Becquerel objavil fotovoltaicky jav. Milniky vo vyvoji predstavovali nasledujuce roky: * V roku 1883 americky elektrikar Charles Edgar Fritts skonstruoval selenovy solarny clanok. Clanok mal ucinnost premeny svetla na elektrinu 1 az 2 % (taketo selenove clanky sa pouzivaju este aj dnes v senzoroch roznych kamier). * V roku 1950 bol Czochralskim vyvinuty sposob vyroby vysoko cisteho - polovodicoveho kremika. * V roku 1954 Bell Telephone Laboratories vyrobili kremikovy slnecny clanok s ucinnostou 4 %, ktora neskor vzrastla na 11%. * V roku 1958 bol v americkom vesmirnom satelite Vanguard instalovany maly radiovy vysielac s vykonom 1 Watt napajany kremikovym solarnym clankom. Od tohoto obdobia vesmirny program zohral mimoriadnu ulohu vo vyvoji solarnych clankov. * V obdobi prvej velkej ropnej krizy (1973-74) viacero krajin zacalo investovat do vyvoja a vyroby fotovoltaickych clankov, co malo za nasledok instalovanie viac ako 3100 systemov na vyrobu elektriny len v USA. Viacere z tychto systemov pracuju dodnes. Sucasny stav na trhu solarnych clankov je charakterizovany stalym narastom vyroby priblizne o 20% kazdy rok, avsak celkova produkcia je stale relativne mala. V roku 1998 predstavovala vyroba vykon 125 MW, pricom cena clankov klesla z 50 USD/W v roku 1976 na 3 USD/W v roku 1999. Napriek tomuto pozitivnemu vyvoju cena vyrobenej elektrickej energie je este stale relativne vysoka a pohybuje sa na urovni 3 az 10-nasobku ceny elektriny vyrobenej z klasickych paliv (v zavislosti na mieste a pouzitom systeme). Solarna vyroba elektriny preto dnes predstavuje len zanedbatelny podiel na celkovej vyrobe elektriny vo svete. Napriek tomu vsak tento podiel neustale narasta hlavne na odlahlych miestach a v aplikaciach s tzv. izolovanymi systemami (nepripojene na verejnu elektricku siet), kde uz dnes je elektrina zo solarnych clankov casto lacnejsia a nahradza tak rozne naftove a ine generatory. obr.pvhory.jpg Pokrok je viditelny na mnohych miestach sveta. Japonska vlada investuje rocne 250 milionov dolarov s cielom zvysit objem vyroby v tejto krajine zo 40 MW v roku 1997 na 190 MW v roku 2000. Podobne programy prebiehaju aj vo viacerych europskych krajinach a v USA. Hnacou silou tohoto vyvoja je snaha o buducu nezavislost na dovazanych fosilnych palivach a zlepsenie zivotneho prostredia. Ukazuje sa, ze problematika klimatickych zmien moze vyrazne ovplyvnit rychlost rozvoja priemyslu slnecnych clankov. Obnovitelne energeticke zdroje su totiz riesenim, ako znizit emisie uhlika do atmosfery, a tak zastavit globalne oteplovanie. Tuto vyzvu pochopili aj velke ropne spolocnosti ako napr. Shell, ktory prostrednictvom svojej dcerskej spolocnosti Shell Solar vybudoval v roku 1999 v Nemecku najvacsi zavod na vyrobu solarnych clankov na svete. Dnes tu produkuju clanky s celkovou kapacitou 20 MW rocne s vyhladom na zvysenie vyroby az na 25 MW rocne. Investicne naklady vlozene do tohoto podniku dosiahli 50 milion mariek. obr. Shell20MWGelsenkirchen.jpg Text: Zavod na vyrobu slnecnych clankov firmy Shell Solar v nemeckom Gelsenkirchene. VYUZIVANIE SLNECNYCH CLANKOV Pre mnoho aplikacii su slnecne clanky uz dnes vyhodnou alternativou ku klasickym palivam. Slnecny clanok premienajuci svetlo na elektrinu totiz neobsahuje ziadne pohyblive casti, co zvysuje jeho spolahlivost a nekladie naroky na udrzbu a prevadzku. Solarne clanky su schopne vyrabat elektrinu v kazdom pocasi. Pri ciastocne zatiahnutej oblohe vykon dosahuje 80% ich potencialu a aj pri uplne zatiahnutej oblohe pocas dna je tento vykon este 30%. Fotovoltaicke (FV) systemy sa stali najlepsim riesenim v takych aplikaciach, ako je napajanie vesmirnych satelitov elektrickou energiou, kde su takmer vylucnym energetickym zdrojom uz od roku 1960. Na odlahlych miestach sa presadzuju slnecne clanky uz do 70-tych rokov a v komercnych spotrebitelskych produktoch ako su kalkulacky, radia alebo hodinky sa presadzuju od 80-tych rokov. V 90-tych rokoch sa o slnecne clanky zacali vazne zaujimat aj elektrarenske spolocnosti a nastala era ich vyuzivania v malych elektrarnach. obr. sat.jpg Rozdelenie dodavok slnecnych clankov podla vyuzitia vo svete v roku 1998. Systemy prepojene na siet 36 MW Izolovane systemy 34 MW Telekomunikacie 31 MW Spotrebna elektronika 30 MW FV/naftove hybridne 20 MW systemy Ine 2 MW Spolu 153 MW Skusenosti z USA ukazuju, ze cerpadla vody napajane solarnymi clankami su ekonomicky vyhodne vsade tam, kde by inak bolo potrebne predlzit siet elektrickeho vedenia. Dnes viacero elektrarenskych spolocnosti ponuka svojim zakaznikom solarne clanky pre taketo ucely. V aplikaciach ako je napr. napajanie plotov elektrickym prudom (ochrana zvierat na farmach), pohon cirkulacnych zariadeni vody alebo klimatizacnych jednotiek, si slnecne clanky uz nasli svoje uplatnenie. Clanky sa dnes nevyrabaju len vo forme osobitnych panelov, ale viacero firiem ich montuje do stresnych krytin (sindlov) alebo vonkajsich materialov na stavbu fasad budov. Instalovanie slnecnych clankov do stavebnych prvkov vyrazne znizuje naklady, pricom slnecne clanky posobia na budovach tiez velmi esteticky. obr.pvstrechla.jpg Text: Strecha so slnecnymi sindlami. Zaujimavostou je, ze tieto clanky dodavali elektrinu aj balonu Breitling Orbiter 3 pocas jeho letu bez pristatia okolo sveta. Po tri tyzdne napajalo 20 slnecnych modulov, umiestnenych pod kosom, navigacne, komunikacne a osvetlovacie zariadenia balona. Kazdy modul bol skloneny tak, aby dokazal dodavat prud na dobijanie piatich olovenych baterii aj pocas otacania balona. Slnecne clanky pracovali bez problemov pocas celej cesty. obr. Breitling.jpg Text: Breitling Orbiter 3. Fotovoltaika sa presadzuje aj v rozvojovych krajinach pri elektrifikacii dedin. Dnes je na svete viac ako 2 miliardy ludi bez pristupu k elektrickej energii. Vacsina z nich zije v rozvojovych krajinach, kde az 75% populacie je bez elektriny. V