SMART SÍTĚ A JEJICH INFRASTRUKTURA

Transkript

1 Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava SMART SÍTĚ A JEJICH INFRASTRUKTURA učební text Kristýna Friedrischková Bohumil Horák Vít Otevřel Zdeněk Slanina David Vala Ostrava 2014

2 Název: Smart sítě a jejich infrastruktura Autor: doc. Ing. Bohumil Horák, Ph.D., Ing. Kristýna Friedrischková, Ing. Zdeněk Slanina, Ph.D., Ing. Vít Otevřel, Ing. David Vala Vydání: první, 2014 Počet stran: 351 Studijní materiály pro studijní obor Měřicí a řídicí technika, FEI Jazyková korektura: nebyla provedena. Určeno pro projekt: Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost Název: NETFEI - Rozvoj sítí a partnerství mezi Fakultou elektrotechniky a informatiky VŠBTUO a podnikatelským sektorem a institucemi terciálního vzdělávání Číslo: CZ.1.07/2.4.00/ Realizace: Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava, FEI Projekt je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR VŠB Technická univerzita Ostrava ISBN

3 OBSAH 1 Smart sítě Zdroje elektrické energie Úvod Vodní elektrárny Geotermální energie Výroba energie z biomasy Větrné elektrárny Sluneční elektrárny (solární energie) Tepelná čerpadla, elektrárna OTEC k navigaci Kogenerační jednotky Spotřebitelé elektrické energie Spotřebiče Bilance a výpočty energetické náročnosti domácnosti při vytápění a ohřevu teplé užitkové vody Řízení spotřebičů v domácnostech Sběrnicový systém KNX Hardware KNX/EIB Komunikace Akumulační prostředky Rozdělení akumulačních systémů Akumulační soustavy a jejich podrobnější popis Podmínky pro instalaci akumulačních systémů v distribučních soustavách Návrh malého akumulačního systému Ekonomika provozu bateriových systémů v energetické síti Vybrané obnovitelné zdroje Solární zdroje Větrné zdroje Tepelná čerpadla Kogenerační jednotky Elektrmobilita a smart grid Elektromobily Smart grids Nároky na Smart grids Bezpečnost Smart Grids Oblasti úspor energií v inteligentních budovách Inteligentní budovy Spotřeba energií v budovách Funkce managementu energií v budovách Způsob sériové komunikace se zařízeními NET Framework a Mono použití sériového portu Příklady

4 1 Smart sítě Dnešní energetické sítě jsou na své hranici systémového kolapsu. Tento stav je zapříčiněn nejen krizí jaderných zdrojů ale i snižující se dostupností a spolehlivostí dodávek fosilních paliv. Celá distribuční síť a to především v Moravskoslezském kraji je přetížená v důsledku rozšiřující se zástavby a to jak bytových center, tak průmyslových areálů. Díky podílu alternativních zdrojů energií je distribuční síť vystavena nerovnováze a díky neschopnosti predikce vstupů těchto alternativních zdrojů energií dochází k opakovaným masovým přesunům energií cyklicky střídány stejně nepředvídatelnými výpadky a tudíž deficity z výpadků těchto zdrojů. Možným východiskem z této situace, kam s velkými krátkodobými přebytky energie a jak pokrýt krátkodobé dramatické deficity, je budování tzv. SMART GRIDS, neboli inteligentních sítí. Principem těchto inteligentních sítí je zásadní obrat, kdy historický princip Výrobadistribuce-spotřeba je nahrazena rozptýlením transportovatelných kvant energie do sítě (viz.obr.1.1), kdy dříve pasivní články sítě (spotřebitelé), se stanou aktivními prvky systému (skladovateli a v jistém smyslu slova i distributory nebo alespoň redistributory energie). Inteligentní sítě představují v porovnání s tradičními sítěmi inteligentní a otevřený systém, který dovolí efektivní kombinování elektrické energie z tradičních a alternativních zdrojů. Inteligentní sítě jsou schopny samy reagovat na hrozící přetížení a přesměrovat tok elektřiny tak, aby předešly možným výpadkům. Inteligentní sítě také dokážou monitorovat děj a technický stav sítě a řešit poruchy i eventuální výpadky. V reálném čase také zvládnou komunikovat se zákazníkem a optimalizovat jeho spotřebu s přihlédnutím k ceně i životnímu prostředí. Každý zákazník, který si pořídí elektromobil (elektrobus, elektrotruck atd.), může své vozidlo provozovat v konvenčním režimu ( načerpá elektrickou energii z dobíjecí jednotky ve své garáži, či z rychlonabíjecího stojanu na parkovišti či rychločerpací stanici /cca 60%kapacity je dnes možno nabít za 10-15min./). Může však též využít nabídky distributora dát k dispozici část volné kapacity akumulátoru svého vozidla, kterou v tu konkrétně předem dohodnutou chvíli nepotřebuje (může to tedy býti nejen noc, kdy stojí v garáži, ale i den, kdy stojí na parkovišti nebo čas, kdy elektrobus stojí ve vozovně či obratišti). Z vozidla se tak rázem stane malá přečerpávací elektrárna, do které distributor při přebytku energie (zafoukal vítr, zasvítilo slunce) uloží část přebytečné energie. Naopak v době nedostatku energie (utichl vítr, zašlo slunce, zvýšila se spotřeba) část uložené energie odkoupí zpět. Zákazník tak může v ideálním stavu nakupovat levnou energii a část z ní za mnohonásobně vyšší cenu prodávat zpět jako špičkovou a v ideálním stavu tak za načerpanou energii zaplatí méně, než kolik utrží za zpětně odprodanou energii, 4

5 přitom jezdí (ale nejen jezdí, ale též zdarma parkuje v centrech měst u nabíjecích stojanů) téměř zdarma. Dostatečně hustá síť elektromobilů tak funguje stejně jako lužní les v přírodě. Jako houba nasaje povodeň nepředvídatelné zelené alternativní energie, kterou je schopen zpětně uvolnit do sítě v době její největší potřeby. Obr Schéma Smart sítě Teprve s nástupem elektromobility jako komplexního oboru řešícího problém distribučních sítí i sítí dopravních se s dnešních takzvaně ekologických zdrojů stávají skutečné alternativy plnohodnotně nahrazující neekologické konvenční zdroje. Další zdroje Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky. [1.] Národní spolek pro elektromobilitu a podporu moderních technologií. Energetické sítě (SMART GRIDS) [online] [ ]. Dostupné z 5

6 2 Zdroje elektrické energie Zdrojem elektrické energie je v dnešní době a podmínkách, ve kterých žijeme v České republice hlavně jaderná energie. Tato energie je brána jako čistá energie s malým dopadem na životní prostředí (oproti elektrárnám na tuhá paliva) Úvod Současný trend v energetické politice prosazuje vyrovnaný "energetický mix" jednotlivých druhů zdrojů energie. Jejich role je přímo závislá jak na hodnocení z hlediska trvale udržitelného rozvoje, tak z hlediska ekonomických ukazatelů. Kromě klasických zdrojů (fosilní paliva, tj. uhelné elektrárny, uran, tedy JE Temelín, JE Dukovany), to platí i pro tzv. obnovitelné zdroje. V měřítku existence lidstva a jeho potřeb jde o nevyčerpatelné formy energie Slunce a Země. Mezi obnovitelné zdroje patří: energie vody geotermální energie spalování biomasy energie větru energie slunečního záření využití tepelných čerpadel energie příboje a přílivu oceánů Požadavek na maximální využívání obnovitelných zdrojů je i jedním z klíčových bodů energetické politiky Evropské unie. Podle výsledků průzkumu provedeného statistickým úřadem EU Eurostat považuje zvyšování podílu obnovitelných zdrojů energie na bilanci spotřeby energie za jeden z prioritních úkolů svých vlád 90 % občanů členských zemí. Při vstupu ČR do EU se ČR zavázala, že podíl výroby elektrické energie z alternativních zdrojů bude v roce 2010 činit 8 % celkové výroby. Podle předběžných odhadů se zřejmě tento cíl podařilo přibližně splnit. V roce 2020 by mělo jít o 13,5 % výroby z obnovitelných zdrojů energie na celkové hrubé spotřebě energií. Největší producent elektrické energie v ČR, ČEZ, a s., a. s., vyprodukoval v roce 2012 v obnovitelných energetických zdrojích (vodní elektrárny kromě přečerpávacích, biomasa, větrné a solární elektrárny) 1,9 TWh Vodní elektrárny Největší podíl mezi obnovitelnými zdroji má v podmínkách ČR vodní energie. Zatímco energie vodního kola byla využívána pro velmi pestrou paletu nejrůznějších lidských činností, moderní vodní turbíny nacházejí své uplatnění takřka výhradně při výrobě elektřiny. Hydroenergetika je perspektivní především v oblastech prudkých 6

7 toků s velkými spády. V ČR nejsou přírodní poměry pro budování vodních energetických děl ideální. Naše toky nemají potřebný spád ani dostatečné množství vody. Proto je podíl výroby elektrické energie ve vodních elektrárnách na celkové výrobě v ČR poměrně nízký, v roce 2012 činil pouhá 4 %. Významným posláním vodních elektráren v ČR je pracovat jako doplňkové zdroje hlavních zdrojů (uhelné elektrárny, JE Dukovany, JE Temelín). Využívá se přitom jejich schopnost rychlého najetí velkého výkonu a tedy operativního vyrovnání okamžité energetické bilance v elektrizační soustavě ČR. Přednosti vodních elektráren Vodní elektrárny neznečišťují ovzduší, nedevastují krajinu a povrchové či podzemní vody těžbou a dopravou paliv a surovin, jsou bezodpadové, nezávislé na dovozu surovin a vysoce bezpečné. Pružným pokrýváním spotřeby a schopností akumulace energie zvyšují efektivnost elektrizační soustavy. Vysokým stupněm automatizace přispívají k vyrovnávání změn na tocích a vytvářejí nové možnosti pro revitalizaci prostředí (prokysličování vodního toku). K principu vodní elektrárny Ve vodní elektrárně voda roztáčí turbínu, ta je na společné hřídeli s elektrickým generátorem (dohromady tvoří tzv. turbogenerátor). Mechanická energie proudící vody se tak mění na energii elektrickou, která se transformuje a odvádí do míst spotřeby. Výběr turbíny závisí na účelu a podmínkách celého vodního díla. Nejčastěji se osazují turbíny reakčního typu (Francisova nebo Kaplanova turbína), a to v nepřeberné paletě modifikací. Pro vysoké spády (někdy až 500 m) se používá akční Peltonova turbína. V přečerpávacích vodních elektrárnách se používá turbín s reverzním chodem a s přestavitelnými lopatkami. V malých vodních elektrárnách se převážně zabydlela malá horizontální turbína Bánkiho spolu s upravenou jednoduchou turbínou Francisovou. Vedle průtokových vodních elektráren patří mezi nejznámější typy vodních elektráren elektrárny akumulační. Jsou součástí vodních děl - nádrží. Tato vodní díla kromě akumulace vody pro výrobu elektrické energie stabilizují průtoky říčním korytem, chrání před povodněmi a podporují plavební možnosti toku. Břehy nádrží mohou sloužit jako rekreační oblasti. Mnohdy jsou nádrže také zdrojem pitné vody pro vodárny, technologické vody pro průmysl a závlahové vody pro zemědělství. Umístění vlastní elektrárny může být různé podle tvaru terénu, výškových a spádových možností a podle množství vody. Existují elektrárny zabudované přímo do tělesa hráze, jinde je elektrárna vystavěna hluboko v podzemí. Voda se k ní přivádí tlakovým potrubím a odvádí se podzemním kanálem. Malé vodní elektrárny 7

8 K využití potenciálu vodních toků v ČR slouží i kategorie tzv. malých vodních elektráren (zdroje elektrické energie s instalovaným výkonem do 10 MW). Většina malých vodních elektráren slouží jako sezónní zdroje. Průtoky toků, na kterých jsou zřizovány, jsou kolísavé a silně závislé na počasí a na ročním období. Přečerpávací vodní elektrárny Elektrizační soustava státu musí v každém okamžiku vyrobit přesně tolik elektrické energie, kolik jí je potřeba. Spotřeba elektrické energie přitom jak během dne, tak i v delších obdobích kolísá. Elektrickou energii sice nelze v čistém stavu skladovat, situaci však účinně pomáhají řešit přečerpávací vodní elektrárny. Přečerpávací vodní elektrárna je v principu soustava dvou výškově rozdílně položených vodních nádrží spojených tlakovým potrubím, na němž je v jeho dolní části umístěna turbína s elektrickým generátorem. Ta vyrábí elektřinu pro elektrizační soustavu v době energetické potřeby; v době útlumu se voda z dolní nádrže přečerpává "levnou elektřinou" do nádrže horní, kde její potenciální energie čeká na své optimální využití v "pravou chvíli". Velkou předností přečerpávacích vodních elektráren je schopnost přifázování do elektrifikační sítě s plným výkonem v několika minutách. Tato schopnost je ostatně vlastní všem vodním elektrárnám Geotermální energie Geotermální elektrárny využívají k výrobě elektřiny tepelnou energii z nitra Země - na některých místech je teplotní spád více než 55 stupňů Celsia na 1 km hloubky. Geotermální elektrárny se staví zejména ve vulkanicky aktivních oblastech, kde využívají k pohonu turbín horkou páru stoupající pod tlakem z gejzírů a horkých pramenů, nebo teplonosné médium, které se vtlačuje do vrtů, v hloubi země ohřívá a ohřáté vyvádí na povrch. Obecně lze ze zemských vrtů využívat nízkopotenciální i vysokopotenciální teplou vodu. Celkový instalovaný výkon geotermálních elektráren ve světě se odhaduje na 8000 MW. Na rozdíl od většiny jiných typů elektráren, jako je jaderná elektrárna nebo elektrárna spalující fosilní paliva, nepotřebují geotermální elektrárny žádné palivo. Jejich nevýhodou je, že jsou dostupné pouze na některých místech zemského povrchu. Výstavba geotermální elektrárny je zhruba pětkrát dražší než stavba jaderné elektrárny. Podíl těchto elektráren v rámci celé Evropy je minimální, v některých lokalitách je ale jeho význam značný. Mezi takové oblasti patří Island, kde z geotermálních zdrojů pochází většina elektrické energie a kde jsou tyto zdroje využívány i k vytápění domů, ohřevu vody atd. Dále je tento zdroj významně využíván v Itálii v oblastech s aktivní sopečnou činností (Vesuv, Liparské ostrovy, Sicílie). Geotermální energie je využívána i ve Francii, na Novém Zélandu, v Kalifornii, Japonsku, Mexiku a na Filipínách, avšak v mnohem menší míře. 8

