Historie solárních termických kolektorů a soustav – 3. část

obnovitelné zdroje energie

historie

Nový seriál přibližuje začátek a vývoj solární fototermiky v bývalém Československu a částečně v sousedních státech. Ve třetí části dokumentuje vlastní i převzaté koncepce zapojení kolektorových polí, dimenzování kolektorové plochy a vývoj automatické regulace. Předchozí části viz Topin č. 7 a 8/2016.

Úvod

Jak již bylo uvedeno v minulých dvou číslech, solární kolektory na střechách či na terénu vypovídají, že se zde sluneční energie nějakým způsobem využívá. Technika však zajímají další souvislosti, s jejichž vývojem se seznámíme v tomto pokračování.

4. ZAPOJENÍ KOLEKTORŮ

Sluneční energie, to je energie z velkých ploch, které se skládají z „malých“ kolektorů. Téměř vždy jsou zapojeny v jediném primárním okruhu. Povinností projektanta je, aby všemi kolektory protékalo přibližně stejné množství teplonosné kapaliny, aby se některé kolektory nepřehřívaly, jiné nebyly naopak „studené“ a životnost ubývala všem kolektorům stejně. Nelze používat uzávěry, protože by neodbornou obsluhou mohly přivodit poškození kolektorů přehřátím nebo by neumožnily dokonalé vypuštění před zimou.

Řešením je tzv. Tichelmannova smyčka, zapojení každého kolektoru i celého pole „křížem“.

Tichelmannova smyčka

První výrobci ji ve svých schématech vůbec neuváděli, viz obr. 1. Vlastní kolektory jsou zde sice zapojeny do kříže, ale největší průtoky s menším rozdílem teplot budou drahami levých kolektorů, zatímco pravé dráhy budou vlivem většího odporu průtočné méně, avšak s vyšší teplotou. Dřívější názory oponovaly, že na výstupu z pole se všechny teploty srovnají, což je pravda, ale provozní teploty kolektorů budou různé, opět se vztahem na jejich životnost.

Obr. 1 • Kolektorové pole bez Tichelmannovy smyčky nebude kvalitně pracovat

Tichelmannova smyčka přivádí chladné přívodní potrubí např. do „dolního“ levého nebo pravého rohu celého pole a teplé odváděcí potrubí odchází z „horního“ pravého nebo levého rohu. Cílem řešení bylo, zda ji navrhnout na přívodním nebo odváděcím potrubí, a jak se její délka a umístění projeví na tepelných ztrátách potrubí primárního okruhu. Logicky vychází, že teplé odváděcí potrubí by mělo být co nejkratší a tudíž Tichelmannova smyčka musí být na chladném dolním přívodním potrubí, viz obr. 2.

Obr. 2 • Napojovací místo pole je vpravo dole, Tichelmannova smyčka je na spodní straně kolektorů

U aplikací na šikmých střechách je opět žádoucí uschovat ji pod střešní plášť a nenechávat ji ochlazovat nad střešním pláštěm, viz obr. 3. Pod střechou jsou však krokve a další možné překážky, a tak ji ­firmy ponechávaly na střeše, což nebylo energeticky výhodné, navíc do izolace zatékalo. I u chladnějšího přívodu jsou tepelné ztráty pod střechou menší než nad ní.

Obr. 3 • Tichelmannova smyčka je sice na dolním přívodu do kolektorů, ale nad střešním pláštěm (ještě před izolací)

Vývojem kolektorů, u kterých se horizontální propojovací potrubí umístilo pod sklo, se tento problém částečně vyřešil.

Dva typy kolektorů v jednom poli

U jedné akce bylo nutné použít na kolektorové pole dva druhy kolektorů s různými parametry. Jediný primární okruh by se dal obtížně vyregulovat, proto byly navrženy okruhy dva se samostatnými čerpadly a ohřívači, viz obr. 4.

Obr. 4 • První řada kolektorů o velikosti 2 m2, za nimi druhá řada kolektorů o velikosti 2,75 m2, dva samostatné primární okruhy

Stejný problém se řešil z estetického důvodu i u menší akce, obr. 5, s tím rozdílem, že okruh se již vyreguloval pomocí dvou průměrů potrubí, aby teplota kapaliny z různých kolektorů byla přibližně stejná.

