Solární zařízení v příkladech

Solární systém na bytovém domě Velká Skála

Bytový dům v Českém Krumlově

Vakuové trubicové kolektory - instalace nad střešní krytinou

Bazén Velké Karlovice

Ploché sluneční kolektory integrované do střechy

Domov důchodců v Českých Budějovicích

Školní jídelna Lysá nad Labem

Úsporné ĉešení pro vaše topení | www.regulus.cz | [email protected] |

10I12 = GRADA - Solarni tepelna technika v prikladech - 170x240mm.indd 1

stavitel

Ploché sluneční kolektory - instalace nad střešní krytinou na rodinném domě

29.10.2012 10:02:19

Solární zařízení v příkladech

Solární systém na bytovém domě Český Krumlov

Tomáš Matuška

SOLÁRNÍ TERMICKÉ SYSTÉMY

Tomáš Matuška stavitel

Solární zařízení v příkladech

stavitel

Solární zařízení v příkladech Tomáš Matuška

Grada Publishing

Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována a šířena v papírové, elektronické či jiné podobě běz předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Úsporné řešení pro vaše topení www.regulus.cz

Tomáš Matuška

Solární zařízení v příkladech Vydala Grada Publishing, a.s. U Průhonu 22, Praha 7 [email protected], www.grada.cz tel.: +420 234 264 401, fax: +420 234 264 400 jako svou 5027. publikaci Odpovědná redaktorka Ing. Jitka Hrubá Sazba Vladimír Velička Fotografie na obálce Wagner & Co / ESTIF Fotografie a kresby v textu z archivu autora, pokud není uvedeno jinak Počet stran 256 První vydání, Praha 2013 Vytiskla tiskárna GRASPO CZ, a. s. Vydání odborné knihy schválila Vědecká redakce nakladatelství Grada Publishing, a.s. © Grada Publishing, a.s., 2013 Cover Design © Eva Hradiláková, 2013 Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků. ISBN 978-80-247-3525-2 ELEKTRONICKÉ PUBLIKACE: ISBN 978-80-247-8036-8 (elektronická verze ve formátu PDF) ISBN 978-80-247-8039-9 (elektronická verze ve formátu EPUB)



Obsah Předmluva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1  Sluneční energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1 Slunce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.1  Zdroj energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.2  Sluneční konstanta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1.3  Spektrum slunečního záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2  Sluneční energie na zemském povrchu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.1  Průchod slunečního záření atmosférou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.2  Přímé a difuzní záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3  Měření veličin slunečního záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3.1  Měření celkového slunečního ozáření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.3.2  Měření přímého slunečního ozáření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.3  Měření difuzního slunečního ozáření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.4  Měření doby trvání slunečního svitu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.5  Měření odraženého slunečního záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.4  Sluneční energie v ČR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.4.1  Zdroje údajů o slunečním záření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.4.2  Roční hodnoty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.4.3  Optimální orientace a sklon plochy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2  Solární kolektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1  Druhy solárních kolektorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1.1  Nekryté (nezasklené) kolektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.1.2  Ploché atmosférické kolektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.1.3  Ploché vakuové kolektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1.4  Trubkové vakuové kolektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.1.5  Koncentrační kolektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2  Charakteristiky solárních kolektorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.1  Teoretické vyjádření účinnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2.2  Vztažná plocha solárního kolektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.2.3  Experimentální stanovení výkonu a účinnosti . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.2.4  Uvádění účinnosti kolektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.2.5  Uvádění výkonu kolektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.2.6  Křivky účinnosti různých druhů kolektorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.2.7  Optická charakteristika – modifikátor úhlu dopadu . . . . . . . . . . . . . 58 2.2.8  Tepelná setrvačnost kolektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.2.9  Výkonnost solárních kolektorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.2.10  Vliv umístění solárních kolektorů na výkonnost . . . . . . . . . . . . . . 68 2.3  Konstrukce solárního kolektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.3.1 Zasklení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.3.2  Absorpční povrch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5

6

Solární zařízení v příkladech 2.3.3 Absorbér . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.3.4  Odvod tepla z absorbéru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.3.5  Skříň kolektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 2.4  Zkoušení a certifikace solárních kolektorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2.4.1 Normy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2.4.2  Zkoušky spolehlivosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 2.4.3  Značka CE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.4.4  Solar Keymark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.4.5  Modrý anděl (RAL-UZ 73) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3  Solární zásobníky tepla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.1  Principy akumulace tepla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.1.1  Akumulace v citelném teple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.1.2  Akumulace ve skupenském teple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.1.3  Akumulace s využitím sorpce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.1.4  Akumulace s využitím chemických reakcí . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.2  Vodní solární zásobníky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.2.1  Předávání tepla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.2.2  Tlakové podmínky v zásobníku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.2.3  Účel použití zásobníků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.2.4  Jak velký zásobník? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.3  Podmínky účinné akumulace tepla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.3.1  Přívod a odběr tepla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.3.2  Vodní zásobníky tepla s řízeným teplotním vrstvením . . . . . . . . . . 108 3.3.3  Tepelné ztráty zásobníků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.3.4  Připojovací potrubí zásobníků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4  Solární tepelné soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.1  Solární soustavy v ČR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.1.1  Historie využívání sluneční energie v ČR . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.1.2  Instalace z 80. let . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 4.1.3  Statistika solárních kolektorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.2  Typologie solárních soustav . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.2.1  Průtok solární soustavou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.2.2  Koncepce primárního okruhu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.3  Energetické parametry solárních soustav . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.3.1  Využité tepelné zisky solární soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.3.2  Roční úspora energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.3.3  Dodatková energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.3.4  Měrné využité tepelné zisky solární soustavy . . . . . . . . . . . . . . 124 4.3.5  Solární pokrytí, solární podíl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.3.6  Provozní účinnost solární soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.3.7  Spotřeba pomocné energie soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.4  Hodnocení přínosů solárních soustav . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.4.1  Zjednodušené výpočty energetických přínosů . . . . . . . . . . . . . . 129 4.4.2  Počítačové simulace solárních soustav . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.4.3  Provozní měření zisků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.4.4  Garantované solární zisky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

 5  Solární ohřev vody a vytápění . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5.1  Příprava teplé vody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.1.1  Potřeba teplé vody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.1.2  Časové rozložení potřeby teplé vody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.1.3  Tepelné ztráty přípravy teplé vody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5.1.4  Hygienické požadavky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 5.2 Vytápění . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 5.2.1  Potřeba tepla na vytápění . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 5.2.2  Tepelné ztráty otopné soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 5.2.3  Nízkoteplotní otopné soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 5.3  Solární soustavy pro přípravu teplé vody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 5.3.1  Malé solární soustavy pro přípravu teplé vody . . . . . . . . . . . . . . 152 5.3.2  Velké solární soustavy pro přípravu teplé vody . . . . . . . . . . . . . . 154 5.4  Kombinované solární soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 5.4.1  Malé solární kombinované soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 5.4.2  Velké solární kombinované soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 5.5  Nasazení solárního ohřevu v budovách . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.5.1  Vliv volby kolektoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.5.2  Tepelná izolace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 5.5.3  Kolísání klimatických podmínek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 5.5.4  Změny v potřebě tepla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 5.5.5  Energetická náročnost vytápění . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 5.5.6  Teplotní spád otopné soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 5.6  Příklady realizací . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 5.6.1  Rodinný dům Mnichovice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 5.6.2  Bytový dům Velká Skála . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 5.6.3  Doterm Servis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 6  Solární ohřev bazénů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 6.1  Ohřev vody v bazénech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 6.1.1  Venkovní bazény a koupaliště . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 6.1.2  Vnitřní bazény . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 6.2  Bazénové solární soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 6.2.1  Sezónní soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 6.2.2  Solární soustavy pro celoroční provoz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 6.2.3  Kolektory pro bazény . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 6.2.4  Čerpadla a spotřeba elektřiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 6.3  Příklady realizací . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 6.3.1  Venkovní koupaliště Rusava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 6.3.2  Aquapark Jindřichův Hradec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 7  Solární chlazení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 7.1  Zařízení s uzavřeným oběhem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7.1.1  Absorpční uzavřený oběh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 7.1.2  Adsorpční uzavřený oběh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 7.2  Desikační zařízení s otevřeným oběhem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 7.2.1  Zařízení s tuhým desikantem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 7.2.2  Zařízení s kapalným desikantem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

7

8

Solární zařízení v příkladech 7.3  Solární soustavy pro chlazení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 7.3.1  Solární kolektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 7.3.2  Solární chladicí faktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 7.3.3  Zapojení solárních chladicích soustav . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 7.4  Příklady realizací . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 7.4.1  Hotel DUO v Praze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 7.4.2  Hypermarket TESCO Jaroměř . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 8  Solární soustavy pro CZT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 8.1  Historický vývoj solárních CZT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 8.2  Základní koncepce soustav . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 8.2.1  Solární soustavy pro CZT s krátkodobou akumulací . . . . . . . . . . . 214 8.2.2  Solární soustavy pro CZT s dlouhodobou akumulací . . . . . . . . . . 215 8.3  Solární kolektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 8.4  Sezónní zásobníky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 8.4.1  Akumulační nádrž . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 8.4.2  Podpovrchový výkopový zásobník (pit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 8.4.3  Zemní sondy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 8.4.4 Aquifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 8.5  Návrhové a provozní parametry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 8.6  Příklady realizací . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 8.6.1  Sídliště Hirtenwiesen v Crailsheimu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 8.6.2  CZT v Marstalu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 8.6.3  Sídliště ve Friedrichshafenu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 9  Průmyslové aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 9.1  Průmyslové procesy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 9.1.1  Mytí a čištění . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 9.1.2  Ohřev zásobníků a nádob . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 9.1.3 Sušení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 9.1.4  Vytápění prostor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 9.2  Nasazení solárních soustav v průmyslu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 9.2.1  Solární kolektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 9.2.2  Soustavy pro ohřev vody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 9.2.3  Soustavy pro ohřev lázní a van . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 9.2.4  Soustavy pro solární sušení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.2.5  Soustava pro vytápění velkoprostorových objektů . . . . . . . . . . . . 242 9.3  Příklady realizací . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.3.1  Výrobní družstvo STYL Studená . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.3.2  Závod ETA Hlinsko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 9.3.3  Biotechnologická hala v Nových Hradech . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Rejstřík . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

Zkratky ke schématům . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

 Předmluva

 Předmluva Mezi současnými zdroji tepla představují solární tepelné soustavy bezemisní zařízení s minimálním dopadem na spotřebu primární neobnovitelné energie. Jsou založeny na přímé přeměně nevyčerpatelné sluneční energie dostupné všem a všude bez rozdílu. To řadí solární zařízení mezi obnovitelné zdroje energie současnosti i budoucnosti bez ohledu na aktuální politické preference energetického mixu v České republice. Svým charakterem se solární zařízení řadí mezi úsporná opatření (spořiče energie) než typické zdroje, které lze na povel zapnout a vypnout. V ekonomicky reálných instalacích proto solární zařízení potřebují pro celoroční provoz vždy záložní zdroj tepla. Solární teplo je využitelné všude, kde potřeba tepla vzniká. Ne všude jsou však solární zařízení konkurenceschopná s konvenčními zdroji tepla. Ekonomika projektů je zatím výzvou nejen výrobcům a výzkumníkům, ale i politické vůli a podpoře. Ke zlevnění výroby může dojít pouze v souvislosti s nasazením masové výroby ve velkých sériích. Druhou šancí je změna chápání solárního kolektoru jako primárně technologického zařízení, ale jako základního stavebního prvku obvodového pláště budov. S tím nutně souvisí změna materiálové základny a zjednodušení konstrukce. Kniha je souhrnem zkušeností se solárními soustavami v různých oblastech použití od rodinných domů pro průmyslové provozy. Snahou bylo poskytnout aktuální a komplexní náhled na problematiku, přístupný širší veřejnosti, nejen té odborné. Těžiště zpracovaných témat leží v mé přednáškové činnosti z posledních let, nicméně pro účely knihy byla témata v jednotlivých oblastech výrazněji rozpracována a doplněna do podoby kompaktního textu. Jádro kapitol zpravidla tvoří vysvětlení principů jak konkrétní solární zařízení pracují; názorné analýzy (co a jak ovlivňuje návrh a provoz solárních zařízení) a příklady realizací na území ČR. Výjimkou jsou soustavy centralizovaného zásobování solárním teplem s dlouhodobou akumulací, které v České republice dosud realizovány nejsou. Důraz je kladen na ukázání konkrétních čísel a reálných energetických přínosů využití sluneční energie, přestože pro lepší čitelnost textů nejsou uváděny všechny detailní okrajové podmínky výpočtů. Analýzy jsou provedeny pro klimatické údaje České republiky z let s nízkou sluneční aktivitou, tzn. uváděné údaje o přínosech jsou konzervativní hodnoty, za které je možné se zaručit a v běžné praxi očekávat vyšší. Vybrané příklady realizovaných soustav jsou buď nějakým způsobem technicky zajímavé, ať už nevšedním technickým řešením nebo jen tím, že jsou dlouhodobě monitorované a lze na nich ukázat skutečně dosahované přínosy. Nedílnou součástí kapitol jsou poznámky v modrých polích, které se snaží téma posunout a nahlédnout z jiné strany. Řada představených analýz by nevznikla bez obětavé pomoci kolegy Bořivoje Šourka, který pro ně připravil simulační modely v prostředí TRNSYS. Podobně, uváděné výsledky ze zkoušek solárních kolektorů vznikly při naší společné práci v Solární laboratoři Ústavu techniky prostředí na ČVUT v Praze. Na závěr děkuji kolegům z firem dlouhodobě působících v oblasti solární tepelné techniky za poskytnutí obrazového materiálu, cenných rad a praktických náhledů i za kladené dotazy, které inspirovaly některé z představených analýz. V srpnu 2012

Tomáš Matuška

9

Věnováno Háně za nekonečnou trpělivost...

1  Sluneční energie Člověk využívá sluneční energii od té doby, co je člověkem. Sluneční energie je zdrojem všeho živého na zemském povrchu. V prastarých kulturách bylo Slunce vždy předmětem úcty, člověk cítil naprostou závislost života na jeho energii. Sluneční energie je v historii lidského rodu tradičním a velmi dlouhou dobu jediným zdrojem energie. Využívání fosilních a jaderných paliv je z hlediska jejich časové dostupnosti pouhým přechodovým obdobím. Fosilní paliva nemají svůj původ nikde jinde než právě ve sluneční energii, uložené v biomase před stovkami miliónů let. V době, kdy se způsoby zajištění energetických potřeb lidstva stávají celospolečenským tématem, se pozornost obrací opět k základnímu zdroji energie pro naši planetu.