9 2.4. Výroba energie z biomasy Biomasa je definována jako hmota organického původu. V souvislosti s energetikou jde nejčastěji o dřevo a dřevní odpad, slámu a jiné zemědělské zbytky včetně exkrementů užitkových zvířat. Rozlišujeme biomasu "suchou" (např. dřevo) a "mokrou" (např. tzv. kejda - tekuté a pevné výkaly hospodářských zvířat promísené s vodou). Základní technologie zpracování se dělí na suché procesy (termochemická přeměna) jako je spalování, zplyňování a pyrolýza a procesy mokré (biochemická přeměna), které zahrnují anaerobní vyhnívání (metanové kvašení), lihové kvašení a výrobu biovodíku. Zvláštní podskupinu potom tvoří lisování olejů a jejich následná úprava, což je v podstatě mechanicko-chemická přeměna (např. výroba bionafty a přírodních maziv). Spalování a zplyňování biomasy Ze suché biomasy se působením vysokých teplot uvolňují hořlavé plynné složky, tzv. dřevoplyn. Jestliže je přítomen vzduch, dojde k hoření, tj. jde o prosté spalování. Pokud jde o zahřívání bez přístupu vzduchu, odvádí se vzniklý dřevoplyn do spalovacího prostoru, kde se spaluje obdobně jako jiná plynná paliva. Část vzniklého tepla je použita na zplyňování další biomasy. Výhodou je snadná regulace výkonu, nižší emise, vyšší účinnost. Zařízení se zplyňováním biomasy se používají stále více. Na první pohled se neliší od běžných spalovacích zařízení. Biomasa je velmi složité palivo, protože podíl částí zplyňovaných při spalování je velmi vysoký (u dřeva je 70 %, u slámy 80 %). Vzniklé plyny mají různé spalovací teploty. Proto se také stává, že ve skutečnosti hoří jenom část paliva. Podmínkou dokonalého spalování je vysoká teplota, účinné směšování se vzduchem a dostatek prostoru pro to, aby všechny plyny dobře shořely a nestávalo se, že budou hořet až v komíně. Výhřevnost biomasy Výhřevnost dřeva a dalších rostlinných paliv kolísá nejen podle druhu dřeva či rostliny, ale navíc i s vlhkostí, na kterou jsou tato paliva citlivější. Dřevní hmota při přirozeném provětrávání pod střechou sníží svůj obsah vody na 20 % za jeden rok, řepková sláma za stejných podmínek na 13 %. Obsah energie v 1 kg dřeva s nulovým obsahem vody je asi 5,2 kwh. V praxi však nelze dřevo vysušit úplně, zbytkový obsah vody je asi 20 % hmotnosti suchého dřeva. Protože se při spalovacím procesu část energie spotřebuje na vypaření této vody, je nutné počítat s energetickým obsahem 4,3 až 4,5 kwh na 1 kg dřeva. Spalovací zařízení biomasy Biomasa (nejčastěji ve formě dřevní štěpky) se ve velkém spaluje v klasických elektrárnách ve fluidních kotlích s cirkulací spalin spolu s energetickým uhlím. Pro průmyslové aplikace nebo systémy centrálního zásobování teplem se používají kotle nad 100 kw spalující také dřevní štěpku nebo balíky slámy. Často jsou vybaveny 9

10 automatickým přikládáním paliva a dokáží spalovat i méně kvalitní a vlhčí biomasu. Někdy tato zařízení využívají kombinovanou výrobu tepla a elektřiny (kogenerace). Spalování čisté biomasy a spoluspalování biomasy s energetickým uhlím ve větším množství se v závislosti na případných změnách související legislativy jeví jako perspektivní směr energetického využívání obnovitelných zdrojů v ČR. Kotle pro rodinné domky pracují obvykle tak, že se palivo nejprve zplyňuje a teprve potom se plyn spaluje. Takový systém umožňuje velmi dobrou regulaci srovnatelnou s plynovými kotli. Kotle spalují nejčastěji polenové dříví či pilinové brikety, někdy v kombinaci se dřevní štěpkou nebo dřevním odpadem. Oblibu si získávají lisované pilinové pelety, které umožňují bezobslužný provoz kotle a komfortní dopravu a skladování. Dřevo se dále spaluje i v cihlových pecích, kachlových nebo kovových kamnech. Výhodou kamen je, že se rychle rozehřejí. Jejich účinnost závisí na konstrukci i na uživateli. Některá moderní kamna mají také vestavěnou topnou vložku, takže pracují zároveň i jako kotel ústředního vytápění. Bioplyn Při rozkladu organických látek (hnůj, zelené rostliny, kal z čističek) v uzavřených nádržích bez přístupu kyslíku vzniká bioplyn. Ze zemědělských odpadů se v největší míře energeticky využívá kejda, případně i slamnatý hnůj, sláma, zbytky travin, stonky kukuřice, bramborová nať a další. Tímto způsobem je možné zpracovávat také slámu, piliny a jiný odpad, proces je však pomalejší. V bioplynovém zařízení se biomasa zahřívá na provozní teplotu ve vzduchotěsném reaktoru. Obvyklá teplota je pro mezofilní bakterie 37 až 43 C, pro termofilní 50 až 60 C. Princip vyvíjení bioplynu je velmi jednoduchý, protože je však nutné dodržovat bezpečnostní normy, zařízení se stávají složitými a tudíž dražšími. Větší bioplynové stanice jsou ekonomicky rentabilnější než malé jednotky, stále však zůstává problém využití velkého množství odpadního tepla (zejména v létě). Fermentace biomasy Fermentací roztoků cukrů je možné vyprodukovat ethanol (ethylalkohol). Vhodnými materiály jsou cukrová řepa, obilí, kukuřice, ovoce nebo brambory. Cukry mohou být vyrobeny i ze zeleniny nebo celulózy. Teoreticky lze z 1 kg cukru získat 0,65 l čistého ethanolu, který je vysoce hodnotným kapalným palivem pro spalovací motory. Jeho přednostmi jsou ekologická čistota a antidetonační vlastnosti, nedostatkem je schopnost vázat vodu a působit korozi motoru. V USA probíhají výzkumy výroby ethanolu z celulózy pomocí speciálně vyšlechtěných mikroorganismů. Ethanol lze pak získat ze dřeva nebo trávy. Biomasa, NOx a CO 2 Dřevo či sláma - jsou-li správně spáleny - jsou hned po vodíku ekologicky "nejpřátelštějším" palivem. Jediným příspěvkem ke znečištění ovzduší jsou oxidy 10

11 dusíku (NOx), které vznikají při každém spalování za přítomnosti atmosférického vzduchu. Jejich množství závisí na kvalitě spalování, zejména na teplotě. Vzhledem k tomu, že CO 2 uvolněný při spalování organické hmoty, je znovu absorbován při růstu rostlin, nelze v tomto směru hovořit o problému s emisemi skleníkových plynů. Ve dřevě není síra, stopy síry jsou ve slámě - asi 0,1 % v porovnání s minimálně 2 % v hnědém uhlí Větrné elektrárny Na území ČR se větrná energie využívala v minulosti ve větrných mlýnech. Historicky je postavení prvního větrného mlýna na území Čech, Moravy a Slezska doloženo již v roce 1277 v zahradě Strahovského kláštera v Praze. Jaderná energetika je tedy ve srovnání s větrnou skutečným batoletem. První větné elektrárny vznikaly koncem 80. let minulého století. První fáze boomu jejich výstavby proběhla v letech , další oživení přišlo na začátku nového tisíciletí. V současné době větrné elektrárny pracují zhruba na stovce lokalit v ČR, jejich nominální výkon se pohybuje od malých výkonů (300 W) pro soukromé využití až po 3 MW u velkých jednotek. Mezi výrobce patří především dodavatelé z Dánska a Německa. Princip větrné elektrárny Působením aerodynamických sil na listy rotoru převádí větrná turbína umístěná na stožáru energii větru na rotační energii mechanickou. Ta je poté prostřednictvím generátoru zdrojem elektrické energie (na podobném principu turbogenerátoru pracuje jak klasická, vodní či jaderná elektrárna). Podél rotorových listů vznikají aerodynamické síly; listy proto musejí mít speciálně tvarovaný profil, velmi podobný profilu křídel letadla. Se vzrůstající rychlostí vzdušného proudu rostou vztlakové síly s druhou mocninou rychlosti větru a energie vyprodukovaná generátorem s třetí mocninou. Je proto třeba zajistit efektivní a rychle pracující regulaci výkonu rotoru tak, aby se zabránilo mechanickému a elektrickému přetížení věrné elektrárny. Obsluha větrné elektrárny je automatická. Perspektivy větrných elektráren v ČR Zatímco na konci roku 2004 pracovaly větrné elektrárny v ČR s celkovým instalovaným výkonem o něco málo vyšším než 15 MW (vyrobily necelých 10 GWh elektrické energie), v roce 2012 dosáhly instalovaného výkonu 263 MW. Nepravidelnost, nahodilost a nepřesnost předpovědí síly i směru větru způsobují, že zařízení určená k využívání jeho energie jsou schopna pracovat pouze po 10 až 20 % roční doby. Až na výjimky leží vhodné lokality v horských pohraničních pásmech Krušných hor a Jeseníků, popř. v oblasti Českomoravské vrchoviny. Podle předběžných odhadů by bylo možné v Krušných horách postavit 320 až 340 větrných elektráren o jednotkovém výkonu 1,2 až 2 MW. Při racionálním využití větrného potenciálu, který 11

12 je v České republice k dispozici, by se zde mohlo vyrábět 6 TWh ročně, což je spotřeba více než 4 milionů lidí. Vliv větrné elektrárny na životní prostředí. Vůči životnímu prostředí je větrná energetika maximálně šetrná. Neprodukuje tuhé či plynné emise a odpadní teplo, nezatěžuje okolí odpady, ke svému provozu nepotřebuje vodu. Jednotlivá větrná elektrárna nepředstavuje významný zábor zemědělské půdy a nároky na plochu staveniště jsou minimální, pro získání většího výkonu je však třeba stavět větrné farmy o obrovských rozlohách (např MW větrná farma zabere rozlohu km 2, uhelná nebo jaderná elektrárna o stejném výkonu pouhých několik km2, ve srovnání s nimi však vyrobí asi 8x méně elektřiny). V mnoha případech bývá ochránci přírody nadhodnocován negativní vliv akustických emisí na okolí. Jde přitom o hluk, jehož zdrojem je strojovna elektrárny (množství hluku závisí na kvalitě výroby jednotlivých technologických částí a na uložení a kapotáži soustrojí), popř. o hluk aerodynamický vznikající interakcí proudícího vzduchu s povrchem listů rotoru a uvolňováním vzduchových vírů za hranou listů. Tento hluk je snižován modernější konstrukcí listů vrtule, popř. variantností typů rotorů (za cenu snížení hlukové emise se snižuje i výkon generátoru). Větrné elektrárny a Evropská unie Program rozvoje větrné energetiky přijaly země Evropských společenství již v roce Začaly stanovením technických a hospodářských možností v jednotlivých členských zemích a zpracováním jejich větrných energetických atlasů. Od roku 1993 zaznamenává větrná energetika ve světě prudký růst Majoritní podíl na evropském výkonu větrných elektráren drží instalovaným výkonem přes MW Německo, výkon zhruba MW je ve Španělsku, hranici 5 tisíc MW překročily Itálie, Francie a Velká Británie. Mezi další významné státy patří v tomto ohledu Dánsko, Nizozemsko a Portugalsko. Na celkové spotřebě elektřiny v zemích pětadvacítky se tento zdroj podílí pěti procenty. Evropská komise předpokládá, že do roku 2020 stoupne podíl větrné elektřiny na celkové produkci na 12,1 %. Standardem se již staly turbíny o výkonu větším než jeden megawatt, v roce 2003 se postavily první pětimegawattové stroje, v roce 2010 se objevily i generátory o výkonu 5 MW. Počítá se s nimi hlavně pro přímořské a mořské větrné farmy. Jinde se vítr zřejmě dočká využití maximálně v kombinaci s dalšími zdroji elektrické energie jako jejich doplněk Sluneční elektrárny (solární energie) Stejně jako jsou negativní dopady jaderné elektrárny na životní prostředí minimální, získávání elektrické energie přímo ze slunečního záření je z hlediska životního prostředí také čistým a šetrným způsobem její výroby. Jaderná energetika i sluneční elektrárny využívají zdroje energie, kterého je a ještě dlouho bude v přírodě dostatek. Účinnost přeměny slunečního záření na elektřinu umožňuje získat se současnými solárními systémy z jednoho metru aktivní plochy až 110 kwh elektrické energie za rok. V našich podmínkách je ve srovnání se současnými klasickými zdroji elektrická 12

13 energie ze solárních systémů však stále ještě podstatně dražší a musí být dotovaná státem. Technologie slunečních elektráren však má teoreticky neomezený růstový potenciál a vyspělé státy s ní do budoucna počítají. Celosvětový meziroční nárůst výroby solárních panelů se po roce 2000 pohybuje okolo 35 %. Celkový instalovaný výkon slunečních elektráren na světě byl v roce 2010 přes MW. Z téměř 90 % se na tomto čísle podílely Německo, Japonsko a Spojené státy. Podíl fotovoltaiky na celkové produkci elektrické energie ve světě představuje pouze asi 0,01 %. Optimistické předpovědi kalkulující s postupným odezníváním současné ekonomické recese počítají pro rok 2015 se 72 GW instalovaného výkonu. Sluneční elektrárny v ČR První sluneční elektrárna o výkonu 10 kw byla uvedena do provozu v roce 1998 na vrcholu hory Mravenečník v Jeseníkách (dnes je umístěna jako demonstrační zařízení v areálu JE Dukovany coby součást informačního centra). Od roku 2000 zaváděl stát nástroje na podporu fotovoltaiky, a to jak podporou demonstračních projektů, tak podporou vývoje a výzkumu. Podpora vyvrcholila v roce 2010, kdy však bylo dosaženo nejvyšší míry disproporce mezi výší výkupní ceny elektřiny z fotovoltaických instalací a náklady na pořízení fotovoltaických panelů. To mj. zapříčinilo obrovský boom výstavby fotovoltaických zařízení domácími i zahraničními investory. Stát musel v průběhu roku na doporučení ČEPS, a. s., podporu omezit, aby nestabilní fotovoltaické instalace nerozkolísaly elektrizační soustavu. Přesto se Česká republika stala koncem roku 2010 třetím největším provozovatelem fotovoltaických elektráren na světě. Princip sluneční elektrárny Elektrickou energii lze získat ze sluneční energie různými způsoby, přímo i nepřímo. Přímá přeměna využívá fotovoltaického jevu, při kterém se v určité látce působením světla (fotonů) uvolňují elektrony. Tento jev může nastat v některých polovodičích (např. v křemíku, germaniu, sirníku kadmia aj.). Fotovoltaický článek je tvořen nejčastěji tenkou destičkou z monokrystalu křemíku, použít lze i polykrystalický materiál. Destička je z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (např. bóru), z druhé strany atomy pětimocného prvku (např. arzenu). Když na destičku dopadnou fotony, záporné elektrony se uvolňují a zbývají kladně nabité "díry". Přiložíme-li na obě strany destičky elektrody a spojíme je vodičem, začne protékat elektrický proud. Jeden cm2 dává proud okolo 12 mw (miliwattů). Jeden metr čtvereční slunečních článků může dát v letní poledne až 150 W stejnosměrného proudu. Sluneční články se zapojují bud' za sebou, abychom dosáhli potřebného napětí (na jednom článku je 0,5 V), nebo vedle sebe tak, abychom získali větší proud. Spojením mnoha článků vedle sebe a za sebou vzniká sluneční panel. 13

