Historie solárních termických kolektorů a soustav – 2. část
Nový seriál přibližuje začátek a vývoj solární fototermiky v bývalém Československu a částečně v sousedních státech. Ve druhé části dokumentuje vlastní i převzaté koncepce nosných konstrukcí solárních kolektorů a soustav.
Úvod
Jak jsme již uvedli v minulém čísle, solární kolektory jsme v minulosti viděli na rodinných domech pouze v Rakousku, doma o ně nikdo neměl zájem, protože pro jejich majitele nemělo využívání sluneční energie žádný ekonomický význam (návratnost 50–70 let). Proto se hned začalo s velkými solárními soustavami pro průmysl, zemědělství a další „velkozájemce“.
2. NOSNÉ KONSTRUKCE
V průmyslových, zemědělských a jiných areálech se nacházelo většinou místa dost, ale pro kolektory v řadách za sebou na terénu nikoliv. Musely se navrhovat nosné konstrukce a kolektory, tedy už kolektorová pole, která se „zdvihala“ do vzduchu, čímž odpadlo i vzájemné stínění řad.
K využívání sluneční energie se okamžitě přidalo řešení problémů zakládání, statiky, odolnosti proti působení elektrochemické koroze (např. hliník/železo, měď/zinek), větru, sněhu, námrazy, samovolnému sjíždění sněhu atd. Přitom se současně hledalo řešení pro typizaci takových konstrukcí.
Omezeně u plochých střech se řešilo možné přitížení střechy, poškození střešního pláště, u šikmých střech konstrukční detaily kotvení ke krokvím atd. Tyto neznalosti se postupně odbourávaly spoluprací s dalšími profesemi.
Žádná ČSN nevyžadovala při výpočtu střechy rezervu v únosnosti pro budoucí instalaci solárních kolektorů, a tak rozhodující slovo měli vždy statici. Do toho ještě vstoupilo zpřísnění zatížení sněhem, když během jedné zimy došlo nadměrným spadem sněhu k propadání střech. Proto se někdy dobrý záměr s využíváním sluneční energie minul, kvůli těmto důvodům, s účinkem.
Nosné konstrukce rozdělíme na konstrukce na terénu, na ploché střeše a na šikmé střeše.
Konstrukce na terénu
Navrhovaly se pouze pro celohliníkové kolektory ze Žiaru nad Hronom a celoželezné z Nových Zámků. Počet kolektorů ovlivňoval délku polí, výšku určoval např. požadavek spojit dva dvoumetrové kolektory do série, aby dráha kapaliny byla 2 + 2 = 4 m, a tím se průtokem dostatečně ohřála. Celoroční sklon 45 o.
Někteří investoři měli požadavek pouze letní přípravy TV, a tak se vyvinula konstrukce zimní/letní, kde se záměnou tzv. „V stojek“ pole sklápěla z 45°na letní sklon 30°.
Zajímavá byla i švédská koncepce stavby velkého kolektoru na místě na terénu (dráha kapaliny 10 m, dnes ji zajišťuje meandr v jediném kolektoru) a jeho zdvihnutí pro podpory pomocí vzduchového vaku.
Konstrukce na ploché střeše
Pokud střecha měla rezervu v únosnosti, konstrukce se připevňovaly přímo na střešní plášť (v létě hrozilo porušení těsnosti pláště od chůze pracovníků servisu) anebo nosná konstrukce byla ve vzduchu nad střešním pláštěm a pokládala se na zvýšené obvodové atikové zdivo. Kvůli omezení zatížení větrem se spíše volila konstrukce pro jednotlivé řady kolektorů. Velké typové konstrukce se umísťovaly i na plochou střechu.
Konstrukce na šikmé střeše
Pro celohliníkové kolektory, které nebyly tzv. samonosné, se nad střechu připevňovaly menší nosné ocelové konstrukce.
Kolektory integrované do střechy
Výjimečnou kapitolu tvořila integrace kolektorů do střešního pláště, viz ukázky na RD a speciální solární stavby. Toto už představovalo vrchol tehdejší solární techniky.
