Porovnání solárního fototermického a fotovoltaického ohřevu vody

Anotace

Cílem srovnávací analýzy představené v příspěvku je porovnat za srovnatelných podmínek odběru tepla a klimatických podmínek fotovoltaický systém (ve dvou variantách) a fototermický systém pro přípravu teplé vody. S využitím simulačního softwaru TRNSYS byly určeny energetické přínosy definovaných variant. Na základě situace na českém trhu byly stanoveny investiční a provozních náklady srovnávaných systémů a porovnána jejich ekonomická návratnost.

Úvod

Stále více se v souvislosti s poklesem cen fotovoltaické technologie a zastavením provozní podpory hovoří a píše o možnosti využití fotovoltaických panelů pro elektrický ohřev vody v podobě jednoduchých systémů s elektrickým ohřívačem vybaveným elektrickým topným tělesem na stejnosměrný proud. Někteří dokonce hovoří o tom, že solární tepelné kolektory jsou již „odsouzeny k zániku“ či „jsou slepou vývojovou větví“ solární techniky [1]. Zmiňuje se i tradovaný mýtus, že účinnost FV panelu v zimě neklesá, a tedy musí mít oproti fototermickému kolektoru „výrazně vyšší produkci v zimním období“ [2]. Solární termický kolektor je pak označen za ten, který od listopadu do února „nic nedá“. To odporuje nejen běžným technickým výpočtům, ale i realizovaným měřením, která byla provedena na desítkách monitorovaných a publikovaných instalacích. Zdrojem uvedených tvrzení jsou bohužel zjednodušené výpočty vycházející z podmínek a předpokladů, které se v reálném provozu solárních systémů, ať už fotovoltaických nebo fototermických, nenastávají.

Modelové varianty ohřevu

Pro porovnání technologií přípravy teplé vody za srovnatelných podmínek odběru tepla a klimatických podmínek byly vytvořeny podrobné matematické modely pro fotovoltaický systém a fototermický systém pro přípravu teplé vody v simulačním softwaru TRNSYS [3]. Byly zkoumány následující varianty:

• fotovoltaický ohřev (bez sledovače maximálního výkonu, MPPT off);
• fotovoltaický ohřev (se sledovačem maximálního výkonu, MPPT on);
• fototermický ohřev – solární tepelná soustava.

Obr. 1 – Profil odběru teplé vody použitý při simulaci

Pro všechny varianty systémů bylo uvažováno využití sluneční energie pouze pro samostatný ohřev vody. Odběr teplé vody byl uvažován 160 l/den. Požadovaná teplota teplé vody byla 55 °C, teplota studené vody 10 °C. Denní profil odběru teplé vody byl použit v souladu s evropskými normami [4] a je uveden na obr. 1. Celková potřeba tepla na přípravu teplé vody byla uvažována 2767 kWh/rok. Klimatické údaje použité v simulační analýze byly převzaty z typického meteorologického roku TMY (Meteonorm) pro Prahu. Klimatický údaje TMY vykazují relativně konzervativní úhrn dopadající sluneční energie na vodorovnou rovinu 998 kWh/m².rok s roční průměrnou teplotou venkovního vzduchu 8,9 °C. Solární kolektory uvažované ve všech variantách mají sklon 45° a orientaci k jihu.

Pro porovnání byly zvoleny reálné systémy solárního ohřevu v konfiguraci (počtu kolektorů), která je nabízena na trhu jako vzájemná alternativa pro rodinu se 3 až 4 členy. Všechny varianty ohřevu využívají solární zásobník teplé vody o objemu 200 l s denní ztrátou tepla 1,4 kWh/den, od stejného výrobce. Přestože součástí všech uvažovaných solárních zásobníků teplé vody jsou elektrická topná tělesa napojená na elektrickou síť, pro účely tohoto porovnání nebylo uvažováno jejich použití jako dodatkového zdroje tepla. Množství potřebné dodatkové energie (energie na dohřev vody) bylo stanoveno na základě odebíraného aktuálního průtoku a rozdílu mezi požadovanou teplotou a teplotou vody dosaženou na výstupu ze zásobníku. Pro všechny varianty byla uvažována maximální teplota v zásobníku teplé vody 85 °C. Byly uvažovány jak tepelné ztráty zásobníku, tak jeho tepelné zisky v případě, že teplota v zásobníku je nižší než teplota okolí (15 °C). Pro modelování zásobníku v TRNSYS byl zvolen pokročilý model type340, který umožňuje modelovat jak nádrže, tak zásobníky s elektrickými topnými tělesy, tak s výměníky tepla.

