Přímé využití sluneční energie - systémy využívající fototermální kapalinové kolektory I.
Direct use of solar energy - systems using photothermal collectors I.
V první části článku je stručný přehled trhu kolektorů slunečního záření v České republice, základní členění jednotlivých typů kolektorů a hlavních součástí solárních soustav. V dalších pokračováních jsou uvedena některá základní zapojení solárních soustav pro jednotlivé spotřebiče tepla a možné varianty napojení akumulačních nádob.
1.1 Úvod
Aktivní solární soustavy mají ve světě nezastupitelné místo mezi alternativními (obnovitelnými) zdroji energie, a to nejen v oblastech s vysokou celoroční poměrnou dobou slunečního svitu, ale i v severských zemích jako je Švédsko a Finsko, tedy v zemích s menším ozářením a poměrnou dobou slunečního svitu než má Česká republika.
V posledních letech je i v České republice patrný nárůst instalované plochy kolektorů slunečního záření především díky podpůrným programům Státního fondu životního prostředí.
Čtěte také druhý a třetí díl seriálu o systémech se solárními kolektory
| Dodávka na český trh | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | |
| Ploché zasklené | 8 429 | 10 212 | 13 111 | 16 879 | 18 900 | 26 014 |
| Vakuové trubicové | 1 768 | 1 965 | 2 353 | 3 542 | 6 100 | 8 511 |
| Koncentrační | 18 | 90 | 60 | 0 | 0 | 10 |
| Celkem | 10 215 | 12 267 | 15 524 | 20 421 | 25 000 | 34 535 |
Tab. 1.1 Dodávka solárních kolektorů na český trh (m2)
Obr. 1.1 Grafické znázornění trendu instalované plochy solárních kolektorů
Nové podmínky pro solární systémy a tepelná čerpadla v programu Zelená úsporám
Dotace na instalaci solární soustavy však nejsou plošné, ale výběrové, a pro jejich získání je nezbytné podstoupit byrokratické martýrium, dříve již poměrně zaběhlý a přehledný národní program vystřídala zatím poměrně nepřehledná (hlavně ve svých požadavcích) Zelená úsporám. Při vzrůstajícím počtu instalací solárních systémů je velmi důležité udržet kvalitu provedení a používat vhodné kolektory a součástky, odpovídající dané aplikaci solární soustavy. Každý systém, využívající sluneční energii má své optimální technické řešení, které je nutné dodržet nebo se k němu alespoň co nejvíce přiblížit, abychom docílili technicky i ekonomicky výhodných provozních podmínek. V současné době sílí tlak na ustanovení povinnosti měřit získanou energii ze solární soustavy podpořené státním dotačním programem a hledají se vhodná technická řešení.
V České republice je v prodeji dostatečně široký sortiment kolektorů i ostatních součástí solárních soustav, aby bylo možné z těchto zdrojů realizovat prakticky libovolnou aplikaci od malých přenosných systémů až po výrobu horké technologické vody.
Pro vysvětlení problematiky využití fototermálních kolektorů uvádíme nejprve popis jednotlivých součásti, ze kterých se solární systém skládá a dále pravidla, podle kterých se jednotlivé prvky vybírají a dimenzují.
Standardní solární soustava na aktivní využití sluneční energie většinou obsahuje:
- kolektory slunečního záření
- nosnou konstrukci
- akumulační nádobu (solární zásobník)
- výměník
- oběhové čerpadlo
- potrubí a izolaci
- elektronický regulátor
- expanzní nádobu
- ostatní součásti (armatury zabezpečovací, uzavírací ap.)
1.2 Kolektory slunečního záření
Na efektivní provoz solární soustavy má rozhodující vliv výběr typu kolektoru vhodného pro danou aplikaci. Úkolem kolektoru je zachytit sluneční energii a s co nejmenšími ztrátami jí předat teplonosné látce.
