Historie solárních termických kolektorů a soustav – 1. část
Nový seriál přibližuje začátek a vývoj solární fototermiky v bývalém Československu a sousedních státech. V první části dokumentuje vlastní zkoušené i převzaté koncepce solárních kolektorů, upozorňuje na chyby, které by se mohly stát začínajícím solárním firmám i v přítomnosti. V uvedených souvislostech se vyvinula nová profese se současným názvem „instalatér solárních termických soustav“. Seznámíme se nejdříve s nejvýznamnějšími světovými solárními patenty.
Plochý solární kolektor
Plochý kolektor poprvé patentoval v roce 1891 v USA pan Clarenc M. Kemp, majitel továrny na kovové výrobky v Baltimore, viz obr. 1. Svůj výrobek označil jako „aparát pro využití slunečních paprsků pro ohřev vody“. Firma CM KEMP Manufacturing působí doposud.
Vakuová solární trubice
Pan Charles Greeley Abbot (1872– 1973), obr. 2, americký astrofyzik, poprvé patentoval, také v USA, v roce 1930 vakuové solární trubice, zkoumal sluneční konstantu a vynalezl i solární vařič. Společnost American Solar Energy Society uděluje za zásluhy o výzkum sluneční energie cenu, pojmenovanou na jeho počest.
Spektrálně selektivní vrstva
O vylepšení vlastností absorbéru slunečních kolektorů plochých i trubicových se zásadní měrou zasloužil izraelský vědec, fyzik Harry Zvi Tabor (nar. 1917), obr. 3. V roce 1955 vyvinul způsob, jak výrazně zvýšit účinnost tehdejších primitivních solárních kolektorů. Jedná se o spektrálně selektivní vrstvu na absorbéru, která se používá dodnes. Výrobu vrstvy v dnešní slovenské firmě Thermosolar Žiar s.r.o. vyvinul a zavedl v 80. letech Ing. Jindřich Baloun, CSc. Kolektory s touto vrstvou se nazývaly kolektory druhé generace.
Dnes už mají tuto vrstvu na absorbéru všechny kolektory. H. Z. Tabor se v sedmdesátých letech zúčastnil jedné mezinárodní solární konference v Praze. Zemřel až v loňském roce, 60 let po svém objevu, přesně 15. 12. 2015 ve věku 98 let.
Tuzemský vývoj
Přestože výše popsané tři základní solární patenty pro fototermiku byly podány a uznány před dávnými roky, s intenzivním vývojem a používáním zařízení pro aktivní a plošné využívání sluneční energie začaly vyspělejší západoevropské státy hned po roce 1973, kdy vznikla první světová ropná krize. V ČSSR se začalo až o několik let později, přesněji ve 2. polovině 70. let. Boom byl po celá 80. léta. Pro rodinné domy se téměř nic nenavrhovalo, protože návratnost byla 50 až 70 let (elektrická energie a paliva byly dotované), ale navrhovala se hned velká solární zařízení pro zemědělství a průmysl, protože tyto rezorty to měly zadány Státním cílovým programem pro úspory paliv a energie. Měly pomocí úspor a racionalizačních opatření (intenzifikace) každý rok šetřit předepsané množství paliv a energie. Vyřešilo se to mnohdy tak, že do stávajících energetických zařízení se vůbec nezasáhlo (pracovaly stále s nízkou účinností), ale postavil se nový solární zdroj pro přípravu teplé vody (extenzifikace) a vypočítaly se fyzické úspory, které byly ministerstvem přijaty a prezentovány. Jinou oblastí byly služby, např. autokempy, koupaliště atd. Další vývoj je (a bude) stručně popsán v deseti zvolených nejdůležitějších oblastech, dokumentovaných vybranými obrázky, které nám v omezeném rozsahu naši solární historii přiblíží. Dalo by se jít samozřejmě do většího množství podrobnějších detailů, ale předpokládám, že k tomu bude jednou nutný profesionální badatelský přístup.
Jsou popsány poznatky a zkušenosti z vlastní práce, které se mnoho neliší od tehdy přijímané a realizované koncepce i práce dalších kolegů z nově vzniklého technického oboru.
