Fotovoltaika a fototermika

Projekt „Zlepšování podmínek pro výuku technických oborů na Střední škole informačních technologií a sociální péče, Brno, Purkyňova 97“ Číslo projektu:

CZ.1.07/1.1.02/02.0158

Fotovoltaika a fototermika

Učebnice Průmyslové ekologie 1. díl Kniha je určena pro učitele průmyslové ekologie

Zpracoval: Chmel

Ing.

1

Ladislav

Tato učebnice vznikla v rámci projektu Zlepšování podmínek pro výuku technických oborů na Střední škole informačních technologií a sociální péče, Brno, Purkyňova 97, číslo projektu CZ.1.07/1.1.02/02.0158.

2

Autor učebnice: Ing. Ladislav Chmel, učitel elektrotechniky a elektroniky.

Údaje o škole: Střední škola informačních technologií a sociální péče, Brno, Purkyňova 97 Purkyňova 97612 00 Brno

Internetové stránky: www.sspbrno.cz

E-mail: [email protected]

Telefon: 541 649 225

© Střední škola informačních technologií a sociální péče, Brno, Purkyňova 97

3

OBSAH ÚVOD

……………………………………………………………………………7

1. Fotovoltaika - fyzikální podstata světla………………………………………. 9 2. Fyzikální podstata fotovoltaické přeměny energie………………………………. 10 2.1.Elektrické vlastnosti fotovoltaických článků…………………………………. 17 3. Konstrukce a výroba fotovoltaických článků a panelů…………………………… 20 3.1.První generace……………………………………………………………….. 20 3.2.Druhá generace………………………………………………………………. 20 3.3.Třetí generace…………………………………………………..……………. 21 3.4.Křemíkové monokrystalické články…………………………………………. 22 3.5.Fotovoltaické články z polykrystalického křemíku………………………….. 22 3.6.Fotovoltaické články z amorfního křemíku………………………………….. 23 4. Fotovoltaické solární systémy s pevným stojanem………………………………. 25 4.1.Typy instalací fotovoltaických systémů……………………………………… 25 4.1.1. Ostrovní systémy (grid – off)………………………………………… 25 4.1.2. Systémy připojené na síť (grid – connected…………………………..27 4.1.3. Fotovoltaické systémy s pohyblivým stojanem………………………. 29 4.1.4.Další možnosti navýšení množství vyrobené energie……….………..... 30 5. Testování životnosti fotovoltaických systémů…………………………………… 32 5.1. ELCD TEST – elektroluminiscenční měření…………………………..…..... 32 5.1.Flash test …………………………………………………………………….33 5.2.Měření V-A charakteristik……………………………………………..……. 35 5.3.Akumulace solární energie………………………………………………….. 35 5.4.Regulátor nabíjení……………………………………………………..……. 36 5.5.Elektronické měniče…………………………………………………………. 37 5.6.Užitečné měřicí přístroje……………………………………………………. 38 6. Aplikace solárních fotovoltaických systémů…………………………………….. 39 6.1.Sluneční záření na zemi……………………………………………………… 39 6.1.1. Solární konstanta………………………………………………............ 40 6.1.2. Složkyslunečního záření………………………………………. …….. 41 6.1.3. Přímé sluneční záření…………………………………………………. 43 6.1.3.1.Difúzní sluneční záření………………………………….. 43 4

6.1.3.2.Odražené sluneční záření………………………………… 44 6.2.Aplikace organických fotovoltaických modulů……………………………. 45 7. Ekonomika solárních fotovoltaických systémů……………………………………… 48 7.1.Návratnost a výnosy…………………………………………………………. 48 7.1.1. Výše investice………………………………………………………… 48 7.1.2. Předpokládané množství získané energie…………………………….. 48 7.1.3. Výkupní cena…………………………………………………………. 49 7.2.Výpočet výnosů a návratnosti………………………………………………...50 8. Solární tepelné soustavy…………………………………………………………… 51 8.1.Charakteristika, princip činnosti a účinnost………………………………….. 52 9. Solární soustavy pro přípravu teplé vody……………………………………...……. 53 9.1.Princip samotížného systému…………………………………………..……. 53 9.2.Princip hnaného systému……………………………………………….……. 53 10. Solární kombinované soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění……………......... 56 10.1. Prvky solárních soustav…………………………………………………. 56 10.2. Složení plochého kapalinového kolektoru…………………………….… 57 10.3. Podmínky pro umístění kolektoru………………………………………… 59 10.3.1. Orientace……………………………………………………………… 60 10.3.2. Sklon kolektoru…………………………………………………….… 60 11. Teplovzdušné solární vytápění…………………………………………….……….. 61 12. Energetické parametry solárních soustav………………………………………......... 65 12.1. Využité tepelné zisky…………………………………………………….. 66 12.2. Roční úspora energie………………………………………………………66 12.3. Měrné využité tepelné zisky solární soustavy…………………………….67 12.4. Dodatková energie……………………………………………………….. 68 12.5. Solární pokrytí, solární podíl…………………………………………….. 68 12.6. Provozní účinnost solární soustavy………………………………………. 69 12.7. Pomocná elektrická energie pro pohon soustavy………………………… 69 12.8. Výkonové číslo (COP)………………………………………………….... 70 13. Navrhování a bilancování solárních soustav……………………………………........ 71 13.1. Příprava teplé vody…………………………………………………….…. 71 13.2. Solární vytápění………………………………………………………….. 72 13.3. Ohřev vzduchu………………………………………………………….… 74 13.4. Soustavy pro CZT………………………………………………………… 75 13.5. Ohřev bazénů………………………………………………………….…. 76 14. Potřeba tepla………………………………………………………………….……… 78 14.1. Stanovení potřeby tepla…………………………………………………... 78 14.1.1. Celková potřeba tepla na přípravu teplé vody …………………..…… 79 5

Potřeba tepla na vytápění……………………………………….… 79 Návrh plochy solárních kolektorů…………………………………………………. 82 15.1. Příklad a filosofie návrhu solárního systému………………….………….. 82 16. Stanovení ročních zisků solárních soustav………………………………………….. 85 17. Aplikace teorie do praxe……………………………………………………………… 87 17.1. Montáž a zapojení fotovoltaických panelů……………………….……… 87 17.2. Fotovoltaické panely – montáž…………………………………………… 89 17.3. Připojení akumulátorů k solárnímu regulátoru (MPPT měniči)…………. 90 17.4. Připojení měniče napětí (střídače) k solárnímu regulátoru………………. 90 17.5. Připojení spotřebičů……………………………………………………… 91 17.6. Montáž a zapojení solárních kolektorů…………………… …………….. 91 17.7. Ochrana proti blesku……………………………………………………… 92 17.8. Připojení…………………………………………………………..………. 93

14.1.2. 15.

PŘÍLOHY…………………………………………………………… 94 [1]

Tabulky………………………………………………………….. 94

[2]

Návod pro práci v programu Suntiware 10.2…………………… 100

LITERATURA A ZDROJE……………………………………… 101

6

Úvod Solární energie patří mezi nevyčerpatelné zdroje energie. Její využití nemá žádné negativní dopady na životní prostředí. Množství využitelné energie závisí na klimatických podmínkách jednotlivých částí zemského povrchu. Lze ji dobře využívat nejen v oblastech s dlouhým slunečním svitem, ale i s vyšší nadmořskou výškou. V české republice jsou poměrně dobré podmínky pro využití energie slunečního záření, přestože množství sluneční energie v průběhu roku kolísá a největší množství sluneční energie dopadá v období, kdy je spotřeba nejnižší. Ročně dopadá kolmo na 1 m2 plochy 800 – 1250kWh solární energie. Od dubna do října 75% energie a 25% energie v období od října do dubna. Celková doba slunečního svitu v našich podmínkách se pohybuje v rozmezí 1400 –1800h/rok. Průmyslové země jako je Kanada, Japonsko a USA a čítají dohromady 12.5 % světové populace, ale spotřebují 60% světové produkce energie. Většina energie pochází z fosilních paliv - uhlí, ropy a zemního plynu. I když se fosilní paliva řadí mezi obnovitelné zdroje, obnova trvá přinejmenším několik tisíc let a vědci vypočítali, že stávající zásoby vystačí pouze na několik desítek let. Díky postupnému mizení fosilních paliv se hledají další využitelné zdroje. Jako dobrá alternativa třetího tisíciletí se počítalo s jadernou energií, ale právě ta se po výbuchu v Černobylu a seizmické Fukušimě jeví jako neúměrně riskantní řešení a mezi hlavní zdroje, se kterými se bude ve 21.století počítat je energie vydávaná slunečním zářením. Výroba "elektřiny ze slunce" je bezpečná a spolehlivá, žádný nebezpečný odpad, je to ekologicky čistá energie. Pokrytí 1% plochy pouští slunečními články s 15% účinností vyrobí více elektrické energie než všechny současné elektrárny světa. Energie vložená do výroby slunečních článků se vrátí za několik let, "palivo je zdarma" a předpokládaná životnost delší než 30 let. Názory na obnovitelné zdroje energie OZE se odlišují, stojí proti sobě zastánci a odpůrci. Využívání OZE s sebou přináší určitě spoustu výhod. Jedná se zejména o snížení znečištění ovzduší a životního prostředí, jelikož výroba elektřiny z OZE je ekologicky čistá a nezatěžuje okolní krajinu. Důležitým argumentem pro další rozvoj zelené energetiky je vyčerpatelná zásoba energetických surovin a neustále se zvyšující spotřeba elektrické energie na Zemi. Výrobou elektřiny z OZE je podporována regionální 7

ekonomika a dochází ke snížení závislosti státu

na dovozech nerostných surovin.

Především omezení dovozů energetických surovin je hlavní motivací podpory využívání alternativních zdrojů energie. Podpora regionální ekonomiky, jako je například zvýšení zaměstnanosti v dané lokalitě, se týká především OZE biomasa, jelikož ostatní OZE (voda, vítr a slunce) jsou nenáročné na obsluhu a výroba elektrické energie je řízena počítačovým systémem. Lidským faktorem jsou prováděny pravidelné kontroly, které nemají velké nároky na pracovní sílu. EU podporuje využívání OZE a členské státy musely aplikovat směrnice EU o podpoře obnovitelných zdrojů do svých právních systémů. Subvence OZE musí být nastaveny racionálně, a také je důležité vymezit mantinely, které zabrání nesmyslným výstavbám zelených elektráren. Výroba elektrické energie pomocí solárních panelů a spalováním biomasy by neměla probíhat na úrodné zemědělské půdě. Solární a větrné elektrárny Vítemusí také akceptovat přírodní a územní podmínky. Výstavbě VtE předchází dlouhodobá měření průměrné rychlosti větru a jsou posuzovány vlivy na okolní prostředí. Ve světě existuje i celá řada odpůrců zelené elektřiny, kteří prosazují jaderné elektrárny. Důležitým faktem je i efektivnost výstavby zelených elektráren. S dalšími stavbami elektráren na výrobu elektřiny z OZE klesá jejich efektivnost, protože obnovitelné zdroje jsou závislé na přírodních podmínkách, a pokud jsou již nejlepší lokality zastavěny, každá další představuje nižší efektivnost ve využívání OZE. OZE jsou diskutovanou problematikou a v budoucnu by bylo vhodné najít soulad v jejich využívání s ostatními energetickými surovinami, protože výroba elektrické energie z obnovitelných zdrojů nepokryje celkovou spotřebu energie na Zemi.

8

1.

Fotovoltaika

Světlo vnímáme jako naprostou samozřejmost a nad jeho fyzikální podstatou často ani nepřemýšlíme. Vážnější úvahy o podstatě světla spadají až do 17 století. Dnes víme, že světlo tvoří příčné elektromagnetické vlny v poměrně úzké oblasti vlnových délek, a projevují se současně jako tok fotonů. James Clerk Maxwell ve svých čtyřech rovnicích shrnul vše, co bylo do té doby známo z elektřiny a magnetismu a vytvořil tak jednotnou teorii elektromagnetického pole. Elektromagnetické vlny tak přestaly být pouhou hypotézou a staly se součástí ucelené fyzikální teorie elektromagnetického pole. Elektromagnetické vlny (neboli elektromagnetické záření) však mohou mít vlnové délky ve velmi širokém rozmezí od řádu10-13m i kratších až po stovky či tisíce metrů nebo i delší. Z toho viditelné záření neboli světlo tvoří jen úzká oblast vlnových délek

380 nm;760 nm a každá vlnová

délka odpovídá určité barvě.

Obr. 1Světelné spektrum Se vzrůstající vlnovou délkou v tomto intervalu přecházejí barvy postupně od fialové přes modrou, zelenou a žlutou až k červené. Sluneční světlo vnímáme jako bílé, protože je složeno ze spojitého spektra všech barev. Přestože téměř všechna hmota vesmíru je ve stavu plazmatu, v pozemských podmínkách se s plazmatem setkáváme jen zřídka, například u blesku či výbojových zdrojů záření. V plazmatickém stavu se nachází veškerá hmota hvězd tedy i Slunce i většina mezihvězdné hmoty a zbytek hmoty vesmíru tvoří již jen drobné „smetí“. Protože 9

se ve vysokoteplotním plazmatu pohybují elektricky nabité částice velkou rychlostí, vzájemně na sebe působí a rychle mění svůj směr i rychlost pohybu, vyzařuje plazma elektromagnetické vlny, tedy i světlo. Stav plazmatu se svými vlastnostmi výrazně odlišuje od stavu pevné látky, kapaliny a plynu, a proto se hovoří o čtvrtém skupenství hmoty. Slunce je středem sluneční soustavy. Je naší nejbližší hvězdou. Tato obrovská koule žhavého plazmatu je od Země vzdálena cca 150 milionů kilometrů. Je to ve své podstatě obrovská elektrárna pohánějící veškeré podstatné jevy ve sluneční soustavě. Slunce obsahuje 99,8 hmoty celé sluneční soustavy. Slunce vzniklo před 4,6 miliardami let. Od té doby neustále vyzařuje energii. Samotná termojaderná reakce probíhá v jádře Slunce, které obsahuje 99% hmoty celého Slunce. Každou vteřinu se v jádru Slunce přemění 560 milionů tun vodíku na 556 milionů tun hélia. Rozdíl v tomto objemu představuje záření, které Slunce vyzáří do vesmírného prostoru.

Obr. 2 Slunce střed sluneční soustavy Vše začalo v roce 1839 náhodným objevem francouzského fyzika Alexandra Edmonda Becquerela. Při jeho experimentech s kovovými elektrodami ponořenými v elektrolytu zjistil, že při jejich osvětlení začne procházet malý elektrický proud.

10

V počátcích byl rozvoj brzděn také tím, že nebylo jasné, jaký je mechanismus vzniku elektrického proudu ve fotovoltaických článcích a jaké jsou možnosti a omezení při přeměně energie slunečního záření na energii elektrickou. Významným krokem na cestě k moderním fotovoltaickým článkům byla příprava monokrystalů křemíku, kterou vyvinul Jan Czochralski.Křemíkový fotovoltaický článek si nechal v roce 1946 v USA patentovat Russell S. Ohl. Současná podoba solárních článků se zrodila v roce 1954 v Bellových laboratořích. Fotovoltaické články z křemíku dopovaného jiným prvkem (tedy články s P-N přechodem) dosahovaly účinnost kolem 6%. Tato účinnost již byla rozumně velká pro praktické využití, cena byla ale příliš vysoká.Významným impulsem pro rozvoj tohoto odvětví bylo proto využití fotovoltaických článků jako zdroje energie na umělých družicích, protože zde byly fotovoltaické články podstatě jedinou praktickou cestou. Na Zemi se solární fotovoltaické články uplatnily až v sedmdesátých letech, kdy jejich cena klesla. I tak bylo jejich použití omezeno na napájení navigačních světel nebo různých zabezpečovacích zařízení v místech bez elektrické sítě. Většího využití solárních fotovoltaických článků nastalo až po ropné krizi v sedmdesátých letech, kdy se hledaly cesty, jak se zbavit závislosti na ropě, a vlády světových velmocí dávaly hodně peněz do zkoumání nových technologií pro výrobu energie. Svouroli tu bezpochybně sehrálo masivní rozšíření křemíkových polovodičových součástek a tedy také levnější masová výroba čistého křemíku. Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení základních souvislostí fyzikální podstaty světla a historický vývoj fotovoltaiky. Kontrolní otázky: 1. Vysvětlete pojem elektromagnetická vlna. 2. Co je světelné spektrum. 3. Plazma. 4. Historie solárních elektráren. 5. Jaká je perspektiva fotovoltaiky?

11

Fyzikální podstata fotovoltaické přeměny energie

2.

Fotoelektrický jev je jev, který v roce 1887 poprvé popsal Heinrich Hertz. Při dopadu světla předává fotonenergiipovrchu látky. Je-li vlnová délka λ světla dostatečně malá, pak frekvence ν a tedy i energie, kterou záření po dopadu předá elektronu, může dosáhnout dostatečné hodnoty pro uvolnění tohoto elektronu z vazby v obalu atomu. Hodnota této energie potřebné k uvolnění elektronu se označuje jako ionizační energie. Velikost ionizační energie, kterou potřebují elektrony k uvolnění z látky, se také někdy nazývá fotoelektrická bariéra. Předáním dostatečné energie elektronům je možné tuto bariéru překonat. Minimální frekvence, při níž dopadající fotony předávají elektronům energii potřebnou k překonání této bariéry, se označuje jako prahová frekvence. Rozlišujeme dva druhy fotoefektu, vnější a vnitřní. Při vnějším fotoelektrickém jevu jsou elektrony uvolňovány z vodivostního pásu kovu a samotný krystal kovu opouštějí. V polovodičích může docházet pod vlivem elektromagnetického záření k přeskokům elektronů mezi energetickými hladinami. Tyto elektrony pak zvyšují jejich vodivost. Zde hovoříme o vnitřním fotoelektrickém jevu.

Obr. 3 Fotoelektrický jev

12

K fotovoltaické přeměně energie elektromagnetického záření

na

energii

elektrickou dochází v polovodičových fotovoltaických článcích (FV). Nejběžnější jsou FV články na bázi krystalického křemíku, proto je fyzikální přeměna vysvětlena právě na nich, neboť u článků na jiné bázi je situace analogická. Podle typu nosiče náboje dělíme polovodiče na vlastní nebo příměsové. Příměsové polovodiče mohou být dopované typu N (majoritní nosiče náboje jsou elektrony) nebo typu P (majoritní nosiče náboje jsou díry, které se chovají jako částice s kladným nábojem). Pokud uvažujeme křemík, který je čtyřmocný, má krystalickou strukturu diamantu, pak každý atom Si je obklopen čtyřmi nejbližšími sousedy. Tyto čtyři elektrony (valenční) vytvářejí s těmito sousedy kovalentní vazby. Energie volného elektronu, který nepodléhá působení žádných sil, může nabývat různých hodnot. Naproti tomu energie elektronu v krystalu křemíku nabývá pouze určitých hodnot v důsledku pohybu v poli periodického potenciálu. Důležitou roli hrají tyto pásy: valenční pás (za velmi nízkých teplot poslední obsazený pás), poslední zakázaný pás a vodivostní pás (za velmi nízkých teplot první neobsazený). Valenční pás sestává z energetických stavů valenčních elektronů. Protože těchto stavů je stejný počet jako valenčních elektronů v celém krystalu, budou za velmi nízkých teplot všechny obsazené. Po valenčním pásu následuje pás zakázaných energií, tzn., že žádný elektron nemůže mít energii odpovídající stavu v tomto pásů. Dále následuje pás vodivostní, jehož stavy za velmi nízkých teplot nejsou obsazené.