Obr. 1.2 Základní rozdělení kolektorů slunečního záření
V současnosti se u nás i ve světě vyrábí několik typů kapalinových kolektorů slunečního záření. Během jejich vývoje došlo k celkovému sjednocení koncepce a jednotlivé typy se dnes liší jen v konstrukčních detailech a použitých materiálech. V České republice na trhu převládají kolektory kapalinové, které lze rozdělit následovně:
- vakuové trubicové (přímo protékané teplonosnou kapalinou nebo s tepelnými trubicemi)
- vakuové ploché
- ploché zasklené
- ploché kolektory bez transparentního krytu (převážně plastové absorbéry)
Výše uvedené typy jsou seřazeny podle jejich energetické účinnosti, tak jak je uváděna v literatuře nebo aktuálněji ve firemních podkladech.
Obr. 1.3 Oblasti vhodného použití jednotlivých typů kolektorů
- Vakuové trubicové kolektory jsou kolektory s vysokou účinností zejména v zimním období. To je dáno podtlakem (vakuem) uvnitř trubice. Tím jsou téměř eliminovány tepelné ztráty konvekcí. Výhodou přímo protékaných trubicových kolektorů (U-trubice) je variabilita jejich umístění, nevýhodou je však špatné vyprazdňování při případné stagnaci. Mohou být umístěny i ve vodorovné poloze, přičemž u jednostěnných s plochým absorbérem se natočením trubic s absorbérem docílí optimální orientace vůči dopadajícím paprskům slunečního záření. Vakuové trubicové kolektory s tepelnými trubicemi musí být instalovány se sklonem alespoň 25° (může se lišit podle typu a výrobce), tak aby byla zajištěna jejich funkčnost. Vakuové trubicové kolektory jsou vhodné pouze pro vysokoteplotní využití (nad 80°C) nebo do extrémních klimatických podmínek například na horských chatách, kde však mohou nastat problémy s odtáváním sněhu z kolektorů, energetický zisk je podstatně snížen a výsledným efektem je nižší získaná energie než z plochých selektivních kolektorů. Je třeba říci, že nelze tuto problematiku paušalizovat a záleží na klimatických podmínkách v zimním období (množství sněhových srážek, tvorba námrazy, teplota v průběhu sledovaného období). Srovnání dvou shodných solárních soustav tak může dopadnou zcela jinak v polabské nížině a jinak na Šumavě.
- Ploché vakuové (podtlakové) kolektory jsou jedním z nejmodernějších výrobků v oblasti solární techniky. Spojují v sobě výhody trubkových vakuových kolektorů (nízké tepelné ztráty konvekcí do okolí) a plochých zasklených kolektorů se selektivní vrstvou (nižší pořizovací náklady při zachování vysoké účinnosti, vyšší optická účinnost). Jedná se o technický i cenový kompromis mezi vakuovými a plochými kolektory, který je v blízké budoucnosti předurčen k masovému využití. Jejich nespornou výhodou je možnost kdykoliv obnovit vakuum uvnitř kolektorů připojením na vývěvu přes přírubovou spojku uprostřed kolektoru. Použití těchto kolektorů je obdobné jako u předcházejícího typu.
- Ploché kolektory pro celoroční použití. Tyto kolektory v současnosti představují nejrozšířenější typ instalovaných kolektorů. Jejich pořizovací náklady jsou oproti vakuovým kolektorům zhruba poloviční až třetinové. Nevýhodou oproti vakuovým kolektorům jsou větší tepelné ztráty konvekcí a nebezpečí kondenzace vodní páry uvnitř kolektoru, která v konečném důsledku snižuje účinnost celého systému. V dnešní době je většina profesionálně vyráběných kolektorů opatřena spektrálně selektivní absorpční vrstvou. Selektivní vrstva podstatně snižuje tepelné ztráty sáláním z povrchu absorbéru (o 75 ÷ 90%). Její princip spočívá ve velké pohltivosti a (0,86 ÷ 0,92) pro krátkovlnné sluneční záření při malé zářivosti e (0,08 ÷ 0,12) pro dlouhovlnné tepelné záření. Kritériem pro posouzení selektivních vrstev je potom tzv. "selektivní poměr" a/e. Tento typ kolektoru je nejběžněji používán na ohřev teplé vody, celoroční ohřev bazénové vody nebo na přitápění (u nízkoteplotních otopných soustav).