1. SOLÁRNÍ KOLEKTORY
Definice z roku 1976: „Kolektory (sběrné) sluneční energie, které převádějí sluneční záření na teplo absorbované a transportované tepelným médiem kapalným nebo plynným“. V úvodu musím konstatovat, že vzduchové kolektory se jen zkoušely a téměř nerealizovaly. S vývojem začínali nejen sólo nadšenci, některé zemědělské (přidružená výroba) a průmyslové podniky, ale i oblast služeb. Všichni pochopili, že musí být dodržen princip skleníkového efektu a nalezena nejvhodnější koncepce, jak odvést teplo z ohřátého absorbéru. Jednalo se pouze o návrhy plochých kolektorů, o trubicích nebyly v 70. letech žádné informace (zato se už v 80. letech objevil první tuzemský výrobce). Koncepcí bylo mnoho, od různých velikostí, materiálů, druhů rámů, zasklení, izolací, absorbérů, s různou nutnou údržbou, spojováním sériovým i paralelním atd. Zmíním se i o plastových absorbérech, bez zasklení, používaných pouze v letních měsících. Panovalo rčení, že kdo už umí vyrobit sluneční kolektor, umí už využívat sluneční energii, což nebyla pravda, viz dále.
Podívejme se na základní oblasti řešení.
Zasklení
Kalená skla ještě nebyla, proto se používalo kvůli kroupám sklo pro výlohy silné 6 mm, tzn. výrobek byl těžký. Zjistilo se, že skleníkový efekt funguje i pod průhlednými fóliemi, tak se zkoušely polyetylenové, ale ty zvýšeným teplem, které nemohlo být z různých důvodů z absorbéru odebíráno, měkly a „padaly“ na absorbér. Nepomohly ani pozdější návrhy použít šestihranné „králičí“ pletivo, které bylo do fólie zataveno a mělo ho mechanicky zpevnit. Tato fólie dostala název Flexipane. Ze stejného důvodu se neosvědčilo ani po roce 1989 zkoušené použití polykarbonátového skla. Použití plexiskla umožnilo vypouklé zasklení, vhodné pro boční sluneční svit. Aby bylo chráněno před teplem z absorbéru, byla pod ním napnuta PE fólie, ale i ta teplu neodolala. Nakonec se začalo používat všeobecně rozšiřované kalené sklo v tloušťce 4 mm, které se používá dodnes. Nesmí však obsahovat železo. I tak sluneční záření ztrácí jeho průchodem cca 20 %.
Rám a velikost
Materiál rámu byl z hliníku (ohýbaný plech, tlačené profily), z ocelových profilů, dokonce ze dřeva, ale i lepený z tvrzeného PVC.
Velikost kolektorů se značně lišila. Za prvé neodpovídala často stavebním zvyklostem (násobky 15 cm), např. 80/160, 90/120, 100/200 a mnoho dalších, vertikálních i horizontálních. Ekonomika tlačila výrobce do větších rozměrů, a proto byly vyvinuty celohliníkové vertikální kolektory 100/300, ale i 100/400 cm atd. Na střeše se kolem jednoho kolektoru nemůže pohybovat více montérů, proto se došlo k tzv. dvoumužné technologii, tj. takové velikosti a hmotnosti, aby práce dvou montérů byla bezpečná. Dnešní rozměry se pohybují kolem 2 m2 a hmotnost kolem 40 kg. Pojem velkoplošné kolektory byl neznámý.
Absorbér
Technici zkoumali, jakým způsobem nejlépe odebrat teplo ohřáté desce např. připájením měděné trubičky na měděný absorbér a řešilo se, zda je vhodnější zapojení meandr nebo lyra. Dalším řešením byl průtočný absorbér z hliníku nebo ocelový ze dvou svařených plechů. Vznikla i koncepce dvou skel spojených po obvodě, kterými měla protékat černě obarvená voda. Lidé z praxe zase přišli s nápadem, zasklít plochý deskový radiátor, přičemž se takové kolektory oficiálně vyráběly v Trnavě.
Spektrální selektivita ještě u nás „neexistovala“, první kolektory měly absorbér natřený jakoukoliv černou barvou (teplem se škvařila), zkoušela se i matná barva na školní tabule.
