Evropský polytechnický institut, s.r.o.
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
2014
Richard BRŇÁK
Evropský polytechnický institut, s.r.o. v Kunovicích Studijní obor: Elektronické počítače
ANALÝZA SOUČASNÝCH ELEKTRONICKÝCH REGULAČNÍCH SYSTÉMŮ PRO VYUŽITÍ TEPLA FOTOTERMICKOU CESTOU A NÁVRH VLASTNÍHO BIVALENTNÍHO TOPNÉHO SYSTÉMU
(Bakalářská práce)
Autor: Richard BRŇÁK Vedoucí práce: Ing. Marek ŠIMČÁK, Ph.D.
Kunovice, 2014
Prohlašuji,
že
jsem
bakalářskou
práci
vypracoval
samostatně
pod
vedením
Ing. Marka ŠIMČÁKA, Ph.D. a uvedl v seznamu literatury všechny použité literární a odborné zdroje.
Kunovice, 2014
Děkuji panu Ing. Marku ŠIMČÁKOVI, Ph.D. za metodickou pomoc, kterou mi poskytl při zpracování mé bakalářské práce.
Kunovice, 2014
Richard BRŇÁK
Obsah: ÚVOD .................................................................................................................................... 8 1
ÚVOD DO TEORIE .................................................................................................. 10
2
POPIS INSTITUCE ZADAVATELE ...................................................................... 11
3
ANALÝZA TRHU ..................................................................................................... 12
4
SLUNEČNÍ ZÁŘENÍ ................................................................................................ 14
5
POJMY HRAJÍCÍ HLAVNÍ ROLE ........................................................................ 15 5.1 SOLÁRNÍ SYSTÉM .................................................................................................. 15 5.2 KOLEKTOR ............................................................................................................ 19 5.2.1 Plochý selektivní kolektor ................................................................................ 20 5.2.2 Vakuový trubicový kolektor ............................................................................. 20 5.2.3 Propojení solárních kolektorů ......................................................................... 22 5.3 SOLÁRNÍ SKLO ...................................................................................................... 23 5.4 AKUMULAČNÍ NÁDRŽ ........................................................................................... 24
6
REGULAČNÍ SYSTÉMY ......................................................................................... 25 6.1 REGULACE ............................................................................................................ 26 6.1.1 Regulátor µTeR-05 .......................................................................................... 27 6.1.2 Regulátor µTeRX-05 ........................................................................................ 29 6.1.3 Porovnání regulátorů µTeR-05 a µTeRX-05 ................................................... 30 6.1.4 Regulátor µTeRX2-05 ...................................................................................... 32 6.1.5 Regulátor SCU-II ............................................................................................. 33 6.1.6 Porovnání regulátorů µTeRX2-05 a SCU-II ................................................... 35
7
POPIS TECHNOLOGIÍ FOTOVOLTAIKY ......................................................... 36 7.1 ZÁKLADNÍ FAKTA MINULOSTI ............................................................................... 36 7.2 ÚVOD DO FYZIKÁLNÍCH PRINCIPŮ ......................................................................... 36 7.3 TECHNOLOGICKÉ A APLIKAČNÍ INFORMACE .......................................................... 38 7.4 VÝROBA ENERGIE V SOUČASNOSTI ....................................................................... 39 7.5 BUDOUCÍ MODERNÍ TRENDY ................................................................................. 40 7.6 SOUČASNÉ VÝHODY A NEVÝHODY VYUŽÍVÁNÍ SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ .................... 42 7.6.1 Výhody ............................................................................................................. 42 7.6.2 Nevýhody .......................................................................................................... 43
8
POŽADAVKY NÁVRHU ......................................................................................... 44 8.1 RODINNÝ DŮM ...................................................................................................... 47 8.2 BYTOVÝ DŮM........................................................................................................ 48 8.3 BUNGALOV ........................................................................................................... 49 8.4 MODERNÍ DŮM ...................................................................................................... 50 8.4.1 Nízkoenergetický dům ...................................................................................... 50 8.4.2 Pasivní dům...................................................................................................... 50
9
VLASTNÍ NÁVRH TOPNÉHO SYSTÉMU ........................................................... 51 9.1 RODINNÝ DŮM ...................................................................................................... 52 9.2 MODERNÍ DŮM ...................................................................................................... 56 9.2.1 Varianta TUV ................................................................................................... 57 9.2.2 Varianta bazén ................................................................................................. 57 9.2.3 Varianta TUV + bazén ..................................................................................... 58 9.3 BYTOVÝ DŮM........................................................................................................ 58
10 PILOTNÍ PROVOZ ODSTRANĚNÍ PŘIPOMÍNEK, UVEDENÍ DO RUTINNÍHO PROVOZU ................................................................................................. 60 ZÁVĚR ............................................................................................................................... 61 HODNOCENÍ PODNIKU ................................................................................................ 64 ABSTRAKT ....................................................................................................................... 65 ABSTRACT ........................................................................................................................ 66 LITERATURA ................................................................................................................... 67 SEZNAM ZKRATEK ....................................................................................................... 70 SEZNAM OBRÁZKŮ, TABULEK, GRAFŮ A SCHÉMAT ........................................ 73 SEZNAM PŘÍLOH............................................................................................................ 74
ÚVOD Tématem práce je analýza současných elektronických regulačních systémů pro využití tepla fototermickou cestou a návrh vlastního bivalentního topného systému. Získávání tepla a světla z přírodních zdrojů je v dnešní době velmi populární záležitostí, navíc získávání takzvané zelené energie je mnohem šetrnější k životnímu prostředí než kterákoliv jiná energie vyrobená člověkem. V současné době takzvané úsporné a nízkonákladové domy jsou docela žádaným zbožím na trhu a rozhodně budou v budoucnu hrát stále významnější roli. Cílem práce je analýza současných elektronických regulačních systémů pro využití tepla fototermickou cestou a návrh vlastního bivalentního topného systému ve které jsou návrhy různých typů vytápění jednotlivých moderních domácností. Záměrem práce je analýza elektronických regulačních systémů na trhu. Jednotlivé možnosti vytápění různých typů bytových oblastí může firma nabízet jako příklady či potencionální návrhy rozvodů vytápění k jednotlivým typům regulací. Se společností spolupracuji již několik let, a proto po konzultaci s jejím vedením jsem se rozhodl zvolit pro svou práci právě toto téma. Někteří odběratelé projevují zájem o příkladný návrh topného systému k danému typu regulace. Mým cílem je jít takovýmto odběratelům vstříc a najít optimální cestu k dosažení cílů pro uspokojení požadavků obou stran. Dobrá znalost vnitřního i vnějšího prostředí firmy byla při vypracovávání mé práce velkým přínosem a díky vstřícnosti vedení společnosti Šimčák elektro, s.r.o. mi byly poskytnuty informace, bez kterých bych nemohl tuto práci zpracovat. Práce je rozdělena na teoreticko-metodologickou část a analytickou (aplikační) část. V teoreticko-metodologické části je vysvětlen smysl a význam analýzy současných elektronických regulačních systémů pro využití tepla fototermickou cestou a návrh vlastního bivalentního topného systému. Jsou zde také zmíněny zdroje a metody používané v tomto odvětví včetně vysvětlení požívaných pojmů. Také je zde i popis samostatné analýzy trhu, která představuje srovnání společností působících převážně na tuzemském trhu a zabývající se již zmíněnou problematikou. Analýza trhu byla pro společnost Šimčák elektro, s.r.o. vytvořena již začátkem měsíce dubna roku 2012 a stala se základním stavebním kamenem mé práce. 8
Nechybí zde i stručný popis společnosti Šimčák elektro, s.r.o., která je zadavatelem práce na téma: „Analýza současných elektronických regulačních systémů na využití tepla fototermickou cestou a návrh vlastního bivalentního topného systému“. Čtvrtá kapitola pojednává o slunečním záření, intenzitě a dopadu slunečního svitu na daná místa v ČR. V páté kapitole jsem se zaměřil na ty nejdůležitější prvky, které zařídí převod energie ze zisku slunečních paprsků. Nechybí zde popisy a názorné obrázky. V kapitole regulační systémy se dozvíme podrobnější informace o regulačních systémech vyráběných a dodávaných touto firmou. Nalezneme zde jejich rozdělení a rozčlenění dle daného typu regulace, způsobu použití, možnosti zapojení, jejich přednosti či srovnání jednotlivých typů. Následující kapitola popisující technologie je spíše teoretickou záležitostí. Můžeme zde najít podstatu celého problému a různých modelových situací. Práce obsahuje i popis moderních technologií, historickou strukturu fotovoltaiky a solární energie od samotných dějin přes současnost až po potencionální budoucí technologie. A samozřejmě nechybí výhody a nevýhody, které solární energie obnáší. V požadavcích návrhu pak nalezneme stručné informace a hlavně rozčlenění obývacích prostor, které jsem si sám zvolil a s konzultanty společnosti se snažil najít nejvhodnější způsoby, jak dané bytové prostory do mé práce co nejinteligentněji začlenit. Analytickou (aplikační) neboli praktickou část práce tvoří vlastní návrh bivalentního topného systému, který by měl představovat nový potenciální výrobek. Součástí je i pilotní provoz, který ověří praktické uplatnění této práce. Po následných konzultacích je možné v tomto tématu dále pokračovat a jednotlivá témata dále rozvíjet. Při volbě podkladů pro zpracování práce jsem vycházel z jednotlivých případů a příkladů z praxe. Ze seznamu literatury, která je uvedena v závěru samotné práce, jsem nejvíce využíval firemní podklady týkající se regulací a jejich možnosti uplatnění. Tyto podklady mi poskytl Ing. Marek Šimčák, Ph.D. Dalším významným zdrojem informací při zpracování této bakalářské práce mi byly publikace autorů.
9
1
Úvod do teorie
Přírodní obnovitelné zdroje, kterými jsou například voda a vítr, dokážeme za pomocí vodních a větrných elektráren převádět na elektrický proud. První solární ohřevy vody začaly po roce 1960. Během energetické krize v 70. a 80. letech se lidé začali ohlížet po nových zdrojích energie. Jedna z variant byla i fototermická energie. Během této doby nastal velký technologický rozvoj fototermických systémů. V dnešní době ale už dokážeme využívat slunečního svitu naplno, který lze za pomocí fototermických a fotovoltaických panelů převádět na teplo či elektrickou energii (světlo). Tento solární systém nalézá široké uplatnění. Lze ho využít jak na vytápění, tak i na ohřev teplé vody nebo pouze jen na jednu činnost. Výhodou je vytápění v chladných měsících. Nevýhodou všech elektráren obnovitelných zdrojů jsou velmi vysoké prvotní investice, které mohou dosahovat i několika statisíců, či přesáhnout hranici mnoha milionů. Cenově dostupnější je tak využití slunečního svitu pro výrobu tepelné energie. Tato investice se během několika let vrátí zpět využíváním kvalitní a čisté energie, která je zkrátka zadarmo a nikdy nezanikne. Výhodou je významný příspěvek k čistotě okolního prostředí, ve kterém žijeme. A jak již bylo zmíněno, tahle energie je zdarma a je jí dostatek. Ve své práci se zaměřím zejména na získávání energie ze slunečního svitu a to za pomocí fototermických panelů. Každá taková „továrna“ na přírodní obnovitelné zdroje a paliva potřebuje regulovat a fototermika není v tomhle ohledu ničím výjimečným. Velkou část práce zaměříme i na jednotlivé typy regulací, kde pozornost bude věnována zejména produktům firmy Šimčák elektro, s.r.o. a jejich přehledu užitečnosti a spolehlivosti.
10
2
Popis instituce zadavatele
Tato práce vznikla ve spolupráci s firmou Šimčák elektro, s.r.o., která byla založena v Kroměříži v roce 2004. Jedná se o menší rodinnou firmu zabývající se oborem elektroinstalací, která v průběhu své činnosti rozšířila aktivity i do oblasti měření a regulace menších topných systému. Firma vyvinula vlastní soubor elektronických regulátorů v oblasti fototermických solárních systémů a tyto v průběhu let vyráběla v menších
sériích
pro
své
zákazníky
zejména
z ČR.
Regulátory
firmy
Šimčák elektro, s.r.o., které se vyznačují zejména svou spolehlivostí a jednoduchostí ovládání, však spolehlivě fungují i v zahraničí.
11
3
Analýza trhu
Můj zájem o elektronické regulátory solárních fototermických systémů vznikl již před léty, kdy jsem se věnoval rozborem a analýzou tuzemského trhu se solárními regulátory. Jednalo se především o marketinkový průzkum zaměřený na potencionální zákazníky pro elektronické regulátory pro solární fototermické systémy. Hlavním cílem bylo co nejpřesněji definovat parametry, které by elektronické regulátory měly splňovat tak, aby oslovily co nejširší okruh potencionálních zákazníků. Důraz byl kladen zejména na kvalitu, funkční přesnost, energetickou účinnost, technický design, spolehlivost, technickou podporu a kvalitu pozáručního servisu. Zákazníkem se rozuměli koncoví zákazníci a dále malé i větší montážní či obchodní firmy v oboru fototermiky (solární ohřev vody, zásobníky TUV, bazény, atd.). V případě firem se jednalo o nabídku montáže a dodávky solárních systémů pro ohřev teplé užitkové vody. Každý solární systém se skládá z cele řady komponentů, mezi nimiž jsou nejvýznamnější solární fototermické panely, zásobník na vodu, akční členy (elektrická čerpadla, ventily), potrubí a v neposlední řadě také elektronická regulační jednotka. Tato regulace měří teplotu vody v solárních panelech a v zásobníku vody (nebo bazénu), teploty porovnává a řídí podle toho chod čerpadla, které přivádí teplou vodu ze solárních kolektorů do zásobníku TUV. Analýza přinesla informace o aktuální nabídce solárních regulátorů na trhu, jejich hlavní technické parametry včetně cenových hladin. Bylo analyzováno téměř 40 tuzemských firem, zabývající se danou problematikou a včetně vlastních obchodních partnerů. Byly prostudovány technické listy většiny elektronických regulátorů dostupných na českém trhu a vypracovány přehledné tabulky porovnávající jednotlivé parametry regulátorů. Dále byly komplexně posouzeny funkční parametry s tím, že byl vždy vyhodnocen poměr užitného výkonu a ceny. Výsledek analýzy přinesl nejen velmi zajímavý pohled na stávající nabídku solárních regulátorů, ale stal se také inspirujícím zdrojem informací pro potenciální návrh budoucích modelů. Ze studijního hlediska tato analýza navíc přispěla i k formulaci zadání této práce na téma „Analýza současných elektronických regulačních systémů pro využití tepla fototermickou cestou a návrh vlastního bivalentního topného systému“.