Obr. 1.5 Konstrukce plochého kapalinového kolektoru - Plochý kolektor bez transparentního krytu (převážně plastový absorbér). Je určen do nízkoteplotních soustav na sezónní využití sluneční energie, kdy není příliš velký rozdíl mezi teplotou ohřívané látky a okolním vzduchem. Jedná se především o systémy jednookruhové, kdy kolektorem protéká přímo ohřívaná voda. Výhodou je především jednoduchost a nižší pořizovací náklady. Využití je nejčastější při ohřevu bazénové vody v otevřených bazénech a pří maloobjemovém ohřevu TV např. v zahrádkářských koloniích.
Partneři projektu TZB-info 2010 - Regenerace bytových domů
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
1.3 Expanzní nádoba
Pro převážnou většinu v současnosti montovaných solárních soustav pro celoroční provoz lze doporučit jejich provedení jako uzavřený systém s membránovou expanzní nádobou. Při výpočtu jejího objemu je nutné počítat i s možností, že se veškerý objem teplonosné kapaliny v kolektorech a části potrubí odpaří (např. při výpadku oběhového čerpadla za slunečného počasí). Expanzní nádoba pak musí zachytit celý objem odpařené tekutiny, aby nedošlo k jejímu úniku ze systému při otevření pojistného ventilu. Z tohoto hlediska je důležité nejen dimenzování jejího objemu, ale i jejího umístění v solární soustavě.
V literatuře lze nalézt několik různých výpočtových vztahů pro dimenzování velikosti expanzních nádob pro solární soustavy:
VK [l] - je objem teplonosné kapaliny v kolektorech
V1 [l] - objem teplonosné kapaliny v solárním systému
β [-] - koeficient roztažnosti teplonosné kapaliny
z [-] - faktor vzrůstu objemu kapaliny při varu
p [-] - tlakový faktor
VV [l] - bezpečnostní množství vody
pe [bar] - dovolený koncový přetlak
pst [bar] - přetlak dusíku membránové expanzní nádoby
hmax [m] - výškový rozdíl mezi nejnižším a nejvyšším místem solární soustavy
Δv [l.kg-1] - měrné zvětšení objemu teplonosné látky Δv = 0,00068. Δt - 0,017
Δt [K] - rozdíl teplot při provozu solární soustavy
Expanzní nádoba se montuje do soustavy tak, aby při odpaření teplonosné látky v kolektorech mohla teplonosná látka natékat do expanzní nádoby z obou stran.
1.4 Akumulační nádoby (solární zásobníky)
Vzhledem k tomu, že energetické zisky ze slunečního záření a tím i zisky solárních soustav nejsou stálé a jsou nepravidelné jak v průběhu dne, tak v průběhu roku, jsou akumulační zásobníky nedílnou součástí solární soustavy.
Tyto zásobníky se vyrábí ve speciálním provedení pro solární soustavy, kdy zabudovaný trubkový výměník (někdy žebrovaný) má pro lepší přestup tepla zvětšenou teplosměnnou plochu.
Velmi rozšířené je používání bivalentních (popř. trivalentních) akumulačních nádob.