mnohych oblastiach je elektricke vedenie prakticky nedostupne a slnecne clanky sa stavaju jedinym ekonomickym riesenim pre zaistenie osvetlenia, cerpania vody, telekomunikacnych a zdravotnickych sluzieb ale aj pri rozvoji podnikania. Ludia v rozvojovych krajinach casto vyuzivaju na pohon generatorov prudu paliva ako su kerozin alebo nafta. Toto vsak so sebou prinasa viacero nevyhod: * dovazane fosilne paliva vedu k vyssej zadlzenosti rozvojovych krajin * doprava tychto paliv je casto obtiazna v dosledku nedostatocnej infrastruktury * udrzba generatorov je zlozita a vyzaduje si dovazat nedostatkove nahradne diely * generatory znecistuju okolite prostredie vyfukmi a su hlucne. Slnecne clanky uvedene nevyhody z velkej casti odstranuju. Ukazuje sa, ze svietenie pomocou slnecnych clankov je v rozvojovych krajinach efektivnejsie ako svietenie kerozinovymi lampami. Intenzita slnecneho ziarenia je vo vacsine tychto krajin znacna a poskytuje dostatok cistej energie, ktora je zadarmo. Vyuzivanie solarnych clankov sa preto stalo jednoduchym a dnes uz osvedcenym sposobom v desiatkach tisicok aplikacii po celom svete. Navyse perspektiva vyuzivania slnecnych clankov je velmi dobra. Staly pokles cien v dosledku zvysujucej sa vyroby a zlepsovanie ucinnosti znamenaju, ze na trhu s elektrickou energiou sa pre slnecne clanky otvoria nove moznosti. Okrem uz uvedenej integracie do stavebnych materialov sa predpoklada vystavba vacsich solarnych elektrarni a sirsie uplatnenie v spotrebnej elektronike. Europska Unia ma v umysle zdvojnasobit podiel obnovitelnych zdrojov na spotrebe energie do roku 2010, pricom v oblasti vyuzivania slnecnych clankov sa predpoklada instalovat jeden milion fotovoltaickych systemov s celkovym vykonom 1000 MW. BP Amoco (jedna z najvacsich ropnych spolocnosti na svete) v sucasnosti instaluje na 200 benzinovych cerpacich staniciach vo Velkej Britanii, Australii, Rakusku, Svajciarsku, Holandsku, Japonsku, Portugalsku, Spanielsku, Francuzsku a USA solarne systemy vlastnej vyroby s celkovym vykonom 3,5 MW. Clanky budu tymto staniciam dodavat elektricku energiu. Investicne naklady na tento program dosiahli 50 milionov dolarov a vysledkom bude znizenie emisii CO2 o 3500 ton rocne. BP Amoco sa tak stane jednym najvacsich uzivatelov solarnych clankov na svete a sucasne i jednym z najvacsich vyrobcov tychto clankov. Vsetky clanky budu napojene na verejnu elektricku siet, nakolko budu vyrabat viac elektriny, ako je spotreba tychto cerpacich stanic. Podla predstavitelov BP Amoco by trh so slnecnymi clankami mal dosiahnut 1000 MW v roku 2010 a 5 milion MW v roku 2050. Vyroba slnecnych clankov vo svete v MW. Region 1992 1998 USA 18,1 53,7 Japonsko 18,8 49,0 Europa 16,4 31,0 Ostatni 4,6 18,7 Spolu 57,9 152,4 TECHNOLOGIA Hoci sa solarne clanky, tym ze neobsahuju ziadne pohyblive casti, javia navonok ako jednoduche zariadenia, ukryvaju v sebe velmi ciste polovodicove materialy, ktore su podobne tym, ktore sa pouzivaju v mikroprocesoroch pocitacov. Slnecny clanok pracuje na fyzikalnom principe toku elektrickeho prudu medzi dvoma prepojenymi polovodicmi s rozdielnymi elektrickymi vlastnostami, na ktore dopada svetelne ziarenie. Sustava clankov vytvara modul alebo panel, ktory vzhladom na svoje elektricke vlastnosti je zdrojom jednosmerneho prudu. Jednosmerny prud na rozdiel od striedaveho tecie len jednym smerom. Tento prud vyuziva mnoho jednoduchych elektrickych zariadeni ako su napr. prenosne elektrospotrebice na baterie. Striedavy prud na rozdiel od jednosmerneho neustale meni smer toku v pravidelnych intervaloch. Tento typ prudu je dodavany verejnou elektrickou sietou a vyuziva ho vacsina beznych elektrospotrebicov. V najjednoduchsich solarnych aplikaciach je jednosmerny prud vyrabany slnecnymi clankami vyuzivany elektrospotrebicmi priamo. V aplikaciach, kde je potrebny striedavy prud je potrebne pouzit tzv. menic, ktory z jednosmerneho vyraba prud striedavy. Dnesne slnecne clanky sa takmer vylucne vyrabaju z kremika. Priblizne 80% vsetkych clankov je vyrobenych z krystalickeho kremika (multikrystalickeho alebo monokrystalickeho) a asi 20% su tzv. amorfne (nekrystalicke) kremikove clanky nanesene na podklad vo forme tenkeho filmu o hrubke tisiciny milimetra. Krystalicke clanky su zvycajne tmavo modre a pripominaju ladove struktury. Amorfne clanky vypadaju hladko a menia farbu v zavislosti na tom ako ich drzime. Monokrystalicke clanky maju najvyssiu ucinnost premeny svetla na elektrinu avsak su drahsie ako multikrystalicke clanky. Amorfne clanky sa najcastejsie vyuzivaju v malych zariadeniach ako su kalkulacky alebo hodinky, ale ich ucinnost a dlhodoba stabilita je nizsia ako u krystalickych clankov, preto sa nepouzivaju vo vacsich systemoch ako su napr. solarne elektrarne. V laboratornych podmienkach su dnes vyvijane clanky, ktore su zalozene i na inych materialoch ako je kremik. Sem patria napr. kadmium sulfat teluridove clanky, clanky na baze medi, india a galia a ine. obr.flexiblepv.jpg Text: Flexibilne slnecne clanky. Ucinnost vyrabanych slnecnych clankov s predpokladanym vyvojom v buducnosti (v %). Technologia 1998 2000 2010 Monokrystalicke clanky 14-16 18 22 Multikrystalicke clanky 13-15 16 20 Tenky kremikovy film 8-10 12 15 Amorfne clanky 6-8 10 14 Med-Indium diselenidove 7-8 12 14 clanky Kadmium teluridove clanky 7-8 12 14 O tom, ze v blizkej buducnosti je mozne ocakavat narast ucinnosti clankov svedcia aj hodnoty dosiahnute pri vyrobe clankov v laboratornych podmienkach. Ucinnost clankov vyrobenych v laboratornych podmienkach. Technologia Ucinnost v % Monokrystalicke 25 clanky Multikrystalicke 21 clanky Tenky kremikovy film 16 Amorfne clanky 12-16 V nasich klimatickych podmienkach je pri pouziti roznych typov clankov mozne ziskat priblizne nasledujuce mnozstvo elektrickej energie. Kremikove clanky Zisk v kWh/m2/rok Monokrystalicke 176 Multikristalicke 