Slnko namiesto kotla

{R1}

Je to však naozaj tak a je energia zo slnka zadarmo? Slnko nám skutočne faktúru za energiu nepošle, nákup a prevádzka solárneho systému však stoja nemalú sumu. Aj tu teda platí: dvakrát meraj a raz kupuj. Nevhodne zvolený systém či komponenty, neodborná inštalácia alebo nedodržanie odporúčaní pri prevádzke a údržbe môžu totiž znamenať nielen malú úsporu, ale niekedy aj finančnú stratu.

Rastúce ceny energie nás trápia čoraz viac a jediné, s čím môžeme do budúcnosti počítať je, že energia lacnejšia nebude. Každá úspora nákladov na energiu sa preto počíta a investíciu do jej zabezpečenia možno považovať aj za investíciu do budúcnosti. Energia zo slnka je nevyčerpateľná a má vysoký potenciál aj v našich zemepisných šírkach – slnečná energia, ktorá dopadne na približne 5 % rozlohy Slovenska, by pokryla celú našu súčasnú potrebu energie z primárnych zdrojov. Z hľadiska celej planéty je bilancia ešte výraznejšia – slnečné žiarenie dopadajúce každý rok na zem prináša 10 000-krát viac energie, ako ľudstvo spotrebuje. Využitie energie slnečného žiarenia obmedzujú možnosti jej premeny (otázka účinnosti) a skladovania (akumulácie).

V poslednom čase sa nielen vo väčších inštaláciách používajú veľkoplošné kolektorové moduly pripravené priamo výrobcom. Urýchľujú montáž a prinášajú nemalú úsporu materiálov na telese kolektora.
Austria Solar

Pasívne využitie slnečnej energie

Ľudia už od pradávna využívajú slnečnú energiu pasívne – či už na vyhriatie domova alebo na sušenie bielizne. V súčasnosti je princíp pasívneho využitia slnečnej energie typický najmä pre pasívne domy – vhodnou architektonickou koncepciou a orientáciou okien získavajú teplo na ohrev vnútorného prostredia prestupom slnečnej energie cez zasklené plochy. Aby sa teplo v interiéri udržalo, sú domy vybavené účinnou izoláciou. Výhodou pasívneho využívania slnečnej energie je, že netreba žiadne technické zariadenie ani inštalácie. Pasívne zisky sa však lepšie uplatnia v budove s ťažkou stavebnou konštrukciou, pretože v masívnej stavbe sa teplo môže akumulovať do stien a podláh. Je tiež potrebné zvoliť v dome vhodný systém vykurovania – systém s veľkou akumuláciou a zotrvačnosťou (napríklad teplovodné podlahové kúrenie) nebude schopný rýchlo reagovať na zmenu potreby tepla. V lete je zasa nevyhnutné účinne tieniť okná, pripadne celú fasádu, aby sa dom neprehrieval.

Solárne kolektory integrované priamo do strechy alebo fasády domu predstavujú moderné riešenie, ktoré rešpektujú aj architekti.
VELUX

Prečo si zaobstarať solárny systém?

Väčšina majiteľov sa pre kúpu solárneho systému rozhodne z dôvodov ekonomických – pri správnom návrhu a inštalácii môže skutočne významne znížiť náklady na ohrev vody, prípadne aj na vykurovanie domu. Niektorí investori sú motivovaní aj ekologickými aspektmi – využitie slnka ako obnoviteľného zdroja energie znamená menšie zaťaženie životného prostredia a nižšiu produkciu skleníkových plynov a iných škodlivín. Výhodou je aj nezávislosť – systém sa nepripája do siete a získanú energiu spotrebuje majiteľ priamo na mieste. Rovnako ako sú ostrovné fotovoltické systémy vítané v odľahlých lokalitách, kde nie je elektrická sieť, môže aj solárny systém pomôcť k energetickej sebestačnosti stavieb. Majitelia solárnych systémov niekedy pozitívne hodnotia aj to, že nemusia mať výčitky, keď si miesto krátkej sprchy napustia plnú vaňu, a to ako z finančných, tak aj z ekologických dôvodov – obnoviteľná energia im teda dáva vyšší komfort bývania.

