Sluneční energie místo kotle

Sluneční energie je jediná energie, za kterou nemusíte platit, a můžete ušetřit až 100 % výdajů za energii. Tak zní často reklamní slogany firem nabízejících solární tepelnou techniku – systémy pro využití energie ze Slunce pro ohřev vody. Ale je tomu skutečně tak a je energie ze Slunce zadarmo? Slunce nám skutečně fakturu za energii nepošle, zakoupení a provoz solárního systému však stojí nezanedbatelnou částku a stejně jako v jiných případech platí: dvakrát měř a jednou kupuj. Nevhodná volba systému a jeho komponentů, neodborná instalace či nedodržení doporučení pro provoz a údržbu mohou znamenat nejen malou úsporu, ale někdy i finanční ztrátu.

Rostoucí ceny energií nás trápí čím dál více a jediné, s čím můžeme do budoucna počítat, je, že energie levnější nebude. Každá úspora nákladů na energii se proto počítá a náklady pro její zajištění lze brát i jako investici do budoucna. Sluneční energie je nevyčerpatelná a má vysoký potenciál i v naší zeměpisné šířce – sluneční energie dopadající na pouhých 350 km² (4 % rozlohy ČR) by při plném využití mohla nahradit veškerou současnou spotřebu primárních zdrojů energie v ČR. Z hlediska celé planety Země je bilance ještě výraznější – sluneční záření dopadající každý rok na Zemi přináší 10 000-krát více energie, než lidstvo spotřebuje. Využití energie slunečního záření omezuje její přeměna (otázka účinnosti) a skladovatelnost (akumulace).

Pasivní využití sluneční energie
Lidé již od pradávna využívají sluneční energii pasivně – na vyhřátí domova i třeba k sušení prádla. V současnosti na pasivním principu využití sluneční energie fungují pasivní domy – vhodnou architektonickou koncepcí a orientací oken získáváme teplo pro ohřev vnitřního prostředí prostupem sluneční energie okny. Aby se teplo v interiéru udrželo, jsou domy opatřeny účinnou izolací. Výhodou pasivního využití je to, že k provozu není potřeba žádné technické zařízení ani instalace. Pasivní zisky se lépe uplatní v budově s těžkou stavební konstrukcí, neboť v masivní stavbě se teplo může akumulovat do stěn a podlah. Je třeba zohlednit také systém vytápění v domě – systém s velkou akumulací a setrvačností (např. teplovodní podlahové vytápění) nebude schopen rychle reagovat na změnu potřeby tepla. V létě je vhodné zajistit kvalitní stínění oken nebo i celé fasády, aby nedocházelo k přehřívání domu.

Aktivní systémy
Aktivní využití sluneční energie představují solární tepelné (někdy také termické nebo termální) systémy a aplikace s fotoelektrickou přeměnou energie (fotovoltaické systémy).

Solární tepelné systémy lze dodatečně instalovat téměř do každé existující budovy, výhodnější je však počítat s nimi již při návrhu a stavbě domu. Nejznámější a nejrozšířenější jsou aplikace, kde je sluneční energie použita pro ohřev teplé vody pro potřeby domácnosti nebo k ohřevu bazénu. Nicméně přibývá i domů, kde je sluneční energie využita i pro vytápění, respektive přitápění v přechodném období během roku (na jaře a na podzim) – kombinované solární systémy. Aby systém částečně kryl i potřebu tepla na vytápění, je třeba instalovat systém přibližně 2- až 3krát větší, než při zajištění pouze ohřevu teplé vody. Teoreticky lze navrhnout i solární systém, který by pokryl požadavky jak na vytápění, tak i na ohřev teplé vody; není to však efektivní a ve většině případů v lokalitách ČR ani reálné. V zimě jsou totiž sluneční zisky malé, ale nároky na vytápění maximální, systém je pak proto po většinu roku předimenzovaný a v létě je třeba řešit, kam s přebytečnou energií. Řešením je dlouhodobá akumulace v sezónních zásobnících (vodních nebo štěrkových), kde si teplo z léta můžeme nastřádat na zimu. Čím je však delší doba akumulace, tím je systém dražší a ekonomicky méně efektivní – pro běžné domovní systémy se proto používá pouze krátkodobá (několikadenní) akumulace. 

Solární kolektory
Základní částí solárního kolektoru je absorbér, který pohlcuje energii slunečního záření. Pro zvýšení účinnosti je absorbér ukládán pod skleněnou desku, čímž dochází k následnému odrazu paprsků a přenos tepla umocňuje skleníkový efekt, který je v tomto případě velmi žádoucí. Absorbéry zajišťují přeměnu pohlcené energie ze slunečního záření na energii tepelnou, která je následně odváděna teplonosným médiem do místa spotřeby nebo do akumulačního zásobníku. Podle použitého média rozlišujeme kolektory kapalinové a vzduchové (někdy i kombinované).