Obr.4 Pásová struktura pevné látky.

13

Obr.5 Srovnání pásové struktury a)vodiče, b) nevodiče, c) polovodiče

V nejnižším energetickém stavu valenční elektrony úplně obsazují všechny hladiny ve valenčním pásu, nemohou zprostředkovat vedení elektrického proudu. Dodáním energie např. tepelné (fonon) nebo světelné (foton) některé elektrony přejdou do vodivostního pásu. Valenční i vodivostní pásy se stanou pásy částečně obsazenými. V energetickém schématu se to projeví tak, že tyto elektrony uvolní energetické hladiny ve valenčním pásu a obsadí hladiny s vyšší energií ve vodivostním. Stanou se tak elektrony, které mohou zprostředkovat vedení elektrického proudu.

Obr. 6 Srovnání energetických hladin elektronů v izolovaném atomu a v krystalické látce.

U některých atomů křemíku tak vznikla prázdná místa. Buď zde mohou opět uvíznout volné elektrony, což se v energetickém schématu projeví jako zpětné přestupy 14

elektronů z vodivostního pásu na příslušné hladiny ve valenčním pásu, nebo sem mohou přeskakovat elektrony od sousedních atomů. Tím se ale prázdná místa posunou k sousedním atomům a dalšími podrobnými přeskoky se mohou dále posunovat. V elektrickém poli se volné elektrony se volné i přeskakující valenční elektrony posunují proti směru intenzity elektrického pole, neboť mají záporný elektrický náboj. To znamená, že prázdná místa se posunují ve směru pole. Prázdné místo se tedy chová jako částice s kladným nábojem a jinou hmotností, než jakou má volný elektron. Tato částice se označuje „díra“. Ve vlastním polovodiči uvolnění jednoho elektronu z valenčního pásu znamená vznik jedné díry, počet volných elektronů a děr je tedy stejný. Krystal navenek zůstává elektricky neutrální. Je-li generace páru elektron-díra vyvolaná dopadajícím fotonem, energie fotonu musí být větší nebo rovna šířce zakázaného pásu. Jsou-li v krystalu křemíku nahrazeny některé atomy Si atomy prvku V. skupiny Mendělejevovy periodické tabulky prvků (např. As, P, Sb), které mají pět valenčních elektronů, budou čtyři z nich vázány kovalentní vazbou s nejbližšími atomy Si. Pátý elektron bude jen slabě vázán k atomu příměsi. Takto dopovaný polovodič se nazývá polovodič typu N. Dodáním energie se tento elektron „utrhne“ a stane se uvnitř krystalu volně pohyblivým. Tyto pětimocné atomy se nazývají donory, protože dodávají volné elektrony. Přítomnost takovéto příměsi se projeví v energetickém schématu vznikem lokálních energetických hladin, které leží v zakázaném pásu v blízkosti dolní hladiny vodivostního pásu.

Obr.7 Příměsová vodivost. Pokud atomy příměsi mají větší počet valenčníchelektronů než atomy křemíku, hovoříme o vodivosti typu N

15

Nahrazením některých atomů Si v krystalu křemíku atomy III. skupiny periodické tabulky prvků (např. B, Al, Ga) tyto příměsi obsahují pouze tři valenční elektrony. Jedna vazba těchto atomů nebude zaplněna a bude se chovat jako díra. V důsledku tepelné energie může do nezaplněné vazby přeskočit valenční elektron od sousedního atomu Si a díra se může pohybovat krystalem, jak již bylo popsáno. Takto dopovaný polovodič se nazývá polovodič typu P a příměsi, které tvoří záchytná centra pro elektrony, jsou akceptory. V energetickém schématu se to projeví, analogicky pro polovodič typu N. Dodáním relativně malé energie se na této hladině mohou zachytit elektrony přeskokem z valenčního pásu, kde po nich zůstane díra. Takový atom akceptoru má potom o elektron víc a navenek je záporně nabitý. Tvoří pevně vázaný záporný náboj. Díra, která je tímto generována ve valenčním pásu, je uvnitř krystalu volně pohyblivá. Znamená to, že v polovodiči typu P je koncentrace děr vyšší než koncentrace volných elektronů.

Obr. 8 Pokud atomy příměsi mají menší počet valenčníchelektronů než atomy křemíku, hovoříme o vodivosti typu P PN přechod vzniká tehdy, jestliže část krystalu je dopována jako polovodič typu P a sousední část je dopována jako polovodič typu N. Jak bylo řečeno, část volných elektronů přejde u oblasti typu N do oblasti typu P a část děr opačně. Pevně vázané náboje ionizované náboje ionizovaných příměsí vytvoří oblasti prostorového náboje. Mezi nimi vznikne elektrické pole, které brání dalšímu toku volných nosičů.

16

Takto popsaný přechod PN může být jednoduchou polovodičovou diodou. Systém v rovnovážném stavu se však ve stavu dynamické rovnováhy (nikoli statické) tzn., že v celém objemu polovodiče při teplotě T

0K neustále dochází ke generaci i rekombinaci

elektronů a děr. Přes přechod PN tedy tečou elektrické proudy oběma směry. Bez přiložení vnějšího napětí jsou proudy v obou směrech vyrovnány a navenek se neprojeví. V případě přiložení vnějšího napětí a uzavření elektrického obvodu je porušena rovnováha.

Obr. 9Epnje intenzita elektrického pole, která vzniká jako důsledek difúze volných elektronů z polovodiče typu Ndo polovodiče typu Pa děr v opačném směru.

2.1

Elektrické vlastnosti fotovoltaických článků

Pro praktické využití jakéhokoli zdroje energie jsou důležité tři veličiny: napětí, proud a vnitřní odpor. U fotovoltaických článků (FVČ) je napětí naprázdno dáno především použitým polovodičem. Proud nakrátko (při nulovém napětí) je dán intenzitou dopadajícího záření, fotovoltaický článek se při konstantní intenzitě slunečního záření chová jako zdroj konstantního proudu, jehož intenzita je limitována počtem fotonů dopadajících za jednotku času. Zpravidla se článek charakterizuje voltampérovou charakteristikou, tj. závislost proudu na napětí. U FVČ tedy záleží na intenzitě ozáření.

17

Proud tekoucí článkem pochopitelně závisí na účinnosti – článek s větší účinností při dané intenzitě záření může dávat větší proud. Důležitý je také vnitřní odpor článku (na vnitřním odporu dochází k nežádoucímu úbytku napětí). Kromě toho se uplatňují i další vnější vlivy, především teplota (vyšší teplota znamená nižší napětí). V praxi nás zajímá především výkon článku, tedy součin napětí a proudu. Z tvaru voltampérové charakteristiky vyplývá, že při daných podmínkách (osvětlení, teplota) existuje právě jedna hodnota napětí a proudu, při níž nabývá výkon článku maximální hodnoty. Pokud je to možné, snažíme se provozovat FVČ v tomto optimálním pracovním bodu.

Obr. 10 VA charakteristiky FVČ pro různé intenzity slunečního záření

Obr. 11 Výkonové charakteristiky FVČ pro různé intenzity slunečního záření

18

Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení základních souvislostí fotovoltaické přeměny energie.

Kontrolní otázky: 1. Druhy fotoefektu. 2. Fotoelektrický jev. 3. Pásové struktury – valenční pás. 4. Polovodič typu N a P. 5. PN přechod. 6. Elektrické vlastnosti fotovoltaických článků.

19

3. Konstrukce a výroba fotovoltaických článků a panelů FVČ už za sebou mají téměř 50let vývoje a byla vyvinuta celá řada typů a konstrukcí s využitím různých materiálů. Někdy se pro přehlednost rozlišují čtyři generace fotovoltaických článků.

První generace

3. 1

Jde o FVČ vyráběné z destiček monokrystalického křemíku, v nichž je vytvořen velkoplošný P-N přechod. Tento typ se vyznačuje dobrou účinností a dlouhodobou stabilitou výkonu a v současné době je to ještě nejpoužívanější typ fotovoltaických článků (hlavně pro velké instalace). Nevýhodou je relativně velká spotřeba velmi čistého, a tedy drahého křemíku a poměrně velká náročnost výroby.

Druhá generace

3. 2

Tato generace je charakterizována snahou snížit množství potřebného křemíku a zlevnit výrobu tím, že se použiji tenkovrstvé články. Nejběžnější jsou články z polykrystalického, mikrokrystalického nebo amorfního křemíku. Jejich hlavní nevýhodu je znatelně nižší účinnost a menší stabilita (účinnost dále klesá s časem). Začínají se používat i jiné materiály než křemík. V poslední době se tenkovrstvé články prosazují hlavně v takových aplikacích, kde je požadována pružnost a ohebnost. Existují např. fotovoltaické fólie, které se při rekonstrukci nalepí na plochou střechu a plní funkci nepropustné fólie a současně vyrábí elektřinu.

Obr. 12 Ukázka výroby fotovoltaické fólie

20

3.3

Třetí generace

Pokus o „fotovoltaickou revoluci“ představují solární články třetí generace. Zde je hlavní cílem nejen snaha o maximalizaci počtu absorbovaných fotonů a následně generovaných párů elektron-díra (proudový zisk), ale i maximalizace využití energie dopadajícího fotonů (napěťový zisk fotovoltaických článků). Existuje celá řada směrů, kterým je ve výzkumu věnována pozornost: 1. Vícevrstvé solární články (z tenkých vrstev). 2. Články s vícenásobnými pásy. 3. Články, které by využívaly „horké“ nosiče náboje pro generaci více párů elektrondíra. 4. Termofotovoltaická přeměna, kde absorbér je současně i radiátorem vyzařujícím selektivně na jedné energii. 5. Termofotonická přeměna, kde absorbér je nahrazen elektroluminiscencí. 6. Články využívají kvantových jevů v kvantových tečkách nebo kvantových jamách. 7. Prostorově strukturované články vznikající samoorganizací při růstu aktivní vrstvy. 8. Organické články (např. na bázi objemových heteropřechodů). Zatím jediným komerčním případem dobře fungujících článků třetí generace jsou vícevrstvé struktury (dvojvrstvé – tzv. tandemy a trojvrstvé články), z nichž každá substruktura (P-I-N) absorbuje určitou část spektra a maximalizuje se tak energetická využitelnost fotonů. Příkladem tandemového solárního článku je struktura skládající se z P-I-N přechodu amorfního křemíku a P-I-N přechodu mikrokrystalického křemíku. Amorfní křemík má vysokou absorpci v oblasti modré, zelené a žluté části spektra, mikrokrystalický křemík pak dobře absorbuje i v oblasti červené a infračervené. Mikrokrystalický křemík může být nahrazen i „slitinou“ křemíku s germaniem a dle zvoleného poměru se dají upravovat jejich optické (i elektrické) vlastnosti. Tohoto materiálu se např. využívá komerčně právě pro trojvrstvé solární články, kde dva spodní články jsou vyrobeny s různou koncentrací Si a Ge. 21

Základní podmínkou pro dobrou funkci vícevrstvých článků je, aby každý z článků generoval stejný proud. V opačném případě, horší z článků limituje dosažitelnou účinnost. Výsledné napětí je pak dané součtem obou článků.

3.4

Křemíkové monokrystalické články

Základní a nejstarší typ fotovoltaických článků jsou články vyráběné z monokrystalického křemíku tj. rozměr krystalů je v řádu 10cm. Vyrábí se z ingotů (tyčí) polykrystalického křemíku zpravidla Czochralského metodou tj. pomalým tažením zárodku krystalu z taveniny velmi čistého křemíku. Ingoty monokrystalického křemíku se rozřežou speciální drátovou pilou. Tato pila má podobu několika větších paralelně napnutých drátů, které s pomocí vhodného abraziva řežou najednou až několik ingotů. Tyto ingoty se řežou na plátky silné přibližně 0,25 až 0,35mm a v poslední době lze vyrábět i články o tloušťce pouze 0,1mm. Souběžně s poklesem tloušťky destiček se podařilo zmenšit i odpad řezání. Plátky se zarovnávají na rovnoměrnou tloušťku, vyleští a na povrchu odleptají, aby se odstranily nepravidelnosti a nečistoty. Polovodičový P-N přechod se na destičkách vytvoří přídavkem fosforu, který na povrchu utvoří vrstvu s vodivostí typu N. Z výše uvedeného postupu je vidět, že je to velmi energeticky i technicky náročná technologie, a není tedy divu, že se intenzivně hledaly cesty, jak ji zlevnit. Jednou z možností je rovnou táhnout z taveniny tenký monokrystalický pásek, který se dá rozřezat na solární články mnohem snadněji a ze stejného množství křemíku se dá vyrobit dvojnásobná plocha fotovoltaických článků. Účinnost tohoto typu článku je však o něco nižší než u článku vyrobených řezáním z velkých ingotů monokrystalického křemíku.

3.5

Fotovoltaické články z polykrystalického křemíku

Jde dnes o nejběžnější typ článků. Tyto články se vyrábějí odléváním čistého křemíku do vhodných forem a řezáním vzniklých ingotů na tenké plátky. Odlévání je podstatně jednodušší metoda než tažení monokrystalu a lze také připravit bloky se čtvercovým nebo obdélníkovým průřezem. Takto vyrobené články mají o něco horší 22

elektrické vlastnosti (nižší proud a účinnost), protože na styku jednotlivých krystalických zrn (jejich rozměry jsou řádově v milimetrech) je větší odpor. Zásadní výhodou je ale to, že výchozí surovina je levnější a lze ji vyrábět ve větších rozměrech a s obdélníkovým neb čtvercovým tvarem. Tento typ článků má zajímavý vzhled, viditelné hranice krystalů připomínají leštěný kámen a zdá se, že to, je činí oblíbeným u architektů.

Obr. 13 Struktura křemíkové článku

3.6

Fotovoltaické články z amorfního křemíku

Články z amorfního křemíku mají oproti dvou výše uvedeným typům výhodu v tom, že spotřebují podstatně méně materiálu, a ve výsledku jsou tedy při velkosériové výrobě znatelně levnější. Proces výroby je založen na rozkladu vhodných sloučenin křemíku ve vodíkové atmosféře. Tímto způsobem se dají připravit velmi tenké vrstvy křemíku na skleněné, nerezové nebo plastové podložce. Takto nanesená vrstva křemíku je amorfní, tj. nemá pravidelnou krystalickou strukturu a obsahuje určité množství vodíku. Díky větší absorpci slunečního záření může být podstatně tenčí (už vrstva o tloušťce 1µm pohltí 90% slunečního záření). Takto lze připravovat velmi tenké a ohebné fotovoltaické články a moduly, které se dají požívat jako krycí fólie na střechy nebo našít na oblečení. 23

Tento materiál má ovšem oproti krystalickému křemíku daleko méně pravidelnou strukturu s větším množstvím poruch. Některé atomy křemíku nemají kolem sebe potřebné sousedy, se kterými by mohly vytvořit vazbu. Vznikají tak nenasycené vazby, které vytváří energetické hladiny uvnitř pseudozakázaného pásu. Tyto rekombinační centra pak snižují účinnost. Snížení hustoty nenasycených vazeb je možno docílit jejich pasivací, nejčastěji vodíkem. Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení základních souvislostí konstrukce článků a panelů.

Kontrolní otázky: 1. Vysvětlete rozdíly jednotlivých vývojových generací fotovoltaických článků. 2. Křemíkové články monokrystalické články – výroba. 3. Fotovoltaické články z polykrystalického křemíku – výroba, použití. 4. Fotovoltaické články z amorfního křemíku – složení, výhody.

24

4.

Fotovoltaické solární systémy s pevným stojanem

4.1

Typy instalací fotovoltaických systémů

4.1.1

Ostrovní systémy (grid – off)

Ne vždy máme možnost využívat elektrickou energii dodávanou z distribuční sítě. Takováto situace může nastat na odlehlých chatách, zahradních domcích, odlehlých průmyslových objektech a podobně. Na těchto místech obvykle požadujeme komfort domova v podobě možnosti poslouchat rádio, sledovat televizi nebo si uložit netrvanlivé potraviny do lednice. Vybudování elektrické přípojky například v případě jachty nemusí být vůbec možné, nebo náklady na přípojku by byly neúnosně vysoké a neodpovídající získanému zážitku. Řešením takovéto situace může být fotovoltaický systém odpovídajícího výkonu. Ten se instaluje tehdy, když by bylo nutné vybudovat elektrickou přípojku delší než 500 metrů. Při budování ostrovního systému na výrobu elektrické energie je vhodné volit odpovídající spotřebiče, které fungují na stejnosměrný proud. Stejnosměrný proud je možné pomocí napěťového měniče přetransformovat na proud střídavý. Neméně důležitá je také spotřeba energie, čím menší je spotřeba, tím menší budou požadavky na akumulátory a výkon fotovoltaických panelů, a tím bude také celá instalace levnější.

Obr. 14 Ostrovní fotovoltaický systém

Jednak jsou to systémy s přímým napájením. U těchto systémů je připojené elektrické zařízení funkční po dobu dostatečné intenzity slunečního záření. Jedná se pouze o propojení solárního modulu se spotřebičem přes regulátor napětí.

25

Obr. 15 Schéma fotovoltaického systému s přímým napájením Dalším typem těchto ostrovních systému je systém s akumulací elektrické energie. Tato varianta je použita v případech, kdy potřeba elektrické energie nastává i v době bez slunečního záření. Z tohoto důvodu mají tyto systémy speciální akumulátorové baterie. Optimální nabíjení a vybíjení akumulátoru je zajištěno regulátorem nabíjení. K ostrovnímu systému lze připojit spotřebiče napájené stejnosměrným proudem, případně běžné síťové spotřebiče 230V/~50Hz napájených přes napěťový střídač.

Obr. 16 Schéma fotovoltaického systému s akumulací elektrické energie Posledním typem těchto systému jsou hybridní ostrovní systémy. Ty se používají tam, kde je nutný celoroční provoz a kde je občas používáno zařízení s vysokým příkonem. V zimních měsících je možné získat z fotovoltaického systému podstatně méně energie než v měsících letních. Proto je nutné tyto systémy navrhovat pro zimní provoz, což má za následek instalování vyššího výkonu a tím i zvýšení nákladů. 26

Výhodnější alternativou proto je rozšíření systému doplňkovým zdrojem elektřiny. Takovýmto zdrojem může být větrná elektrárna, elektrocentrála, apod.

4.1.2

Systémy připojené na síť (grid – connected)

Fotovoltaické systém připojené k rozvodné síti nejsou vzhledem k relativně kvalitní síti a stálosti dodávek elektřiny instalovány z důvodu nedostatku elektrické energie, jako je tomu u ostrovních systémů. Motivem instalace je zpravidla ekologický přínos fotovoltaického systému v tom, že při výrobě této elektřiny není vypuštěn žádný oxid uhličitý. Systémy připojené na síť jsou zpravidla budovány na rodinných domech nebo v průmyslových objektech, přičemž vyrobená energie je buďto přímo spotřebována v daném objektu nebo prodána do distribuční sítě. Pokud je elektrická energie vyrobená solárním systémem spotřebována přímo tam, kde je vyrobena, ušetří investor cenu energie, kterou by musel jinak nakoupit za tuto cenu a navíc dostane od odběratele dotaci ve formě tzv. zeleného bonusu. Tento typ systémů umožňuje využít dvojí typ způsobu využití vyrobené energie. Prvním typem jsou systémy pro vlastní potřebu a prodej přebytků. Systém v této konfiguraci obsahuje fotovoltaické panely připojené na napěťový měnič pro přeměnu stejnosměrného proudu na proud střídavý. Celý tento okruh je připojen na samostatný jistič a přepěťovou ochranu do rozvaděče v daném objektu. Solární systém je připojen na hlavní elektroměr, je tedy možné dodávat energii spotřebičům v domácnosti nebo ji v případě přebytků přes hlavní elektroměr předávat do sítě.