1.1  Slunce Země je součástí planetární soustavy, jejímž středem je Slunce. Slunce je nám nejbližší a nejdůležitější hvězdou. Je trvalým zdrojem veškeré energie pro naši planetu. Slunce má tvar koule o průměru 1,39 miliónů kilometrů, tj. 109krát větším než je průměr Země. Od Země je Slunce vzdáleno v průměru 150 miliónů kilometrů. Hmotnost Slunce je 2×1030 kg a je tak 330 000krát hmotnější než Země, tvoří přibližně 99,9 % hmotnosti celé sluneční soustavy. Proto jsou planety Sluncem přitahovány a obíhají okolo něj.

1.1.1  Zdroj energie Slunce se skládá převážně z atomárního vodíku (70 %), helia (28 %) a z nepatrného množství ostatních prvků periodické soustavy (2 %). Někdy se místo hmotnostních procent uvádí podíly počtu atomů jednotlivých prvků: 91 % vodíku, 9 % helia. Všechny prvky jsou ve hmotě Slunce obsaženy ve skupenství plazmy. Zdrojem energie Slunce je termonukleární reakce – jaderná fúze – probíhající v centrální oblasti Slunce, při které dochází k přeměně lehčích jader vodíku na těžší jádro helia. Přeměna probíhá při teplotách desítek miliónů K a tlacích desítek miliard MPa za stavu, při němž jsou všechny atomy zcela ionizovány. Protony za těchto podmínek na sebe narážejí tak vysokými rychlostmi, že Obr. 1.1  Schematický řez Slunce se překonává jejich elektrická odpudivost. Při srážkách se dostávají k sobě natolik blízko, že vlivem vysoké jaderné přitažlivosti jádra atomů splynou. Každou sekundu se přemění 564 miliónů tun vodíku na 560 miliónů tun helia. Hmotnost vzniklého jádra helia je menší než hmotnost čtyř protonů vodíku vstupujících do reakce. Rozdíl hmoty se při reakci přemění na energii podle známého vztahu E = m×c2. Vyčíslením vznikajícího výkonu lze dospět k hodnotě 3,6×1026 W. Pro naše běžná technická měřítka je to nepředstavitelný výkon, který Slunce uvolňuje přeměnou hmoty v energii.

12 Solární zařízení v příkladech Na obr. 1.1 je znázorněn řez Sluncem. Jaderná fúze probíhá v centrální oblasti Slunce, která zasahuje do cca 23 % jeho poloměru. Nad jádrem, do 70 % poloměru Slunce, se nachází tzv. radiační zóna, oblast s velmi vysokou hustotou a teplotou postupně klesající až na 130 000 K. Energie uvolněná v jádru Slunce ve formě rentgenových fotonů s vysokým energetickým obsahem proniká velmi hustou radiační zónou směrem k povrchu. Rentgenové fotony se cestou přeměňují na tisíce energeticky „chudších“ fotonů o delší vlnové délce. Záření tak mění své spektrální složení směrem k větším vlnovým délkám a fotony snižují svůj energetický obsah. Konvekční zóna mezi radiační zónou a povrchem Slunce má hustotu již výrazně nižší a hlavním způsobem přenosu energie je konvekce. Vnějším viditelným obalem Slunce – fotosférou – je energie vyzařována do kosmického prostoru již jako převážně ultrafialové, světelné a infračervené záření v oblasti vlnových délek 0,2 až 3,0 µm. Z nebezpečného rentgenového záření vznikajícího uvnitř Slunce se cestou na povrch stává převážně životodárné sluneční záření. Vzdálenost od středu k povrchu Slunce je zhruba 700 000 km a fotonům rentgenového záření trvá milion let než se proměněné v tisíce fotonů světelného záření dostanou k povrchu. Země je od Slunce vzdálena v průměru okolo 150 milionů kilometrů. Sluneční záření se ve volném meziplanetárním prostoru pohybuje přímočaře rychlostí 300 000 km/s, není ničím brzděno ani pohlcováno. Jednoduchým výpočtem lze určit, že na zemský povrch „doletí“ za pouhých 500 s, tj. 8 minut a 20 s. Jak uvádí známý český astronom J. Kleczek: „sluneční záření, které dnes vidíme jako světlo a pociťujeme jako teplo, bylo uvolněno jadernou fúzí v nitru Slunce v době, kdy pračlověk na Zemi zapaloval první oheň. Za dobu, než se sluneční energie prodrala z jádra Slunce k jeho povrchu, se zatím člověk vyvinul v inteligentní bytost současnosti“ [1]. Hustota toku energie vyzařované z povrchu Slunce je okolo 60 MW/m2. Podle množství helia, které až dosud ve Slunci vzniklo, lze stáří Slunce odhadnout na zhruba 5 miliard let a předpokládá se, že jaderná fúze bude pokračovat ještě dalších 5 až 10 miliard let. Z naší lidské perspektivy je tedy energie vyzařovaná Sluncem nevyčerpatelným a trvalým zdrojem energie. Sluneční záření na cestě k Zemi není ničím pohlcováno a přichází na hranici atmosféry ve stejném spektrálním složení, s nímž opustilo Slunce, avšak při značně zmenšené hustotě zářivého toku způsobené tím, že se výkon s rostoucí vzdáleností rozptýlí na větší plochu. Z celkového výkonu vyzařovaného Sluncem dopadá na naši Zemi pouze zlomek – jedna půlmiliardtina – mezi 170 a 180 tisíci TW (bilionů wattů). Podobně nepatrná část je zachycena ostatními planetami sluneční soustavy. Zbývající tok záření, tzn. v podstatě téměř celý tok vyzařované sluneční energie, uniká do mezihvězdného a mezigalaktického prostoru. Celosvětová spotřeba energie lidstvem na Zemi v roce 2010 byla odhadnuta na 12 275 milionů tun ropného ekvivalentu [33], což odpovídá 142 PWh nebo 512 miliardám GJ. Zhruba 90 % spotřebované energie pochází ze spalování fosilních paliv. Přitom na zemskou atmosféru ročně dopadne 1,5 milionu PWh sluneční energie, na zemský povrch se dostane zhruba jedna polovina. To znamená, že Slunce nás ročně zásobuje energií přesahující více než 5 000krát naše energetické potřeby. Tato energie je čistá, z pohledu lidského rodu věčná a sama o sobě zdarma.

Sluneční energie

1.1.2  Sluneční konstanta Hustota zářivého toku sluneční energie na jednotku plochy kolmé ke směru šíření záření, dopadající při střední vzdálenosti Slunce od Země na vnější povrch zemské atmosféry, se nazývá sluneční konstanta. Na základě dlouhodobých družicových měření se hodnota sluneční konstanty uvádí 1 367  W/m2. Z družicového pozorování byly zároveň v závislosti na přirozené sluneční aktivitě zjištěny pouze malé změny hodnoty sluneční konstanty o 0,1 %. Na hranici atmosféry tedy každoročně přichází stejné množství energie bez výrazných výkyvů. Je zajímavé se podívat, jak jsou na tom se sluneční konstantou ostatní planety sluneční soustavy. Například Merkur, Slunci nejbližší planeta, má sluneční konstantu 9 040 W/m2, zatímco vzdálený Neptun pouze 1,5 W/m2.

hustota zářivého toku vně atmosféry GON [W/m2]

1420

1400

1380 sluneční konstanta GSC = 1367 w/m2 1360

1340

1320 0

50

100

150

200

250

300

350

dny v roce

Obr. 1.2  Změna toku slunečního záření dopadajícího na vnější povrch atmosféry během roku

Sluneční konstanta se uvádí pouze jako jediná střední hodnota. Nicméně, hustota toku slunečního záření dopadajícího kolmo na vnější povrch zemské atmosféry během roku konstantní není. Země obíhá okolo Slunce po eliptické dráze, přičemž Slunce je v jednom z ohnisek. Vzdálenost mezi Sluncem a Zemí se během roku mění pouze o ±1,7 %. Tak malá změna je způsobena tím, že eliptická oběžná dráha je velmi blízká dráze kruhové. Se změnou vzdálenosti se mění i hustota toku slunečního záření o cca ±3,3 %. Z grafické závislosti proměnlivosti hustoty toku slunečního záření (viz obr. 1.2) je patrné, že v zimě vnější povrch atmosféry přijímá více slunečního záření než v létě, vzhledem ke skutečnosti, že Slunce je k Zemi blíž než v létě.

13

14 Solární zařízení v příkladech Životní zkušenost na severní polokouli však říká něco jiného. V létě je dopadajícího slunečního záření více než v zimě. Nízká úroveň slunečního záření v zimním období v našem klimatickém pásmu je však způsobena jiným jevem – a to odklonem severní polokoule Země od Slunce vlivem precesního pohybu zemské osy a tedy nižším úhlem dopadu slunečních paprsků, které překonávají větší hmotu atmosféry a více se pohltí. Druhým jevem působícím snížení dopadajícího záření v zimě je zvýšená oblačnost.

1.1.3  Spektrum slunečního záření Záření Slunce si lze přiblížit jako záření dokonale černého tělesa s povrchovou teplotou okolo 5 800 K. Sluneční záření je elektromagnetické vlnění, které zahrnuje vlnové délky řádově od nanometrů (rentgenové a ultrafialové záření) až do několika metrů (rádiové záření). Spektrální průběh hustoty zářivého toku v závislosti na vlnové délce záření je pro dokonale černé těleso při dané teplotě určen Planckovým zákonem. S klesající teplotou tělesa klesá hustota zářivého toku a zároveň se maximum spektrální charakteristiky posouvá do oblasti větších vlnových délek. Pro sluneční záření se maximum pohybuje okolo vlnové délky 0,5 µm, což je vlnová délka žluto/ zelené barvy. Reálný spektrální průběh hustoty zářivého toku ze Slunce není tak hladký jako u dokonale černého tělesa vlivem nehomogenního povrchu fotosféry (viz obr. 1.3). Naprostá většina energie slunečního záření odcházejícího ze slunečního kotouče je soustředěna v oblasti vlnových délek od 0,2 do 3,0 µm. V této oblasti lze rozlišit různé druhy záření s různým energetickým obsahem. V oblasti vlnových délek od 0,20 do 0,40 µm se nachází ultrafialové záření (zkratka UV), tj. záření „za fialovou“ barvou. Ultrafialové záření se dělí na UVC: pod 0,28 µm; UVB: 0,28 až 0,32 µm a UVA: 0,32 až 0,40 µm. Energie „tvrdého“ UVC a UVB záření je schopná rozkládat nebo narušovat bílkoviny nebo jiné životně důležité organické sloučeniny 2,2 2,0 hustota zářivého toku [W/(m2·nm)]

1,8 1,6 1,4 1,2

černé těleso 5800 K

1,0 spektrum WRC

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

vlnová délka [nm]

Obr. 1.3  Spektrální charakteristika zářivého toku sluneční energie na hranicích zemské atmosféry

2400

Sluneční energie s vážnými následky pro metabolismus postiženého organismu. Je zhoubné pro většinu živých organismů a negativně ovlivňuje růst rostlin. UVC záření se používá k dezinfekčním účelům (UV lampy). Pro život na Zemi je důležitým faktem, že naprostá většina škodlivého UV záření je absorbována ozónem v ozónové vrstvě. Na zemský povrch dopadá v podstatě pouze UVA záření (99 % z veškerého ultrafialového záření), které se někdy označuje jako „černé světlo“. Pro člověka je ultrafialové záření neviditelné, avšak někteří živočichové ho vnímají. V oblasti UV záření přichází do atmosféry okolo 9 % celkové energie slunečního záření. Viditelné záření (VIS), které je člověk schopný vnímat zrakem, přichází ze Slunce v oblasti vlnových délek od 0,40 do 0,75 µm. Ve viditelném záření rozlišujeme konkrétní barvy. Každá barva má svou vlnovou délku, od kratších délek fialové a modré barvy přes zelenou, žlutou až po červenou (viz obr. 1.4). Záření o vlnové délce kratší nebo delší než v uvedeném rozmezí pro člověka viditelné 400 500 600 700 m [nm] není. Lze je zviditelnit zvláštní přístrojovou Obr. 1.4  Spektrální barvy a jejich vlnové délky, spojité technikou převodem spektra do viditelné obspektrum bílého světla lasti (např. termovizní snímky v infračervené oblasti). Oblast viditelného záření obsahuje významnou část energie slunečního záření, okolo 41 % z celkové dopadající energie. Slunce, jako většina reálných zdrojů světla, vysílá záření různých vlnových délek (směs). Lidské oko není schopné samostatně rozlišit jednotlivé složky spektra, ale vnímá směs vlnových délek jako jednu barvu. Směs všech barev vnímá jako bílou (neutrální barvu). A opačně, bílé světlo lze na optickém hranolu nebo rozptýlením na kapičkách vody v atmosféře rozložit na jednotlivé složky – barvy – ve formě duhy. Mícháním různých vlnových délek je možné vytvořit barvy, které ve viditelném spektru nenalezneme, neboť nemohou být reprezentovány jedinou vlnovou délkou. Tyto nespektrální barvy jsou například šedá, růžová nebo zmíněná bílá. „Pod červenou“ barvou v oblasti vlnových délek od 0,75 µm do 1 mm se nachází oblast infračerveného záření. Pro upřesnění se dělí na blízké infračervené záření od 0,75 do 5,00 µm, střední od 5 do 30 µm a daleké od 30 µm do 1 mm. Oblast infračerveného záření obsahuje nezanedbatelných 50 % energie slunečního záření. S tím je nutné při využití sluneční energie počítat. Předměty kolem nás při běžných teplotách 0 až 100 °C září ve střední infračervené oblasti. Teplotě 0 °C odpovídá vlnová délka maxima 10 µm, teplotě 100 °C odpovídá maximum okolo 7,8 µm.