14 Nepřímá přeměna je založena na získání tepla pomocí slunečních sběračů. V ohnisku sběračů umístíme termočlánky, které mění teplo v elektřinu. Termoelektrická přeměna spočívá na tzv. Seebeckově jevu (v obvodu ze dvou různých drátů vzniká elektrický proud, pokud jejich spoje mají různou teplotu). Jednoduché zařízení ze dvou různých drátů spojených na koncích se nazývá termoelektrický článek. Jeho účinnost závisí na vlastnostech obou kovů, z nichž jsou dráty vyrobeny, a na rozdílu teplot mezi teplým a studeným spojem. Větší množství termoelektrických článků vhodně spojených se nazývá termoelektrický generátor. Palivový článek Elektřinu lze získávat ze slunečního záření také prostřednictvím energie chemické tak, že pomocí slunečního záření rozložíme vodu na vodík a kyslík. Tím se původní energie záření uskladní jako energie chemická do obou plynů. Při slučování obou plynů, tj. při okysličování vodíku, vzniká opět voda. Nahromaděná energie se přitom uvolní buď jako teplo (při hoření), nebo v palivovém článku jako elektrický proud. Palivový článek je měnič, ve kterém se energie chemická mění v energii elektrickou. Palivové články budou pravděpodobně - podobně jako jaderné palivo - důležitým zdrojem elektrické energie v budoucnosti. Představují uskladněnou sluneční energii a lze je získávat v neomezeném množství. Účinnost palivových článků je vysoká (až 90 %), generátory elektráren na fosilní paliva dosahují pouze 35% účinnosti. Provoz palivových článků je absolutně čistý, neboť jejich produktem je voda. Články pracují zcela bezhlučně, jelikož neobsahují žádné pohyblivé části. Pomocí palivových článků lze získávat elektřinu pro domácnost (s výkonem 12 kw). Vyrábějí se však už baterie mnoha palivových článků s výkonem až kw (užívají se zejména v astronautice). Sluneční tepelné elektrárny Ve sluneční tepelné elektrárně se sluneční záření mění na elektrickou energii ve velkém měřítku. V principu jde o tepelnou elektrárnu, která potřebné teplo získává přímo ze slunečního záření. Kotel (absorbér) sluneční elektrárny je umístěn na věži v ohnisku velkého fokusačního (ohniskového) sběrače. Sluneční záření se na něj soustřeďuje pomocí mnoha otáčivých rovinných zrcadel - tzv. heliostatů. V kotli se ohřívá např. olej, ve výměníku se získává horká pára, která pak pohání turbínu, turbína pohání generátor a ten vyrábí elektrický proud. Sluneční elektrárny a budoucnost Na Zemi je asi 22 milionů km 2 pouští, které nelze využít ani v zemědělství, ani k chovu dobytka (Sahara, Kalahari, Atakama). Jejich obrovské rozlohy však mohou být alespoň zčásti využity k přeměně sluneční energie na elektřinu nebo k rozkladu vody na vodík a kyslík. Pro Evropu je nejblíže Sahara, která má rozlohu 7 milionů km2. Jednoduchý výpočet ukáže, že jen z jedné desetiny Sahary by dnešní technikou slunečních elektráren bylo možné získat asi 50 terawattů, což je 5krát více, než lidstvo potřebuje. 14

15 Elektrická energie ze solárních článků ze Sahary by se do Evropy mohla rozvádět přes Gibraltar. Jinou možností je využívat sluneční energii k rozkladu vody a vodík pak do Evropy dopravovat potrubím nebo ve velkých tankerech podobně jako zemní plyn Tepelná čerpadla, elektrárna OTEC k navigaci V zemi, vodě i ve vzduchu je obsaženo nesmírné množství tepla; jeho nízká teplotní hladina však neumožňuje přímé energetické využití. Tepelná čerpadla jsou zařízení, která umožňují odnímat teplo okolnímu prostředí, převádět je na vyšší teplotní hladinu a předávat ho cíleně pro potřeby vytápění nebo pro ohřev teplé užitkové vody. Tepelná čerpadla neprodukují odpad, jde o zcela bezodpadovou technologii. Princip tepelného čerpadla Principem tepelného čerpadla je uzavřený chladicí okruh (obdobně jako u chladničky), jímž se teplo na jedné straně odebírá a na druhé předává. Chladnička odebírá teplo z vnitřního prostoru a předává je kondenzátorem na své zadní straně do místnosti. Tepelné čerpadlo místo potravin ochlazuje například vzduch, půdu nebo podzemní vodu. Teplo odebrané těmto zdrojům předává do topných systémů. Činnost tepelného čerpadla využívá fyzikální jevy spojené se změnou skupenství pracovní látky - chladiva. Ve výparníku tepelného čerpadla chladivo při nízkém tlaku a teplotě odnímá teplo zdroji nízkopotenciálního tepla, dochází k varu. Páry chladiva jsou stlačeny, zahřívají se a v kondenzátoru předávají kondenzační teplo ohřívané látce. Tím se opět ochlazují a zkapalňují. Celý oběh je uzavřen odvodem chladiva do výparníku přes expanzní ventil, který snižuje tlak kapalného chladiva. Tepelné čerpadlo dokáže odebrat teplo z okolního vzduchu, odpadního vzduchu, povrchových vod, půdy, vrtů i z podzemní vody. Využitelným zdrojem je i odpadní teplo technologických procesů. Typy tepelných čerpadel Podle způsobu, jakým se uskutečňuje odsávání par z výparníku a zvýšení jejich tlaku, dělí se tepelná čerpadla na kompresorová (nejběžnější druh), absorpční a hybridní. Typ tepelného čerpadla se určuje podle druhu ochlazované a ohřívané látky. Nejobvyklejší kombinace jsou vzduch/voda, vzduch/vzduch, voda/voda, nemrznoucí kapalina/voda nebo země/voda. Pro ohřev vody nebo pro vytápění rodinných domků jsou na našem trhu dostupná kompaktní tepelná čerpadla. U teplovzdušných tepelných čerpadel se často využívá možnost reverzního chodu - zatímco v zimě topí, v létě vzduch v místnosti ochlazují. Tyto systémy se rozšiřují zejména v kancelářských prostorách. V zemědělství jsou rozšířena tepelná čerpadla, která odpadním teplem z chlazení mléka ohřívají teplou užitkovou vodu. Obdobné aplikace založené na kombinaci chlazení a ohřevu užitkové vody se používají i v průmyslu. 15

16 Elektrárna OTEC využívá tepelnou energii moří a oceánů V podstatě jde o využití teplotního rozdílu mezi teplou vodou při hladině a chladnou vodou mořských hlubin. Teplotního gradientu využívá pokusná malá elektrárna MINI OTEC (Ocean Thermal Energy Convertion). Tato elektrárna o instalovaném výkonu pouhých 50 kw byla postavena u pobřeží Havajských ostrovů. Působením teplé mořské vody dochází ve výměníku tepla k odpařování amoniakových par, které pak pohánějí turbínu. Po průchodu turbínou páry opět kondenzují pomocí chladné hlubinné vody a cyklus se opakuje. Elektrárna MINI OTEC je instalována na palubě lodi, odkud je do hloubky spuštěna přes 60 m dlouhá hadice. Tou se čerpá chladná voda potřebná ke kondenzaci par amoniaku Kogenerační jednotky Kogenerace (kombinovaná výroba elektřiny a tepla) je společná výroba elektřiny a tepla. Umožňuje zvýšení účinnosti využití energie paliv. Spalováním uhlovodíkových paliv, nebo využíváním jiných primárních zdrojů tepla v energetice a v dopravě při použití v motoru či turbíně se pro vlastní mechanickou práci nebo výrobu elektřiny využije cca 30 35% energie obsažené v palivu. Vzniká velké množství nízkopotenciálového tepla, které u běžných motorů z největší části (cca 50% energetického obsahu paliva) odchází v podobě horkých výfukových plynů a další ztrátové teplo, které je nutno odvádět z hlediska zachování funkčnosti motoru chladicí soustavou. Toto teplo představuje tepelné ztráty procesu výroby a přeměny energie. Vzhledem k fyzikálním omezením (Carnotův cyklus) toto teplo není možno použít k výrobě mechanické práce nebo elektřiny. U automobilu uniká bez užitku do okolí, ve velkých tepelných elektrárnách je vypouštěno chladicími věžemi. Při kogeneračním procesu je toto odpadní teplo výhodně využíváno k ohřevu teplé vody, vytápění a podobným účelům. Tak je současně využita energie pro výrobu elektřiny a ztrátové teplo je k dispozici k dalšímu použití. Lze tak dosáhnout přibližně 80% tepelné účinnosti vztažené na energetický obsah výhřevnost paliva. Proto kogenerace může být jednou z cest snižování emise skleníkových plynů lepším využitím primárních paliv. Kombinovaná výroba elektřiny a tepla ve větších zdrojích se uplatní zejména ve spojení s dálkovým vytápěním, které umožní efektivní využití ztrátového tepla. Trigenerace Pomocí absorpčního chladiče je teplo vzniklé v procesu kogenerace možno využít i k výrobě chladu pro technologické účely nebo klimatizaci. V takovém případě hovoříme o trigeneraci, společné výrobě elektřiny, tepla a chladu. Častým případem využití trigenerace je výroba tepla v zimních měsících a výroba chladu v létě. Vedle toho je však možná i současná výroba všech tří forem energie najednou. Palivo pro kogenerační jednotky 16

17 Dominantním palivem pro pohon kogeneračních jednotek je zemní plyn. V posledních letech však prudce roste počet zařízení využívajících pro svůj provoz bioplyn, skládkový plyn, kalový plyn nebo jiná alternativní paliva, jako např. důlní plyn či vodík nebo CNG, LPG nebo benzín či naftu. Další zdroje Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky. [1.] Národní spolek pro elektromobilitu a podporu moderních technologií. Energetické sítě (SMART GRIDS) [online] [ ]. Dostupné z [2.] HORÁK Bohumil, FRIEDRISCHKOVÁ Kristýna. Obnovitelné zdroje energie, Fotovoltaika a její aplikace. Ostrava 2013 [cit ]. Interní dokument [3.] Kogenerace. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, [cit ]. Dostupné z: [4.] TEDOM. Co jsou kogenerační jednotky: Vše o kogeneraci a telepných čerpadlech [online]. Třebíč, 2014 [cit ]. Dostupné z: 17

18 3 Spotřebitelé elektrické energie Spotřebitelů elektrické energie je mnoho, zaměříme-li se pouze na rodinné domy, kterým je toto skriptum věnováno můžeme je zatřídit do těchto skupin: Každodenní používání: - Osvětlení - Ohřev užitkové vody - Spotřebiče: o Počítač o Mikrovlnná trouba o Varná deska o Trouba o Lednice o Mrazící box o Varná konvice o Televize - Zabezpečovací systémy - Elektromobil - Žaluzie - Udržovací systémy (zvonek u dveří, domácí telefon, otvírání dveří) - Garážová vrata - Plot s vraty - Týdenní používání: - Pračka - Sušička - Nabíjení mobilu - Fén/ holící stroje - Aku nářadí (vrtačka) - Zahradní nářadí (hoblovací stroj, fréza, pila a jiné) 3.1. Spotřebiče Udělat z obyčejných spotřebičů součást inteligentní domácnosti a následně pak i součást chytré sítě není nijak složité. Za chytrý spotřebič můžeme považovat každý spotřebič současné domácnosti řízený regulačním a automatizačním systémem. Tyto systémy umožňují na základě dat zadaných uživatelem nebo získaných z inteligentních elektroměrů řídit spotřebiče. Můžeme také řídit domácnost na dálku a při připojení alternativních zdrojů elektrické energie do toho systému jich využít v době špičky. Rychlost komunikace v těchto systémech a v jejich jednotlivých modulech se pohybuje řádově od 100 Bd - 10 kbd, komunikace je realizována pomocí CIB sběrnice, nebo pro snadnější instalaci bezdrátově. 18

19 Příklady systémů: Teco: Systém Foxtrot [12] ABB: systém ABB i-bus KNX, Ego-n Všechny tyto systémy lze realizovat v novostavbě, při rekonstrukci nebo i nezávisle na stavebních pracích. U všech systémů je možnost bezdrátové komunikace mezi jednotlivými moduly. Usnadňuje se tím instalace do již zařízených a hotových rodinných domů nebo bytů. Všechny systémy nabízejí přibližně stejné komunikační možnosti. Zatímco systémy firmy ABB obsahují již inteligentní elektroměry a spoléhají se hlavně na moduly mateřské firmy, systémy firmy Tecom jsou více otevřenější. Nabízí volbu vlastního elektroměru i dalších modulů podle ceny nebo potřeby uživatele. Tímto může dojít k situaci, kdy pod systémem Foxtrot budou pracovat vypínače a spínače firmy ABB vedle snímačů jiných firem. Plynoměry, vodoměry a další Jsou to zařízení, která měří jiné druhy energie než elektrickou, popřípadě se jedná o jiná zařízení, získávající data. Mezi tyto zařízení můžeme zařadit průmyslové teploměry, hladinoměry, kalorimetry a další. Tato zařízení komunikují s elektroměrem mimo jiné pomocí technologie ZigBee a v případě impulsních měřidel pomocí impulsů. Vždy dochází k přenosu dat směr z těchto měřidel do elektroměru. V závislosti na inteligenci těchto měřidel může docházet k jejich řízení nebo konfiguraci povely vydávanými od elektroměru. LCD panely, mobilní telefony, PC Pomocí těchto zařízení je spotřebitel informován o aktuální spotřebě, aktuálně zvoleném tarifu a jiných užitečných informací. Díky těmto informacím může spotřebitel měnit spotřebu podle stávající situace, ovládat spotřebiče na dálku mimo dům a tímto výrazně přispívat k úspoře nákladů na energii. Tyto možnosti přispívají k záměrům energetických společností regulovat odběr energií, předně však energii elektrickou. Inteligentní elektroměry Inteligentní elektroměry by měly postupně nahrazovat klasické elektroměry. Na rozdíl od klasických elektroměrů, poskytujících jen údaje o spotřebě a nutné návštěvě pracovníka pro odečet stavu jednou maximálně dvakrát do roka. Inteligentní elektroměry umožňují přenos informací nejen od spotřebitele k distribuční síti ale i naopak. Tyto data jsou spotřebiteli zobrazována na LCD panelech, mobilních telefonech a dalších zařízeních. Dále inteligentní elektroměry mohou vykonávat činnosti jako změna tarifu, spínání relé v závislosti na tarifu, odpojení spotřebitele či jeho omezení. Pro distributory je s pomocí inteligentních elektroměru snazší odečet spotřeby 19

20 prováděný na dálku, změna tarifu, nebo odhalení neplatiče. Elektroměr může obsahovat modem pro PLC síť, po které jsou data přenášena na koncentrátor. Tento modem může být součástí elektroměru nebo jako modul k stávajícímu elektroměru. Další ze možností komunikace je přenos pomocí GPRS nebo radiový přenos. Data koncentrátory Data koncentrátor představuje rozhraní mezi přenosem dat po elektrické nebo rádiové síti a jiným přenosem, kterým nejčastěji bývá typ TCP/IP. Data koncentrátor se nachází v trafostanici, z důvodů nemožnosti přenosu PLC přes transformátor a pro energetickou společnost je velmi výhodné umístit jej do stávající instalace. Data z koncentrátoru na server(y) jsou zasílána prostřednictvím LAN, WiFi a v případě nedostupnosti těchto spojení mohou být přenášena pomocí GPRS. Servery Poslední částí v tomto pomyslném řetězci jsou servery, které získaná data zpracovávají vhodným způsobem. Tyto data jsou rozdělena dle priorit a všechna nebo jejich část je poskytnuta klientským stanicím. Zaměstnanci operátorského centra mohou zasílat příkazy a pomocí nich měnit stav jednotlivých zařízení. Díky tomuto je možné nastavit levnější tarif sítě při přebytku elektrické energie, nebo předejít kolapsu sítě. Obr Pyramidová struktura Pravdou však zůstává, že největší spotřebou elektrické energie v domácnosti je vytápění a ohřev teplé užitkové vody Bilance a výpočty energetické náročnosti domácnosti při vytápění a ohřevu teplé užitkové vody 20