Otočné konstrukce
Vývoj prokázal, že se neosvědčily. Potvrdila se tak slova amerického profesora B. O. Seraphina na naší první mezinárodní solární konferenci v roce 1984 v Kroměříži, když tehdy řekl: „Budoucnost mají pevné ploché zasklené kolektory se spektrálně selektivní vrstvou“. To ale ještě nevěděl, jak se později začnou rozvíjet trubicové vakuové kolektory.
3. SOLÁRNÍ KONCEPCE
Sluneční energie je nestabilní zdroj, proto musí být vždy podporována stabilním zdrojem, kam patří veškeré běžné způsoby ohřevu vody, nejčastěji plyn, elektro. Má tři významy:
- při dostatečném slunečním svitu nahradí konvenční zdroj, tj. 100 % úspor;
- při malém slunečním svitu pro něho TV předehřívá, částečné úspory;
- při nulovém slunečním svitu se žádná běžná energie neušetří.
Proto je každá koncepce bivalentní, někdy s pomocí další energie i trivalentní. Sluneční předehřev je vždy první v řadě.
Solární předehřev
Je to vlastně pomalý, nejčastěji celodenní, solární ohřev vody v předřazeném solárním zásobníku. Jeho velikost může být různá, s jednodenní i vícedenní akumulací.
Na obr. 15 je jeden z prvních reálných návrhů (Ondřejov 1978). Protože ještě neexistovaly nejedovaté nemrznoucí kapaliny a fridex byl poměrně nebezpečný, hygienik požadoval solární akumulační nádrž beztlakovou. V případě jakékoliv poruchy by se přes ni poznalo, zda je porušen tlakový primární nebo sekundární okruh. Dvojí přestup solárního tepla však nebyl žádoucí. V sekundárním okruhu je zařazena termostatická baterie, která podle tehdy přijatého patentu působila jako mechanický regulátor. Přednostně vpouštěla do potrubí dostatečně ohřátou TV ze solárního zásobníku, a když se vyčerpal, plynule přepojila trvale ohřátý elektrický bojler.
První solární koncepce počítaly pouze s letním provozem, na zimu se musela voda z kolektorů vypustit. Když se na to zapomnělo, kolektory se porušily. Výhoda byla v tom, když kolektory přehřátím vytekly a voda se nezachytila, že se mohly opět napustit vodou z vodovodu.
Solární předehřev „v sérii“
Při zapojení ohřívačů „v sérii“ dochází někdy k častějšímu přehřívání kolektorů. Problém je znázorněn na obr. 16, ze začátku ve dvou ohřívačích, ale platí i pro kombinované ohřívače.
Pokud je termostat v klasickém ohřívači nastaven na vysokou teplotu, je z něho odebíráno menší množství TV, a ta je u výtoků ochlazována větším množstvím studené vody. Ze solárního ohřívače přitéká právě toto malé množství a při velkém slunečním svitu se nestačí během dne vyprázdnit. Přitom požadujeme, aby se solární ohřívač optimálně vyprázdnil do rána druhého dne a mohl, studený, opět s vysokou účinností přijímat sluneční energii. Názorně to ukazuje Sankeyův diagram na obr. 16, kdy teplota v klasickém ohřívači 60 °C je pro likvidaci legionel jakž takž přijatelná, níže už ji stahovat nemůžeme. V solárním ohřívači ale dosahujeme také vyšších teplot. Zapojení v „sérii“ je proto brzdou ekonomického využívání sluneční energie. Řešení je v obtoku klasického ohřívače (automatické zapojení s termostatickým ventilem), ale za podmínky, že sluneční energií se dosáhlo také 60 a více stupňů Celsia. V takový den ušetříme již dříve zmiňovaných 100 % klasické energie.
Ideální využití sluneční energie
Aby se získalo a využilo co nejvíce sluneční energie, navrhovala se tam, kde byla potřeba vody celodenní a hlavně celotýdenní, např. zemědělská družstva (dojírny krav). Ideální byly autokempy, kde je potřeba vody ovlivněna návštěvností, a ta opět pěkným slunečním počasím.