Moderní kolektory mají různé uspořádání – základní dělení je na kolektory ploché a trubicové (trubkové). Zvláštní kategorii tvoří koncentrační kolektory, ve kterých se sluneční záření koncentruje na malou plochu využitím Fresnelovy čočky nebo zrcadlové plochy.

Nejjednodušší a nejlevnější jsou plastové kolektory, které se hodí k sezónnímu ohřevu vody v bazénech, případně i vody na chatách, zahradách a podobně. Jsou vyrobeny z plastu odolného UV záření a mají tvar vaku nebo trubkového registru. Nejsou kryty sklem, mají malou účinnost, ale pro některé uvedené aplikace představují díky své jednoduchosti a ceně optimální řešení.

Nejčastěji se na budovách můžeme setkat s plochými kolektory ve tvaru obdélníkové desky. Absorbér je umístěn v plechovém (někdy dřevěném) rámu a zakryt transparentním krytem, většinou tvrzeným sklem, jehož účelem je snížit ztráty tepla a chránit absorbér před nepříznivými vlivy venkovního počasí. Aby se snížily tepelné ztráty zadními a bočními stěnami kolektoru, opatřují se kolektory tepelnou izolací odolávající vysokým teplotám.

Trendy ve vývoji solárních kolektorů v poslední době sledují několik směrů: využití nových materiálů (mikro- a nanotechnologie) pro dosažení vyšší účinnosti nebo naopak využití levných a dostupných materiálů pro snížení ceny kolektorů. Čím dál více také záleží na vzhledu kolektorů – musí splňovat požadavky moderní architektury a pokud možno zapadnout do celkové architektonické koncepce budovy.

Tepelné ztráty a povrch absorbéru
Přeměnu slunečního záření v kolektoru na tepelnou energii provází celá řada ztrát, které snižují účinnost kolektoru. Sluneční záření dopadá nejdříve na transparentní kryt kolektoru. Zde se odrazí a prostupuje krytem, čímž přichází o první část záření. Ztráty způsobené odrazem závisejí na úhlu, pod jakým záření dopadá – nejmenší jsou při kolmém dopadu slunečních paprsků. Ztráty prostupem jsou určovány světelnou prostupností daného materiálu. Jelikož plasty relativně rychle stárnou a ztráty se tak zvyšují, osvědčily se především skleněné kryty. Dále dochází ke ztrátám odrazem na absorbéru a k tepelným ztrátám zadní a boční stěnou kolektoru. Největší problém představují ztráty přední stěnou kolektoru, které jsou způsobeny konvekcí – vzduch se v kolektoru ohřívá od teplejšího absorbéru a tím jej ochlazuje, odebírá mu teplo. Druhým velkým problémem jsou ztráty způsobené sáláním – vyzařováním z povrchu absorbéru. Speciálním složením horní vrstvy a strukturou povrchu absorbéru je možné snížit vyzařování tepla a zlepšit parametry kolektoru. Z tohoto důvodu se povrch absorbéru často opatřuje černým nátěrem nebo tzv. selektivní vrstvou, která významně zvyšuje účinnost kolektoru.

Nejelegantnějším řešením, jak snížit ztráty konvekcí, je vyčerpání vzduchu z prostoru mezi absorbérem a krytem. Takto jsou řešeny vakuové kolektory. Prostor je často zaplněn inertním plynem s malou tepelnou vodivostí, například argonem. Kolektor pak zachycuje i záření o velmi malé intenzitě a při nízké venkovní teplotě, zvyšuje se jeho účinnost v přechodném období i v zimě. Vakuové kolektory se sice vyrábějí i v podobě plochého kolektoru, ale mnohem častěji jako trubicové, kdy je absorbér umístěn uprostřed trubice z tvrzeného skla. Jednotlivé trubice jsou pak propojeny do sestavy kolektoru.

Jaký systém a kolektory zvolit?
Při výběru a pořízení solárního systému je třeba zohlednit celou řadu faktorů. Především musíme určit, jakou část naší spotřeby energie chceme sluneční energií pokrýt – zda pouze spotřebu teplé vody (plně nebo částečně) nebo i teplo na vytápění. Důležitá je i úvaha o využití systému během roku – pro dimenzování je klíčový poměr spotřeby energie a výkonu systému v letním a zimním období. Zde je totiž hlavní problém solárního systému – nejvíce energie vyrábí v letním období, v zimě je naopak v některých měsících získání energie ze solárního systému zcela minimální.