21 Tepelná ztráta Z energetického hlediska je každý objekt charakterizován jednak svými energetickými nároky (potřebami energie), jednak svou energetickou náročností (spotřebami energie). Energetické nároky jsou dány množstvím energie, které objekt pro svou funkci objektivně potřebuje. Energetická náročnost je faktické množství nakupované energie, které spotřebují pro svou činnost systémy, kryjící tyto energetické nároky. Energetická bilance objektu má tři základní složky: potřeba tepla na vytápění potřeba tepla na přípravu TV spotřeby ostatních domácích spotřebičů Potřeba tepla na vytápění Při stanovení spotřeby energie se obvykle vychází z tzv. tepelné ztráty budovy. Tato ztráta se dříve počítala podle ČSN Tuto normu v současnosti nahradila harmonizovaná norma ČSN EN ( Tepelné soustavy v budovách - Výpočet tepelného výkonu ). Obr Tepelná ztráta obálkou budovy Tzv. měrná tepelná ztráta je charakteristická pro danou budovu a je nezávislá na venkovní nebo vnitřní teplotě. Celkovou měrnou tepelnou ztrátu domu Hc [W/K] můžeme rozdělit na dvě složky a to tzv. měrnou tepelnou ztrátu prostupem (konstrukcemi) a větráním. Velikost měrné tepelné ztráty prostupem je přímo úměrná ploše jednotlivých konstrukcí a jejich tepelně izolačními vlastem (součiniteli 21

22 prostupu tepla). Velikost měrné tepelné ztráty větrání je zase přímo závislá na intenzitě větrání domu. Měrná tepelná ztráta prostupem Výpočet měrné ztráty prostupem tepla HT [W/K] je podrobně popsán v ČSN EN ISO a vypočte se dle vztahu: kde L D je tepelná propustnost obvodovým pláštěm mezi vnitřním vytápěným prostorem a vnějším prostředím, L S ustálená tepelná propustnost přes zeminu (ČSN EN ISO 13370), H u měrná ztráta prostupem tepla přes nevytápěné prostory (ČSN EN ISO 13789). Měrná tepelná ztráta větráním Měrná tepelná ztráta větráním Hv [W/K] se dle ČSN EN 832 stanoví ze vztahu. kde V je objemový tok vzduchu v budově, včetně výměny vzduchu nevytápěnými prostory, ρ a c a je tepelná kapacita vzduchu o jednotkovém objemu. Objemový tok vzduchu může být vypočítán ze stanovené výměny vzduchu n takto: kde V je objem vytápěného prostoru z vnitřních rozměrů, n je intenzita výměny vzduchu. Při výpočtu tepelné ztráty v obytných budovách přirozeně větraných se zpravidla uvažuje intenzita větrání nejméně 0,5 h -1 (tj. vzduch v místnosti se vymění jednou za 2 hodiny). Celková tepelná ztráta Když stanovíme dílčí složky měrné tepelné ztráty jsme schopni stanovit měrnou tepelnou ztrátu, která charakterizuje daný objekt. Abychom však mohly navrhnout skutečný výkon otopné soustavy a zdroje vytápění musíme stanovit tzv. celkovou tepelnou ztrátu [W]. kde t i je požadovaná vnitřní teplota, 22 ( )

23 t e je extrémní venkovní teplota (dle teplotní oblasti). Výpočet tepelných ztrát slouží pro dimenzování vytápěcího systému. Pro stanovení potřebného výkonu zdroje tepla je možné vypočítat tepelnou ztrátu celého objektu. Pro stanovení potřebného výkonu otopných těles je nutné stanovit tepelnou ztrátu jednotlivých místností. Ve vypočtu tepelné ztráty je nutno neopomenout žádný parametr, který ovlivňují její výslednou velikost, protože je důležité, aby otopná soustava měla dostatečný výkon i při nejnižších ročních teplotách. Například do součinitele prostupu tepla zahrneme přirážku, která zohledňuje tepelné mosty (viz kapitola 3.2 Stavební konstrukce tepelné mosty, tepelné vazby). Na druhou stranu není nutné zdroje vytápění ani otopná tělesa zbytečně předimenzovávat, vzhledem k nemalým investičním nákladům a také jejich optimálnímu provozu. Takto stanovená ztráta se uvádí obvykle v projektové dokumentaci domu. Výpočet roční potřeby tepla na vytápění Kolik tepla nám z budovy unikne, jinak řečeno kolik spotřebujeme na vytápění, závisí nejen na rozdílu mezi vnitřní a vnější teplotou, ale také na době, po kterou topné období trvá. Vypočet potřeby tepla na vytápění přes denostupně vychází z dlouhodobých sledování délky otopných období v ČR. U rodinných domků je to velmi individuální. Ve velmi dobře izolovaných (nízkoenergetických) domech bývá topná sezóna kratší. Pro bytové domy zásobované z centrálního zdroje předepisují předpisy začátek topné sezóny tehdy, když průměrná denní teplota poklesne 3 dny po sobě pod 13 C. Díky tomu, že závislost tepelné ztráty na teplotě je lineární, je možné se vyhnout integraci a použít jednodušší vzorec s takzvanými denostupni D což je vlastně součin počtu dnů kdy je třeba vytápět a rozdílu průměrné vnitřní teploty v domě a průměrné venkovní teploty ve vytápěcím období. Počet denostupňů D se pak vypočte dle vzorce: Pro ČR jsou průměrné hodnoty: D = denostupňů d = 242 dní (vytápěcí sezóny) t im = 19 C (průměrná vnitřní teplota) ( ) t em = 3,8 C (střední venkovní teplota v době vytápěcí sezóny) V tabulce najdeme pro jednotlivé lokality i údaj o délce trvání topného období v závislosti na tom, při jaké vnější teplotě začínáme topit. Pro každou lokalitu je také stanovena průměrná venkovní teplota v otopném období. Lokalita (místo Nadmořská Venkovní Otopné období pro t em 23

24 měření) výška výpočtová teplota = 13 C h[m] te[ C] tes[ C] d[dny] Benešov ,9 245 Beroun (Králův Dvůr) ,1 236 Blansko (Dolní Lhota) ,7 241 Brno v Bruntál v 3,3 271 Břeclav (Lednice) ,4 224 Česká Lípa ,8 245 České Budějovice ,8 244 Český Krumlov v 3,5 254 Děčín (Březiny, Libverda) ,2 236 Domažlice v 3,8 247 Frýdek-Místek v 3,8 236 Havlíčkův Brod v 3,3 253 Hodonín ,2 215 Hradec Králové ,9 242 Cheb ,6 262 Chomutov (Ervěnice) v 4,1 233 Chrudim v 4,1 238 Jablonec nad Nisou (Liberec) v 3,6 256 Jičín (Libáň) ,9 234 Jihlava ,5 257 Jindřichův Hradec ,5 256 Karlovy Vary v 3,8 254 Karviná Kladno (Lány) ,5 258 Klatovy v 3,9 248 Kolín v 4,4 226 Kroměříž ,9 227 Kutná Hora (Kolín) v 4,4 226 Liberec ,6 256 Litoměřice v 4,1 232 Louny (Lenešice) ,1 229 Mělník ,1 229 Mladá Boleslav ,9 235 Most (Ervěnice) v 4,1 233 Náchod (Kleny) ,7 250 Nový Jičín v 3,

25 Nymburk (Poděbrady) v 4,2 228 Olomouc ,8 231 Opava ,9 232 Ostrava ,0 229 Pardubice v 4,1 234 Pelhřimov v 3,6 257 Písek ,7 247 Plzeň ,6 242 Praha (Karlov) ,3 225 Prachatice v 3,8 267 Prostějov ,9 228 Přerov ,5 252 Příbram ,8 230 Rakovník ,0 250 Rokycany (Příbram) ,5 252 Rychnov n/kněžnou (Slatina) ,5 254 Semily (Libštát) v 3,4 259 Sokolov v 3,9 254 Strakonice ,8 249 Svidník v 3,0 237 Svitavy (Moravská Třebová) ,4 248 Šumperk v 3,5 242 Tábor ,5 250 Tachov (Stříbro) ,6 250 Teplice v 4,1 230 Trutnov ,3 257 Třebíč (Bítovánky) ,1 263 Uherské Hradiště (Buchlovice) v 3,6 233 Ústí nad Labem v 3,9 229 Ústí nad Orlicí v 3,6 251 Vsetín ,6 236 Vyškov ,7 229 Zlín (Napajedla) ,0 226 Znojmo ,9 226 Žďár nad Sázavou ,1 270 Tab Venkovní výpočtové teploty a otopná období dle lokalit 25

26 Je důležité si uvědomit, že pro výpočty se používají průměrné hodnoty (zpravidla padesátiletý či třicetiletý průměr) a skutečná spotřeba tepla v určitém roce může být dost odlišná. V poslední době se zdá, že se snižuje. Roční potřeba tepla se pak vypočte dle vzorce: kde: Q c je výpočtová tepelná ztráta ve W ε je opravný součinitel D je počet denostupňů t i je vnitřní teplota (obvykle 20 C) ( )[ ] t e je vnější výpočtová teplota (podle oblasti -12 C, -15 C, -18 C ). Určení součinitele ε je možné podle vztahu: součinitel nesoučasnosti εn starší vícepodlažní domy 0,90 RD starší 0,85 moderní bytové domy 0,80 moderní a nízkoenergetické domy 0,75 Tab oučinitel zohledňující nesoučasnost působení jednotlivých vlivů na tepelnou ztrátu součinitel regulace εr ruční regulace 1,10 termostat v referenční místnosti 1,04 ekvitermní regulace 1,00 Tab Součinitel zohledňující vliv regulace součinitel útlumů teplot εu vícepodlažní domy 0,95 26

27 rodinné domy 0,84 bez útlumu 1,00 Tab Součinitel zohledňující teplotní útlumy součinitel vlivu otopného systému εs teplovodní 1,00 teplovzdušný 0,95 sálavý 1,05 Tab Součinitel zohledňující vlastnosti otopné soustavy součinitel zvýšení teploty εt zvýšení o 1 C 1,06 zvýšení o 2 C 1,12 zvýšení o 3 C 1,18 Tab Součinitel zohledňující zvýšení vnitřní teploty oproti výpočtové V uvedeném vzorci je největší nejistota ohledně opravného součinitele ε. "Vhodnou" volbou součinitele lez dojít k zásadně odlišným hodnotám. Proto je potřeba volit ho obezřetně. (Pouze pokud nejsou dostupné informace potřebné pro jeho určení, bere se obvykle hodnota 0,9.) Nevýhodou tohoto výpočtu je, že zcela opomíjí využitelnost tepelných zisků. Skutečná potřeba tepla na vytápění je zpravidla nižší, protože potřebu tepla snižují solární zisky a vnitřní tepelné zisky. Tento typ výpočtu se používá i pro hodnocení návrhu úsporných opatření v energetických auditech. Výhoda tohoto výpočtu je v porovnatelnosti skutečných spotřeb objektu z uplynulých let s výpočtovými hodnotami. Do bilance potřeby tepla na vytápění je však nutné zahrnout vliv tepelných zisků. Pro jejich výpočet je možné použít například metodiku, která je popsána v ČSN EN 832. Výpočet roční potřeby tepla na vytápění měsíční Základem výpočtu roční potřeby tepla na vytápění dle ČSN EN 832 (tzv. měsíční výpočet) je energetická bilance budovy, která obsahuje následující položky: ztráty prostupem tepla a větráním mezi vnitřním a vnějším prostředím, užitečné vnitřní tepelné zisky, využité solární zisky, 27

28 ztráty při výrobě a distribuci, emisní ztráty a ztráty regulací vytápěcího systému, vstup energie do otopné soustavy. Obr Schéma tepelné bilance budovy Výpočet potřeby tepla probíhá po jednotlivých měsících v roce. Roční potřeba tepla je sumou hodnot potřeb tepla ze všech měsíců, pro které je venkovní teplota nižší než požadovaná vnitřní teplota. Pro výpočet jsou potřebné průměrné vnější teploty a dopadající sluneční záření pro všechny měsíce. Měsíc Počet dnů Teplota exteriéru Celková energie globálního slunečního záření [MJ/m 2 ] Sever Jih Východ Západ Horizont ,4 C ,9 C ,0 C ,7 C ,7 C ,9 C ,5 C

29 ,0 C ,3 C ,3 C ,9 C ,6 C Tab Průměrné měsíční vnější teploty a dopadající záření pro Prahu Tepelné ztráty Q l a tepelné zisky Q g se vypočítávají pro každý časový úsek výpočtu. Potřeba tepla na vytápění pro každý časový úsek výpočtu se stanoví ze vztahu: Stupeň využití tepelných zisků η je redukčním činitelem tepelných zisků. Zavádí se do energetické bilance pro zohlednění dynamického chování budovy. Přičemž Q l = 0 a η = 0, je-li průměrná vnější teplota vyšší než požadovaná vnitřní teplota. Celková spotřeba energie Pro dané období se potřeba energie Q, kterou je třeba do otopné soustavy dodat, stanoví takto: kde Q je potřeba energie na vytápění budovy, Q r teplo zpětně získané z přídavných zařízení, z vytápěcího systému a z okolního prostředí, Q h potřeba tepla pro vytápění budov, Q w potřeba tepla na ohřev teplé užitkové vody, Q t celková tepelná ztráta vytápěcího systému. Měsíční výpočet je mnohem přesnější než denostupňová metoda a je schopen stanovit potřebu tepla na vytápění, která bude více odpovídat skutečné realitě. Proto se tento typ výpočtu používá např. k vyčíslení předpokládaných provozních nákladů na vytápění apod. Tvoří také základ vypočtu energetické náročnosti budovy. Tepelné zisky Zisky od osob Lidé jako teplokrevní živočichové neustále produkují teplo, tzv. metabolické. Výkon závisí na činnosti. Dospělý člověk produkuje ve spánku cca 50 W, při sezení a nenamáhavé činnosti 80 až 100 W, při špičkovém fyzickém výkonu až 1000 W. 29

30 Zisky od spotřebičů Většina energie, kterou domácí spotřebiče odeberou ze sítě, se přemění na teplo. Toto teplo vesměs přispívá k vytápění domu. Výjimkou je zejména pračka, kde teplo odchází s vodou do kanalizace. Dále pak sporáky a trouby, kdy je v době provozu potřeba intenzivněji větrat (kvůli páře, odérům a případně zplodinám ze spalování zemního plynu), takže velká část tepla odchází nevyužita pryč. Energetický přínos lze odhadnout z příkonu a doby využití spotřebičů. Pasivní solární zisky Množství slunečního záření, které dopadne na okno, závisí na orientaci okna a jeho zastínění. Při výpočtu je dále třeba zohlednit plochu rámu okna (na výkresech se uvádí rozměry okenního otvoru, plocha zasklení je o 15 až 40% menší). Velkou roli hraje i zastínění záclonami, žaluziemi a podobně. Mimoto je nutno si uvědomit, že ne všechny solární zisky lze využít pro vytápění. V případě slunných dnů mohou být zisky větší, než je tepelná ztráta příslušné místnosti. Dojde tedy buď k přehřátí místnosti (tím se část zisků naakumuluje do hmoty domu), nebo jsou zisky odvětrány, aby byla v místnosti snesitelná teplota. Zejména u lehkých budov (dřevostavby, podkrovní vestavby) je stupeň využití solárních zisků relativně nízký. U těžkých budov je situace lepší. Nejlepší je z tohoto hlediska vybavit dům centrálním větráním s rekuperací tepla, které zajistí nejvyšší využití nejen solárních, ale i ostatních vnitřních tepelných zisků. Ztráty tepla v rozvodech Ztráty tepla v rozvodech vytápění U ústředního vytápění, kde je zdroj tepla umístěn zpravidla v nevytápěném prostoru (např. ve sklepě), je třeba počítat s tím, že nějaké teplo unikne ještě dříve než se dostane do topných těles. Spíše než u rodinných domků se tyto ztráty uplatní v panelových domech, kde jsou vzdálenosti, na které teplo vedeme delší. Tyto ztráty lze snížit dobrou tepelnou izolací rozvodů tepla (potrubí). druh izolace úbytek energie úspora energie úspora provoz. nákladů pořizovací cena izolace [W.h/m] [W.h/m] [Kč/rok.m] [Kč/m] žádná plsť pěnový polystyrén