15

16 Solární zařízení v příkladech

1.2  Sluneční energie na zemském povrchu 1.2.1  Průchod slunečního záření atmosférou Sluneční záření vstupuje do atmosféry ve výšce cca 60 km na zemským povrchem. Atmosféra se skládá převážně z dvojatomových plynů dusíku a kyslíku. Ve vysokých vrstvách atmosféry – ionosféře – pohlcují tyto dva základní atmosférické plyny přicházející ultrafialové a rentgenové záření. Níže se nachází ozonosféra, vrstva s vysokým obsahem ozonu, který pohlcuje zbývající část životu nebezpečného ultrafialového záření (UVC). V nejnižších vrstvách atmosféry – v troposféře – dochází k pohlcování různých vlnových délek spektra slunečního záření vodní párou, oxidem uhličitým, prachem a aerosoly. Když se hovoří o tom, že sluneční záření dopadající na Zemi vstupuje do atmosféry, je dobré si uvědomit, že nelze určit jednoznačnou hranici, kde atmosféra začíná. Svrchní vrstva atmosféry plynule přechází do meziplanetárního prostoru.

hustota zářivého toku [W/(m2⋅nm)]

Atmosféra nás v podstatě chrání před škodlivými účinky záření o krátkých vlnách: ultrafialového, rentgenového a gama záření. Na zemský povrch se dostává neškodná část ultrafialového záření, viditelné světlo, infračervené záření a rádiové vlny. Na obr. 1.5 je kromě spektrální charakteristiky slunečního záření vně atmosféry (spektrum AM0) znázorněna spektrální charakteristika po průchodu atmosférou kolmo na zemský povrch (spektrum AM1). Ze spektrální charakteristiky na zemském povrchu je patrné především „odfiltrování“ UVC záření a významné pohlcení záření

vlnová délka [nm]

Obr. 1.5  Spektrální charakteristika zářivého toku sluneční energie procházejícího zemskou atmosférou

Sluneční energie vodní párou v atmosféře. Na zemský povrch dopadá sluneční záření s významným energetickým obsahem v oblasti vlnových délek od 0,3 do 3,0 µm. Označení spektra AM (Air Mass) označuje hmotu atmosféry, resp. vyjadřuje poměrnou délku dráhy pomyslného slunečního paprsku procházejícího atmosférou vzhledem k nejkratší možné dráze, tj. kolmo na zemský povrch. S úhlem dopadu slunečního záření na zemský povrch se mění délka dráhy, kterou sluneční paprsek musí urazit a tedy i tloušťka vzduchové vrstvy atmosféry, kterou musí projít. Spektrum AM1 je pro kolmý úhel dopadu, AM1,5 pro zenitový úhel 37° a AM2 pro 60°. V průměrné roční bilanci se z celkového toku energie slunečního záření ze Slunce zpět do vesmíru odrazí od mraků, částeček prachu a zemského povrchu zhruba 34 %. Atmosféra pohltí okolo 19 %. Zbývající část sluneční energie je pohlcena zemským povrchem (47 %). Záření pohlcené zemským povrchem se mění v teplo, které je vyzařováno z povrchu Země jako infračervené záření (14 %). Infračervené záření je pohlcováno v atmosféře víceatomovými plyny, což vede k trvalému zvýšení teploty zemského povrchu (skleníkový efekt). Tuto tepelnou energii prostředí (vzduchu, země, vody) o nízké teplotě lze využívat přečerpáváním na vyšší využitelnou teplotu tepelnými čerpadly. Značné množství energie dopadající na rozsáhlé plochy oceánů se spotřebuje na vypařování vody (23 %). Vodní pára je proudy vzduchu vynášena nahoru, kde v chladnějších vrstvách atmosféry kondenzuje, předává své skupenské teplo okolnímu vzduchu a ve formě srážek přichází zpět na zemský povrch a je základem vodní energie využitelné ve vodních elektrárnách. Zbytek slunečního záření pohlceného zemským povrchem (10 %) je odveden konvekcí do vzduchu. Vzduch zahřátý od povrchu Země stoupá nahoru a na jeho místo proudí těžší chladný vzduch, čímž vznikají větry. Energii lokálního nebo globálního proudění větru je možné využívat ve větrných elektrárnách. Pouze nepatrné množství sluneční energie dopadající na Zemi (asi 1 ‰) připadá na biologické reakce probíhající v biosféře, především na fotosyntézu, která s využitím energie slunečního záření vytváří biologickou hmotu ze základních prvků uhlíku, kyslíku a vodíku – biomasu. Energie slunečního záření je tak nepřímo podstatou všech obnovitelných zdrojů energie na Zemi: energie prostředí, vodní energie, větrné energie, energie biomasy s výjimkou energie geotermální a slapové, jejichž příspěvky jsou o několik řádů nižší.

1.2.2  Přímé a difuzní záření Na vnější povrch atmosféry dopadá sluneční záření v nerozptýlené formě, které si lze představit jako paprsky přicházející přímo ze slunečního kotouče. Průchodem atmosférou dochází k jeho rozptýlení na částicích prachu, krystalcích ledu či kapičkách vody. Část zářivého toku pak z oblohy přichází ve formě rozptýleného, tzv. difuzního slunečního záření, které nemá směrový charakter – je všesměrové – přichází ze všech směrů se stejnou intenzitou. Sluneční záření nerozptýlené se označuje jako přímé slunečního záření a má výrazně směrový charakter. Zjednodušeně lze konstatovat, že přímé sluneční záření přichází tehdy, je-li viditelný sluneční kotouč. Výkonová hustota přímého slunečního záření je oproti difuznímu značně závislá na úhlu dopadu. K difuznímu záření se počítá i záření odražené od okolních ploch, zvláště od terénu.

17

* 18 Solární zařízení v příkladech

Vychází se z předpokladu, že naprostá většina povrchů v přírodě jsou povrchy difuzní, tzn. že i přímé úhlově závislé sluneční záření dopadající na takový povrch se odrazí do všech stran více či méně se stejnou intenzitou (všesměrově). V prostředí měst s výrazným podílem lesklých ploch tento předpoklad platí omezeně. Rozlišují se dvě základní veličiny popisující energetický obsah slunečního záření: jednak výkonová hustota zářivého toku slunečního záření, označovaná jako sluneční ozáření G ve W/m2 a dále hustota dopadající energie za časový úsek, označovaná jako dávka slunečního ozáření H v kWh/m2. Pro rozlišení základních termínů je vhodné ještě zavést následující jednoduchou a snad srozumitelnou konvenci používanou nejen v této knize. Termín sluneční přísluší všem veličinám a jevům, které souvisí se Sluncem a jeho aktivitou, např. sluneční záření, sluneční konstanta, sluneční soustava, apod. Termín solární je spojen s technickým využitím slunečního záření, např. solární kolektor, solární soustava, solární zisk, apod. Pro další termíny z oblasti solární tepelné techniky viz [4].

Tab. 1.1  Hodnoty celkového slunečního ozáření G = Gb + Gd Jasná obloha

700–1 000 W/m

poměr Gd / G 2

10–20 %

Lehce zataženo

200–700 W/m2

20–80 %

Silně zataženo

100–200 W/m2

80–100 %

V tab. 1.1 jsou uvedeny typické hodnoty celkového slunečního ozáření G pro různé stavy oblačnosti. Celkové sluneční ozáření G je součtem přímého slunečního ozáření Gb a difuzního slunečního ozáření Gd. Úrovně slunečního ozáření jsou podmíněny ročním obdobím pouze částečně, zejména však aktuální oblačností a sklonem přijímající plochy. Proto při jasném zimním dnu lze v poledne při kolmém úhlu dopadu naměřit úroveň slunečního ozáření blížící se hodnotě 1 000 W/m2. Naměření hodnot slunečního ozáření významně přesahujících 1 000 W/m2 zpravidla naznačuje významnou složku odraženého slunečního záření, např. od lesklé plechové střechy. Na obr. 1.6 jsou porovnány podíly přímého záření na celkové dopadající sluneční energii během roku pro Prahu v typickém meteorologickém roce. V průměru během roku se přímé sluneční ozáření na plochu skloněnou pod úhlem odpovídajícím zeměpisné šířce (zjednodušeně uvažováno jako optimum 50°) podílí na celkovém ozáření okolo 50 %. Vyšší poměrné hodnoty jsou patrné v zimním období, v letním poměr klesá vzhledem k odlišnému typu oblačnosti. Podobně jsou na obr. 1.7 porovnány celoroční poměry mezi přímým a difuzním slunečním ozářením pro různá místa v Evropě od severních zeměpisných šířek po jih Evropy. Jižní Evropa pod zeměpisnou šířkou 45° vykazuje celoroční podíly přímého slunečního záření nad 60 % a odpovídající vysoké úrovně dopadající sluneční energie nad 1 500 kWh/(m2·rok). Zatímco celoroční dopadající sluneční energie ve střední a severní Evropě je srovnatelná, střední Evropa okolo padesáté rovnoběžky má podíly přímého záření zhruba o 10 % nižší než severní část Evropy. Podíl přímého slunečního záření v České republice se pohybuje pod 50 %.

Sluneční energie 160

0,7

140

0,6 0,5

100

0,4

80 0,3

60

poměr Gb / G

kWh/(m2·měs.)

120

0,2

40

0,1

20 0

0,0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

měsíc Obr. 1.6  Podíl přímého (tmavá) a difuzního (světlá) slunečního záření během roku (typický rok pro Prahu)

Athény (38°) Madrid (40°) Řím (42°) Marseille (43°) Bukurešť (44°) Bělehrad (45°) Davos (47°) Bratislava (48°) Vídeň (48°) Paříž (49°) Brno (49°) Praha (50°) Brusel (50°) Londýn (51°) Berlin (53°) Kodaň (55°) Helsinki (60°) Stockholm (60°) 0

500

1000

1500

2000

kWh/(m ·rok) 2

Obr. 1.7  Podíl přímého (tmavá) a difuzního (světlá) slunečního záření během roku pro různá místa Evropy při optimálním sklonu (TMY Meteonorm) 

19

20 Solární zařízení v příkladech Z podílu přímé složky dopadající energie slunečního záření lze usuzovat na vhodnost lokality pro použití optických prvků pro soustředění slunečního záření, např. reflektorů či čoček. V České republice se solární kolektory s vysokými koncentračními faktory neprosazují právě z důvodu nepříliš vhodných klimatických podmínek s nízkým podílem energie přímého záření. Lze tedy předpokládat, že se na našem území nebudou stavět koncentrační solární elektrárny, využívající parabolických žlabů k produkci přehřáté páry pro turbínu nebo Stirlingových motorů umístěných v ohnisku parabolické mísy. Jak se mění podíl jednotlivých složek slunečního záření při dopadu na plochu s různým sklonem je naznačeno na obr. 1.8. Pro případ jižně orientované plochy a údajů typického meteorologického roku pro Prahu jsou vyjádřeny poměry v závislosti na úhlu sklonu. Čím větší sklon má plocha od vodorovné roviny, tím více přijímá odraženého záření od terénu. Jinými slovy lze říci, že „více vidí“ terén a tedy od něj více přijímá odražené záření. Podobně – avšak naopak – rostoucí sklon neumožňuje difuznímu záření z celé polokoule oblohy dopadat na plochu, neboť plocha „vidí“ pouze omezenou výseč oblohy danou sklonem plochy. To se projeví v nižší úrovni difuzní oblohové složky dopadajícího slunečního záření. 0,7

difuzní oblohové záření

0,6

přímé záření

podíl složky [-]

0,5 0,4 0,3 0,2

difuzní odražené záření

0,1 0,0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

úhel sklonu plochy [°] Obr. 1.8  Podíl složek slunečního záření dopadajícího na jižně orientovanou plochu s různým sklonem

1.3  Měření veličin slunečního záření Informace o úrovni slunečního záření jsou zapotřebí pro návrhové výpočty a hodnocení projektovaných i realizovaných solárních soustav. Hlavními radiačními veličinami, které se měří v meteorologických stanicích, jsou především celkové sluneční ozáření na vodorovnou rovinu a doba trvání slunečního svitu. Při zkoušení solárních kolektorů a soustav se měří také celkové sluneční ozáření, avšak na rovinu se sklonem solárních kolektorů. U speciálních metod zkoušení kolektorů (viz quazidynamická metoda) se měří i difuzní ozáření.

Sluneční energie

1 .3 .1

Měření celkového slunečního ozáření

Pyranometry jsou přístroje pro měření hemisférického slunečního ozáření, tj. výkonové hustoty přímého a difuzního záření přicházejícího z polokoule oblohy na vodorovnou rovinu, a jsou nejčastěji používanými přístroji pro měření slunečního ozáření. Čidla jsou často kryta jedním nebo dvěma polokulovými kryty pro zabránění vlivu dlouhovlnného záření a ochlazování čidla účinky větru, případně vedením do okolního prostředí. Dvojitý kryt zabezpečuje vysokou těsnost přístroje vůči atmosférickým vlivům. Rozlišují se v zásadě dva druhy kvalitních pyranometrů s termočlánkovými čidly vykazujícími 100% citlivost v celém rozsahu slunečního záření: segmentový (hvězdicový) a terčíkový (viz obr. 1.9). Segmentový pyranometr má čidlo složené ze 6 nebo 12 tenkých měděných radiálních segmentů, střídavě černých a bílých. V každém segmentu je několik termočlánků, dohromady v celém čidle zpravidla několik desítek termočlánkových spojů. Černé segmenty čidla jsou opatřeny vysoce pohltivou černí, bílé segmenty nátěrem, který vykazuje téměř dokonalý odraz slunečního záření. Při vystavení slunečnímu záření dochází k teplotnímu rozdílu mezi černými a bílými segmenty a teplotní rozdíl je přímo úměrný slunečnímu ozáření bez závislosti na teplotě okolí. Terčíkové pyranometry využívají násobný termočlánek pro měření teplotního rozdílu mezi černým povrchem čidla a hmotným tělem přístroje, stíněným od vlivu slunečního záření.

Obr. 1.9 Segmentový a terčíkový pyranometr, zdroj: Nova Lynx, Kipp&Zonen Existují i další druhy čidel slunečního ozáření, např. s bimetalovými elementy ohřívanými slunečním zářením s přenosem mechanického pohybu na zapisovač nebo pyranometry založené na polovodičových (fotovoltaických) čidlech. Oba druhy však mají řádově nižší přesnost měření. U fotovoltaických snímačů je hlavní nevýhodou jejich spektrálně omezená citlivost na dopadající sluneční záření (v podstatě pouze viditelná oblast), která je neumožňuje použít pro měření s dostatečnou spolehlivostí k laboratorním účelům. Fotovoltaická čidla se vzhledem k nízké spektrální citlivosti v oblasti infračerveného záření používají pouze k orientačnímu měření. Chyba těchto čidel může principiálně nastávat zvláště ve dnech s vysokou vlhkostí a oblačností, kdy se ve spektrální charakteristice projevuje výrazný pokles vlivem pohlcování infračervené složky slunečního záření, aniž by k podobnému jevu docházelo ve viditelné části spektra. Na druhé straně fotovoltaické čidlo představuje o řád levnější přístroj ve srovnání s kvalitními termočlánkovými pyranometry.