Otázka účinnosti

Účinnosť kolektora je jedným z hlavných parametrov, ktorým argumentujú predajcovia solárnych systémov. Je však potrebné si uvedomiť, že účinnosť kolektora závisí od mnohých faktorov a mení sa počas dňa aj v priebehu roka. Energetické zisky z 1 m² plochy kolektora sa začínajú na 10 kWh za mesiac v zime, v letných mesiacoch dosahujú až 90 kWh. Pri výbere kolektora sa preto bežne používa krivka účinnosti kolektora v závislosti od rozdielu teploty teplonosného média a vonkajšieho vzduchu. Táto závislosť ukazuje, ako sa kolektor správa počas roka a či splní naše požiadavky – napríklad či dokáže ohriať vodu na teplotu, ktorú potrebujeme na vstupe do vykurovacej sústavy. Jednoduché plastové kolektory majú vysokú účinnosť pri rozdiele teplôt do 20 °C, sú preto vhodnou voľbou na letný ohrev vody v záhradných bazénoch alebo na chatách. Ploché kolektory strednej triedy (napríklad kryté kvalitným sklom) dokážu účinne pracovať aj pri rozdiele teplôt 50 °C, veľmi kvalitné ploché kolektory so selektívnou vrstvou ohrejú médium dokonca až na teplotu o 100 °C vyššiu ako má okolitý vzduch. Vo vákuových kolektoroch sa účinnosť mení s rastúcim rozdielom teplôt len minimálne, takže uspokojivo pracujú aj v zimných mesiacoch. Aj keď sa nám zdá, že slnko nesvieti, vákuový kolektor dokáže vyrábať teplo z difúzneho (rozptýleného, nepriameho) slnečného žiarenia.

1114846
Vaillant

Aktívne systémy

Aktívne využitie slnečnej energie predstavujú solárne tepelné (niekedy tiež termické alebo termálne) systémy a aplikácie s fotoelektrickou premenou energie (fotovoltické systémy).

Solárne tepelné systémy možno dodatočne inštalovať takmer do každej existujúcej budovy, výhodnejšie je však počítať s nimi už pri návrhu a stavbe domu. Najznámejšie a najrozšírenejšie sú aplikácie, kde sa slnečná energia používa na ohrev vody pre potreby domácnosti alebo bazéna. Pribúdajú však aj domy, kde sa slnečná energia využíva na vykurovanie, prípadne na prikurovanie v prechodnom období (na jar a na jeseň) – tzv. kombinované solárne systémy. Na čiastočné vykrytie potreby tepla na vykurovanie je potrebné inštalovať systém približne dva- až trikrát väčší ako v prípade zabezpečenia iba prípravy teplej vody. Teoreticky možno navrhnúť aj solárny systém, ktorý by pokryl požiadavky tak na vykurovanie, ako aj na ohrev vody pre domácnosť, nie je to však efektívne a vo väčšine prípadov u nás ani reálne. V zime sú totiž slnečné zisky malé, ale nároky na vykurovanie maximálne, systém je potom po väčšinu roka predimenzovaný a v lete je potrebné vymyslieť, čo s prebytočnou energiou. Riešením je dlhodobá akumulácia v sezónnych zásobníkoch (vodných alebo štrkových), kde si teplo z leta môžeme našetriť na zimu. Čím je však dlhší čas akumulácie, tým je systém drahší a ekonomicky menej efektívny – pre bežné domy sa preto používa iba krátkodobá akumulácia (na niekoľko dní).

Trubicové solárne kolektory umiestnené na fasáde opticky nerušia moderný vzhľad domu, skôr naopak. Zvislá orientácia navyše zamedzuje prehrievaniu systému počas letného obdobia, keď slnko stojí vysoko nad obzorom – takto na plochu kolektora dopadá menej žiarenia než pri tradičnom umiestnení na šikmej streche.
Ritter Solar

Solárne kolektory

Základnou časťou solárneho kolektora je absorbér, v ktorom sa absorbuje energia slnečného žiarenia. Na zvýšenie účinnosti sa absorbér ukladá pod sklenenú dosku – dochádza tým k následnému odrazu a prenos tepla umocňuje skleníkový efekt, ktorý je v tomto prípade veľmi žiaduci. Absorbéry zabezpečujú premenu pohltenej energie zo slnečného žiarenia na tepelnú energiu, ktorá sa potom odvádza teplonosným médiom do miesta spotreby alebo do akumulačného zásobníka. Podľa použitého média rozlišujeme kolektory kvapalinové a vzduchové (niekedy aj kombinované).