12
Tato práce původní analýzu významně rozšiřuje o řadu technických informací včetně teoretického základu problematiky fototermických systémů. Při práci jsem jako nástroje pro vyhledání informaci významně využíval internetu, díky kterému jsem mohl dlouhodobě a systematicky pracovat a získané informace zkoumat, třídit a vyhodnocovat. Mimo jiné jsem využíval řadu klíčových slov, tzv. „key words“, například: fototermika, solární systémy, elektronický regulátor. Jedním z významných výstupů analýzy pak byla tabulka v elektronickém formátu xls, která obsahovala již dříve zmíněné technické informace. Součástí byly i veřejně dostupné obchodní kontakty vybraných společností, které by se mohli stát potencionálními zákazníky. Mimo jiné sestavená tabulka obsahovala základní údaje o hledané firmě, to znamená název, adresa, identifikační číslo, telefonní a faxový kontakt, e-mail, www stránky, kontaktní osoby, doposud používané typy regulačních systémů a stručný popis činnosti firmy. Podrobně bylo zpracováno všech již výše zmíněných téměř 40 firem tuzemského trhu zabývající se stejnou problematikou. Na níže uvedeném příkladu uvádím formu zpracování v informační tabulce.
Název firmy
Adresa firmy
IČ firmy
Firma A, s.r.o.
Ulice B, č.p. XX, PSČ, město
XXXXXXX
Telefonní kontakt
Mobilní kontakt
Fax
(+420) XXX XXX XXX
(+420) XXX XXX XXX
(+420) XXX XXX XXX
E-mail
www stránky
Kompetentní osoba
[email protected]
www.firma.cz
Josef Novák
Stručný popis firmy
Regulace
Firma se zaměřením na E-shop(dodavatelská společnost), nabízí a dodává především zmíněné regulace: auraton, baxi, dakon, honeywell, junkers Tabulka č. 1: Obecný příklad tabulky analýzy trhu (vlastní zdroj) auraton, baxi, dakon, honeywell, junkers
Tato analýza přinesla hodnotné informace o stavu českého trhu se solárními regulacemi a umožnila definovat další směr v případě vývoje nových modelů. 13
Sluneční záření
4
Ačkoliv Česká republika leží na severní polokouli přibližně ve středu evropského světadílu, kde z hlediska slunečního záření nepanují takové podmínky jako v rovníkových oblastech, i zde je možné vyrábět elektrickou energii přeměnou ze slunečního záření. Aktivní využívání sluneční energie můžeme rozdělit do tří základních skupin a to: Přeměnou slunečního záření v elektrickou energii z pomocí fotovoltaických článků. Přeměnou energie slunečního záření na teplo prostřednictvím slunečních kolektorů vyplněných kapalinou nebo vzduchem. Přeměnou tepla získaného ze slunečního záření nejprve v mechanickou a potom i
v energii
elektrickou
a
jeho
následným
využití
k získávání
energie.
(např.: získávání vodíku rozkladem vody) Je důležité se ptát, zda přímo vaše lokalita je ta pravá pro investici do solárního systému. V příloze poskytnu odpovědi formou map České republiky, kterou na svých internetových stránkách zveřejnil český hydrometeorologický ústav. Jedná se o průměr slunečního svitu za jeden celý kalendářní rok. Následující informace představí slunce nejen jako planetu, ale jako obrovskou energii umístěnou někde hluboce ve vesmíru, která potřebuje jen „zkrotit“. Slunce, největší planeta, hvězda nacházející se v samotném centru naší sluneční soustavy je obrovská masa energie. Od Země je vzdálená 1 AU (asi 150 milionů km). Slunce neustále produkuje ohromné množství energie. Výkon činí zhruba 4×1026 W. Na hranici atmosféry Země je intenzita slunečního záření v průměru 1 360 W/m2 to je tzv. sluneční konstanta. Celkový roční úhrn získané dopadající sluneční energie na daném místě ovlivňuje zejména zeměpisná poloha, orientace fotovoltaického systému vzhledem ke slunci, celková doba slunečního svitu, nadmořská výška a v neposlední řadě i čistota ovzduší. Podmínky pro využití sluneční energie jsou na území České republiky poměrně dobré. Celková doba slunečního svitu (bez oblačnosti) je od 1 400 do 1 700 hodin za rok.
14
Vhodnost lokality pro využití sluneční energie však nejlépe vystihuje mapa globálního slunečního
záření,
která
vychází
z
dlouhodobých
meteorologických
měření
(mapu nalezneme v příloze). V podmínkách České republiky dopadne na jeden m2 zhruba 950 – 1340 kWh sluneční energie z čehož největší část (asi 75 %) v letním období. Údaj o ročním úhrnu globálního slunečního záření je velmi důležitý pro výpočty budoucí energetické bilance fotovoltaického systému a tedy i návratnosti investice. Známe-li, kolik slunečního záření ročně dopadne na 1 m2 fotovoltaického systému a konverzní účinnost fotovoltaického panelu, která je přibližně 14 %, dostaneme z této plochy asi 133 – 188 kWh elektrické energie za rok. [20].
5
Pojmy hrající hlavní role
Využívat energii ze Slunce je v dnešní době velmi populární. Po obrovském boomu v západních evropských zemích dorazil tento trend také k nám. Nyní si trochu přiblížíme ty nejdůležitější prvky, bez kterých by to nebylo vskutku možné.
5.1
Solární systém
Možná se ptáte, co vše solární systém vlastně přinese. V první řadě úsporu primárních zdrojů energie (elektřina, plyn). S úsporou energií samozřejmě ušetříte nemalé finanční prostředky. Slunce je jediným zdrojem energie, který nestojí nic! Má pouze tu nevýhodu, že pokud chceme využít tohoto levného zdroje, musíme nejprve zainvestovat relativně vyšší pořizovací cenu. Ovšem od okamžiku pořízení se solární systém splácí. Návratnost vložených investic je rychlejší, než životnost systému. To znamená, že po zaplacení již solární systém pouze vydělává. V souvislosti s rostoucími cenami všech energií je tato návratnost rok od roku rychlejší.
Solární fototermické systémy, jak již zde bylo zmíněno, se využívají k ohřevu vody a tepla. Dělí se na přímý a nepřímý systém.
15
Základní rozdělení solárních systémů můžeme tedy chápat takto: a) Podle toho, k čemu používáme získanou energii. Systém pro ohřev teplé vody. Systém pro ohřev bazénu. Systém pro vytápění. b) Podle toho, jakým způsobem je zajištěn přenos tepla. Pasivní systém. Aktivní systém. c) Podle toho, jaké médium slouží k přenosu tepla. Systém využívající k přenosu tepla vodu nebo nemrznoucí směs. Systém využívající k přenosu tepla vzduch. Jako nejjednodušším pasivním solárním systémem pro ohřev vody můžeme chápat černě natřený barel umístěný na přímém slunci. Avšak tenhle jednoduchý systém má přirozeně své nevýhody. Především velké tepelné ztráty a nemožnost uchovat ohřátou vodu po delší dobu. Zařízení musí být umístěno pouze na přímém slunci, nikoliv tam kde by si to sám uživatel přál. Nelze ho používat v zimních obdobích, protože hrozí zamrznutí systémů. Ohřátá voda sluncem nemá dostatečný tlak, pouze přirozený spád. Přímým systémem rozumíme propojení kolektoru a nádrží (zásobníkem vody) napřímo. Naopak nepřímý systém je rozšířen o případné čerpadlo a samozřejmostí je i regulační systém, který nám umožňuje celý oběh vody řídit. Ohřátá solární kapalina vystupuje z kolektorů a proudí směrem k spotřebiči. Tím je zásobník TUV, protéká jeho trubkovým výměníkem a předává získané teplo, ohřívá tak jeho obsah ve spodním nejchladnějším místě zásobníku. Ochlazená kapalina pak putuje přes čerpadlovou jednotku náběhovou větví solárního okruhu zpět do slunečních kolektorů. Znovu se ve sluncem ohřívaných kolektorech ohřívá a celý cyklus se tak opakuje. Solární okruh je tedy uzavřen mezi absorbéry kolektorů a výměníkem solárního zásobníku TUV.
16
Potrubní rozvod systému je vyhotoven z měděného potrubí nebo nerezovým vlnovcem a po celé délce je izolován vhodnou solární izolací. Popsaný systém nazýváme jednookruhový, nucený a v případě náplně s nemrznoucí směsí – celoroční. Správně navržený a instalovaný solární systém je optimálním řešením k zásadnímu snížení nákladů na ohřev TUV. [12]
Obrázek č. 1: Pasivní solární systém Zdroj: vlastní
Obrázek č. 2: Aktivní solární systém Zdroj: vlastní
17
Oba výše uvedené systémy můžeme různě kombinovat, rozšiřovat a zdokonalovat podle potřeb tak, aby využití bylo co nejefektivnější. Lze je různě rozvádět či systémy navíc ještě kombinovat s dalšími a dalšími nádržemi (zásobníky vody). Často bývá solární systém pro ohřev TUV rozšířen o ohřev rodinného bazénu. Přidáním několika kolektorů, třícestného ventilu s odpovídající regulací a instalací odbočky k bazénovému výměníku tepla, vznikne dvoukruhový solární systém pro ohřev TUV a bazénu s vyšší výtěžností. V létě kdy je solárního záření dostatek prodlouží sezónu k využití bazénu minimálně o dva měsíce, navíc jej udržuje na příjemné teplotě a zvyšuje tak užitný komfort. Mimo toto období pak zajistí díky zvýšené ploše solárních panelů, ohřev TUV také v měsících s menší nabídkou solárního záření. Na jaře, ještě před znovu zprovozněním bazénu, je možno přebytky tepelné energie použít k částečnému přitápění vřazením topného tělesa do primárního okruhu. Docela často lidé řeší problém, kdy mají solární systém, ale chtějí odjet na dovolenou. Problém? Odpověď je velmi jednoduchá, nic se neděje. Můžete bez problému odjet. Solární systém je vybaven expanzní nádrží příslušné dimenze. Při nabití zásobníku na maximální teplotu, solární regulace vypne oběhové čerpadlo primárního okruhu. Solární kolektory pak nejsou nijak chlazeny, a proto jejich teplota velmi rychle roste - tomuto stavu se odborně říká stagnace. V letních měsících dosahuje teplota až na hranici bodu varu, která je pro teplonosnou kapalinu kolem 150°C při tlaku 6,0 bar. Jakmile teplota v kolektorech dosáhne bodu varu, nastává var kapaliny, která se tak změní v páru a zvýšený tlak páry vytlačí přebytečnou kapalinu do expanzní nádrže. Pokud je expanzní nádrž dobře dimenzovaná, nezvýší se tlak v primárním okruhu nad hodnotu 6,0 bar, což je hodnota pojišťovacího ventilu (povinný bezpečnostní prvek), který je osazen v čerpadlové skupině. Po ochlazení kolektorů pod bod varu (pokles teploty a tlaku) dojde k opětovné kondenzaci páry a tím k opětovné možnosti spustit oběhové čerpadlo primárního okruhu. Vše se děje automaticky díky programu v solární regulaci. Velmi častou chybou je použití levnější čerpadlové skupiny a instalace automatického odvzdušňovacího ventilu na výstupu z kolektorů. Některé kolektory totiž můžou při
18
stagnaci dosáhnout hodnot až 203°C, a proto není možné použít automatických odvzdušňovacích ventilů, neboť tyto extrémní hodnoty ventil často nevydrží. [1].
5.2
Kolektor
Samotný kolektor je základní zařízení pro celoroční přípravu TUV, v přechodných obdobích k přitápění a přes léto jsou energetické zisky použity k vyhřívání případných rodinných bazénů. Kolektorů je spousta a můžeme je rozdělit dle tvaru absorbéru (trubkové, ploché, lineární) či podle konstrukce (selektivní, vakuové, nekryté, trubkové). Zde jsem uvedl nejčastěji používané dva typy kolektorů a to plochý selektivní kolektor a vakuový trubicový kolektor.
Obrázek č. 3: Samotný kolektor Zdroj: vlastní
19
5.2.1
Plochý selektivní kolektor
Plochy kolektoru jsou od 1,5 po 2,5 m2. Účinnost kvalitních kolektorů se pohybuje na hranici 80 % a životnost do 30 let. Záruky špičkových výrobců jsou až 12 let a aktuální cena za 1 m2 aktivní plochy kolektoru je 5 – 7 tis. Kč.
5.2.2
Vakuový trubicový kolektor
Účinnost kvalitních vakuových kolektorů se pohybuje na hranici 85 % a životnost do 25 let. Záruky špičkových výrobců jsou až 8 let a aktuální cena za 1 m2 aktivní plochy kolektoru je 14 – 20 tis. Kč. Přednost kolektoru vynikne převážně při: Nízká venkovní teplota Ohřev vody na vysokou teplotu Nízká intenzita slunečního záření Účinnost i při difuzním záření (slunce schované za mrakem) Kolektor funguje na principu pronikání slunečních paprsků průhledným solárním sklem a následným dopadáním na absorbér. Tím se absorbér zahřívá a zahřívá tak tekutinu, která absorbérem protéká, ta přitom svou teplotu navýší i o několik stupňů. Celý absorbér je plně izolován a zrcadélky na zadní straně kolektoru nasvícen tak, aby při dopadu slunečních paprsků byl zahříván po celých 360° své délky a tím se zvýšila produkce zisku získání teplé vody. Kolektor je zasklen do speciálního horního dilatačního rámu, který zabraňuje jakémukoliv průniku vlhkosti. Kolektory jsou také vybaveny důmyslným systémem odvětrání, který zabraňuje možnému rosení skla a tím ztráty účinnosti. [1]
20
Obrázek č. 4: Řez samotným kolektor a jeho popis Zdroj: [19], vlastní zpracování
21
5.2.3
Propojení solárních kolektorů
Solární kolektor nebývá v reálném systému zapojen pouze jeden, ale jejich zapojeno více do větších celků. Čím více kolektorů systém obsahuje, tím větší tepelný výkon je schopen produkovat. Níže uvedené obrázky znázorňují, jakým způsobem pracuje ohřev při průchodu média. Kolektory lze zapojit paralelně, sériově či jejich kombinací.