Obr. 5 • Horizontální a vertikální kolektory s různým průtočným odporem v jediném primárním okruhu

5. DIMENZOVÁNÍ KOLEKTOROVÉ PLOCHY

Dimenzování velkých ploch, resp. výpočet počtu kolektorů v poli byl největší problém. Chyběly nám znalosti pohybu Slunce po obloze, jeho proměnlivý výkon v čase a prostup slunečního záření sklem při různém úhlu dopadu. U rodinných domů několika nadšenců to bylo jednoduché, zhruba jeden běžně velký kolektor na osobu. U velkých akcí např. rozdíl při „odhadu“ od 60 do 75 kolektorů už mohl investora vyšším finančním nákladem od akce odradit. Proto se v minulosti postupovalo dvojím způsobem.

Dva druhy výpočtu

1. Výrobci kolektorů s neselektivním povrchem absorbéru uváděli, že 1 m² jejich kolektoru je v létě při celodenním osvitu schopen ohřát 50 l studené vody na 50 °C.

Výrobci kolektorů se spektrálně selektivní vrstvou na absorbéru uváděli, že 1 m² jejich kolektoru je v létě při celodenním osvitu schopen ohřát 50 l studené vody na 70 °C (nebo 70 na 50 °C).

2. Ve Stavoprojektu Liberec jsme vytvořili algoritmus a navrhli samostatný program „Výpočet dopadající energie a bilancí slunečního záření na obecně orientovanou plochu v prostoru“ (SLEN). Byl to tak dokonalý program, že na něj navázaly další solárně energetické programy např. vzájemné stínění kolektorových řad, sluneční stínění při nové sídlištní výstavbě s výstižným názvem „zahušťování sídlišť“ a občas i další nepříbuzenské profese např. ze zemědělství – vztah polohy zemědělského pozemku a dopadající sluneční energie na rostlinné výnosy nebo na odpar vody. Dále třeba ze sportu např. výpočet dopadlé sluneční energie na skokanský můstek v Harrachově v den 7. mistrovství světa v letech na lyžích dne 20. 3.1983. Cílem bylo spočítat pro pořadatele množství roztálého sněhu (úbytek) na různých místech nájezdu i doskočiště, viz obr. 6. Přestože je můstek orientován na sever, v březnu už je přímo osluněn také. Nejvíce sněhu 83 mm·den^–1 odtálo v místech č. 14 a 15, na ­odrazové hraně, místo č. 2, 63 mm·den–1 a místo č. 7 nebylo celý den přímo osluněno, sníh neodtával.

Obr. 6 • Profil mamutího skokanského můstku v Harrachově

První způsob navázal na první ne­umělé zkoušky slunečních kolektorů ve VÚZT v Praze Řepích, obr. 7. Zde se měřilo pouze dopadající sluneční záření a potom byl nejlepší ten kolektor, který ohřál 200 l vody v neizolovaném sudu na nejvyšší teplotu (referenční kolektor).

Obr. 7 • První československá měřicí stanice slunečních kolektorů, Praha 1980

Druhý způsob navázal na články doc. Jaromíra Cihelky o využití sluneční energie v časopise Zdravotní technika a vzduchotechnika (konec 70. let), když způsob výpočtu dále zdokonalil. Nevýhodu představovalo stále to, že nebyla známa průměrná teplota vzduchu v jednotlivých měsících v době přímého slunečního svitu pro přesnější určení účinnosti kolektorů v každém měsíci. Vycházelo se odhadem extrapolací ze všeobecné průměrné teploty.

První reálné výsledky

První prakticky ověřené skutečné reálné výsledky získané sluneční energie se změřily až v roce 1985 na kolektorovém poli 96 m², VLM Pliešovce (SR), viz obr. 1 v minulém čísle.

Přestože se měřilo pouze druhé pololetí, dal se výsledek násobit dvěma, což přesné nebylo. Energetický zisk celohliníkových kolektorů se spektrálně selektivní vrstvou viz tab. 1. Jednalo se o kolektor SALK 200 a dojírnu, takže potřeba TV byla pravidelná po všechny dny v roce.