Fotovoltaický systém nabízený na trhu pro 200l zásobník je tvořen 8 polykrystalickými panely o špičkovém výkonu 8 × 250 W_p, sériově zapojenými do elektrického DC topného tělesa o výkonu 2 kW. Celkový špičkový výkon FV systému je 2 kW_p při celkové ploše panelů 13,2 m². Pro modelování funkce FV panelu byl zvolen 5parametrový model (type180) založený na ekvivalentním jednodiodovém okruhu. Pro definici FV panelu jsou vyžadovány základní elektrické charakteristiky panelu: napětí a proud při maximáním výkonu (STC, 1000 W/m², 25 C), napětí naprázdno, proud nakrátko, proudový a napěťový teplotní koeficient a teplota při standardních provozních podmínkách (NOCT, 800 W/m², 20 °C, 1 m/s). Tab. 1 uvádí souhrnné parametry použitého FV panelu. Schéma FV systému pro ohřev vody je uveden na obr. 2.

Obr. 2 – Schéma fotovoltaického systému pro ohřev vody (MPPT on, MPPT off)

Rozdíl mezi fotovoltaickými systémy ohřevu spočívá v použití sledovače maxima výkonu FV systému. Sledovač (Maximum Power Point Tracker) umožňuje výrobu elektrické energie z FV panelů udržet na maximální produkci během proměnlivých klimatických podmínek. Největší vliv má sluneční ozáření, které ovlivňuje generovaný elektrický proud a teplota FV článků, která ovlivňuje napětí na panelech. U systému bez použití MPPT je napětí na FV panelech závislé na generovaném proudu a zátěži (odporu elektrického topného tělesa, v modelu uvažován 25 Ω). Neřízenou zátěží se FV panel v provozu dostává mimo optimální bod výkonového maxima (součin proudu a napětí) a celková produkce elektrické energie je nižší než při použití MPPT.

Pro FV panely byla uvažována změna výkonu panelu s úhlem dopadu slunečního záření (optická charakteristika). Pro celý systém bylo počítáno s elektrickými ztrátami na úrovni 2 %. Ve výpočtu nebylo uvažováno s dlouhodobou degradací výkonu FV panelů, běžně uvažovanou mezi 0,5 a 1 % ročně.

Obr. 3 – Schéma fototermického (FT) systému pro ohřev vody

Fototermický systém (viz obr. 3) byl uvažován se dvěma plochými solárními tepelnými kolektory s celkovou plochou apertury 4,5 m². Výkonové parametry solárního kolektoru potřebné pro zvolený model (type1b) jsou uvedeny v tab. 2. Pro solární kolektory byla uvažována optická charakteristika uvedená v protokolu ke zkoušce kolektoru, zjednodušeně vyjádřená modifikátorem pro úhel dopadu slunečního záření 50°. Průtok okruhem solárních kolektorů byl uvažován 50 l/h.m² plochy kolektorů. Rozvod okruhu solárních kolektorů je z Cu potrubí 18×1 mm izolovaného tepelnou izolací tl. 19 mm. Délka kolektorového okruhu je celkem 40 m. Pro stanovení reálných přínosů solární tepelné soustavy byla do provozní spotřeby elektrické energie zahrnuta i spotřeba na pohon oběhového čerpadla s příkonem v pracovním bodě 25 W. Výměník tepla solárního okruhu v zásobníku teplé vody má plochu 1 m² s referenčním součinitelem prostupu tepla U = 170 W/m²K. V modelu zásobníku je dále uvažován vliv průtoku, rozdílu teplot a střední teploty v okolo výměníku na součinitel prostupu tepla.