Moderné kolektory majú rôzne usporiadanie – základné delenie je na kolektory ploché a trubicové (rúrkové). Zvláštnu kategóriu tvoria koncentračné kolektory, v ktorých sa slnečné žiarenie koncentruje na malú plochu využitím Fresnelovej šošovky alebo zrkadlovej plochy.

Najjednoduchšie a najlacnejšie sú plastové kolektory, ktoré sú vhodné na sezónny ohrev vody v bazénoch, prípadne aj na chaty, záhrady a pod. Sú vyrobené z plastu, ktorý odoláva UV žiareniu a majú tvar vaku alebo rúrkového registra. Nie sú kryté sklom a majú malú účinnosť, v niektorých prípadoch však predstavujú vďaka svojej jednoduchosti a cene optimálne riešenie.

Na rodinných domoch sa najčastejšie môžeme stretnúť s plochými kolektormi v tvare obdĺžnikovej dosky. Absorbér je umiestnený v plechovom (niekedy drevenom) ráme a zakrytý transparentným krytom, väčšinou tvrdeným sklom, ktorého účelom je znížiť straty tepla a chrániť absorbér pred nepriaznivými vplyvmi počasia. Aby sa znížili tepelné straty zadnými a bočnými stenami kolektora, umiestňuje sa na tieto miesta tepelná izolácia, ktorá odoláva vysokým teplotám.

Trendy vo vývoji solárnych kolektorov v poslednom čase sledujú niekoľko smerov: využitie nových materiálov (mikro- a nanotechnológie) na dosiahnutie vyššej účinnosti alebo naopak, využitie lacných a dostupných materiálov na zníženie ceny kolektorov. Čoraz viac záleží aj na vzhľade kolektorov – musia spĺňať požiadavky modernej architektúry a pokiaľ možno aj zapadnúť do celkovej architektonickej koncepcie budovy.

Schematické rezy plochým a trubicovým solárnym kolektorom. Vľavo je znázornený plochý kolektor so selektívnou povrchovou vrstvou, obrázok vpravo predstavuje vákuový trubicový kolektor s priamym prietokom teplonosnej kvapaliny, ktorý možno nainštalovať do ľubovoľnej polohy. Viessmann

Schematické rezy plochým a trubicovým solárnym kolektorom. Vľavo je znázornený plochý kolektor so selektívnou povrchovou vrstvou, obrázok vpravo predstavuje vákuový trubicový kolektor s priamym prietokom teplonosnej kvapaliny, ktorý možno nainštalovať do ľubovoľnej polohy. Viessmann

Tepelné straty a povrch absorbéra

Premenu slnečného žiarenia v kolektore na tepelnú energiu sprevádza celý rad strát, ktoré znižujú účinnosť kolektora. Slnečné žiarenie dopadá najskôr na transparentný kryt kolektora. Odrazom od neho, ale aj prestupom cez tento kryt prichádzame o prvú časť žiarenia. Straty odrazom závisia od uhla, pod akým žiarenie dopadá – najmenšie sú pri kolmom dopade slnečných lúčov. Straty prestupom určuje svetelná priestupnosť daného materiálu. Pretože plasty relatívne rýchlo starnú a straty sa tak zvyšujú, osvedčili sa predovšetkým sklenené kryty. Aj v tomto prípade dochádza ku stratám odrazom na absorbéri a k tepelným stratám zadnou a bočnou stenou kolektora. Najväčší problém predstavujú straty prednou stenou kolektora, ktoré sú spôsobené konvekciou – vzduch sa v kolektore ohrieva od teplejšieho absorbéra, a tým ho ochladzuje, odoberá mu teplo. Druhým veľkým problémom sú straty spôsobené sálaním – vyžarovaním z povrchu absorbéra. Špeciálnym zložením hornej vrstvy a štruktúrou povrchu absorbéra sa dá znížiť vyžarovanie tepla a zlepšiť parametre kolektora. Z tohto dôvodu sa povrch absorbéra často natiera čiernym náterom alebo tzv. selektívnou vrstvou, ktorá významne zvyšuje účinnosť kolektora.