Obrázek č. 5: Paralelní propojení solárních kolektorů Zdroj: vlastní
Obrázek č. 6: Sériové propojení solárních kolektorů. Zdroj: vlastní
22
5.3
Solární sklo
Solární záření prochází před dopadem na povrch absorbéru kolektoru speciálním solárním sklem. Jeho parametry mají vliv na velikost ztráty prostupem a odrazem. Kvalitní solární skla jsou bezbarvá, bez přítomnosti železa s propustností záření až 92 %. Z důvodu bezpečnosti a pevnosti jsou kalená. Používají se skla tloušťky většinou 4 mm a to jak čirá, tak různá ornamentní. Optická propustnost obou typů je však velmi podobná. Trubice vakuových kolektorů jsou vyrobeny z borosilikátového skla, u některých výrobců, jsou opatřeny zadní reflexní vrstvou či vloženými optickými zrcadly. Častým dotazem zákazníků bývá míra pevnosti skla kolektorů. Platí, že kvalitní výrobci vyrábějí kvalitní výrobky s použitím špičkových materiálů. U takových jsou skla zkoušena a podléhají přísným normám. Přípustné plošné namáhání je větší jak 300 kg/m2 a ve sklonu je sklo kolektoru odolné i vyššímu namáhání především sněhem. Sklo je odolné i proti intenzivnímu krupobití i jednotlivým velkým kroupám. Snad největším nebezpečím jsou nárazy tvrdými ostrými předměty značné razance. Dojde-li však přeci jenom k destrukci skla kolektoru, rozpadne se na malé neostré úlomky. Oprava takovéhoto poškození se provádí většinou formou výměny celého kolektoru. [19, s. 52]
23
5.4
Akumulační nádrž
Akumulační nádrž je zařízení umístěné v topném okruhu. Jde o statické zařízení, jež především s rozvojem obnovitelných zdrojů prošlo mnohými úpravami pro odlišné systémy. Již z názvu je možné odvodit význam a účel tohoto zařízení. Hlavní přínos akumulační nádrže v systému: Akumulace (shromažďování a uchovávání) tepla dodaného různými zdroji a využití zásoby pro vytápění i mimo ohřev. Nepřerušovaný odběr tepla ze zdroje, což je velmi výhodné pro kotle a krby na tuhá paliva, kdy není nutné snižovat výkon a spalování tedy probíhá optimálně. Uložením tepla do nádrže se snižuje množství zátopů a dohořívání paliva v kotlích a tím se prodlužuje jejich životnost. Pro solární systémy a tepelná čerpadla umožňuje využívat nižší teplotu vratné vody a tím zvyšovat jejich účinnost. Možnost využití verze s vnořeným (plovoucím) zásobníkem TUV, kdy dochází k přímému ohřevu užitkové vody od vody topné.
Význam akumulační nádrže v topných systémech stále roste, to je dáno jejím přínosem pro efektivitu topného systému. Velmi záleží na velikosti a externím zdroji tepla. Aby bylo možné teplo uchovávat po dostatečně dlouhou dobu, je nutné ji tepelně izolovat a omezit její tepelné ztráty. Lze použít minerální vatu, polyuretanovou pěnu, molitan, kaučukovou izolaci a další materiály. Kvůli rozložení tlaků v nádrži je půdorys akumulační nádrže kruhový a tlak působí na stěny rovnoměrně. [1]
24
6
Regulační systémy
Tato kapitola je zaměřena na regulační systémy. Budou zde podrobně popsány a taktéž porovnány různé typy regulací a regulačních systémů. Proč mluvíme právě regulacích a regulačních systémech? Jelikož jsou solární systémy pod vrcholem technologického průmyslu a jejich rozvoj i uplatnění velice rychle roste, zvyšující se výkon přímo vyžaduje regulaci tohoto systému.
Každý solární systém se skládá z celé řady komponentů a to zejména solární kolektory, zásobník na vodu, čerpadla, ventily a samozřejmě také i elektronická regulace. Tato regulace měří teplotu vody v solárních kolektorech a v zásobníku vody (nebo bazénu), teploty porovnává a řídí podle toho chod čerpadla, které přivádí teplou z kolektorů umístěných zpravidla na střeše do zásobníku TUV instalovaného uvnitř domu či jiného objektu.
Obrázek č. 7: Názorný příklad principu vytápění a koloběhu ohřevu vody za pomocí solárního kolektoru Zdroj: vlastní
25
6.1
Regulace
Regulace obecně znamená řídící či usměrňující činnost, ať už prováděnou člověkem nebo automatickým zařízením tj. regulátorem. Regulace se pokouší dosáhnout cílů, ke kterým by jinak nedošlo nebo k nim nedošlo v určitém časovém horizontu. Elektronická solární regulace, kterou může být solární systém vybaven v různě komfortním provedení, neustále vyhodnocuje prostřednictvím čidel teplotní rozdíl mezi teplotou vody v zásobníku TUV a teplotou solárního kolektoru. Dle nastavené diference pak zabezpečuje spínání oběhového čerpadla, které je hlavní součástí solární hnací jednotky. Ta dále obsahuje všechny nezbytné komponenty pro měření, jištění a nastavení solárního systému v jednom místě. Na následujících stránkách bakalářské práce nalezneme přednosti, funkce a vlastnosti jednotlivých typů regulací vyvinutých firmou Šimčák elektro, s.r.o. Je vždy uveden stručný popis uvedené regulace včetně jednotlivých funkcí. Součástí je i názorný obrázek a nakonec je prezentováno i srovnání jednotlivých regulátorů. Srovnání regulátorů je vždy vztaženo ke dvěma si blízkým regulátorům z hlediska výroby provedení a funkčních vlastností. Jedná se i tyto regulační jednotky: Typ µTeR-05 Typ µTeRX-05 Typ µTerX2-05 Typ SCU-II Regulátor μTeR-05disp je určen pro solární ohřev jedné samostatné akumulační jednotky, kterou je nejčastěji zásobník TUV nebo bazén. Pro kombinovaný ohřev dvou akumulačních jednotek jsou určeny regulátory vyšší třídy μTeRX-05disp (TUV + bazén) a μTeRX2-05disp (TUV + sekundární akumulační nádoba). Výrobce dodává regulátory řady μTeRxx-05 i pro různé varianty solárních systémů dle konkrétního technického zadání zákazníka. Pro řízení ohřevu složitějších systémů (solární systémy s bivalentními zdroji, více cílovými akumulačními jednotkami, větvemi, čerpadly nebo ventily) je určena komplexní mikroprocesorová řídící jednotka SCU-ll. [29]
26
Regulátor µTeR-05
6.1.1
a) Stručný popis Tento regulátor představuje nový moderní regulátor pro solární systémy. Je součástí řady µTeRxx-05disp určené pro řízení nejčastějších variant solárních systémů. Je vybaven grafickým displejem. Progresivní mikroprocesorová koncepce této páté generace regulátorů sleduje aktuální trendy v oblasti měřící a regulační techniky. Nachází uplatnění pro ohřev TUV nebo bazénu. Má také snadné ovládání, přesné nastavování funkčních parametrů a přehledné zobrazení aktuálních hodnot.
b) Funkce Automatická regulace solárního ohřevu zásobníku TUV nebo bazénu Nastavení zákaznických i servisních parametrů Blokovací funkce Testovací funkce včetně simulace činnosti Funkce pro havarijní situace Funkce pro zobrazení aktuálních hodnot včetně výstupu na grafický displej Automatická funkční konfigurace dle typu solárního systému Připojení až tří teplotních čidel
Obrázek č. 8: Ukázka regulátoru s označením µTeR-05 disp (dvě varianty provedení) Zdroj: [29]
27
Elektronická regulační jednotka μTeR-05disp (dále jen μTeR) je přístroj určený k regulaci solárního fototermického systému za účelem přípravy teplé a užitkové vody (dále jen TUV) nebo ohřevu vody v bazénu. Jedná se o moderní regulační prvek solární techniky založený na progresivní koncepci mikroprocesorového řízení. Tuto skutečnost vyjadřuje v názvu symbol μ. Regulační jednotka μTeR je součástí nové řady regulátorů μTeRxx-05, která je pokračováním a inovací tradiční řady TeRxx-03 až -04 určených pro řízení nejčastějších variant solárních systémů. Přípona -disp v názvu označuje komfortnější variantu vybavenou navíc grafickým podsvětleným displejem, kde jsou zobrazovány všechny aktuální měřené teploty, nastavení a stavy přístroje. [28] Přístroj je charakterizován těmito základními vlastnostmi: μTeR je napájena síťovým napětím 230V / 50Hz. Základní vstupy μTeR představují dvě čidla určená pro měření aktuálních teplot v solárním kolektoru T-KOL a zásobníku TUV označenou jako T-ZAS, případně bazénu. Vyžaduje-li to aplikace, lze připojit i třetí tzv. havarijní čidlo pro měření aktuální teploty T-HAV v nejkritičtějším místě zásobníku TUV. μTeR řídí chod oběhového čerpadla (dále jen OČ) pomocí svého reléového výstupu 230V/50Hz. Na panelu μTeR jsou umístěny čtyři informační signálky STAV, CHOD, TUV a BAZ určené k signalizaci aktuálního stavu a otočný prvek pro nastavení spínací teplotní diference ΔT-ON. Kromě hlavních funkcí pro ohřev zásobníku TUV a bazénu je μTeR navíc vybavena pojistkami ekonomického a havarijního provozu. Komfortnější varianta μTeR-05disp je vybavena grafickým podosvětleným displejem s kompletním informačním výstupem. μTeR je vyráběna ve třech mechanických provedeních základ, standard a extra. V provedení základ je μTeR umístěna do plastového modulu o rozměru 4M určeného pro umístění na lištu DIN a s ochranným krytím IP 20. V provedení standard je μTeR navíc umístěna do plastové rozvodnice o rozměru 4M s průhlednými dvířky. Rozvodnice má ochranné krytí IP 40, je určena pro samostatnou montáž na stěnu a je vybavena plastovými průchodkami pro všechny kabelové vstupy a výstupy. 28
V provedení extra je μTeR umístěna do plastové rozvodnice o rozměru 6M s průhlednými dvířky. Rozvodnice má ochranné krytí IP 40, je určena pro samostatnou montáž na stěnu a kromě plastových průchodek pro všechny kabelové vstupy a výstupy je navíc vybavena jističem 6 A. μTeR umožňuje přehledné uživatelské ovládání a snadnou montáž. [29]
Regulátor µTeRX-05
6.1.2
a) Stručný popis Tato regulační jednotka představuje nový moderní prvek na trhu regulátorů pro solární systémy. Je součásti nové řady regulátorů µTeRxx-05disp určené pro řízení nejčastějších variant solárních systémů. Je vybaven grafickým podsvětleným displejem. Progresivní mikroprocesorová koncepce této páté generace regulátorů sleduje aktuální trendy v oblasti měřící a regulační techniky. Nachází uplatnění pro ohřev zásobníku TUV v kombinaci s vytápěním bazénu s přehledným zobrazením aktuálních hodnot.
b) Funkce Nastavení topných priorit mezi zásobníkem TUV a bazénem Automatický i manuální režim Nastavování zákaznických i servisních parametrů Blokovací funkce Testovací funkce včetně simulace činnosti Funkce pro havarijní situace Funkce pro zobrazení aktuálních hodnot včetně výstupů na grafický displej Automatická funkční konfigurace dle typu solárního systému Připojení tří teplotních čidel
29
Obrázek č. 9: Ukázka regulátoru s označením µTeRX-05 disp Zdroj: [29]
6.1.3
Porovnání regulátorů µTeR-05 a µTeRX-05
Tato kapitola se věnuje vzájemným porovnáním těchto dvou regulátorů: µTeR-05 disp µTeRX-05 disp Tyto regulátory nabízí velice podobné funkce. Regulaci µTeRX-05 disp můžeme chápat jako aktualizaci základního regulátoru typu µTeR-05 disp. Vzhledově se od sebe liší pouze ve velikosti provedení, které se samozřejmě odvíjí od druhu používaných funkcí a následného aplikačního uplatnění. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že regulátor µTeRX-05 disp oproti regulaci µTeR-05 disp nabízí možnost ohřevu bazénu a TUV najednou. Další výhodné funkce regulátoru µTeRX-05 disp je pro nastavení topných priorit. Tato funkce dovoluje uživateli nastavit ohřev dle aktuální potřeby. Základní topné funkce včetně bezpečnostních pojistek jsou pro oba regulátory shodné, případně jsou velmi podobné. Jedna z významných funkcí se uplatňuje pro havarijní situace. V případě problému se aktivuje havarijní pojistka, která má za úkol chránit kolektory. Tato funkce zapne automaticky ohřev bazénu a zajistí cirkulaci teplého média. [28] 30
Na následujících obrázcích jsou zobrazena dvě základní schémata zapojení solárního systému, pro která je regulace μTeR standardně určena. V prvním případě se jedná o ohřev zásobníku TUV a v případě druhém o ohřev bazénu.
Obrázek č. 10: Ukázka systému varianty TUV Zdroj: vlastní
Obrázek č. 11: Ukázka systému varianty bazén Zdroj: vlastní
31
Graf přibližných teplot vody v bazénu během sezóny bez ohřevu a se solárním ohřevem. 35 30 25 20 Bez ohřevu 15
S ohřevem
10 5 0 Duben
Květen
Červen
Červenec
Srpen
Září
Říjen
Graf č. 1: Znázornění teploty vody v bazénu při použití ohřevu a bez něho. Zdroj: [22], vlastní zpracování
Regulátor µTeRX2-05
6.1.4
a) Stručný popis Je to moderní jednotka na trhu regulačních solárních systémů. Je součástí nové řady µTeRxx-05disp. Regulátor je vybaven podsvětleným grafickým displejem a je řízen mikroprocesorově. Nachází uplatnění především v solárních systémech pro ohřev zásobníku TUV v kombinaci s vytápěním sekundárních akumulačních nádob.
b) Funkce Nastavení topných priorit mezi zásobníkem TUV a sekundární akumulační nádobou Automatický i manuální režim Nastavení zákaznických i servisních parametrů Blokovací funkce Testovací funkce včetně simulace činnosti Funkce pro havarijní situace Funkce pro zobrazení aktuálních hodnot včetně výstupů na grafický displej Automatická funkční konfigurace dle typu solárního systému Možnost připojení tří teplotních čidel 32
Obrázek č. 12: Ukázka regulátoru s označením µTeRX2-05 disp Zdroj: [29]
6.1.5
Regulátor SCU-II
a) Stručný popis Regulační jednotka představuje nový moderní prvek na trhu regulátorů pro solární systémy. Díky její progresivní koncepci sledující aktuální trendy v oblasti měřící a regulační techniky ji lze s výhodou využít pro řízení všech variant standardních solárních systémů. Své uplatnění ovšem nachází i v širokém spektru aplikací, kde je nutné zabezpečit regulaci složitějších nebo kombinovaných vytápěcích systémů. Na této platformě je navíc možné v krátkém čase a za příznivou cenu připravit i specifickou regulační aplikaci řešící i nestandardní regulační procesy, které by se za běžných okolností musely realizovat pomocí více analogových nebo digitálních jednotek. Nabízí i přenos dat do PC.