27

Obr. 17 Schéma systému pro vlastní potřebu a pro prodej přebytků do sítě

Fotovoltaické systémy pro prioritní odběr spotřebiči s možností prodeje přebytků jsou nejvýhodnější variantou, protože v případě vlastní potřeby nenakupujeme elektřinu ze sítě a naopak navíc inkasujeme od provozovatele distribuční sítě zelený bonus za výrobu elektřiny čistým způsobem. Další variantou jsou systémy pro prodej elektrické energie do sítě. Tyto systémy obsahují pouze fotovoltaické panely připojené na napěťový měnič, elektroměr pro odečet energie vyrobené fotovoltaikou. Tento okruh je připojen přes jistič a přepěťovou ochranu připojen ještě před hlavní elektroměr v daném objektu. Veškerá vyrobená energie je tedy dodávána do distribuční sítě za výkupní cenu.

Obr. 18 Schéma systému pro výhradní odběr elektrické energie do sítě

28

4.1.3

Fotovoltaické solární systémy s pohyblivým stojanem

Unikátní řešení solárních panelů na otočném zařízení, rozšířených o koncentrátory záření zvýší účinnost energetického zdroje až o 80 procent. Jedním z možných postupů, jak zásadním způsobem zvýšit energetický výnos fotovoltaických systémů, je jejich umístění na otočné zařízení. Solární panely se tak mohou dle aktuálních podmínek „natáčet“ za Sluncem a tím optimalizovat svoji efektivitu, která je samozřejmě nejvyšší tehdy, dopadá-li sluneční záření kolmo na panel. Realizované otáčivé zařízení má několik zásadních výhod. Mezi ty největší jistě patří rychlá návratnost pořizovacích nákladů, které se rychle vyrovnají navýšením energetického výkonu soustavy. Zásadním kladem je samozřejmě i relativní samostatnost, systém pracuje automaticky a bez nutnosti neustálého dozoru. Soustava navíc pro svůj provoz nepotřebuje žádný externí zdroj energie – pro otáčení využívá přímo sluneční energii a fyzikální vlastnosti použitých materiálů. Energetické výnosy tradičně instalovaných fotovoltaických systémů na našem území ve výkonu nikdy nedostihnou soustavy umístěné na vysoko položených náhorních plošinách centrální Asie a Jižní Ameriky. Pomocí nejrůznějších úprav a vylepšení ale můžeme místní výnosy co možná nejvíce zefektivnit. Zvyšujeme tak ostatně i přitažlivost solární energie pro místní výrobce, s vyšší efektivitou přicházejí i vyšší výnosy a vyšší zisky. 4.1.4

Další možnosti navýšení množství vyrobené energie, vyváženost systému

Sluneční elektrárny můžeme rozdělit na střešní a fasádní systémy pro výrobu elektřiny. Tyto instalace mají nespornou výhodu v tom, že střecha je prostorem obvykle jinak nevyužitelným. Střešní systémy jsou připojovány do elektrorozvodů daného objektu, což můře být nevýhodou, protože velikost budovaného systému je závislá na kapacitě elektrické přípojky objektu a velikost fotovoltaického systému tak může být přípojkou limitována. Instalace na fasády je možná buďto kolmo, tedy přímo na fasádu při ztrátě výkonu oproti optimálnímu sklonu přibližně 30%, nebo lze optimálního sklonu dosáhnout pomocí podpěrných konstrukcí na fasádu přimontovaných. Instalace na budovách mají nespornou výhodu ve faktu, že vyrobenou energii je možné spotřebovat přímo v budově a šetřit tak náklady na energii, které by bylo jinak nutné nakoupit. 29

Obr. 19 Schéma sluneční elektrárny Existuje ještě jeden typ fotovoltaických elektráren a to jsou fotovoltaické elektrárny instalované na pozemku, tzv. solární parky. Jde obvykle o velké systémy o výkonech v řádech stovek kWp až MWp, které jsou výkonnostně limitovány výhradně velikostí a charakterem pozemku a dále dostupností dostatečně kapacitní elektrické přípojky pro dodávání energie do rozvodné sítě nebo do regionální rozvodné sítě. Plocha potřebného pozemku pod panely je v případě budování v několika řádech přibližně 2,7 násobek plochy panelů, protože mezi jednotlivými řadami panelů musí být takové rozestupy, aby si panely navzájem nestínily. Nároky na rozlohu pozemku jsou tím menší, čím větší je pozemek jižně svažitější. Celý pozemek je nutné z bezpečnostních důvodů oplotit, nebo jinak zamezit přístupu neautorizovaných osob do prostoru elektrárny. Pozemek je nutné vybrat tak, aby v jeho blízkosti bylo buďto vysokonapěťové vedení 22kV, případně je možné vybudovat samostatné vedení přímo k rozvodně. Fotovoltaická elektrárna v blízkosti obytných domů není žádný problém, elektrárna nevydává žádné záření ani žádné hlukové emise, je však nutné o záměr umístění elektrárny dopředu řešit s místní samosprávou a předejít tak možným pozdějším nedorozuměním. Elektrárnu je možné umístit i na pozemek pastvin a skot využívat pro spásání trávy pod panely, je tak beze zbytku využít pozemek a odpadá část nutné údržby.

30

Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení principů solárních systémů, typů instalací a použití.

Kontrolní otázky: 1. Vysvětlete ostrovní systémy (grid – off). 2. Vysvětlete systémy připojené na síť (grid – connected). 3. Vysvětlete fotovoltaické systémy s pohyblivým stojanem. 4. Jaké jsou možnosti navýšení množství vyrobené energie? 5. Solárních elektrárny ve vašem okolí.

31

Testování životnosti fotovoltaických systémů

5. Prudký

rozvoj fotovoltaiky

přilákal

na

trh obrovské

množství

výrobců

fotovoltaických panelů a taktéž otázku spojenou s kvalitou této produkce. Většina výrobců má stejné či podobné záruky a panely jsou při srovnání katalogových listů prakticky identické. Na první pohled se tedy zdá, že jediným čím se liší je cena pořízení. Technická kontrola stavu fotovoltaické elektrárny je nezbytnou součástí. Pro vyhodnocení jakosti fotovoltaických panelů existuje řada sofistikovaných metod měření jejichž výsledkem je objektivní pohled na fotovoltaický systém. Použíté medody měření jsou - elektroluminiscence, termografie, flash testy, měření V- A charakteristik.

5. 1

ELCD TEST – elektroluminiscenční měření

ELCD test - Electroluminescence Crack Detection Test Tento test umožňuje detekci respektive zviditelnění materiálových a výrobních vad solárního článku. S jeho pomoci lze vyhodnotit jak kvalitu výrobního procesu článků, tak i případné defekty vzniklé při pozdější manipulaci s fotovoltaickými moduly. Dokáže odhalit skryté vady, nezjistitelné jinými metodami (flash test, V/A charakteristiky, termokamera). Především mikropraskliny mají zásadní vliv na dlouhodobou stabilitu výkonových parametrů fotovoltaických panelů. Základem tohoto testování je nahlédnutí do vnitřní struktury panelů, která zůstává pohledu oka skrytá. Pro názornost uvádíme příklady fotovoltaických článků, které se jeví jako bezvadné!

Obr. č. 20 Ukázka testovaných panelů

32

Je provedena: Detekce - zlomených článků a mikroprasklin ve struktuře článků Detekce odtržených kontaktů páskové sběrnice (busbar) Detekce chybějícího nebo přerušeného sítotiskového sběrného proužkuv (finger) Detekce nehomogenit a příměsí v krystalickém křemíku

Obr. 21. Ukázka testovaných panelů

5.2

Flash test

Základním testem výkonnosti parametrů je Flash test.Panely jsou testovány za standardních specifických podmínek, při osvětlení s intenzitou 1000W/m2 se spektrem AM 1.5.

Obr.

33

22.

Termokamera

Teplota jakéhokoli povrchu může být zachycena pomocí termografické kamery termokamera. Termokamera umožňuje měřit teplotu povrchu fotovoltaických panelů při jejich zatížení a odhalují v mnoha případech přítomnost nějakého problému. Pomocí termokamery lze odhalit například defekty elektrických komponent, jako jsou bypass diody a spojovací skříňky, stejně jako mechanické vady jako jsou delaminace nebo buněčné poškození. Termografie také pomáhá lokalizovat problémy s pájecími body, což může nakonec způsobit problémy v dlouhodobém horizontu. Výstupem termografické kamery jsou snímky, které určují spektrum teplot na povrchu měřeného objektu. V podstatě, kamera převádí neviditelné infra záření do viditelného spektravlnových délek. Každá barva definuje určitou teplotu. Termografie poskytuje rychlé a jednoduché informace o solárním modulu a určuje kvalitu a odhaluje výskyt možných budoucích rizik. Vzhledem k tomu, že termografické obrazy jsou obecně přijímané výrobci a velkoobchodníky jako důkaz vady, může tato služba pomoci vyřešit zajištění pohledávky velmi rychle.

Obr. č. 23 Ukázka termografických snímků

34

5.3

Měření V-A charakteristik

Provádíme analyzátorem fotovoltaických (solárních) panelů.Toto měření lze provádět přímo v areálu fotovoltaických systémů (FVS), je zde nutný jen přístup ke konektorům solárních panelů. Analyzátor solárních (fotovoltaických) panelů - VA charakteristika solárních panelů (automatický scan do 60V/12A) při analýze je prováděno: 1. měření max. výkonu 2. napětí naprázdno 3. napětí pro max. výkon 4. měření zkratového proudu 5. proudu pro max. výkon 6. výpočet účinnosti 7. možnost manuálního režimu.

5.4

Akumulace solární energie

Pro ukládání elektrické energie v izolovaných zařízeních se dnes používají výlučně elektrochemická zařízení, a sice akumulátory, které lze opakovaně nabíjet. V protikladu k bateriím, které nelze znovu nabíjet (primární články), se také nazývají sekundární články. V akumulátorech se ukládá elektrický proud prostřednictvím vratných chemických pochodů. Existují různé konstrukce, které se liší především prvky zúčastňujícími se procesu ukládání. Nejznámější typy akumulátorů jsou: 1. Olověné akumulátory 2. Nikl-kadmiové akumulátory 3. Nikl-metalhydridové akumulátory 4. Lithium-inotové akumulátory V izolovaných zařízeních se dnes z ekonomických důvodů používají téměř výhradně dlouho osvědčené olověné akumulátory. Olověný akumulátor má dvě deskové elektrody, kterými se říká také póly. V nabitém stavu se záporná deska skládá z čistého olova, druhá, kladná deska je z oxidu olovnatého. 35

Obě elektrody jsou obklopeny zředěnou kyselinou sírovou, čili elektrolytem. Během vybíjení reaguje materiál desek s kyselinou. Na obou plochách elektrod vzniká sirník olovnatý, zatímco hustota kyseliny elektrolytu klesá. Při nabíjení akumulátoru probíhá tento proces v důsledku přiložení nabíjejícího napětí obráceně, hustota kyseliny se opět přibližuje počáteční hodnotě. Protože kyselina se účastní jak nabíjení tak i vybíjení, dá se na základě koncentrace kyseliny určovat stav nabití akumulátoru. Nejdůležitějším znakem akumulátoru je jeho kapacita. Kapacita akumulátoru udává jaké množství elektrického proudu, který je možno odebrat z nabitého akumulátoru do jeho úplného vybití. Udává se v Ah (ampérhodina). Užitečná kapacita akumulátoru není konstanta, nýbrž silně závisí na velikosti vybíjejícího proudu. Při vyšších proudech je k dispozici menší kapacita než při malých proudech. Dalším významným parametrem je tzv. energetická účinnost. Ta popisuje poměr energie, kterou může akumulátor vydat, k energii přivedené do akumulátoru. Je v důsledku ztrát menší než 1 a v závislosti na typu akumulátoru činí 70% až 85%. Vysoká hodnota ukazuje na dobrou energetickou účinnost.

5.5

Regulátor nabíjení

Regulátor nabíjení

tvoří

spojovací

článek

mezi

solárním

generátorem,

akumulátorem a spotřebičem. Jeho úkolem je řízení procesu nabíjení a vybíjení. K tomu patří v podstatě tři úkoly: a) Zjistit optimální nabíjení akumulátoru, aby se dosáhlo co nejvyšší životnosti akumulátoru. Zejména musí regulátor nabíjení při dosažení koncového nabíjecího napětí buď odpojit solární generátor od akumulátoru, nebo nabíjecí napětí po určitý časový interval omezit na hodnotu koncového nabíjecího napětí přípustného pro daný akumulátor. b) Zabránit vybíjení akumulátoru přes solární generátor. Za tmy se solární generátor v důsledku svého vnitřního odporu chová jako spotřebič a bez určitých opatření by se přes něj akumulátor vybíjel. Regulátor vybíjení tedy zabraňuje „obrácenému proudu“ z akumulátoru do solárního generátoru.

36

c) Chránit akumulátor před hlubokým vybitím. Dojde-li ke snížení napětí akumulátoru pod hodnotu koncového vybíjecího napětí, odpojí regulátor nabíjení spotřebič od akumulátoru a zabrání tak poškození akumulátoru. Pro dlouhou životnost akumulátoru má dobré řízení nabíjení a zejména dobrá ochrana před hloubkovým vybitím rozhodující význam. Protože obojí závisí na přesném zjišťování stavu nabití, jsou k tomu dnes moderní nabíjecí regulátory vybaveny mikroprocesory. Kromě řízení nabíjení mohou regulátory nabíjení zčásti plnit ještě funkce řízení provozu, ochranné funkce a také dokáže přizpůsobit systém pro dané napětí.

5.6

Elektronické měniče - střídač (měnič stejnosměrného napětí na střídavé)

Střídač je elektronický přístroj, který převádí stejnosměrné napětí na střídavé. Převedení stejnosměrného napětí na střídavé se provádí elektronicky výkonnými tranzistory, s jejichž pomocí se proud až 20 000x za sekundu zapíná a vypíná. Tento převedený stejnosměrný proud je pak možno pomocí transformátoru přetransformovat na požadované vyšší výstupní napětí. Podle oblasti využití rozlišujeme dva druhy střídačů. Izolované střídače vyrábějí střídavý proud pro izolovanou síť oddělenou od veřejné rozvodné sítě a pracují bez vnějšího nastavování veličin, jako je frekvence nebo napětí. V izolované síti smí být v provozu vždy jen jeden střídač nebo generátor, protože by jinak v důsledku rozdílných forem elektrického proudu mohlo docházet k poškození přístrojů.Střídače paralelní se sítí jsou navrženy speciálně pro solární zařízení spojená s elektrickou rozvodnou sítí. Nastavují se na frekvenci a napětí sítě a posílají do sítě vyrobený solární elektrický proud synchronně se sítí. Síť střídavého napětí může být například domácí síť nebo veřejná síť. Dobré střídače dnes dosahují účinnosti až 95% v širokém pracovním rozsahu. I přimalém vytížení má dobrá účinnost svůj význam, protože střídač má po většinu času k dispozici jen část svého maximálního výstupního výkonu.Střídač odolný proti zkratu se při tomto zkratu automaticky vypne a zabraňuje tím poškození střídače samotného i jiných součástí solárního elektrického zařízení. Při přetížení střídač odpojí spotřebič, takže se zabrání poškození zařízení.

37

5.7

Užitečné měřicí přístroje

Provozní stav fotovoltaického zařízení je možno prověřovat pomocí různých měřicích strojů. Ty jsou užiteční zejména pro kontrolu izolovaných zařízení. U zařízení propojených s rozvodnou sítí je obvykle možno se kontrolních přístrojů vzdát, protože jsou již zabudovány ve střídači.Pomocí přístroje pro měření napětí je možno sledovat napětí systému. Je-li v systému akumulátor, je systémové napětí dáno stavem nabití akumulátoru, takže indikace napětí umožňuje činit určité závěry o stavu nabití. Přístroje pro měření proudu indikují proud v proudové cestě, tedy v jednom vodiči. Používají se pro měření proudu ze solárního generátoru nabíjejícího proudu akumulátoru a proudu tekoucího do spotřebiče. Pomocí bilancujícího čítače ampérhodin je možno mít kdykoliv informaci o aktuálním stavu nabití akumulátoru, pokud tuto funkci již neplní s dodatečnou přesností regulátor nabíjení. Čítač načítá a odečítá proudy tekoucí do a z akumulátoru a indikuje momentální stav nabití. Tyto přístroje jsou vybaveny i indikátorem okamžitého proudu a napětí.

Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení účelnosti testování solárních systémů.

Kontrolní otázky: 1. Vysvětlete ELCD TEST – elektroluminiscenční měření 2. Vysvětlete Flash test 3. Vysvětlete způsoby měření V-A charakteristik, co a jak měříme? 4. Vysvětlete akumulaci solární energie, jaké znáte typy akumulátorů, jaké jsou nabíjecí proudy, kapacita. 5. Vysvětlete účel a princip regulátoru nabíjení 6. Jaké další přístroje můžeme použít pro testy?

38

6. Aplikace solárních fotovoltaických systémů 6.1

Sluneční záření na zemi

První věc, kterou potřebujeme znát, chceme-li využívat sluneční záření k výrobě elektřiny, je to, jaký je využitelný potenciál tohoto zdroje, tj. kolik energie můžeme získat z dané plochy za určitou dobu, a na čem to záleží. Pokud používáme sluneční energii pro výrobu elektřiny na družicích pohybujících se na oběžné dráze kolem Země, je situace v zásadě jednoduchá a přehledná. Není-li Slunce zrovna zastíněno Zemí nebo jiným tělesem, dopadá na fotovoltaické panely stálý tok energie zhruba ve výši dané solární konstantou, tj. 1,4kW/m2. V kosmickém prostoru také zpravidla nebývá problém nastavit panel tak, aby na ně dopadlo záření téměř kolmo. Pokud ovšem instalujeme fotovoltaické panely na Zemi, pak se problémů objeví hned celá řada. Sluneční záření je totiž výrazně ovlivňováno momentálním počasím, znečištěním atmosféry, měnící se polohou Slunce na obloze v průběhu dne a roku a v neposlední řadě i stínění od jiných staveb nebo stromů.

6.1.1

Solární konstanta

V roce 1884 se Samuel Pierpont Langley pokusil odhadnout velikost sluneční konstanty v Mount Whitney v Kalifornii, pokusil se také eliminovat vliv absorpce energie atmosférou (odečítání hodnot v různých denních dobách). Bohužel dospěl k nesprávné hodnotě 2903W/m2, snad kvůli matematické chybě. Mezi roky 1902 a 1957, měření prováděná Charlesem Greeley Abbotem a dalšími z různých míst ve vysokých nadmořských výškách určila hodnotu mezi 1322 a 1465W/m2. Její dnes používaná hodnota je zhruba rovna 1367W/m2. Při pokusu určení solární konstanty z pozemských pozorování byla konstanta určena s nepřesností 2% vhledem k nestabilitě atmosférických podmínek a také proto, že atmosféra nepropouští sluneční záření v celém rozsahu spektra. Solární konstanta je výchozí údaj pro využití sluneční energie. Udává výkon slunečního záření procházející na hranici zemské atmosféry jednotkou plochy nastavené kolmo ke slunečním paprskům. V podstatě má 99,9% energie dostupné na zemském povrchu svůj původ ve sluneční energii.