21

22 Solární zařízení v příkladech 1.3.2  Měření přímého slunečního ozáření Pyrheliometr (někdy nazýván aktinometr) je přístroj využívající kolimované čidlo pro měření slunečního ozáření přicházejícího přímo ze Slunce a malé části oblohy okolo (přímé sluneční ozáření) při kolmém úhlu dopadu (viz obr. 1.10). U základního principu je na patě dostatečně dlouhé kolimační trubice s malým zorným úhlem 5,7° umístěn pohltivý pásek s termočlánkovým čidlem. V komoře chráněné před slunečním zářením je umístěn druhý pásek. Oba pásky mají možnost elektrického ohřevu a jsou vybaveny termočlánkem. Při měření je pásek v kolimační trubici vystaven slunečnímu záření sledováním pohybu Slunce po obloze. Stíněným páskem prochází elektrický proud a ohřívá ho pro dosažení stejné teploty jako u exponovaného pásku. Při nulovém teplotním rozdílu se množství elektrické energie dodané do stíněného pásku rovná sluneční energii pohlcené exponovaným páskem. Pyrheliometry jsou normálovými přístroji (etalony) pro měření slunečního ozáření, podle kterých se kalibrují ostatní přístroje. U moderních přístrojů se místo dvou pásků již používá násobný termočlánek s „teplými“ spoji ohřívanými slunečním zářením a studeným spoji v dobrém kontaktu s pouzdrem. Dosažený rozdíl teplot je měřítkem slunečního ozáření. Kolimované čidlo je vždy spojeno s automatickým polohovacím zařízením, které sleduje pohyb Slunce po obloze. Obr. 1.10  Pyrheliometr, zdroj: Kipp&Zonen

1.3.3  Měření difuzního slunečního ozáření

Obr. 1.11  Měření difuzního záření (stínicí prstenec)

Difuzní sluneční ozáření se měří pyranometry se stíněním čidla přístroje před přímou složkou záření. Obvykle se používá stínicí prstenec z černě eloxovaného hliníku o průměru cca 60 cm a šířce 7,5 cm (viz obr. 1.11). Prstenec umožňuje kontinuální měření difuzní složky během dne bez nutnosti automatického přestavování polohy stínicího prstence. Sklon prstence se přestavuje jednou za několik dní podle období v roce. Pyranometr s prstencem se používá při synchronizovaném měření celkového slunečního ozáření s druhým nestíněným pyranometrem a z rozdílu naměřených hodnot se stanovuje hodnota přímé složky slunečního ozáření.

Sluneční energie

1.3.4  Měření doby trvání slunečního svitu Důležitou veličinou v dlouhodobém sledování údajů o slunečním záření je skutečná doba trvání slunečního svitu. Jedná se o dobu, po kterou je sluneční kotouč viditelný, tedy dobu přímého slunečního ozáření navíc s výkonovou hustotou větší než prahová hodnota 120 W/m2. Doba trvání slunečního svitu se vyjadřuje v hodinách a desetinách hodiny a patří k základním dlouhodobě hodnoceným klimatickým prvkům. Závisí nejen na astronomické délce dne, ale také na výskytu oblačnosti nebo mlh. Doba trvání slunečního svitu nepopisuje energii slunečního záření, ale umožňuje charakterizovat sluneční záření nepřímo. Pro stanovení doby slunečního svitu se používají různé typy přístrojů. Campbell-Stokesův slunoměr (heliograf, viz obr. 1.12) je velmi starým přístrojem s více než stoletou tradicí. Používá skleněnou pevnou kouli o průměru cca 10 cm jako čočku, která vytváří obraz slunečního kotouče na protilehlém povrchu koule soustředěnými slunečními paprsky. Soustředěný solární obraz vypálí stopu na registrační pásek z tenkého ztuženého papíru kdykoliv je přímá složka záření vyšší než prahová hodnota. Stopa je vypalována po délce pásku během dne tak, jak se pohybuje ohnisko čočky s pohybem Slunce po obloze. Délka vypálené stopy na záznamu slunoměru (heliogramu) udává dobu trvání slunečního svitu. S nástupem automatického sběru dat se začaly používat různé druhy elektronických slunoměrů. Mezi ně patří v ČR používaný slunoměr s kruhovou clonou se štěrbinami po obvodě (viz obr. 1.13). Za štěrbinami jsou umístěny vzájemně odstíněné fotodiody. Při pohybu Slunce po obloze proniká sluneční záření štěrbinami a ozařuje fotodiody. Z porovnání intenzit osvětlení jednotlivých fotodiod lze vyhodnotit, zda dopadá pouze difuzní nebo i přímé ozáření nad prahovou hodnotou.

Obr. 1.12  Campbell-Stokesův slunoměr vypalující stopu v heliogramu

Obr. 1.13  Digitální štěrbinový slunoměr, zdroj: Meteoservis

Obr. 1.14  Albedometr, zdroj: Kipp&Zonen

23

24 Solární zařízení v příkladech 1.3.5  Měření odraženého slunečního záření Albedometr se využívá pro měření odrazivosti obecného povrchu (albedo), nejčastěji zemského terénu. Skládá se vždy ze dvou pyranometrů (terčíkových nebo segmentových). Jeden přijímá celkové sluneční ozáření dopadající na daný povrch z oblohy a druhý je natočen čelem vůči povrchu a přijímá pouze z něj odražené záření (viz obr. 1.14). Údaje z obou pyranometrů jsou zaznamenávány a albedo se určí jako poměr ozáření odraženého k dopadajícímu. Jelikož obě čidla měří pouze sluneční ozáření v rozsahu 0,3 až 3,0 µm, nejsou ovlivněna dlouhovlnným pozemským zářením.

1.4  Sluneční energie v ČR Pro účely navrhování a posuzování jsou vyžadovány různé druhy údajů o slunečním záření. Pro projekční výpočty postačují průměrné hodnoty slunečního ozáření a denní dávky sluneční energie v dané lokalitě nebo v širší oblasti získané buď na základě dlouhodobých měření nebo odvozené teoretickým výpočtem, korigované informací o průměrné oblačnosti či době trvání slunečního svitu. Pro účely podrobných simulačních výpočtů jsou vyžadovány údaje hodinové a kratší, tzv. klimatické databáze ve formátu různých statisticky referenčních roků: typický meteorologický rok (TMY), návrhový referenční rok (DRY), testovací referenční rok (TRY) apod., které se odlišují buď metodou statistického zpracování nebo důrazem na váhu jednotlivých klimatických prvků.

1.4.1  Zdroje údajů o slunečním záření Český hydrometeorologický ústav [34] prostřednictvím Solární a ozonové observatoře zabezpečuje provozní měření základních složek radiační bilance zemského povrchu na vybraných stanicích ČHMÚ. Soubor těchto stanic je pro odborné účely označován jako „Národní radiační síť“ a je tvořen 16 stanicemi. Pro účely posuzování potřeby energie na vytápění a chlazení budov, ale také pro posuzování solárních soustav byla v souladu s normovou statistickou metodikou [76] vytvořena meteorologická databáze ve formátu referenčního klimatického roku (RKR), poskytující hodinové údaje pro celé území ČR. Referenční klimatický rok reprezentuje typický charakter meteorologických poměrů v daném místě a regionu. Databáze hodinových klimatických údajů referenčního roku byla pro území České republiky vytvořena na základě hodinových údajů základních meteorologických veličin: teplota vzduchu, tlak vodní páry, globální sluneční záření a rychlost větru naměřených v sedmi páteřních meteorologických stanicích v letech 1991 až 2005. Klimatické údaje meteorologických veličin jsou ve formátu referenčního roku komerčně poskytovány pro vybranou lokalitu (specifikace kraje, okresu, katastru a nadmořské výšky) na území České republiky [55]. Webová aplikace PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System [35]) byla vytvořena výzkumným centrem Evropské komise (JRC) původně jako model zaměřený na využití pro výpočet produkce elektrické energie fotovoltaickými systémy v konkrétním místě kdekoli v Evropě, nicméně lze ji použít i čistě pro účely získání klimatických údajů v konkrétní lokalitě. Dávky slunečního ozáření pro zadanou obecnou plochu za průměrně reálných atmosférických podmínek jsou stanoveny výpočtem z úhrnných klimatických údajů naměřených v síti 566 evropských pozemních meteorologických stanic na základě vlastností terénu v rozlišení rastru 1 km2 (nadmořská výška, stínění reliéfem krajiny). Databáze nevyužívá satelitních měření slunečního ozáření vzhledem k neuspokojivé korelaci s pozemními měřeními zvláště v zimních měsících. Výstupem jsou

Sluneční energie průměrné měsíční údaje denní dávky slunečního ozáření na zadanou plochu, venkovní teploty a teploty v době slunečního svitu, případně doplňkové meteorologické parametry. Hodnoty jsou stanovené na základě vstupních informacích o souřadnicích GPS v interaktivní mapě, viz obr. 1.15. Aplikace Meteonorm je komplexní meteorologická reference s katalogem meteorologických údajů a výpočtovými procedurami mimo jiné i pro návrh solárních soustav a aplikací v jakékoli požadované lokalitě na světě [36]. Kromě vlastního programu je Meteonorm využíván pro řadu simulačních programů jako generátor klimatických údajů. Meteonorm obsahuje klimatické údaje z více než 8 000 meteorologických stanic s měřenými parametry měsíčních průměrů celkového ozáření a doby trvání slunečního svitu (databáze 1981–2000), venkovní teploty, vlhkosti, srážek, rychlosti a směru větru (databáze 1961–1990, 1996–2005). V České republice Meteonorm využívá 32 různě vybavených stanic (sluneční záření pouze z 8 stanic). Pro území s nízkou hustotou meteorologických stanic s měřením slunečního ozáření (> 300 km) jsou použity satelitní údaje (Heliosat II). Pokud jsou vzdálenosti stanic větší než 50 km, použijí se interpolace pozemních a satelitních údajů pro získání denních průměrů a měsíčních hodnot. Vlastní program je primárně metoda pro výpočet solárního ozáření na libovolně orientované a skloněné plochy pro jakékoliv místo na světě. Výstupní soubor hodinových klimatických údajů může být vygenerován libovolnou metodou statistického zpracování a v požadovaném formátu pro různé simulační programy (TMY, TRY, DRY apod.). Pro praktické výpočty v projektování se používají teoreticky odvozené a tabelované měsíční hodnoty teoretické denní dávky slunečního ozáření, difuzní dávky slunečního ozáření a střední hodnoty slunečního ozáření pro čtyři klimatické oblasti s různým součinitelem znečištění (horská oblast, venkov, město, průmyslová oblast). Hodnoty byly získány výpočtem teoretického průběhu slunečního ozáření vždy pro 21. den v měsíci v podstatě ze dvou základních parametrů: sluneční konstanty a součinitele znečištění atmosféry. Hodnoty jsou tabelovány pro různé sklony a azimuty uvažované plochy [2,3]. Skutečné denní dávky slunečního ozáření jsou korigovány výpočtem s využitím skutečné doby trvání slunečního svitu, získané např. z publikovaných měření ČHMÚ.

Obr. 1.15  Interaktivní mapa PV-GIS [9]

25

26 Solární zařízení v příkladech 1.4.2  Roční hodnoty Roční úhrny sluneční energie dopadající na vodorovnou rovinu v ČR se v průměru pohybují mezi 1 000 až 1 200 kWh/(m2·rok), tzn. 3 600 až 4 300 MJ/(m2∙rok). Obdobné hodnoty lze uvažovat i pro optimálně skloněné plochy orientované na jih. Úhrn sluneční energie dopadající na fasády (sklon 90°) dosahuje zhruba 70 % hodnoty při optimálním sklonu. Na obr. 1.16 a na obr. 1.17 je znázorněna mapa úhrnů slunečního záření pro celou ČR z různých zdrojů, ze kterých jsou patrné rozdíly mezi jižní částí Moravy a severní částí Čech. Nicméně

Obr. 1.16  Roční dávky slunečního záření na vodorovnou plochu v ČR, zdroj: SolarGIS © 2011 GeoModel Solar s.r.o.