Najelegantnejším spôsobom, ako znížiť straty konvekciou, je vyčerpať vzduch z priestoru medzi absorbérom a krytom. Takto sú riešené vákuové kolektory. Priestor sa často vyplní inertným plynom s malou tepelnou vodivosťou, napríklad argónom. Kolektor potom zachytáva aj žiarenie s veľmi malou intenzitou a pri nízkej vonkajšej teplote, takže sa zvyšuje jeho účinnosť ako v prechodnom období, tak aj v zime. Vákuové kolektory sa síce vyrábajú aj v plochej forme, oveľa častejšie však ako trubicové – absorbér je umiestnený uprostred trubice z tvrdeného skla. Jednotlivé trubice sú potom prepojené do zostavy kolektora.

Na inštaláciu kolektorov sú najvhodnejšie plochy orientované na juh, prípadne juhovýchod a juhozápad. Je potrebné dať pozor na to, aby ich, pokiaľ možno po celý rok, netienili stromy alebo okolité budovy. Vertikálny sklon sa na celoročné využitie odporúča zväčša pod uhlom 45°.
Wagner & Co, Cölbe

Aký systém a kolektory vybrať?

Pri výbere a kúpe solárneho systému je potrebné zohľadniť celý rad faktorov. Predovšetkým treba určiť, akú časť našej spotreby energie chceme slnečnou energiou pokryť – či iba energiu na prípravu teplej vody (v plnej miere alebo čiastočne), alebo aj na vykurovanie. Dôležitá je aj úvaha o využití systému počas roka – pri dimenzovaní je kľúčový pomer spotreby energie a výkonu systému v letnom a zimnom období. A tu je hlavný problém solárneho systému – najviac energie vyrába v letnom období, v zime je, naopak, v niektorých mesiacoch získaná energia zo solárneho systému len minimálna.

Jednoduché plastové absorbéry majú najvyššiu účinnosť pri veľmi nízkych rozdieloch teploty teplonosného média a okolitého vzduchu, zvyčajne asi do 30 °C, a sú vhodné na letný ohrev vody v bazéne alebo ako doplnkový zdroj na ohrev vody. Na tieto účely tiež výborne poslúži jednoduchý plochý kolektor bez selektívnej vrstvy. Ten však stačí aj na prikurovanie, ak je v dome inštalované nízkoteplotné plošné vykurovanie (napríklad v podlahe alebo v stenách). Ak potrebujeme dosiahnuť vyššie zisky, treba si vyberať kolektor so selektívnou vrstvou. Vákuové kolektory dosahujú teploty aj viac ako 100 °C, nevýhodou je však ich vyššia cena a mierne nižšia účinnosť v letnom období. Ak máme na umiestnenie kolektorov k dispozícii menšiu plochu, než je odporúčaná, treba zvoliť účinnejší (a drahší) typ kolektora, ktorý z danej plochy zabezpečí vyššie zisky. Podobne musíme zvoliť účinnejší kolektor, najlepšie so selektívnou vrstvou alebo vákuový, napríklad v horách.

1114857

Nielen kolektory tvoria systém

Solárny systém na ohrev vody obsahuje okrem kolektorov aj ďalšie komponenty, ktoré sú na správnu funkciu sústavy rovnako dôležité ako kolektor a absorbér.