39

Zbývající část představuje geotermální energie, energie přílivu a odlivu a jaderná energie. Střední hodnota solární konstanty, měřená posledních 30let je 1366W/m2.

6.1.2

Složky slunečního záření

Slunce se každým okamžikem uvolňuje velké množství energie, které je formou elektromagnetického záření předáváno do kosmu. Záření po 150 milionech km a 8,3 minutách dochází k planetě Zemi. Při průchodu zemskou atmosférou je část záření pohlcena, rozptýlena, odražena nebo vyzářena. Při jasné obloze dopadá největší část záření na Zemi, aniž by změnilo směr. Toto záření se nazývá přímé. Rozptylem přímého záření v mracích a na částečkách v atmosféře vzniká záření difúzní, které na Zemi přichází ze všech směrů. Souhrn přímého a difúzního záření se označuje jako globální záření.

Obr. 24 Závislost přímého a globálního záření na ročním období V letním období tvoří difúzní záření přibližně polovinu záření globálního. V zimě je díky častému oblačnému počasí tento podíl podstatně vyšší. V celoročním průměru obnáší podíl difúzního záření asi 60%. Intenzita záření v poledne je za zamračených dnů 40-200W/m2. Za jasných dnů pak 600-1000W/m2.Nabídka záření na zemský povrch kolísá také vlivem otáčení Země kolem Slunce.

40

V zimě přijímá severní polokoule méně energie než v létě, protože dny jsou kratší a Slunce je níže na nebi. Značně kolísající množství solárního záření je příčinou základního problému v technickém využívání solární energie. Po využití energie v solárních systémech je nutné instalovat zásobníky nebo přídavné systémy. Celosvětově jsou měřeny především hodnoty solárního záření. Délka slunečního svitu, měřená v hodinách za měsíc nebo rok (h/měsíc, h/rok). Zářivá energie na vodorovnou plochu tj. měsíční sumy globálního záření na vodorovnou plochu, měřené ve watthodinách na m2 (Wh/m2, resp. kWh/m2). Pro jednotlivá místa ne Zemi jsou k dispozici průměrné hodnoty těchto veličin za několik let.

Obr. 25 Průměrné množství slunečního záření na území Evropy za rok

V české republice se celková doba slunečního svitu pohybuje od 1400-1800h/rok. V horských a podhorských oblastech 1600h/rok a v nížinných oblastech jižní Moravy až 2000h/rok.

41

V našich klimatických podmínkách dopadá ročně na 1m2 vodorovné plochy 800-1250 kWh zářivé energie. Z toho přibližně 75% připadá na období od dubna do října a 25% na zbývající část roku.

Obr. 26 Průměrné množství slunečního záření na území ČR v kWh/m2 za rok

6.1.3

Přímé sluneční záření

Přímé sluneční záření je záření, které se dostává přes atmosféru na zemský povrch bez změny směru a reprezentuje svazek paralelních slunečních paprsků přicházejících přímo od Slunce. Charakteristickým znakem tohoto záření je, že jím osvětlené předměty vytvářejí ostré a ohraničené stíny. Při výpočtu vycházíme se solární konstanty, jejíž intenzita je průchodem atmosférou zeslabena. Oslabení přímého slunečního záření atmosférou definujeme podle Lambertova zákona ve tvaru:

I PZ I S e

a mT

IPZ…intenzita přímého slunečního záření IS…aktuální hodnota solární konstanty a…koeficient Rayleighyho absolutné čisté a suché atmosféry m…poměrná optická tloušťka atmosféry T…Linkeho faktor znečištění atmosféry 42

Sluneční paprsky se při průchodu atmosférou oslabují mimo jiné v závislosti na délce dráhy, kterou musí projít na cestě k zemskému povrchu. Je zřejmé, že k největšímu oslabení slunečního záření dochází při východu a západu Slunce a k nejmenšímu při kulminaci Slunce v zenitu. Proto měřítkem relativní optické tloušťky atmosféry je zenitní tloušťka, tedy pro výšku Slunce nad obzorem pod úhlem 90° je hodnota m=1. Extinkční Rayleighyho koeficient a vyjadřuje oslabení slunečního záření molekulami vzduchu ideálně čisté a suché atmosféry. Linkeho koeficient znečištění atmosféry T vyjadřuje množství Rayleighyho absolutně čistých a suchých atmosfér, které odpovídá danému reálnému stavu vlhkosti a znečištění reálného ovzduší.

6.1.3.1

Difúzní sluneční záření

Pro difúzní složku slunečního záření je charakteristické, že přichází z různých směrů. Dá se říct, že v ní převládá dopředný rozptyl, což znamená, že maximální množství difúzní radiace přichází ze směru Slunce. V konkrétním případě jeho intenzita a rozložení po obloze závisí na momentálních atmosférických podmínkách a distribuci oblaků. Intenzitu difúzního slunečního záření, za bezoblačné oblohy dopadající na horizontálně orientovanou rovinu vypočítáme podle vztahu:

I DZ

(0,22 0,025T ) ( I S

I PZ ) sinh 0

IDZ …intenzita difúzního záření T …Linkeho faktor znečištění atmosféry IS …aktuální hodnota solární konstanty IPZ …intenzita přímého slunečního záření h0 ...elevační výška Slunce Pro intenzitu difúzního záření při oblačné obloze pak platí vztah:

I DZ

(0,18 0,025T ) I S sinh 0

43

6.1.3.2

Odražené sluneční záření

Odražené sluneční záření je část slunečních paprsků, které se odráží od okolního terénu a dopadají na posuzovanou libovolně orientovanou rovinu. Toto záření neuvažujeme pro horizontální rovinu, protože horizontální rovinu tvoří okolní terén. Pro intenzitu odraženého slunečního záření bezoblačné oblohy platí vztah:

IO

0,5 (1 cos ) ( I DZ

I PZ sinh 0 )

IO ...intenzita odraženého slunečního záření ρ …koeficient odrazivosti okolního terénu γ…úhel sklonu posuzované roviny IDZ …intenzita difúzního záření při bezoblačné obloze IPZ …intenzita přímého záření při bezoblačné obloze Sečtením intenzity přímého, difúzního a odraženého slunečního záření získáme celkovou intenzitu slunečního záření tzv. globální intenzitu slunečního záření.

Účinnost fotovoltaického panelu je jednou z jeho nejdůležitějších parametrů. Udává kolik procent energie ze slunečního záření je článek schopen převést na energii elektrickou. Při této přeměně dochází k určitým energetickým ztrátám, např. částečná absorpce skleněným krytem solárního panelu, ztráta při přenosu elektrické energie vodiči, atd. Pro tuto účinnost musíme znát celkem tři parametry. Jedná se o celkovou energii E ze střídače, nebo energii z jednotlivých střídačů. Dále pak je potřeba znát celkovou plochu S panelů. Nakonec je nutné znát denní energii I dopadajícího slunečního záření v daný den. Pro výpočet samotné účinnosti tedy platí vztah

E S I

44

6.2

Aplikace organických fotovoltaických modulů

Představují zajímavou a perspektivní alternativu ke stávajícím fotovoltaickým zařízením. V těchto modulech je pro fotovoltaickou přeměnu využita tenká vrstva směsi aktivního organického materiálu na bázi polymeru, případně nízko molekulárních látek nebo elektrolytu. Vrstvy jsou deponovány na transparentní fólii opatřené tenkou transparentní vodivou elektrodou (často z vodivého polymeru), protipól tvoří kovová elektroda na opačné straně sendvičové struktury. Celá struktura je překryta další polymerní fólií, která spolu se spodní fólií chrání celý systém před vlivy okolní atmosféry a vlhkosti. Tímto způsobem je možno vytvořit solární moduly tvořené plně polymerními materiály a jednou kovovou elektrodou, proto jsou tyto moduly někdy označovány jako plastové solární články.

Obr. 27 Organické solární moduly

Stávající technologie umožňují připravit celou kompletní strukturu na využití metod blízkým tiskovým metodám (rotační tisk, roll to roll depozice a další), rovněž plošný tisk kovové elektrody ze stříbrných koloidních inkoustů je dnes již běžnou technologií. Celý produkční proces je tak výrazně rychlejší a levnější. Příkladem může být technologie firmy Konarka, která je jedním z lídrů organické fotovoltaiky. Výrobní linky této firmy dokončené v minulém roce jsou schopny produkovat organické solární moduly do šíře 2,5 metru rychlostí 30 metrů za minutu a vyrobit tak za rok solární moduly s výkonem 1GW. K tomuto bude použito pouze 5000 kg aktivního organického materiálu. 45

Špičkové účinnosti solárních článků dosahované v laboratoři se dnes pohybují od 8 do 12 procent v závislosti na použité technologii, komerčně vyráběné moduly dosahují přibližně poloviční účinnosti. Problémem je i relativně nízká životnost modulů v řádu několika málo let. Díky intenzivnímu výzkumu se však daří jak účinnost, tak životnost výrazně zlepšovat. Z aplikačního hlediska je velice zajímavá zejména kombinace organické fotovoltaiky s dalšími produkty tištěné elektroniky, které jsou v pokročilém stádiu aplikovaného výzkumu. Příkladem je organický světloemitující displej propojený s tištěnou baterii dobíjenou organickým solárním článkem. Vše může být doplněno řídící elektronikou, senzory a RFID systémem pro bezdrátový přenos dat. Všechny tyto komponenty přitom mohou být vyrobeny na jedné výrobní lince tiskovou technologií. Tento příklad ukazuje jednu z možností aplikací organické fotovoltaiky, kde nemůže být z důvodu technologické kompatibility nahrazena jinými fotovoltaickým zdroji. Současní světoví investoři, kteří velkoryse financují vývoj a rozvoj organické fotovoltaiky, však předpokládají, že v časovém horizontu pět až deset let se organická fotovoltaika stane plně konkurenceschopnou dalším fotovoltaickým technologiím. K tomu je potřeba dosáhnout takových parametrů jako je průměrná účinnost komerčních modulů přesahující 10%, životnost větší než deset let a cena menší než 0,5€ za Wattpeak.

K zajímavým aplikačním výstupům patří například vývoj

textilních solární článků, tedy solárních panelů, jejichž základním substrátem je textil. Smart textiles, tj. textilie obsahují senzory, detektory a další elektronické komponenty pro využití v armádě, bezpečnostních technologiích, automobilovém průmyslu, volnočasových výrobcích a dalších produktech. Organická

fotovoltaika

tak

výrazně

fotovoltaických technologií.

46

rozšiřuje

současné

možnosti

Obr. 28 Organické solární moduly v architektuře

Díky možnosti využít pro fotovoltaickou přeměnu v organických materiálech i rozptýlené difuzní světlo s nízkou intenzitou a možnosti konstruovat transparentní solární články tak organická fotovoltaika možná brzy pronikne i do interiérů budov, uplatní se v okenních tabulích a fasádních systémech.

Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení aplikace solárních fotovoltaických systémů, výpočet základních parametrů slunečního záření. Kontrolní otázky: 1. Vysvětlete energetický tok slunečního záření na zem. 2. Vysvětlete solární konstantu a složky slunečního záření. 3. Vysvětlete způsoby měření V-A charakteristik, co a jak měříme? 4. Vysvětlete, co jsou organické fotovoltaické moduly.

47

7.

Ekonomika solárních fotovoltaických systémů

7. 1

Návratnost a výnosy

Návratnost vložených prostředků je jistě jedno z nejdůležitějších kritérií při rozhodování o budoucí investici. Díky podpoře státu v minulých letech byla fotovoltaika velice zajímavou z hlediska návratnosti vložených prostředků.Veškerá data potřebná pro výpočet ročních výnosů jsou jasná a měřitelná. Pro výpočet návratnosti musíme znát především: - celkovou výši investice - předpokládané množství získané energie v kWh - výkupní cenu

7.1.1

Výše investice

Ovlivňuje několik faktorů. Zejména je to instalovaný výkon, tedy jak velkou máme k dispozici volnou plochu vhodnou k instalaci fotovoltaických panelů. Mezi výkonem a cenou elektrárny není přímá úměra, protože obecně platí, čím vyšší bude instalovaný výkon, tím nižší budou náklady na instalovaný kWp. Dalším faktorem, který ovlivňuje cenu, je bezesporu nosná konstrukce. Nejlevnější instalace jsou zpravidla na sedlových střechách s vhodnou orientací k jihu, kde nosnou část tvoří pouze hliníkové profily přichycené speciálními háky ke krokvím střechy. Čím více se plocha sedlové střechy odchyluje od jihu, tím více bude nosná konstrukce komplikovanější a dražší. Také na plochých střechách nebo dokonce na volných prostranstvích nosná konstrukce zvyšuje cenu investice.

7.1.2

Předpokládané množství získané energie

Díky dlouhodobému měření slunečního záření, počtu bezoblačných dnů a jiných veličin, dnes víme, že v našich zeměpisných šířkách dopadne na 1m2 vodorovné plochy zhruba 950-1340kWh energie. Jsou to samozřejmě dlouhodobé průměry, takže roční hodnoty se mohou mírně lišit. 48

Uvažujeme-li účinnost panelu 14% a ideální orientaci fotovoltaických panelů k jihu, získáme 140kWh/m2 elektrické energie ročně. Aby se návratnost lépe počítala, převedeme si plochu na jednotku instalovaného výkonu, tedy na 1kWp. U monokrystalických panelů potřebujeme cca 8m2 na 1kWp výkonu, platí tedy, že 140kWh x 8m2 = 1120kWh/m2 a rok. Pokud odečteme další ztráty (vedení, invertor, úhlová odrazivost) dostaneme se na reálných 1000kWh vyrobené elektrické energie z jednoho kWp instalovaného výkonu za rok.

7.1.3

Výkupní cena

každoročně vyhlašuje Energetický regulační úřad platným cenovým rozhodnutím. Výši každoročně získaných prostředků lze ovlivnit také vhodně zvolenou formou výkupu vyrobené energie.

7.2.

Výpočet výnosů a návratnosti

V modelovém příkladu uvažujeme fotovoltaickou elektráru o výkonu 1kWp umístěné na střeše rodinného domu s ideální orientací a sklonem (30-35°). Fotovoltaický systém 1kWp V domě se bude většina vyrobené elektrické energie spotřebovávat. Celková investice

109 000 Kč (cena s 9% DPH)

Množství ročně vyrobené energie

1000 kWh

Zelený bonus ?

12,42 Kč/kWh

Cena silové elektřiny

3,50 Kč/kWh

Návratnost vypočítáme podílem výše investice a součtu ročního výnosu a ušetřených peněz za nenakoupenou elektrickou energii. Dále je nutné počítat s degradací fotovoltaického panelu o cca 1% ročně, což ve výpočtu zastupuje konstanta 0,887. Návratnost = 109 000 Kč/(((1 000kWh x 12,42 Kč) + (1 000kWh x 3,50 Kč)) x 0,887) = 7,96 roku 49

Z výpočtu vyplývá, že při zvolené podpoře Zelenými bonusy je možné v prvním roce vydělat: Zelený bonus za vyrobenou elektřinu

12 420 Kč

Ušetřená, nenakoupená elektřina

3 500 Kč

Celkový roční výnos

15 920 Kč

V tomto případě vychází návratnost vložené investice přibližně na 8 let, po těchto 8 letech bude již jenom vydělávat a šetřit. Uvedený výpočet nezohledňuje cenový vývoj Zeleného bonusu a cenu silové elektřiny, nelze predikovat. Výše Zeleného bonusu je každoročně vyhlašována Energetickým regulačním úřadem v cenovém rozhodnutí a cenu silové elektřiny určuje energetická burza a místní distributor. Zelený bonus je tedy jakási protiváha k ceně silové elektřiny tak, aby byla zachována patnáctiletá doba návratnosti investic a zajištěn přiměřený zisk. Návratnost vypočítáme rozdílem výše investice a každoročním výnosem z prodeje.

Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení ekonomiky solárních fotovoltaických systémů, návratnost. Kontrolní otázky: 1. Vysvětlete návratnost a výnosy. 2. Co tvoří výši investice. 3. Jaké je předpokládané množství získané energie. 4. Proveďte výpočet výnosů a návratnosti.

50

8.

Solární tepelné soustavy

8.1

Charakteristika, princip činnosti a účinnost Fototermickým solárním systémem rozumíme zařízení, které se skládá z různých

součástí, jejichž celek zajišťuje co nejdokonalejší přeměnu slunečního záření na tepelnou energii (např. pro ohřev užitkové vody, ohřev vody v bazénech, pro přitápění, sušení, větrání atd.). Základem fototermického solárního systému jsou vždy solární kolektory. Velmi často dochází v terminologii k záměně solárních kolektorů a solárních článků, proto na tomto místě zdůrazňujeme, že solární články slouží k přeměně slunečního záření v elektrický proud a je o nich podrobně pojednáno v předešlých kapitolách fotovoltaických systémů. Samotný solární kolektor k přeměně sluneční energie na teplo nestačí. Abychom tuto energii mohli dále využít, jsou nutné ještě další součásti, které jako celek tvoří celý solární systém. Teprve tento celek může spolehlivě přeměňovat a přenášet energii. Pro vysvětlení základního principu činnosti solárního systému využijeme níže uvedeného velmi jednoduchého schématu, kde jsou zobrazeny pouze: kolektor, zásobník vody, čerpadlo a regulace. Samotný princip činnosti je velmi jednoduchý. Sluneční záření dopadá na kolektor,ve kterém je absorbér (většinou měděný plech s černou selektivní vrstvou - viz dále v textu).Na tento absorbér jsou ze spodní strany přiletovány měděné trubky, ve kterých je kapalina – teplonosné medium. Sluneční záření dopadající na absorbér způsobuje jeho zahřívání azvyšování teploty. Jednoduchá elektronická regulace pomocí teplotních čidel neustále vyhodnocuje rozdíl teplot v zásobníku a v kolektoru. V okamžiku, kdy je v kolektoru vyšší teplota než v zásobníku (tzn. můžeme využít teploty media v kolektoru k ohřátí vodyv zásobníku), spustí regulace oběhové čerpadlo, které dopraví teplé médium do zásobníku teplé vody a dojde k předání tepelné energie. Celý cyklus trvá dokud se teploty v kolektoru a zásobníku nevyrovnají. Pak se celý systém zastaví a opět se čeká na nahřátí kolektoru. Hlavní snahou při navrhování solárních systémů je, aby vždy, když kolektor produkuje dostatek využitelného tepla, docházelo k jeho spotřebě buď převedením tepla do zásobníku nebo jiným přímým využitím.

51

Solární systémy jsou v dnešních podmínkách z převážné většiny provozovány po celýrok. Z tohoto důvodu se používá jako teplonosné médium nemrznoucí kapalina, která zaručíceloroční funkčnost. Přestože se v současné době při výrobě kolektorů používají nejnovější technologie k přeměně slunečního záření, účinnost přeměny slunečního záření ve finální využitelnou tepelnou energii je kolem 50%. Jestliže v našich podmínkách dopadá na 1m2 cca1000-1100 kWh, získáme při využití solárního systému z jednoho m2 instalované kolektorovéplochy cca 500-550 kWh tepelné energie. Účinnost samotného kolektoru je samozřejmě vyšší.K velkým ztrátám dochází při transportu v potrubním okruhu a na výměníku. Různí výrobci uvádějí účinnost samotných kolektorů až 75%.