Obr. 1.17  Roční dávky slunečního záření na vodorovnou plochu v ČR v MJ/(m2·rok), zdroj: ČHMÚ

Sluneční energie rozdíly jsou zhruba ±10 % od průměrné hodnoty pro celé území. Podobné úhrny slunečního ozáření se vyskytují na většině území sousedního Německa (s výjimkou jeho jižní části). Naproti tomu v Rakousku jsou nejnižší úhrny slunečního záření na úrovni 1 200 kWh/(m2·rok) a nejvyšší roční úhrny slunečního záření dosahují hodnot 1 800 až 2 000 kWh/(m2·rok). Je vhodné proto v oblasti využívání sluneční energie přebírat zkušenosti a projekční podklady spíše z Německa, kde se díky obdobným podmínkám instalují stejné druhy solárních soustav se stejnými druhy kolektorů a stejnými ročními přínosy, než z Rakouska. V Rakousku se prakticky neinstalují trubkové vakuové kolektory – tvoří řádově procenta trhu oproti ČR a Německu, kde trubkové kolektory zaujímají trvale 10 až 20 % trhu. Přínosy solárních soustav v Rakousku jsou s ohledem na množství dopadající sluneční energie adekvátně vyšší než v ČR a Německu. V diskuzích nad snahami zaručit se za přínos navržené a nainstalované soustavy se naskýtá otázka, jak se meziročně mění úhrny slunečního záření, které přímo ovlivňují solární zisky. Ze zkušenosti vyplývá, že jednotlivé roky se od sebe mohou lišit klimatickým charakterem, některý rok je deštivý, jiný je extrémně teplý apod. Na RKR obr. 1.18 jsou na příkladu let 1984 až 1997 porov1997 nány naměřené roční dávky slunečního ozáření 1996 1995 na vodorovnou rovinu (ČHMÚ). Pro srovnání 1994 byly do grafu zahrnuty i údaje pro typický me1993 teorologický rok (TMY) často používaný v řadě 1992 simulačních nástrojů a referenční klimatický rok 1991 1990 (RKR), poskytovaný ČHMÚ. Všechny údaje jsou 1989 pro oblast Praha. Dopadající sluneční energie 1988 na vodorovnou plochu se během časového 1987 úseku 14 let meziročně neměnila o více než 1986 ±6 % od průměrné hodnoty, pro sklon 45° 1985 1984 jde o rozptyl cca ±8 %. Díky tomuto malému TMY kolísání je tedy možné zaručit každoročně stálé 0 200 400 600 800 1000 1200 přínosy solární soustavy bez obav z výrazné 2 H [kWh/(m ·rok) T proměnlivosti úhrnů dopadajícího slunečního záření. Pokud je některý měsíc v roce oproti Obr. 1.18  Porovnání naměřených dávek slunečního jiným rokům podprůměrný, jiné měsíce příjem ozáření v různých letech, zdroj: ČHMÚ slunečního záření vykompenzují. Zatímco klimatické údaje typického meteorologického roku (TMY) běžně používané v simulačních nástrojích vedou k relativně konzervativním odhadům přínosů, použití klimatických údajů referenčního klimatického roku (RKR) vede k optimističtějším výsledkům. Kromě odlišné metodiky zpracování klimatických údajů je to dáno také tím, že TMY vychází ze starších údajů (1981–2000) než RKR (1997–2005). V posledním desetiletí dochází k nárůstu ročních úhrnů slunečního záření. Pro stanovení garantovatelných přínosů solárních soustav je vhodnější použití konzervativnějších hodnot. Skutečná doba trvání slunečního svitu je pomocným parametrem pro určení charakteristik slunečního záření. Je to doba přímého slunečního záření, závisí na oblačnosti a používá se v praktických výpočtech ke korekci teoretických dávek slunečního ozáření. Zatímco teoretickou dobu slunečního svitu, tj. dobu od východu do západu Slunce, lze stanovit z geometrie slunečního záření, skutečnou dobu trvání slunečního svitu je nutné měřit. ČHMÚ poskytuje údaje o době

27

28 Solární zařízení v příkladech trvání slunečního svitu pro 22 lokalit v ČR [34]. Na obr. 1.19 je znázorněna mapa průměrné doby trvání slunečního svitu pro ČR, která se pohybuje mezi hodnotami 1 400 až 1 900 hodin. V grafu na obr. 1.20 jsou porovnány skutečné doby trvání slunečního svitu v jednotlivých měsících pro roky 1998–2010 s 30letým normálem z let 1961–1990 (černé vodorovné čáry) pro Prahu získané z veřejně dostupné databáze [34]. Z grafu je patrné letní období roku 2003 extrémně bohaté na příjem slunečního záření, kdy doba slunečního svitu překračuje v letním období až o 50 % hodnoty normálu, na druhé straně velmi deštivý květen 2010 dosahuje pouze 50 % hodnoty normálu.

Obr. 1.19  Roční doba slunečního svitu v ČR v hodinách, zdroj: ČHMÚ 400 1998 1999

350

doba slunečního svitu [ha]

2000 2001

300

2002 2003

250

2004 2005

200

2006 2007 2008

150

2009 2010

100 50 0

leden

únor

březen

duben

květen

červen

červenec

srpen

září

říjen

Obr. 1.20  Průběh doby slunečního svitu v jednotlivých letech 1998–2010, zdroj: ČHMÚ

listopad

prosinec

Sluneční energie

1.4.3  Optimální orientace a sklon plochy Sluneční energie, která dopadne na plochu za určitý časový úsek, je závislá na sklonu plochy a její orientaci neboli azimutu. Optimální orientace plochy kolektorů je z hlediska roční dopadající sluneční energie jižní. Při odchylce azimutu plochy od jižního směru do 45° (jihovýchod, jihozápad) se roční úhrn dopadající energie nemění o více než 10 %, nicméně pro provoz solárních tepelných kolektorů je příznivější orientace na jihozápad vzhledem k hlavní době provozu za vyšších odpoledních teplot vzduchu znamenajících menší tepelné ztráty kolektoru a vyšší účinnost celé soustavy. Při orientaci na východ či západ dochází již k významnému poklesu dopadající energie o více než 20 % a tomu odpovídají i nižší zisky (viz obr. 1.21).

jihovýchod - jihozápad

kWh/m2·rok

90

1100−1200

75

1000−1100

15 - 60°

45

sklon

60

900−1000 800−900

30 700−800

15 600−700

-90

-75

-60

-45

-30

-15

0

15

30

45

60

75

90

0

azimut východ

jih

západ

Obr. 1.21  Roční úhrny energie slunečního záření v závislosti na orientaci a sklonu plochy

Zatímco optimální sklon kolektorové plochy s ohledem na nejvyšší úhrn dopadlé energie za rok v podmínkách ČR je okolo 35°, při zohlednění celoroční využitelnosti sluneční energie je to 40 až 50°. Pro aplikace, u kterých se provoz přepokládá sezónní, se sklon přizpůsobuje danému období. Pro letní využití (bazény, koupaliště) je vhodné volit sklon 10 až 30°, naopak při snaze o významné pokrytí potřeby tepla pro vytápění bez letního využití energie se sklon kolektorů volí 70 až 90°. Na obr. 1.22 je znázorněna výše teoretických denních úhrnů energie slunečního záření za jasného dne během roku pro různě skloněné plochy. Pro vyšší sklony je patrný relativně vyrovnaný profil denní dopadlé sluneční energie během roku. Na druhou stranu je počet takových jasných dnů v zimě výrazně nižší než v letním období. Mezi optimálním sklonem uváděným pro fotovoltaické kolektory a tepelné kolektory je zdánlivý nesoulad. Přestože obě zařízení jímají sluneční energii, pro fotovoltaiku se prosazuje sklon 35°, zatímco pro solární tepelné soustavy se za optimum považuje 45°. Je to dáno převažující aplikací obou zařízení. Fotovoltaické systémy jsou převážně navrhovány na provoz s dodávkou elektrické energie do rozvodné sítě jako „nekonečného“ akumulátoru a účelem návrhu je

29

30 Solární zařízení v příkladech maximalizovat produkci elektrické energie bez ohledu na současnou využitelnost. V solárních soustavách se naopak vyšším sklonem využití solárního tepla optimalizuje, přizpůsobuje se potřebě tepla, zmírňují se letní nevyužitelné přebytky a zvyšuje se produkce v přechodovém období. Solární soustavy se zásadně vybavují denními nebo vícedenními zásobníky tepla. Rozdíl mezi sklonem „pro fotovoltaiku“ a sklonem „pro fototermiku“ se stírá u ostrovních fotovoltaických systémů, kde je nutné zohlednit využitelnost elektrické energie pro krytí potřeby a určitou část produkce akumulovat. V takových aplikacích je sklon 45° nezbytný.

0° 30° 45° 75° 90°

8 6 4

azimut 0° (jih)

2 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

0° 30° 45° 75° 90°

10

HT,den,teor [kWh/m2·den]

HT,den,teor [kWh/m2·den]

10

12

měsíc

8

6

4

azimut 45°

2

0 1

2

3

4

5

6

7

měsíc

8

9

10

11

12

Obr. 1.22  Vliv sklonu plochy na průběh denní dávky slunečního záření v průběhu roku (pro jasný den)

Na obr. 1.23 jsou znázorněny průběhy slunečního ozáření během roku (TMY Praha) na vodorovnou plochu a plochu skloněnou pod úhlem 45° (jih). Je patrné, že zvýšením sklonu plochy dochází k výhodnější poloze s ohledem na úhel dopadu slunečního záření a úrovně slunečního ozáření plochy se zvláště v zimním a přechodovém období významně zvýší. To má zásadní vliv na využitelnost slunečního záření solárními soustavami. V tab. 1.2 jsou uvedeny typické hodnoty denních úhrnů energie slunečního záření v různých obdobích roku při zcela jasném dni. Výrazně nižší hodnoty v zimním období jsou dány především kratší dobou slunečního svitu. Tab. 1.2  Denní úhrn slunečního záření (jasný den) Období

Denní úhrn

Léto

8 kWh/(m2·den)

Zima

3 kWh/(m2·den)

Jaro, podzim

5 kWh/(m2·den)

Sluneční energie

G [W/m2]

vodorovná plocha

čas [h]

G [W/m2]

optimální sklon 45° (jih)

čas [h]

Obr. 1.23  Roční průběh slunečního ozáření na různé plochy Na obr. 1.24 jsou uvedeny průběhy denních úhrnů sluneční energie dopadající na vodorovnou plochu (TMY Praha) a plochu skloněnou pod úhlem 45° (jih). Z porovnání průběhů je opět patrný vliv zvýšení sklonu na významný nárůst maxim denních úhrnů v zimním a přechodovém období, zatímco v letním období jsou nejvyšší úhrny pro obě plochy srovnatelné. Při porovnávání úhrnů dopadající sluneční energie mezi letním a zimním období vždy záleží na tom, ve kterých měsících roku bude uvažována pomyslná hranice mezi obdobími. Pokud za zimní období bude považováno otopné období, tedy období od září do května a letním obdobím budou jen tři měsíce (červen–srpen), pak poměr mezi energií dopadlou v létě a v zimě je 40 : 60 % (pro optimální úhel sklonu 40 až 50°). Za pouhé tři letní měsíce dopadají celé 2/5 ročního úhrnu. Častěji se za zimní období uvažuje spíše úsek roku od listopadu do března, což zhruba odpovídá období vytápění v domech s velmi nízkou potřebou energie na vytápění (pasivní domy).

31

32 Solární zařízení v příkladech Poměry mezi sluneční energií dostupnou v létě a v zimě se obracejí, na léto připadá 80 % a na zimní období pouze 20 %. Je zřetelné, že využití sluneční energie v takových domech pro účely vytápění nemusí znamenat významné přínosy oproti celoročnímu využití pouze na ohřev vody.

HT, den [kWh/m2den]

vodorovná plocha

den

HT, den [kWh/m2den]

optimální sklon 45° (jih)

den

Obr. 1.24  Roční průběh slunečního ozáření na různé plochy

Solární kolektory

2  Solární kolektory Solární tepelný kolektor je zařízení určené k pohlcení slunečního záření a jeho přeměně na tepelnou energii, která je předávána teplonosné látce, protékající kolektorem. Užívání termínu „panel“ se potlačuje, aby se předešlo záměně s fotovoltaickými panely. Přeměna energie slunečního záření v tepelnou energii – fototermální přeměna – je jednou z nejjednodušších cest jak využít sluneční záření. Fototermální přeměna spočívá v absorpci slunečního záření na povrchu tuhých látek a kapalin, kdy se energie dopadajících fotonů slunečního záření mění v teplo (pohyb molekul). Základním prvkem kolektoru je tedy absorpční plocha, která se pohlcováním slunečního záření ohřívá. Tepelná energie se z absorpčního povrchu odvádí různými teplonosnými látkami, zvláště kapalinami (voda, nemrznoucí směs) proudícími v kanálkové struktuře spojené s absorpčním povrchem, nejčastěji v podobě trubkového retransparentní kryt – zasklení gistru. Pro snížení tepelných ztrát z absorbéru se využívá na přední straně kolektoru zasklení sběrná trubka propouštějící sluneční záření. Zasklení omezuje pro odvod tepla  jednak tepelné ztráty sáláním, neboť je neproabsorbér tepelná izolace pustné vůči dlouhovlnnému záření a zároveň vytváří před absorbérem vzduchovou vrstvu, trubky s teplonosnou látkou která vytváří tepelný odpor mezi absorbérem a okolním prostředím. Na zadní straně a bočních rám kolektoru stranách absorbéru nepřijímajících sluneční záření se ztrátám tepla zabraňuje neprůhlednou tepelnou izolací uchycenou v rámu (skříni) Obr. 2.1  Základní součásti solárního tepelného kolekkolektoru. Zjednodušené schéma solárního toru (plochý) kolektoru je uvedeno na obr. 2.1. Solární tepelný kolektor je součástí aktivních solárních zařízení, tj. zařízení či soustav, které vyžadují mezi místem produkce tepla (solárním kolektorem) a místem spotřeby tepla (zásobník, sprcha, otopné těleso, apod.) rozvod teplonosné látky a často hnací zařízení pro její dopravu (čerpadlo, ventilátor). Naproti tomu pasivní solární zařízení využívají stavebních prvků umístěných účelně v dispozici prostoru k jímání slunečního záření (okno jako kolektor), akumulaci solárních zisků (vnitřní konstrukce jako zásobník tepla) a jejich využití přímo v daném prostoru.

2.1  Druhy solárních kolektorů Solární kolektory je možné rozlišit podle řady hledisek. Nejčastější rozdělení kolektorů je uvedeno v diagramu na obr. 2.2. Základním kriteriem rozlišení je druh použité teplonosné látky. Pro naprostou většinu aplikací v ČR se využívají solární kolektory, ve kterých je jako teplonosná látka používaná kapalina (voda, nemrznoucí směs vody a propylenglykolu). Kapalinové kolektory

33

34 Solární zařízení v příkladech mají absorbér zpravidla tvořený trubkami, protékanými teplonosnou kapalinou, která odvádí teplo z povrchu absorbéru. Vzduchové kolektory jsou v současnosti využívány v ČR pouze okrajově. V minulosti byly hojně využívány ve velkých plochách v zemědělství pro sušení píce. Určitý potenciál vzduchových kolektorů leží v možnosti využití pro předehřev čerstvého vzduchu pro větrání nebo oběhového vzduchu pro cirkulační vytápění, buď teplovzdušné nebo sálavé (hypokaustické). Solární kapalinové kolektory se podle konstrukčního uspořádání rozdělují na jednotlivé druhy, se kterými je možné se v praxi setkat: • plochý nekrytý kolektor – zpravidla plastová rohož bez zasklení, nejčastěji využívaná pro sezónní ohřev bazénové vody o nízké teplotní úrovni; • plochý neselektivní kolektor – zasklený deskový kolektor s kovovým absorbérem se spektrálně neselektivním povlakem (např. černým pohltivým nátěrem), určený pro sezónní předehřev vody při nízké teplotní úrovni; • plochý selektivní kolektor – zasklený deskový kolektor s kovovým absorbérem se spektrálně selektivním povlakem, určený pro celoroční ohřev vody a vytápění; • plochý vakuový kolektor – deskový kolektor s kovovým absorbérem se spektrálně selektivním povlakem a tlakem uvnitř kolektoru nižším (absolutní tlak cca 1 až 10 kPa) než atmosférický tlak v okolí kolektoru, určený pro celoroční ohřev vody a vytápění, případně průmyslové aplikace s provozními teplotami okolo 100 °C; • trubkový vakuový kolektor – kolektor s plochým nebo válcovým selektivním absorbérem umístěným ve vakuované (absolutní tlak < 1 mPa) skleněné trubce, s variantami předávání tepla do teplonosné látky: přímo protékaný registr nebo tepelná trubice, určený pro kombinované soustavy pro vytápění či průmyslové vysokoteplotní aplikace (provozní teploty nad 100 °C); • soustřeďující (koncentrační) kolektor – obecně kolektor, ve kterém jsou použita zrcadla (reflektory), čočky (refraktory) nebo další optické prvky k usměrnění a soustředění přímého slunečního záření na absorbér.