154 Amorfne 88 Bezny fotovoltaicky clanok velkosti 100 cm2 s ucinnostou 10 % dokaze za jasneho dna vyrobit 1 Watt elektrickej energie. Mozno sa to zda malo, ale v skutocnosti sa v kremiku ukryva obrovska energia. Pozoruhodne pre amorfne kremikove clanky, vyrobene z tenkeho filmu je, ze tym ze sa vyzaduje len tak malo aktivneho materialu, je jeden gram kremika schopny pocas svojej zivotnosti vyrobit porovnatelne mnozstvo elektriny ako jeden gram uranu v atomovej elektrarni ! Navyse kremik sa v zemskej kore vyskytuje 5000-krat castejsie ako uran a pri jeho vyuziti sa neprodukuje radioaktivny odpad. Kremika je na zemi viac ako dost ved predstavuje az polovicu hmotnosti obycajneho piesku. KREMIK vs. URAN Jeden gram uranu je schopny pocas svojho stiepenia v atomovom reaktore uvolnit energiu, z ktorej sa da ziskat 3800 kWh elektrickej energie - t.j. asi tolko elektriny, kolko jej spotrebuje jedna domacnost rocne. Tento potencial je tak velky, ze viedol k tazbe uranu, ktoreho zastupenie v zemskej kore je len 5 : 100 000. Mnozstvo energie, ktore je vsak mozne ziskat z jednej tony uranovej rudy, sa rovna spaleniu 70 ton uhlia. Ako teda moze amorfny kremik vo fotovoltaickom clanku konkurovat tejto obrovskej energii ? Obzvlast, ked energia uvolnena pri jednom stiepeni jadra uranu je 100 milionkrat vacsia ako energia uvolnena fotonom slnecneho ziarenia v kremikovom clanku. Odpoved je v tom, ze jadro uranu sa moze stiepit len raz, kym fotovoltaicky clanok moze absorbovat fotony a premienat ich na elektrinu az 30 rokov. V Kalifornii, kde intenzita slnecneho ziarenia dosahuje az 250 W na meter stvorcovy dokaze slnecny clanok s ucinnostou premeny 15 % vyrobit pocas svojej zivotnosti asi 3300 kWh elektrickej energie, co je priblizne tolko, kolko jej vyrobi jeden gram uranu v atomovom reaktore. STRUKTURA SLNECNEHO CLANKU Elektricka energia sa v slnecnom clanku vyraba na spoji dvoch kremikovych vrstiev, ktore sa lisia svojimi vlastnostami. Jedna vrstva kremika sa vdaka primesi atomov fosforu vyznacuje nadbytkom elektronov (zapornych nabojov) a oznacuje sa ako "N -vrstva". Druha vrstva kremika je obohatena atommi boru, cim v nej vznika nedostatok elektronov, oznacuje sa ako "P -vrstva" a ma kladny naboj. Medzi oboma vrstvami vznika tzv. P-N prechod, ktory je pri dopade slnecneho ziarenia aktivovany a pripojenymi vodicmi tecie medzi oboma vrstvami elektricky prud. P-N prechod je polovodic, pretoze na rozdiel od striedavych elektrickych zariadeni prud tecie len jednym smerom - od zaporneho polu ku kladnemu. Ked na tento polovodic dopada slnecne ziarenie (alebo ziarenie z ineho svetelneho zdroja), napatie medzi oboma polmi ma hodnotu asi 0,5 Voltu a pretekajuci prud je umerny intenzite svetelneho ziarenia (mnozstvu dopadajucich fotonov). V kazdom slnecnom clanku je napatie takmer konstantne a prud je zavisly na velkosti clanku a intenzite ziarenia. Napatie solarneho panelu skladajuceho sa z viacerych clankov byva zvycajne 12 resp. 24 V. obr. pnprechod.jpg Text: P-N prechod v slnecnom clanku. Slnecne clanky su vyrabane z extremne cisteho kremika zbaveneho akychkolvek primesi. Vyroba clankov je preto velmi draha. Pre porovnanie mnozstvo kremika pouzite v jednom 50 W clanku (paneli) je umerne mnozstvu kremika v integrovanych obvodoch asi 2000 pocitacov, v ktorych sa vyuzivaju polovodice rovnakej cistoty. Zvysny material v slnecnom paneli predstavuje hlinik, sklo a plasty - vsetko lacne a lahko recyklovatelne materialy. obr. pvmoduls.jpg Text: Slnecne panely. Slnecne clanky sa montuju do panelov, v ktorych su navzajom poprepajane a chranene sklenenym pokrytim. Cim vacsia je plocha panelu a intenzita ziarenia, tym vacsi prud nimi tecie. Vykon panelov sa vyjadruje hodnotou tzv. spickoveho vykonu (Wp). Watt je jednotka pouzivana na vyjadrenie schopnosti zariadenia generovat prud alebo tiez vyjadruje schopnost spotrebovavat prud nejakym elektrickym zariadenim. 1 Wp je vykon zariadenia pri specifickych podmienkach napr. pri intenzite slnecneho ziarenia 1000 W/m2 dopadajuceho na clanok pri nominalnej teplote 25 ø C. Tieto podmienky su dosiahnute pri dobrom pocasi v case, ked sa Slnko nachadza v najvyssom bode na oblohe. Na dosiahnutie vykonu 1 Wp pri takychto podmienkach je potrebny clanok asi 10 x 10 cm. Vacsie slnecne panely s rozmermi napr. 1 m x 40 cm maju bezny spickovy vykon 40-50 Wp. Velku cast dna je vsak intenzita slnecneho ziarenia nizsia ako 1000 W/m2, navyse slnecny panel sa tiez zohrieva nad nominalnu teplotu. Obidve tieto skutocnosti znizuju vykon panelu. Pre typicke podmienky strednej Europy sa da ocakavat priemerny denny zisk 6 Wh (2000 Wh za rok) z kazdeho Wp. Pre porovnanie napr. 5 Wh je energia spotrebovana 50 W ziarovkou za 6 minut (50W x 0,1hod. = 5Wh) alebo malym prenosnym radiom so spotrebou 5 W za jednu hodinu (5W x 1h = 5Wh). Pre zhodnotenie mnozstva energie, ktoru mozeme v nasich podmienkach clankami ziskat je nutne poznat mnozstvo dopadajuceho slnecneho ziarenia a vykon clanku. Urovne slnecneho ziarenia dopadajuceho na plochu 1 m2 (pri sklone 30ø ) v zavislosti na rocnej dobe su v tabulke v uvode kapitoly o slnecnej energii. Mnozstvo elektrickej energie (M), ktoru clanok v priebehu jedneho dna vyrobi, je mozne urcit na zaklade nasledujuceho vztahu: M (kWh/den) = P (kWp) * I (kWh/m2/den) * E P je spickovy vykon clanku udany v kW. I je intenzita slnecneho ziarenia dopadajuceho na plochu 1 m2/den (udana v kWh/m2/den) E je ucinnost celeho systemu. Rocna vyroba elektrickej energie zavisi na sposobe vyuzitia slnecnych clankov. Typicka ucinnost (E) solarneho systemu byva: 0,8 pre systemy pripojene na siet 0,5 - 0,7 pre hybridne systemy 0,2 - 0,3 pre samostatne pracujuce systemy. Hoci vyrabane clanky sa lisia svojou kvalitou, vacsina svetovych vyrobcov udava zivotnost clankov na urovni 20 a viac rokov. V sucasnosti dodavatelia garantuju specificky vykon clankov po