Obr. 29

Fototermickým solárním systémem

Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení účelnosti solárních tepelných soustav. Kontrolní otázky 1. Vysvětlete charakteristiku, princip činnosti a účinnost.

52

Solární soustavy pro přípravu teplé vody

9.

Solární systémy můžeme kategorizovat podle velkého množství kritérii. Jako základní rozdělení solárních systémů považujeme rozdělení na systémy: - se sezónním provozem - s celoročním provozem Solární systémy se sezónním provozem se používají především k ohřevu venkovních bazénů přes letní sezónu za účelem prodloužení koupacího období a zvýšení teploty bazénové vody. Je možno je také využít k ohřevu užitkové vody např. na zahradách, zahradních domcích, chatách apod. Nejčastěji se však solární systémy využívají k celoročnímu provozu a to především naceloroční ohřev vody, případně v kombinaci s celoročním ohřevem vnitřních bazénů nebov kombinaci se sezónním ohřevem venkovních bazénů a přitápění. Dále se mohou dělit na systémy: - samotížné - hnané (s nuceným oběhem teplonosného media)

9.1

Princip samotížného systému Kapalina v kolektoru se vlivem dopadajících slunečních paprsků ohřívá a

roztahuje. Samovolně stoupá v trubkách vzhůru k zásobníku s vodou a zde dochází k předání tepelné energie z transportní kapaliny do vody a tím tedy ohřívání TUV (teplá užitková voda). Ochlazená kapalina zase klesá zpět dolů do kolektoru. Tento systém pracuje na základě tzv. termosifonového efektu. Ke své funkčnosti nepotřebuje elektronickou regulaci ani solární hnací jednotku. Podstatné je, že zásobník s vodou musí být umístěn výše než kolektor (na půdě, v podkroví atd.)

9.2

Princip hnaného (nuceného) systému V kolektorové ploše je ohřívána nemrznoucí kapalina vlivem dopadajících

slunečních paprsků. V případě, že je elektronickou regulací vyhodnoceno dosažení

53

nastaveného minimálního teplotního rozdílu mezi kolektorovou plochou azásobníkem, tzn. že je nastavena na určitou diferenci, je uvedena do chodu solární hnací jednotka. Ta zajistí cirkulaci ohřáté teplonosné kapaliny k zásobníku. Zde je získaná energie předána vodě v zásobníku prostřednictvím tepelného výměníku a ochlazená směs putuje zpětdo kolektorové plochy.

Legenda: 1 Kolektorová plocha 2. Odvzdušňovací ventil 3. Expanzní nádoba 4. Pojišťovací ventil 5. Teplonosné medium 6. Zásobník

Obr. 30 Schéma samotížného systému

54

Obr. 31 Schéma hnaného systému

Legenda: 1 Kolektorová plocha 2 Odvzdušňovací ventil 3

Solární hnací jednotka

5

Elektronická regulace

6 Teplonosnémédium 7 Pojišťovací ventil 8 Zásobník

55

10.

Solární kombinované soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění

Jak již bylo uvedeno, samotný kolektor bez zapojení do celého solárního systému nedokáže dopadající sluneční záření využít a přenést na místo spotřeby. Nyní si vysvětlíme podrobněji základní schéma solárního systému a popíšeme nejdůležitější komponenty. Z praktického využití nás zajímá rozdělní solárních systémů dle způsobu využití přeměněného slunečního záření. Nejčastěji se fototermické solární systémy využívají pro: - ohřev teplé užitkové vody - ohřev bazénů - přitápění (možno i přímo prostřednictvím vzduchových kolektorů) - temperaci objektů - ve speciálních případech k technologickým procesům Kromě běžně uváděných případů využití solárních systémů nacházejí solární systémy své místo i v netradičním použití. V zeměpisných místech, kde intenzita slunečního záření dosahuje kolem 2000 kWh/m2, slouží například jako solární vařič. V místech s nedostatkem pitné vody slouží solární systém k destilaci – odsolování mořské vody a přípravu pitné vody.

10.1

Prvky solárních soustav

Solární kolektory jsou zařízení, které mění dopadající sluneční záření (nositel energie) na energii tepelnou. Fototermické kolektory můžeme rozdělit na základě ohřívaného média na: - kapalinové (teplonosné médium je kapalina a slouží především k ohřevu teplé užitkové vody, ohřevu bazénů a přitápění) - teplovzdušné (teplonosné médium je vzduch – využití pro ohřev vzduchu v místnosti,temperování objektů, sušičky atd.) - kombinované (kombinace obou výše uvedených)

56

Fototermické kolektory můžeme ještě dále rozdělit podle tvaru absorberu na: - ploché (nejčastější využití na našich zeměpisných podmínkách) - vakuové trubice (vakuum snižuje tepelné ztráty a tím zvyšuje účinnost) - koncentrační (Fresnelova čočka – koncentruje záření na menší absorpční plochu)

Obr.32 Plochý kolektor Obr. 33Vakuový kolektor Obr.34 Koncentrační kolektor

Složení plochého kapalinového kolektoru

10.2

Základními komponenty kapalinového kolektoru jsou : - absorbér - pouzdro kolektoru - sklo - izolace

57

Obr.35 Kapalinový kolektor

Obr.36 Absorbér

Absorbér – nebo je také uváděn jako jímací plocha, je vytvořen ze speciálních, nejčastěji měděných či hliníkových lamel nebo měděného plátu, které jsou pokryty vysoce selektivním spektrálním nánosem (nejčastěji speciální černá barva s příměsí skla nebo jinýchkrystalických látek) charakterizovaným vysokou absorptivitou a minimální emisivitou (např. α=0,96; ε=0,06) u Crystal Clear TM. Dalšími běžně využívanými selektivními vrstvami s podobnými vlastnosti jsou např. Tinox nebo Sunselect. Tato selektivní vrstva má vyšší účinnost než obyčejná černá barva, která je daná vyšší schopností přijmout sluneční záření a současně minimální schopností ho odrazit zpět do prostředí. Další výhodou je především schopnost pohlcovat difúzní záření, které má v našich podmínkách výrazný podíl na celkovém množství dopadající sluneční energie a tím výrazně přispívá k vysoké účinnosti systému. lamely nebo plát jsou vysokofrekvenčně navařeny, napájeny či vlisovány na měděné trubky, v nichž proudí obvykle nemrznoucí směs.

Ta zajišťuje možnost celoročního provozu

kolektorů, tedy i v zimě. Absorbér je uložen do hliníkové vany či kazety složené z hliníkových nebo nerezových profilů. 58

Pouzdro kolektoru – je v podstatě nosná část celého kolektoru. V praxi jsou využívány nejčastěji dva typy. Prvním je vana ze slitiny hliníku, do které se vkládá izolace, absorbér a speciálními lištami se upevní sklo. Druhou možností je systém hliníkových či nerezových bočních profilů (které složením vytvářejí tzv. kazetu), kdy dnem kolektoru se stává plech s izolací nebo v některých případech pevná izolace (na bázi polyuretanu s hliníkovou fólií). Sklo je upevněno podobným způsobem jako u van nebo přichyceno horním profilem. Sklo – na výrobu plochých kapalinových kolektorů se používá speciální bezpečnostnísolární sklo, které je nejčastěji 3,2-4mm, kalené a vyrobeno se sníženým obsahem železa anečistot, které zhoršují propustnost světelného záření. U některých výrobců je sklo speciálněrastrované s jemnou pyramidální strukturou. Izolace – je velmi důležitá součást kolektoru a slouží k izolaci spodní a boční části kolektoru proti úniku přeměněného tepla. Nejčastěji se používá minerální vlna nebo pevnějšípolyuretan.

10.3

Podmínky pro umístění kolektoru

Při umístění kolektoru jsou rozhodující následující faktory: - místo instalace - orientace vzhledem ke světovým stranám - sklon kolektoru Solární kolektory se umisťují na rovnou i sedlovou střechu, případně na uzpůsobené konstrukce na volný terén. U výškových budov lze kolektorovou plochu umístit i na fasádu.

Podstatná je orientace a sklon solárního panelu. Kolektory je

možno umístit na jakoukoliv střešní krytinu, ať už jde o klasické střešní tašky, šindele, plechovou nebo eternitovou střechu. Při výběru vhodného místa na umístění kolektorové plochy bereme v úvahu minimalizaci vzdálenosti mezi kolektorovou plochou a místem transportu teplonosné kapaliny, abychom zajistili co nejmenší tepelné ztráty v rozvodném potrubí.

59

10.3.1

Orientace

Nejvhodnější je jižní orientace s mírným odklonem na jihozápad (asi 15°), bez znatelného snížení účinnosti je možno jej orientovat také 15° od jihu na jihovýchod. Je to z důvodu toho, že Slunce „putuje“ (i když se samozřejmě otáčí Země, nikoliv Slunce) z východu na západ přes jih, nikoliv přes sever. Navíc odpoledne svítí déle než dopoledne, proto je vhodný mírný odklon kolektoru na jihozápad. Jak již bylo uvedeno, samotný kolektor bez zapojení do celého solárního systému nedokáže dopadající sluneční záření využít a přenést na místo spotřeby. Nyní si vysvětlíme podrobněji základní schéma solárního systému a popíšeme nejdůležitější komponenty.

10.3.2

Sklon kolektoru

Zde je nutno volit kompromisní řešení sklonu kolektoru vzhledem k rovině. V létě Slunce svítí více shora, proto by ideální sklon byl do 20°. V zimě však svítí více z horizontu a kolektor by bylo vhodnější dát více kolmo, tedy 60°- 90°. Aby se kolektor nemusel umisťovat na nějaké rotační zařízení, které by celý systém prodražovalo, volí se zpravidla sklon 35°- 45°.

Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení jednotlivých systémů a jejich ekonomického použití. Kontrolní otázky: 1. Vysvětlete princip samotížného systému. 2. Vysvětlete princip hnaného systému. 3. Vysvětlete složení a funkci solárních kombinovanuch soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění. 4. Vysvětlete prvky solárních soustav, jejich požití a instalace.

60

11.

Teplovzdušné solární vytápění

Základní částí jsou teplovzdušné solární kolektory - podobně jako u kapalinových solárních kolektorů se opět jedná o ploché panely s průsvitnými nebo průhlednými skly, pod nimiž je systém trubek naplněných vzduchem. Teplovzdušné sluneční kolektory jsou obvykle ve funkci topidel napojeny na teplovzdušné vytápěnídomu. V teplovzdušném kolektoru dochází k ohřevu vzduchu slunečním zářením, ohřátý vzduch je pak ventilátory vháněn do systému teplovzdušného vytápění objektu, kde ve spojení s rekuperační jednotkou slouží zároveň jako vytápění, ventilace i klimatizace. Nevýhodou je absence ohřevu teplé užitkové vody, který musí být řešen samostatným agregátem na odlišném principu.

Obr. 37 Schémateplo vzdušného vytápění

Kolektorová plocha– složená z nosných konstrukcí a kolektorů Zásobník (boiler)– místo ohřívaného média. Obvykle všechny solární systémy, které jsou montovány i za jiným účelem, než je ohřev TUV mají alespoň malý zásobník na TUV. Ten může být dle dispozice stojatý (stojí na nohách na zemi) nebo závěsný (zavěšen na stěně či stropě). Dále můžeme tyto zásobníky dělit dle způsobu dohřevu na

61

- speciální solární (jeho účelem je pouze akumulace teplé vody. Může obsahovat vložený výměník nebo jen vstup a výstup media do výměníku externího) - bivalentní či trivalentní – znamená, že jeden zásobník je ohřívaný ze dvou nebo třízdrojů

(vložený

další

zdroj

dohřevu,

který

zajišťuje

dohřev

požadovanouteplotu v případě nedostatečného ohřevu solárním systémem.

media

na

Jedná se

nejčastěji oelektrickou vložku či plynovou spirálu) Výměník – zařízení sloužící u dvouokruhového systému k předání tepelné energie mezi teplonosnou kapalinou (nemrznoucí směs) a ohřívaným mediem (voda, topná voda). Při dimenzování výměníku je velmi důležitá jeho teplosměnná plocha).V praxi se používají: - vložený výměník (přímo v zásobníku) a to jako dvouplášť po obvodu zásobníku nebo vložený vlnovec - extení výměním (deskový nebo trubkový)

Obr.39 - Trubkový výměník

Obr.40 - Zásobník s vloženým výměníkem Obr. 41- Deskovývýměník

62

Potrubní rozvody– nejčastěji jsou využívány měděné potrubní rozvody a to s ohledem na malý hydraulický odpor a vysokou odolnost proti značnému kolísání teplot v primárním okruhu. Potrubní rozvody je nutné po celé trase izolovat a tím zabránit zbytečnýmtepelným ztrátám. Oběhové čerpadlo– slouží k zajištění proudění teplonosné kapaliny mezi solárnímkolektorem a místem předání tepelné energie (zásobník, akumulace, bazén atd).Oběhové čerpadlo musí být pro správný chod přesně dimenzováno na základěpožadovaného průtoku a propočítané tlakové ztráty celého potrubního rozvodu. Zpětná klapka– zabraňuje zpětné cirkulaci v primárním okruhu v období mimo provoz slunečních kolektorů (např. v noci, kdy teplonosná kapalina odebírala teplo v zásobníku a na principu samotížné soustavy by stoupala do kolektorů, kde by se vychlazovala) Elektronická regulace– její hlavní úlohou je řízení oběhového čerpadla s dosažením maximálního výkonu celého solárního systému. Její základní funkce spočíváv porovnávání teplot mezi teplotou v kolektoru a teplotou v zásobníku, a v případě, že jeteplota v kolektoru vyšší o nastavenou hodnotu (např.5 stupňů) sepne oběhové čerpadloa nahřátá teplonosná kapalina je z kolektoru dopravována do místa předání (boiler,akumulace, bazén) V případě vyrovnání teplot se oběhové čerpadlo automaticky zastaví. Expanzní nádoba - primárního okruhu – slouží k vyrovnání tlaku v primárním okruhu fototermického systému. Vlivem změny teploty media v primárním okruhu se mění tlak v systému a expanzní nádoba je jeden z prvků solárního systému, který zabránípoškození rozvodů či jiných komponent. Expanzní nádoba je obvykle nastavena na 3,5baru. Dimenzování expanzní nádoby musí být provedeno s ohledem na velikost systémua fyzikální vlastnosti teplonosné kapaliny. Pojistný ventil – prvek solárního systému, který slouží při zvýšení provozního tlakuv primárním okruhu k vypuštění části kapaliny na střechu objektu a tím snížení tlaku napožadovanou teplotu. V případě jeho umístění uvnitř objektu je nutné jeho svedení dootevřené nádoby nebo přímo do odpadu. Pojistný ventil se dimenzuje dle součástis nejnižším provozním tlakem

63

Odvzdušňovací ventil – je umístěn na venkovní, zpravidla nejvyšší části solárního systému. Slouží k automatickému odvzdušnění primární části solárního okruhu, čímž zachovává bezúdržbový chod solárního systému. Vlivem odvzdušnění dochází k poklesuprovozního tlaku, je tudíž nutné v pravidelných intervalech kontrolovat tlak a v případěpotřeby primární okruh dotlakovat. Nemrznoucí kapalina – teplonosné médium určení pro přenos tepla mezi kolektorem a místem užití (zásobník, bazén atd.) Jednou z vlastností mimo přenos tepla je skutečnost, že tato kapalina má nízký bod tuhnutí (obvykle kolem -32 stupňů Celsia) a i v tomto případě vytvoří emulzi, která nepoškodí potrubní rozvody. Tím je zajištěna možnost celoročního provozu solárních systémů.

Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení jednotlivých systémů teplovzdušného solárního vytápění, na ekonomické využití.

64

12.

Energetické parametry solárních soustav

Jak již bylo uvedeno výše v textu, základním prvkem solárního systému jsou slunečníkolektory. Ty jsou upevněny pomocí konstrukcí či střešních držáků na střeše či jinémvhodném místě a propojeny s místem ohřívané kapaliny (boiler, bazén atd.). Celý systém může být jednookruhový (většinou sezónní ohřev bez použití nemrznoucí kapaliny a výměníku, ohřívá se přímo požadované médium) nebo dvouokruhový (celoroční provoz - tepelná energie se předává prostřednictvím výměníku požadovanému médiu). Předání tepelné energie zajišťuje oběhové čerpadlo, které je ovládáno elektronickou regulací. Samotížné systémy oběhové čerpadlo a regulaci neobsahují, zde výměna kapaliny probíhá na základě fyzikálních vlastností. Celý solární systém je chráněn jistícími prvky a to odvzdušňovacím ventilem, expanzní nádobou a pojišťovacím ventilem. V expanzní nádobě je pryžová membrána, která se při zvýšeném tlaku stlačuje a absorbuje zvětšený objem teplonosné směsi. Vedle ní je instalovaný pojišťovací ventil, ve kterém je pružina nastavená na určitý tlak a v případě, že by se tato nastavená hodnota překročila, dojde k odpuštění směsi. Automatický odvzdušňovací ventil má za úkol vylučování plynů z transportní (teplonosné) kapaliny. Aby však systém dobře fungoval, musí být dobře dimenzován, což znamená, že všechny prvky solárního systému musí být sladěné; kolektorová plocha, objem a tlaková odolnost zásobníku, průměr a délka trubkových rozvodů, velikost expanzní nádoby a pojišťovacího ventilu. Solární systémy se zpravidla kombinují se stávajícími zdroji energie, proto lze říci, že solární systém funguje jako předehřev. V období vyšší sluneční aktivity je solární systém schopen ohřát veškerou spotřebu teplé užitkové vody TUV a musí se řešit otázka tepelných přebytků. V zimních měsících a v obdobích, kdy je sluneční aktivita velmi nízká jsou solární kolektory schopny ohřát vodu jen do určité teploty a dohřátí na požadovaných 55° či výše musí provést jiný zdroj, zpravidla stávající (plynový kotel, elektrokotel). Solární zásobník se proto instaluje sériově před stávající zásobník TUV. Samostatné zapojení solárního zásobníku je energeticky nejpříznivější. Ne vždy je však možno toto zapojení instalovat, většinou z důvodu prostorového omezení.V těchto

65

případech, kde není místo na dva zásobníky, je možno použít jeden bivalentní nebo trivalentní zásobník, tzn., že zásobník se ohřívá ze 2 nebo 3 zdrojů.

12.1

Využité tepelné zisky

Základním parametrem solárních soustav jsou celkové využité tepelné zisky, z nichž je možné odvodit další parametry pro hodnocení. Za využité tepelné zisky solární soustavy v kWh/rok nebo GJ/rok jsou považovány ty, které solární soustava včetně zohlednění všech svých ztrát dodá do dané aplikace pro krytí potřeby tepla. Tepelné zisky solární soustavy je vhodné v optimálním případě stanovit na skutečné hranici mezi vlastní solární soustavou a danou aplikací. Stanovení solárních zisků pouze kolektorového pole, resp. kolektorového okruhu před vstupem do solárního zásobníku nezohledňuje tepelné ztráty kolektorového okruhu Qz,ko, resp. solárního zásobníku Qz,sz a může nadhodnocovat reálné přínosy solární soustavy do dané aplikace. V řadě případů však s ohledem na jednoduchost a spolehlivost měření se zisky solární soustavy stanovují jako teplo Qk dodané z kolektorového okruhu do solárního zásobníku. Využité solární zisky nejsou závislé pouze na kvalitě navržených komponent (kolektor, zásobník), na tepelných ztrátách soustavy (rozvod potrubí, solární zásobník) a na orientaci a sklonu solárních kolektorů, ale především na návrhu plochy solárních kolektorů vzhledem k potřebě tepla, tzn. využitelnosti tepelných zisků kolektorů pro krytí potřeby tepla.