Obr. 2.2 Rozdělení solárních kolektorů

Solární kolektory Podle statistiky z roku 2010 jsou nejčastějšími typy kolektorů na trhu v ČR ploché atmosférické selektivní kolektory, kterých bylo nainstalováno cca 74 tis. m2. Trubkové vakuové kolektory tvoří cca 20 % trhu zasklených kolektorů (okolo 18 tis. m2). Nezanedbatelnou součástí trhu jsou také nezasklené kolektory ve formě bazénových rohoží s roční instalovanou plochou okolo 50 tis. m2. Koncentračních kolektorů se ročně instaluje pouze okolo 100 m2 [46].

2.1.1  Nekryté (nezasklené) kolektory Absence krytu (zasklení) zlepšuje optické vlastnosti kolektoru, protože odpadají ztráty odrazem na zasklení, nicméně na druhé straně kolektor vykazuje vysoké tepelné ztráty. Zatímco u zasklených kolektorů vzduchová mezera mezi krytem a absorbérem snižuje tepelné ztráty absorbéru do okolí (sáláním, konvekcí), u nezasklených jsou výkon a účinnost kolektoru výrazně ovlivňovány okolním prostředím (teplota okolí, teplota oblohy, rychlost větru). Zvláště se zvyšující se rychlostí větru rostou tepelné ztráty výrazně a výkon kolektoru prudce klesá. Nezasklené kolektory jsou proto vhodné především k nízkoteplotnímu ohřevu vody pro bazény nebo předehřevu studené vody. Nekryté absorbéry se vyrábějí zpravidla z plastu odolného vůči UV záření (EPDM, polypropylen), viz obr. 2.3. Nevýhodou použití plastů je omezená odolnost takových kolektorů vůči extrémním podmínkám a celková trvanlivost. Vyšší kvalitativní úroveň představují kovové nezasklené absorbéry z nerezu s trvanlivými vysoce pohltivými povlaky, někdy kombinovanými s nízkoemisivními vrstvami (selektivní povlaky), viz obr. 2.4. Další informace o bazénových absorbérech lze nalézt v kapitole 6.2.3.

Obr. 2.3  Plastová bazénová rohož

Obr. 2.4  Nerezový absorbér, zdroj: Energie Solaire, SA

2.1.2  Ploché atmosférické kolektory Ploché solární kolektory se obecně vyznačují plochým zasklením a plochým absorbérem. Současným standardem jsou ploché kolektory s jednoduchým zasklením solárním sklem v čirém nebo texturovaném provedení a se selektivním povrchem absorbéru na bázi keramicko-kovových vrstev (cermet povrchy) nebo galvanických povlaků. Kolektory s neselektivním povrchem se objevují pouze okrajově u menších výrobních společností jako levné kolektory pro sezónní aplikace. Tepelně vodivý kovový absorbér může být celoplošný (tvořený jedním plechem) nebo dělený do lamel. Absorpční plocha je navařena (ultrazvukově, laserově) nebo nalisována na trubkovém

35

36 Solární zařízení v příkladech registru, kterým je kapalinou odváděno využitelné teplo. Rám kolektoru (kolektorová skříň, kolektorová vana) je buď výlisek nebo je složený z profilů a podle potřeby vyplněn tepelnou izolací. Lisovaná skříň kolektoru je zpravidla vyrobena jako těsná a vnitřní části kolektoru jsou chráněny před možnou degradací vlivem vlhkosti. Skříň kolektoru skládaná z profilů je netěsná a musí být opatřena větracími otvory pro odvod vlhkosti a zamezení rosení na zasklení kolektoru. Ploché kolektory s dvojitým zasklením se Obr. 2.5  Schematický řez plochým solárním kolektorem, objevují okrajově především v aplikacích pro zdroj: Thermosolar vyšší teplotní úrovně (viz kapitola 9.2.1). Dvojité zasklení může být realizováno buď jako dvojsklo nebo tvořeno krycím sklem a napjatou teflonovou fólií ve funkci spodní vrstvy rozdělující vzduchovou mezeru mezi absorbérem a krycím sklem pro snížení přestupu tepla konvekcí a sáláním. Ploché kolektory nacházejí uplatnění v oblasti integrace do obálky budov (viz obr. 2.6 a obr. 2.7), kdy je část střešního pláště či fasády nahrazena kolektorem. Konstrukční integrace solárních kolektorů přináší architektonicky preferované řešení, vyšší účinnost kolektoru při kontaktní instalaci s izolační vrstvou obálky, možnost využití zimních pasivních zisků a snížení tepelné ztráty pláštěm budovy. V případě integrace do fasády dochází i k významnému snížení period extrémních stagnačních podmínek v letním období.

Obr. 2.6  Integrace plochých solárních kolektorů do střechy, zdroj: JH Solar

Obr. 2.7  Velkoplošná integrace plochých vakuových kolektorů do střechy, zdroj: JH Solar

Pro řešení kolektorových polí velkých solárních soustav se čím dál více uplatňují ploché velkoplošné kolektory s plochou od 4 do 10 m2 (viz obr. 2.8). Absorbéry takových kolektorů jsou tvořeny podélnými lamelami zapojenými do ležatého trubkového registru. Zasklení kolektorů je s ohledem na kompenzaci tepelné roztažnosti děleno do menších ploch. Montáž kolektorového pole z velkoplošných modulů je výrazně rychlejší vzhledem k omezenému počtu prováděných spojů. Na jednoho montážního pracovníka a den je možné nainstalovat cca 50 m2 velkoplošných kolektorů oproti 20 m2 maloplošným.

Solární kolektory

Obr. 2.8  Velkoplošný solární kolektor o ploše 10 m2, zdroj: Propuls Solar

Ploché solární kolektory s jednoduchým zasklením jsou nejrozšířenějšími solárními kolektory pro běžné aplikace jako je příprava teplé vody nebo přitápění, tvoří okolo 80 % trhu. Je to dáno především poměrem mezi jejich výkonem a cenou a dále určitou tradicí instalací v ČR.

2.1.3  Ploché vakuové kolektory Ploché vakuové kolektory využívají sníženého tlaku v prostoru těsné skříně kolektoru k zajištění nízké tepelné ztráty kolektoru omezením volného proudění vzduchu mezi absorbérem a zasklením nebo zadní stěnou kolektoru (kolektorová skříň neobsahuje izolaci). Skříň kolektoru musí být velmi těsná, proto je vyrobena lisováním jako bezešvá vana, která je v přední části uzavřena tabulí solárního skla napojenou na vanu speciálním tepelně odolným těsněním. Aby sklo neprasklo působením vnějšího atmosférického přetlaku nebo nárazem předmětů, je vyztuženo rastrově uspořádanými nerezovými podpůrnými elementy. Podpůrné elementy jsou rozepřeny mezi zadní část vany a zasklení a absorbérem procházejí otvory bez tepelného kontaktu s absorbérem, aby se vyloučily tepelné mosty. Důležitým aspektem vyráběných plochých vakuových kolektorů je zajištění těsnosti vnitř ního prostoru a zároveň možnosti opětovně vakuovat kolektor. Ploché vakuové kolektory jsou zpravidla provozovány za podmínek mírného vakua. Uvnitř skříně se dosahuje běžnými vývěvami absolutního tlaku od 1 do 10 kPa. Kolektor je konstruován ze samotěsnicích částí, které se podtlakem více svírají a utěsňují. Vana kolektoru je vybavena ventilem pro připojení k vývěvě, pokud je nutné vnitřní prostor znovu vakuovat. Součástí instalace kolektoru je manometr pro indikaci ztráty vakua a nárůstu tlaku v kolektoru. Zbytkový vzduch může být Obr. 2.9  Schematický řez plochým vakuovým solárním nahrazen vzácným plynem kryptonem (argonem) kolektorem, zdroj: Thermosolar s nižší tepelnou vodivostí.

37

38 Solární zařízení v příkladech Ploché vakuové kolektory neobsahují tepelnou izolaci na zadní straně absorbéru. Nízký tlak pod 10 kPa způsobuje omezení volného proudění „rozředěného“ zbytkového vzduchu, tlak pod 100 Pa potom i omezení vedení tepla vlivem významného snížení počtu molekul v prostoru vany. V tomto ohledu je tepelná izolace na zadní straně zbytečná. Nicméně nízkým tlakem není nijak vyřešen přenos tepla sáláním mezi zadní stranou absorbéru a povrchem vany kolektoru, který musí být dostatečně snížen použitím nízkoemisivních povlaků na obou površích.

2.1.4  Trubkové vakuové kolektory Trubkové vakuové solární kolektory jsou obecně kolektory s válcovým zasklením, u kterých je prostor mezi absorbérem a zasklením vakuován na extrémně nízký tlak pod 1 mPa. Vysoké vakuum vlivem téměř dokonalé absence molekul plynů minimalizuje přenos tepla vedením a konvekcí ve vakuovém prostoru a přenos tepla mezi absorbérem a zasklením způsobuje především sálání. Pro vyloučení výskytu zbytkových plynů ve vakuovém prostoru trubky se používají tzv. getry využívající barium, které pohlcuje molekuly plynů. Při výrobě je po evakuaci vnitřního prostoru getrová vložka indukčně zahřáta na vysokou teplotu, barium se odpaří a usadí na dně skleněné trubky jako stříbrně zbarvená vrstva. Getr i nadále aktivně pohlcuje molekuly plynů, které se do vakuovaného prostoru mohou dostat během provozu (např. pozdějším uvolňováním z absorpčního povrchu) a udržuje tak dlouhodobou stabilitu vakua. Pokud se obálka vakuované trubky poruší a do vnitřního prostoru vakuové trubky se dostane větší množství vzduchu, getrová usazenina změní při reakci Obr. 2.10  Držák getru ve vakuové trubce (vlevo) a příklad s plyny barvu – zhnědne, zbělá, zprůhlední, zbarvení getrové usazeniny (stříbrná = vakuum, mléčná apod. – a tím indikuje porušení vakua, viz = atmosférický tlak) obr. 2.10. Snadnější indikací ztráty vakua v trubce je vysoká teplota jejího povrchu během slunného dne. Pokud je solární kolektor vystaven dostatečnému slunečnímu záření, trubky s vysokým vakuem mají povrchovou teplotu zhruba na úrovni teploty okolí, zatímco porušené trubky mají teplotu významně vyšší vlivem intenzivnějšího přenosu tepla z absorbéru. Kvalitní trubkové vakuové kolektory dosahují kombinací vakuové izolace a nízkoemisivního povrchu absorbéru extrémně nízkých tepelných ztrát i při vysokých rozdílech teplot mezi absorbérem a okolním prostředím. Umožňují tak efektivně využívat slunečního záření i při vysokých provozních teplotách nad 100 °C, např. v oblasti průmyslového a technologického tepla nebo solárního chlazení (viz kapitoly 7 a 9).

Solární kolektory Nízká tepelná ztráta se na druhé straně může v některých případech projevit negativně. V případě námrazy nebo zapadání sněhem je kolektor v podstatě mimo provoz i přes slunečné počasí. Vlivem nízké tepelné ztráty nelze efektivně zvýšit rychlost odtávání sněhové pokrývky, např. řízeným vpuštěním dostatečně teplé kapaliny do kolektorů, a je nutné vyčkat na postupné odtávání působením slunečního záření přímo na sníh nebo námrazu. Termín trubkový vakuový kolektor je relativně široký pojem, který zahrnuje velké množství různých konstrukčních provedení. Pro potřebu základní klasifikace se odlišují dvě konstrukce: • trubkové kolektory s jednostěnnou trubkou a plochým absorbérem – starší tradiční typ, původně vyráběný v Evropě a USA; • trubkové kolektory s dvojstěnnou trubkou a válcovým absorbérem (Sydney) – „čínský“ typ, v současnosti převážně vyráběný v Číně. Podle konstrukčního uspořádání odvodu tepla lze rozdělit oba konstrukční druhy na další poddruhy: • přímo protékané – absorbér je vodivě spojen s potrubím přímo protékaným teplonosnou kapalinou: –– koncentrické potrubí jako trubka v trubce – vnitřní trubkou se přivádí teplonosná kapalina, ve vnějším meziprostoru se ohřívá a odvádí; –– potrubí ve tvaru U-registru s přívodní a vratnou trubkou; • s tepelnou trubicí – absorbér je vodivě spojen s výparníkem, kde se vypařuje pracovní látka; –– suché napojení – kondenzátor tepelné trubice uchycený v pouzdru omývaném teplonosnou kapalinou; –– mokré napojení – kondenzátor tepelné trubice přímo omývaný teplonosnou kapalinou. Tepelné trubice se používají pro přenos tepla mezi povrchem absorbéru a teplonosnou kapalinou. Princip tepelné trubice je relativně dobře známý: pracovní kapalina se přívodem tepla vypařuje ve výparníkové části vodivě spojené s absorbérem, pára samovolně stoupá trubicí do kondenzační části, kde se sráží na kapalné skupenství a kapalina stéká zpět do výparníkové části. Změnou skupenství se dosahuje intenzivního přestupu tepla uvnitř tepelné trubice. Pro zajištění správné funkce běžné tepelné trubice je nutné zajistit její sklon minimálně 20 až 25°, aby se kondenzát mohl samovolně vrátit zpět do výparníku. Na trhu se již objevují i provedení bez takového omezení. U vakuových solárních kolektorů se jako tepelná trubice používá měděná trubka, jejíž výparníková část má průměr 8 až 12 mm a kondenzační část má zpravidla průměr cca 18 až 20 mm pro zajištění dostatečné teplosměnné plochy pro předání tepla do teplonosné kapaliny. Uvnitř tepelné trubice se jako pracovní kapalina používá buď čistá voda (případně se zvláštními aditivy) nebo líh, obojí při určitém tlaku (podtlaku). Tepelné trubice jsou považovány za konstrukci, která bezproblémově řeší možné problémy s přehříváním teplonosné kapaliny solární soustavy v případě tzv. chodu naprázdno (stagnace), kdy solární kolektor přijímá sluneční záření, avšak není z něj odváděno teplo např. vlivem uspokojení potřeby tepla nebo výpadkem čerpadla. To je pravda v případě volby vhodné pracovní látky a jejího správného množství, aby při dosažení kritické teploty byla v tepelné trubici pouze přehřátá pára, která při daném tlaku nekondenzuje. Jak ukazují zkušenosti z provozu, nejedná se o 100 % omezení tvorby páry teplonosné látky v případě stagnace. Spolehlivějším řešením je konstrukce s mechanickým zabráněním vstupu páry do kondenzátoru pomocí speciální pružiny.