Výsledky

Obr. 4 – Průběh zisků během roku u všech variant

Simulace celoročního provozního chování všech variant systémů ohřevu vody byla provedena s minutovým krokem z důvodu definice odběrového profilu teplé vody v minutových intervalech. Na obr. 4 jsou v grafické formě znázorněny výsledky simulovaných případů solárního ohřevu vody v jednotlivých měsících. Z grafu měsíčních hodnot (viz obr. 4) je patrné nejen, že solární termické kolektory produkují zisk i v zimních měsících, ale i skutečnost, že tento tepelný zisk je vyšší než přínos FV systému. V tab. 3 jsou uvedeny roční hodnoty. Z hlediska roční bilance je zřejmé, že fototermický systém se dvěma kolektory nabízený na trhu s 200litrovým zásobníkem teplé vody dodá o cca 25 % více energie než srovnatelný FV systém se sledovačem výkonového maxima a více než dvojnásobek oproti FV systému bez sledovače.

Je možné si všimnout velkého rozdílu mezi produkcí FV systému se sledovačem výkonového maxima a bez něj. Vlivem proměnlivosti slunečního záření a teploty FV panelů dosahuje rozdíl v produkci elektrické energie 40 %. Obecně lze říci, že systémy bez sledovače výkonu jsou velmi neúčinné.

Na druhé straně fototermický systém pro přípravu teplé vody s podílem krytí potřeby tepla okolo 60 % dosahuje běžně předpokládaných měrných zisků na úrovni 370 kWh/m²rok, a to i přes relativně vysoký podíl tepelných ztrát solární soustavy (potrubí, zásobník) okolo 25 % z energie vyrobené solárními kolektory.

Ekonomika

Bylo provedeno ekonomické porovnání všech variant ohřevu vody. Na základě konkrétních nabídek na dodávku fototermických a fotovoltaických systémů byly vyhodnoceny pořizovací náklady, včetně montáže (viz tab. 4). Všechny náklady jsou uváděny bez DPH.

Materiál pro FV systém obsahuje 8 ks FV polykrystalických panelů se špičkovým výkonem 250 W, nosné konstrukce na střechu, kabeláž, elektrické ochrany a zásobník teplé vody 200 l s DC a AC el. topným tělesem. Ve variantě se sledovačem (MPPT on) je součástí cenové specifikace ještě sledovač výkonového maxima s cenou 25 000 Kč.

Materiál pro FT systém obsahuje 2 ks plochých solárních kolektorů s výše uvedenou specifikací parametrů, nosné konstrukce pro kolektory na střechu, potrubí a tepelnou izolaci v délce 40 m, regulátor, čerpadlovou skupinu, včetně expanzní nádoby, solární kapalinu, drobný instalační materiál a zásobník teplé vody 200 l s vestavěným výměníkem a AC el. topným tělesem.

Obr. 5 – Ekonomické porovnání (návratnost) solárního ohřevu vody

Pro vyhodnocení ekonomické návratnosti jednotlivých variant byla uvažována průměrná cena elektrické energie 2,5 Kč/kWh s tempem ročního růstu 5 %. Diskont, jako cena investovaných peněz do solárního systému, byl uvažován na úrovni 0,1 % za předpokladu použití vlastních finančních prostředků uložených v běžné bance na běžném účtu. Pro solární fototermický systém byla navíc uvažována každých 5 let výměna solární kapaliny (průměrný náklad 3000 Kč) a zahrnuta spotřeba elektrické energie na provoz čerpadel (cca 50 kWh/rok). Výsledky ekonomického porovnání jsou uvedeny graficky na obr. 5.

Z grafu ekonomického srovnání vyplývá celkem zřetelně, že v případě ohřevu vody ani jeden z FV systémů nedosahuje ekonomické efektivity solárního fototermického systému.

Závěr

Z analýzy porovnání fotovoltaického a fototermického systému ohřev vody detailní simulací v prostředí TRNSYS vyplynulo několik důležitých závěrů:

• fotovoltaický systém napojený přímo do DC elektrického topného tělesa bez sledovače výkonového maxima dodá o 40 % méně energie než FV systém se sledovačem a poloviční množství energie oproti srovnatelnému fototermickému systému;
• fotovoltaické systémy ohřevu vody jsou ekonomicky nevýhodnější oproti srovnatelnému fototermickému systému;
• k hodnocení montážně sice jednoduchého FV systému, avšak z hlediska výpočtu přínosů složitého kvůli nutnosti zahrnutí vlivů všech podmínek provozu FV panelu, je nutně použít detailní modely postavené na elektrických vlastnostech panelů.