12.2

Roční úspora energie

Samotné využité solární zisky nemusí mít o skutečné úspoře instalací solární soustavydostatečnou vypovídající schopnost. Vyšší přínos instalací solárních soustav je patrný především tam, kde svými zisky uspoří produkci tepla zdrojem s nízkou provozní účinností, např. předimenzovaný a cyklující kotel spalující fosilní palivo (plyn) svázaný s vysokouspotřebou paliva a produkcí emisí. Pro stanovení úspory paliva, resp. úspory primární energie instalací solární soustavy je proto nezbytné předně určit provozní 66

účinnost nahrazovaného zdroje tepla. Na druhé straně, pokud má solární soustava nahradit účinný kotel na spalování biomasy, který má relativně nízký negativní dopad na životní prostředí, bude taková instalace vykazovat nízké snížení spotřeby primárních paliv a emise znečišťujících látek.

12.3

Měrné využité tepelné zisky solární soustavy

Měrné využité tepelné zisky solární soustavy Qss,u v kWh/(m2.rok), tzn. celkové roční zisky vztažené k instalované účinné ploše solárního kolektoru (zpravidla ploše apertury), jsou ve své podstatě ekonomickým parametrem. Roční měrný zisk, resp. úsporu z 1 m2 instalované plochy kolektorů lze potom porovnat s měrnými investičními náklady na pořízení solární soustavy pro rychlý náhled na ekonomické parametry. Měrné tepelné zisky Qss,u jsou nejčastěji hodnoceným kritériem energetické kvality solárních soustav.

Obr. 42 Zjednodušené schéma solární soustavy pro přípravu TV a její energetická bilance

67

12.4

Dodatková energie Dodatkový zdroj tepla slouží pro dohřev v solární soustavě v případě, že

energie produkovaná solárními kolektory nedokáže pokrýt potřebu tepla. Z dodatkové energie Qd se stanovuje provozní spotřeba konvenční energie dodatkového zdroje tepla a provozní náklady při známé ceně konvenční energie. Při výpočtovém hodnocení se dodatková energie stanoví jako rozdíl mezi předpokládanou potřebou tepla a využitými tepelnými zisky solární soustavy v dané aplikaci. Při provozním měření a hodnocení solárních soustav se dodatková energie měří, neboť skutečná celková spotřeba tepla Qp,c není známá. Stanovit celkovou spotřebu tepla v dané aplikaci provozním měřením je nerealizovatelné vzhledem k praktické nemožnosti stanovit tepelné ztráty měřením a proto se vyhodnocuje jako součet naměřených hodnot tepla dodaného solární soustavou a dodatkovým zdrojem energie.

12.5

Solární pokrytí, solární podíl

Solární pokrytí (měsíční, roční) je procentní pokrytí potřeby tepla Qp,c tepelnými zisky solární soustavy Qss,u

f

V případě provozního měření dodatkové energie Qd se solární pokrytí vyhodnocuje podle vztahu

f

68

Provozní účinnost solární soustavy

12.6

Vzhledem k nestejným klimatickým podmínkám a různým úrovním dopadající sluneční energie se bude v různých lokalitách a v různých letech hodnota celkových využitých tepelných zisků solární soustavy lišit. Pomocným kritériem pro charakterizaci energetické kvality solární tepelné soustavy je její provozní účinnost ηss, tzn. roční tepelné zisky vztažené k dopadlé sluneční energii Qs na plochu solárních kolektorů. Účinnost solární soustavy je závislá jak na kvalitě použitých prvků (kolektor, zásobník, výměník, tepelné izolace, regulace, hydraulické zapojení), provedení montáže, tak na návrhu plochy kolektorů vůči potřebě tepla (využitelnosti zisků solární soustavy). Podle druhu soustavy se účinnost může pohybovat od 30 % do 60 %.

12.7

Pomocná elektrická energie pro pohon soustavy

Pro stanovení celkové energetické bilance a vyhodnocení reálných přínosů (úspor primární energie, úspor emisí) solární soustavy je vhodné hodnotit také spotřebu pomocné elektrické energie na provoz solární soustavy Qpom,el. U solárních soustav s nuceným oběhem je zapotřebí dodat elektrickou energii pro oběhová čerpadla, pohony ventilů, regulaci, aj. Pro orientační stanovení spotřeby pomocné energie z elektrického příkonu. Zatímco u maloplošných solárních soustav pro rodinné domy dosahuje podíl pomocné elektrické energie na využitých tepelných ziscích solární soustavy 3 až 5 %, u velkoplošných solárních soustav se podíl pomocné energie pohybuje zpravidla do 1 %.

12. 8

Výkonové číslo (COP)

Výkonové číslo solární soustavy vyjadřuje, podobně jako u tepelných čerpadel topný faktor, poměr tepla dodaného solární soustavou k pomocné elektrické energii pro pohon solární soustavy. Udává kolik kWh využitelného tepla bylo vyprodukováno solární soustavou na kWh spotřebované elektrické energie. Zatímco u tepelných čerpadel se reálný provozní COP běžně pohybuje okolo hodnoty 2,8, solární soustavy vykazují hodnoty COP od 20 (maloplošné) do hodnot vyšších než 100.

69

Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení funkce jednotlivých systémů včetně jejich ekonomické kalkulace

Kontrolní otázky: 1. Vysvětlete co jsou využitelné tepelné zisky, co je tvoří. 2. Vysvětlete výpočet roční úspory energie. 3. Vysvětlete, jaké jsou měrné využitelné tepelné zisky solární soustavy. 4. Vysvětlete solární pokrytí, solární podúl a jejich vliv na provozní účinnost solární soustavy. 5. Co stanoví výkonové číslo (COP).

70

13.

Navrhování a bilancování solárních soustav

Slunce jako nevyčerpatelný zdroj energie je u nás v poslední době poměrně negativně spojován hlavně s fotovoltaikou. A poněkud se zapomíná, že v podmínkách ČR má možná ještě větší perspektivu využití slunce jako zdroje tepla. Jaké jsou základní termické solární soustavy a jaké u nás mají parametry?

13. 1

Příprava teplé vody

Využití sluneční energie pro předehřev a přípravu teplé vody je výhodné vzhledem k celoročně přibližně konstantní spotřebě tepla. Solární soustavy pro přípravu teplé vody proto mají dobrou využitelnost, jsou rozšířené a známé a veřejností jsou vnímány jako smyslu plné opatření. Solární soustavy pro přípravu teplé vody jsou kromě obytných budov vhodné i pro využití v terciárním sektoru např. pro ústavy sociální péče, domovy důchodců, hotely, sportovní centra, apod., kde je stálá spotřeba teplé vody celoročně nebo s výraznými špičkami odběru v letním období. Maloplošné solární soustavy pro přípravu teplé vody v rodinných domech jsou zpravidla standardně řešeny jako průmyslové vyráběné a dodávané komplety. Vzhledem k běžné spotřebě teplé vody 30 až 50 l/os/den jde o solární soustavy s plochou kolektorů 4 až 8 m2 se solárním zásobníkem teplé vody o objemu 200 až 400 l. Používají se solární soustavy ve variantách: - s předehřívacím solárním zásobníkem: solární zásobník je předřazen konvenční přípravě teplé vody; - s bivalentním solárním zásobníkem: solární zásobník má vestavěný dodatkový zdroj tepla. Malé soustavy se vyznačují především jednoduchým řešením, ale také výrazným podílem tepelných ztrát (20-30 %), které snižují využitelné tepelné zisky Solární tepelné soustavy pro rodinné domy se projektují zpravidla s pokrytím potřeby tepla 50 až 70 % a dosahují měrných ročních zisků 300 až 400 kWh/m2/rok.

71

Velkoplošné solární soustavy pro přípravu teplé vody s kolektorovou plochou nad 50 m2, které mezi primárním kolektorovým okruhem a zásobníkem používají deskový výměník, lze rozlišit na soustavy: - se solárními zásobníky teplé vody: odběrový okruh (studená a teplá voda) přímo napojen na solární zásobníky; - se solárními zásobníky tepla: oddělení odběrového okruhu výměníkem tepla (průtokový, zásobníkový ohřev vody). - s velkoobjemovým solárním zásobníkem: vhodné pro novostavby, - s objemem rozděleným do více menších zásobníků: vhodné pro rekonstrukce, zásobníky zapojeny paralelně nebo sériově. Velkoplošné solární soustavy pro přípravu teplé vody jsou dimenzovány zpravidla na krytí potřeby tepla v letním období za účelem vyloučení problematických stagnačních stavů ve velké ploše kolektorů. Z toho vyplývá nižší návrhové pokrytí do 45 %. Poměr tepelných ztrát k energii produkované kolektory je výrazně menší (5 až 10 %) než u maloplošných soustav pro rodinné domy a velkoplošné soustavy tak dosahují vyšších měrných tepelných zisků 400 až 600 kWh/m2/rok.

13.2

Solární vytápění

Se snižováním potřeby tepla na vytápění budov (nízkoenergetické domy, energeticky pasivní domy) nacházejí stále větší uplatnění solární soustavy sdružující přípravu teplé vody a vytápění, tzv. solární kombinované soustavy. Propojení solární soustavy s otopnou soustavou pro krytí potřeby tepla zvláště v jarních a podzimních měsících je možné vzhledem k nízkým provozním teplotám otopné vody (nízkoteplotní vytápění) výhodným pro efektivní provoz solárních kolektorů. Potřeba tepla na vytápění budov se však během roku časově rozchází se špičkami dostupných solárních zisků a lze proto dosáhnout vždy jen částečného pokrytí potřeby tepla.

72

Zpravidla ekonomicky přijatelné jsou roční hodnoty pokrytí mezi 15 a 35 % celkové roční potřeby tepla pro přípravu teplé vody a vytápění. Požadovaná hodnota solárního pokrytí ovlivňuje návrh zařízení a jeho energetické přínosy. Základními předpoklady úspěšného návrhu solárních kombinovaných soustav jsou: - dostatečná tepelná izolace domu a kvalitní okna: nízkoenergetický nebo pasivní standard budov; - nízkoteplotní otopná soustava: velkoplošné sálavé vytápění, vhodná otopná tělesa; - vhodná návaznost na ostatní zdroje tepla a technologie v budově včetně regulace; - sklon kolektoru asi 45° až 90°, jižní orientace kolektoru v nezastíněném prostranství; - možnost využít letní přebytky solární soustavy (bazén, sušení, akumulace). Maloplošné solární kombinované soustavy pro rodinné domy lze pořídit jako průmyslově vyráběné a dodávané komplety nebo jako soustavy dodané na objednávku, vyznačující se různým stupněm originality v závislosti na požadované funkci a dalších využívaných zdrojích tepla. U maloplošných solárních kombinovaných soustav do 20 m2 se vlivem snížené využitelnosti letních přebytků energie pohybují měrné tepelné zisky na úrovni 250 až 350 kWh/m2/rok. Lze rozlišit dvě základní koncepce: - se dvěma solárními zásobníky: solární zásobník teplé vody TV, solární zásobník otopné vody OV, - s centrálním (integrovaným) solárním zásobníkem tepla: zásobník OV s přípravou TV přes dodatečnou teplosměnnou plochu: - vestavěný zásobník TV v solárním zásobníku, - průtočný výměník vestavěný v solárním zásobníku, - externí deskový výměník pro průtokový ohřev vody. Velkoplošné solární kombinované soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění nejsou zatím tak častým řešením jako soustavy určené pouze pro přípravu teplé vody. Využívá se velkoobjemového solárního zásobníku tepla nebo více zásobníků tepla o menším objemu s ohledem na jejich dopravu a umístění. Dodatkový zdroj tepla je zapojen buď do solárního zásobníku nebo na jeho výstupu (dohřev). 73

Návrh se s ohledem na omezení letních přebytků zpravidla koncipuje pro letní krytí potřeby tepla na přípravu teplé vody, nicméně v přechodovém období se solární teplo výhodně využívá pro ohřev vratné vody. Tomu odpovídají také z principu vyšší měrné využité zisky solární soustavy od 350 do 450 kWh/m2/rok. V zásadě se používají dvě koncepce zapojení sekundární části: - čtyřtrubkový rozvod: příprava teplé vody je centrální a v objektu je veden potrubní rozvod: teplá voda, cirkulace, přívodní, vratná otopná voda; - dvojtrubkový rozvod: příprava teplé vody je lokální, v objektu je rozvod přívodní a vratné otopné vody veden do jednotlivých odběrů vybavených lokálními bytovými předávacími stanicemi pro vytápění a přípravu teplé vody.

13.3

Ohřev vzduchu

Existuje celá řada oblastí, ve kterých se využívá ohřátého vzduchu a použití solárních vzduchových kolektorů a soustav může výrazně snížit energetickou náročnost ohřevu. Jedná se především o aplikace: - větrání: předehřev čerstvého větracího vzduchu přiváděného do vnitřních prostorů; v letním období mají solární větrací soustavy omezenou využitelnost, výhodné jsou potom kombinace s kapalinovými výměníky pro předehřev teplé vody (hybridní systémy kapalina-vzduch; - vytápění: ohřev cirkulačního otopného vzduchu, ať již přímo přiváděného do prostoru nebo vzduchu předávajícího teplo do akumulační hmoty konstrukce budovy (hypokaustické systémy); - sušení: ohřev venkovního vzduchu pro zvýšení intenzity odvodu vlhkosti ze sušeného materiálu, např. sušení dřeva, plodin, aj. Využití vzduchu jako teplonosné látky má řadu úskalí. Předně, tepelná kapacita vzduchu je oproti kapalinám výrazně nižší a k přenesení tepelného výkonu (solárního zisku) z kolektorů jsou potřebné vysoké průtoky spojené s relativně velkými rozměry potrubních rozvodů. Další nevýhodou je spotřeba elektrické energie svázaná s provozem vzduchových soustav, která může výrazně ovlivnit bilanci úspor primární energie při využití solárních vzduchových zařízení.V České republice se solární soustavy pro ohřev vzduchu zatím příliš neuplatňují, přestožemají poměrně bohatou 74

historii využití v zemědělství v podobě velkokapacitních solárních seníků pro dosoušení píce.

13.4

Soustavy pro centralizované zásobování teplem

Solární soustavy pro centralizované zásobování teplem CZT pracují na stejném principu jako solární kombinované soustavy, jen v řádově odlišném měřítku. Teplo získané ze solárních kolektorů je primárním okruhem přivedeno k centrálnímu zdroji vybavenému zpravidla alespoň minimální akumulací tepla, odkud je předáváno dále do sítě CZT, nebo přímo do rozvodu CZT. Teplo rozváděné distribuční sítí CZT je v domovních předávacích stanicích využito pro přípravu teplé vody a vytápění budov. Pokud tepelné zisky ze solárních kolektorů nestačí pro pokrytí potřeby tepla, zapíná se centrální zdroj tepla, například plynový kotel. Rekonstrukce stávajících systémů CZT ve výtopenském režimu (bez produkce elektrické energie) s využitím solárních soustav je jedním ze způsobů snížení spotřeby fosilních paliv v sídelních celcích, který má velký potenciál nahrazení primárních paliv. Solární soustavy pro CZT lze rozdělit do několika kategorií s různým stupněm pokrytí celkové potřeby tepla na přípravu teplé vody a vytápění: - Bez akumulace tepla: Solární tepelné zisky se akumulují v objemu rozvodů celé sítě. Plocha solárních kolektorů je navržena na trvalou potřebu tepla sítě CZT a solární pokrytí se pohybuje zhruba do 5 %. - S krátkodobou (denní) akumulací: Nárazníkový akumulátor slouží pro akumulaci nejvýše několikadenních zisků. Plocha solárních kolektorů se navrhuje na krytí letní potřeby tepla na přípravu teplé vody. Objem vodního zásobníku pro krátkodobou akumulaci se navrhuje řádově od 50 do 100 l/m2 plochy kolektorů. Návrhové solární pokrytí se pohybuje od 10 do 20 %. Typické dosahované zisky jsou 350 až 500 kWh/m2/rok). - S dlouhodobou (sezónní) akumulací: Velkoobjemové sezónní zásobníky slouží pro akumulaci letních nadbytečných zisků a jejich přenesení do zimního období pro krytí potřeby tepla na vytápění a přípravu teplé vody. Návrhové solární pokrytí se pohybuje do 50 %. Typické dosahované tepelné zisky jsou 200 až 350 kWh/m2/rok.

75

Solární CZT soustavy se sezónní akumulací využívají čtyř základních typů sezónních zásobníků tepla: vodní zásobníky (v zemi zakopané železobetonové nádrže), štěrko-vodní zásobníky (v mělkých velkoobjemových výkopech), zemní vrty (akumulace v zemském masivu), aquifery (akumulace v geologicky vhodných podzemních vrstvách písku, štěrku či pískovce bez proudění spodní vody).

13.5

Ohřev bazénů

Ohřev bazénové vody je jednou z nejpříznivějších aplikací solárních soustav, jednak z důvodů časové korelace mezi poptávkou po tepla (otevřené venkovní bazény využívané především v létě) a jednak z důvodu nízké požadované teploty do 28 °C. Tepelné zisky solární soustavy kryjí tepelné ztráty bazénu (především odparem) a potřebu tepla na ohřev přiváděné čerstvé vody. Předpokladem instalace solární soustavy je omezení zbytečných tepelných ztrát odparem zakrýváním volné hladiny v době mimo provoz.Koncepce solárních soustav pro ohřev bazénové vody se zpravidla liší podle druhu bazénů: - otevřené venkovní bazény – solární soustava je určena pro letní sezónu s kolektory na bázi levných nezasklených plastových absorbérů z EPDM nebo PP, - kryté vnitřní bazény – solární soustava s celoročním provozem se zasklenými kolektory se selektivním absorbérem a nemrznoucí směsí. Solární okruh je oddělen od bazénové vody výměníkem tepla (nerezový výměník) předřazeným před výměník dohřevu. U velkých celoročně provozovaných bazénů, kde je filtrace ve stálém provozu, je solární ohřev integrován do filtračního okruhu. Přestože tato praxe převažuje i u instalací pro bazény rodinných domů, je v malých aplikacích vhodné výměník solárního okruhu zapojit s vlastním malým bazénovým čerpadlem (řádově desítky W) do obtoku filtrace, aby pro předání tepla do bazénové vody nebylo nutné spouštět výkonné filtrační čerpadlo (řádově stovky W). U venkovních bazénů jsou solární přínosy omezeny dobou trvání sezóny a pohybují se zpravidla mezi 350 a 450 kWh/m2/rok.

Metodické pokyny: 76

Důraz položit na pochopení jednotlivých systémů, jejich ekonomického použití, vstupy pro navrhování a bilancování solárních soustav Kontrolní otázky: 1. Vysvětlete co zahrnuje a ovlivňuje přípravu teplé vody. 2. Vysvětlete principy a možnosti solární vytápění. 3. Vysvětlete účel ohřevu vzduchu. 4. Jaké znáte soustavy pro CZT, použití dnes, efektivnost. 5. Co a jak ovlivňuje ohřev bazénů.

77

Potřeba tepla

14.