Některá základní zapojení akumulačních nádob v solárních soustavách jsou uvedena v závěrečné části této kapitoly
1.5 Výměníky
Při řešení některých solárních soustav, převážně těch velkoplošných s instalovanou plochou > 20 m2, je nutné použít pro předání tepla z teplonosné látky primárního okruhu do vody sekundárního okruhu výměník tepla. Tato potřeba je dána velikostí teplosměnné plochy. Účinnost výměny tepla je u deskových nebo trubkových protiproudých výměníků mnohem vyšší než u vestavěných výměníků v akumulačních nádobách. Je to dáno tím, že u externích výměníků je jak na straně primárního, tak i na straně sekundárního okruhu silně turbulentní proudění. U vestavěných výměníků se na výměně tepla podílí pouze laminární konvekční proudy. Toto řešení je investičně i provozně o něco náročnější, neboť oběhové čerpadlo musí být i na sekundárním okruhu, a to ve většině případů v provedení pro teplou neupravenou vodu (jako cirkulační čerpadlo).
1.6 Potrubí a izolace
Potrubí primárního (solárního) okruhu od kolektorů k zásobníku tepla (výměníku) je nutné dimenzovat na teplotu minimálně 150 °C (v kolektorech se selektivní vrstvou je teplota při provozu naprázdno až 160 °C, u vakuových až 250 °C) a tomu odpovídající tlaky. V žádném případě není možné použít pro přívodní a vratné potrubí běžné plastové trubky. Žádný ze známých plastových materiálů používaných v topenářské praxi nevyhovuje provozním podmínkám solárních soustav (teplotní rázy a mechanické namáhání).
Nejvhodnějším materiálem se jeví potrubí z měděných trubek spojených pájením nebo lisováním. V dnešní době se objevují i systémy s tzv. vlnovcovým potrubím. Výhodou je rychlá práce a flexibilita. Nevýhodou jsou zvýšené tlakové ztráty způsobené tvarem vlnovce, nebo nutnost použít větší průměr potrubí oproti měděnému.
Důležitou součástí je také tepelná izolace potrubí, neboť tepelné ztráty z potrubí do okolí by podstatně snižovaly celkovou účinnost solární soustavy. Při instalaci tepelné izolace je třeba brát v úvahu, že teplota na výstupu z kolektorů může dosahovat teplot nad 150 °C, doporučuje se pro toto potrubí používat tepelné izolace na bázi minerálních látek, nikoliv na bázi plastů.
Pro rozvody ve venkovních prostorech je nutné použít nenavlhavé potrubí odolné proti UV záření, popřípadě provést zakrytování potrubí a tepelné izolace vhodným krytem (pozink. plech, Al plech).
1.7 Oběhové čerpadlo
Oběhové čerpadlo zajišťuje cirkulaci teplonosné kapaliny mezi kolektory a tepelným výměníkem. Jeho dimenzování je shodné s dimenzováním pro otopné soustavy.
Je třeba vypočítat křivku tlakových ztrát potrubních rozvodů, jako součet místních tlakových ztrát Δpm a délkových tlakových ztrát ΔpL. Je však potřeba počítat s větší viskozitou nemrznoucí směsi a tím se zvýšením tlakových ztrát.
Na takto spočtené křivce tlakových ztrát se určí optimální pracovní bod (podle jmenovitého průtoku teplonosné látky jedním kolektorem) a z katalogu oběhových čerpadel vybereme vhodnou výkonovou řadu.
Pro solární soustavy v lokalitách, kde není možnost připojení k elektrické síti nebo pro havarijní provoz v případě výpadku elektrické sítě, je možné použít dnes již poměrně dostupná čerpadla napájená 24V (např. od fy LAING), pro přímé napájení z fotovoltaických panelů.
U systémů, kde je ve venkovním prostoru vedena delší část potrubí, musíme počítat také s rezervou pro rozběh v zimních měsících, kdy je v ranních hodinách viskozita teplonosné látky mnohem vyšší než při provozní teplotě. Tuto situaci lze řešit instalací zdvojeného čerpadla, kdy jedno pracuje jako špičkové pouze při rozběhu.
Některé firmy dnes dodávají speciální čerpadla pro solární soustavy a to jak pro systémy LOW-FLOW (nízkoprůtokové soustavy s vyšší pracovní teplotou) tak HI-FLOW (běžné solární soustavy).