Pro ještě „férovější“ srovnání by bylo vhodné oba systémy porovnat při současné funkci elektrického topného tělesa v zásobníku, tak jak tomu je v reálném provozu systému. Lze předpokládat, že srovnání dopadne pro FV systémy ještě hůře z prostého důvodu: elektrické topné těleso je spínáno termostatem pro udržení v objemu zásobníku nad tělesem minimální požadovanou teplotu, např. 45 °C. U fototermického systému je topné těleso umístěno v horní části a udržuje požadovanou teplotu pouze v objemu nad tělesem, zatímco do zbylé části zásobníku se akumuluje teplo pouze ze solárních kolektorů. U FV systému topné těleso vlivem svého umístění v dolní části udržuje na požadované teplotě celý objem zásobníku a tím snižuje akumulační kapacitu pro ukládání tepelných zisků DC topným tělesem z FV panelů. Nevhodným uspořádáním elektrických topných těles se tak snižuje využitelnost dostupné FV energie.

Nakonec dvě malá postesknutí.

Je politování hodné, že odborné časopisy dávají prostor příspěvkům autorů, kteří složité výpočty provozního chování solárních systémů, zvláště těch fotovoltaických, nahrazují kupeckými počty. Ve stále bulvárnějším prostředí „odborného“ internetu se pak takové zavádějící informace bohužel šíří rychlostí světla. Chápu, že fotovoltaika zažívá krušné časy, ale neseriózně ohýbat výpočty a nadhodnocovat její přínosy prostě nelze.

Pamatuji doby, kdy obnovitelné zdroje energie (a za nimi vidím i konkrétní osobnosti, asociace a sdružení, které celou oblast táhli kupředu) byly na jedné lodi, neboť se v praxi obtížně prosazovaly, a proto se navzájem podporovaly a především se vždy ctila energetická efektivita řešení. Cílené „pálení“ (i obnovitelné) elektřiny na teplo byla vždy ta poslední a nejméně žádoucí varianta (něco jiného je samozřejmě využít přebytky elektřiny z domácí elektrárny pro ohřev). S rozvojem byznysu okolo úspor a OZE se mi čím dál více zdá, že v posledních letech nastala doba „okopávání kotníků“ mezi jednotlivými obnovitelnými zdroji energie bez ohledu na smysluplnost a udržitelnost takového přístupu. Nechci za to v žádném případě vinit fotovoltaiku, protože k podobným překrucováním výpočtů, ať už zaměrným nebo jen z neznalosti, dochází i mezi zateplením a tepelnými čerpadly, mezi tepelnými čerpadly a solární tepelnou technikou, mezi kompaktními větracími jednotkami s tepelným čerpadlem a dalšími zdroji energie v pasivních domech. Pouze na fotovoltaice (a za ní vidím konkrétní osobnosti, asociace a sdružení ...) je to tak nějak nejvíc vidět. To, že tento trend pravděpodobně nelze změnit, neznamená automaticky se přidat nebo k němu mlčet.

Literatura

• [1] Srdečný, K.: Solární termické systémy – slepá vývojová větev?, dostupné z http://oze.tzb-info.cz/10475-solarni-termicke-systemy-slepa-vyvojova-vetev. TZB-info 2013. ISSN 1801-4399.
• [2] Bechník, B.: Příprava teplé vody – fotovoltaika nebo solární tepelné kolektory?, dostupné z http://voda.tzb-info.cz/priprava-teple-vody/10453-priprava-teple-vody-fotovoltaika-nebo-solarni-tepelne-kolektory. TZB-info 2013. ISSN 1801-4399.
• [3] Transient System Simulation Tool TRNSYS 17.1 (2012), University of Madison, dostupné z http://www.trnsys.com.
• [4] ČSN EN 15450 Tepelné soustavy v budovách – Navrhování tepelných soustav s tepelnými čerpadly, UNMZ 2011.
• [5] Technická specifikace fotovoltaického panelu Kyocera KD250GH-4YB2, Kyocera Fineceramics GmbH Solar Division, dostupné na http://www.kyocerasolar.eu/index/products/download/Czech.html.
• [6] Technická specifikace fototermického kolektoru TS500, Thermosolar Žiar, Summary of EN 12975 Test Results, annex to Solar KEYMARK Certificate TSU 010-12, dostupné na http://www.estif.org/solarkeymark.