33
b) Funkce Nastavení topných priorit Automatický i manuální režim Nastavení zákaznických i servisních parametrů Blokovací funkce Testovací funkce včetně simulace činnosti Funkce pro havarijní situace Funkce pro zobrazení naměřených hodnot včetně grafických výstupů na displeji Soubor algoritmů pro standardní i funkčně specifické solární a vytápěcí systémy 4x analogový vstup 2x digitální vstup
Obrázek č. 13: Ukázka regulátoru s označením SCU-II Zdroj: [29]
34
6.1.6
Porovnání regulátorů µTeRX2-05 a SCU-II
Tato kapitola se věnuje vzájemným porovnáním těchto dvou regulátorů: µTeRX2-05 disp, SCU-II. Na první pohled je zřejmé, že se oba regulátory výrazně liší vzhledově. Co se týče velikosti provedení, tak jsou oba regulátory téměř shodné. Oba dva regulátory nabízí spoustu regulačních funkcí, ovšem aplikační rozdíl mezi nimi je významný. Regulátor SCU-II nabízí ve své standardní výbavě možnost přenosu dat do počítače, druhý typ tuto funkci nabízí až po příslušném hardwarovém rozšíření. Komunikace regulátoru s PC umožňuje uživateli sledovat a prostudovat naměřená data a podle toho si také řídit chod celého regulačního systému. Dalším významným rozdílem je počet a typ vstupů a výstupů. Regulátor SCU-II nabízí až 4x analogový vstup a 2x digitální vstup což rozšiřuje jeho pole působnosti. [28]
35
7
Popis technologií fotovoltaiky
Tato kapitola uvádí informace o další aplikační oblasti využívající energii ze slunečního záření. Kromě energie tepelné lze sluneční energii transformovat i v energii elektrickou, která má v současné lidské společnosti přirozeně obrovský význam. Cílem této kapitoly je poskytnou pouze orientační přehled zapadající do konceptu této práce.
7.1
Základní fakta minulosti
Fotoelektrický jev byl objeven v roce 1839 francouzským fyzikem Alexandrem Edmondem Becquerelem. V roce 1876 objevili stejný efekt pro selenové krystaly pánové William G. Adams a Richard E. Day. V roce 1905 se Albertu Einsteinovi podařilo fotoelektrický jev vysvětlit, za což získal v roce 1921 Nobelovu cenu za fyziku. Po mnoha letech (během nichž bylo učiněno mnoho vynálezů a objevů) se v roce 1954 povedlo pánům Drylovi Chapinovi, Calvinu Fullerovi a Geraldu Pearsonovi vyvinout první článek s účinností vyšší než čtyři procenta. Fotovoltaické články našly praktické použití koncem padesátých let pro napájení satelitů. První družice napájená solárními panely se jmenovala Vanguard I. Tato družice byla vypuštěna na oběžnou dráhu 17. března 1958. Díky poptávce leteckého průmyslu během šedesátých a sedmdesátých let minulého století došlo k významnému pokroku ve vývoji těchto technologií. Díky energetické krizi v sedmdesátých letech a zvýšeného povědomí o životním prostředí se alternativní zdroje energie staly politicky zajímavými. Došlo k úpravě zákonů a vytvoření programů na podporu fotovoltaiky. Lídry jsou v této oblasti zejména Německo, USA a Japonsko. [11]
7.2
Úvod do fyzikálních principů
Fotony slunečního záření dopadají na přechod P-N a svou energií vyrážejí elektrony z valenčního pásu do pásu vodivostního (uvolňují je z pevných vazeb na atomy krystalové mřížky). Takto vzniklé volné elektrony se pomocí elektrod odvedou u nejjednodušších 36
systémů přímo ke spotřebiči, případně do akumulátoru. Pro napájení běžných domácích elektrospotřebičů na střídavý proud je nutno doplnit střídač, který energii převede na střídavé napětí o velikosti a frekvenci shodné s distribuční soustavou. V nejjednodušším solárním článku jsou vytvořeny dvě vrstvy s rozdílným typem vodivosti. V jedné z vrstev - materiál typu N - převažují negativně nabité elektrony, kdežto v druhé vrstvě - materiál typu P - převažují "díry", které se dají popsat jako prázdná místa snadno akceptující elektrony. V místě, kde se tyto dvě vrstvy setkávají - P-N přechod - dojde ke spárování elektronů s děrami, čímž se vytvoří elektrické pole, které zabrání dalším elektronům v pohybu z N-vrstvy do P-vrstvy. Za normálních okolností jsou elektrony v polovodičovém materiálu pevně vázány k atomům krystalové mřížky. Například každý atom křemíku má čtyři valenční elektrony. Přidáním velmi malého množství prvku s větším počtem valenčních elektronů (donor) se vytvoří oblast s vodivostí typu N, v níž se vyskytují volné elektrony, které mohou přenášet elektrický náboj. Naopak příměs prvku s menším počtem elektronů vytvoří oblast vodivostí typu P, v níž se krystalovou mřížkou pohybují "díry" - místa, kde chybí elektron. Při zachycení fotonu o dostatečné energii (odpovídající vlnové délce) v polovodičovém materiálu vznikne jeden pár elektron-díra. Je-li vnější obvod uzavřen, pohybují se tyto nositele náboje opačným směrem, elektrony k záporné elektrodě a díry ke kladné. Solární články vyžadují ochranu před vlivy prostředí, proto se umísťují mezi ochranné vrstvy, obvykle sklo a plastovou fólii, ale používají se i dvě skla nebo jiné kombinace materiálů. Protože napětí jednoho článku je nízké, propojují se články sériově do větších panelů. Jeden solární panel poskytuje dostatek energie (do cca 300 W) pro napájení jednoduchých zařízení jako je rozhlasový přijímač. Pro napájení větších spotřebičů nebo v případě fotovoltaických elektráren jsou jednotlivé solární panely propojeny do větších systémů. [14, s. 14]
37
7.3
Technologické a aplikační informace
V současné době se vyvíjí takzvaná třetí generace fotovoltaiky. Nosnou myšlenkou této generace fotovoltaiky je zvýšení účinnosti za použití tenkovrstvých technologií, pokud možno při použití netoxických a hojně se vyskytujících materiálů. Zvýšení účinnosti lze dosáhnout navýšením tzv. Shockleyova-Queisserova limitu pro fotovoltaický článek s jedním polovodičovým přechodem použitím struktur s větším počtem P-N přechodů. Teoreticky byly navrženy i jiné principy, dosud se však nepodařilo je experimentálně ověřit. Shockleyův-Queisserův limit definuje maximální účinnost fotovoltaického článku s jedním P-N přechodem. Další možností, jak zvýšit účinnost fotovoltaického článku je modifikace spektra záření dopadajícího na P-N přechod konverzí vysokoenergetických fotonů nebo nízko-energetických fotonů na fotony o energii, která nejlépe odpovídá fyzikálním vlastnostem P-N přechodu. [4, s. 96]. Každý z výše uvedených přístupů má své výhody a nevýhody a nacházejí se v různých stupních vývoje. Díky fotovoltaice dokážeme přímo přeměnit sluneční záření na stejnosměrný elektrický proud a to s využitím fotoelektrického jevu na velkoplošných polovodičových fotodiodách. Jednotlivé diody tvoří fotovoltaické články, které jsou obvykle spojovány do větších celků - fotovoltaických panelů. Samotné články jsou dvojího typu - krystalické nebo tenkovrstvé. Krystalické články jsou vytvořeny na tenkých deskách polovodičového materiálu, tenkovrstvé články jsou přímo nanášeny na sklo nebo jinou podložku. V
krystalických
technologiích
převažuje
křemík,
a
to
monokrystalický
nebo
polykrystalický, jiné materiály jsou používány pouze ve speciálních aplikacích. Tenkovrstvých technologií je celá řada, například amorfní křemík a mikrokrystalický křemík, jejichž kombinace se nazývá tandem, dále telurid kadmia a CIGS sloučeniny. Díky rostoucímu zájmu o obnovitelné zdroje energie se výroba fotovoltaických panelů a celých systémů v poslední době značně zdokonalila. [4, s. 96]
38
7.4
Výroba energie v současnosti
Výroba elektřiny ze slunečního záření se od roku 2002 zdvojnásobuje každé dva roky tempem 48 % ročně, čímž se stává nejrychleji se rozvíjející technologií na výrobu energie. Do konce roku 2008 bylo celosvětově nainstalováno 15 000 MW. Přibližně 90 % této kapacity je připojeno na elektrorozvodnou síť. V roce 2007 bylo na celém světě nainstalováno 2,826 gigawattů (GWp, špičková hodnota) a v roce 2008 již celosvětová instalace činila 5,95 gigawatů (GWp), což je nárůst o 110 %. Většina těchto instalací (89 %) je nainstalována ve třech zemích - Německo, Japonsko a Spojené státy americké. Indie schválila ambiciózní solární program výstavby solárních zařízení o výkonu 200 gigawattů do roku 2050, což představuje zhruba o třetinu více, než byla celková indická energetická výrobní kapacita v roce 2009. Podle organizace Navigant Consulting and Electronic Trend Publications se předpokládá, že v roce 2012 bude celosvětová instalace těchto systémů 18,8 gigawattů špičkových (GWp). Jakkoliv se tato čísla zdají neuvěřitelná, tak ve srovnání s ostatními zdroji energie jsou zatím naprosto zanedbatelná (Podíl geotermálních / solárních / větrných zdrojů dohromady činil 0,6 % v roce 2006). Cena technologie fotovoltaiky se díky neustálému vývoji technologií a masivní výrobě neustále snižuje. Díky finančním pobídkám, dotacím a výhodným tarifním podmínkám pro fotovoltaickou energii dochází v mnoha zemích k prudkému nárůstu reálných instalací. V České republice byla v roce 2006 nastavena výkupní cena elektřiny z fotovoltaických elektráren zcela jinak, než tomu bylo v té době v Německu. Energetický regulační úřad stanovil výkupní cenu shodně pro malé systémy na střechách i pro velké elektrárny na zemi, což se ukázalo jako neprozřetelné. V Německu měly střešní systémy ve srovnání s Českou republikou výkupní cenu vyšší, zatímco pozemní instalace výrazně nižší. Vzhledem k vývoji kurzu koruny a výkupních cen v Německu se situace pro střešní systémy v roce 2007 vyrovnala, pro pozemní instalace se v České republice stala ještě výhodnější. Posílení koruny v roce 2008 a propad cen panelů v roce 2009 vyžadovaly rychlou reakci.
39
Německý parlament (Bundestag) schválil snížení výkupních cen od poloviny roku 2010. Česká vláda sice již koncem srpna 2009 oznámila záměr snížit od výkupní ceny k 1. 1. 2010, příprava návrhu novely a následné schvalování v Poslanecké sněmovně se však protáhlo až do roku 2010 a platnost novely byla posunuta až na 1. 1. 2011. Díky tomu zůstaly výkupní ceny pro rok 2010 extrémně výhodné, což vedlo k boomu výstavby slunečních elektráren. Pod avizovanou hrozbou skokového nárůstu ceny elektrické energie vláda navrhla a Parlament schválil další dvě novely zákonů, jejichž deklarovaným cílem bylo omezení dopadu vyšších cen na koncové odběratele. Fotovoltaické elektrárny, které nezískaly povolení pro připojení k síti před únorem 2010, nebzlo možné připojit. Snížená výkupní cena pro rok 2011 odradila i ty, kteří povolení sice získali, ale nestihli by elektrárnu reálně postavit ještě v roce 2010. [10, s. 14]. Problémy se dotacemi však řešily i další země.
7.5
Budoucí moderní trendy
Množství sluneční energie dopadající na zemský povrch je tak obrovské, že by současnou spotřebu pokrylo 6 000 krát. Jen pro srovnání, naše celková spotřeba činí 15 TW (tera watů). Solární energie má také nejvyšší hustotu výkonu (celosvětový průměr je 170 W/m2) ze všech známých zdrojů obnovitelné energie. Pokud by celý svět přešel na ekologičtější výrobu elektrické energie třeba i výstavbou solárních elektráren a parků, krajina kolem nás by byla čistější a podmínky pro život by tak byly ještě přijatelnější, než jsou doteď. I přes dynamický rozvoj solárních technologií však zatím nejsme schopni ani zdaleka využít veškerou sluneční energii dopadající na naši planetu Zemi. V dnešní době už známe solární notebooky, mobilní telefony, také jsme se už setkali i se solárním automobilem či letadlem. Všechny tyto moderní prvky jsou stále ve vývoji a ještě nějaký čas potrvá, než je budeme potkávat v běžném životě jako samozřejmost. Sluneční energii využíváme i pro zkoumání vesmíru za pomocí solárních panelů určených pro chod satelitních družit, které vysílá lidstvo na oběžnou dráhu. Na Zemi nejčastěji využíváme
40
sluneční energii pro výrobu elektrické energie, vytápění budov, veřejného osvětlení, venkovních bazénů a celé řady dalších aplikačních oblastí.
Světová energetika se řítí směrem ke stále vyšší spotřebě. Klasické energetické zdroje nebudou schopny dlouhodobě krýt nároky populace. Jednou z mála účinných alternativ je zvýšení podílu alternativních zdrojů. Od fotovoltaiky se očekává, že se už během relativně krátké doby, 20 až 50 let, stane viditelným a významným zdrojem elektrické formy energie. Jedna z očekávaných cest bude instalace rozsáhlých a technicky vysoce efektivních fotovoltaických solárních systémů.
41
7.6
Současné výhody a nevýhody využívání slunečního záření
Ve srovnání s jinými zdroji elektrické energie má provoz fotovoltaického zařízení celou řadu ekologických i provozních výhod. V našich klimatických podmínkách je však třeba počítat i s nevýhodami, které mohou omezit nebo zcela znemožnit efektivní využití fotovoltaických zařízení. Z porovnání výhod a nevýhod vyplývá, že fotovoltaické zdroje u nás mají významné využití především v místech bez možnosti připojení k rozvodné síti, případně jako doplňkový zdroj malého výkonu. [5]
7.6.1
Výhody
Mezi výhody lze zahrnout tyto skutečnosti: Množství sluneční energie dopadající na zemský povrch je tak obrovské, že mnohonásobně převyšuje celosvětovou energetickou spotřebu. Solární energie má nejvyšší hustotu výkonu (celosvětový průměr je 170 W/m2) ze všech známých zdrojů obnovitelné energie. Během výroby elektrické energie fotovoltaický systém neznečišťuje životní prostředí. Znečištění během výroby a likvidace zařízení se dá udržet pod kontrolou za použití již známých metod likvidace elektro-odpadu. Také se pracuje na vývoji technologií na recyklaci zařízení po skončení jejich užitečného života. Fotovoltaické systémy vyžadují minimální údržbu po jejich nainstalování. Provozní náklady jsou tudíž extrémně nízké ve srovnání s existujícími technologiemi, náklady na vybudování těchto systémů však nejsou triviální. Díky vysoké, státem garantované, podpoře je návratnost investice velmi rychlá. Pokud je fotovoltaický systém připojen do elektrorozvodné sítě, energie může být spotřebována místně a tudíž lze efektivně snížit celkové ztráty rozvodné soustavy.
42
7.6.2
Nevýhody Prvotní investice do instalace fotovoltaických systémů je velmi drahá. Je nutné aplikovat motivační faktory (zajímavé výkupní ceny, dotační politika atd.). Státy následně přenášejí zákonnými úpravami tyto náklady na daňové poplatníky nebo spotřebitele elektřiny. Nainstalovaný systém nelze přemístit, pokud se majitel objektu odstěhuje. To bylo ve spojených státech vyřešeno patřičnou daňovou legislativou. Elektrická energie generovaná fotovoltaickými systémy je stále velmi drahá ve srovnání s cenou energie z jiných zdrojů. Solární energie není k dispozici v noci a je velmi nespolehlivá za špatného počasí (mlha, déšť, sníh). Tudíž je nutná instalace systémů, které chybějící energii nahradí. Výkon fotovoltaických panelů se výrazně snižuje, pokud jsou pokryty vrstvou sněhu nebo prachu. Solární panely produkují stejnosměrný proud, který musí být pomocí střídače převeden na proud střídavý, což způsobuje další ztráty ve výši 4 – 12 %. Fotovoltaické články postupem času snižují svou účinnost tedy dodávaný výkon. Ekologická likvidace fotovoltaických panelů je nákladná.