Tab. 1 • První měření velkého kolektorového pole, zisk kolem 500 kWh·m–2·rok–1

Graf účinnosti kolektorů

Dalším pokrokem se stalo „zavádění“ grafu účinnosti kolektorů, viz obr. 8, a také se více „zabydlovaly“ pojmy absorptivita a emisivita absorbérů a průměrná denní intenzita slunečního záření. Účinnost kolektorů nemůže nikdy překonat cca 80 %, protože optické ztráty zasklení, se pohybují kolem 20 %. Čím chceme získat z kolektorů vyšší teplotu média, tím více klesají také ztráty tepelné (plocha nad křivkami do hodnoty účinnosti 80 %, zatímco plocha pod křivkami představuje tepelný zisk). Z grafu je také dobře patrný rozdíl jednotlivých typů kolektorů, a z toho odpovídající optimální použití.

Obr. 8 • Obecná účinnost různých typů slunečních kolektorů. Na vodorovné ose je parametr přímo závislý na rozdílu střední teploty absorbéru a okolního vzduchu a nepřímo závislý na intenzitě slunečního záření

Výpočet získané sluneční energie z kolektorů byl potom už jednoduchý. Bylo potřeba znát jeho graf účinnosti, průměrné měsíční teploty vzduchu v době slunečního svitu, měsíční dopady sluneční energie (závislé na zeměpisné lokalitě, oblačnosti a znečištění atmosféry) na kolektor s konkrétní orientací a sklonem (program SLEN) a vhodně zvolit průměrnou teplotu odváděného média. Takových výpočtů bylo pro 1 rok 12. Potřeba TV se jednoduše uvažovala stejná každý měsíc po celý rok.

Výsledky potvrzovaly už v zahraničí zjištěné skutečnosti, že sluneční energie je schopná celoročně nahradit cca 2/3 potřebné konvenční energie pro přípravu TV. Zbývající jedna třetina představuje, jednoduše řečeno, Slunce schované za mraky.

Obr. 9 • Ukázka kolektorů na RD v USA – poloha v prostoru byla na naše poměry neobvyklá, černý rám vyzařoval největší množství dopadlé energie, zatímco stříbřité povrchy – hliník – vyzařovaly nejméně energie

Uvažovat i účinnost soustavy

Ze začátku se výpočet energie z kolektorů považoval za konečný, později se výsledek ještě snižoval o tepelné ztráty celého primárního okruhu, odhadem max. do 10 %.

Dimenzování potrubí

Dimenzování potrubí u velkého kolektorového pole bylo také jednoduché. Podle pokynů výrobce se zvolila hodnota průtoku kolektorem v litrech za hodinu anebo v l·m^–2·h^–1. Jednotlivé úseky se dimenzovaly dle grafu tlakových ztrát pro teplou vodu s tím, že průtočná rychlost měla být v každém úseku přibližně stejná, obvykle kolem 1 m·s^–1. Malá rychlost by mohla u lyrového absorbéru vyvolávat laminární proudění a zhoršený přestup tepla z absorbéru do potrubí a navíc by dostatečně nestrhávala uvolněné bublinky vzduchu. Velká rychlost by zbytečně zvyšovala příkon oběhového čerpadla a snižovala výstupní teplotu média.

Velikost oběhového čerpadla

Protože dopadající sluneční záření na kolektor se mění od nuly do maxima a zpět, mělo by oběhové čerpadlo mít možnost měnit výkon podle stejné závislosti, což v minulosti dost dobře nešlo. Určitá dražší cesta byla použitím řízeného obtoku čerpadla, viz minulé pokračování str. 47.

V každém případě muselo být dimenzováno na maximální letní sluneční záření v poledních hodinách, jinak by se kolektory z tohoto důvody přehřívaly. Začátkem a koncem dne, i po zbytek roku, bylo vlastně předimenzované. V dopoledních hodinách to nevadilo, solární ohřívač se teprve začal ohřívat, čerpadlo běželo nepřetržitě, ale odpolední nižší sluneční záření se už projevovalo tak, že čerpadlo se spínalo až tehdy, když teplota v kolektorech byla vyšší než v ohřívači, lidsky řečeno, čerpadlo cyklovalo, což nebylo na závadu.

U některých akcí se v provozním řádu doporučovalo na podzim průtok kolektory snížit přiškrcením výtlaku čerpadla. Také se navrhla dvě čerpadla paralelně vedle sebe, přičemž v létě běžela obě a další půlrok pouze jedno. U jiné akce se naopak dvě čerpadla zapojila do série, aby překonala větší odpor kolektorového pole, ale průtok se neměnil.