39

40 Solární zařízení v příkladech Trubkové kolektory s jednostěnnou trubkou Tradiční typ trubkových vakuových kolektorů využívá jednostěnné uzavřené skleněné trubky, ve které je umístěna plochá lamela absorbéru se selektivním povrchem (viz obr. 2.11). Odvod tepla z absorbéru je zajišťován tepelnou trubicí, přímo protékaným U-registrem nebo přímo protékaným koncentrickým potrubím (poslední není na obrázku uveden). Vnitřní prostor skleněné trubky je vakuován na tlak pod 1 mPa. Jednostěnné trubky se vyrábí v průměrech od 40 do 150 mm z boritokřemičitého skla s vysokou pevností a odolností vůči teplotním změnám a gradientům. Kvalitní jednostěnné trubky jsou dostupné s antireflexním povlakem pro zvýšení propustnosti slunečního záření (až 96 %). Kolektory s jednostěnnou trubkou a plochým absorbérem mají velmi dobrý přestup tepla z absorbéru do teplonosné látky zajištěný ultrazvukovým nebo laserovým navařením absorbéru na výparník tepelné trubice nebo kapalinou přímo protékané potrubí. U trubkových kolektorů s jednostěnnou trubkou je pro správnou funkci zcela zásadní zajistit dokonalé utěsnění prostupu tepelné trubice či kapalinou protékaného potrubí skleněnou vakuovou trubkou. Řešení spolehlivého těsnění spoje kov-sklo spočívá v použití slitin niklu a železa, které vykazují stejný součinitel tepelné roztažnosti jako použité boritokřemičité sklo.

Obr. 2.11  Příčný řez a podélný řez jednostěnným trubkovým vakuovým kolektorem s tepelnou trubicí (1) a s přímo protékaným U-registrem (2)

Solární kolektory

Obr. 2.12  Praktické provedení jednostěnných vakuových trubkových kolektorů: s přímo protékaným koncentrickým potrubím (vlevo) a s tepelnou trubicí (vpravo), zdroj: Viessmann Trubkové vakuové kolektory s plochým absorbérem a jednostěnnou trubkou jsou vysoké technické úrovně a kvality. Oproti ostatními druhům kolektorů pracují tyto kolektory s vysokou účinností v celém provozním rozsahu, avšak pro většinu aplikací jde o investičně velmi náročné řešení, které omezuje jejich širší použití.

Obr. 2.13  Příčný řez a podélný řez trubkovým vakuovým Sydney kolektorem s tepelnou trubicí (1) a s přímo protékaným U-registrem (2)

41

42 Solární zařízení v příkladech Trubkové kolektory s dvoustěnnou skleněnou trubkou V posledním desetiletí se na českém a evropském trhu objevují vakuové kolektory s tzv. Sydney trubkou, vyvinutou na základě spolupráce mezi Sydney University a Tsinghua University v 80. letech. Sydney trubka je dvojstěnná koncentrická celoskleněná trubka, obdobná Dewarově nádobě – termosce, kde vnitřní skleněná trubka slouží jako válcový absorbér k zachycování slunečního záření a přeměnu na teplo a vnější krycí trubka jako zasklení k ochraně absorbéru před atmosférickými vlivy. Meziprostor mezi oběma skleněnými trubkami je při výrobě zataven a vakuován na tlak méně než 1 mPa (viz obr. 2.13). Sydney trubky se vyrábí z boritokřemičitého skla s nízkou tepelnou roztažností a jako spektrálně selektivní povrch na absorpční skleněné trubce se používá keramicko-kovový vícevrstvý povlak na bázi nitridu hliníku (Al-N-Al). Typické rozměry v současné době vyráběných Sydney trubek jsou v podstatě dva: 58/47 mm nebo 47/37 mm s tloušťkami zasklení 1,6 až 1,8 mm v délkách od 1 do 2 m (viz obr. 2.14). Naprostá většina Sydney trubek se vyrábí v Číně. Část z nich je využita přímo k výrobě solárních trubkových kolektorů čínských výrobců (převážně s tepelnou trubicí) a část se dováží dalším výrobcům trubkových kolektorů po celém světě. Podobně jako jednostěnné trubkové kolektory, Obr. 2.14  Vakuová skleněná Sydney trubka, zdroj: OPC jsou i trubkové Sydney kolektory konstrukčně řešeny s přímo protékaným trubkovým registrem nebo s tepelnou trubicí (viz obr. 2.13). Kritickým místem Sydney kolektorů je přenos tepla z vnitřního povrchu vnitřní absorpční trubky do teplonosné kapaliny, tedy především na povrch potrubí přímo protékaného U-registru nebo na povrch výparníku tepelné trubice. K tomu slouží teplosměnná vodivá lamela z hliníku nebo mědi (viz obr. 2.15), která by měla vykazovat co nejvodivější kontakt jak s vnitřním povrchem absorpční trubky, tak s potrubím pro odvod tepla (U-registr, tepelná trubice). Toho není vždy docíleno a špatný přenos tepla z absorpčního povrchu do teplonosné kapaliny se projevuje negativně na celkové účinnosti kolektoru. Na druhé straně, oproti konstrukčnímu uspořádání kolektorů s jednostěnnými vakuovanými skleněnými trubkami s absorbérem ve tvaru plochých Obr. 2.15  U-registr z měděného potrubí s hliníkovou lamel, odpadá u kolektorů se Sydney trubkou lamelou, zdroj: OPC problém utěsnění vakua a prostupů potrubí.

Solární kolektory Trubkové Sydney kolektory vykazují oproti ostatními druhům solárních kolektorů dostupným na trhu velkou variabilitu kvality z hlediska účinnosti a trvanlivosti. Bohužel, tato kvalita není patrná na první pohled. Různé typy Sydney kolektorů od různých výrobců se od sebe vizuálně příliš neliší. Co se však může podstatně lišit je vnitřní uspořádání odvodu tepla z kolektoru a kvalitativní úroveň vlastní Sydney trubky (kvalita selektivního povrchu, míra dosažení vysokého vakua, tloušťka stěny trubky, apod). Reálnou kvalitu kolektorů tak mohou posoudit pouze výkonové a spolehlivostní zkoušky podle příslušné normy provedené akreditovanou zkušebnou s patřičným vybavením. Vzhledem k válcovému tvaru absorbéru se trubkové vakuové Sydney kolektory mohou výhodně vybavit odraznými zrcadly (reflektory) s opticky více či méně propracovaným tvarem pro zvýšení množství dopadající energie na absorbér, viz obr. 2.16. Mezi koncentrační kolektory nejsou běžně zařazovány vzhledem k nízkému koncentračnímu poměru. Levnější typy trubkových Sydney kolektorů využívají jednoduché ploché reflektory umístěné za trubkami. Vyššího účinku lze docílit reflektory s vhodně tvarovaným povrchem (parabolické koncentrátory). Pro správnou funkci by reflektory měly udržet svou „zrcadlovou“ kvalitu po dobu životnosti kolektoru. Vlivem znečištění či otěru se však časem povrch běžně používaObr. 2.16  Použití reflektorů pro zvýšení aktivní plochy ných materiálů mění na difuzní, tzn. neodráží trubkového kolektoru zrcadlově, avšak do všech stran rovnoměrně. Použití reflektorů na jedné straně snižuje počet použitých trubek v kolektoru (levnější řešení) a zvětšuje aktivní plochu kolektoru (výkon/m2 zastavěné plochy), na druhé straně v určitých zeměpisných oblastech může být použití reflektorů problematické s ohledem na zachycování sněhové pokrývky a tvorbu ledu, která může vést k destrukci skleněných vakuových trubek kolektoru.

Použití trubkových Sydney kolektorů s reflektorem nebo i bez reflektoru při instalaci na šikmé střeše je problematické zvláště v horských oblastech, kde lze předpokládat období s vysokou pokrývkou sněhu. Kromě energetických ztrát vlivem zapadaného kolektoru bez možnosti odtávání se jedná i o značné zatížení trubek i rámu kolektoru hmotností vrstvy sněhu.

2.1.5  Koncentrační kolektory Koncentrační (soustřeďující) kolektory využívají koncentrace přímého slunečního záření odrazem od zrcadel nebo lomem čočkami do ohniska, v němž je umístěn absorbér o výrazně menší ploše než je vlastní plocha přijímající sluneční záření. Poměr mezi velikostí přijímací plochy (apertury) a absorpční plochou určuje stupeň koncentrace. Podle tvaru ohniska se rozlišují

43

44 Solární zařízení v příkladech

Obr. 2.17 Koncentrační kolektor s parabolickým koncentrátorem

Obr. 2.18 Paraboloidní reflektor se Stirlingovým motorem v ohnisku

koncentrační kolektory s lineárním ohniskem, např. kolektor s parabolickým reflektorem (viz obr. 2.17) nebo kolektor s lineární Fresnellovou čočkou, a kolektory s bodovým ohniskem, např. s paraboloidním reflektorem (viz obr. 2.18), heliostaty apod. Pro účinné použití koncentračních kolektorů je základní podmínkou dostatek přímého slunečního záření během roku a navádění buď apertury nebo absorbéru podle pohybu Slunce po obloze. Solárními kolektory s vysokými koncentračními poměry je možné dosáhnout vysokých teplot při minimalizaci tepelných ztrát (minimální absorpční plocha, použití vakuových trubek). Pro průmyslové aplikace s teplotami 100–300 °C se využívá kolektorů s koncentračním poměrem 10–40. Účinnost koncentračního kolektoru je závislá především na optické kvalitě a stabilitě koncentračních prvků.

Koncentrační kolektory s Fresnellovou lineární čočkou Lineární Fresnellova čočka představuje v principu tradiční válcovou čočku s lineárním ohniskem avšak „komprimovanou“ do deskového tvaru odstraněním hmoty, která se nepodílí na lomu slunečního záření (viz obr. 2.19). Koncentrační poměr Fresnellovy čočky se pohybuje okolo hodnoty 5. Koncentrací přímého slunečního záření do ohniska na lineární absorbér protékaný teplonosnou kapalinou lze vytvořit solární kolektor. Na rozdíl od koncentračních kolektorů s reflektory, kde jsou reflektory naváděny pro sledování pohybu Slunce, u kolektoru s Fresnellovou čočkou se pohybuje absorbér, resp. pole absorbérů zavěšené v ohniskové vzdálenosti pod velkoformáto-

Obr. 2.19 Fresnellova čočka a kolektor s lineární Fresnellovou čočkou, zdroj: ENKI

Solární kolektory vou čočkou. Integrace čočky do zasklívacího systému obálky budovy (okno) umožňuje spojit pasivní a aktivní prvek pro využití slunečního záření do jediného zařízení. Koncentrací přímého záření na absorbér se snižuje tepelná zátěž prostoru, do kterého pak vstupuje pouze difuzní složka zajišťující přirozené osvětlení. Kapalinu ohřátou v absorbéru je možné využít například pro přípravu teplé vody [3]. Kolektor s Fresnellovou čočkou není standardním solárním kolektorem a nelze na něj vztahovat běžná kritéria. Je spíše stavebním prvkem, nejčastěji v konfiguraci okenního dvojskla, který zajišťuje několik funkcí současně: odvedení tepelné zátěže, produkce tepla pro využití, přirozeného osvětlení nebo produkce elektrické energie v případě kombinace absorbéru s fotovoltaickými články vhodnými pro koncentrované sluneční záření.

2 .2

Charakteristiky solárních kolektorů

Pro komplexní popis tepelného chování solárního kolektoru pro navrhování a hodnocení solárních soustav je nutné znát jeho charakteristické parametry a jejich závislost na provozních a klimatických podmínkách: • tepelná účinnost η indikuje, jak kolektor pohlcuje záření a ztrácí teplo, určuje jeho okamžitý tepelný výkon při daných klimatických a provozních podmínkách; • modifikátor úhlu dopadu Kθ určuje vliv úhlu dopadu slunečního záření na účinnost a výkon solárního kolektoru, někdy se označuje jako optická charakteristika kolektoru; • časová konstanta τ a tepelná kapacita C vyjadřuje vliv tepelné setrvačnosti hmot kolektoru na jeho okamžitý výkon. Charakteristické parametry solárních kolektorů lze teoreticky odvodit nebo zjistit experimentálně zkouškami za jasně definovaných podmínek.

2 .2 .1

Teoretické vyjádření účinnosti

Funkci solárního tepelného kolektoru lze popsat obecnou energetickou rovnováhou (viz obr. 2.20). Solární kolektor přijímá sluneční záření, které je částečně odraženo od zasklení a absorbéru a zbytek se pohlcuje na povrchu absorbéru a mění v teplo. Část tepla z pohlceného záření se odvádí teplonosnou kapalinou, část odchází zpět do okolního prostředí ve formě tepelných ztrát a část tepla se akumuluje v těle kolektoru. Pro praktické inženýrské výpočty lze energetickou bilanci kolektoru popsat rovnicí v ustáleném stavu (bez vlivu setrvačnosti kolektoru)

Obr. 2.20 Schematické znázornění energetické bilance kolektoru

45

46 Solární zařízení v příkladech & = & −&

,

− & , (2.1)

kde je

tepelný výkon solárního kolektoru [W]; výkon slunečního ozáření jímací plochy kolektoru [W]; optické ztráty kolektoru [W]; tepelné ztráty kolektoru [W].