43
Požadavky návrhu
8
Ohřev TUV (teplé užitkové vody) pomocí slunečních kolektorů je typickým příkladem využití sluneční energie. Systém je poměrně jednoduchý, spolehlivý a vysoce účinný. Praktické zkušenosti ukazují, že dobře navržené kvalitní zařízení je schopno ušetřit až 60 – 70% ročních nákladů spojených s přípravou TUV. Dnešní solární systémy pracují díky vyspělým technologiím s účinností až 80% a s životností kolem 30 let. Podmínkou dosažení výše uvedených hodnot je: Instalace kvalitních solárních kolektorů s vysoce selektivní vrstvou a velikostí kolektorové plochy cca 2 m2 Absorpční plochy na 100 litrů TUV Sklonem kolektorů cca 45° Odklonem kolektorů od jižní orientace do 25° na východ a 45° na západ v nezastíněném místě Výkon solárního systému dále ovlivňuje: Výběr vhodného solárního zásobníku TUV Kvalitní solární regulace Důkladná izolace rozvodů Kvalitní návrh Odborná instalace a bezchybný chod systému Správné nastavení regulačních prvků Návrh fotovoltaických systémů nezahrnuje pouze problematiku správného nastavení panelů vůči slunci, ale je třeba si uvědomit širokou škálu vzájemného propojení vstupních podmínek od přírodních, přes konstrukční až po ekonomické a uvést je do vzájemného souladu. K základním vstupním informacím tedy patří: Znalost místních podmínek Množství dostupného slunečního záření
44
Počet hodin slunečního svitu a intenzita slunečního záření měnící se podle znečištění atmosféry. Vzájemná vzdálenost a výška okolních budov a dalších zdrojů stínění Síla větru a množství sněhových srážek Návrh vlastního bivalentního topného systému jsem rozčlenil do jednotlivých samostatných návrhů obytných budov, kterými jsou rodinné domy, bytové domy, bungalovy, moderní domy a novodobé bydlení. Níže jsou dané obytné budovy popsány. Následující kapitola obsahuje návrh solárního systému a možnosti pro rodinný dům. Montáž solárních fototermických kolektorů je možné provést celou řadou způsobů, které vychází vstříc požadavkům aktivního uživatele. U každé varianty je vždy nutno brát v úvahu optimální propojení se zásobníkem TUV.
Obrázek č. 14: Ukázka propojení solárního panelu a zásobníku TUV. Zdroj: vlastní
Solární fototermický systém a zásobník TUV je vesměs základním kamenem každého solárního systému ať už regulovatelného či bez regulace. Díky teplotním čidlům, které jsou standardně dodávány k samotné regulaci, můžeme cirkulaci potrubního média (vody) lépe regulovat a mít výměnu tepla pod řádnou kontrolou.
45
Další schématický obrázek ukazuje názorné zapojení samotného solárního panelu na obytný dům. Můžeme vidět variantu se sedlovou i rovnou střechou. Také lze solární panel přímo namontovat na stěnu obytného domu či do prostoru zahrady. Přimontovaným solárním panelem k budově získáme vlastní zdroj tepelné energie, čímž získáme snížení nákladů na placení faktur za dodané teplo. V případě technicky i esteticky kvalitní instalace lze získat i zajímavější vzhled budovy.
Obrázek č. 15: Možnosti připojení solárního panelu k budově. Zdroj: vlastní
Variant jak připojit solární panel k budově je mnoho. Bylo zde i zmíněno postavení solárního panelu do zahrady či na travnatou plochu
46
8.1
Rodinný dům
Pro celý dům je dělán zpravidla jeden rozvod vody, plynu a elektřiny už od jeho základů stavby. Každý si tak může tyhle rozvody naplánovat a postavit podle svých možností a dispoziční situace. Co to vlastně je takový rodinný dům? A jak ho můžeme tedy chápat? Rodinný dům je menší samostatná budova o jednom nebo několika podlažích určená k bydlení. Obvykle ji obývá jedna rodina nebo skupina osob, která tvoří společně jednu domácnost. Rodinný dům obvykle obsahuje jeden nebo několik málo bytů a má jediného vlastníka. Rodinné domy jsou velmi často, ale ne vždy, ve vlastnictví uživatele. Jsou běžné i situace, kdy majitel rodinného domu pronajme dům někomu jinému. Nerozšířenějším typem jsou volně stojící rodinné domy se zahradou. Další možnosti jsou např. dvojdomek nebo řadový dům. Dům je buď přízemní (bungalov) nebo vícepodlažní. Volně stojící rodinné domy mají velmi rozdílnou velikost i dispozici. Obvykle se rodinné domy ve městě dispozičně i architektonicky liší od rodinných domů postavených na vesnici. Moderní městský rodinný dům vznikl v 19. století ze snahy kombinovat přednosti městského a venkovského způsobu života. Obvykle poskytuje vysokou úroveň bydlení, pohodlí i soukromí, je však poměrně nákladný a energeticky náročný. Ve velkých čtvrtích rodinných domů se zahradami, které tvoří okrajové čtvrti a předměstí velkých měst, rostou náklady na budování i údržbu inženýrských sítí. Vzhledem k malé hustotě osídlení se tu také obtížně zajišťuje veřejná doprava. Obyvatelé se do měst dopravují individuálně auty, což komplikuje městskou dopravu. Moderní architektura dnešní doby je hodně v pokročilém stavu a architekti v současné době přichází se širokou škálou nápadů, inspirací a vizí. Moderní rodinné domy nejsou toho výjimkou. V dnešní době postavit nový rodinný dům se solárními panely na střeše pro ohřev vody, výrobu elektřiny, tepelným čerpadlem několik metrů hluboko pod zemí domu a s dalšími ekologickými zajímavostmi pro lepší energetické bydlení není v dnešní době žádný problém. Ale co když dům už máme postavený několik let a chceme si do něj tyhle
47
nové technologie zabudovat. Ptáme se, zda je to možné? Nebude to drahé? Vyplatí se nám to? A tímhle vším se tato práce zabývá a poskytuje návrhy pro veškeré případy. [16]
8.2
Bytový dům
Bytová jednotka, je část domu určená k bydlení jednoho člověka, spolubydlících nebo celé rodiny. Byt je buď jedna místnost, nebo více místností vhodným způsobem propojených, které jsou oddělené od zbytku domu. Celý prostor lze uzamknout. Tyto místnosti slouží k ubytování jedné nebo více osob. Obvykle žijí v jednom bytě příslušníci jedné rodiny. Velikost bytu se uvádí dvěma různými způsoby. Buď se počítá podlahová plocha bytu v metrech čtverečních, případně se uvádí počet místností. Při počítání místností platí jistá pravidla. Kuchyně, koupelna, záchod a chodba se jako místnosti nepočítají. Ložnice, obývací pokoj, pracovna a ostatní obyvatelné místnosti se počítají jako místnosti. Pokud je součástí bytu i podkroví, musí podkrovní místnosti splňovat určitá kritéria, aby se jako místnosti započítávaly. Tato kritéria předepisují určitou minimální podlahovou plochu a světlou výšku stropu. Podle doby, kdy byl byt postaven, se rozlišují na byty ve staré zástavbě a novostavby. Přesná hranice ale neexistuje. Byty ve staré zástavbě mají obvykle mnohem vyšší místnosti (často více než 2,6 m), vysoká okna a tlusté stěny. Často jsou ve starých bytech na podlaze parkety. Celá výstavba a bytová jednotka se liší vždy uspořádáním i pozicí. Např.: bytová jednotka a její způsob výstavby se může lišit v tom, zda byt je suterénní nebo se rozkládá v několika podlaží, také k němu může náležet přilehlá terasa. Byty se od sebe můžou lišit interiérovým rozložení a rozčlenění. Názvosloví jako 1+KK, 3+KK všichni velice dobře známe a znamená to kolik bytů či obývacích prostor daný byt obsahuje a jak je rozčleněn. Co se týče výstavy či jakékoliv úpravy, tak u tohoto typu bydlení je to dost složité. Ne z technického hlediska, že by to bylo neproveditelné, ale spíše z právnického hlediska, ale tím se v této práci nebudeme zabývat. Proto jsem v mé práci kladl důraz spíše na rodinné domy a nově taky hodně moderní a oblíbené domy tzv. bungalovy. [16] 48
8.3
Bungalov
Obytný dům typu Bungalov je velice elegantní, moderní a nenáročný z hlediska přízemního patra. Tenhle typ domů se stal v dnešní době velice oblíbeným a žádaným zbožím, a proto není divu, že nejvíce ekologických technologií z hlediska úsporného bydlení je právě umístěno a montováno v těchto domech. Bungalov je lehká obytná stavba, zpravidla pravidelného (až čtvercového) půdorysu doplněná vstupní verandou. Klasický bungalov má jediné podlaží na jedné výškové úrovni. V případě dvou výškových úrovní je vyšší nazývána půl patro. Dispozičně obsahuje standardní místnosti obytného domu (jídelnu, kuchyň, ložnice, koupelny aj.) rozložené kolem
ústředního
obytného
prostoru.
Hlavním
konstrukčním
materiálem
je
většinou dřevo nebo konstrukční prvky na bázi dřeva (stěny, nosníky, vazníky). Název, konstrukce i uspořádání má původ v koloniálním Bengálsku (Indie). Pro potřeby Britů byly upraveny místní lehké vzdušné dřevěné obytné stavby (bangla, bangala) s mírně skloněnou střechou (palmové listy) a doplněny vlivy tradiční anglické venkovské architektury i dalšími prvky - veranda (původem z Persie). Raný bungalov se skládal z jídelny, ložnice, kuchyně a koupelny kolem centrálního obývacího prostoru. Tento základní půdorys byl později jen nepatrně vylepšen a doplněn. Bungalov jako úsporný, rychle realizovatelný typ rodinného domu se masově rozšířil na přelomu 19. a 20. století v USA, a později i v Kanadě, a dále ve světě. První bungalov postavil
v
r. 1879 William
Gibbons
Preston
v Monumental
Beach
na
Cape Cod, Massachusetts. Odtud se pak rozšířil na Západní pobřeží. První bungalov tam postavil A. Page Brown, sanfranciský architekt pro J. D. Granta na počátku 90. let 19. století. Velká vlna výstavby bungalovů v USA proběhla v letech 1880 až 1930 a po II. světové válce, kdy se bungalovy staly synonymem pro předměstskou a příměstskou zástavbu. Jejich obliba nadále trvá a rozšířila se po celém světě. [16]
49
8.4
Moderní dům
Zpravidla se jedná o dům nově postavený s moderní architekturou a hodně výraznými rysy. Tento dům může patřit do kategorie pasivních, nízkoenergetických nebo dřevostaveb. Zpravidla je hodně prosklený aby využíval co nejvíce slunečního svitu k jeho osvětlení, využívá moderní technologie architektury a stavebnického průmyslu. Vždy se snaží dům zapadnout do okolní krajiny a nenarušovat okolí. Nevýhodou je, že tyhle domy jsou zpravidla hodně drahé, ale pokud se nebojíte zainvestovat tak získáte komfortní bydlení na celý život.
8.4.1
Nízkoenergetický dům
Nízkoenergetický dům je běžná stavba, která má spotřebu energie na vytápění v rozmezí 15 - 50 kWh/m² za rok. Dosahuje se toho kvalitním návrhem a provedením stavebních postupů. [17]
8.4.2
Pasivní dům
Pasivní dům je stavba, která splňuje přísná kritéria energetických úspor při provozu. Koncepce pasivního domu není architektonický styl nebo stavební systém, ale dílčí kapitola při navrhování a projektování novostaveb nebo rekonstrukcí. Méně přísná kritéria úspor energií na provoz, která předcházela standardu pasivního domu, platí pro nízkoenergetický dům. Technologiemi zdokonalenou variantou pasivního domu je energeticky nulový dům, který své energetické potřeby plně saturuje z místních zdrojů. [17]
50
9
Vlastní návrh topného systému
V minulých kapitolách jsem se zabýval studiem podmínek pro co nejefektivnější získávání solární energie ze slunečních paprsků. Také zde bylo zmíněno, že kvalitní solární systém se neobejde bez solární regulace, zásobníku TUV a celého rozvodového systému. Správně navržený systém je kvalitně izolován tak, aby nedocházelo ke ztrátám a zisk tepla byl tak co nejvyšší. Nyní si tenhle solární systém více přiblížíme. Elektronická regulace je důležitým prvkem solárního systému zajišťující: bezobslužný a automatický chod celé soustavy zabezpečení ekonomického provozu Elektronická
regulace
pro solární
ohřev
TUV je poměrně
jednoduchá,
řešená
jako jednookruhová. Pomocí teplotních čidel neustále vyhodnocuje rozdíl teplot v zásobníku TUV a teplotou kolektoru. Dle nastavené diference pak zabezpečuje spínání oběhového čerpadla solární hnací jednotky. U složitějších více okruhových systémů je však kvalitní zregulování chodu celého zařízení poměrně náročné a nemalou měrou přispívá k celkovému přínosu a efektivnosti solárního systému. Pro práci bylo využity zejména elektronické regulátory řady μTeR-05 popsané v předcházejících kapitolách této práce. Vybrané typy μTeRX2-05 a SCU-II disponují širokou škálou možností a připojení. Navíc druhá zmíněná regulace umožňuje stahování dat do PC a uživatel tak má možnost celý solární systém přehledně sledovat a řídit. Samozřejmě druh použití regulace záleží na náročnosti uživatele a typu použitého solárního systému. Ukládání tepla ze solárních kolektorů nám pomáhá solární zásobník TUV. Zásobník je technicky opakem kolektorů, zde je získaná tepelná energie systémem odevzdávána a ohřívá se tak užitková voda, zařízení tak plní svůj účel. V letní polovině roku je výkon kvalitního solárního systému dostatečný a TUV je dostatek. V přechodných obdobích a v zimě je nutné vodu dohřívat jiným zdrojem tepla.