31 pěnový PE - MIRELON Tab Porovnání úspory energie a provozních nákladů Pozn.: Porovnání úspory energie a provozních nákladů v závislosti na způsobu izolace stoupacího potrubí z PP typu 3 o průměru 40 mm při běžném provozu (průtok 0,7 m3/hod, cena tepla 150 Kč/GJ), při teplotě vody 55 C a teplotě okolí 18 C. Izolační paradox: Tenké kovové trubky (asi do 8 mm průměru) nelze efektivně izolovat Povrchová plocha rozvodu byla tak velká, že by docházelo k větším tepelným ztrátám než u neizolovaného rozvodu. Ztráty tepla v rozvodech TV Tepelné ztráty v rozvodech TV jsou kromě ztráty energie spojeny často i se ztrátou vody, protože musíme odpustit celý objem vody v potrubí od ohřívače k výtokové baterii, než začne téci teplá voda. U delších rozvodů se odpouštění vychladlé vody zamezuje použitím cirkulační smyčky (cirkulace), která zajistí stále teplou vodu v rozvodu TV, ale za cenu značného zvýšení tepelných ztrát. Jediný rozumný způsob jak snížit tepelné ztráty v rozvodech je rozmístit výtoková místa tak, aby nejčastěji používané výtoky byly nejblíže k ohřívači vody, nebo použít více lokálních ohřívačů. Výpočet potřeby tepla pro přípravu TV Skutečná spotřeba TV je velice závislá na zvyklostech lidí a jejich životním stylu. Na rozdíl od spotřeby tepla na vytápění je odhad skutečného množství tepla potřebného na přípravu TV velmi nejistý. U staveb pro bydlení norma ČSN počítá se spotřebou TV na 1 osobu s 0,082 m 3 /den, čemuž odpovídá spotřeba tepla 4,3 kwh/osobu za den. V praxi je spotřeba vody a tepla nižší a pohybuje se kolem 3 kwh/osobu za den. Pro orientační určení množství tepla na přípravu TV lze použít např. tabulky, které vychází z platných norem. parametr značka jednotka umyvadlo dřez baterie sprcha vana počet dávek n d - 3 0,8 1 0,3 objem dávek V d m 3 0,03 0,002 0,025 0,025 teplo v dávkách E d kwh 1,5 0,1 1,3 1,4 součet objemu dávek V 2p m 3 0,082 31

32 součet tepla v dávkách E 2p kwh 4,3 Tab Potřeba TV pro 1 osobu a den v bytovém objektu 3.3. Řízení spotřebičů v domácnostech Úvod do automatizace budov Na základě úrovně a šíře kladených požadavků na multifunkční užití budov a jejich parametry (tzv. chytré nebo inteligentní budovy), je zřejmé, že v blízké budoucnosti má velkou perspektivu použití integrovaných řídicích a komunikačních systémů v budovách. Tyto systémy dovolují bez podstatných zásahů reagovat na nové požadavky obyvatel budovy v oblasti využití a provozování budovy. Dále tyto systémy dovolují reagovat na potřeby obyvatel při řízení provozu budov, zabezpečení objektu i zabezpečení uživatelů budovy (např. zdravotnictví, péče o seniory). Tyto systémy dovolují také vhodně implementovat rozvíjející se komunikační a řídicí technologie bez významných stavebních úprav. Úroveň a kvalita provedení automatizace budov pro ovládání provozně technických funkcí v rezidenčních a komerčních objektech v poslední době neustále narůstá. Systémy pro řízení provozně technických funkcí v budovách přicházely na trh postupně s rozvojem procesní automatizace v průmyslu. Z hlediska majitelů a obyvatel budov nebo investorů jsou při návrhu a implementaci systému služeb a produktů pro realizaci projektů inteligentních budov požadovány detailní informace, které se týkají: potřeb obyvatel a jejich očekávání, uživatelského rozhraní, bezpečnosti, parametrů širšího okolí a místní sítě, požadavků na služby a způsobu jejich používání, užitých nebo předpokládaných technických zařízení, principů systémové architektury, informací o systému týkající se jeho instalace, komponent, provozu a údržby. Na základě těchto informací může být proveden souhrn oblastí (tříd) zákaznických požadavků. Tyto požadavky jsou uvedeny v tabulce. Z této tabulky je zřejmé, že integrovaný systém v budově obsahuje nejenom technické položky, ale také institucionální položky. Třída technických Spolehlivost a kvalita služeb 32

33 požadavků Technika prostředí, spotřeba energie a její management Dostupnost zařízení Komunikace Kompatibilita a zaměnitelnost Kompatibilita s existujícími službami Zdravotní péče Třída sociálních požadavků Bezpečnost Zabezpečení soukromí Sociální péče Informační služby Nákladová bilance Uživatelské rozhraní Třída požadavků uživatelských Přátelské prostředí Možnost personalizace Komfort a jednoduchost užití Tab Rozdělení zákaznických požadavků do jednotlivých tříd Výše uvedené položky mohou být sdruženy do základních skupin: řízení kvality vnitřního prostředí včetně energetického managementu zahrnující technické alarmy, dálkové měření spotřeby energií a medií, domovní informační a řídicí systém zahrnující simulace přítomnosti, monitorování zdravotního stavu obyvatele a jeho bezpečnosti, domovní zabezpečovací a kamerový systém CCTV (Closed Circuit Television, uzavřený televizní okruh), 33

34 detekce neoprávněného vstupu, požadavky na údržbu zahrnující vzdálenou diagnózu systému, práce z domova, vzdělávání (e-learning), videokonference, společenská péče zahrnující videokonference, zábava. Jak je vidět z výše uvedených skupinových požadavků, předpokládají inteligentní systémy vybudovanou externí síť navazujících služeb a poskytovatelů služeb (SSP). SSP může vytvářet řetězce služeb, které mohou prostřednictvím určitých indikátorů (například spotřeba energií) monitorovat některé další indikátory jako je stav obyvatel v monitorovaném domě, neoprávněný vstup, ohrožení, havárie apod. Například monitorováním spotřeby vody může být monitorován stav starších osamocených lidí v domě a tento monitorovací systém spotřeby vody monitorovaného zařízení (případně celé budovy) může být napojen na pečovatelské služby, zahrnující zdravotní služby apod. Poptávka na trhu s komponenty určenými pro automatizaci budov v současnosti stále roste. Je to způsobeno poptávkou nejen ze strany investorů a majitelů objektů, ale také ze strany jednotlivých vlád členských zemí Evropské unie, která klade velký důraz na úspory energií v budovách. Konkrétně byla 19. Května 2010 schválena novela směrnice Evropského parlamentu a Rady Evropy 2010/31/EU o energetické náročnosti budov, která vstoupila v platnost dnem 31. května Tato novela definuje povinnosti jednotlivých států včetně, termínů plnění i sankcí. Cílem je do roku 2020 přinutit členské státy Evropské unie, aby všechny budovy, postavené od tohoto roku měly téměř nulovou spotřebu energie. Novela definuje také dílčí cíle: zavedení energetických standardů při rekonstrukci budov, motivaci trhu rozšířením a zveřejňováním energetických průkazů budov, zavedení pravidelných kontrol správné funkčnosti energetického vybavení budov a využití obnovitelných zdrojů v budovách. Novela je součástí postupně stupňujícího se boje s globálním oteplováním. Česká republika má za povinnost akceptovat tuto směrnici a může se sama rozhodnout, jak nastavit její parametry. Zde je velký prostor pro nárůst uplatnění automatizace budov a sběrnicové techniky budov. 34

35 V souvislosti s používáním správné terminologie se spolu s pojmem automatizace budov pro ovládání provozně technických funkcí v budovách objevují také další termíny jako systémová technika budov, inteligentní budovy, chytrý dům, digitální dům, domácí automatizace, automatizace budov, inteligentní elektroinstalace, moderní elektrické instalace, systémová elektrická instalace nebo domotika. Definice a odborné termíny K vyjasnění uvedených pojmů jistě poslouží následující definice: Automatizace budov, přesněji automatizační a řídicí systém budov (BASC Building Automation and Control System) je digitální měřicí, kontrolní, regulační a řídicí technika pro technické vybavení budov. Automatizovaný systém řízení je systém, který samočinně vyhodnocuje okamžitý stav snímaných fyzikálních veličin a při jejich změně nad stanovenou mez zpravidla provádí regulační zásah. Někdy může být zpráva o překročení provozních parametrů pouze předána obsluze (opticky alfanumerické hlášení, akusticky siréna apod.) a samotný zásah ponechán na rozhodnutí obsluhy. Termín automatizace budov je nadřazený a obecnější. Je v něm v podstatě zahrnuta i definice termínu systémová technika budov. Automatizace budov byla nejprve aplikována v účelových budovách pro regulaci vytápění, klimatizace a ventilace (HVAC) pomocí implementovaných DDC modulů. DDC moduly jsou nejčastěji propojeny s velínem nebo řídicím počítačem pro usnadnění ovládání, přičemž vznikaly sítě, které pokrývaly jednotlivé stanice. DDC modul (Direct Digital Controller) je monitorovací a řídicí jednotka, určená pro regulaci a řízení provozně technických funkcí v budovách a pro monitorování jejich stavů. Obr Příklad provedení řídicí jednotky (DDC modulu) 35

36 MaR je zkratka pro měření a regulaci provozně technických funkcí v budovách. Systémová technika budov (STB) je speciální částí automatizace budov. STB popisuje propojení sítí, sestavených ze systémových komponent a účastnických stanic pomocí instalační sběrnice (Installation Bus) do jednoho systému. Tento systém je sladěný s elektroinstalací tak, že zajistí funkce, provozní fungování a propojení v příslušné budově. Inteligence systému je distribuována na jednotlivé komponenty, tzv. účastníky sběrnicového systému. Informační toky probíhají mezi jednotlivými účastníky. DHCP protokol (anglicky Dynamic Host Configuration Protocol) je v informatice název protokolu z rodiny TCP/IP nebo označení odpovídajícího DHCP serveru či klienta. Používá se pro automatickou konfiguraci počítačů připojených do počítačové sítě. DHCP server přiděluje počítačům pomocí DHCP protokolu zejména IP adresu, masku sítě, implicitní bránu a adresu DNS serveru. Platnost přidělených údajů je omezená, proto je na počítači spuštěn DHCP klient, který jejich platnost prodlužuje. DHCP protokol umožňuje prostřednictvím DHCP serveru nastavovat stanicím v počítačové síti sadu parametrů nutných pro komunikaci pomocí IP protokolu (tj. využívat rodinu protokolů TCP/IP). Umožňuje předávat i doplňující a uživatelsky definované parametry. Významným způsobem tak zjednodušuje a centralizuje správu počítačové sítě (například při přidávání nových stanic, hromadné změně parametrů nebo pro skrytí technických detailů před uživateli). DHCP servery mohou být sdruženy do skupin, aby bylo přidělování adres odolné vůči výpadkům. Pokud klient některým parametrům nerozumí, ignoruje je. Technická zařízení budov (TZB) zahrnují vybavení nezbytná pro provoz budov. K nejdůležitějším technickým zařízením patří ta, která zajišťují vnitřní prostředí budovy, tzn. dodávka tepla, chladicích médií, čerstvého vzduchu, vody a elektrické energie. K tomu dále přistupují zařízení na likvidaci odpadů, zařízení pro kanalizaci a odpadní vody, výtahy atd. Klasifikace tzv. technických zařízení a vybavení budov se řídí podle profesí, které tato zařízení instalují (vodovody, kanalizace, vytápění, vzduchotechnika, elektroinstalace, větrání, klimatizace, výtahy, protipožární signalizace, žaluzie, atd.). Inteligentní dům je definován jako budova vybavená počítačovou a komunikační technikou, která předvídá a reaguje na potřeby uživatelů s cílem zvýšit jejich komfort, pohodlí, snížit spotřebu energií, poskytnout bezpečí a zábavu pomocí řízených technologií v domě a jejich interakci s vnějším světem. Jedna z nejpřesnějších definic Inteligentních budov byla podána R. J. Caffreyem (1985) z IBI (Intelligent Buildings Institute) ve Washingtonu: Inteligentní budova je taková budova, která poskytuje produktivní a rentabilní prostředí prostřednictvím optimalizace svých čtyř elementů a vztahy mezi nimi: konstrukce budovy, použitých systémů v budově, 36

37 služeb, managementu Cílem majitelů budov nebo správců majetku je, aby budova měla co nejlevnější a nejefektivnější provoz, aby měla zajištěn management energií, komfort, bezpečnost, flexibilitu při změně provozně technických funkcí v budově popřípadě, aby byla zajištěna prodejnost budovy. Jestliže tyto požadavky budova splňuje, lze ji označit jako budovu inteligentní. Výčet provozně technických funkcí v inteligentních budovách v sobě zahrnuje jednak zařízení nezbytná pro provoz budov, ale také zařízení pro zajištění komfortu, úspory energií a bezpečnosti majitele nebo uživatele budovy. Tyto provozně technické funkce lze řídit, ovládat nebo regulovat například pomocí aktorů nebo akčních členů. Těmito funkcemi jsou například vytápění, větrání, klimatizace, chlazení (HVAC - Heating, Ventilating and Air Conditioning), ohřev vody, řízení osvětlení, řízení slunečních kolektorů, vizualizace, napojení na bezpečnostní systém (elektrické zabezpečovací systémy - EZS, elektrické požární systémy - EPS, kamerové systémy - CCTV), docházkové systémy, systémy vyúčtování a úhrad provozních výdajů budov, multimédia, ovládání výtahů, centrální funkce řízení, ovládání zavírání oken, dveří, garážových vrat, vstupních bran, zastínění oken, ovládání žaluzií a markýz, zalévání, bazénové technologie, vyhřívání venkovních ploch a okapů, optimalizace využití energií (management energií) v budově, domácí kino, domácí počítač, telefon, televize, stereo video, sporák a digestoř, mikrovlnná trouba, chladnička, myčka nádobí, sušička, pračka, drobné domácí přístroje, atd. Podle účelu použití lze rozdělit inteligentní budovy do několika sektorů následujícím způsobem: průmyslový sektor což jsou automatizované průmyslové objekty atd., rezidenční sektor - inteligentní rodinné domy nebo komfortní byty, terciální sektor (účelové budovy) - inteligentní budovy s rozšířenou funkcí, kancelářské budovy, (oblast služeb ve zdravotnictví, školství, obchodní síť, bankovnictví, soudnictví, bezpečnost (policie, vojsko) a věda) atd. 37

