Solární kolektory

Slunce je zdrojem většiny energie na naší planetě, bez níž by byl pozemský život nemyslitelný. Z celkového množství vyzářené sluneční energie na povrch země dopadá jen asi půl miliardtiny. I tak nepatrný zlomek však představuje neuvěřitelných 180 000 terrawattů (180 000 000 000 megawattů). To je dvakrát víc, než je zapotřebí pro udržení trvalého života na Zemi a čtrnáctkrát víc, než spotřebuje lidstvo.

Výsledná teplota na Zemi (celkový průměr je -15 °C) je tak výsledkem působení sluneční a původní staré vnitřní energie Země, kterou planeta podědila ze sluneční mlhoviny při svém vzniku. Ani jeden z těchto dvou prvků by k vytvoření příjemného prostředí na naší planetě nestačil.

Bez slunečního záření by na Zemi bylo nepříjemně chladno, a to pouhých -263°C.

Bez vnitřního tepla Země bychom ale naměřili opět jen neuspokojivých -270 stupňů.

Jenže Slunce svítí a ještě dlouho bude. Takové množství energie samozřejmě nenechá rozumného člověka na pochybách, zda ji využít, či ne. Sluneční energie je dokonale čistá, prakticky nevyčerpatelná (prognóza je příznivá pro příštích 7 miliard let) a je zdarma.

Historie

První patent na sluneční kolektor byl zaregistrován v USA již v roce 1891. Masivnější rozšíření problematiky ale bylo zaznamenáno až v době po ropné krizi v druhé polovině 20. století. K nám krize dorazila s mírným zpožděním, tedy až po roce 1973. V rodinných domech ho však z důvodu dotace cen energií využívali pouze nadšenci a kutilové. Rovněž tehdy neexistovala nemrznoucí kapalina, nezbytná součást dnešních kolektorů a panely fungovaly pouze v letním provozu.

Dnes, v souladu se směrnicemi EU je nutné zvýšit využívání obnovitelných zdrojů energie.

Typy solárních kolektorů

Než si podrobně rozebereme, jak solární kolektory fungují, pojďme si pro přehlednost dalšího textu nejprve uvést základní typy kolektorů:

Kolektory se dělí na:

  • kapalinové: teplonosnou látkou je nemrznoucí kapalina
  • vzduchové: teplonosnou látkou je vzduch
  • kombinované: využívá obou možností

Dle tvaru potom rozlišujeme absorbéry:

  • ploché: absorbér je plochá deska
  • trubicové: absorbér je zde uložen ve vakuové trubici

Princip a fungování slunečních kolektorů

Solární kolektory patří mezi takzvané aktivní systémy. Pasivními systémy rozumíme například tepelné zisky jižním prosklením domu. Téměř vždy je možné je instalovat na stávající budovu.

Princip solárního kolektoru je velmi jednoduchý, je to zároveň nejčastější způsob využití sluneční energie. Solární kolektor má několik částí:

Absorbér

Může vypadat jako plochá deska s neodrazivým povrchem a trubicemi pro odvod tzv. teplonosného (či teplosměnného média). Uložením absorbéru pod skleněnou desku vznikne vlastní sluneční kolektor (solární panel), jaký vídáme na střechách mnohých domů. Využívá tzv. skleníkového efektu.

V případě vakuových kolektorů zde vakuum výrazně snižuje tepelné ztráty a zvyšuje tak účinnost, a tedy i vyšší vstupní teplotu média. Nevýhodou vakuového systému je, že případný navátý sníh se musí odstranit z plochy ručně – chybí zde samorozmrazovací schopnost zařízení.

Absorbér tedy sluneční dlouhovlnné záření přeměňuje na tepelnou energii. Kvalitní kolektor má absorbér opatřený spektrálně selektivní vrstvou, tedy speciální černou barvou nebo galvanickým pokovením. Takové typy mají ještě větší účinnost, protože dokážou přijmout i rozptýlené (difuzní) sluneční záření. Jako spektrálně selektivní vrstvu je dnes nejčastěji používán měděný plech s pokovením TiNOx. I zasklení by mělo být ze zvláštního skla s nízkou pohltivostí slunečního záření.

Vyplatí se proto investovat do kvalitnějších (dražších) kolektorů.

Dalším typem kolektoru jsou tzv. koncentrační kolektory, které umožňují koncentraci tepla na malou plochu. Využívá se zde lineárních čoček (tzv. Fresnelových), nebo žlabových zrcadel. V tomto případě je potřeba zařízení, které kolektor nebo absorbér otáčí podle polohy slunce. Efektivita typů se žlabovým zrcadlem je bez možnosti natáčení pochopitelně nižší.