Ohriate teplonosné médium – väčšinou nemrznúca zmes, počas letnej prevádzky niekedy aj voda – sa z kolektora vedie potrubím do výmenníka tepla, kde odovzdáva získané teplo ohrievanej vode. Výmenník je zvyčajne umiestnený v akumulačnom zásobníku. Zásobník býva pripojený aj k druhému zdroju tepla, ktorý ohrieva vodu v období, keď nie je výkon solárneho systému dostatočný. Z hygienických dôvodov sa odporúča minimálne raz za týždeň ohriať vodu v zásobníku na teplotu aspoň 72 °C, aby sa v nej nemnožili nežiaduce mikroorganizmy. Nádrž zásobníka by mala byť stojatá, vysoká a úzka, čím sa zaručí potrebné vrstvenie tepla. Ležaté nádrže sú z tohto dôvodu na použitie v solárnom systéme nevhodné.

Obeh teplonosnej kvapaliny v systéme zabezpečuje obehové čerpadlo. Na bezporuchovú prevádzku sa okruh dopĺňa expanznou nádobou, ktorá vyrovnáva zmeny objemu teplonosnej kvapaliny pri rôznych teplotách, spätným ventilom, ktorý zabraňuje nežiaducej cirkulácii pri nečinnosti zariadenia, poistným ventilom a ventilom na odvzdušnenie. Automatická regulácia zaisťuje bezpečný chod systému a optimálny výkon. Systém môže byť doplnený tiež výmenníkom na ohrev bazénovej vody, ktorý odvádza letné prebytky tepla. Ak môžeme umiestniť akumulačný zásobník vyššie než kolektor, možno využiť samoobehový princíp, pri ktorom teplá voda sama stúpa hore, a ušetriť tak náklady na kúpu obehového čerpadla.

Fotovoltické panely aj solárne kolektory inštalované na jednej streche – dnes ešte netypický pohľad, vzhľadom na požiadavku výstavby nulových budov od roku 2020 však môžeme očakávať vývoj aj týmto smerom. Potrebné množstvo elektrickej energie dodáva do tohto domu fotovoltika, o ohrev vody sa starajú solárne kolektory.
Wagner & Co, Cölbe

Vyplatí sa to?

Asi každého zaujíma otázka návratnosti investície, čiže kedy a či vôbec môže počítať s výnosmi zo solárneho systému. Návratnosť prostriedkov vložených do systému pre menší rodinný dom sa v súčasnosti pohybuje v rozpätí 5 až 15 rokov – podľa jeho dimenzovania a miestnych podmienok. Pretože sa však ceny energie neustále zvyšujú, sú solárne systémy aj naďalej v popredí záujmu o obnoviteľné zdroje energie. Ich životnosť sa zväčša uvádza 20 rokov, tak že aj pri predpokladanom 15-ročnom období návratnosti investície sa ich zaobstaranie v celkovej bilancii oplatí – samozrejme, ak netreba každých päť rokov meniť a opravovať niektoré časti systému, čo je, žiaľ, častá prax. Dôvodom býva jednak nedostatočná kvalita jednotlivých komponentov, jednak neodborná svojpomocná inštalácia či zlá údržba, pre ktorú potom systém nedosahuje plánované ročné výnosy.

Solárny systém nie je perpetuum mobile, ako by sa podľa niektorých reklamných sloganov mohlo zdať. Aj tak však ide o zaujímavú alternatívu k tradičným metódam ohrevu vody a vykurovania. Kto by si dnes nechcel do vôle dopriať plnú vaňu horúcej vody bez výčitiek svedomia k svojej peňaženke alebo životnému prostrediu?

Integrovanie kolektorov do fasády je vhodné tak pri rekonštrukciách domov (solárne kolektory nahradia časť zateplenia), ako aj na novostavby, kde možno tieto prvky zakomponovať do architektonického návrhu – získame tak elegantnú fasádu, ktorá zároveň dodáva energiu. Fasádne inštalácie pomáhajú zvýšiť solárne zisky v zime, keď je slnko nízko nad obzorom, a prínosné sú aj odrazy od snehu. V lete má síce systém menšie zisky než šikmá inštalácia, to však možno považovať aj za výhodu – ak nemáme využitie pre prebytky energie, prirodzene sa tak zabraňuje prehrievaniu systému. Istou nevýhodou je horšia prístupnosť pri opravách a údržbe, výhodou naopak menšia náchylnosť na znečistenie. Inštalácia do fasády je vhodná aj v oblastiach s veľkým množstvom snehu, keď strešné kolektory vyžadujú istú starostlivosť.
Batec