Sestava kolektoru
Jednalo se vždy o stavebnici. Do rámu se zadní deskou (nejčastěji hliník, pozinkovaný plech, polyester) se vložila izolace (polystyren logicky absolutně nevyhověl, tak se přešlo na skelnou vatu a minerální vlnu). Dále se vložil absorbér se dvěma vývody a sklo k rámu přitlačil pomocí šroubů rámeček. Je jasné, že do prvních kolektorů zatékalo. Další formy utěsnění byly již tak dokonalé, že při ohřátí skla neumožňovaly jeho dilataci a sklo v provozu praskalo. Vždy v horní části, kde je teplota absorbéru nejvyšší. Dnešní zasklení je již tzv. plovoucí.
Teplonosná kapalina
Všeobecně nejvýhodnější voda umožňovala kvalitní letní provoz, ale na zimu se kolektory musely vypustit. Kdo na to zapomněl, mráz mu kolektory poškodil. Navrhovalo se i řešení použít transformátorový olej. Aby naopak prázdné potrubí v zimě nekorodovalo, použilo se v jednom případě naplnění naftou. Skončení problému zamrznutí vyřešila až tuzemská nemrznoucí kapalina s názvem Solaren 30 a provoz kolektorů mohl být konečně celoroční. Kapaliny současně obsahují inhibitory koroze. Vadí jim však přehřívání např. při výpadku elektrického proudu pro oběhové čerpadlo a další podobné souvislosti.
Samovýroba kolektorů
V Rakousku se rozšířila společná výroba kolektorů např. v obci, kde se zájemci sdružili a nakoupili materiál se slevou. Zbytek solární soustavy potom dokončovaly odborné firmy. Dvě soupravy pro samovýrobu byly po roce 1989 zapůjčeny i do naší republiky (ČR a SR).
Do projektu Pokusné zařízení Sluneční domek Ondřejov (Stavoprojekt Liberec, 1978), nabízely své kolektory (již ve výrobě nebo ve vývoji) tyto firmy:
- Okresní podnik služeb Kroměříž
- Závod SNP Žiar nad Hronom
- Likov Liberec
- Inklemo Praha
- Koventa Česká Třebová
Do dnešního dne kolektory vyrábí pouze současná firma Thermosolar Žiar s.r.o., Žiar nad Hronom.
Plastové absorbéry
Ty se staly nedílnou součástí přípravy teplé vody v létě pro autokempy nebo ohřev bazénů.
Ze začátku byly pouze textilní z bývalého OPS a později JZD Družba Kroměříž.
Koncentrační kolektory
Byly vyvinuty a zkoušely se dva typy: rovinné pevné nebo pohyblivé.
Vakuové trubicové kolektory
Jak již bylo uvedeno dříve, v roce 1986 vstoupily na domácí trh Slovenské závody technického skla v Bratislavě. Průměr trubice 10 cm, délka 2 444 mm. Kvůli technicky nevhodnému ukončení však byla různá roztažnost vstupních trubiček příčinou praskání skla a úniku vakua.
Je nutné se zmínit i o dalším typu maloprůměrových vakuových trubic, u kterých byly ze začátku použity a zkoušeny trubice ze zářivek, později se již vyráběly speciální trubice. Rozšíření doznaly až po roce 1989 a modernizované vyrábí dnešní firma VacuSol.
Fresnelovy čočky
Jedná se o koncentrační kolektory, kde sluneční záření nekoncentruje na pásový absorbér parabola, jako u již dříve popsaných kolektorů, ale tvarované zasklení. Vzhledem k pohybu Slunce na obloze se musí absorbér stále udržovat v pohyblivém lineárním ohnisku např. zavěšením a pohybem elektromotorkem. Koncentruje se pouze přímé sluneční záření, difuzní proniká dále do interiéru. Aplikace je i dnes vhodná pro skleníky, bazénové haly a tam, kde je nutné zabránit sluneční tepelné zátěži (dá se využít pro přípravu TV) a přitom zajistit denní osvětlení.