Jako podklad k energetickému, ekologickému a ekonomickému hodnocení zatím nerealizovaných solárních soustav je zcela nezbytné nejdříve správně vyhodnotit reálné energetické přínosy dané instalace výpočtem. Solární tepelné zisky nejsou závislé pouze na kvalitě navržených komponent (kolektor, zásobník), ale především na návrhu plochy solárních kolektorů vzhledem k potřebě tepla, resp. na požadovaném solárním podílu, na tepelných ztrátách soustavy (potrubí, solární zásobník) a na orientaci a sklonu solárních kolektorů. Velmi často se však v energetických analýzách lze setkat sponěkud nereálným bilancováním solárních soustav bez započtení tepelných ztrát vlastní soustavy,případně kalkulujících i s přebytky tepelné energie ze solární soustavy, které nelze například v letnímobdobí využít. Výpočtový postup pro stanovení energetických zisků solárních soustav je založen na tepelné bilanci potřeby tepla v dané aplikaci, dodaného tepla solárními kolektory, včetně uvažování tepelných ztrátrozvodů a využitelnosti solárního tepla v dané aplikaci. Metodika se zaměřuje na základní typy solárních soustav: - solární soustavy pro přípravu teplé vody - kombinované solární soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění - solární soustavy pro ohřev bazénové vody Zjednodušení uvedené metodiky bilancování spočívají především v uvažování celoročně konstantní průměrné měsíční teploty v kolektorech a v paušálním vyjádření podílu tepelných ztrát jak v dané aplikaci (ztráty kryté solárním teplem, součást potřeby tepla) tak tepelných ztrát vlastní solární soustavy. Okrajovými podmínkami výpočtu jsou jednotné údaje o provozních parametrech soustav a jednotné hodnoty klimatických veličin (teplota, vlhkost, ozáření, dávka ozáření) bez ohledu na skutečné místní podmínky instalace.

14.1

Stanovení potřeby tepla

Prvním krokem při bilancování využitelných tepelných zisků solární soustavy je stanovení vlastní potřeby tepla v dané aplikaci. Pro bilancování reálných tepelných zisků solární soustavy pro přípravu teplé vody je nutné mít kdispozici v první řadě reálné údaje 78

o celkové potřebě tepla na přípravu TV, buď změřené (u stávajícíchobjektů, odečet na kalorimetru) nebo předpokládané (u novostaveb, výpočet).

14.1.1

Celková potřeba tepla na přípravu teplé vody

[kWh/měs] v jednotlivých měsících se výpočtem stanovuje jako potřeba tepla na ohřev vody včetně zahrnutí tepelných ztrát vlastní soustavy přípravy teplé vody (související pouze s přípravou TV)

n - počet dní v daném měsíci; ρ - 1000 kg/m3 c – 4186 J/kg K z – koeficient ztrát systému

kde:

průměrná denní potřeba teplé vody (při teplotním spádu 60/15 °C) v m 3/den, stanovíse podle reálné spotřeby, případněz měrné potřeby teplé vody vztažené na uživatele(viz příloha tabulka 2). Celková měsíční potřeba tepla na přípravu teplé vody Qp,c [kWh/měs] při bilancování solární soustavy jepotom

14.1.2

=

.

Potřeba tepla na vytápění

Pro bilancování kombinovaných solárních soustav pro přípravu teplé vody a vytápění je nutné, kromě celkové potřeby tepla na přípravu TV, znát i potřebu tepla na vytápění

[kWh/měs] v jednotlivých měsících.

Měsíční potřebu tepla na vytápění lze stanovit různými způsoby s použitím různých zdrojů.Často mohou být investorovi k dispozici výsledky měsíčního výpočtu v rámci energetického hodnocenístavby a lze je tak použít pro bilancování solární soustavy.

79

Využití kombinovaných soustav pro přípravuteplé vody a vytápění předpokládá alespoň nízkoenergetický standard budov (nízká potřeba tepla provytápění, nízkoteplotní otopná soustava). Kombinované solární soustavy zpravidla využívají centrálního zásobníku otopné vody, do kterého jepřiváděn tepelný zisk ze solárních kolektorů a teplo z dodatkového zdroje energie. S ohledem na použití přirážky (ztráty)„z“ pro stanovení potřeby tepla na přípravu TV se ke stanovené potřebě tepla na vytápění

připočítají tepelné ztráty spojené s

provozem akumulačního zásobníku pro vytápění paušálně přirážkou v = 5 %, které může solární soustava hradit. Tepelné ztráty rozvodů otopné vody přispívají k vytápění a jsou v podstatě zahrnuty ve výpočtu potřeby tepla (vnitřní zisky). Pro spolehlivé stanovení potřeby tepla na vytápění budov

je doporučen standardizovaný výpočet který zahrnuje výpočet

solárních zisků okny, vnitřních tepelných zisků, vliv akumulace tepla do vnitřních částí konstrukcí na využití tepelných zisků (včetně stanovení časové konstanty objektu). Výpočet potřeby tepla se provádí pro jednotlivé měsíce. Celková potřeba tepla pro krytí vytápění je potom

kde v

- čistá potřeba tepla na vytápění v jednotlivých měsících, v kWh/měs; - přirážka na tepelné ztráty.

Jako podklad k energetickému, ekologickému a ekonomickému hodnocení zatím nerealizovanýchsolárních soustav je zcela nezbytné nejdříve správně vyhodnotit reálné energetické přínosy danéinstalace výpočtem. Solární tepelné zisky nejsou závislé pouze na kvalitě navržených komponent (kolektor, zásobník), ale především na návrhu plochy solárních kolektorů vzhledem k potřebě tepla, resp. na požadovaném solárním podílu, na tepelných ztrátách soustavy (potrubí, solární zásobník) ana orientaci a sklonu solárních kolektorů. Velmi často se však v energetických analýzách lze setkat sponěkud nereálným bilancováním solárních soustav bez započtení tepelných ztrát vlastní soustavy,případně 80

kalkulujících i s přebytky tepelné energie ze solární soustavy, které nelze například v letnímobdobí využít. Výpočtový postup pro stanovení energetických zisků solárních soustav je založen na tepelné bilanci potřeby tepla v dané aplikaci, dodaného tepla solárními kolektory, včetně uvažování tepelných ztrátrozvodů a využitelnosti solárního tepla v dané aplikaci. Metodika se zaměřuje na základní typy solárníchsoustav: 1. solární soustavy pro přípravu teplé vody 2. kombinované solární soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění 3. solární soustavy pro ohřev bazénové vody Zjednodušení uvedené metodiky bilancování spočívají především v uvažování celoročně konstantní průměrné měsíční teploty v kolektorech a v paušálním vyjádření podílu tepelných ztrát jak v dané aplikaci (ztráty kryté solárním teplem, součást potřeby tepla) tak tepelných ztrát vlastní solární soustavy. Okrajovými podmínkami výpočtu jsou jednotné údaje o provozních parametrech soustav a jednotné hodnoty klimatických veličin (teplota, vlhkost, ozáření, dávka ozáření) bez ohledu na skutečné místní podmínky instalace.

Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení – potřeby tepla a jeho stanovení, provedení výpočtu. Kontrolní otázky: 1. Vysvětlete stanovení potřeby tepla. 2. Proveďte kalkulaci celkové potřeby tepla na přípravu teplé vody. 3. Proveďte kalkulaci potřeby tepla na vytápění.

81

15.

Návrh plochy solárních kolektorů

Důležitá jsou vstupní data. Aby mohlo být navrženo kolektorové pole optimální velikosti, je nutné znát konkrétní údaje o spotřebě teplé vody TV v objektu (důležité pro návrh solárního systému), případně i spotřebě energie, které je nutná pro její ohřev pokud je příprava TV realizována přímo v objektu (důležité pro kalkulaci úspor solárního systému). Pro optimalizaci výpočtu je výhodné znát spotřebu TV v jednotlivých měsících, protože mnohdy existují větší rozdíly ve spotřebě TV mezi jednotlivými měsíci hlavně mezi letním a zimním obdobím. Nejdůležitější údaj je denní spotřeba TV v objektu, podle které se velikost solárního systému navrhuje. Tento údaj však není vždy k dispozici, ale lze ho stanovit výpočtem, podle spotřeby TV za 1 měsíc, nebo pokud ani tento údaj není k dispozici, lze denní spotřebu TV stanovit na základě počtu osob trvale žijících v objektu a průměrné spotřeby TV na 1 osobu a den.Pokud existují měsíční data o spotřebě TV zpětně v několika letech je snadné vytvořit si přehled o spotřebě TV v objektu, stanovit minimální denní spotřebu TV v letním období a tedy i energii potřebnou pro její přípravu. Stanovme si následující případ: Průměrná denní spotřeba TV v měsíci červenci byla stanovena na 8 m 3. Pro standardní podmínky přípravy TV (studená voda o teplotě 10°C, požadovaná teplota TV 55°C) je pro ohřev tohoto objemu potřeba 420 kWh/den, připočtením tepelných ztrát rozvodů TV, cirkulace a akumulace (běžně 30 - 50%) byla minimální denní potřeba energie stanovena na 550 kWh/den.

15. 1

Příklad a filosofie návrhu solárního systému

Pro větší systémy přípravy TV se z hledisky provozu, investičních nákladů a kalkulace návratnosti většinou navrhují ploché kolektory se spektrálně selektivní vrstvou a izolací, umožňující celoroční efektivní provoz solárního systému. Aby provozem solárního systému nevznikaly výraznější přebytky energie v letním období, tj. v období s nejnižší spotřebou TV v bytových domech a zároveň období největších solárních zisků, provádí se první odhad potřebné kolektorové plochy pro provoz

82

solárního systému právě pro měsíc červenec (na rozdíl od malých solárních systému běžně navrhovaných pro měsíce duben nebo září). Stanovení plochy kolektorů lze provézt buď klasickým přesnějším výpočtem přes koeficienty účinnosti solárních kolektorů, meteorologické údaje pro danou lokalitu (teploty, sluneční záření, atd.), nebo odhadem potřebné plochy kolektorů z údajů maximálních a průměrných zisků jednotlivých kolektorů. Pro předběžný odhad plochy kolektorů postačuje rychlejší druhý postup, kdy z údajů zjištěných dlouhodobým měřením jednotlivých kolektorů v různých systémech byly stanoveny průměrné denní zisky jednotlivých kolektorů při slunečném dnu v systému přípravy TV. Plochý kolektor např. Regulus KPC1 nejčastěji používaný pro systémy přípravy TV s aktivní plochou 1,87 m2 vykazuje průměrný denní zisk 7-7,5 kWh, tzn. cca 3,8 kWh/m2 kolektoru. Podílem denní potřeby energie 550 kWh a možným ziskem z 1m2 kolektoru 3,8 kWh stanovíme celkovou požadovanou plochu solárního kolektoru na 145 m2. To odpovídá přibližně 80 kolektorům. Takto navržená velikost solárního systému, nebude vykazovat žádné letní přebytky energie a bude téměř po celý rok nutné provádět dohřev TV bivalentním zdrojem (v létě minimálně, v zimně větší část). Solární soustava navržená tímto způsobem vykazuje celoročně vysoké měrné zisky z m2 kolektoru a návratnost investice do solárního systému tedy bývá optimističtější, nicméně vzhledem k nutnosti většího dohřevu bivalentním zdrojem přináší celkové nižší úspory na celoroční přípravě TV. Při použití plochých kolektorů a dostatečně dimenzované velikosti akumulace solární energie, lze navýšit plochu solárního systému, aby se na úkor návratnosti investice zvýšil podíl solární energie na celoroční přípravě TV a tedy systém vykazoval celoroční vyšší úspory na energii bivalentního zdroje. Možnost zvětšení návrhové plochy kolektorů je v mnoha případech omezena velikostí plochy vhodné pro instalaci kolektorů. Na stávajících střechách objektů mohou být prvky omezující možnost montáže kolektorů (strojovny výtahů, vzduchotechnika, odvětrání, apod.). Proto po předběžném stanovení potřebné plochy kolektorů následuje studie a zaměření střechy konkrétního objektu, návrh optimálního umístění a ukotvení solárních kolektorů se stanovením maximálního počtu solárních kolektorů na daném objektu. Tento se pak porovnává s vypočtenou požadovanou plochou kolektorů. 83

Pokud je dispoziční plocha nižší než plocha potřebná, je vytvořena konkrétní simulace a výpočet zisků solárního systému s využitím maximálního možného počtu kolektorů. Vypočtená data jsou předložena investorovi, ten se pak rozhoduje, zda je pro něj investice do poddimenzovaného solárního systému ještě výhodná. Jak ale již bylo zmíněno, poddimenzované solární systémy sice přináší nižší úspory na celoročním provozu systému přípravy TV, ale vykazují velké měrné zisky na m 2 kolektorové plochy, tudíž návratnosti investic do těchto solárních systémů bývají krátké a investory většinou přesvědčí o výhodnosti instalace i menšího solárního systému. Pokud je zjištěná dispoziční plocha větší než vypočtená předběžná, navrhnou se obvykle dvě varianty instalace solárního systému: - varianta „A“ s nulovými přebytky energie (už zmíněná dříve, s vypočteným optimálním počtem kolektorů) - varianta „B“ s letním přebytkem energie s vyšším solárním podílem na celoroční přípravě TV.

Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení účelnosti návrhu plochy solárních kolektorů na podmínkách v místě realizace. Kontrolní otázky: 1. Navrhněte solární systém pro Váš dům.

84

16.

Stanovení ročních zisků solárních soustav

Nejdůležitějším parametrem pro investora a je jeho rozhodnutí je samozřejmě výsledek v podobě vyčíslení celkových investičních nákladů a vyčíslení nákladů provozních, popř. úspor oproti stávajícímu systému přípravy teplé vody. Pro již zmiňovaný dům byla stanovena maximální dispoziční plocha pro instalaci 120 kolektorů a po dohodě s investorem byly vytvořeny 2 varianty velikosti solárního systému. Varianta A s 80 kolektory a varianta B se 100 kolektory. Pro tyto varianty byly zpracovány simulace provozu a úspor jednotlivých variant.

Graf 1 - Bilance potřeby energie pro přípravu TV a solárních zisků varianty A (80 kolektorů) a varianty B (100 kolektorů) Pro předpokládané zdražení energie byl proveden výpočet celkových nákladů na přípravu TV se stávajícím systémem a jednotlivými variantami s výhledem na 20 let a předpokládaným nárůstům cen energii o 7% za 1 rok (viz graf. 2.). Cena za 1 kWh pro počátek simulace (stávající stav) je 4 Kč. Předpokládané návratnosti obou systémů se pohybují kolem 9-10 let.

85

Mlióny Kč

Roky Graf 2 Návratnost nákladů

S rostoucími cenami energií se snižuje i návratnost investic do solárních systémů pro bytové domy. Bytovým družstvům a společenstvím vlastníků, které vyřešili zateplením fasády objektu a výměnou oken vysoké náklady na vytápění se tak otvírá reálná možnost dalších úspor na provozu objektu a další snížení závislosti na rostoucích cenách energií. Teplá voda dnes již nepatří ke komfortu, nýbrž ke standardu našich domácností a její příprava by měla být jednoznačně efektivní, levná a ekologická. Solární systémy jedinečně snoubí všechny tyto požadavky a stále více se ukazuje, že mají velkou šanci se v budoucnu stát nedílnou součástí všech systémů pro přípravu TV. Díky používaným materiálům a životnosti více než 25 let, nemůže žádný investor udělat instalací solárního systému chybu. Jedinou podmínkou je tedy profesionalita dodavatelské firmy a správný návrh solárního systému. Metodické pokyny: Důraz položit na pochopení dosažení zisků solární soustavy Kontrolní otázky: 1. Navrhněte ziskovou solární soustavu

86

17.

Aplikace teorie do praxe

17.1

Montáž a zapojení fotovoltaických panelů

Pokud používáme jeden fotovoltaický panel, je situace jednodušší, protože prostě kladný (+) výstup solárního panelu připojíme na kladný (+) vstup solárního regulátoru a záporný výstup (-) na záporný vstup. Pokud ale máme více solárních panelů, není jejich propojení a připojení k solárnímu regulátoru o mnoho složitější, než u jednoho panelu. Vzájemně propojovat je možné pouze stejné panely. Tedy panely se stejnými technickými parametry, stejným výkonem a od stejného výrobce. Pokud např. propojíme do série dva panely, jeden menší s menším výstupním proudem a druhý panel větší s větším výstupním proudem, dostanete ze systému max. proud, který bude na úrovni max. proudu menšího panelu! Fotovoltaické panely je možné propojit do sériě, nebo paralelně, nebo sérioparalelně. Sériové zapojení: Získáme vyšší napětí, proud zůstane stejný jako u jednotlivých panelů. Paralelní zapojení: Celkové výstupní napětí zůstane stejné jako u jednotlivých panelů, získáme vyšší proud. Sériově-paralelní

zapojení:

Kombinace

vlastností sériového a paralelního zapojení. Získáme vyšší napětí i proud (podle konkrétního zapojení).Ať už zapojíme panely jakkoli vždy získáme na výstupu z panelů stejný výkon. Řekněme, že máme dva fotovoltaické panely, s nominálním napětím 12V (Skutečné max. napětí zatíženého panelu bude 17V) a max. proud z panelu bude 6A. Pokud tyto fotovoltaické panely spojíme do série, získáme na výstupu nominální napětí 2 x 17V = 34V, a proud 6A. Max. výkon bude tedy 34V x 6A = 204W. Pokud tyto panely spojíme paralelně získáme na výstupu nominální napětí 17V a proud 2 x 6A = 12A. Max. výkon bude tedy 17V x 12A = opět 204W. Jak tedy spojit panely a jaké jsou výhody různých celkových výstupních napětí z panelů? Z uvedeného příkladu spojení dvou panelů vyplývá, že při paralelním spojení panelů, teče do solárního regulátoru z panelů větší proud.

87

To samozřejmě klade nároky na dimenzování vhodného průřezu propojovacích vodičů (připojovací vodiče musí mít větší průřez). Z technického hlediska je tedy výhodnější např. dva panely s napětím 12V spojit do série pro celkové napětí 24V. Při návrhu napětí systému, ale nehraje roli jen čistě technická stránka věci, ale i praktičnost. Na trhu je např. daleko více spotřebičů pro napájení z 12V, než z 24V. Pokud by se jednalo o malý systém např. jen se dvěma panely, pak bude výhodnější přiklonit se k napětí systému 12V. Ochranné diody Malé solární panely s výkonem tak do 20W, nemusí mít vestavěné ochranné diody. Větší solární panely již mají tyto diody vestavěny. Ochranné diody jsou v panelu istalovány obvykle dvě.První dioda je pro ochranu panelu při sériovém propojení s dalšími panely, pokud je jeden ze sériově spojených panelů zastíněn, pak na něj působí proud z ostatních panelů a mohlo by v krajním případě dojít ke zničení zastíněného panelu, každopádně ale k omezení výkonu systému. Ochranná dioda umožní proudu z ostatních panelů "obejít" zastíněný panel (ByPass). Tato ochranná dioda je připojena paralelně k panelu. Druhá ochranná dioda zase zajišťuje, aby při paralelním spojení panelů, nedocházelo k "vyrovnávání proudů" mezi méně osvíceným a více osvíceným panelem, že nebude docházet v době, kdy na panelech bude napětí menší než na akumulátoru (po soumraku) k vybíjení akumulátoru zpětně do fotovoltaických panelů.Tato ochranná dioda je připojena do série s panelem Funkci ochrany proti zpětnému proudu ale má obvykle vestavěný solární regulátor. Pokud fotovoltaické panely nemají vestavěny ochranné diody, a vy hodláte tyto panely spojovat do větších celků, bude nutné ochranné diody připojit k panelům dodatečně. Panely do výkonu asi 50W, mají na výstupu obvykle šroubovací svorky pro připojení přívodního kabelu. Panely s výkonem nad 50W jsou již obvykle vybavený solárními konektory. Na výstupu z fotovoltaického panelu jsou obyčejně dva krátké kabely, na jejichž koncích jsou párové solární konektory. Vhodné je použít u propojovacích vodičů speciální solární kabel, který má velmi dobré parametry v rámci provozu v nizkonapěťovém systému, s vysokými proudy, má dlouhou životnost a velmi nízké ztráty.

