Příprava teplé vody – fotovoltaika nebo solární tepelné kolektory?

Sluneční záření lze využít dvěma základními způsoby. Buď získávat teplo v solárních termických kolektorech, nebo elektřinu ve fotovoltaických panelech. Donedávna byl ohřev vody fotovoltaikou příliš drahý, než aby mohl konkurovat klasickým kolektorům. Může se situace změnit?

Zaměříme-li se pouze na ohřev vody, jsou nejdůležitějšími parametry solárního systému závislost výkonu na klimatických podmínkách v daném místě a čase. Dominantní vliv mají teplota a intenzita slunečního záření, v menší míře i srážky a vítr.

Technické parametry

Plošná hmotnost (plošné zatížení) – u fotovoltaických panelů závisí především na použité technologii a na tloušťce použitého skla. U panelů, které jsou ze zadní strany kryty plastovými fóliemi (technologie sklo-plast) se plošná hmotnost pohybuje kolem 10 kg/m². U panelů oboustranně krytých sklem (technologie sklo-sklo, doubleglass) může plošná hmotnost přesáhnout 20 kg/m². Uvedené rozpětí odpovídá krytině z vláknocementových šablon nebo vlnovek (Beronit), hmotnost krytiny skládané z pálených tašek je zhruba dvakrát vyšší než horní hranice uvedeného rozpětí.

Plošná hmotnost solárních termických kolektorů se včetně teplonosné kapaliny pohybuje od zhruba 20 kg/m² výše. Nižší plošnou hmotnost mohou mít vakuové trubkové kolektory, které však nelze použít pro vytvoření střešní krytiny (výjimkou jsou kolektory s celoplošným reflektorem). Zatížení střešní konstrukce solárními tepelnými kolektory je tedy srovnatelné s fotovoltaickými panely, nebo je mírně vyšší.

Účinnost – jedná se o parametr, který určuje, kolik lze z plochy střechy získat energie. V letním období jsou z hlediska účinnosti výhodnější solární termické kolektory. Naopak v zimě, zejména při ohřevu na vyšší teploty, je účinnost termických kolektorů nižší, než účinnost fotovoltaických panelů.

Obrázek: Účinnost solárních termických kolektorů při teplotě okolí 25 °C a intenzitě záření 800 W/m², pro srovnání je uvedena i účinnost fotovoltaických panelů

Za standardních testovacích podmínek se účinnost fotovoltaických panelů pohybuje od zhruba 5 % u panelů tenkovrstvých až po 20 % u nejlepších panelů monokrystalických. Účinnost přitom nezávisí na teplotě ohřívaného média. V závislosti na teplotě panelů se jejich výkon snižuje o 0,2 % (tenkovrstvé) až 0,5 % (krystalické) při zvýšení teploty o jeden stupeň Celsia. Z uvedeného důvodu je účinnost fotovoltaiky v zimě až o 20 % vyšší než v létě.

Účinnost solárních termických kolektorů silně závisí na teplotním rozdílu mezi teplonosnou kapalinou a okolím. Na rozdíl od fotovoltaických panelů proto účinnost při nízkých teplotách vzduchu klesá. Pokles je natolik významný, že při teplotách vzduchu pod bodem mrazu kolektory většinou nejsou schopny ohřát teplonosnou kapalinu na vyšší teploty. V rozsahu běžných letních teplot je však účinnost solárních tepelných kolektorů až několikanásobně vyšší než účinnost fotovoltaických panelů.

Roční výnos energie – závisí na množství dopadajícího slunečního záření a na průměrné roční účinnosti konverze slunečního záření na užitečnou energii. V České republice dopadá na 1 m² optimálně skloněné plochy 950 až 1150 kWh energie slunečního záření [PVGIS]. Obvykle je možno počítat s přibližnou hodnotou 1000 kWh/m².

Za těchto podmínek vyrobí fotovoltaické panely v závislosti na typu 50 až 200 kWh/m² elektřiny ročně. Nutno upozornit, že orientace a sklon panelů nejsou z hlediska roční výroby nijak kritické, v rozsahu sklonu 10° až 40° a orientace ±45° od jihu je celoroční výroba elektřiny nejvýše o 5 % nižší, viz obrázek dole. V mnoha případech může výnos výrazněji snižovat blízká budova nebo například strom.

Obrázek: Dopadající sluneční záření v závislosti na sklonu a orientaci plochy (celoročně a v letním období)

Výnos solárního systému s termickými kolektory silně závisí na solárním pokrytí – podílu energie ze solárního sytému k celkové spotřebě energie na ohřev vody (viz obrázek dole). Lze však očekávat, že výnos solárních termických kolektorů bude i v nejhorším případě (vysoká teplota teplonosné kapaliny, vysoké solární pokrytí) minimálně 250 kWh/m². Systémy navržené pro ohřev teplé vody vykazují v České republice roční výnos tepla kolem 400 kWh/m².