V průmyslu byl problém ve využití sluneční energie pouze 5 dní v týdnu. Proto se pro využití sobotní a nedělní energie navrhovaly další solární ohřívače, které byly k dispozici např. v příštím týdnu, když se zhoršilo počasí, viz obr. 17.
Přitom se zjistilo, že se solární koncepce nedají globálně typizovat. Každá realizace byla (a jsou i dnes) originální.
Malý a velký okruh
Takové technické řešení představovalo oddělení primárního okruhu kolektorů od přívodu k topné vložce ohřívače. Kolektory a potrubí se „musely“ nejprve sluneční energií prohřát, a pokud teplota v solární strojovně dosáhla + 5 °C nad teplotu vody nad vložkou ohřívače, opět se potrubí propojilo. Názorně to ukazuje obr. 18, který už představoval velké zjednodušení montáže v reálu. Automaticky zde působily tři regulátory:
- první zapínal čerpadlo, při rozdílu teplot na kolektoru +5 °C;
- druhý reguloval pomocí obtoku výkon čerpadla, aby se stále dosahovalo rozdílu +5 °C, když bylo slunečního svitu více, obtok se přivíral, průtok rostl;
- třetí otevíral trojcestný ventil, když teplota z kolektorů u čerpadla dosáhla rozdílu +5 °C proti solárnímu ohřívači.
Všimněme si ještě vodoměru, s jehož pomocí se průtoky kontrolovaly, eventuálně se ještě dolaďovaly ručně regulací uzávěrů. Dnes se už přivádí sluneční teplo do ohřívačů okamžitě.
Předimenzování kolektorů
Značný problém představovalo zjišťování spotřeby TV, aby mohla být nahrazena stejně výkonnou solární soustavou. Voda byla tehdy laciná a na její úsporu, natož měření, se moc nehledělo. Spotřeba je přitom rozhodujícím podkladem pro návrh. Proto se občas muselo s návrhem počkat, až investor osadil dodatečně vodoměr a provedl minimálně týdenní měření. Zajímal nás běžný i špičkový odběr ve všech dnech týdne. Někteří investoři opravdu měřili po hodinách a takový podklad byl nejhodnotnější. Občas se stalo, že si během informačního zjišťování každý pracovník podniku přidal svou osobní rezervu. V jednom případě bychom museli navrhnout dvakrát větší kolektorové pole, než požadovala skutečnost.
Význam byl v tom, že prakticky bylo výhodnější a lepší kolektorové pole poddimenzovat, než předimenzovat.
Zavzdušňování kolektorů
Při dřívějším častém vytékání kolektorů, které se chápalo jako daň za využívání sluneční energie, docházelo k jejich dočerpávání a odvzdušňování, bohužel ještě ručnímu. Na obr. 19 je příležitostná ukázka sjíždění sněhu u dvou kolektorových polí.
Levé pole je bez sněhu, z pravého sníh sjíždí pomalu. Zavzdušněné je levé pole, protože sluneční energie z kolektorů dostatečně neodchází, působí plně na tání sněhu, zatímco u pravého pole větší část energie odchází do ohřívače a tepelné ztráty zasklením jsou malé. Po sjetí sněhu z obou polí se různé zavzdušnění už nepozná.
Závěr
V článku jsou uvedeny pouze stěžejní akce a významné mezníky v solárních koncepcích. Nosné konstrukce slunečních kolektorů i solární koncepce se stále vyvíjejí. Je nežádoucí, aby nosné konstrukce na terénu zabíraly půdu pro jediné využití, když je vhodnější umístit kolektory na střechy nebo fasády budov a pozemek má žádané vícenásobné využití.
Začnou se také více rozšiřovat různé formy akumulace tepelné sluneční energie, vícedenní až sezonní, jako v západních zemích.
V současné době se začíná řešit i ohřev vody pomocí fotovoltaiky (s nižší účinností než pomocí fototermiky), na výsledek si ještě počkáme.
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 – 1. část