38 Obr Příklad oblastí použití sběrnicové techniky budov Míru inteligence budovy lze rozdělit do následujících pěti stupňů. Tyto stupně na sebe navzájem navazují. Každý vyšší stupeň v sobě automaticky zahrnuje všechny schopnosti stupňů nižších. Stupni 4. a 5. se v současné době zabývají převážně výzkumné projekty. Komerčně běžně dostupná technologie pokrývá stupně 1 až 3, u některých specializovaných týmů i stupeň 4: 1. stupeň obsahující inteligentní zařízení a systémy. Dům obsahuje samostatná inteligentně fungující zařízení a systémy, které pracují nezávisle na ostatních. Příkladem může být systém řízení osvětlení, který pomocí snímače přítomnosti osoby a snímače úrovně osvětlení rozsvítí světla při vstupu člověka do místnosti pouze v případě, že není dostatek venkovního osvětlení. 2. stupeň obsahující inteligentní komunikující zařízení a systémy. Dům obsahuje inteligentně fungující zařízení a systémy, které si z důvodu zdokonalení své činnosti vyměňují informace a zprávy mezi sebou. Například po zamčení vchodových dveří se automaticky zapne bezpečnostní systém domu, vyšle se příkaz pro zhasnutí všech světel, pro stažení rolet v přízemí, pro vypnutí hudby, televizí a pro snížení nastavené teploty topení. Domácí kino v obývacím pokoji může být napojené na počítač v pracovně a umožnit tak přehrávat na něm uložené fotografie, hudbu i filmy. 3. stupeň - propojená budova. Budova je propojena pomocí vnitřní a vnější komunikační sítě. Umožňuje interaktivní vzdálené ovládání systémů, přístup ke službám a informacím odkudkoliv z domu i mimo něj. Například bezpečnostní systém v případě poplachu rozsvítí všechna světla v domě a na zahradě (zároveň zakáže jejich zhasnutí pomocí vypínačů na zdech), vytáhne rolety, roztáhne závěsy, aby bylo vidět dovnitř domu, přivolá bezpečnostní službu a umožní vzdálený přístup k záznamům bezpečnostních kamer. Zavlažovací systém pravidelně získává pomocí internetu předpověď počasí a optimalizuje množství závlahy. 4. stupeň - učící se budova. Tato budova zaznamenává aktivity v domě a používá nashromážděné údaje pro samočinné ovládání technologií podle předvídatelných 38

39 potřeb uživatelů. Příkladem může být ovládání světel a topení podle obvyklého způsobu používání. Na tomto stupni je zajímavé, že by se ušetřily náklady na programování a nastavování řídicího systému inteligentního domu, které jsou na nižších stupních nezbytné pro přizpůsobení konkrétnímu domu a zvyklostem obyvatel. 5. stupeň - pozorná budova. Aktivity a okamžitá poloha lidí a předmětů v domě jsou neustále vyhodnocovány. Technologie jsou samočinně ovládány podle předvídaných potřeb. Na rozdíl od stupně 4, kde jsou používány historické údaje, zde vše probíhá v reálném čase. Používá se zde například speciální podlaha pro snímání kroků osob pro identifikaci různých lidí a určení místa, kde se právě nacházejí. Systémová technika budov se s výhodou uplatní při rekonstrukci a výstavbě účelových budov, galerií, letišť, sportovních hal, výrobních hal, správních budov, kancelářských budov, hotelů, penzionů, bank, muzeí, pojišťoven, domovů pro seniory, nemocnic, škol, bytů, supermarketů, rodinných domů. Nejznámějšími a v praxi nejvíce rozšířenými sběrnicovými systémy jsou systémy KNX/EIB, LonWorks, BACnet pro výstavbu velkých účelových budov a větších komplexů budov. Pro menší účelové budovy a rodinné domy jsou v České republice používány sběrnicové systémy NIKOBUS, Xcomfort, Ego-n, INELS, Domintell, Devilink, MyHome, Synco Living a další. KNX/EIB je standardizovaný otevřený komunikační systém podle normy EN 50090, který se v technických systémech budov používá k informačnímu propojení účastníků sběrnicového systému (snímače, akční členy, regulátory, řídicí a regulační panely, obslužná, servisní, diagnostická, vizualizační, operátorská a dispečerská zařízení). Certifikace zařízení KNX/EIB a vývoj sběrnicových systémů je zajišťování v koordinaci s KNX (Konnex) Association ( Proto takto certifikované přístroje a sběrnice nesou označení KNX/EIB Evropská instalační sběrnice European Installation Bus/KNX. LonWorks je sběrnicový systém, standardizovaný normou EN Použitá zařízení a přístroje jsou vybaveny vlastní distribuovanou inteligencí a jsou napojeny na lokální operační síť. Pro tuto techniku se používá zkratka LON, která je odvozena z anglického termínu Local Operating Network. BACnet je zkratka pro Building Automation and Control Network. Jedná se o komunikační protokol pro automatizační a řídicí systém budov, vyvinutý mezinárodní technickou společností ASHRAE - American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers ( jehož zařízení a systémy mohou vzájemně komunikovat a vyměňovat se informace. Obecný slovník a způsob komunikace je uveden v normě ČSN EN ISO Distribuovaný řídicí systém (DCS - Distributed Control System) je složen z několika dílčích systémů, které jsou mezi sebou propojeny komunikační sběrnicí a které se společně podílejí na řízení. Tento přístup se začal v automatizaci rychle 39

40 rozvíjet a nasazovat v době, kdy vznikly výkonné a spolehlivé komunikační sběrnice, které bylo možné k tomuto účelu využít a rovněž kdy cena jednotlivých zařízení s procesorem byla čím dál nižší (a nebyl tedy tak výrazný cenový rozdíl, pokud se v řídicím systému použil jeden výkonný prvek nebo několik menších prvků). Komunikace je tedy základním předpokladem pro možnost realizace distribuovaných řídicích systémů. Výhodou DCS jsou vyšší výkonnostní možnosti, výstavba složitých systémů, úspora kabeláže pro přivedení technologických signálů, jednodušší odlaďování nové aplikace (jelikož aplikace jako celek je rozdělena mezi několik PLC - Programmable Logic Controller) a může být laděna po částech), postupné rozšiřování řídicí systém je možné postupně rozšiřovat přidáváním dalších zařízení na komunikační sběrnici. Nevýhodou DSC je nepříznivý vliv prostředí řídicí prvky jsou umísťovány přímo tam, kde je potřeba něco řídit a kde jsou potřebné signály, způsob komunikace mezi zařízeními různých výrobců (vzájemná kompatibilita, slučitelnost), vzájemná součinnost jednotlivých zařízení. Obr Struktura distribuovaného řídicího systému TP0 a TP1 - komunikační média, která umožňují přenos dat mezi jednotlivými účastníky sběrnicového systému pomocí sběrnicového kabelu, který je realizován kroucenou dvojlinkou. PL110 a PL132 komunikační média, u kterých je umožněna komunikace mezi účastníky systému přes silovou napájecí síť, např. 230VAC/50Hz. RF je zkratka pro označení radio frekvenčního komunikačního média mezi jednotlivými účastníky sběrnicového systému. Pro KNX systém se jedná o vysokofrekvenční pásmo 868 MHz. Otevřený komunikační systém Struktura otevřeného komunikačního systému je popsána v normě ČSN EN Tato norma se zaměřuje na řídicí aplikace pro otevřený komunikační systém pro byty a budovy. Pokrývá jakoukoli kombinaci elektronických zařízení spojených 40

41 prostřednictvím digitální komunikační sítě. Jedná se o specializovanou formu automatizovaného decentralizovaného a distribuovaného řízení procesu, zaměřeného na potřeby ovládání provozně technických funkcí v bytech a v budovách. Specifikace otevřeného komunikačního systému HBES (HBES - Home and building electronic systems - Elektronické systémy pro byty a budovy) obsahuje řadu mechanismů pro uvedení sítě do provozu. Nechává však na realizátorovi možnost volby nejvíce přizpůsobené konfigurace. Základními prvky otevřeného komunikačního systému jsou: modely vzájemné spolupráce a (distribuované) aplikace pro různé úlohy automatizace bytů a budov (EN , EN ), schémata konfigurace a managementu pro správné řízení všech prostředků v síti pro možnost logického spojování nebo vazby na části distribuované aplikace v dalších zařízeních (EN ), komunikační systém se souborem fyzických komunikačních médií, protokolem zprávy a odpovídajícími modely pro komunikační zásobník v každém uzlu, který podporuje všechny síťové komunikační požadavky na konfiguraci a management instalace a rovněž poskytovat hostitelské prostředí pro jeho distribuované aplikace (EN , EN ), konkrétní modely zařízení shrnuté v profilech pro efektivní realizaci a kombinaci výše uvedených prvků při vývoji konkrétních výrobků nebo zařízení, která budou montována a spojována při instalaci (EN ). Obr Model otevřeného komunikačního systému HBES 41

42 Pro koncepci aplikace otevřeného komunikačního systému HBES je nejdůležitější myšlenka datových bodů, které představují procesní a řídicí proměnné v systému (EN ). Těmito datovými body mohou být vstupy, výstupy, parametry, diagnostická data atd. (skupinové objekty a vlastnosti objektů rozhraní). Komunikační systém a protokol poskytnou omezený soubor instrukcí pro čtení a zápis hodnot datových bodů. Otevřený datový protokol HBES je tedy především datově řízený. Pro dosažení vzájemné spolupráce musí datové body implementovat normalizované typy datových bodů, seskupené do funkčních bloků. Tyto funkční bloky a typy datových bodů jsou vztaženy k aplikačním oblastem, ale některé z nich mají všeobecné použití a pojmenované funkce společného zájmu (např. datum, doba). Přístup k datovým bodům lze získat pomocí mechanismů individuálního nebo skupinového vysílání. Existují dvě úrovně, při nichž se musí instalace konfigurovat: úroveň topologie sítě a jednotlivých uzlů a zařízení, provedení vazby s nastavením parametrů, realizovaná před konfigurací distribuovaných aplikací, management sítě (EN ), který specifikuje soubor mechanismů pro aktivní zjišťování, nastavování nebo opětné vyhledávání konfiguračních dat prostřednictvím sítě. Navrhuje postupy (posloupnosti zpráv) pro přístup k hodnotám různých prostředků sítě v zařízeních pro správnou vzájemnou spolupráci všech síťových zařízení. Těmito prostředky mohou být adresy, komunikační parametry, aplikační parametry, úplné soubory dat atd. V případě, že v budově již existují skupiny zařízení, jako jsou například zabezpečovací systém, řídicí a monitorovací systém vytápění a větrání, bude existovat společná domovní komunikační brána a jediná informační linie, která podporuje jakýkoliv již instalovaný komunikační a řídicí subsystém. Komunikace mezi skupinami se vyskytuje řidčeji než komunikace zařízení ve skupině, nicméně pro tuto komunikaci může být v případě různých komunikačních protokolů a komunikačních architektur nutný překlad a přizpůsobení. Jako sjednocovací komunikační páteř mohou být s výhodou použity: internetová síť, která má dostatečnou komunikační kapacitu, jak z hlediska rychlosti přenosu dat, tak i z hlediska objemu přenášených dat. Slabé místo komunikačního systému s IT je bezpečnost dat zvláště, když k ní mají přístup další instituce. Ethernet (IEEE 802.2), Bluetooth, Wifi Wireless LAN (IEEE ), Fire Wire (IEEE 1394). 42

43 Další možností použití sjednocovací komunikační páteře může být výchozí sběrnicový systém. Příklad propojení skupin do jedné páteřní linie komunikačního systému. Obr Příklad propojení skupin do jedné páteřní linie komunikačního systému U otevřených systémů je možno používat zařízení od různých výrobců, které nejsou pouze pod jednou organizací. Je možné rovněž propojit mezi sebou odlišné sběrnicové systémy, např. KNX/EIB, BaCnet, LonWorks, přes odpovídající převodník (interface). Zjednodušeně řečeno, převodník (interface) převádí datový protokol (telegram) jednoho sběrnicového systému na datový protokol (telegram) druhého sběrnicového systému pro vzájemný přenos informací. Technické požadavky na systémovou techniku budov V osmdesátých letech minulého století se přední výrobci a dodavatelé elektroinstalační techniky jako jsou Siemens, Gira, Jung, Becker, Insta a Merten domluvili na založení společnosti Instabus Gemenschaft. Jejich cílem bylo vyvinout vhodný systém pro měření, řízení, regulaci a sledování provozních stavů v budovách. Tato zařízení měla splňovat následující podmínky: projektování a realizace elektroinstalace musí být jednoduché, požadavky na dodatečné změny a rozšiřování v navržené elektroinstalaci musí být jednoduše realizovatelné, nestejné délky vedení a odchylky ve výstavbě systému nesmí vyvolat provozní těžkosti, nároky na odbornost při projektování, instalacích, změnách, servisních pracích a opravách musí být úměrné znalostem běžného elektroinstalatéra, 43

44 musí se jednat o decentralizovaný systém, systém musí odpovídat platným normám, systém musí umožňovat pozdější přidání aplikací, které v začátcích nejsou požadovány. Technické požadavky na tyto systémy musely splňovat následující podmínky: síťová struktura vedení musí být bez zakončovacího členu, musí být zajištěno propojení až 126 větví, na jednu větev může být připojeno maximálně 256 účastníků, přenosová rychlost pro přenos informací a dat musí být 1200 až 9600 bit/s, přenos dat musí být symetrický, délka větve má být do 500m, sběrnicové vedení má být provedeno ve formě twistované (kroucené) dvojlinky, přenos základního pásma informačního balíku musí být bez další modulace, přenos řeči po samostatném páru vodičů. Hierarchické struktury automatizace budov a systémové techniky budov Hierarchická struktura automatizace budov (úrovňový model) Při projektování a implementaci jednotlivých elektrických zařízení použitých pro výkon monitorovacích a řídicích funkcí v budovách je nutné vycházet z hierarchické struktury automatizace budov. 44

45 Obr Hierarchická struktura automatizace budov (úrovňový model) Nejnižší úroveň - snímače a akční prvky V bezprostřední blízkosti procesů jsou umístěny snímače, nutné pro zachycení informací o systému. Na této nejnižší úrovni výše uvedené hierarchie se používají snímače teploty, průtokoměry, snímače pro snímání stavu např. hlídač námrazy. Akční prvky umožňují vlastní řízení a ovládání technických zařízení. U vzduchotechnických zařízení jsou to například ventily k regulaci průtokového množství u oběhového vytápění nebo servopohon k nastavení klapky pro zvýšení podílu venkovního vzduchu v budově. 45

46 Obr Snímače a akční členy v blízkosti provozně technických procesů Interface provozně technických zařízení Jako provozně technické interface jsou označovány svorkovnice pro připojení rozvodů. Svorkovnice jsou umístěné v rozvaděči. Zde je zajištěno propojení mezi snímači, akčními členy, ovladači s DDC moduly. DDC moduly jsou umístěny ve skříni rozvaděče co nejblíže provozně technických zařízení pro snížení délky rozvodů a kabelových vedení. MaR Realizace řídicích a regulačních funkcí je zajišťováno prostřednictvím jednotlivých DDC modulů. Propojení s nadřazeným počítačem není nutné. Na této úrovni lze využít u DDC modulů funkce, které zajišťují energeticky úsporný provoz. Příkladem může být řízení přívodu vnějšího vzduchu nastavením klapek vzduchotechniky do optimální polohy v závislosti na vnější teplotě a podle požadavku na větrání místnosti. Pokud se pro nadřazené řízení a regulaci požadují dodatečné řídicí funkce, převezme tyto nadřazené řídicí funkce jednoúčelově optimalizovaný DDC modul. 46

47 Management budov Obr Svorkovnice a DDC moduly Alternativou výše uvedeného řešení je zpracování nadřazených řídicích a regulačních funkcí řídicím počítačem, který patří do úrovně managementu. Informace od všech připojených zařízení jsou připojeny do počítače. Počítač je tímto k dispozici pro úroveň management budov. Na počítači jsou nainstalovány programy zajišťující záznam všech událostí, alarmů, archivaci měřených hodnot a grafickou prezentaci vizualizaci stavu provozně technických funkcí v budově. 47