Když se později objevila na trhu tříotáčková čerpadla, kompromisně se dimenzovala na otáčky 2. Otáčky 3 představovaly rezervu projektu na léto a otáčky 1 se přepínaly na zimu.

Dnešní oběhová čerpadla s možností měnit kmitočet elektrického proudu, tím zajišťovat potřebné otáčky a udržovat konstantní nebo řízený teplotní rozdíl mezi kolektorem a ohřívačem, uvedené problémy odstranily.

Obr. 10 • Druhá československá měřicí stanice slunečních kolektorů (Žiar nad Hronom – SR, 1988), z důvodu nemožnosti zajistit kvalitní automatické měření se opět porovnávala výsledná teplota podle referenčního typu kolektoru za účasti obsluhy

Sněhové poměry

U kolektorové plochy ještě zůstaneme, na šikmé střeše bylo potřebné řešit její zasněžení, za jakých podmínek by měl sníh sjíždět z kolektorů sám a jakým způsobem sníh ovlivňuje polohu kolektorů na šikmé střeše (anebo naopak).

Z praxe víme, že sníh samovolně a dobře sjíždí z kolektorů při jeho tání od sklonu kolem 45° a výše. Jeho pohyb po střeše je rovněž ­reálný např. při oblevě prudkým sjetím z celé střechy může poškodit na terénu majetek nebo dokonce ohrozit životy lidí, což se řeší sněhovými zábranami.

Na obr. 11 si ukážeme klady a zápory různých umístění kolektorů pro přípravu TV na šikmé střeše shora dolů.

Obr. 11 • Různé možnosti umístění kolektorů na střeše RD

1. Tepelnými ztrátami sníh nad obytnou částí pod hřebenem taje, umístění kolektorů ideální, žádné stínění, ale rozvody dlouhé, přístup obtížný. Určitě se střecha dodatečně zateplí. Náhle sjetý sníh z kolektorů může strhnout i sníh ze střechy pod nimi.
2. Střední část střechy je vhodné ponechat jako rezervu pro možná další střešní okna, až děti majitele vyrostou.
3. Spodní část střechy nad obytnou částí nad okapem může být ideální, rozvody krátké, přístup ze žebříku z terénu, ale prudce sjetý sníh z kolektorů může kohokoliv ohrozit.
4. Spodní část střechy nad hospodářským přístavkem viz bod 3. Navíc kolektory musí zadržet tíhu sněhu z celé střechy nad nimi, což může způsobit jejich utržení (podmínka sněhové zábrany). Rostoucí stromy se musí kvůli stínění seřezávat.

Pro konečné řešení (za škody způsobené sjetým sněhem z kolektorů ručí dodavatel) je vždy vhodné informovat o problému majitele RD a společnými návrhy dojít, při dodržení veškeré bezpečnosti, k vzájemně přijatelnému řešení.

Na obr. 12 jsou reálné akce ve vztahu k působení sněhu: možné zadržování sněhu za zdviženými kolektory, nutný prostor pro sjíždějící sníh u kolektorů na ploché střeše nebo na terénu, sjíždějící sníh může ohrozit obyvatele (2x) a zcela zasněžené vakuové trubicové kolektory, kdy majitel musí čekat až na oblevu.

Obr. 12 • Působení sněhu na kolektory, popis v textu

Ve vnitrozemí se s velkými sněhovými problémy setkáváme zřídka, ale v podhorských oblastech a na horách vyžadují zodpovědné řešení. Tento problém přechází z minulosti i do budoucnosti.

6. AUTOMATICKÁ REGULACE

Automatická regulace solárních soustav prošla velkým vývojem. Ze začátku nebylo z čeho vybírat a pokud bylo, tak se teprve rodil algoritmus ovládání. Ty první neumělé realizace měly ovládání ruční, tj. provozovatel zapínal oběhové čerpadlo v době slunečního svitu a ručně také vypínal (běda, když na noc zapomněl čerpadlo vypnout – skoro celodenní zisk slunečního tepla se vrátil zpět do vesmíru).