Tato speciální čerpadla vznikla na základě širší poptávky ve světě, kdy u většiny solárních soustav jsou při nižších průtocích vyšší tlakové ztráty (v porovnání s otopnými soustavami).
1.8 Elektronické regulátory
Elektronické regulátory umožňují plně automatický provoz solárních soustav. Jejich hlavním úkolem je sepnout oběhové čerpadlo v případě, kdy je na kolektorech vyšší teplota než ve spotřebiči (převážně v zásobníku TV). U většiny moderních regulátorů se dá rozdíl teplot, při kterém čerpadlo spíná, plynule nastavit.
U víceokruhových systémů, kdy je ke kolektorům připojeno více spotřebičů, musí regulátor ovládat jeden, případně dva trojcestné ventily (nebo čerpadla). Pro jedno- až tříokruhové solární soustavy jsou dnes dodávány unifikované regulátory. Pro složitější solární soustavy, nebo pro soustavy se zvláštním režimem provozu, je vhodné instalovat programovatelný regulátor.
1.9 Ostatní součásti solárních systémů
Trojcestné ventily mají většinou za funkci rozdělit primární okruh na několik větví k jednotlivým spotřebičům (příprava TV, ohřev bazénové vody, přitápění objektů aj.) Pro tyto potřeby postačuje dvoupolohová regulace. Pokud to konstrukční řešení dovoluje, umísťuje se ventil do přívodního potrubí ke kolektorům (z důvodů menšího tepelného namáhání). V současnosti se však preferuje zapojení s dvěma či více čerpadly a zpětnými klapkami. U solárních soustav je v období s malou intenzitou slunečního záření problém využít nízkopotenciální teplo z kolektorů (teplonosná kapalina o teplotě 30 ÷ 40 °C) při potřebě ohřívat TV na vyšší teploty (55 ÷ 60 °C). V takovém případě je nutná plynulá regulace nebo použití termostatického trojcestného ventilu. Při tomto zapojení cirkuluje teplonosná kapalina nejprve pouze přes kolektory, kde se postupně ohřívá na stále vyšší teplotu. Po dosažení nastavené teploty začne trojcestný ventil propouštět část teplonosné látky do akumulační nádoby.
Pojistný ventil se dimenzuje podle maximálního povoleného přetlaku na kolektorech (u běžných kolektorů 600 kPa) nebo na expanzní nádobě.
Zpětná klapka je do primárního okruhu montována v případě, kdy je akumulační nádoba níže než kolektorové pole (což je převážná většina systémů s nuceným oběhem). Jejím úkolem je zabránit zpětné cirkulaci teplonosné kapaliny, aby nedocházelo k ochlazování ohřáté vody z akumulační nádoby přes kolektory v nočních hodinách. Zpětné klapky se také instalují do jednotlivých okruhů, pokud místo regulace trojcestným ventilem zvolíme regulaci čerpadly. V každém okruhu je jedno oběhové čerpadlo a jedna zpětná klapka aby nedocházelo k vzájemnému přetlačování okruhů, a systém je regulován zapínáním jednotlivých čerpadel.
U některých systémů je možné nahradit zpětnou klapku tzv. "tepelným sifonem" s výškou nejméně 0,3 m. Jedná se o "s" nebo "u" kus, ve kterém se voda teplotně vystratifikuje a sama vytvoří zátku, kdy tlak daný rozdílem teplot mezi kolektorem a zásobníkem nepřekoná tlak, vytvořený teplotním rozdílem v "tepelném sifonu". Po praktických zkušenostech z některých solárních soustav je však toto řešení nedostatečné. Naopak se doporučuje instalovat zpětnou klapku jak do přívodního tak zpětného potrubí. V některých případech docházelo k samovolnému proudění i v jedné trubce, kdy vnitřkem průřezu stoupala teplá kapalina nahoru a po obvodu klesala ochlazená dolů.
1.10 Nosné konstrukce
Pro běžné uložení kolektorů na pevný podklad jsou dodávány ke každému typu kolektorů typizované nosné konstrukce, jak pro ploché, tak pro šikmé střechy.
