Jak využít sluneční energii

Obnovitelné zdroje energie jsou takové zdroje, které se mohou samovolně obnovit přírodními procesy. Čili tyto zdroje jsou z pohledu délky života člověka jako jedince, ale i délky existence vyspělejší civilizace čerpající tyto zdroje, prakticky nevyčerpatelné. A typickým případem je právě energie Slunce. Sluneční termojaderný reaktor pracuje již více jak 4 miliardy let a minimálně stejně dlouho ještě bude pracovat. I tento zdroj energie je tedy vlastně vyčerpatelný, ovšem za ohromně, nepředstavitelně dlouhou dobu. Podobné je to i s energií větru a vody a též energií geotermální.

Zatímco alternativní zdroje energie představují veškeré zdroje energie, které jsou alternativou k aktuálně majoritním zdrojům energie, tedy těm zdrojům, které používáme nejvíce. Můžeme sem zahrnout i nové způsoby využití tradičních zdrojů energie a metod (např. kogenerační jednotky spalující zemní plyn a vyrábějící elektřinu i teplo). Též lze například hovořit o alternativním způsobu využití elektřiny v tepelných čerpadlech, kdy zvyšujeme účinnost a efektivitu tohoto tradičního zdroje. Nebo o kondenzačních plynových kotlích.

Je také třeba vědět, co jsou energeticky úsporná opatření. Jde o taková opatření, kterými snižujeme spotřebu energie, což lze dvěma způsoby: zvýšením efektivity a účinnosti přeměn paliv a energií na teplo na zdroji a snížením celkové tepelné ztráty objektu či technologie. Energeticky úsporné opatření je tedy každé technické či organizační opatření vedoucí ke snížení potřeby a spotřeby energie ve všech jejích podobách. Ovšem tato opatření členíme i podle jejich nákladnosti.

Co se týká sluneční energie, nejsnadnějším a nejjednodušším způsobem jejího využití jsou pasivní solární zisky. Na tomto principu fungují takzvané pasivní domy. Vedle toho však využíváme sluneční záření k vytápění, přípravě teplé vody užitkové, ale i bazénové a výrobě elektřiny. Dokonce lze do kategorie solárních zisků zařadit i energii biomasy, jelikož rostliny potřebují kromě vody a živin také sluneční záření.

Sluneční energie

Sluneční energie (sluneční záření, solární radiace) vlastně představuje drtivou většinu energie, která se na Zemi nachází a využívá. Vzniká jadernými přeměnami v nitru Slunce. Podle zákona zachování energie se sluneční energie, která dopadá na planetu Zemi, přeměňuje beze zbytku v jiné formy. Čili mezi projevy sluneční energie řadíme například i energie fosilních paliv, která vznikla v dávné minulosti z rostlinné nebo živočišné biomasy (uhlí, ropa, zemní plyn), ale i energii větru, jelikož lišící se intenzita ohřevu jednotlivých částí planety vyvolává větrné proudění. Vítr může navíc vyvolávat na vodní hladině vznik vln. Stejně tak i energii biomasy, která vzniká přeměnou sluneční energie na energii chemických vazeb v organických sloučeninách fotosyntézou a energii geotermální, která pochází z období vzniku Země a sluneční soustavy (jaderným rozpadem a působením slapových sil). Problematika je značně složitá a rozvětvená.

Co se týká přímého slunečního záření, to je energií záření elektromagnetického, přičemž jeho spektrum se skládá ze záření ultrafialového (vlnová délka pod 380 nm), záření viditelného (vlnová délka 380 až 780 nm) a záření infračerveného (vlnová délka přes 780 nm). Viditelné záření tvoří cca 45% dopadajícího záření, přičemž jeho podíl je vyšší při zatažené obloze (může dosáhnout až 60%). Příkon záření dopadajícího na povrch zemské atmosféry činí přibližně 1360 W/m², což nazýváme „solární konstantou.“ Ta však není ve skutečnosti konstantní, jelikož oběžná dráha Země kolem Slunce je eliptická (kolísání solární konstanty je proto cca 3% = cca 40 W/m²) a mění se také cykly sluneční aktivity (rozdíl o cca až 10%).