88

17.2

Fotovoltaické panely - montáž

Umístění fotovoltaických panelů (poloha), je uvedeno v kapitole 4. Montáž na sedlové střechy Tento typ montáže je vhodný pro malé ostrovní fotovoltaické systémy. Sklon střechy by měl být asi 35 stupňů a plocha střechy s fotovoltaickými panely by měla být oroentováná na jih, nebo jihozápad. Panely se umisťují na montážní rámy z nekorodujícího materiálu, rámy jsou pak pomocí háků připevněny ke konstrukci střechy. Montáž na ploché střechy Konstrukci obvykle tvoří rohové spojky trojúhelníkového tvaru z pevného a odolného materiálu (pozinkovaná ocel). Spojky jsou propojeny hliníkovými profily, na které se umisťují fotovoltaické panely. Konstrukce se buď napevno spojí s podkladem (se střechou), nebo se konstrukce pouze zatíží (např. velkými dlaždicemi). Montáž na volná prostranství Používá se obvykle stejný způsob montáže, jako u montáže na ploché střechy. Montáž na polohovatelné systémy Jedná se o montáž fotovoltaických panelů na speciální polohovací zařízení, která se automaticky otáčí za sluncem (Tracker). Je možné dosáhnout asi o 30% vyšší výtěžnosti, nicméně nevýhodou jsou relativně vysoké pořizovací náklady trackeru, spotřeba energie pro vlastní chod trackeru a nutná údržba a možnost poruchy trackeru. Pokud připojíme jeden panel, použijeme pro připojení panelu k solárnímu regulátoru, nebo MPPT měniči kabel se stejným průřezem jaký je u fotovoltaického panelu. Pro panel o výkonu nad cca 50W budete potřebovat solární konektory. Obvyklým typem konektorů, které jsou na kablících (vývodech) ze solárního panelu jsou solární konektory MC4. Jedná se o speciální voděodolné konektory se zámkem. Jestliže budete panely spojovat do série, můžete stejně jako při připojení jednoho fotovoltaického panelu použít pro připojení všech panelů k solárnímu regulátoru (MPPT měniči) stejný průřez vodičů.

89

Pokud budou ale fotovoltaické panely spojeny paralelně, nebo sérioparalelně, je doporučeno sečíst maximální proudy všech paralelně připojených panelů. Fotovoltaické panely, které mají na výstupu svorkovnici namísto sloárních konektorů (obvykle panely do výkonu asi 50W), připojíme k solárnímu regulátoru bez konektorů.

17.3

Připojení akumulátorů k solárnímu regulátoru (MPPT měniči) Akumulátory se připojují k solárnímu regulátoru (MPPT měniči) pomocí kabelů,

které musí být dimenzovány na stejný, nebo větší proud, než je max. proud z výstupu solárního regulátoru pro napájení akumulátorů. "Klasický" solární regulátor není schopný dodat vyšší proud, než je proud, který teče z panelů do regulátoru, takže pokud budete používat "klasický" solární regulátor, můžete dimenzovat kabely pro připojení akumulátorů k solárního regulátoru podle max. proudu který "dodají" fotovoltaické panely. K solárnímu regulátoru se kabely od akumulátoru připojují obvykle přes šroubovací svorky vestavěné v solárním regulátoru (MPPT měniči). K akumulátoru se pak zásadně kabely připojují přes speciální svorky k tomu určené. Tyto svorky znáte např. z připojení autobaterie.

17.4

Připojení měniče napětí (střídače) k solárnímu regulátoru (MPPT měniči) Výstup "LOAD", který je určený pro připojení spotřebičů k solárnímu regulátoru

poskytuje obvykle příliš malý proud, aby z něj mohly být napájeny spotřebiče s vysokým, byť jen krátkodobým odběrem proudu. Proto se spotřebiče s vyšším odběrem proudu, než je schopný poskytnout výstup "LOAD" připojují přímo k akumulátorům a zcela běžné je také připojení měniče napětí (střídače) přímo ke svorkám akumulátoru. Měniče napětí obsahují již připojovací kabely pro připojení k akumulátoru, nicméně tyto jsou někdy dost krátké, takže pokud budete chtít kabely nahradit delšími, použijte kabely o stejném průřezu jako originální kabely. 90

Připojení spotřebičů

17.5

Spotřebiče s malým odběrem se připojují k výstupu "LOAD" (výstup pro spotřebiče) solárního regulátoru (MPPT měniče). Jaký proud Vám tento výstup poskytne to se dočtete v manuálu k solárnímu regulátoru. Spotřebiče s vysokým odběrem proudu se pak připojují přímo k akumulátoru. Je třeba si uvědomit, že pokud budete využívat např. měnič napětí (střídač) z 12V ss na 230V st. a z tohoto měniče napětí budete napájet spotřebič s odběrem řekněme 700W, pak do měniče poteče proud asi 65 ampér! (i se ztrátami 10% v měniči) V souvislosti s výstupem "LOAD" - Některé spotřebiče mají velké startovací proudy. Např. asynchronní motor, který využívají čerpadla, má až 10x vyšší startovací proud oproti provoznímu, může se ale jednat i o jiné spotřebiče. Třeba ruční elektrické nářadí má v okamžiku startu i 3x vyšší spotřebu, než je uvedena na štítku. Spotřebič pokud má na štítku spotřebu 300W, bude vyžadovat proud asi 25A při 12V (300/12 = 25). Spotřebič tedy připojíte k výstupu "LOAD" solárního regulátoru, který by měl poskytnout proud podle návodu k použití např. 40A, nicméně po zapnutí spotřebiče se tento "nerozběhne" a solární regulátor bude hlásit přetížení výstupu "LOAD". Stane se tak pravděpodobně právě z důvodu vysokého "startovacího proudu" spotřebiče. K této situaci může samozřejmě dojít i pokud budete spotřebič napájet z měniče napětí (střídače) a měnič bude připojen k výstupu "LOAD" solárního regulátoru.

17.6

Montáž a zapojení solárních kolektorů

Příkladem je solární termický systém pro celoroční ohřev teplé užitkové vody o objemu 300l v rodinných nebo bytových domech

který

je vhodný pro 4 člennou

domácnost. Montáž zařízení je nutno vždy provádět pomocí návodu a schématu zapojení Chod zařízení je plně automatický s téměř nulovými provozními náklady. Systém obsahuje ploché kolektory s plochou 2,5m2, smaltovaný solární zásobníkový komplet

91

s čerpadlovou jednotkou se samotížnou proti cirkulační brzdou, expanzní nádobu a solární teplonosné médium. Pro uchycení kolektorů je nutná nosná konstrukce. Montáž smí být provedena jen na dostatečně únosných střešních plochách resp. konstrukcích. Před montáží kolektorů musí vždy být bezpodmínečně statikem posouzena statická únosnost střešní plochy resp. střešní konstrukce z hlediska místních a regionálních podmínek. Přitom je třeba klást důraz zejména na kvalitu dřeva v krovu z hlediska trvanlivosti šroubových spojů pro upevňování montážních prvků kolektorů. Místní prověření celé nástavbové konstrukce kolektorů podle norem a platných tuzemských předpisů je nutné zejména v oblastech bohatých na sníh (poznámka: 1 m³ prašanu ~ 60 kg, 1 m³ mokrého sněhu ~ 200 kg) resp. v oblastech s vysokou rychlostí větru. Přitomje nutno vzít do úvahy všechny zvláštnosti staveništ? (sezonní větry, sací efekt, tvorba vírů apod.), které mohou vést ke zvýšenému zatížení. Při volbě polohy staveniště je třeba dbát na to, aby nebylo překročeno maximální zatížení sněhem ani větrem. Zásadně je třeba kolektory umístit tak, aby k nim nedosahovaly případné návěje sněhu od střešních zábran proti skluzu sněhu (nebo vlivem jiných situací v důsledku umístění). Vzdálenost od střešních štítů nebo okrajů střech musí být alespoň 1m. Montáž pole kolektorů je zásahem do (stávající) střechy. Střešní krytiny jako např. tašky, šindele a břidlice, zejména vestavěné a obydlené půdní prostory resp. místa s nedodržením minimálního předepsaného sklonu vyžadujípro ochranu před vniknutím polétavého sněhu a srážkové vody tlakem větru realizaci dodatečných konstrukčních opatření, jako např. osazení krycí fólie.

17.7

Ochrana proti blesku Zásadní je vyrovnání potenciálu budovy. Z bezpečnostních důvodů je doporučeno

kolektorové pole připojit k hromosvodné síti budovy. Kovové potrubí v okruhu solárního systému je nutno připojit zemnícím vodičem (barva žlutá a zelená) o průřezu minimálně 16 mm² CU s hlavním zemnícím vodičem pro vyrovnávání potenciálu. Uzemnění lze provést hloubkovým zemničem. Zemnící vedení je nutno vést vně domu. Kromě toho je třeba vodičem o stejném průřezu spojit zemnič s hlavním zemnícím vodičem pro vyrovnávání potenciálu.

92

Připojení

17.8

Kolektory se podle druhu provedení propojí mezi sebou navzájem resp. s přípojným šroubením s plochým těsněním. Je nutno zajistit správné dosednutí plochého těsnění. Pokud nejsou jako propojovací vedení použity pružné hadice, je nutno v přípojném vedení použít odpovídající opatření pro kompenzaci tepelné dilatace při změnách teploty, jako např. dilatační oblouk a pružné vedení. Sklon kolektoru Kolektor je určen pro sklon od minimálně 15° do nejvýše 75°. Přípojná šroubení kolektorů a odvzdušňovací nebo odkalovací otvory je nutno chránit před vniknutím vody a nečistoty, například prachu. Technické podmínky: orientace střechy JV – JZ ; sklon 25-50° ; potřebná plocha sedlové střechy je 6m2 - rozměr 2,5x2,5 m instalace na výšku, zásobník 1x1 m x 1,8 m, zásobník je stacionární pro postavení na podlahu. Úspora nákladů cca 60% proti standartní přípravě TUV. Metodické pokyny: Praktické ověření teorie, doporučuji provést odbornou exkurzi například v Milovicích. Kontrolní otázky: 1. Způsob provedení montáže a zapojení fotovoltaických panelů. 2. Způsob provedení připojení akumulátorů k solárnímu regulátoru (MPPT měniči). 3. Způsob provedení připojení měniče napětí (střídače) k solárnímu regulátoru. 4. Způsob připojení spotřebičů. 5. Montáž a zapojení solárních kolektorů. 6. Jak provedeme ochranu proti blesku?

93

Příloha [1] - Tabulky 2- 8

Typ spotřeby

Typ objektu

Obytné budovy

Nízký standart

10-20

Střední standart

20-40

Vysoký standart

40-80

Nízké (letní) vytížení

20-25

Zbylá část roku

25-50

Nízké (letní) vytížení

0

Zbylá část roku

5-10

Nízký standart

20

Střední standart

35

Vysoký standart

70

Nízký standart

30

Střední standart

60

Vysoký standart

100

Studentské domovy, koleje

Školy

Ubytovací zařízení *

Sportovní zařízení **

Administrativa ***

0-10

*na jedno místo, ** na jedno lůžko, *** na jednu sprchu

Tab. 2

Reálná spotřeba vody

94

z Typ přípravy TV 0.00 Rodinný dům, průtokový ohřev 0.15 Zásobníkový ohřev bez cirkulace 0.30

Centrální zásobníkový ohřev s řízenou cirkulací

1.00

Centrální zásobníkový ohřev, neřízená cirkulace

2.00

CZT, příprava TV s meziobjektovými přípojkami, TV, CV

Tab. 3

Koeficient ztrát - z varianta A

varianta B

počet kolektorů

80

100

roční solární zisk [kWh]

88 965

105 833

roční solární podíl

45%

53%

náklady na pořízení [mil. Kč]

2,2

2,7

Tab. 4

Roční bilance provozu jednotlivých variant solárních

systémů 95

Celková dopadající energie na vodorovnou plochu

950 - 1150 kWh/m2.rok

Zisk z této energie v pasivních systémech

20 - 50 % v topné sezóně

Zisk z této energie v aktivních systémech ÚT

30 - 40 % v topné sezóně

Zisk z této energie v aktivních systémech TUV

50 - 80 % za rok

Zisk z této energie v aktivních systémech s letním bazénem 70 - 90 % za sezónu Zisk z této energie v plochém kolektoru pro TUV

400 - 550 kWh/m2.rok

Maximální dopadající sluneční energie v létě

až 8 kWh/m2 .den

Účinnost slunečních kolektorů (dle umístění a využití)

50 - 80 %

Tab.5

Základní údaje o energetické bilanci využití solární energie.

Optimální orientace kolektorů

jih - jihozápad

Maximální výkon kolektorů

kolem 14. hodiny

Optimální sklon pro letní provoz

kolem 30° od vodorovné roviny

Optimální sklon pro celoroční provoz kolem 45° Optimální sklon pro zimní provoz

Tab. 6

kolem 60° - 75°

Základní údaje o orientaci solárních kolektorů. 96

Měsíc

Vyrobená energie 2

(kWh/m )

(kWh)

I.

7,0

II.

22,8

III.

45,9

IV.

65,4

V.

80,5

VI.

84,9

VII.

96,4

VIII.

92,9

IX.

76,1

X.

43,6

XI.

11,7

XII.

2,3

Celkem

629,5

Tab. 7

Výroba tepla solárním systémem

Předpokladem je optimální orientace na jih až jihozápad a sklon kolektoru přibližně 45°

97

Měsíc/počet hodin v měsíci

II. III. IV.

V.

VI.

CELKEM

Město

I.

VII. VIII. IX.

Benecko

52 71 121 141 195 179 168 194

136 110 40 44

1 451

Brno

41 67 127 159 224 218 212 219

155 117 44 37

1 620

České Budějovice 41 60 124 137 195 197 181 199

138 97

55 43

1 467

Hradec Králové

31 61 120 149 217 206 192 211

153 107 45 29

1 521

Cheb

36 48 111 135 183 176 172 191

133 96

37 32

1 350

Jeseník

67 78 118 131 185 162 169 188

134 121 67 60

1 480

Jindřichův Hradec 36 58 119 138 198 188 195 201

141 107 51 38

1 470

Karlovy Vary

40 55 121 145 187 187 207 207

142 115 41 26

1 473

Klatovy

37 61 119 136 194 199 198 208

139 97

53 44

1 485

Luhačovice

31 63 115 141 197 187 176 200

138 106 39 24

1 417

Olomouc

37 62 117 155 210 205 212 213

138 118 43 32

1 542

Opava

43 57 118 135 190 185 184 194

134 106 56 46

1 448

Ostrava

40 57 119 135 191 191 183 193

138 108 49 42

1 446

Pardubice

36 60 122 158 220 210 181 209

154 108 52 39

1 549

Plzeň

31 56 118 139 195 200 197 202

134 86

46 37

1 441

Praha

43 62 128 149 208 210 204 214

150 103 55 47

1 573

98

X.

XI. XII. (h/rok)

Měsíc/počet hodin v měsíci

Město

I.

Prostějov

31 54 103 137 192 191 191 200

136 100 37 27

1 399

Přerov

37 61 112 150 209 208 200 203

142 106 37 31

1 496

Sedlčany

30 52 114 133 191 188 191 196

127 88

39 34

1 383

Strážnice

48 74 134 165 223 213 206 221

169 126 51 43

1 673

Šumperk

28 57 111 146 197 172 179 199

144 103 30 25

1 391

Telč

45 63 130 150 209 208 207 212

149 117 54 48

1 592

Teplice

21 36 92

115 64

27 15

1 156

Třeboň

43 64 126 140 196 191 197 203

141 107 58 48

1 514

Turnov

27 55 102 125 194 196 169 190

129 85

33 27

1 332

Ústí nad Labem

22 40 93

118 71

28 17

1 197

Valašské Meziříčí

36 60 114 133 194 190 181 199

140 108 43 33

1 431

Velké Meziříčí

34 57 124 153 210 215 209 211

153 114 45 33

1 558

Vsetín

39 69 109 128 182 175 168 182

133 113 40 33

1 371

Žatec

30 53 121 143 199 196 202 205

138 88

46 33

1 454

Znojmo

50 71 138 164 226 217 215 227

166 131 58 52

1 715

Tab. 8

II. III. IV.

V.

VI.

CELKEM

VII. VIII. IX.

127 172 155 155 177

126 179 159 163 181

X.

XI. XII. (h/rok)

Průměrné měsíční sumy slunečního svitu vybraných měst 99

Příloha [2]- Návod pro práci v programu Suntiware 10.2.

Výpočtový program SUNTIWARE 10.2 pro návrh solárních soustav se solárními kolektory SUNTIME® přináší odpovědi na otázky: - optimální velikost solárního systému (počet kolektorů a velikost zásobníku), - kolik energie solární systém ročně ušetří, - přibližná cena solárního systému SUNTIME®, - návratnost vložených investic, - splnění požadavků pro státní dotaci z programu „Zelená úsporám“.

100

Literatura a zdroje [1]

SLÁDEK, Petr. Fotovoltaika na MU - od základního výzkumu k aplikaci. Universitas. 2006

[2]

Wikipedie, otevřená encyklopedie – Solární konstanta http://cs.wikipedia.org/wiki/Sol%C3%A1rn%C3%AD_konstanta

[3]

TOUŠEK, Jiří. Elektřina ze Slunce – fotovoltaické systémy a jejich ekonomika. Vesmír , 2000, roč. 79, č.12, ISSN

[4]

LADENER, Heinz, SPATE, Frank. Solární zařízení. Praha : Grada Publishing, 2003.

[5]

POULEK, Vladislav. Solární energie, fotovoltaika : perspektivní trend současnosti i blízké budoucnosti. Praha : ČZU Praha, 2005

[6]

Wikipedie, otevřená encyklopedie – Fotoelektrický jev http://cs.wikipedia.org/wiki/Fotoelektrick%C3%BD_jev.

[7]

Wikipedie, otevřená encyklopedie - Fotovoltaika http://cs.wikipedia.org/wiki/Fotovoltaika

[8]

Czech RE Agency, o. p. sČeská fotovoltaická konference, 6. ročník – závěrečná zpráva 22.12.2012

[9]

Czech RE Agency - Fotovoltaika pro každého – http://www.czrea.org/cs/druhy-oze/fotovoltaika

[ 10 ] ENERGOTHERMPraha,s.r.o. http://www.energotherm.cz/fotovoltaika?format=pdf

[ 11 ] ELSEREMO, a.s. http://www.s-fotovoltaika.cz/ [ 12 ] SOLÁRNÍ ENERGIE - http://www.solarnienergie.cz/fototermika/ [ 13 ] SOLARINVEST-Green Energy, s.r.o.- http://www.solarni-strecha.com/ [ 14 ] GRÓFOVÁ, Jitka - Studium vybraných aspektů fotovoltaického systému Diplomová práce, MU Brno 2009 [ 15 ] PROPULUS SOLAR s.r.o. www.suntime.cz, program Suntiware 10.2. demo

101