Obrázek: Nevyužité solární zisky při zvyšování solárního pokrytí

Cena – u fotovoltaických panelů se v současnosti pohybuje od 0,40 €/Wp u tenkovrstvých až do cca 0,80 €/Wp u kvalitních krystalických vyrobených v EU nebo v Japonsku. V přepočtu na plochu panelů se ceny pohybují od 500 Kč/m² až do 5000 Kč/m². Nahrazují-li panely střešní krytinu, je možno od této ceny odečíst cenu ušetřené krytiny (od cca 300 Kč/m² výše). Z tohoto pohledu může být nižší účinnost výhodou – za stejnou cenu lze získat větší plochu. Podle názoru některých expertů nejsou uvedené ceny dlouhodobě udržitelné, někteří výrobci panelů již zanikli, jiní vykazují finanční ztráty.

Obrázek: Ceny FV panelů na spotovém trhu (pvXchange)

Zajímavé je z hlediska investičních nákladů použití fotovoltaiky v kombinaci s luxusními materiály na fasádách administrativních budov, kde plošná cena fotovoltaických panelů je na stejné úrovni s cenami obkladových materiálů. Nemusí ani vadit, že roční výroba je asi o 30 % nižší oproti optimálnímu sklonu, protože vyrobená elektřina je v takovém případě čistý bonus. Pro fasádní systémy je možno použít panely s barevnými články, které mohou dotvářet architektonický výraz stavby. Technologií výroby barevných článků se zvýšenou účinností se zabývá vývojové pracoviště firmy Solartec.

Cena solárních tepelných kolektorů se pohybuje nejčastěji od 4500 do 6000 Kč/m², v případě vakuových trubkových kolektorů i podstatně výše. Podle některých zdrojů jsou však výrobní náklady solárních termických kolektorů jen zlomkem prodejní ceny. Ceny kolektorů však v posledních letech víceméně stagnují, zatímco ceny fotovoltaických panelů výrazně klesly.

Životnost (fyzická) – u fotovoltaických panelů je odhadována na 30 až 40 let, v případě panelů oboustranně krytých sklem je očekávána životnost ještě delší. Výrobci vesměs garantují maximální pokles účinnosti o 20 % po 25 letech provozu. Nejstarší fotovoltaické elektrárny jsou v provozu kolem 30 let, pokles účinnosti je často výrazně nižší než 10 %. Jedná se obvykle o instalace z monokrystalických křemíkových článků.

Výrobci solárních tepelných kolektorů udávají životnost 30 let, žádná garance se však obvykle k tomuto údaji nevztahuje. Zatímco u FV panelů může docházet k degradaci funkční vrstvy i laminační fólie, u kvalitně provedených kolektorů lze očekávat, že degradace absorpční vrstvy bude zanedbatelná. Stejně jako u fotovoltaiky lze nalézt solární tepelné systémy starší než 30 let; pokud je nutno nahrazovat některé komponenty, jedná se obvykle o akumulační nádrž nebo čerpadlo.

Závislost účinnosti na klimatických podmínkách

Obrázek: Závislost účinnosti na teplotě média při standardních testovacích podmínkách

Standardní testovací podmínky (STC), za nichž jsou zkoušeny fotovoltaické panely, jsou: teplota okolí 25 °C (= teplota panelu), intenzita záření 1000 W/m², spektrum AM 1,5 global. Za těchto podmínek je účinnost dnes nejrozšířenějších solárních termických kolektorů se selektivním absorbérem několikanásobně vyšší než účinnost nejlepších fotovoltaických panelů i při ohřevu vody na teploty nad 60 °C.

Obrázek: Závislost účinnosti na teplotě média při teplotě okolí 25 °C a intenzitě záření 800 W/m²

V praxi však intenzita slunečního záření dosahuje úrovně 1000 W/m² jen zcela výjimečně. Obvyklejší jsou hodnoty kolem 800 W/m² v poledne, kdy sluneční záření dopadá na plochu kolektoru téměř kolmo (v závislosti na roční době a sklonu kolektoru). Za těchto podmínek se však teplota fotovoltaických panelů pohybuje kolem 45 °C, což snižuje jejich účinnost až o 10 %. V důsledku nižší intenzity záření klesá rovněž účinnost solárních termických kolektorů, pokles účinnosti je rovněž přibližně 10 %.

Mimo polední hodiny intenzita dopadajícího slunečního záření dále klesá. V důsledku toho u solárních termických kolektorů klesá účinnost, naopak u fotovoltaických panelů účinnost roste, protože se méně zahřívají. V letním období je z hlediska množství vyrobené energie z jednotky plochy fotovoltaika výhodnější než ploché kolektory se selektivním absorbérem při ohřevu média nad zhruba 100 °C.