48 Obr Vizualizace řízení vzduchotechniky pomocí řídicího počítače Na tomto principu je založen přenos informací k dalším výpočetním systémům. Lze tak například přenášet hodnoty odečtené spotřeby energie z elektroměrů od jednotlivých spotřebitelů do nadřazeného systému zúčtování Hierarchická struktura systémové techniky budov (úrovňový model) U systémové techniky budov se hierarchická struktura liší od předchozí struktury v redukci tří úrovní: měření a regulace, svorkovnice ve skříňovém rozvaděči, snímače, akční členy a ovladače do jedné úrovně, ve které jsou všechny ovládací prvky systémové techniky budov. Příkladem redukce jednotlivých úrovní hierarchie do jedné úrovně je pětinásobný senzor s tlačítkovým ovládáním a integrovaným termostatem (Busch-triton). Senzor se nachází přímo v přístroji a naměřenou hodnotu teploty předává k bezprostřednímu zpracování do procesoru, který je umístěný ve stejném zařízení. 48

49 Obr Hierarchická struktura systémové techniky budov Dodatečně je možné požadovanou hodnotu teploty místnosti nastavit a upravit při programování. Pětinásobným snímačem s tlačítkovým ovládáním lze vyslat řídicí povely k akčním členům, ovládajícím lokální operace osvětlení, stmívání, spuštění žaluzií, větrání. Horní tři tlačítka lze použít k ovládání osvětlení a žaluzií. Spodní dvě tlačítka mohou sloužit k řízení světelných scén. Na druhé úrovni je možno ovládat vytápění a chlazení. Na displeji jsou pak vidět následující informace: aktuální teplota, nastavená hodnota a provozní režim. Způsoby provedení elektroinstalací v budovách V současné době se pro realizaci elektroinstalací v budovách a bytech používá široký výběr přístrojů a zařízení. Podle použití těchto přístrojů a podle způsobu provedení elektroinstalace v budovách lze rozdělit současné způsoby elektroinstalace do dvou skupin: klasická (konvenční) elektroinstalace, systémová elektroinstalace. Klasická (konvenční) elektroinstalace 49

50 Princip činnosti jednotlivých komponent u klasické elektroinstalace a u systémové techniky budov (sběrnicové elektroinstalace) je poněkud odlišný. U klasického řešení slouží k přenosu informace (zapnuto/vypnuto) silové vedení. Klasická elektroinstalace se skládá z různých samostatných obvodů (např. obvod pro zapínání osvětlení, obvod pro zapínání topení, obvod pro ovládání rolet a žaluzií atd.). Zapojení je u klasické elektroinstalace pevné, neměnné (sekání drážek do zdi atd.). Po zadání požadavků na projekt klasické elektroinstalace zákazníkem a po jeho provedení už nelze provádět změny v projektu bez dodatečných nákladů. Obr Blokové schéma propojení zařízení u klasické elektroinstalace Druhy přístrojů, používaných pro klasickou elektroinstalaci: ochranné přístroje - jističe, proudové chrániče, ochrany proti přepětí atd., silové zásuvky, sdělovací technika, kontaktní přístroje - relé, stykače atd., elektronické přístroje - spínače, stmívání světel, dálkové ovládání atd., měřicí přístroje - elektroměry, čidla atd., elektroinstalační materiál - propojovací vodiče, kabely, svorky, svorkovnice, elektroinstalační krabice, rozvodnice. Nevýhody klasické elektroinstalace v budovách: změny v projektu znamenají pro zákazníka vysoké náklady (zpravidla jsou spojeny se sekáním a vrtáním do zdí), 50

51 při velkém množství kabelů se stává situace často nepřehledná (zvláště při elektroinstalaci u velkých budov), požadavek na propojení různých funkčních okruhů mezi sebou, např. zapnout světlo, když se spouští rolety, přináší dodatečné vyšší finanční náklady, náročnou rekonstrukci elektroinstalace, větší počet vodičů a tím i zvýšené nebezpečí požáru a stále komplikovanější vedení rozvodů. Systémová elektroinstalace (Sběrnicové systémy) Sběrnicová technika spojuje klasická silnoproudá zařízení s postupy a technologiemi řídicích systémů a slaboproudých zařízení. Podle nabídky na trhu lze řídicí systémy pro provedení moderní elektroinstalace v budovách rozdělit na: centralizované systémy, decentralizované systémy, hybridní (částečně decentralizované) systémy. Centralizovaný řídicí systém U centralizovaného systému (ovládání elektrických spotřebičů) jsou vstupy (tlačítka, snímače, senzory) a výstupy (ovládají provozně technické funkce) s centrálním řízením. Každý účastník (senzor, případně spotřebič) má vlastní spojení s centrálním řízením. Účastníci mohou vzájemně komunikovat jen prostřednictvím této centrály. Toto uspořádání je obvyklé například u programovatelných automatů PLC (PLC - Programmable Logic Controller). Na trhu se objevují například PLC Alpha Mitsubischi, TSX Nano - Schneider Electric, Tecomat TC400 - Teco, EH-Micro - Hitashi, Millenium I a II - Crouzet, Promos Logic - Elsaco, SAIA DDC-Compact PCS1 - SAIA--Burgess Controls a FEC20 - Festo-Beck, mikrosystémy od firmy Siemens LOGO! a Simatic S Výhodou centralizovaného řídicího systému je jeho účinnost, je vhodný, pokud není složitý, jednodušší údržba, jednodušší návrh aplikačních programů. Nevýhodou je omezená kapacita řídicí jednotku lze rozšiřovat jen do maximálního počtu modulů pro daný typ, je tedy většinou nutné, aby jednotka měla určitou rezervu pro případné rozšíření systému, při poruše havaruje vše, rozsáhlá kabeláž pro přivedení technologických signálů. 51

52 Obr Struktura centralizovaného řídicího systému Obr Implementace centralizovaného řídicího mikrosystému LOGO! v budovách Decentralizovaný řídicí systém O řídicím systému decentralizovaném mluvíme tehdy, má-li každý účastník sběrnice vlastní "inteligenci (mikroprocesor s pamětí). Termínem účastník jsou zde míněny 52

53 senzory a aktory. Každý účastník je přímo připojen na sběrnicové vedení. Neexistuje žádné centrální řízení. Tímto způsobem je zajištěna větší spolehlivost provozu. Decentralizované systémy se používají u plošně i technologicky rozsáhlých systémů. Hlavní výhodou je, že lze data z jednoho senzoru použít pro více aktorů, čímž ušetříme u rozsáhlých technologií za instalační materiál a samotné senzory. Příkladem použití jednoho senzoru pro více funkčních částí může být senzor otevření okna. Senzor použijeme v bezpečnostním okruhu, v okruhu vytápění i pro chlazení objektu. Obr Princip zapojení decentralizovaného řídicího systému Jako příklad decentralizovaného řídicího systému jsou uvedeny: sběrnicový systém KNX/EIB (firmy Siemens, ABB, Schneider Electric). LonWorks, BaCnet. U sběrnicových systémů je informační složka od silového napájení oddělena a je přenášena po samostatném dvojvodičovém vedení (datové sběrnici) v podobě určitého kódu, datového protokolu. Datový protokol je soustavou definovaných pravidel, podle nichž se musí uskutečňovat a probíhat komunikace mezi účastníky sběrnicového systému (senzory, aktory). Termínem datová sběrnice se v této oblasti rozumí přenosové médium, ke kterému jsou připojeni účastníci sběrnice. Instalační sběrnici tvoří dva vodiče vedení. Instalační sběrnice se používá pro: přenos informací, napájení připojených senzorů. Celkový provoz instalační sběrnice je zajišťován pomocí systémových přístrojů a příslušenství (jako jsou napájecí zdroje, liniové spojky, tlumivky). 53

54 Zadávání informací do sběrnicového systému zprostředkovávají tlačítka nebo snímače fyzikálních veličin, označované jako senzory. Požadované napájecí napětí pro senzory je zajištěno ze sběrnice. Senzory mohou být například snímače teploty, snímače tlaku, snímače větru, vypínače, různé převodníky. Spínání nebo spojitou regulaci pro ovládání provozně technických funkcí zajišťují aktory. Akční členy nebo aktory jsou nejčastěji používány pro ovládání provozně technických funkcí v budovách v provedení jako: spínací aktory, jenž spínají elektrické spotřebiče zapojené v zásuvkách (rychlovarná konvice, žehlička, televize), motory (čerpadla, ventilátory), chladící jednotky, topení, stmívací aktory pro plynulou regulaci stmívání osvětlení, roletové aktory pro ovládání rolet, garážových vrat, žaluzií, markýz, vstupních bran. Akční členy jsou součástí silových rozvodů. Při jejich zapojování do jednotlivých jištěných okruhů je nutné dodržet základní pravidla, předpisy a normy o jištění a dimenzování vodičů v elektrických instalacích. Aktory vykonají požadovaný úkon na základě přijaté informace od ostatních účastníků sběrnice. Aktory a senzory si po sběrnici vyměňují informace (data) a jsou označováni jako účastníci sběrnice. Základní popis sběrnicového systému: sběrnice je napájena bezpečným malým napětím (SELV), paralelní připojení účastníků sběrnice umožňuje dodatečné a jednoduché rozšíření systému o další prvky. Důvody pro zavádění sběrnicové instalace: vyšší komfort ovládání přístrojů a zařízení v budovách a v domácnostech, zavedení bezpečnostních provozně technických funkcí, jako např. rozbití oken, hlídání bytu v době nepřítomnosti atd., možné úspory energie, možnost signalizace poplachu, možnost centrálního ovládání všech provozně technických funkcí v dané budově. Hybridní (částečně decentralizovaný řídicí systém) V hybridním systému jsou vstupy (senzory, sběrnicová tlačítka) zapojena na sběrnici, zatímco ovládané provozně technické funkce jsou připojeny na řídicí jednotku (aktor). Hybridní systémy se používají u funkčně rozsáhlejších aplikací, které jsou soustředěny na menší ploše. U těchto systémů je kladen větší důraz na celkovou 54

55 cenu instalace než na pozdější variabilitu. Cena klesá především tím, že soustředíme více stejných funkcí do jednoho vícenásobného modulu (do jednoho akčního členu, aktoru). Příkladem řídicího systému je sběrnicový systém Nikobus firmy Eaton. Obr Blokové schéma částečně decentralizovaného řídicího systému 3.4. Sběrnicový systém KNX Všeobecný popis sběrnicového systému KNX KNX je celosvětový standard pro řízení provozně technických funkcí v budovách. Tvůrcem a vlastníkem této technologie je asociace KNX. Díky certifikaci produktů na základě standardu KNX je zaručena vzájemná kompatibilita výrobků různých firem, což představuje vysokou úroveň flexibility. Tato certifikace je prováděna v nezávislých laboratořích. Obr Postup procesu certifikace produktů KNX V České republice jsou v současnosti dvě střediska, která tuto licenci mohou udělovat na základě úspěšně absolvované zkoušky. Od roku 2006 školicí centrum ABB Elektro-Praga v Jablonci nad Nisou, které také od roku 2009 patří mezi 15 55

56 prestižních školících center certifikovaných pro pořádání nadstavbových kurzů ADVANCE. Další školicí centrum otevřela Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně ve spolupráci s firmou Schneider Electric v lednu Technologie KNX je označována jako decentralizovaný sběrnicový systém, který nepotřebuje ke svému provozu PC ani žádnou centrální řídicí jednotku. Veškeré informace data jsou uložena v mikroprocesorech jednotlivých prvků, neboli účastnících sběrnice (US), kteří spolu komunikují na základě skupinových adres formou telegramů. Všichni účastníci sběrnice jsou na stejné úrovni (multi master komunikace). Uvedení do provozu se provádí pomocí softwaru ETS (Engineering Tool Software). Systém KNX poskytuje rozmanité aplikační možnosti integrace různých technologií. Obr Aplikační možnosti systému KNX Obr Příklad topologie sběrnicového systému moderní elektroinstalace Legenda k obrázku: 56

57 1, 2, 3, 4 - senzory, které jsou připojeny na sběrnici 24 V DC (SELV), 5, 6, 7, 8 spotřebiče jsou připojovány k rozvodné síti 230VAC/50Hz pomocí spínacích akčních členů s označením 9. Využití nachází systém KNX při řízení provozně technických funkcí administrativních budov, obchodních center, zdravotnických zařízení a ústavů, bank, architektonických objektů, ale i v průmyslu. Tento systém řízení tedy přináší nejen komfort ovládání, ale především účinný nástroj pro efektivní řízení provozně technických funkcí. Samostatnou kapitolou je jeho implementace v rodinných domech, zde již nejsou úspory prioritním důvodem nasazení daného systému, ale hlavní důvod tu představuje komfort a prestiž, který instalace systému KNX přináší. Dovoluje také takřka neomezené možnosti při výběru ovladačů, které uspokojí každého více, či méně náročného zákazníka, a stejně tak i otevírá možnosti architektům dotvořit interiér do posledního detailu. Historie a vznik KNX Vznik sběrnicového systému KNX začíná v roce 1986, kdy firma Siemens započala s vývojem sběrnice Instabus. Vývojoví pracovníci společnosti Siemens už od počátku uvažovali o nutnosti rozšíření systému na široké spektrum produktů. Následně v roce 1987 Německé firmy Siemens, Berker, Gira, Jung, Insta a Merten založily společnost Instabus Gemeinschaft. Hlavním cílem této společnosti bylo vyvinout systém pro měření, řízení, regulaci a monitorování provozních stavů v budovách. Tento záměr se shledal s nečekaným zájmem předních evropských výrobců elektrotechniky a společnost Instabus Gemeinschaft se přeměnila na nadnárodní nezávislou organizaci, z níž v květnu roku 1990 vznikla asociace EIBA (European Installation Bus Assotiation ) se sídlem v Bruselu. Hlavním cílem této asociace bylo zavedení standardu EIB jako ukazatele kvality, kompatibility a přizpůsobit se technologii systémové techniky budov. Výhodou této standardizace byla garantovaná nezávislost na konkrétních výrobcích při spolupráci zařízení různých výrobců v jednom systému. Toto se již od počátku ukázalo jako krok správným směrem, což oceňovali hlavně investoři pro obrovskou variabilitu systému, možnost dalšího rozšiřování a nezávislost na konkrétním výrobci. Decentralizací bylo také dosaženo maximální spolehlivosti, protože při poruše jednoho prvku došlo k ovlivnění pouze funkcí tímto prvkem ovládaných, případně vykonávaných, ostatní účastníci zůstávali funkční i nadále, což tento systém posunulo daleko před systémy s centrální řídicí jednotkou, kde při jejím selhání došlo k celkovému kolapsu systému. Současně se vznikem systému EIB vzniká ve Francii systém BCI (BatiBUS Club International), hlavním iniciátorem je zde firma Merlin-Gerin. 57