Počet slunečních hodin v České republice je v průměru 1330–1800 hodin ročně. Konkrétní údaj vážící se k místu, v němž plánujete stavět například solární elektrárnu, poskytuje Český hydrometeorologický ústav.

Využití sluneční energie k výrobě elektřiny a ohřevu vody topné, užitkové (TUV) a bazénové

Sluneční energii využíváme buďto přímo (solární panely = solárně termické kolektory a fotovoltaické panely) a nebo zprostředkovaně ze vzduchu, vody a země (tepelná čerpadla).

Fotovoltaické panely (solární články, sluneční baterie) jsou polovodičové prvky, které mění světelnou energii v energii elektrickou. Fotoelektrický efekt vysvětluje vznik volných elektrických nosičů dopadem záření, přičemž celkem se touto technologií daří přeměnit v elektrickou energii pouze cca 15% energie dopadajícího slunečního záření. Solární články jsou tvořené polovodičovými plátky tenčími než 1 mm, které mají na spodní straně plošnou průchozí elektrodu. Horní elektroda má plošné uspořádání tvaru dlouhých prstů zasahujících do plochy, proto může světlo svítit na její plochu. Povrch solárních článků je chráněn skleněnou vrstvou, která slouží jako vrstva antireflexní a zabezpečuje, aby co nejvíce světla vniklo do polovodiče. Antireflexní vrstvy se většinou vyrábí napařením oxidu titanu, což dodá článku tmavomodrý vzhled. Jako polovodičový materiál se používá převážně křemík. Jiné polovodičové materiály (např. galium arsenid, kadmiumsulfid, kadmiumtellurid, selenid mědi a india, nebo sulfid galia) jsou zatím pouze testovány. Krycí sklo pak chrání povrch solárních článků před vlivy prostředí.

Solární články se využívají v podobě od solárních kalkulaček, kterým postačí naprosté minimum jakéhokoli světla, přes běžné instalace panelů na domech (ostrovní systémy), až po rozsáhlé fotovoltaické elektrárny, kdy se sestavy panelů na jednotlivých sloupech dokonce dovedou otáčet za sluníčkem jako slunečnice. Elektrický výkon je vždy dán celkovou plochou a účinností solárních článků. Při ploše 1 dm² a plném slunečním svitu může při napětí 0,5 V a proudu 2,5 A dávat článek výkon 1,25 W. Vyšší napětí se pak získává sériovým řazením a větší proud paralelním řazením. Jeden panel bývá složen z většího množství křemíkových solárních článků. Nevýhodou je vyšší cena fotovoltaických panelů proti klasickým zdrojům.

Solární ohřev pracuje na principu přeměny sluneční energie na teplo a jeho předávání teplonosnému médiu. Tato tepelná energie se dále využívá k vytápění a ohřevu užitkové (pitné či bazénové) vody. Oproti fotovoltaickým systémům, jejichž účinnost přeměny sluneční energie je max. 15%, dovedou fototermické (solárně-termické) systémy přeměnit sluneční záření na teplo s účinností až 80%. Celoroční průměrná účinnost včetně zimy pak bývá cca 50 až 60%.

A ohřev užitkové vody solárními panely se skutečně vyplatí, jelikož teplou vodu (na rozdíl od vytápění domu a vody bazénové) potřebujeme celý rok, čili i v době, kdy je k dispozici nejvíce slunečního záření. Nejčastěji se tyto solární systémy využívají ke kombinaci ohřevu teplé vody a přitápění. Panely zajišťující ohřev bazénové vody bývají nejčastěji instalovány samostatně. Solární systém se obvykle zapojuje do kombinované akumulační nádrže, která pak dále zajišťuje přípravu teplé vody a vytápění především nízkoenergetických a pasivních domů.