Obrázek: Závislost účinnosti na teplotě média při teplotě okolí 20 °C a intenzitě záření 200 W/m²

V létě při zatažené obloze intenzita slunečního záření klesá pod 200 W/m². Teploty se v takovém případě zřídka pohybují nad 20 °C. Fotovoltaické panely se za těchto podmínek ohřívají vlivem slunečního záření jen nepatrně, takže jejich účinnost se blíží účinnosti nominální. U krystalických panelů účinnost při nižší intenzitě záření zhruba do 200 W/m² mírně klesá, při intenzitách pod 180 W/m² je pokles výraznější. Naopak u tenkovrstvých panelů účinnost při poklesu intenzity slunečního záření mírně roste. Ploché kolektory se selektivním povrchem za těchto podmínek vůbec nejsou schopny ohřát vodu na 60 °C, dokonce i účinnost vakuových kolektorů se při ohřevu na tuto teplotu blíží nule.

Obrázek: Závislost účinnosti na teplotě média při teplotě okolí 0 °C a intenzitě záření 400 W/m²

V zimním období se v době intenzivního slunečního svitu teploty obvykle pohybují kolem nuly. Intenzita záření je však i za nejlepších podmínek výrazně nižší než v létě, kromě toho sluneční záření dopadá na plochu kolektorů obvykle pod nižším úhlem. Ekvivalentní intenzita kolmo dopadajícího záření se běžně pohybuje kolem 400 W/m². Za těchto podmínek, při ohřevu vody na 60 °C, je účinnost fotovoltaických panelů srovnatelná s účinností vakuových trubkových kolektorů.

Obrázek: Závislost účinnosti na teplotě média při teplotě okolí −5 °C a intenzitě záření 100 W/m²

V zimě se však často vyskytují intenzity slunečního záření kolem 100 W/m² a nižší, při teplotách pod bodem mrazu. Za těchto podmínek solární tepelné kolektory v podstatě nefungují. V této souvislosti je nutno upozornit, že při intenzitách záření pod 100 W/m² výrazněji klesá rovněž účinnost fotovoltaických panelů.

Kombinace s tepelným čerpadlem

Jako zdroj tepla pro tepelné čerpadlo je možno použít odpadní vzduch z větracího systému. Nejjednodušší je intenzivně odvětrávat koupelnu a záchod. Optimální by bylo využít i teplo, které lze získat kondenzací vodní páry. Vzduch v koupelně bývá teplejší a vlhčí než v ostatních místnostech domu. Pokud je však v budově instalováno nucené větrání s rekuperací odpadního tepla, popsané řešení použít nelze.

Při použití tepelného čerpadla vzduch-voda je možno účelně využít obě strany – teplou i studenou. Nejmenší tepelná čerpadla na trhu jsou používána v kompresorových chladničkách a ohřívačích teplé vody. Příkony chladniček se pohybují řádově kolem 100 wattů i méně, příkony tepelných čerpadel pro ohřev teplé vody se pohybují kolem 500 W, nejvýše 1 kW. Existují kompresory s širokým rozsahem napájecího napětí od 12 až do cca 40 V, které je možno napájet přímo z fotovoltaického panelu. Celý systém by se oproti fotovoltaickým elektrárnám výrazně zlevnil, protože by bylo možno vynechat investičně náročný střídač. Topný faktor a odpovídající tepelný výkon závisí na rozdílu teplot, u malých kompresorů je obvykle při rozdílu teplot −25 °C/55 °C tepelný výkon zhruba dvakrát vyšší než elektrický příkon.

Obrázek: Výnos energie v jednotlivých měsících při ohřevu vody, vlevo na 60 °C, vpravo na 45 °C

Výhodou fotovoltaiky za popsaných podmínek je výrazně vyšší produkce energie v zimním období ve srovnání se solárním termálním kolektorem, a to jak v řešení s tepelným čerpadlem, tak dokonce i samostatně. Rozdíl výnosů se podstatně zvyšuje při zvyšování teploty ohřívaného média.

Závěr

Plošná hmotnost, životnost, a v současnosti i cena solárních tepelných kolektorů je srovnatelná s běžně dostupnými fotovoltaickými panely. Roční výnos energie z jednotky plochy je však u solárních tepelných kolektorů díky vyšší účinnosti přibližně dvojnásobný ve srovnání s nejkvalitnějšími fotovoltaickými panely s články z monokrystalického křemíku.

V letním období jsou fotovoltaické panely výhodnější než solární termické kolektory při ohřevu pracovní látky na teploty nad 100 °C, v zimním období i pod 40 °C. Výhodou fotovoltaiky je absence teplonosné kapaliny a jednodušší přenos vyrobené energie do místa užití. Elektřinu lze rovněž využít všestranněji než teplo.

Pokud budou investiční náklady kompletního řešení ohřevu teplé vody elektřinou z fotovoltaických panelů, ať už přímo nebo s využitím tepelného čerpadla, nižší než investiční náklady solárního termického systému, je možno ohřev vody považovat za účelné využití elektřiny z fotovoltaické elektrárny. Takové řešení by pak mohlo být zahrnuto jako alternativa do případné dotační podpory pro solární ohřev teplé vody.