Sluneční záření
Pro výpočet velkých solárních zařízení se objevil další problém. Nikde se nikdo neučil o energetickém působení slunečního záření, a tak se část nadšenců pustila do návrhu algoritmů pro výpočet slunečního záření a jeho bilancí na „volně orientovanou plochu v prostoru“. A to hned pro kolektory pevné, otáčivé za Sluncem s pevným sklonem a otáčivé za Sluncem, kdy normála plochy Slunce na obloze stále sleduje. Vytvořené programy byly velkou technickou oporou.
Další neocenitelnou úlohu v našem solárním rozvoji sehrál svými publikacemi Ing. Dr. Jaromír Cihelka a další.
Zvyšování účinnosti kolektorů
Problém je snadno vyslovitelný, ale technická řešení byla různá. Lze je rozdělit do těchto oblastí:
- odrazová „zrcadla“ vedle kolektorů
- zdvojení zasklení
- integrace do střechy
- použití prismatického skla
- vylepšená izolace v kolektorech
- spektrálně selektivní vrstva
Výkon kolektorů byl dále zvyšován:
- optimální orientací a sklonem
- likvidací stínění stromy
- při uhelném vytápění umytí na jaře saponátem (mastné saze)
- černým rámem místo světlého hliníku
Odrazová zrcadla se ukázala jako nevhodná (vítr) a prismatická skla otočená do prostoru se zanášela nečistotami, které déšť nesmyl. Tak se nakonec otočila k absorbéru a kolektor na střeše už působil přijatelnějším matnějším dojmem.
Změna životního stylu
Vyšší úsporu konvenčních paliv (zkratka AZE a OZE byla ještě neznámá) využívali lidé s kolektory i tak, že v období slunečního svitu se koupali ve vaně, prali, uklízeli atd. a naopak při zatažené obloze se pouze sprchovali. Dokumentuje to rčení: „kdo chce se sluníčkem jíti, musí se s ním naučit žíti“. Svým způsobem to platí doposud.
Fotovoltaika
Na fotovoltaické panely v dnešní podobě nebylo vůbec žádné pomyšlení. Maximálně malý fotočlánek u kapesní kalkulačky, a to ještě z dovozu, hodinek nebo propisky. Po roce 1989 se naopak začala uvažovat kombinace fototermiky a fotovoltaiky v takovém soužití, že by elektrický proud poháněl oběhové čerpadlo. Jeho otáčky by byly úměrné slunečnímu svitu a tím i odebíranému množství přijatého tepla, které by se získalo i při výpadku elektrického proudu.
Závěr
Lidský duch a um je nekonečný, aneb historie je matka moudrosti i při využívání sluneční energie. První část stručně a neúplně ukazuje tehdy ještě československý a částečně „středoevropský“ vývoj slunečních kolektorů (ze kterých jich naprostá většina do dnešní doby nepřežila), ale může být pomůckou pro výzkum a vývoj dalších budoucích koncepcí.
Mohu potvrdit, že jsme evropský vývoj po roce 1973 celkem zachytili a dobře jsme v něm pokračovali díky hned požadovaným velkým soustavám. Když k nám po roce 1989 přijeli rakouští odborníci, velmi se divili, jaké velké funkční soustavy se u nás provozují. Říkali, že v jejich zemi by se nikdo hned do tak velkých realizací nepustil, dominovaly jejich soustavy pro rodinné domy. Po roce 1989, po změně politického systému, jsme v dalším rozvoji částečně zaspali, ale díky pomoci různých dotací (hlavně Zelená úsporám) pokračujeme úspěšně dál.
Poslední perlička, která se už v minulosti ukázala jako neproveditelná, např. uvažovala, že se v kolektorech bude ohřívat písek (odpadne problém zamrzání vody) a teplý bude padat trubkou do vložky ohřívače.
- Pokračování příště
- Historie solárních termických kolektorů a soustav – mimořádné pokračování. Zemřel pan Jaromír Sum
- Historie solárních termických kolektorů a soustav – 5. část dokončení
- Historie solárních termických kolektorů a soustav – 4. část
- Historie solárních termických kolektorů a soustav – 3. část
- Historie solárních termických kolektorů a soustav – 2. část