Průměrná domácnost spotřebuje ročně na ohřev užitkové vody cca 2 600 kWh energie, čili solární kolektory mohou uspořit až 70% této energie. Průměrná roční hodnota skutečného energetického zisku běžného solárně termického kolektoru je 300 kWh/m² absorpční plochy. Maximum výkonu přitom dodává kolektor za slunečného dne okolo 14.00 hodin. Pro celoroční přípravu dostatečného množství teplé vody je však též nutné instalovat ještě základní zdroj ohřevu užitkové vody (např. elektrický bojler). Solární kolektory se vyplatí především v domácnostech s vyšší spotřebou teplé užitkové vody a při ohřevu vody bazénové. Nejčastěji se instalují na šikmou střechu se sklonem 45° s jižní až jihozápadní orientací. Životnost těchto kolektorů se pohybuje okolo 30 let.

Co se týká vytápění, čili ohřevu topné vody, potřebuje průměrná domácnost podle typu domu 40 až 70% z celkové spotřeby energie. Na druhém místě je ohřev užitkové vody a teprve pak elektrická energie potřebná k provozu domácích spotřebičů. Podmínkou pro účelné využití solárního systému pro přitápění je nízkoteplotní otopná soustava (podlahové, stěnové a stropní vytápění, nebo otopná tělesa navržená pro provozní teploty do 55 °C).

Nabízí se více typů solárních kolektorů: ploché deskové, ploché deskové vakuové, trubicové vakuové a trubicové vakuové kondenzační. Ploché deskové kolektory mají kovový rám, ve kterém je plošně umístěna měděná trubička procházející celou plochou od vstupu k výstupu. Izolaci tvoří vzduch. Z vrchní strany je kolektor kryt sklem s nanesenou selektivní vrstvou vysoce absorpční látky, která maximálně pohlcuje sluneční energii a minimálně ji vyzařuje zpět do prostoru tak, aby se tepelná energie v kolektoru koncentrovala. Teplo se předává teplonosné kapalině, která je po ohřátí vedena oběhovým čerpadlem do tepelného výměníku, přes který se následně ohřívá voda v akumulačním zásobníku. Ploché deskové vakuové kolektory jsou v principu téměř shodné s klasickými deskovými, ale pro zlepšení tepelně izolačních vlastností je v celém objemu kolektoru vakuum, které zajišťuje menší ztráty tepelné energie do okolního prostředí. Oproti tomu konstrukce trubicových vakuových kolektorů je postavena na systému skleněných trubic uspořádaných vedle sebe. V každé trubce je vedena měděná trubička, kterou protéká teplonosná látka. Trubičky jsou uzavřeny v samostatných skleněných dvoustěnných vakuovaných trubicích. Tepelné ztráty trubicových kolektorů jsou velmi malé, přičemž tyto kolektory mohou získávat teplo i při velmi slabém slunečním záření. Oproti deskovým kolektorům mají větší energetický zisk, jejich nevýhodou je vyšší hmotnost, vyšší cena a možnost mechanického poškození. Princip trubicových vakuových kondenzačních kolektorů je založen na kondenzačním teple, které vzniká při přechodu plynné látky do kapalného stavu. Při kondenzaci (změně skupenství z plynného na kapalné) se uvolní kondenzační teplo, které přes sběrnou (průtočnou) trubku přejde do kapaliny celého solárního systému. Tyto kolektory jsou vysoce účinné i při zatažené obloze, navíc funguje při poškození jedné trubice zbytek trubic kolektoru bez problémů (díky paralelnímu řazení trubic).

Tepelná čerpadla získávají zbytkovou sluneční energii ze vzduchu, vody a nebo země. Princip tepelného čerpadla přitom lze přirovnat k principu chladničky, která odebírá teplo potravinám v ní uloženým a tímto odebraným teplem vlastně přitápí místnost, ve které je umístěna. V konečném důsledku pak samotné potraviny chladí a udrží tak déle čerstvé. V případě tepelných čerpadel jde však o princip obrácený. Nejčastěji (a nejlevněji) získávají tepelná čerpadla (dále též TČ) energii ze vzduchu, nejdražší a realizačně nejnáročnější je pak pořízení a instalace TČ systému země-voda.