dobu asi 10 rokov. Rozhodujucim kriteriom pri kupe slnecnych clankov je v pripade roznych vyrobkov porovnanie pomeru ich cien na jednotku vykonu. Z clanku s vykonom 120 Wp a cenou 569 dolarov (4,74 USD/Wp) na americkom trhu je mozne ziskat viac energie ako z "lacnejsieho" 90 Wp clanku, ktory stoji napr. 489 dolarov (5,43 USD/Wp). Vzhladom na male rozdiely je ucinnost bezne dostupnych clankov pri kupe zvycajne menej dolezita. VYHODY SLNECNYCH CLAKOV Slnecne clanky vyuzivaju energiu, ktora je zadarmo, preto sa vyznacuju nizkymi prevadzkovymi nakladmi a navyse aj vysokou spolahlivostou. Povodne boli vyvinute pre pouzitie v kozme, kde ich udrzba resp. oprava je prakticky vylucena. Dnes takmer vsetky vesmirne satelity su napajane tymto zdrojom. Mnohe z nich pracuju velmi dlhu dobu a bez narokov na vymenu clankov. Vyhodou slnecnych clankov a systemov z nich vytvorenych je, ze panely sa daju jednoducho pridavat, a tak zvacsovat vykon celeho zariadenia. Majitel takehoto zariadenia moze zvacsovat jeho vykon, v zavislosti na narastajucej spotrebe energie. Panely su prenosne podobne ako ostatne sucasti solarnych zariadeni, a tak je ich mozne bez problemov instalovat na akomkolvek mieste. Slnecne systemy sa zvycajne umiestnuju v blizkosti miesta spotreby elektrickej energie, co znamena, ze si vyzaduju kratsiu kabelaz v porovnani s predlzenim bezneho elektrickeho vedenia k uzivatelovi. Navyse slnecne clanky si nevyzaduju pouzitie transformatorov vysokeho napatia na nizsie, tak ako je to potrebne pri napojeni sa na verejnu elektricku siet. Tieto vyhody prispievaju k znizeniu relativne vysokych nakladov na kupu slnecnych clankov. obr.pvcoolertruckcb.jpg Text: Slnecne clanky na chladiarenskom vozidle. Najviac elektriny na chladenie dodavaju clanky v case kedy Slnko najviac zohrieva povrch vozidla. KOLKO STOJI ELEKTRINA VYROBENA SLNECNYMI CLANKAMI? Na otazku, ake su vyrobne naklady elektriny zo slnecnych clankov, neexistuje jednoducha odpoved. Mnoho malych solarnych zariadeni dodavajucich elektrinu pre izolovane systemy (obydlia na odlahlych miestach), vyraba elektricku energiu dnes lacnejsie ako ine dostupne alternativy napr. predlzenie elektrickeho vedenia alebo pouzivanie dieseloveho generatora prudu spalujuceho naftu. Cena solarne vyrobenej elektriny z vacsich systemov pouzitych napr. v plne elektricky vybavenych domacnostiach zavisi na pociatocnych investicnych nakladoch, urokovej miere, nakladoch na prevadzku, ocakavanej zivotnosti zariadenia a mnozstve vyrobenej elektriny. V podmienkach USA a cenach zariadeni 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 az 25 Sk/kWh pri kurze 50 Sk=1 USD). KOLKO MIESTA ZABERAJU SLNECNE SYSTEMY? Bezne slnecne clanky z krystalickeho kremika produkuju dnes 100-120 W z kazdeho stvorcoveho metra plochy, ktoru zaberaju. Jeden meter stvorcovy clankov je orientacne potrebny na napajanie jednej 100 Wattovej ziarovky. Pre vacsie systemy zabrana plocha samozrejme narasta a teoreticky v pripade velkych slnecnych elektrarni by mohla dosiahnut i niekolko stvorcovych kilometrov. Je mozne spocitat, ze na vyrobenie elektrickej energie, ktora sa rocne spotrebuje na Slovensku (27 miliard kWh/rok), pri vylucnom pouziti slnecnych elektrarni, by ich plocha predstavovala asi 150 km2 (vyroba 176 kWh/m2/rok). Plocha 150 km2 (12,5 x 12 km) zabrana slnecnymi clankami by sa mohla zdat velka, avsak jednoduchsim a lacnejsim riesenim by bolo umiestnenie clankov do striech a fasad budov, tak ako sa to dnes vo svete bezne robi. Nahradenie tradicnych stavebnych materialov, ktore by boli na budove nutne v kazdom pripade, slnecnymi clankami totiz vyrazne znizuje investicne naklady. Dnes neexistuje ziadne fyzikalne obmedzenie, ktore by limitovalo mnozstvo vyrobenej elektrickej energie slnecnymi clankami. Kedze slnecne clanky nevyrabaju elektrinu v noci prakticka realizacia elektro-energetiky zalozenej vylucne na solarnych elektrarnach by si vyziadala vytvorenie osobitneho hospodarstva na skladovanie energie zalozeneho napr. na vyrobe a pouziti vodika. Takto vybudovany energeticky system vsak nie je potrebny, nakolko ine obnovitelne zdroje (vietor, voda, biomasa, geotermalna energia) su schopne vhodne slnecnu energiu doplnat. obr. pvdialnica.jpg text: Slnecne clanky vyrabajuce elektricku energiu popri dialnici vo Svajciarsku. SOLARNE SYSTEMY Solarne systemy sa zvycajne zaraduju do nasledujucich skupin: * Samostatne (jednoduche) zariadenia, ktore zavisia len na energii slnecnych clankov resp. baterii s regulatormi dobijania. * Hybridne systemy ktore sa skladaju z kombinacie slnecnych clankov a inych zdrojov energie napr. dieselovych alebo veternych generatorov prudu. * Solarne clanky pripojene na siet elektrickeho vedenia pracujuce ako samostatne elektrarne dodavajuce energiu do siete. Samostatne solarne systemy Male a jednoduche solarne zariadenia sa dnes velmi casto pouzivaju na mnohych miestach sveta na cerpanie vody, napajanie klimatizacnych zariadeni a ventilatorov alebo roznych meteorologickych stanic. Male systemy maju niekolko vyhod v porovnani s tradicnymi zdrojmi energie. Okrem uvedenych nizkych prevadzkovych a stavebnych nakladoch existuje aj vyhoda ich mobility. Male zariadenie s vykonom 500 W vazi menej ako 70 kg a jeho instalacia je hotova v priebehu par hodin. Hoci cerpadla alebo ventilatory napojene na slnecne panely si vyzaduju istu udrzbu, clanky je nutne len prilezitostne skontrolovat a ocistit. obr.bojapv.jpg Samostatne pracujuce solarne systemy napajajuce energiou jednotlive domy vsak maju maly zisk energie na jednotku spickoveho vykonu. Suvisi to s tym, ze ich vykon sa zvycajne navrhuje pre podmienky pokrytia spotreby v zimnom obdobi a energia nimi vyrobena letnom obdobi je takmer nevyuzita. Typicke profesionalne systemy instalovane v Europe vykazuju rocny zisk 200 - 550 kWh/kWp. Solarne cerpanie vody Solarne systemy pohanajuce cerpadla