51
Objem zásobníku volíme nejčastěji jako 2 – 4 násobek denní spotřeby teplé vody. Obvyklá spotřeba je 50 l TUV / osobu / den. Tomu odpovídá objem solárního zásobníku: 2 - členná domácnost 200 l TUV. 4 - členná domácnost 300 l TUV. 5 – 6 členná domácnost 400 l i 500 l TUV. Pro uspokojivé fungování celého solárního systému a pro zabránění tepelným ztrátám je potřeba kompletní rozvody plně izolovat. Rozvod solárních systémů pro celoroční ohřev TUV v rodinných domech je zhotovován z měděných trubek dimenze 18×1 nebo 22×1 mm pájených na měkko i na tvrdo dle použitých solárních kolektorů. Tvrdé pájení se používá při instalaci výkonných vakuových kolektorů. Rozvod solárního systému by měl být mezi solárními panely a zásobníkem co nejkratší a veden vždy ve spádu. V případě, kde to není možné, je vhodné instalovat ruční odvzdušnění. Pro venkovní instalace a instalace v netopených prostorách domu použijte izolaci se sílou stěny 19 mm v ostatních prostorech je možno použít i izolaci se sílou 13 mm. [28]
9.1
Rodinný dům
Regulační systém (dále jen RS) je založen na mikroprocesorové řadě regulátorů μTeR učené pro solární ohřev TUV. RS je využívá jednu ze zvolených řídících jednotek μTeRX2-05 disp a SCU-II, které zabezpečují ohřev vody v otopném systému skládajícího se z těchto základních zařízení:
a) zdroje tepla solární kolektory kotel na dřevo plynový kotel b) cíle ohřevu (ohřívaná místa) zásobník TUV dvojice vzájemně propojených akumulačních nádob AKU1, AKU2 52
Modul μTeRX2-05 disp zabezpečuje ohřev zásobníku TUV (dále jen TUV) a akumulační nádoby (dále jen AKU) ze solárních kolektorů. Při standardním nastavení je prioritně zabezpečen ohřev TUV na požadovanou teplotu nastavitelnou uživatelem v rozsahu 30°C až 85°C (běžně 55°C). Uživatel však má možnost si tuto prioritu ohřevu změnit a přednostně zabezpečit ohřev AKU. Požadovanou teplotu AKU lze nastavit v intervalu 10°C až 85°C, po jejím dosažení dochází k automatickému ohřevu TUV. Pro zabezpečení této regulační funkce jsou průběžně vyhodnocovány 3 aktuální vstupní teploty: TK = solární kolektor jako zdroj energie TZ = zásobník TUV TA = akumulační nádoby AKU a řízen chod 2 akčních členů: OČ1 = solární oběhové čerpadlo 3V = trojcestný ventil se dvěma polohami TUV a AKU. Modul SCU-II řídí ohřev TUV a AKU z bivalentního zdroje v případě, že solární systém není schopen ohřevu na požadované teploty. K dispozici je kotel na dřevo a plynový kotel s tím, že je k ohřevu prioritně využíván kotel na dřevo. Není-li kotel na dřevo však schopen ohřev TUV/AKU zabezpečit, je uveden do chodu kotel plynový. Prioritně je zabezpečen ohřev TUV, teprve po jeho vytopení na požadovanou teplotu je umožněn ohřev AKU. Je-li třeba, pak ohřev AKU z bivalentního zdroje je možné zcela vypnout (např. ohřev AKU z plynového kotle v létě zpravidla nebývá často využíván). [29] Zde je názorná ukázka solárního systému bez regulace. Systém si tak reguluje sám uživatel. V případě špatného počasí, zatčené oblohy či hustého deště si uživatel ohřívá vodu TUV za pomocí kotle. Lze využít kotel na tuhá paliva nebo plynový kotel. V případě složitějšího solárního systému lze využít obě tyto varianty.
53
kotel
Obrázek č. 16: Schéma solárního systému (možnost dohřevu TUV kotlem) Zdroj: vlastní
V pořadí další názorná ukázka ukazuje tentýž solární systém ale už se zavedeným regulačním systémem. O vše se nám již stará elektronický regulační systém. Skládá se s teplotních čidel, které jsou umístěny v solárním panelu, tepelném výměníku a zásobníku TUV. Možností rozmístěný čidel je celá řada, čidla však musí být umístěna odborně a na optimálních místech pro korektní snímání aktuálních teplot. Elektronický regulační systém kontroluje a spíná čerpadlovou jednotku, která pohání teplonosné medium (nemrznoucí směs případně voda u jednoduchých sezónních systémů) do solárního panelu, kde se ohřívá. Ohřáté medium prochází výměníkem tepla, kde se teplo předává a v TUV dochází k ohřevu teplé užitkové vody pro běžné používání. Pokud teplo ze slunečních paprsků získané za pomocí solárního panelu nestačí je možné vodu v TUV dohřívat kotlem. Stejně jak má elektronický regulační systém pod kontrolou čerpadlovou jednotku, tak musí mít pod kontrolou i variantu dohřívání vody TUV kotlem.
54
Obrázek č. 17: Schéma solárního regulovatelného systému. Zdroj: [29], vlastní zpracování
Výše byla uvedena ukázka solárního regulovaného systému. Nyní se podíváme na 15 základních komponent, které jsou standardní součástí solárních systémů pro přípravu TUV. Solární systém pro přípravu TUV obsahuje: Solární kolektor(y) Solární zásobník TUV Elektronická regulace solárního systému Výměník tepla solárního okruhu Expanzní nádoba Oběhové čerpadlo Pojišťovací ventil Odvzdušňovací ventil Výstup teplé vody Uzavírací ventil Zpětná klapka Plnící kohout Vstup studené vody z vodovodního potrubí Teploměr ohřáté vody Teploměr vratné vody 55
Obrázek č. 18: Schéma solárního regulovatelného systému se všemi obsahujícími prvky. Zdroj: [29], vlastní zpracování
9.2
Moderní dům
Už samotný název sám o sobě vypovídá, že tenhle dům bude vybaven moderními technologie dle aktuálních trendů a to z hlediska architektury i z hlediska průmyslových technologii. Solární systém zpravidla bývá součástí základního vybavení. Tudíž návrh pro solární systém pochází už od samotných návrhářů stavby specializovaných v daném odvětví. Moderní domy jsou zpravidla nízkoenergetické, nízkonákladové, pasivní, dřevo stavby a podobně. Za moderní dům můžeme také považovat i přízemní rodinný dům typu bungalov. Bungalov má základy v rodinném domě. Co se týče solárního systému, návrh bude vesměs stejný. Za největší rozdíl považuji v délce a typu použitého rozvodného systému. Délka potrubí tak bude kratší i o několik metrů. Technologie budou stejné, ale hlavně ať už u jakéhokoliv typu rodinného bydlení princip celého rozvodného topného solárního systému musí zůstat stejný. Musí obsahovat veškeré ventily, klapky, čerpadla, čidla teploty a vše potřebné přesně tak, jak je to vysvětleno o pár stránek výše a poskytnuto 56
v názorné ukázce solárního systému. Nyní následuje přiblížení jednotlivé druhy a návrhy solárních systémů pro TUV tak i pro variantu bazén. [17]
9.2.1
Varianta TUV
Solární systém TUV může sloužit v domácnostech, v rekreačních oblastech, na sportovištích
a
podobně. Solární
systémy
mohou
ohřívat
TUV
samostatně
nebo spolupracovat s ostatními zdroji tepla v objektu. Ohřev TUV 200 l. Varianta pro domácnost se 4 osobami. Solární kolektor (nejlépe 2ks) Propojovací komponenty, směšovací ventil, nemrznoucí směs a přípravky pro připevnění solárních kolektorů (varianta střecha) Solární jednotka Regulační jednotka (například μTeRX2) Expanzní nádoba (objem 12 litrů) Zásobník vody (objem 200 litrů)
9.2.2
Varianta bazén
V dnešní době je bazén častým doplněním zahrady rodinného domu. Navíc když rodinný dům disponuje solárním systémem, lze ho uplatnit i pro ohřev bazénu a prodloužit tak bazénovou sezónu až o 3 měsíce. Ohřev bazénu o objemu 20 m3. Solární kolektor (minimálně nejlépe 2ks) Propojovací komponenty, směšovací ventil, nemrznoucí směs a přípravky pro připevnění solárních kolektorů (varianta střecha) Solární jednotka Regulační jednotka (například μTeRX2) Expanzní nádoba (objem 12 litrů) 57
Bazénový výměník
9.2.3
Varianta TUV + bazén
Varianta TUV + bazén kombinuje obě výše zmíněné varianty. Přebytky tepla lze použít pro vytápění bazénu. Lze tak prodloužit bazénovou sezónu až o několik měsíců. Lze tuto variantu kombinovat z dalšími tepelnými zdroji (elektrický kotel, plynový kotel). Ohřev TUV 200 l a bazénu o objemu 20 m3. Solární kolektor (nejlépe 2ks) Propojovací komponenty, směšovací ventil, nemrznoucí směs a přípravky pro připevnění solárních kolektorů (varianta střecha) Solární jednotka Regulační jednotka (například μTeRX2) Expanzní nádoba (objem 20 litrů) Zásobník vody (objem 200 litrů) Bazénový výměník Čerpadlová jednotka
9.3
Bytový dům
Bytový dům může být komplikovanější případ pro instalaci solárního systému. Možný problém je ten, že bytový dům nemá vždy stejné vlastníky a majitele. Solární systém pro bytový dům vychází rovněž z předešlého návrhu pro rodinný dům. Teplo lze přivádět ze solárních fototermických panelů do domu a rozvádět ho po celém domě, ale k tomu všemu má přístup pouze majitel celé obytné budovy či bytové zóny. Každý vlastník jednotlivých samostatných bytů nemá k tomuto regulovatelnému systému přístup. Je tedy složitější mít přehled o regulaci a tom zda teplou vodu opravdu využívá, jak je na tom zásobník TUV a podobně. Mít solární systém pro každý byt zvlášť je komplikovaný případ, který není v této práci řešen. Jak již bylo zmíněno, solární systém pro bytový dům udělat lze a to ze základů solárního systému navržený pro rodinný dům, na který byl v této práci kladen hlavně největší důraz. 58
I přes veškeré nevýhody, které může bytový dům čítat si myslím, že tyhle budovy jsou významným základem pro budoucí solární architekturu a nabízí zajímavá řešení. Nejčastějším námětem v tomhle odvětví je tzv. solární fasáda. Jedná se o propojení solárních fotovoltaických panelů, které jsou přimontovány na stěnu budovy. Tahle myšlenka je dokonce k mání i v České republice. Na největší budově České republiky, brněnským AZ-TOWERu je z jižní strany vidět fasáda posázená solárními fotovoltaickými panely. Získanou energii pak zle brát a chápat jako malou elektrárnu pro budovu (v tomhle případě AZ-TOWER). [16]
59
10
Pilotní provoz odstranění připomínek, uvedení do rutinního provozu
Na základě výše popsaných principů byl navržen reálný systém ohřevu TUV, ve kterém byly využity elektronické regulátory řady μTeR-05. Technické připomínky včetně řešení aktuálních problémů bylo prokonzultovány s odborníky, odhalené nedostatky byly úspěšně odstraněny a systém uveden do řádného provozu koncem roku 2013.
60
ZÁVĚR Práce na téma: „Analýza současných elektronických regulačních systémů pro využití tepla fototermickou cestou“ zahrnujíc i vlastní návrh bivalentního topného sytému vznikla na základě reálného zadání. Postupná realizace byla založena na základě mnohaletých zkušeností s návrhem a instalacemi podobných systémů, se kterými jsem ses musel v průběhu svého studia nejprve seznámit, konzultovat a promyslet. Poté jsem mohl přijít s vlastními nápady a návrhem technické realizace. Velmi mi pomohla úvodní studijní etapa, v rámci které jsem v roce 2012 zpracoval analýzu elektronických regulátorů, kdy jsem se s danou problematikou měření a regulace seznamoval. První kapitola se zabývá teoretickým úvodem do solárních systémů a využíváním takzvané zelené energie za pomocí slunečních paprsků. Zmíněn byl i vliv technologie na životní prostředí. Celá práce se snaží vše uvažovat v širokých souvislostech při následném návrhu solárního systému. Druhá kapitola podává základní informace o výrobci elektronických regulátorů typové řady μTeR-05, které byly v této práci podrobně rozebírány. Spolupráce s výrobcem měla přirozeně velký podíl na zrodu a zpracování této práce. Třetí kapitola popisující analýzu trhu představuje mou zásadní aktivitu ve snaze seznámit se s regulačními systémy pro solární ohřev. Jak již bylo v závěru zmíněno, analýza trhu byla vytvořena začátkem kalendářního roku 2012. Analýza se stala důležitým impulsem pro vznik této práce na téma: „Analýza současných elektronických regulačních systémů pro využití tepla fototermickou cestou a vlastní návrh bivalentního topného sytému“. V kapitole je uvedeno, jak a proč byla analýza vytvořena, jaké byly její hlavní požadavky. Také je zde výtažek z analýzy trhu sloužící jako názorná ukázka pro lepší porozumění. Závěr kapitoly pak obsahuje popis přístupu a získaným výsledkům analýzy včetně vyhodnocení účelu a splnění stanovených cílů. Čtvrtá kapitola popisuje klimatické podmínky pro využití solární kolektorů v oblastech fototermiky i fotovoltaiky. Zmiňuje se zde řada pojmů z této problematiky, např. intenzita slunečního záření, energie slunečních paprsků, celoroční sluneční svit a další. V příloze číslo 1. jsou přiloženy geografické mapy české republiky popisující průměrnou dobu slunečního záření a množství energie, kterou lze převést na tzv. zelenou energii.