Solárny beztlakový systém Vaillant auroSTEP plus optimálne rieši využívanie slnečnej energie na prípravu teplej vody počas celého roka. Na zachytenie až 70 % slnečného žiarenia slúžia špeciálne vyvinuté serpentínové ploché kolektory pre beztlakové solárne systémy auroTHERM VFK 135D. Vďaka nim možno pokryť 60 až 70 % ročnej spotreby teplej vody v domácnosti. Jednotlivé prvky ako bivalentný alebo monovalentný zásobník s minimálnou inštalačnou plochou 1,5 m2, čerpadlo a regulácia sú súčasťou celku, ktorý je kompletne pripravený na montáž – montáž je vďaka tomu jednoduchšia a rýchlejšia.
Vaillant

Opýtali sme sa za vás

Na možnosti úspor spojených so solárnymi systémami sme sa opýtali Ing. Jána Petráka zo spoločnosti Vaillant Group Slovakia.

Ako možno optimálne využiť štátne dotácie na kolektory?
Dňa 1. júna 2011 schválila NR SR zákon, podľa ktorého sa budú poskytovať dotácie na kotly a slnečné kolektory s účinnosťou od 1. júla 2011. Žiadosti o dotácie na kolektory a kotly na biomasu sa budú posudzovať na základe kritérií uvedených vo výzve, ktorú zverejní Ministerstvo hospodárstva SR.
Pokiaľ ide o slnečné kolektory, výška dotácií zostáva nezmenená. Oproti minulosti má však byť obmedzená dotovaná plocha kolektorov inštalovaných na rodinných domoch. Dotácie vo výške 200 € na 1 m² nainštalovaných slnečných kolektorov možno získať najviac v rozsahu do 8 m² plochy kolektorov. Nad túto plochu sa už dotácie poskytovať nebudú. Pri bytových domoch možno získať 100 € na 1 m² nainštalovaných slnečných kolektorov, dotovaná plocha je najviac 3 m² na každý byt v bytovom dome.
Pri rodinnom dome sa teda štátna dotácia optimálne využije pri maximálne troch kolektoroch, ak berieme do úvahy priemernú plochu jedného kolektora 2,3 – 2,5 m². Tomu zodpovedá solárny systém na ohrev vody so zásobníkom s objemom maximálne 350 l, čo postačuje pre päť- až šesťčlennú rodinu.

Aké úspory môžu rodinnému rozpočtu priniesť solárne systémy?
Ak berieme do úvahy domácnosť, ktorá využíva solárne kolektory iba na ohrev vody na priamu spotrebu (takých je totiž väčšina, iba asi 10 % inštalácií má solárny systém určený aj na podporu vykurovania, ktorý si vyžaduje väčšiu plochu solárnych panelov a vyššie vstupné náklady), potom štátna dotácia pokryje približne 30 % z konečnej ceny malej solárnej zostavy na kľúč aj s montážou. Pri predpokladanom raste cien energie sa teda solárny systém počas svojej praxou potvrdenej životnosti okolo 30 rokov niekoľkonásobne zaplatí.
Solárny systém sa však dá napojiť aj na existujúcu sústavu na ohrev vody – do pôvodnej sústavy sa potom privádza voda predhriata pomocou solárnej energie, ktorú už stačí iba dohriať na požadovanú teplotu. Takýmto spôsobom sa dá ušetriť až 70 % ročných nákladov na ohrev vody.
Slovenskí zákazníci dávajú prednosť jednorazovému šetreniu pri nákupe, v skutočnosti sa však dá naozaj ušetriť len pri dlhodobých úsporách. Pri kúpe lacnejšieho solárneho systému síce jednorazovo ušetria, ďalších 10 či 20 rokov však budú mať vyššie prevádzkové náklady. Rozumnejšie je preto na začiatku investovať do zariadenia o niečo vyššiu sumu, ktorá sa po čase vráti v podobe úspor. Užívateľ potom môže z úspor nákladov na energie profitovať dlhodobo.