vody su vhodnou alternativou k dieselovym generatorom alebo rucnym cerpadlam, ktore sa na tieto ucely tiez pouzivaju. Zariadenia na slnecny pohon dodavaju najviac vody v case, ked je jej potreba najvacsia - ked Slnko svieti najviac. Solarne cerpadla su spolahlive zariadenia, jednoduche z hladiska instalacie a udrzby. Pozostavaju z jedneho alebo viacerych solarnych panelov priamo napojenych na ponorne cerpadlo. Hlavny rozdiel v porovnani s klasickymi cerpadlami spociva v tom, ze solarne napajane cerpadla pracuju na jednosmerny prud. Navyse intenzita cerpania vody zavisi na intenzite slnecneho ziarenia. Nakolko je lacnejsie skladovat vycerpanu vodu ako energiu, slnecne cerpadla zvycajne nepotrebuju baterie ale nadrze na skladovanie vycerpanej vody s kapacitou 3-10 dni. Na rozdiel od klasickych cerpadiel zalozenych na vyuziti vykonu motora a rychlosti cerpania, solarne zariadenia mavaju nizsi vykon s pomalym cerpanim vody. Pritom vyuzivaju energiu Slnka od jeho vychodu az po zapad. Moderne jednosmerne elektromotory v solarnych cerpadlach pracuju spolahlivo pri roznych napatiach a rychlostiach. Tieto motory si vyzaduju len minimalnu udrzbu ako napr. vymenu niektorych casti priblizne po 5-tich rokoch. V oblastiach, kde su solarne cerpadla nasadzovane ako konkurencia k naftovym motorovym cerpadlam, sa ukazuje, ze nevyhoda ich vysokych vstupnych nakladov je rychlo vykompenzovana usporami na palive a udrzbe. obr.pvpumping.jpg SOLARNE SYSTEMY S BATERIAMI Najjednoduchsie solarne systemy ako napr. cerpanie vody alebo pohananie ventilatorov solarnou energiou ma nevyhodu v tom, ze pracuju pocas dna len ked svieti Slnko. Aby bolo mozne tuto nevyhodu vykompenzovat, hlavne v pripadoch ked je energia potrebna nepretrzite, pouzivaju sa na uskladnenie solarne vyrobenej energie baterie. Baterie sa cez den dobijaju energiou zo slnecnych clankov a nasledne sa z nich energia odobera v noci alebo podla potreby. Takto zabezpecovana energia sa vyuziva pre napajanie poulicneho osvetlenia, telekomunikacnych zariadeni, obydli a velkeho poctu inych aplikacii, ktore sa nezaobidu bez energie. Bezny solarny panel vyraba jednosmerny prud zvycajne s napatim 12 V. Dnes je na trhu viacero elektrospotrebicov ako su napr. ziarovky, televizne a rozhlasove pristroje ale aj chladnicky, ktore su stavane na taketo nizke napatie. Vacsina elektrospotrebicov, s ktorymi sa stretavame v domacnostiach vsak pracuje so striedavym prudom a napatim 220 V. Na to, aby bolo mozne vyuzit v solarnych systemoch aj taketo elektrospotrebice, sa do systemu vklada tzv. menic, ktory meni jednosmerny prud na striedavy. Hoci menic spotrebovava istu cast energie na svoju prevadzku, takto vyrobena elektrina ma rovnake vlastnosti ako elektrina z verejnej elektrickej sieti. Pri dobijani baterii solarnymi panelmi sa vyuziva nabijacka, ktora sucasne kontroluje cely proces tak, aby nedoslo k prebitiu baterie alebo jej uplnemu vybitiu, co by ju mohlo poskodit. Baterie poskytuju solarnym systemom viacero vyhod, na druhej strane vsak vyzaduju istu udrzbu a casom aj vymenu. Solarne baterie su podobne automobilovym, rozdiel vsak je v tom, ze umoznuju cerpat z nich viac energie. Na rozdiel od automobilovych neznicia sa ani pri castom vybiti na minimalnu uroven. Su to baterie s tzv. hlbokym cyklom vybijania. Ich udrzba spociva v pravidelnej kontrole elektrolytu. Taktiez by mali byt chranene pred vysokymi a extremne nizkymi teplotami. Solarny system s bateriami dodava energiu vzdy, ked je potrebne pocas dna i noci. Kolko energie je mozne z baterie v noci alebo pocas zatiahnutej oblohy cerpat zavisi na kapacite baterii a mnozstve pouzitych solarnych panelov. Zvacsenie poctu baterii a panelov znamena aj znacne zvysenie nakladov celeho systemu, preto musi byt spotreba energie spolahlivo zhodnotena, aby bolo mozne navrhnut optimalnu kapacitu vsetkych pouzitych komponentov. obr.PVdomsamostat.jpg Navrhovanie domaceho solarneho systemu s bateriami Solarny system so skladovanim energie v bateriach dokaze napajat energiou velky pocet domacich elektrospotrebicov avsak len za predpokladu, ze je z hladiska svojho vykonu a spotreby spravne navrhnuty. Prvym krokom pri navrhovani velkosti systemu napr. pre rodinny dom je zhodnotenie spotreby energie. Pre ucenie spotreby energie v domacnosti je potrebne poznat pocet elektrospotrebicov, ich spotrebu (W) a dobu, pocas ktorej sa tieto spotrebice vyuzivaju napr. pocas dna alebo mesiaca. Orientacna spotreba energie niektorych elektrospotrebicov a vypocet spotrebovanej energie za jeden den je uvedena v tabulke. Zariadenie Okamzita spotreba Pocet hod./den Denna spotreba energie Usporna ziarovka 27 W 4 108 Wh Usporna ziarovka 27 W 1 27 Wh Usporna ziarovka 27 W 0,5 13,5 Wh Radio 6V 4 W 10 40 Wh TV 15 W 2 30 Wh Ventilator 12 W 3 36 Wh SPOLU 254,5 Wh Dalsim krokom je zhodnotenie intenzity slnecneho ziarenia v danom mieste. Tieto hodnoty je v nasich podmienkach mozne zistit prostrednictvom hydrometeorologickych stanic. Dolezitou velicinou je priemerne rocne (a tiez mesacne) oziarenie konkretneho miesta. Navrhnutie velkosti systemu (panelov) na zaklade intenzity slnecneho ziarenia v zimnych resp. letnych mesiacoch v sebe skryva iste riziko. Vyuzitie hodnot intenzity ziarenia pocas zimnych mesiacov znamena, ze cely system by sice po cely rok pokryval spotrebu, avsak v letnych mesiacoch by vykazoval nadbytok vyrobenej energie a navyse i jeho velkost a tym aj cena by bola vacsia. Na druhej strane dimenzovanie systemu na zaklade vacsej intenzity ziarenia v lete by znamenalo jeho poddimenzovanie v zimnych mesiacoch. Pre velmi jednoduchy vypocet velkosti slnecnych panelov je potrebne poznat dennu spotrebu energie (Wh/d), prenasobit tuto hodnotu faktorom 1,7 , ktory v sebe zahrna straty energie v systeme a predelit vyslednu hodnotu intenzitou slnecneho ziarenia napr. 280 (Wh/d) x 1,7/ 5 (kWh/m2/d) = 96,2 W. Tento vykon