Jednoduché plastové absorbéry mají nejvyšší účinnost při velmi nízkých rozdílech teploty média a okolního vzduchu. Obvyklý dosah rozdílu teplot je u nich 30 °C a jsou vhodné pro ohřev vody v bazénu během letních měsíců nebo i jako doplňkový zdroj pro ohřev vody. Pro tyto účely také výborně poslouží jednoduchý plochý kolektor bez selektivní vrstvy. Ten stačí ale i pro přitápění, pokud je v domě instalováno nízkoteplotní plošné vytápění (například v podlaze nebo ve stěnách). Pokud potřebujeme dosáhnout vyšších zisků, volíme kolektor se selektivní vrstvou. Vakuové kolektory dosahují teplot i vyšších než 100°C, nevýhodou je jejich vyšší cena a mírně nižší účinnost v letním období. Pokud máme pro umístění kolektorů k dispozici menší plochu, než je doporučená, je možné zvolit účinnější (a dražší) typ kolektoru, který z dané plochy zajistí vyšší zisky. Podobně například při použití na horách musíme volit účinnější typ kolektoru, nejlépe se selektivní vrstvou – nebo vakuový kolektor.

Nejen kolektory tvoří systém
Systém pro ohřev teplé vody obsahuje kromě solárních kolektorů i další komponenty, které jsou pro správnou funkci soustavy stejně důležité jako samotný kolektor a absorbér. 

Ohřáté teplonosné médium – většinou nemrznoucí směs, při letním provozu někdy také voda – je z kolektoru vedeno potrubím do výměníku tepla, kde předává získané teplo ohřívané vodě. Výměník je obvykle umístěn v akumulačním zásobníku tepla. Zásobník bývá připojen i k druhému zdroji tepla, který ohřívá vodu v době, kdy výkon solárního systému není dostatečný. Z hygienických důvodů se doporučuje minimálně jednou týdně ohřát vodu v zásobníku na teplotu alespoň 72 °C, aby nedocházelo k množení nežádoucích mikroorganismů. Nádrž zásobníku by měla být stojatá, vysoká a úzká, tak aby bylo zaručeno potřebné vrstvení tepla. Ležaté nádrže se z tohoto důvodu pro použití v solárním systému nehodí.

Oběh teplonosné kapaliny v systému zajišťuje oběhové čerpadlo. Pro bezporuchový chod je okruh doplněn expanzní nádobou, která vyrovnává změny objemu teplonosné kapaliny při různých teplotách, zpětným ventilem pro zabránění nežádoucí cirkulace při nečinnosti zařízení, pojistným ventilem a ventilem pro odvzdušnění. Automatická regulace zajišťuje bezpečný chod systému a optimální výkon. Systém může být doplněn výměníkem pro ohřev bazénové vody, který odvádí letní přebytky tepla. Pokud můžeme umístit akumulační zásobník výše než kolektor, lze využít samotížného principu, kdy teplá voda sama stoupá vzhůru, a ušetřit tak náklady na pořízení oběhového čerpadla.

Otázka návratnosti
Asi každého zájemce zajímá otázka návratnosti investic, tedy kdy a zda vůbec může počítat s výnosy systému. Náklady na pořízení solárního systému pro menší rodinný dům se pohybují od 50 tisíc do 150 tisíc korun. V době, kdy probíhal program Zelená úsporám, klesla návratnost investice do solárního systému na pouhý jeden až tři roky. V současné době nejsou dotace na solární kolektory poskytovány a návratnost investice se tak pohybuje v rozmezí pěti až patnácti let v závislosti na dimenzování systému a místních podmínkách. Protože se však ceny energií neustále zvyšují, jsou solární systémy i nadále v popředí zájmu o obnovitelné zdroje energie. Životnost systému se většinou uvádí 20 let, a tak i při předpokládané 15leté době návratnosti investic se jeho pořízení v celkové bilanci vyplatí – pokud není třeba každých pět let měnit a opravovat některé části systému, což je bohužel častá praxe. Důvodem bývá jak nedostatečná kvalita jednotlivých komponent, tak i neodborná instalace svépomocí nebo špatná údržba, kvůli které potom systém nedosahuje plánovaných ročních výnosů.

Solární systém není perpetuum mobile, jak by se podle některých reklamních sloganů mohlo zdát. Nicméně jde o zajímavou alternativu k tradičním metodám ohřevu teplé vody a vytápění. A kdo by si dnes nechtěl často dopřát plnou vanu horké vody bez výčitek vůči svojí peněžence nebo životnímu prostředí?

TEXT: Ing. Petra Šťávová
FOTO: archiv firem
ZDROJ: HOME ve spolupráci www.estif.org, www.ekowatt.cz, www.calla.cz, www.hpi-cz.eu