Integrovaný zásobník tepla

Energie je poté odvedena na místo okamžité spotřeby, nejčastěji do tzv. integrovaného zásobníku tepla (IZT), někdy také nazývaného solární zásobník. Ten je většinou vybaven elektrickou spirálou na rychlý dohřev vody. Slouží na přípravu teplé vody (TV). Objem zásobníku vychází ze spotřeby vody v objektu a velikosti solárních kolektorů. Teplá voda se připravuje bezkontaktně pomocí průtočné spirály umístěné v zásobníku, nebo pomocí plovoucí nádrže. Kolektor musí do zásobníku dodávat teplo do odpovídající hladiny, tak aby byla maximalizována účinnost dodání tepla. Rozvrstvení objemů vody různých teplot v zásobníku říkáme stratifikace.

Jinak řečeno: výměník tepla od solárního kolektoru musí být umístěn v zásobníku co nejníže, úplně nahoře je topné těleso (spirála) pro rychlý dohřev vody a uprostřed je výměník okruhu ústředního vytápění.

Potrubí

Nenápadný, ale důležitý článek soustavy slunečního kolektoru. Potrubí od panelu by mělo být co nejkratší a velmi dobře izolované, čímž se minimalizují tepelné ztráty. Obvyklým materiálem pro potrubí je měď, používají se také plasty.

Oběhové čerpadlo

Je srdcem oběhové soustavy. Umožňuje cirkulaci teplonosné kapaliny, její transport z kolektoru do zásobníku.

Armatury

Jsou technická zařízení na kolektorovém oběhu, které zajišťují jeho správnou funkci a kontrolu. Je to především manometr (měřič tlaku), teploměr, a zpětný ventil.

Expanzní nádoba

Expanzní nádoba vyrovnává tlak, způsobený kolísáním teplot. Její parametry musejí odpovídat vlastnostem kapaliny – zejména její teplotní roztažnosti, maximální teplotě a objemu. Pojistný ventil slouží na oběhu jako ochrana proti zvýšení tlaku (například při výpadku elektřiny).

Automatická regulace

Umožňuje optimální řízení systému, chrání jej a zabezpečuje správnou distribuci tepla mezi spotřebiči.

Teplonosná látka

Je potřeba použít nemrznoucí směs (aby byl umožněn celoroční provoz) s vlastnostmi jinak velmi podobnými vodě. Používají se kapaliny na bázi propylenglykolů (Solaren, Kolekton, a další)

Využití solárních kolektorů

Je naznačeno v článku Princip solárních kolektorů. Využitelné jsou pro všechny objekty s vhodným trvalým odběrem teplé vody. Nepříliš výhodné se jeví například školské budovy, které jsou v době největší efektivity soláru - v létě - většinou prázdné.

Paradoxně ne vždy lze doporučit instalaci solárního kolektoru k pasivnímu, či nízkoenergetickému domu, neboť takové budovy mají díky svým špičkovým izolačním vlastnostem dost krátké otopné období, a tím je právě několik zimních měsíců, kdy sluneční záření není u nás příliš intenzivní, navíc je velmi často oblačnost.

Přesto ale jejich instalace nemůže ničemu uškodit. Jejich výroba, na rozdíl od fotovoltaických panelů, není tak zatěžující pro životní prostředí a zejména ve spojení s integrovaným zásobníkem tepla je jejich použití inteligentní volbou. Pokud hodláte instalovat panely dodatečně na stávající starší dům, nebude jejich pořízení - při dodržení podmínek instalace - žádnou chybou.

Využívány jsou tedy především ve spojení s IZT (integrovaným zásobníkem tepla), za určitých podmínek, lze okruhu využít i k přímému vytápění. Lépe je ale teplo akumulovat v zásobníku a umožnit tak optimální hospodaření.

Nezbytnou podmínkou využití kolektorů je osvit sluncem, který by měl být zajištěn v maximální možné míře. Minimalizováno by mělo být stínění i nepříznivý odklon od optimálního jižního směru. Podrobněji je toto téma rozebíráno v oddílu Instalace solárních kolektorů.

Instalace slunečních kolektorů

Před pořízením solárních kolektorů je třeba si položit celou řadu otázek:

  1. Kolik hodin ročně v mé lokalitě svítí slunce? Jaká je jeho intenzita? Nebudou kolektory něčím zastíněny?

Ideální je samozřejmě celodenní osvit sluncem, pokud budou kolektory krátkodobě zastíněny, je tomu tak nejlépe v dopoledních hodinách. V Česku je průměrný počet hodin slunečního svitu 1460 h/rok. Přirozeně nejvyšších čísel dosahuje v jižních částech země, zejména pak na Jižní Moravě. Oblasti se znečištěnou atmosférou mohou počítat se snížením 5 – 10 %, někdy i více. Naopak oblasti s nadmořskou výškou 700 – 1600 metrů nad mořem mohou počítat s nárůstem záření až o 5%.

  1. Vyskytují se nějaké nepříznivé jevy, jako častá námraza či sněhová pokrývka?

Jak už bylo zmíněno v úvodu, u vakuových kolektorů je třeba námrazu manuálně odstraňovat, výrazně snižuje účinnost kolektoru. To samé přirozeně platí o sněhové pokrývce.