je mozne pokryt jednym 100 Wattovym resp dvoma 50 Wattovymi panelmi. Urcenie kapacity alebo poctu baterii zavisi na spotrebe energie a pocte panelov. Pre vyssie uvedeny priklad je vhodnym riesenim kapacita baterie 100 Ah, ktora umozni skladovat energiu 1200 Wh pri 12 V. Tato kapacita pokryje spotrebu pocas 4 dni bez Slnka pri dennej spotrebe asi 280 Wh. Napatie systemu V minulosti takmer vsetky solarne systemy pracovali s jednosmernym napatim 12 V. Suviselo to s tym, ze systemy boli relativne male a vyuzivali 12 V elektrospotrebice napajane priamo z baterie. S prichodom ucinnych a spolahlivych menicov napatia sa zacali presadzovat 24 V systemy (napatie baterii aj panelov). Orientacne plati, ze pre systemy navrhnute na nizsiu spotrebu ako 2000 Wh denne je najlepsie napatie 12 V. Pre systemy so spotrebou 2000 az 6000 Wh denne je idealne napatie 24 V a pre systemy s vyssou spotrebou ako 6000 Wh sa vyuziva napatie 48 V. Napatie systemu je velmi dolezite, pricom urcuje vyber menica, regulacnych prvkov, nabijacky baterii a vodicov. Zvycajne, ked sa raz uvedene komponenty zakupia, neda sa cely system velmi menit. Hoci niektore casti, ako su slnecne panely, mozu byt prepojene z 12 V na vyssie napatie, ine komponenty ako su napr. menic alebo regulacne prvky pracuju len s jednym specifickym napatim. Baterie Bateria skladuje energiu vyrobenu slnecnymi panelmi a nasledne dodava tuto energiu roznym elektrospotrebicom. Baterie musia pokryvat spickovu spotrebu, ktoru solarne clanky nie su schopne pokryt vlastnym vykonom a tiez musia zabezpecovat energiu v noci alebo pocas nepriazniveho pocasia. Automobilove baterie, ktore su dostupne takmer vsade na svete, nie su pre solarne systemy vhodne. Ich hlavnou nevyhodou je, ze nevydrzia dlho neustale uplne vyvijanie a nasledne nabijanie v kratkych intervaloch. Na trhu sa preto objavili tzv. solarne baterie, ktore vyhovuju takymto podmienkam nabijania a vybijania a su malo citlive na cyklicku prevadzku. Pre bezne solarne systemy sa zvycajne vyuziva viacero baterii zapojenych paralelne tj. vsetky kladne poly (oznacene ako +) a vsetky zaporne poly (-) su navzajom prepojene. Na ich prepojenie sa pouzivaju bezne hrube medene vodice nie dlhsie ako 30 cm. V blizkosti baterii by sa nemalo manipulovat s otvorenym ohnom, nakolko pri ich dobijani vznikaju potencialne vybusne plyny. Baterie by tiez mali byt vetrane a nemali by sa uzatvarat do krabic, alebo prikryvat krytmi. Kapacita baterie sa udava v amper-hodinach (Ah). Bateria s kapacitou 100 Ah a napatim 12 V dokaze uskladnit 1200 Wh (12 V x 100 Ah). Avsak kapacita baterie sa meni v zavislosti na trvani nabijania a je schopna dodat napr. viac energie pocas 100 hodinoveho vybijania ako pocas 10 hod. obdobia. Ked sa skladuje energia v bateriach, cast z nej sa straca samo-vybijanim. Automobilove baterie maju bezne ucinnost asi 75%, kym solarne baterie o nieco vyssiu. Ista cast kapacity automobilovej baterie sa postupne straca pri kazdom nabijani resp. vybijani a to az na uroven ked bateria musi byt vymenena. Solarne baterie maju dlhsiu zivotnost ako automobilove, ktore vydrzia asi 2 az 3 roky. Pri navrhovani solarneho systemu s bateriami je nutne uvazovat so skladovacou kapacitou potrebnej energie asi na 4 dni. Ked berieme do uvahy vacsi system so spotrebou napr. 2480 Wh denne potom vydelenim tejto hodnoty napatim systemu 12 V dostaneme dennu spotrebu z baterie 206 Ah. Pre styri dni to znamena 4 x 206 Ah alebo 826 Ah. V pripade pouzitia olovenych baterii je potrebne pridat asi 20% k tejto hodnote, pretoze bateriu nie je mozne nikdy uplne vybit. Z toho nam vyplynie kapacita 991 Ah. Regulator nabijania Bateria dokaze vydrzat niekolko rokov len za predpokladu, ze sa pouziva dobra nabijacka s elektronickou regulaciou. Tato regulacia chrani bateriu pred prebitim alebo hlbokym vybitim, co by ju mohlo poskodit. Ak je bateria uplne nabita, regulator znizuje prud dodavany solarnymi clankami az na uroven vlastnych strat zariadenia. Na druhej strane regulator prerusuje dodavku energie z baterie elektrospotrebicom, ked kapacita baterie klesne pod kriticku uroven. Preto nahly vypadok energie v solarnom systeme nie je poruchou ale len bezpecnostnym opatrenim. Regulatory nabijania su elektronicke zariadenia a ako take sa mozu nespravnym zaobchadzanim pokazit. Lepsie regulatory su vybavene ochranou pred takymto vplyvom z vonku. Ochrana zamedzi poskodeniu vplyvom skratu alebo prepolovaniu baterii (mylne prepojenie kladnych a zapornych polov). Mnoho regulatorov je tiez vybavenych ukazovatelmi stavu baterie. Menic Menic je zariadenie, ktore meni jednosmerny prud z baterie na striedavy (220 V , 50 Hz resp. ine hodnoty). Menice su dodavane v roznych velkostiach podla svojho vykonu od asi 250 W (cena asi 300 USD) az po viac ako 8000 W (6000 USD). Moderne menice su schopne dodavat elektricku energiu ovela lepsej kvality ako bezne elektrarne a prenosova sustava. Menej kvalitne menice vsak mozu sposobovat sum v niektorych elektronickych pristrojoch. Menice su tiez schopne pracovat ako "bufer" medzi solarnym (domacim) systemom a rozvodnou sietou, a tak umoznit predavanie nadbytocnej elektriny do siete. Vodice Jednoduchou cestou, ako zamedzit stratam energie, je pouzitie vhodnych elektrickych vodicov (kablov). Vodice by mali byt vzdy tak kratke ako je len mozne. Tie, ktore spajaju rozne elektrospotrebice by mali mat minimalny prierez 1,6 mm2. Na zabezpecenie napatovych strat nizsich ako 3% by vodice medzi solarnymi panelmi a bateriami mali mat prierez 0,35 mm2 (12 V system) alebo 0,17 mm2 (24 V system) na kazdy m2 solarneho panelu. Preto 10 m kabel pre 2 panely si vyzaduje minimalny prierez 10 x 2 x 0,35 mm2 = 7 mm2. Nakolko s kablami o priereze viac ako 10 mm2 sa tazko pracuje a tazko sa zhanaju, je casto potrebne tolerovat vyssie straty v systeme. Ak je cast vodica vystavena vonkajsiemu prostrediu, mala byt odolna