61
Pátá kapitola představuje základní stavební prvky, které hrají v solárních systémech význačnou roli a bez kterých žádný solární systém neobstojí. Kapitola popisuje, co to vlastně solární sytém je, jak ho lze využít a vše dokládá řadou názorných obrázků. Dále se v kapitole dozvíme, jak vypadá a hlavně jak slouží solární kolektor, z čeho je složen a jak pracuje. Jaké máme typy solárních kolektorů a jak vypadá v řezu. Podrobněji jsou popsány dva základní typy solárních kolektorů, nechybí i porovnání sériového a paralelního propojení kolektorů. Jsou uvedeny informace o komponentech, jako je solární sklo, akumulační nádoba, expanzní nádoba, čerpadlo, ventil, regulační systém, teplotní výměník užitkové vody, rozvodná síť. Tohle vše je součástí každého solárního regulačního systému. Největší důraz popisu samotných prvků systému je kladen na solární sklo, akumulační nádobu a solární kolektor. Šestá kapitola pojednává o samotné elektronické regulaci jako důležité části celého solárního systému. Regulace a regulační systém je stěžejním bodem celé práce. Zásadní význam regulátoru spočívá v tom, že dokáže regulovat chod oběhového čerpadla, které představuje akční člen zajišťující cirkulaci tepelného media. Regulátor pro základní solární systémy řídí zpravidla pouze jedno čerpadlo. Složitější regulátory obyčejně poskytují i různé statistiky o energetickém toku, řídí více akčních členů a sofistikovaně řeší různé chybové stavy v případě poruchy. Hned na úvod této kapitoly se dozvíme, co to regulace a regulační systém je, k čemu slouží, jak ho využíváme a proč je v solárním systému zapotřebí. Další částí je popis samostatných druhů regulátorů. Každý regulátor začlenění do práce je principiálně popsán. Jsou zde vypsány jeho funkce, smysl zapojení a názorná ukázka aplikace. Každé dva technicky srovnatelné regulátory jsou vzájemně porovnány a hodnoceny. Počet začleněných regulátorů do práce byl stanoven na čtyři vybrané modely. Největší důraz je kladen na solární regulaci µTeRX-05 disp. Tato regulace je základním stavebním kamenem pro celého regulačního systému. Práce prezentuje dvě varianty řešení regulačního systému - variantu samotného ohřevu TUV a variantu přidaného ohřevu venkovního bazénu. V návrhu je možné zřetelně vidět přehled o reálných možnostech topného systému včetně podrobnějšího popisu pro jeho potenciální použití. Sedmá kapitola prezentuje problematiku fotovoltaiky. Tato kapitola plní pouze doplňkovou roli a jejím hlavním posláním je ukázat další formy využití sluneční energie. Jsou zde prezentovány informace z historie, popis fyzikálních principů, technologické a aplikační informace, současné způsoby výroby energie, moderní trendy včetně výhod a nevýhod této 62
technologie. Moderní technologie popisují budoucí tenkovrstvé P-N přechody pro větší efektivitu při získávání energie ze slunečních paprsků. Je zde uvedeno, kolik solárních elektráren a fotovoltaických či fototermických panelů bylo za poslední roky na našem území nainstalováno a jakou část energie s toho využíváme. Moderní trendy a budoucnost nám poskytnou pár čísel, jak je to se slunečním dopadem a vše, co můžeme udělat proto, aby poměr získané energie ze slunečních paprsků k paprskům pouze dopadajícím na naše území byl co nejefektivnější. Také se zde dozvíme výhody a nevýhody solárního systému. Zde je možnost k zamyšlení, zda solární systém pořídit či nikoli. Osmá kapitola se věnuje samotnému návrhu topného bivalentního systému a samostatně také solárnímu systému. Následné pasáže prezentují praktickou část práce a zde se také seznámíme s konkrétními prvky vlastního návrhu. Je zde popsáno, jak by měly být umístěny solární panely, jejich správné nasměrování pro nejefektivnější zisk energie ze slunečních paprsků. Dále je uvedeno, co vše je zapotřebí k dokonalému regulovatelnému solárnímu systému a bez čeho se systém neobejde. Dále se uvádí nejčastější pobytové možnosti a podmínky. Do práce jsou začleněny kategorie: rodinný dům, bytový dům, moderní dům a přízemní dům, takzvaný bungalov. Každý dům je rámcově popsán a jsou zde zmíněny možnosti využívání solární energie za pomocí solárních fototermických panelů. Hlavní pozornost je zaměřena na rodinný dům jako na typický model solárních instalací. Těžištěm návrhu je vlastní regulační systém, který byl postaven na základě vyhodnocení všech zadávacích podmínek a konzultací s odborníky výrobce. Dále jsou uváděny parametry jednotlivých stavebních komponentů, např. velikost, typ a použití nádoby TUV. Je diskutováno zavedení rozvodného systému, prezentovány schématické ukázky systému a názorné ukázky možnosti připojení solárních panelů na obytný dům. Samotný návrh dále popisuje regulovatelný solární systém za pomocí regulace μTeRX2-05 a její stručný popis. Moderní dům neboli jakýkoliv obytný dům je návrhem rozčleněn na variantu samostatného ohřevu TUV a variantu TUV a venkovního bazénu. Obě varianty jsou zde přiblíženy a popsány. Navržené varianty počítají s průměrnou rodinou o čtyřech členech. Podrobněji jsou rozepsány velikosti expanzních nádob, nádoby TUV, velikosti solárních ploch a veškeré prvky solárního systému. Práci lze rozšířit o další typy regulačních systémů, které nabízejí i další možnosti využití solárních systémů, jejich kombinací a možné budoucí uplatnění.
63
Hodnocení podniku
64
ABSTRAKT Richard BRŇÁK, Analýza současných elektronických regulačních systémů pro využití tepla fototermickou cestou a návrh vlastního bivalentního topného systému. Kunovice, 2014. Bakalářská práce. Evropský polytechnický institut, s.r.o. Vedoucí práce: Ing. Marek Šimčák, Ph. D.
Klíčová slova: sluneční záření, solární systém, kolektor, akumulační nádoba, regulační systém, regulace, TUV, moderní dům, TUV+bazén, fotovoltaika. Tato práce pojednává o využití tepla fototermickou cestou za pomocí regulovatelného systému. V úvodu práce je prezentována analýza trhu elektronických solárních regulátorů vyhotovená v roce 2012 včetně stručného popisu výrobce regulátorů. Další kapitoly se zabývají slunečním zářením a popisují veškeré důležité pojmy pro chod solárního regulovaného systému. Regulační systémy jsou stěžejním bodem práce. Proto u každého regulátoru nalezneme stručný popis a jsou zde vyzdviženy jeho charakteristické funkce. Následuje srovnání, způsob použití a uplatnění v praxi. Práce prezentuje i problematiku fotovoltaiky jako další technologickou platformu pro využití solární energie zahrnující stručnou historii, současnost včetně fyzikálních principů. Uvedeny jsou i budoucí trendy v oboru. Další kapitoly představují těžiště práce a zaměřují se na samostatný návrh a požadavky topného systému za pomocí zmíněných regulačních systémů. Je prezentována názorná ukázka navrženého řešení.
65
ABSTRACT Richard BRŇÁK, Analysis of Current electronic control systems for heat recovery fototermic way and design their own bivalent heating system. Kunovice, 2014. The Bachelor Thesis. European polytechnic institute, Ltd. Supervisor: Ing. Marek Šimčák, Ph. D.
Keywords: solar radiation, solar system, collector, storage tank, regulatory system, regulation, TUV, modern house, TUV + pool, photovoltaics.
This paper discusses the use of heat fototermic way using a controllable system. The first part is a brief description of the institution's authority. Chapter based on market analysis, which was for the institution created earlier. The fourth and fifth chapter deals with the sunlight and describes all the important concepts for the operation of the solar system controllable. Control systems are a key element of the work. Therefore, for each controller you will find brief description and highlighting important features. The following is a comparison of the use and application in practice. The seventh chapter explains the PN junction and its function. Takes us past and present simultaneously. We will learn and future trends in the field. The next two chapters focus on separate proposal for a heating system requirements for using these control systems. The key points are highlighted labor demonstration for better clarity and orientation.
66
Literatura Knihy [1]
MURTINGER K., TRUXA J. Solární energie pro Váš dům. Nakladatelství BEN, 2010, 120 s. ISBN 978-80-251-3241-8, EAN 9788025132418.
[2]
GARLÍK B. Inteligentní budovy.
Nakladatelství BEN, 2012, 360 s.
ISBN 978-80-7300-440-8, EAN 9788073004408. [3]
DUŠAN P. A KOLEKTIV Nízkoteplotní vytápění a obnovitelné zdroje energie. Nakladatelství JAGA MEDIA s.r.o., 2008, 207 s. ISBN 80-8076-069-4.
[4]
QUASCHNING
V.
Obnovitelné
zdroje
energií.
Nakladatelství
GRADA
PUBLISHING, A.S., 2010, 296 s. ISBN 978-80-247-3250-3. [5]
SCHEER H. Sluneční strategie. Nakladatelství EUROSOLAR CZ, O.S., 1999, 284 s. ISBN 80-902535-0-4
[6]
SCHEER H. Světové sluneční hospodářství. Nakladatelství EUROSOLAR CZ, 2004, 318 s. O.S., ISBN 80-903248-0-0
[7]
MITTERMAIR, SAUER, WEIBE. Záření se slunečními kolektory. Nakladatelství HEL, 2002, 92 s. ISBN 80-86167-02-X
[8]
MATUŠKA
T.
Solární
zařízení
v
příkladech.
Nakladatelství
GRADA
PUBLISHING, A.S., 2013, 256 s. ISBN 978-80-247-3525-2 [9]
MATUŠKA T. Solární soustavy pro bytové domy. Nakladatelství GRADA PUBLISHING, A.S., 2010, 136 s. ISBN 978-80-247-3503-0
[10]
LIBRA M., POULEK V. Fotovoltaika – teorie i praxe využití solární energie. Nakladatelství ILSA. 2009, 160 s. ISBN 80-904311-0-2, EAN 9788090431102
[11]
HASELHUHN
R.
Fotovoltaika.
EAN 9788086167336
67
Nakladatelství
HEL.
2011,
176
s.
[12]
VELFEL P. Energie pro váš dům. Nakladatelství BEN. 2010, 173 s. ISBN 978-80-254-7679-6, EAN 9788025476796
[13]
BRTNÍK B., MATOUŠEK D. Elektronické prvky. Nakladatelství BEN. 2011, 134 s. ISBN 978-80-7300-426-2, EAN 9788073004262
[14]
KLECZEK J. Život se Sluncem a ve vesmíru. Nakladatelství PASEKA, 2011, 296 s. ISBN 978-80-7432-075-0, EAN 9788074320750
[15]
BERANOVSKÝ J., MURTINGER K. A TOMEŠ M. Fotovoltaika. Elektřina ze slunce.
Nakladatelství
ERA.
2007,
100
s.
ISBN
978-80-7366-133-5,
EAN 9788073661335 [16]
RODINNÉ DOMY MODERNÍ A TRADIČNÍ, Nakladatelství NÁŠ DŮM. 2010, 290 s. ISBN 978-80-904086-5-4, EAN 9788090408654
[17]
GALLINDOVÁ M. Collection-Domy. Nakladatelství SLOVART. 2009, 512 s. ISBN 978-80-7391-204-8, EAN 9788073912048
[18]
RODINNÉ DOMY. Projekty a realizace. Nakladatelství G SERVIS. 2008, 502 s. ISBN 978-80-903527-2-8, EAN 9788090352728
Časopis [19]
Časopis 21.století - panorama. Kapitola o získávání sluneční energie za pomocí fotovoltaitických kolektorů. Rok 2013, číslo 10., strana 52. Vydávaný 12x ročně.
WWW [20]
internetové stránky společnosti Šimčák elektro, s.r.o. [online]. Dostupné z WWW:
.
[21]
internetové stránky společnosti Google. [online]. Vyhledávání názorných obrázků dané problematiky za pomocí klíčových slov. Dostupné z WWW: .
68
[22]
internetové stránky Českého hydrometeorologického ústavu. [online]. Analýza dopadu slunečního záření na ČR. Dostupné z WWW: .
[23]
internetové stránky otevřené encyklopedie Wikipedie. [online]. Sluneční energie. Dostupné z WWW: .
Zákony [24]
Česká republika. Zákon č. 458/2000 Sb., o podmínkách podnikání a výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů (energetický zákon), ve znění pozdějších předpisů. Tisková zpráva ze dne 30. 7. 2013
[25]
Česká republika. Zákon č. 180/2005 Sb., o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů), ve znění pozdějších předpisů. Tisková zpráva ze dne 30. 7. 2013
Normy [26]
ČSN
33
2000-7-712 Elektrické
instalace
budov –
Část
7-712:
Zařízení
jednoúčelová a ve zvláštních objektech – Solární fotovoltaické (PV) napájecí systémy [27]
ČSN EN 61215 Fotovoltaické (PV) moduly z krystalického křemíku pro pozemní použití – Posouzení způsobilosti konstrukce a schválení typu.
Nepublikované vnitřní předpisy, technická dokumentace, výroční zprávy [28]
Šimčák elektro, s.r.o. Osobní podklady a poznatky. Poskytnuty k tvorbě Bc. práce.
[29]
Šimčák elektro, s.r.o. Regulační systémy. Materiál k výrobě, popisu, návrhu regulačních systémů. Odpovídající příslušné normě stanovené zákonem.
E-mailová komunikace [30]
[email protected] zprávy [elektronická pošta]. Osobní komunikace.
69
Seznam zkratek %
procenta
@
zavináč
/
lomeno
∆
písmeno římské abecedy
µ
písmeno římské abecedy
°
úhlová míra, úhlová velikost
°C
Celsiův stupeň
2
velikost v kvadratických metrech
3
velikost v kubických metrech
č.
číslo
l m
litr 2
metr čtvereční
m3
metr krychlový
p.
pán, paní
r.
rok
s.
strana
A
ampér (jednotka el. proudu)
AU
astronomická jednotka
aj.
a jiné
AKU
akumulační nádoba
apod.
apod.
atd.
a tak dále
bar
jednotka tlaku
BAZ
bazén
cca
circa
CIGS
chemická sloučenina – měď, indium, gallium a selen
ČR
Česká republika
ČSN
Česká technická norma
DIN
nosná lišta dle ČSN EN 60715 v základním tvaru U
disp.
display
EAN
European Article Number
el.
elektrický 70
GWp
energie v gigawatech ve špičkách
hod
hodina
Hz
Hertz
IČO
identifikační číslo osoby
Ing.
Inženýr (vysokoškolský titul)
IP
stupeň krytí
ISBN
International Standard Book Number
Kč
Koruna česká
kg
kilogram
kk
kuchyňský kout
km
kilometr
ks
kus
kWh
kilowatthodina
mm
milimetr
M
označení rozvodnice
MW
megawatt
např.
například
OČ
oběhové čerpadlo
PC
personal komputer
Ph.D.
doktor (akademický titul)
Reg
regulace
RS
regulační systém
TA
teplota v akumulační nádobě
tis.
tisíc
tj.
to je
TK
teplota v kolektoru
TKOL
teplota kolektoru
THAV
teplota havarijní
TUV
teplá užitková voda
TZ
teplota v zásobníku
TZAS
teplota zásobníku
tzn.
to znamená
USA
United States of America
V
volt (jednotka el. napětí) 71
Sb.
sbírka
s.r.o.
společnost s ručením omezeným
viz.
odkaz
W
Watt
www
Word Wide Web
xls
dokument MS Office formátu Excel
72
Seznam obrázků, tabulek, grafů a schémat Obr. č. 1: Pasivní solární systém Obr. č. 2: Aktivní solární systém Obr. č. 3: Nepřímý aktivní systém Obr. č. 4: Samotný kolektor Obr. č. 5: Paralelní propojení solárních kolektorů Obr. č. 6: Sériové propojení solárních kolektorů Obr. č. 7: Řez samotným kolektor a jeho popis Obr. č. 8: Názorný příklad principu vytápění a koloběhu ohřevu vody za pomocí solárního kolektoru Obr. č. 9: Ukázka regulátoru s označením µTeR-05 disp (dvě varianty provedení) Obr. č. 10: Ukázka regulátoru s označením µTeRX-05 disp Obr. č. 11: Ukázka systému varianty TUV a varianty bazén Obr. č. 12: Ukázka regulátoru s označením µTeRX2-05 disp Obr. č. 13: Ukázka regulátoru s označením SCU-II Obr. č. 14: Ukázka propojení solárního panelu a zásobníku TUV. Obr. č. 15: Možnosti připojení solárního panelu k budově. Obr. č. 16: Schéma solárního systému (možnost doohřívání kotlem) Obr. č. 17: Schéma solárního regulovatelného systému. Obr. č. 18: Schéma solárního regulovatelného systému se všemi obsahujícími prvky Obr. č. 18: Mapa trvání slunečního svitu v ČR[hod./rok] Obr. č. 20: Roční úhrn globálního slunečního záření v ČR [kWh/m2] Tabulka č. 1: Názorný příklad tabulky analýzy trhu Graf č. 1: Znázornění teploty vody v bazénu při použití ohřevu a bez něho.