Dosazením a úpravou lze získat rovnici využitelného výkonu solárního kolektoru vyjádřenou v závislosti na povrchové teplotě absorbéru (2.2) kde je G tepelný výkon solárního kolektoru [W]; Ak vztažná plocha kolektoru [m2]; τ propustnost zasklení; α pohltivost absorbéru; tabs střední povrchová teplota absorbéru [°C]; te teplota okolního vzduchu [°C]. Účinnost solárního kolektoru ηk je za ustálených podmínek definována jako poměr výkonu odváděného z kolektoru k „příkonu“ slunečního záření dopadajícího na kolektor

(2.3)

kde je τ·α optická účinnost kolektoru (bezrozměrná); U součinitel prostupu tepla kolektoru [W/(m2·K)]; střední redukovaný teplotní spád mezi povrchem absorbéru a okolím [m2∙K/W]. Rovnice (2.3) názorně ukazuje dva hlavní členy ovlivňující účinnost kolektoru: optická účinnost a součinitel prostupu tepla kolektoru vyjadřující celkové tepelné ztráty. Graficky je rovnice znázorněna na obr. 2.21. Z grafu je patrné, že s nárůstem teploty hrají u kolektorů obecně dominantní roli tepelné ztráty z kolektoru do okolí, při vyšších teplotách rostou tepelné ztráty sáláním se 4. mocninou rozdílu teplot (zakřivení průběhu křivky účinnosti). Rovnicí (2.3) je účinnost kolektoru vyjádřena pouze na základě fyzikálních vlastností částí kolektoru vně absorbéru, tzn. bez zohlednění vlivu použitého materiálu, konstrukce a geometrie absorbéru, vlivu průtoku teplonosné kapaliny atd. Vyjádření účinnosti kolektoru jako funkce střední teploty povrchu absorbéru tabs je proto problematické, neboť teplota povrchu absorbéru zpravidla není známa a lze ji obtížně změřit bez demontáže zasklení kolektoru. Ve starší literatuře je teplota absorbéru tabs nesprávně slučována se střední teplotou teplonosné kapaliny tm. Měřením povrchových teplot lze prakticky ukázat, že mezi povrchem absorbéru (střední teplotou) a teplonosnou kapalinou je teplotní spád řádově jednotky (velmi vodivé, plnoprůtočné absorbéry) až desítky K (konfigurace lamela-trubka). Pro vyjádření kvality přenosu tepla z povrchu absorbéru do teplonosné kapaliny se využívá bezrozměrného účinnostního součinitele kolektoru F‘, který ve své podstatě stanovuje poměr

Solární kolektory 1,0

optické ztráty

0,8

0,6

η [-]

tepelné ztráty

0,4

0,2

0,0 0,00

účinnost

0,05

0,10

0,15

0,20

(tabs - te)/G [m ⋅K/W] 2

Obr. 2.21  Křivka účinnosti solárního kolektoru s vyznačením optických a tepelných ztrát mezi dvěma tepelnými odpory. Ve jmenovateli je obsažen odpor proti přenosu tepla z kapaliny do okolního vzduchu, v čitateli je odpor proti přenosu tepla z povrchu absorbéru do okolního vzduchu. Účinnostní součinitel kolektoru je pro danou konstrukci absorbéru konstantní a lze jej analyticky vypočítat vztahy uvedenými v literatuře [6,7]. Je závislý na geometrii absorbéru (průměr trubek registru, rozteč trubek registru, tloušťka absorbéru), na tepelných vlastnostech absorbéru (tepelná vodivost absorbéru, trubek registru a spoje trubek s absorbérem) a přestupu tepla v trubkách registru (laminární, turbulentní). Účinnostní součinitel zohledňuje přestup tepla z povrchu absorbéru do teplonosné kapaliny, tzn. vedení tepla z absorpčního povrchu lamelou do místa spoje s trubkovým registrem, prostup tepla spojem a pláštěm trubky a přestup z vnitřního povrchu trubky do teplonosné kapaliny. Schéma vedení tepla v absorbéru je znázorněno na obr. 2.22. Zavedení účinnostního součinitele kolektoru F‘ umožňuje rovnici účinnosti solárního kolektoru vyjádřit v závislosti na střední teplotě teplonosné kapaliny tm tak, jak to odpovídá evropské praxi, ve tvaru (2.4) kde je F’τα F’U

účinnost při nulových tepelných ztrátách, někdy nepřesně nazývaná optická účinnost; účinný součinitel prostupu tepla kolektoru [W/(m2∙K)];

střední redukovaný teplotní spád mezi kapalinou a okolím [m2∙K/W].

Z účinnostního součinitele kolektoru F‘ vyplývají důležité zásady návrhu konstrukce kolektoru, zejména absorbéru. Se zmenšováním rozteče trubek registru a tedy zmenšováním šířky lamely absorbéru se zvyšuje účinnostní součinitel kolektoru, stejně jako se zvětšující se tloušťkou absorbéru a zvyšující se tepelnou vodivostí materiálu absorbéru a trubky. Praktické omezení tloušťky absorbéru na hodnoty max. 0,5 mm vyplývá ze snahy o minimalizaci spotřeby materiálu

47

48 Solární zařízení v příkladech a zároveň udržení nízké tepelné setrvačnosti kolektoru. Nicméně na trhu v ČR existují i kolektory s válcovanými hliníkovými absorbéry o tloušťce cca 2 mm, které mají velmi vysokou hodnotou průsečíku s osou účinnosti F‘τα (až 0,83).

Obr. 2.22  Energetická bilance kolektoru, včetně vedení tepla absorbérem a přestupu do teplonosné kapaliny

Vyjádření křivky účinnosti v závislosti na teplotě kapaliny protékající absorbérem umožňuje zodpovědět otázku proč kovové tepelně vodivé absorbéry mohou být tenké (řádově desetiny mm) a s velkými roztečemi trubek registru (cca 10 cm), zatímco plastové absorbéry musí být tvořeny kanálkovou strukturou, plně smáčenou teplonosnou kapalinou. Vztažení účinnosti ke střední teplotě kapaliny se používá v evropských i mezinárodních normách [78, 79].

Americké normy vyjadřují křivku účinnosti v závislosti na teplotě kapaliny vstupující do kolektoru tk1. Rovnice účinnosti má tvar (2.5) kde je

FR

tepelný přenosový součinitel kolektoru (bezrozměrný).

Tepelný přenosový součinitel kolektoru FR vztahuje energii dodanou solárním kolektorem (okamžitý využitelný tepelný zisk) k energii, která by byla dodána za předpokladu, že by teplota celého absorbéru byla rovna vstupní teplotě teplonosné kapaliny. Svým významem je tak ekvivalentní účinnosti tepelného výměníku definované jako poměr okamžitého přeneseného tepelného výkonu k maximálnímu možnému tepelnému výkonu. Maximální využitelný výkon lze ze solárního kolektoru získat v případě, že v celém kolektoru je teplota rovná teplotě vstupující kapaliny, tzn. tepelná kapacita průtoku je nekonečně vysoká. Tepelný přenosový součinitel kolektoru FR je závislý na účinnostním součiniteli a na tepelné kapacitě průtoku teplonosné kapaliny. Zvyšováním průtoku kapaliny v kolektoru se snižuje teplotní spád na kolektoru (rozdíl mezi výstupem a vstupem), střední teplota v kolektoru se přibližuje

Solární kolektory teplotě na vstupu a přenosový součinitel kolektoru roste. Hodnota přenosového součinitele je vždy menší než hodnota účinnostního součinitele F’.

FR

Vyjádření křivky účinnosti solárního kolektoru v závislosti na teplotě kapaliny vstupující do kolektoru umožňuje zohlednit vliv druhu teplonosné kapaliny (její tepelné kapacity) a průtoku na výkon kolektoru. Navíc takové vyjádření poskytuje explicitní model vhodný pro počítačové simulace, ze kterého je možné přímo vyjádřit výkon kolektoru, aniž by bylo nutné předem znát výstupní teplotu z kolektoru. Vztažení účinnosti ke vstupní teplotě se používá především v amerických normách [80].

1,0

η = f (tk1)

0,8

η = f (tm) 0,6

η [-]

η = f (tabs) 0,4

0,2

0,0 0,00

0,02

0,04 0,06 (tabs - te)/G [m2⋅K/W]

0,08

0,10

Obr. 2.23  Porovnání křivek účinnosti jediného kolektoru v závislosti na různě vyjádřeném středním redukovaném teplotním spádu 1,0

0,8

η [-]

0,6

0,4 1000 W/m2

G

0,2

200 W/m2 0,0

0

20

40

400 W/m2 60 (tm - te) [K]

600 W/m2

80

800 W/m2

100

Obr. 2.24  Závislost účinnosti solárního kolektoru na rozdílu teplot při různém slunečním ozáření

120

49

50 Solární zařízení v příkladech Na obr. 2.23 jsou graficky znázorněny křivky účinnosti solárního kolektoru avšak stanovené v závislosti na střední teplotě povrchu absorbéru tabs, střední teplotě teplonosné kapaliny tm a ke vstupní teplotě teplonosné kapaliny tk1. Z grafu je patrné, že tvar křivek se liší v závislosti na způsobu vyjádření. Odlišnost vyjadřování křivky účinnosti je nutné zohlednit zejména při přebírání parametrů křivek účinnosti solárních kolektorů z amerických zkušebních laboratoří a certifikačních programů. Na obr. 2.24 je zobrazeno vyjádření účinnosti solárního kolektoru v závislosti na teplotním rozdílu mezi teplonosnou kapalinou a okolím. Jednotlivé křivky pak odpovídají různým hladinám slunečního ozáření G. Z grafu je patrné, že při nízkých úrovních slunečního ozáření klesá účinnost kolektoru výrazně dolů. Čím nižší je tepelná ztráta kolektoru, tím je pokles účinnosti s klesajícím ozářením nižší. Vakuové solární kolektory jsou proto více citlivé na nízké hladiny slunečního ozáření než ploché atmosférické.

2.2.2  Vztažná plocha solárního kolektoru Účinnost solárního kolektoru musí být vždy uváděna společně s označením plochy kolektoru Ak, ke které byla vztažena. Lze rozlišit celkem tři plochy, ke kterým je možné vztáhnout účinnost solárního kolektoru: • plocha absorbéru AA – plocha, na níž dochází cíleně k přeměně slunečního záření v teplo; • plocha apertury Aa – plocha průmětu otvoru (zpravidla zasklení), kterým vstupuje do kolektoru nesoustředěné sluneční záření; • celková obrysová (hrubá) plocha AG – plocha průmětu celkového obrysu solárního kolektoru. Podle současné evropské zkušební normy ČSN EN 12975 [78] je možné účinnost solárního kolektoru vztáhnout buď k ploše absorbéru AA nebo ploše apertury Aa. Plochy absorbéru a plochy apertury pro různé druhy kolektorů jsou definovány na obr. 2.25. Nejmenší plochou je zpravidla plocha absorpční, nicméně je problematické ji změřit bez rozebrání, případně rozbití kolektoru. U plochých kolektorů a jednostěnných trubkových kolektorů s plochým absorbérem je absorpční plochou průmět absorbéru do vztažné roviny kolektoru. U trubkových kolektorů s válcovým absorbérem je nutné rozlišit, zda jde o: • kolektor bez reflektoru – absorpční plochou je plocha průmětu válcového absorbéru; • kolektor s reflektorem – absorpční plochou je povrch válce absorbéru. Plochou apertury plochého kolektoru je plocha propustné části jeho zasklení. U trubkového kolektoru bez reflektoru (jednostěnný, dvojstěnný Sydney) je plochou apertury průmět vnější krycí trubky do vztažné roviny kolektoru. U trubkového Sydney kolektoru s reflektorem je aperturou kolektoru plocha průmětu reflektoru. Apertura kolektoru se měří snadno, neboť je zvnějšku přístupná. Na její velikosti závisí jak množství kolektorem využitelného záření tak i tepelné ztráty kolektoru, samozřejmě v případě, že apertura je současně i zasklením a nikoli reflektorem. Jelikož plocha absorbéru je zpravidla menší než plocha apertury, leží v grafickém porovnání křivka účinnosti vztažená k absorbéru vždy výše než křivka účinnosti vztažená k apertuře, naopak nejníže leží křivka účinnosti vztažená k obrysové ploše kolektoru. Dodavatelé solárních kolektorů proto občas uvádějí z marketingových důvodů křivku účinnosti vztaženou k ploše absorbéru.

Solární kolektory V evropských normách pro zkoušení či výpočtové hodnocení solárních soustav je za referenční plochu solárního kolektoru považována plocha apertury. Standardně tedy výrobce či dodavatel solárního kolektoru by měl uvádět především křivku účinnosti vztaženou k ploše apertury. Několik zkušeben v Evropě vlivem absence definování plochy absorbéru trubkového kolektoru s reflektorem v normě (původně norma nebyla určena pro koncentrační kolektory) chápe plochu absorbéru odlišně. Vztažením charakteristik k ploše apertury, která je definována všemi zkušebnami jednotně se lze vyvarovat případných chyb. Vztažení křivky účinnosti k ploše apertury kolektoru je vhodné z hlediska porovnání vlastností dvou kolektorů, různé konstrukce a kvality provedení, nevhodné je z hlediska rozhodování o potenciálu kolektoru pro danou aplikaci či pro porovnání kolektorů s různými účinnými plochami. A)

B)

C)

D)

Obr. 2.25  Definice plochy apertury a absorbéru solárních kolektorů: A) plochý; B) trubkový s plochým absorbérem; C) trubkový s válcovým absorbérem; D) trubkový s válcovým absorbérem a reflektorem A)

B) HG

La

C) HG

LG

HG

LG

La

D) HG

LG

La

LG

La

Ha Ha

H a= n · d t

H a= n · d t

Ha

HG

HG

HG

HG

Obr. 2.26  Definice plochy apertury a obrysové plochy solárních kolektorů: A) plochý; B) trubkový s plochým absorbérem; C) trubkový s válcovým absorbérem; D) trubkový s válcovým absorbérem a reflektorem

51

Toto je pouze náhled elektronické knihy. Zakoupení její plné verze je možné v elektronickém obchodě společnosti eReading.