  1. Jak kolektor orientovat?

Ideální je orientovat kolektory na jih, ale lze je umístit i s vodorovným odklonem do +- 45°.

O něco výhodnější odklon je jihozápadní směrem, neboť maximální účinnost nastává obvykle kolem 14. hodiny (nejvyšší denní teplota).

Automatické natáčení kolektorů za sluncem se nedoporučuje, neboť se vzhledem k vysoké ceně zařízení nevyplácí.

  1. Jaký je nejlepší sklon kolektoru?

Zde záleží na preferenci letního či zimního provozu. Protože v zimě je slunce na nebi nízko, je pro zimní provoz vhodnější větší sklon – mezi 60° a 90°. Pro výhradně letní provoz se doporučuje sklon 30°. Protože drtivá většina uživatelů preferuje provoz celoroční, doporučuje se sklon v rozmezí 30° a 60°.

  1. Jaký je provoz a tedy i rozložení spotřeby vody v domě?

Mnohem vhodnější je instalovat kolektory na rodinné či bytové domy, než kupříkladu na školní budovu, která je v době nejintenzivnějšího slunečního svitu v létě prakticky nevyužívaná.

Spotřeba vody v domě obydleném čtyřčlennou rodinou je cca 330 litrů na den. Přehledně lze potřebu vyjádřit následovně:

počet osob: 4 objem zásobníku: 300 l plocha kolektorů: 6 m2
počet osob: 10 objem zásobníku: 800 l plocha kolektorů: 16 m2

Uvedený přehled je samozřejmě pouze orientační, potřebné parametry ovlivňují faktory popsané výše, tabulka platí pro solární systém na ohřev teplé vody při použití standartních plochých kolektorů se selektivní vrstvou.

Letní / celoroční provoz

Požadujete-li provoz pouze v létě (teplá voda do sprchy, přihřívání bazénu), stačí použít jednookruhový systém s jednoduchým absorbérem (plastová deska s dutinami). Pro celoroční provoz je třeba navrhnout dvouokruhový systém s kolektory, výměníkem a nemrznoucí teplonosnou kapalinou.

Teplovzdušné systémy

Jsou zajímavou alternativou ke kapalinovému typu. Odpadá zde riziko zamrzání a teplým vzduchem lze přímo vytápět místnosti v domě. Tento systém je účinnější, neboť pracuje s nižšími teplotami. Nevýhodou je hluk ventilátorů, které zabezpečují cirkulaci vzduchu v systému. Je třeba je umístit v domě tak, aby se hluk nešířil do obytných místností. V tomto systému se také obtížněji akumuluje energie.

Výhody solárních kolektorů

  • dostatečné množství sluneční energie téměř ve všech oblastech
  • solární energie je spolehlivá lze s ní počítat navždy, neboť její existence umožňuje existenci lidské civilizace
  • je to naprosto čistá energie a je zdarma
  • výroba solárních panelů nezatěžuje prostředí tak jako výroba fotovoltaiky
  • jedná se o jednoduchý, historicky *osvědčený** fyzikální princip
  • lze využít dotací

Nevýhody solárních kolektorů

  • množství dopadající energie v našich zemích – především v zimním období – je poměrně malé, což je v rozporu s tím, že nejvíc energie potřebujeme právě v zimě
  • relativně velké náklady na kolektory

Účinnost solárních kolektorů

Fyzikální účinnost kolektorů je složitou kapitolou, lze ji přesně stanovit buď velmi náročným výpočtem, nebo experimentálně.

Přestože Česko není svou polohou pro jejich využití rozhodně ideální, jejich instalaci lze doporučit.

Praktickou účinnost kolektoru lze maximalizovat užitím zásad:

  • umisťovat kolektory na maximálně osluněné místo, pod správným sklonem
  • zamezit zastínění, znečištění, zakrytí, nebo namrzání kolektoru
  • minimalizovat tepelné ztráty – poctivě izolovat potrubí i zásobník teplé vody

Cena slunečních kolektorů

Při pořízení solárního kolektoru sledujte cenu za 1m2 účinné plochy. Dále je třeba se rozhodnout, zda pořídit jednodušší (a levnější) kolektory deskové nebo zvolit účinnější (a dražší) kolektory vakuové.

deskových kolektorů se ceny běžně pohybují mezi 4000 – 7000 Kč na metr čtvereční účinné plochy.

Jakou zvolit značku?

Orientujte se podle zkušeností známých, schopnosti firmy zajistit odbornou pomoc a instalaci, nebo referencí v médiích. Nejčastěji se lze setkat s firmami Viessmann, EKOSOLAR či TWI. Oblíbeným modelem kolektoru s hliníkovým absorbérem je Thermosolar za necelých 5000 Kč na 1m2 účinné plochy.

vakuových kolektorů počítejte s pořizovací cenou od 8000 Kč až po 26000 Kč za 1m2 účinné plochy.