73
Seznam příloh Příloha č. 1: Geografické mapy ČR zobrazující intenzitu a energii slunečního záření Příloha č. 2: Příspěvek ke studentské konferenci
74
Příloha č. 1: Geografické mapy ČR zobrazující intenzitu a energii slunečního záření
Obrázek č. 19: Mapa trvání slunečního svitu v ČR [hod./rok] Zdroj: [15]
Obrázek č. 20: Roční úhrn globálního slunečního záření v ČR [kWh/m2] Zdroj: [15]
1/14
Příloha č. 2: Příspěvek ke studentské konferenci Výtažek práce jakožto příspěvek na studentskou konferenci naleznete na další straně.
2/14
Evropský polytechnický institut, s.r.o. v Kunovicích
ANALÝZA SOUČASNÝCH ELEKTRONICKÝCH REGULAČNÍCH SYSTÉMŮ PRO VYUŽITÍ TEPLA FOTOTERMICKOU CESTOU A NÁVRH VLASTNÍHO BIVALENTNÍHO TOPNÉHO SYSTÉMU (Příspěvek ke studentské konferenci)
Richard BRŇÁK
3/14
Obsah: Úvod Solární fototermický systém Co je to solární kolektor Jak pracuje solární regulovaný systém Výhody a nevýhody fotovoltaických systémů Návrh solárního systému Závěr Literatura
4/14
Úvod Můj zájem o elektronické regulátory solárních fototermických systémů vznikl již před léty, kdy jsem se věnoval rozborem a analýzou tuzemského trhu se solárními regulátory. Jednalo se především o marketinkový průzkum zaměřený na potencionální zákazníky pro elektronické regulátory pro solární fototermické systémy. Hlavním cílem bylo co nejpřesněji definovat parametry, které by elektronické regulátory měly splňovat tak, aby oslovily co nejširší okruh potencionálních zákazníků. Důraz byl kladen zejména na kvalitu, funkční přesnost, energetickou účinnost, technický design, spolehlivost, technickou podporu a kvalitu pozáručního servisu. Tato analytická práce se následně stala základem pro definici zadání práce na téma „Analýza současných elektronických regulačních systémů pro využití tepla fototermickou cestou a návrh vlastního bivalentního topného systému.“. Ačkoliv Česká republika leží na severní polokouli přibližně ve středu evropského světadílu, kde z hlediska slunečního záření nepanují optimální podmínky ve srovnání s rovníkovými oblastmi planety, i zde je možné efektivně vyrábět elektrickou energii přeměnou ze slunečního záření. Doba slunečního záření představuje počet hodin souvislého slunečního svitu za měsíc nebo za rok. V České republice je to asi 1 500 h / rok. Intenzita slunečního záření je veličina, která vyjadřuje souhrn globálního záření na jednotku vodorovné plochy, opět za měsíc nebo za rok. V České republice se tato hodnota pohybuje v rozmezí 950 – 1 340 kWh / m2 za rok. [1, s. 14]
5/14
Solární fototermický systém Využívat energii ze Slunce je v dnešní době velmi populární. Nyní si přibližme základní stavební prvky solárního fototermického systému, který představuje dlouhodobě ověřenou technologii pro získávání tepelné energie ze slunečního záření. Solární fototermické systémy se využívají k ohřevu vody případně jinému způsobu využití tepelné energie. Základní rozdělení solárních systémů můžeme tedy chápat takto: d) Podle toho, k čemu používáme získanou energii. Systém pro ohřev teplé vody. Systém pro ohřev bazénu. Systém pro vytápění. e) Podle toho, jakým způsobem je zajištěn přenos tepla. Pasivní systém. Aktivní systém. f) Podle toho, jaké médium slouží k přenosu tepla. Systém využívající k přenosu tepla vodu nebo nemrznoucí směs. Systém využívající k přenosu tepla vzduch. Solární systém může být také přímý a nepřímý. Přímým systémem rozumíme propojení kolektoru a zásobníku TUV napřímo. Naopak nepřímý systém je rozšířen o čerpadlo a samozřejmostí je i regulační systém, který nám umožňuje celý oběh ohřevu vody řídit. Ohřátá solární kapalina vystupuje z kolektorů a proudí směrem ke spotřebiči. Tím je nejčastěji zásobník TUV, protéká jeho trubkovým výměníkem, předává mu získané teplo a ohřívá jeho obsah ve spodním nejchladnějším místě zásobníku. Ochlazená kapalina pak putuje přes čerpadlovou jednotku náběhovou větví solárního okruhu zpět do slunečních kolektorů. Znovu se ve sluncem ohřívaných kolektorech ohřívá a celý cyklus se tak opakuje. Solární okruh je tedy uzavřen mezi absorbéry kolektorů a výměníkem solárního zásobníku TUV.
6/14
Potrubní rozvod systému je vyhotoven z měděného potrubí nebo nerezovým vlnovcem a po celé délce je izolován vhodnou solární izolací. Popsaný systém nazýváme jednookruhový, nucený a v případě náplně s nemrznoucí směsí – celoroční. Správně navržený a instalovaný solární systém je optimálním řešením k zásadnímu snížení nákladů na ohřev TUV. [12]
Obrázek č. 1: Aktivní solární systém Zdroj: vlastní
7/14
Co je to solární kolektor Solární kolektor funguje na principu pronikání slunečních paprsků průhledným solárním sklem a jejich následným dopadáním na absorbér. Tím se absorbér zahřívá a tím se zvyšuje teplota teplonosného media, které absorbérem protéká. Celý absorbér je plně izolován pro zajištění vysoké účinnosti. U vakuového kolektoru je využito vhodných zrcadélek na jeho zadní straně tak, aby při dopadu slunečních paprsků byl kolektor zahříván ve všech úhlech dopadu po celých 360° své délky. Tím se zvýší účinnost tepelného ohřevu. Kolektor je zasklen do speciálního horního dilatačního rámu, který zabraňuje nežádoucímu průniku vlhkosti. Kolektory jsou také vybaveny důmyslným systémem odvětrání, který zabraňuje možnému rosení skla a tím ztráty účinnosti. [1, s. 20]
Obrázek č. 1: Řez samotným kolektor a jeho popis Zdroj: [1, s. 20]
8/14
Jak pracuje solární regulovatelný systém Regulace obecně znamená řídící či usměrňující činnost, ať už prováděnou člověkem nebo automatickým zařízením tj. regulátorem. Regulace má za cíl dosáhnout optimálního ohřevu, ke kterému by jinak nedošlo v určitém časovém horizontu. Elektronická solární regulace, kterou může být solární systém vybaven v různě komfortním provedení, neustále vyhodnocuje prostřednictvím čidel teplotní rozdíl mezi teplotou vody v zásobníku TUV a teplotou solárního panelu. Dle nastavené diference pak zabezpečuje spínání oběhového čerpadla, které je hlavní součástí solární hnací jednotky. Ta obsahuje všechny nezbytné komponenty pro měření, jištění a nastavení solárního systému v jednom místě. O chod celého systému se stará elektronický regulační systém. Skládá se s teplotních čidel, které jsou umístěny v solárním panelu, tepelném výměníku a zásobníku TUV. Možnosti rozmístění čidel je celá řada, ale musí být dodržena důležitá pravidla pro měření a regulaci systému. Dále elektronický regulační systém kontroluje a spíná čerpadlovou jednotku, která pohání studené medium (nemrznoucí směs případně i vodu) do solárního panelu, kde se ohřívá. Teplá voda je tak vrácena na zpět do výměníku tepla, kde se teplo předává a tím v zásobníku TUV vzniká teplá užitková voda pro běžné používání. Pokud teplo ze slunečních paprsků získané za pomocí solárního panelu nestačí, je možné vodu v TUV dohřívat pomocí kotle na elektriku, plyn či tuhá paliva. [1, s. 53]
Obrázek č. 2: Schéma solárního regulovatelného systému. Zdroj: [1, s. 54]
9/14
Výhody a nevýhody fotovoltaických systémů Tato kapitola prezentuje hlavní výhody a nevýhody fotovoltaických systému využívajících sluneční energii. V našich klimatických podmínkách je však třeba počítat i s nevýhodami, které mohou omezit nebo zcela znemožnit efektivní využití fotovoltaických zařízení. Výhody Množství sluneční energie dopadající na zemský povrch je tak obrovské, že mnohonásobně převyšuje celosvětovou energetickou spotřebu. Solární energie má nejvyšší hustotu výkonu (celosvětový průměr je 170 W/m2) ze všech známých zdrojů obnovitelné energie. Během výroby elektrické energie fotovoltaický systém neznečišťuje životní prostředí. Fotovoltaické systémy vyžadují minimální údržbu po jejich nainstalování. Díky vysoké, státem garantované, podpoře je návratnost investice velmi rychlá. Pokud je fotovoltaický systém připojen do elektrorozvodné sítě, energie může být spotřebována místně a tudíž lze efektivně snížit celkové ztráty rozvodné soustavy. Nevýhody Prvotní investice do instalace fotovoltaických systémů je velmi drahá. Je nutné aplikovat motivační faktory (zajímavé výkupní ceny, dotační politika atd.). Státy následně přenášejí zákonnými úpravami tyto náklady na daňové poplatníky. Nainstalovaný systém nelze přemístit, pokud se majitel objektu odstěhuje. Elektrická energie generovaná fotovoltaickými systémy je stále velmi drahá ve srovnání s cenou energie z jiných zdrojů. Solární energie není k dispozici v noci a je velmi nespolehlivá za špatného počasí (mlha, déšť, sníh). Tudíž je nutná instalace systémů, které chybějící energii nahradí. Výkon fotovoltaických panelů se výrazně snižuje, pokud jsou znečištěny. Solární panely produkují stejnosměrný proud, který musí být pomocí střídače převeden na proud střídavý, což způsobuje další ztráty ve výši 4 - 12%. Fotovoltaické články postupem času snižují svou účinnost tedy dodávaný výkon. Ekologická likvidace fotovoltaických panelů je nákladná.
10/14
Návrh solárního systému Ohřev TUV (teplé užitkové vody) pomocí slunečních kolektorů je typickým příkladem využití sluneční energie. Systém je poměrně jednoduchý, spolehlivý a vysoce účinný. Praktické zkušenosti ukazují, že dobře navržené kvalitní zařízení je schopno ušetřit až 60 – 70% ročních nákladů spojených s přípravou TUV. Dnešní solární systémy dokáží pracovat díky vyspělým technologiím s účinností až 80% a s životností kolem 30 let. Podmínkou dosažení výše uvedených hodnot je: Instalace kvalitních solárních kolektorů s vysoce selektivní vrstvou a velikostí kolektorové plochy cca 2m2 Absorpční plochy na 100 litrů TUV Sklonem kolektorů cca 45° Odklonem kolektorů od jižní orientace do 25° na východ a 45° na západ v nezastíněném místě. Výkon solárního systému dále ovlivňuje: Výběr vhodného solárního zásobníku TUV Kvalitní solární regulace Důkladná izolace rozvodů Kvalitní návrh projektu Odborná instalace a bezchybný chod systému Správné nastavení regulačních prvků Návrh solárního systému není jen problematikou správného nastavení panelů vůči slunci, ale je třeba si uvědomit širokou škálu vzájemného propojení vstupních podmínek od přírodních, přes konstrukční až po ekonomické a uvést je do vzájemného souladu. K základním vstupním informacím také patří: Znalost místních podmínek a množství dostupného slunečního záření Počet hodin slunečního svitu a intenzita slunečního záření, síla větru, sníh. Výška okolních budov a dalších zdrojů stínění.
11/14
Solární systém TUV může sloužit v domácnostech, v rekreačních oblastech, na sportovištích
a
podobně. Solární
systémy
mohou
ohřívat
TUV
samostatně
nebo spolupracovat s ostatními zdroji tepla v objektu. Ohřev TUV 200 l. Varianta pro domácnost se 4 osobami. Solární kolektor (nejlépe 2ks) Propojovací komponenty, směšovací ventil, nemrznoucí směs a přípravky pro připevnění solárních kolektorů (varianta střecha) Solární jednotka Regulační jednotka (například μTeRX2) Expanzní nádoba (objem 12 litrů) Zásobník vody (objem 200 litrů) Ohřev bazénu. V dnešní době je bazén častým doplněním zahrady rodinného domu. Navíc když rodinný dům disponuje solárním systémem, lze ho uplatnit i pro ohřev bazénu a prodloužit tak bazénovou sezónu až o 3 měsíce. Ohřev bazénu o objemu 20 m3. Solární kolektor (minimálně nejlépe 2ks) Propojovací komponenty, směšovací ventil, nemrznoucí směs a přípravky pro připevnění solárních kolektorů (varianta střecha) Solární jednotka Regulační jednotka (například μTeRX2) Expanzní nádoba (objem 12 litrů) Bazénový výměník
12/14
Závěr Práce na téma: „Analýza současných elektronických regulačních systémů pro využití tepla fototermickou cestou“ zahrnujíc i vlastní návrh bivalentního topného sytému vznikla na základě reálného zadání. Postupná realizace byla založena na základě mnohaletých zkušeností s návrhem a instalacemi podobných systémů, se kterými jsem ses musel v průběhu svého studia nejprve seznámit, konzultovat a promyslet. Poté jsem mohl přijít s vlastními nápady a návrhem technické realizace. Velmi mi pomohla úvodní studijní etapa, v rámci které jsem v roce 2012 zpracoval analýzu elektronických regulátorů, kdy jsem se s danou problematikou měření a regulace seznamoval.
13/14
Literatura [1]
BRŇÁK R. Analýza současných elektronických regulačních systémů pro využití tepla fototermickou cestou a návrh vlastního bivalentního topného systému. Bakalářská práce, 2014, 86 s.
[2]
Časopis 21.století - panorama. Kapitola o získávání sluneční energie za pomocí fotovoltaitických kolektorů. Rok 2013, číslo 10., strana 52. Vydávaný 12x ročně.
[3]
MURTINGER K., TRUXA J. Solární energie pro Váš dům. Nakladatelství BEN, 2010, 120 s. ISBN 978-80-251-3241-8, EAN 9788025132418.
[4]
MITTERMAIR, SAUER, WEIBE. Záření se slunečními kolektory. Nakladatelství HEL, 2002, 92 s. ISBN 80-86167-02-X
[5]
LIBRA M., POULEK V. Fotovoltaika – teorie i praxe využití solární energie. Nakladatelství ILSA. 2009, 160 s. ISBN 80-904311-0-2, EAN 9788090431102
14/14