Nemrznoucí směs ohřátá zbytkovým přírodním teplem je odváděna do výparníku tepelného čerpadla, kde je nízkopotenciální teplo předáváno chladivu kolujícímu uvnitř zařízení. Chladivo se ve výparníku vypaří a vzniklý plyn je nasáván kompresorem. Kompresor ohřáté plynné chladivo prudce stlačí a díky fyzikálnímu principu komprese (při vyšším tlaku stoupá teplota) vynese toto nízkopotenciální teplo na vyšší teplotní hladinu (cca 80 °C). Kompresorem zahřáté chladivo putuje do kondenzátoru, kde je teplo předáno topné vodě, načež plynné chladivo změní své skupenství na kapalné. Z kondenzátoru putuje kapalné chladivo přes expanzní ventil (zde se prudce ochladí) zpět do výparníku (zde se opět ohřeje). A tento cyklus se stále opakuje. Účinnost tepelných čerpadel klesá s klesající teplotou vzduchu, proto jsou mnohem spolehlivější (ale i výrazně dražší) tepelná čerpadla systémů země-voda a voda-voda. Tepelná čerpadla jsou nejčastěji členěna na venkovní a vnitřní jednotku.

Tepelná čerpadla země – voda odebírají teplo ze země (např. pod povrchem zahrady), přičemž vrty (jeden nebo více) mají průměr 12 až 16 cm a hloubku 80 až 150 m. V každém vrtu je uložena plastová sonda, která je naplněna nemrznoucí směsí. Ta přenáší teplo mezi zemí a tepelným čerpadlem. Tato tepelná čerpadla mají vysoký topný faktor i při extrémně nízkých venkovních teplotách a cca o 30% nižší spotřebu elektřiny, než je tomu u tepelných čerpadel vzduch-voda. Navíc mají nízké nároky na prostor uvnitř domu, lze je použít i pro chlazení v letním období. Musíme však počítat s vyššími investičními náklady na pořízení vrtu a musíme získat stavební povolení. Teplo získávají tato TČ ze zeminy nad sebou, ve které je akumulována solární energie (až 98%). Pro objekt s tepelnou ztrátou 8 kW je dostačující plocha kolektoru okolo 300 m². Kolektor tvoří potrubí uložené v hloubce cca 1,2 m v roztečích do 1,1 m.

Tepelná čerpadla systému voda-voda odebírají teplo ze spodní nebo geotermální vody. Voda je obvykle čerpána ze studny do výměníku tepelného čerpadla a následně vrácena zpět do země. V porovnání s TČ země-voda mají TČ voda-voda nižší investiční náklady, jejich využití je však možné pouze v lokalitách s dostatkem spodní (či geotermální) vody a náklady na údržbu a servis jsou vyšší. Kromě spodní vody lze též využít například vlastní vodní plochu.

Tepelná čerpadla systému vzduch-voda odebírají teplo z venkovního vzduchu. Ten je nasáván přímo do tepelného čerpadla a získané teplo je použito pro ohřev vody v topném systému nebo v zásobníku teplé vody. Oproti ostatním dvěma typům tepelných čerpadel mají čerpadla systému vzduch-voda nižší investiční náklady a minimální nároky na prostor. Tato TČ však mají nižší topný faktor a jejich instalace zásadně vyžaduje ještě jiný zdroj energie. Navíc mají kratší životnost. Tepelná čerpadla vzduch-voda dosahují nejlepších úspor, jestliže jsou napojena na nízkoteplotní podlahové, stěnové či stropní vytápění. Jako další zdroj energie je pak ideální například instalace kondenzačního plynového kotle.

Více informací najdete na www.climabohemia.cz