proti poveternostnym vplyvom. Natacacie zariadenia Solarne clanky pracuju najucinnejsie ked su natocene priamo k Slnku. Natacacie zariadenia umoznuju pomocou pohyblivej platformy nastavit optimalnu polohu clankov k Slnku v priebehu dna. Taketo smerovanie dokaze zvysit zisk energie v zime o 10% a v lete az o 40%. Pri navrhovani celeho systemu vsak musi byt zhodnotena aj spotreba energie natacacim zariadenim a tiez i jeho cena, pretoze v mnohych pripadoch zisk z natacania nevyvazi vyssiu spotrebu. Na mnohych miestach je vyhodnejsie instalovat viac clankov, ako investovat do natacacieho zariadenia. V USA napr. vychadza natacacie zariadenie vyhodnejsie len v pripade instalacie viac ako 8 solarnych panelov s celkovym vykonom 800 W. Spotreba energie Kedze naklady na vystavbu solarneho systemu su relativne vysoke, je pri vyuzivani slnecnej energie rovnako dolezite sustredit sa aj na spotrebu energie zariadeniami napr. v dome vybavenom takymto systemom. Vyznamnu polozku tu ma osvetlenie a pouzitie vhodnych typov ziaroviek. Ukazuje sa, ze v solarnych aplikaciach je takmer vzdy vyhodne investovat do uspornych kompaktnych fluorescencnych ziariviek, ktore sa vyznacuju nizkou spotrebou (menej ako 20 % spotreby klasickej ziarovky) a dlhou zivotnostou (casto az 10 rokov). Usporna 18 W ziarivka dokaze nahradit tradicnu 100 W ziarovku. Nevyhodou je, ze na trhu (aj to len v zahranici) existuje len velmi malo ziariviek na jednosmerny prud, a preto byva nevyhnutne pouzivat menic napatia. Zivotnost a cena komponentov Dolezitym parametrom v ekonomickej analyze solarneho systemu je zivotnost a cena komponentov, z ktorych sa system sklada. Vyrobcami udavana zivotnost jednotlivych zariadeni je nasledovna: Solarne panely vydrzia pracovat asi 20 rokov. Dobre upevnenie a kryt zo skla s nizkym obsahom zeleza su schopne zarucit aj dlhsiu zivotnost. Galvanizovana kovova konstrukcia a ukotvenie panelov vydrzia asi tak dlho ako panely samotne. Vyzaduje si vsak istu udrzbu podobne ako ine kovove materialy. Solarne baterie vydrzia v zavislosti v zavislosti na charaktere nabijania a vybijania v priemere asi 4 roky. Elektronicky regulator ma zivotnost minimalne 10 rokov podobne ako menice napatia. Orientacne ceny komponentov solarneho systemu v USA (1999). Solarne clanky 5 USD/Wp Menic 0,5 USD/W Galvanizovana 0,3 USD/Wp konstrukcia Regulacne zariadenie 0,5 USD/Wp Vodice 0,7 USD/m Baterie 100 USD/kWh kapacity Hybridne solarne systemy Solarne clanky spolocne s inym typom elektrickeho zdroja (elektromotory na ine paliva) dokazu velmi dobre pokryvat meniace sa naroky spotreby energie a to pri nizsich nakladoch, ako by to bolo pre systemy zalozene len na jednom zdroji. V pripadoch, ked je potrebne mat nepretrzite spolahlivy zdroj energie alebo ked sa vyzaduje vyssi vykon ako je schopny dodat solarny system, je pripojenie dalsieho elektrickeho zdroja vhodnym riesenim. Solarne clanky v priebehu dna pokryvaju spotrebu energie a sucasne dobijaju baterie. Ked su baterie vybite, energiu do systemu dodava iny zdroj az pokial sa baterie nedobiju. Taketo systemy su schopne dodavat energiu kedykolvek, pricom dodatocny elektricky generator posobi tiez ako zalozny zdroj. Vyhodou je, ze prevadzka solarnych clankov je ticha a neznecistuje okolite prostredie. Takyto system moze byt aj cenovo vyhodny, nakolko zalozny elektricky generator znamena mensie naroky na clanky a menej baterii. Hoci pripojenie dodatocneho elektrickeho zdroja sa moze zdat komplikovane, moderne elektronicke regulacne zariadenia umoznuju, aby takyto system pracoval uplne automaticky. Regulacne prvky pripajaju zdroje a menia jednosmerne napatie na striedave podla okamzitej spotreby. Popri tradicnych generatoroch prudu je mozne do systemu pripojit aj male vodne elektrarne alebo male veterne generatory prudu a vytvorit tak vacsi hybridny system. Hybridne systemy maju zvycajne vyssi zisk energie ako samostatne pracujuce systemy, nakolko ich velkost je navrhovana na pokryvanie spotreby energie v lete s vyuzitim zalozneho zdroja v zime. Typicky rocny zisk solarneho zariadenia sa v zavislosti na stratach sposobenych regulatorom dobijania a bateriou, pohybuje na urovni 500 - 1250 kWh/kWp. Solarne clanky pripojene na siet Tam, kde je dostupna elektricka rozvodna siet, je mozne prepojit solarny system, napr. instalovany na streche domu, so sietou a tak nahradit pouzitie baterii. Na siet pripojene solarne systemy sa vyznacuju najvyssou ucinnostou - ziskom energie na jednotku instalovaneho vykonu, pretoze vsetka vyrobena energia sa bud spotrebuje v mieste vyroby, alebo sa dodava do rozvodnej siete. Typicky rocny zisk v nasich klimatickych podmienkach predstavuje 800 - 1400 kWh/kWp. Dnes existuje vo svete niekolko tisic takto pripojenych solarnych systemov na verejnu elektricku siet. Hlavnym motivom majitelov byva, ze solarnym systemom je mozne znizit vlastnu spotrebu energie kupovanej zo siete. Navyse majitelovi toto pripojenie umoznuje predavat nadbytocnu energiu v pripade, ked ju nie je schopny vyuzit sam. Bezne to funguje tak, ze merac spotreby elektriny sa toci naopak, ked solarny system dodava elektrinu do siete. V case ked je domaca spotreba vyssia ako vyroba solarnym systemom, odobera elektrinu zo siete podobne ako ini uzivatelia. Siet takto funguje ako zalozny zdroj (baterie) pre jeho potreby. obr. PVsiet.jpg Pre taketo pripojenie vsak elektrarenske (rozvodne) spolocnosti vyzaduju pouzitie kvalitnych menicov napatia a regulacnych obvodov, ktore presne splnaju napatove a frekvencne podmienky siete a tiez vyhovuju bezpecnostnym poziadavkam. V pripade poruchy vo vonkajsom vedeni musia bezpecnostne prvky solarny system okamzite od siete odstavit. To zamedzi zraneniu opravarov elektrickej siete elektrinou dodavanou solarnymi clankami. Vzhladom na to, ze elektrina zo solarnych clankov je este stale drahsia ako z fosilnych paliv v niektorych krajinach