Při projekci rozměrnějších nosných konstrukcí, pro rozsáhlá kolektorová pole, je třeba brát ohled na teplotní roztažnost použitého materiálu. Jestliže je v zimě za extrémních podmínek teplota až -20°C, v létě se může nosná konstrukce zahřát i na 70°C. Teplotní rozdíl je pak 100 K.
Pro uhlíkové oceli se součinitelem délkové roztažnosti α = 0,000 014 K-1 = 14.10-6 K-1 to znamená při rozdílu teplot 100 K dilataci konstrukce o délce 10 metrů na krajích o 14 mm.
Při projekčních pracích na panelovém domě v Chebu (ul. Boženy Němcové) byla délka nosné konstrukce z I profilů 18 m. To by znamenalo délkovou dilataci 25,2 mm. Při pevném uložení na panelových atikách by to znamenalo jejich pohyb a pravděpodobné narušení panelové konstrukce nebo vybočení I profilů a poškození kolektorového pole.
Proto je třeba při takto dlouhých nosných konstrukcích zajistit jejich kluzné uložení nebo dělení na segmenty.
 |
 |
Obr. 1.6 Příklad dělené nosné konstrukce
Věc: Recenze - posouzení příspěvku
Název příspěvku: Přímé využití sluneční energie - systémy využívající fototermální kapalinové kolektory
Autor: Ing. Bořivoj Šourek
Recenzent: Ing. Vladimír Jirka, CSc. - ENKI, o.p.s.
Příspěvek obšírně seznamuje čtenáře s možnostmi fototermálního využívání sluneční energie v našich klimatických podmínkách jak z hlediska systémového, tak výběru vhodných komponentů. Souborný materiál ve své první části ukazuje trendy ve využívání sluneční energie a technické prostředky, vedoucí k jejich naplnění. Je věnovaná popisu jednotlivých komponentů, jejich místu v systému a základnímu dimenzování.
Ve druhé části je autorem předložena rešerše možných systémových řešení získání tepelné energie konverzí slunečního záření, aplikovatelných od malých soustav až po velká kolektorová pole. Autor v přehledné formě na základě jejich funkce, požadavků na provoz, výhod a nevýhod přiřazuje jednotlivým systémům jejich místo v aplikačním prostoru.
Ve třetí části jsou popsány a okomentovány konkrétní případy zapojení solárních soustav pro nejrůznější aplikace, ze kterých si převážná část čtenářů vybere tu svoji či inspiraci pro návrh svého systému. V závěru jsou uvedeny některé obecné zásady a možnosti navrhování "solárních" systémů, a také zásadní chyby, kterých by se měli čtenáři vyvarovat.
Příspěvek je značně rozsáhlý, ale přesto jej doporučuji zachovat v původním rozsahu. Jeho předností je komplexní pohled na problematiku fototermálního využití energie Slunce, který je u nás ojedinělý. Ve článku jsou uvedeny veškeré základní informace, které čitatel potřebuje v období, kdy se rozhoduje o tom, zda a jakým způsobem využívat energii Slunce pro ohřev vody a o jejím dalším využití v energetickém systému objektu. Práce je napsána srozumitelně a používá správné terminologie. Z předloženého materiálu je vidět, že autor má nejenom teoretické znalosti jako vysokoškolský pedagog, ale také inženýrskou erudici jako projektant, což dodává poznatkům, uvedeným v textu praktickou využitelnost. Doporučuji text doplnit o literaturu, ze které autor jistě také čerpal.
In the first part of the article is a brief overview of the market of collectors of solar radiation in the Czech Republic, the basic layout of different types of collectors and major part of solar systems. Following parts provide some basic connection of solar systems for various heating load (hot water, heating, swimming pool) and a simplified design absorber area. Each scheme is briefly described its function. In conclusion, it is marked possible connections of storage tanks for different performance.