Později se vyvinuly analogové regulátory s nastavitelným rozdílem teplot mezi kolektorem a solárním ohřívačem. Střední rozdíl teplot se nastavoval na 5 °C, při použití deskového výměníku tepla se ještě přidávalo.

Návrh a výroba nepředstavovaly pro odborníky z hlediska složitosti problém, tím byla spolehlivost provozu. Praxí se potvrdilo, že vyžádané opravy provozu soustav se týkaly z cca 80 % poruch regulace, na ostatních částech toho nebylo k poškození tolik. Analogové regulátory se rozšiřovaly o další provozní i bezpečnostní funkce, a tím se pravděpodobnost poruch opět zvyšovala.

Dospělo se k závěru, že by regulaci měla z tohoto důvodu zajišťovat v subdodávce místní firma, protože cesta dodavatele soustavy k opravě po záruce přes půlku republiky byla pro majitele velmi neekonomická.

Současně se měnila fyzická velikost regulátorů, viz obr. 13, první v desítkách cm, kde v levé skříni bylo elektrické ovládání a v pravé skříni prvky automatické regulace.

Obr. 13 • První solární regulace byla „obrovská“

U velkých solárních soustav se už přece jenom pomalu volilo složitější ovládání, ovšem stále v součinnosti s fyzickou obsluhou, která např. současně měnila polohy uzávěrů během pracovních dní a víkendu nebo během roku. Nabízely se regulátory i z Německé demokratické republiky, pro měření sluneční energie se půjčovaly přístroje z Československé akademie věd. Absolutně se nedaly zajistit měřiče tepla.

Postupně se objevovaly digitální regulátory (z Rakouska) a jejich výroba se rozšířila i u nás. Velikost ­regulátorů se zmenšovala, viz obr. 14. Počet funkcí rostl, hlavně tehdy, když se začaly navrhovat ­bivalentní a trivalentní soustavy (TV/bazén, TV/ÚT/bazén) a bylo potřeba současně ovládat trojcestné ventily nebo více čerpadel v samostatných okruzích.

Obr. 14 • Fyzické zmenšování regulátorů, zachycené už jen na obrázcích

Během vývoje se také požadovalo, aby se napájení solárního okruhu neřešilo napojením regulátoru zástrčkou do nejbližší zásuvky (pro laiky to byla největší jistota, že zařízení je, nebo není pod proudem) ale aby se vytvořil nový elektrický obvod se samostatným jističem, což mělo i výhodu, že kdyby vypadnul centrální elektrický obvod, solární soustava by pracovala dál.

Některé kolektorové okruhy na střeše se zemnily na stávající uzemnění, někde to elektrikář nepožadoval, někdo chtěl kolektory, ale na hromosvod nechtěl vynakládat peníze – tento problém byl nový a zatím neřešený.

Přehřívání solárních zásobníků bývalo řešeno tak, že na potrubí TV se umístil solenoidový ventil a např. při teplotě 65 °C část TV odpustil do kanalizace. Samozřejmě stejné řešení bylo na studené vodě, aby výsledná teplota vody do kanalizace nepřesáhla 40 °C. Na obr. 15 to je menší elektroventil vlevo dole. Šlo o další komplikování provozu solární regulace, proto bylo řešeno samostatnou regulací.

Obr. 15 • Rozdělovač a sběrač sekundárního okruhu velké solární soustavy, vpravo dole dva elektroventily pro mixování TV, nahrazují trojcestný ventil

Dlouho se neřešil problém umístění jímky teplotního snímače do výstupního potrubí z kolektorů (už mimo kolektor). Vymýšlela se různá řešení, která ale časově oddalovala spuštění čerpadla. Snímače s menším průměrem se pro větší jímky omotávaly staniolem. Ideální je jímka, zajištěná už výrobcem kolektorů, např. uvnitř na absorbéru.

Závěr

Největší pokrok od startu našeho aktivního využívání sluneční energie přineslo zautomatizování všech výpočtů. O využívání sluneční energie se nikde neučilo, byl to jakýsi nový neprozkoumaný energetický obor, který lákal více zájemců, až se postupně vypiplal k současné dokonalosti. Vzorem nám bylo Rakousko a Německo. Inteligentní domy dnes řídí počítače a fototermické využití sluneční energie do tohoto řízení velmi vhodně zapadá.

POKRAČOVÁNÍ PŘÍŠTĚ