existuje podpora budovania solarnych systemov cestou osobitnych tarif, cim sa slnecna energia stava ekonomickejsou. Napriklad v USA elektrarenske spolocnosti nakupuju od nezavislych vyrobcov elektrinu za vyssiu cenu pocas spickoveho odberu v priebehu dna. V niektorych castiach USA sa cena spickovej elektriny pohybuje takmer na urovni ceny elektriny vyrobenej solarnym systemom. Podobne je to aj v Nemecku, kde rozvodne zavody su zo zakona povinne vykupovat solarnu elektrinu az za 0,99 DM/kWh (20 Sk/kWh). Pocet solarnych systemov pripojenych na siet v USA ako aj v Europe preto rastie velmi rychlo. Elektrarenske spolocnosti v roznych krajinach sveta vyuzivaju solarne systemy uz dlhsiu dobu. Vacsina tychto systemov ma mensi vykon ako 1 kW a vyuziva baterie na skladovanie energie. Taketo zdroje napajaju napr. stoziare elektrickeho vedenia alebo ine vystrazne objekty a pocas svojej dlhorocnej cinnosti preukazali spolahlivost a pripravili cestu pre vystavbu vacsich zariadeni. Elektrarenske spolocnosti sa zaujimaju o solarne clanky hlavne z dovodu stale narastajucich narokov na znizovanie emisii pri vyrobe elektriny. Velke solarne elektrarne pozostavajuce z mnohych solarnych panelov su vhodnym riesenim pre tieto spolocnosti, nakolko ich vystavba je ovela rychlejsia ako vystavba klasickych elektrarni. Elektrarne tiez mozu budovat solarne systemy v miestach, kde su najviac potrebne a navyse je ich mozne lahko zvacsovat, ked spotreba energie vzrastie. Nevyhodou solarnych elektrarni je, ze pri sucasnom stanovovani cien elektriny, je energia z nich vyrobena stale drahsia ako v elektrarnach na fosilne paliva. Navyse ich vyroba je ovplyvnovana pocasim a obmedzuje sa len na cast dna. Integrovanie solarnych elektrarni do siete si preto vyzaduje iste obmedzenia. Na druhej strane vsak prinasa vyhody v oblastiach, kde budovanie tradicneho elektrickeho vedenia je spojene s istymi obmedzeniami. Solarna elektraren v odlahlom mieste znizuje prenosove straty vo vedeni na dlhych vzdialenostiach od zdroja k spotrebitelovi. Tym sa solarny zdroj stava hodnotnejsim aj pre elektrarenske spolocnosti, pretoze sa dostavaju blizsie k potencialnym spotrebitelom napr. tiez v oblastiach s rychlo narastajucim poctom obyvatelov. Vystavba solarnych elektrarni je pre elektrarenske spolocnosti uplne novym typom podnikania. Na rozdiel od klasickych elektrarni solarne si vyzaduju vysoke pociatocne investicne naklady, maju vsak nulove naklady na palivo. Uholne alebo plynove elektrarne maju nizsie naklady na vystavbu (vzhladom na jednotku vykonu), avsak cena paliva hra velmi vyznamnu ulohu v ich ekonomike. Ceny klasickych paliv sa casto menia a ich vyvoj v buducnosti je tazke predpokladat v case budovania klasickej elektrarne. Takisto je tazke vediet ake naklady si vyziadaju klasicke elektrarne v suvislosti s ochranou zivotneho prostredia a sprisnujucich sa limitov emisii v buducnosti. Tieto skutocnosti vyznamne ovplyvnuju rozhodovanie sa viacerych elektrarenskych spolocnosti. Je totiz evidentne, ze ceny klasickych paliv budu len rast (hlavne ropy a zemneho plynu) rovnako ako budu zavadzane nove resp. prisnejsie ekologicke dane. Solarne elektrarne maju z tohoto pohladu bezkonkurencnu vyhodu, pretoze dnes ani v buducnosti ich prevadzka nebude zviazana s palivovymi ani ekologickymi nakladmi. * AKUMULACIA SLNECNEJ ENERGIE - VODIKOVE HOSPODARSTVO Jednym z rieseni problemu skladovania slnecnej energie pre buducnost moze byt vyuzivanie tzv. vodikoveho hospodarstva. Podstatou tohoto hospodarstva je vyroba vodika elektrolyzou vody pomocou elektriny generovanej slnecnymi clankami. Ucinnost rozkladu vody elektrickym prudom dosahuje az 90%. Voda sa pri tomto procese rozklada na vodik a kyslik. Vodik sa zachytava v tlakovych nadrziach a ako palivo sa potom spaluje za pritomnosti kyslika. Pri tomto procese sa uvolnuje uzitocna energia a cely cyklus sa uzatvori za vzniku maleho mnozstva dusika a vody. Voda predstavuje odpad a sucasne surovinu, z ktorej je mozne opatovne vodik ziskavat. Je evidentne, ze vodik je mozne vyrabat z akychkolvek zdrojov energie vratane elektriny vyrobenej z fosilnych paliv resp. z uranu. Ak by sa vodik vyrabal z nefosilnych zdrojov napr. slnecnymi clankami, nedochadzalo by k ziadnej emisii skodlivin resp. sklenikovych plynov, pretoze na jeho vyrobu su potrebne len obnovitelne suroviny (voda, slnecne ziarenie) a v hojnej miere sa vyskytujuce prvky v zemskej kore (v pripade slnecnych clankov - kremik). Vodik sa takto moze stat palivom buducnosti s neobmedzenymi zasobami pre cele ludstvo. Vodik ako energeticky zdroj je : * univerzalne pouzitelny na vyrobu tepla alebo elektriny * mnohymi sposobmi vyrobitelny (aj z obnovitelnych zdrojov) * vysoko ucinny (jeden diel vodika obsahuje energiu troch dielov zemneho plynu, potrebuje ale 3-krat vacsi objem) * netoxicky * plynovodmi lahko transportovatelny * dlhodobo skladovatelny. Vodik je mozne pri teplote -253 st. Celzia skvapalnit (zhustit) tak, ze sa da pouzit ako palivo na vyrobu tepla, elektriny alebo v motorovych vozidlach. Ako nevyhoda sa casto uvadza jeho vybusnost, avsak priemyselne skusenosti ukazuju, ze vodik je mozne bezpecne transportovat napr. plynovodmi. V Poruri existuje uz viac ako 50 rokov 210 km siet, ktorou sa vodik transportuje - do dnesnej doby bez akejkolvek nehody. Pociatocna aplikacia vodikoveho hospodarstva v praxi bude pravdepodobne v sektore dopravy. Prve pokusy s autami spalujucimi vodik prebehli v mnohych krajinach (Nemecko, Japonsko, USA, Svedsko). Vyhliadky pre tuto aplikaciu su velmi dobre, nakolko fosilne paliva pouzivane v doprave patria k najdrahsim a sucasne najznecistujucejsim palivam v sucasnosti. Prechod na vodikove hospodarstvo by si vsak predovsetkym s ohladom na vysoke kapitalove naroky spojene so zavedenim takehoto systemu, vyzadoval niekolko desatroci. Obnovitelne zdroje energie - navrat na publikaciu