58 Za zmínku dále stojí organizace EHSA (European Home System Association), která přichází na trh se systémem komunikujícím přímo po silových vodičích, což upřednostňovali zejména výrobci spotřebičů a zábavní elektroniky. Od roku 1996 z obavy před příchodem amerického systému LON dochází k jednání o sjednocení těchto tří předních evropských standardů a v roce 1999 vzniká právě sjednocením EIB, EHS a BCI asociace Konnex KNX Association. V roce 2002 tak vzniká standard KNX, který je založen na platformě EIB. V prosinci roku 2003 je protokol KNX s přenosovými médii TP (Twisted Pair kroucený pár) a PL (Powerline silové vedení) uznán národními evropskými komisemi a ratifikován v CENELEC Technickým výborem jako evropská norma EN V roce 2005 je standard KNX schválen americkou normou (ANSI / ASHRAE 135). O něco později, v polovině roku 2006, je uznán i přenos RF (Radio Frequency radiový přenos) a v listopadu roku 2006 je protokol KNX včetně všech přenosových médií (TP, PL, RF a IP) schválen jako mezinárodní norma ISO/IEC x. Následně v roce 2007 je standard KNX schválen také v Číně (GB/Z 20965). Tím se KNX stává jediným celosvětově otevřeným standardem pro systémovou techniku budov. Systémová specifikace přenosová média Pro přenos dat mezi účastnickými stanicemi mohou být využita různá média: Twisted Pair kroucený pár KNX.TP, Power Line silové vedení KNX.PL, Radiový přenos KNX/RF, Ethernet KNXnet/IP, Optická vlákna. Systém KNX nabízí v tomto směru naprostou flexibilitu. Při instalaci je možné volit ze všech pěti dostupných přenosových médií, případně je lze vzájemně kombinovat. Nicméně nejpoužívanější a také nejrozšířenější, co se týká rozmanitosti prvků, je systém KNX TP (Twisted pair) vycházející z původního standardu EIB. KNX.TP - Twisted pair (TP), (kroucený pár) Jako komunikační medium (sběrnicové vedení) pro přenos dat se využívá samostatného kabelu s dvěma kroucenými páry vodičů s průměry měděných jader 0,8 mm (např. JYSTY 2x2x0,8; YCYM 2x2x0,8: barva vodičů červená černá (pracovní pár), se používá pro přenos dat a pro napájení účastníka elektrickou energií, barva vodičů bílá žlutá (rezervní pár), pro přídavné napájení účastníka. 58

59 Obr Popis sběrnicového kabelu YCYM 2x2x0,8 Tímto kabelem se propojují všechny KNX sběrnicové přístroje účastníci sběrnice (snímače, akční členy a kontroléry) a také veškeré pomocné přístroje (komunikační rozhraní, napájecí zdroje). Použitý kabel musí být stíněný z důvodu možného rušení vlivem naindukovaných rušivých signálů. Rychlost přenosu informací na této datové sběrnici je 9600 bit.s -1, což bylo převzato ze standardu EIB a zaručuje tak naprostou kompatibilitu se stávajícími instalacemi. Kabel je vybaven izolačním pláštěm zelené barvy v souladu s požadavky ČSN EN pro sběrnice v KNX instalacích. Ve vzdálenostech po 1 m je označen jako sběrnicový kabel pro KNX instalace. Izolační plášť kabelu je ověřen zkušebním napětím 4 kv vyhovuje pro soustavy bezpečného malého napětí SELV. To dovoluje klást sběrnicový kabel vedle silových vedení nízkého napětí. Tento typ přenosového média se používá nejčastěji u novostaveb. Vedení (TP) se může pokládat pod omítkou v suchém, vlhkém i mokrém prostředí. KNX.PL - Power-line (PL), (silové vedení) V některých případech (např. při rekonstrukci především historických objektů, při dodatečném zvyšování komfortu a úspor energií v bytové sféře) se pro komunikaci využívají přímo silové vodiče sítě nízkého napětí 230/400 V AC Výhoda KNX.PL se projevuje zejména tehdy, když se stávající rozvodná silová síť musí využít pro přenos dat, kde se žádné samostatně oddělené vedení sběrnice nemůže položit. Datové signály se takto překrývají (superponují) sinusovým napětím napájecí sítě. Typickými aplikacemi pro tento systém přenosu jsou: spínání a stmívání osvětlení, ovládání pohonů a žaluzií, přenos analogových hodnot, časové a centrální funkce, simulace přítomnosti, řízení vytápění, spolupráce se zabezpečením objektu vizualizace dotykovými displeji. Celý systém Power - line je tvořen řadou přístrojů, které lze rozdělit do tří skupin: 59

60 snímače a spínací přístroje, akční členy, systémové přístroje a příslušenství. Power-line pro KNX existuje stejně jako KNX.TP ve dvou variantách, které nesou označení KNX PL 110 a KNX PL 132. Číselná hodnota je vždy odvozena ze střední frekvence, která je vypočítána z rozsahu frekvencí pro log. 0 a log. 1. Vztáhneme-li tuto myšlenku na verzi KNX PL 110 je patrné, že střední frekvence je tedy f = 110 khz a pro přenos log. 0 se využívá kmitočet o hodnotě f 0 =105,6 khz a pro log. 1 kmitočet f 1 = 115,2 khz při použitém klíčování frekvence v metodě rozložení pásma, tzv. SFSK (Spread Frequency Shift Keying). Přenosová rychlost u této varianty je nastavená na 1200 bit/s, kdežto u varianty KNX PL 132 převzaté ze systému EHS je 2400 bit/s. Přenosová rychlost u verze PL 110 je dostatečná a pro přenos 1 bitu je zapotřebí časového intervalu o velikosti 833 μs, což postačuje na přenos 6 telegramů za sekundu. Při přenosu informací je vždy patřičný kmitočet pro logickou hodnotu superponován na síťové napětí elektrického vedení a signály jsou poté přijaty trvale připojenými síťovými spojkami, v nichž se průběžně převádí na digitální hodnoty porovnávané v korelátorech (komparátor pravděpodobnosti) s uloženými digitalizovanými referenčními frekvenčními vzorky. Síťová spojka obsahuje vždy pár korelátorů pro oba možné stavy bitu, logicky pro 0 a 1. Korelátory poté dle vypočítané pravděpodobnosti odvodí logickou hodnotu a rozhodnou, zda bude například akce provedena, či nikoliv. Ovšem díky nedefinovaným síťovým poměrům (šum) může nastat situace, kdy odvozená hodnota nebude spadat ani do jedné z úrovní a proto bude tento případ odmítnut. 60

61 Obr Schéma zapojení systémové instalace Powernet KNX/EIB Systém vytvořený použitím KNX PL 110 nabízí logické adresování kompatibilní s KNX TP1. Maximálně může být nasazeno 8 oblastí (15 oblastí u KNX TP 1) se 16 liniemi po 256 účastnících s přístupem na sběrnici CSMA. U menších projektů, kterým postačí rozsah jedné linie a odpadá tak rozdělení do více linií, či do oblastí, jsou všechna zařízení datově spojena ve všech 3 fázích rozvodnou silovou instalací 230/400 V AC. Oblast signálu instalace KNX PL 110 se však technicky odděluje pásmovými zádržemi (PZ) od distribuční sítě. Zádrž slouží zejména k odfiltrování rušivých signálů a oddělení více zařízení v jedné budově fyzické oddělení. U rozsáhlých instalací se sběrnicová zátěž redukuje již zmíněným logickým a fyzikálním rozdělením do oblastí. Oblastní spojky pak zajistí selektivní přenos telegramů v rámci sousedních oblastí (sdružování oblastí), přičemž propojení mezi jednotlivými oblastními spojkami je vytvořeno samostatným datovým vedením. Napájení datového vedení oblastních spojek je technicky řešeno zdrojem napětí o velikosti 24 V DC. Příklad instalace KNX PL 110 je uveden níže. Alternativně se může instalace rozšířit ještě o další systémové přístroje, síťové spojky, mezifázové spojky, opakovač a přenosové rozhraní tzv. mediální spojky umožňující propojení zařízení KNX TP1 se zařízeními KNX PL

62 Obr Princip techniky přenosu dat KNX.PL po síťovém vedení Telegram přenosu PL Skladba telegramů pro přenos v KNX/EIB Powernet je následující: Tréninková sekvence umožňuje automatické nastavení citlivosti přijímačů, které nastaví svůj příjem podle okamžitých podmínek v síti. Úvodní pole má dvě funkce. Označuje začátek přenosu a řídí přístup na sběrnici. Telegram následuje po úvodním poli. Každému přenášenému bytu se připojí navíc 4 bity zkušebních informací, jimiž lze korigovat jednobitovou chybu a rozpoznat chybu víceúčelovou. Systémové ID je pole, kterým je zakončen každý telegram. Obsahuje 8 bitů (+4 bity pro zkušební informace) a může být projektantem instalace nastaven v rozmezí hodnot 1 až 254. ID0 je rezervován pro předání informace všem účastníkům sítě. Cílem systému ID v KNX/EIB Powerline instalacích umístěných blízko sebe je předejít vzájemnému ovlivňování. Proto každé KNX/EIB Powerline instalaci musí být přiřazeno jednoznačné ID. 62

63 Telegram PL s odpovědí Obr Telegram přenosu Telegram s odpovědí je výsledkem přijatého telegramu. Musí být přijat vysílačem po určité době. V porovnání s KNX TP1 existují pouze dva odpovědní telegramy: ACK: přenos byl úspěšný, NACK: přenos byl neúspěšný. Tento odpovědní telegram bude použit pouze systémovou spojkou. Telegram s odpovědí obsahuje rovněž tréninkové sekvence a úvodní pole. Potom následuje telegram s odpovědí (8 bitů a 4 přídavné zkušební bity). Dojde-li k výpadku telegramu s odpovědí, bude telegram zopakován. Obr Telegram s odpovědí Telegram s odpovědí nesmí být vyslán všemi adresovanými účastníky, nýbrž pouze jedním akčním členem na jednu skupinovou adresu. Pro zabezpečení systémové instalace KNX/EIB Power-line proti příchozím poruchám přicházejícím po vedení ze sítě a současně i pro zabránění útlumu přenášených signálů venkovním vedením se na vstupu každé instalace používají selektivní filtry. Tyto filtry jsou jednopólové a zapojují se do přívodu v sérii s hlavním jističem. V jedné instalaci KNX/EIB Power-line lze vytvořit nejvýše 8 oblastí, v každé z nich může být až 16 linií. Jedna linie může obsahovat až 256 přístrojů. Jedna instalace tedy může obsahovat až účastnických přístrojů. Vzájemná komunikace mezi jednotlivými liniemi a oblastmi je zabezpečována tzv. opakovači (obdoba liniových spojek pro komunikaci po sběrnici). KNX RF - Radio frequency 63

64 Při rekonstrukci elektrických instalací, ale někdy i v nových objektech nastávají určité situace, kdy na místo určené pro umístění přístroje KNX/EIB nelze skrytě přivést vedení sběrnice (nejčastěji se to týká tlačítkových snímačů). Přitom podstatnou část systémové instalace lze uskutečnit přenosem po sběrnici. V takových případech může být výhodným k obousměrné komunikaci použít vysokofrekvenčního přenosu KNX RF. Jedná se o radiový bezdrátový přenos, který je přenášen na frekvenci 868 MHz, vysílací výkon je běžně 10 mw, maximálně 25 mw, a přenosová rychlost 16,4 kbit.s- 1. Vysílací dosah je cca 30 m uvnitř budov, ve volném prostoru až 300 m. KNX IP - IP/Ethernet Nejmladší technologií je přenos prostřednictvím IP telegramů, z čehož vyplývá, že k přenosu se využívají běžné ethernetové sítě. Nejčastěji se používá pro monitorování, vizualizace a vzdálenou správu, nebo také je možné nahradit páteřní linii systému KNX.TP ethernetovou linkou, která je mnohem rychlejší. Optická vlákna LWL - Lichtwellenleiter Kabelů s optickými vlákny se využívá tam, kde je nutné překonat větší vzdálenosti, především když je potřeba vyhnout se instalaci přístroje pro ochranu před výboji a přepětím tam, kde pokládané vedení zasahuje za hranice pláště budovy nebo jejího pozemku. Topologie systému KNX/EIB Systém KNX/EIB byl vytvořen tak, aby snadno řídil provoz všech provozně technických funkcí jak v malých budovách, tak i v těch nejrozsáhlejších objektech. Proto byla navržena struktura jednotlivých částí systémové instalace umožňující bezproblémovou komunikaci v budově libovolné velikosti. Silová síť - napájení Jako u klasické elektroinstalace, tak i u instalace KNX/EIB musí být připojeny jednotlivé spotřebiče, ovládající provozně technické funkce, na silovou napájecí soustavu 230/400 V (např. motory, servopohony, svítidla atd.) s dodržením všech zásad pro správné dimenzování a jištění vedení a spotřebičů pro připojení na nízké napětí. Komunikační síť sběrnice KNX Pro instalaci KNX/EIB musí být kromě napájecí silové sítě vyprojektována a zřízena komunikační síť. Aby instalace KNX/EIB fungovala bez poruch, musí projektant správně vyspecifikovat systémová zařízení, akční členy a snímače, které se v odborné literatuře označují jako účastníci sběrnice (US = sběrnicový přístroj). US jsou připojeni na sběrnicovou síť, po které je zajištěna výměna informací mezi jednotlivými účastníky sběrnice. 64

65 Silová a komunikační síť jsou od sebe galvanicky oddělené, což vyžaduje i použití různých typů vedení. Potom projektant určí, kam budou jednotlivé přístroje KNX/EIB (US) v budově umístěny a jakým způsobem budou US propojeni pomocí komunikační sběrnice. Tento způsob strukturalizace celého sběrnicového systému se označuje jako jeho topologie. Topologie popisuje strukturu systému s ohledem na komunikačně technické vazby jednotlivých komponent (účastníků), které ji vytvářejí. Popisuje se pomocí síťových grafů. Obr Příklad topologie síťová konfigurace KNX/EIB Síťový graf je sestaven z uzlů a větví (nebo z hran). Uzly komunikační sítě jsou jednotlivé přístroje KNX/EIB, které jsou spojeny minimálně s jedním dalším přístrojem. Spojení dvou uzlů v jedné linii se realizuje pomocí dvoužilového vedení sběrnice KNX.TP. Spojení je možné uskutečnit rovněž rádiovým přenosem KNX.RF. Obr Příklad topologie síťový graf KNX/EIB 65

66 Topologie KNX TP se skládá ze čtyř úrovní a může obsahovat maximálně zařízení. Základní topologické prvky - účastníci sběrnice KNX/EIB Základním topologickým prvkem systémové instalace KNX/EIB je účastník sběrnice, přístroj připojený ke sběrnici (snímač, aktor (akční člen), logický prvek, vizualizační přístroj atd.). Každému z těchto prvků náleží grafický symbol, který se používá v projekčním software (ElCad, AutoCad, WsCad) pro tvorbu projektů. Písmeno n ve značce na obrázcích se nahrazuje číslovkou, vyznačující násobnost daného přístroje (např. n=5 pro pětinásobný tlačítkový snímač). Nejčastěji používanými grafickými prvky jsou tlačítkové snímače. a) b) c) d) e) Obr Grafické značky některých snímačů KNX/EIB: a) tlačítkový snímač, b) snímač osvětlení, c) snímač pohybu, d) snímač teploty, e) snímač infračerveného záření Podobně je to u aktorů, kde např. n=12 znamená, že se jedná o dvanáctinásobný spínací akční člen. a) b) c) d) e) Obr Grafické značky některých akčních členů KNX/EIB: a) spínací aktor, b) žaluziový aktor, c) spínací a stmívací aktor, d) analogový aktor, e) spínací aktor, kombinovaný se snímači Linie KNX/EIB Dalším topologickým prvkem systémové KNX/EIB instalace je linie, která může obsahovat nejvýše 256 základní topologických prvků, účastníků sběrnice jako jsou snímače, akční členy, logické prvky, komunikační rozhraní atd. Každá linie musí být vybavena vlastním zdrojem napájení, který je vybaven tlumivkou. 66

67 Obr Linie KNX/EIB s přístroji Každému přístroji na sběrnici KNX/EIB přiřazuje projektant postupně pořadová čísla od 0 do 255. Číslice 0 je vyhrazena pouze pro liniovou spojku (LS). Příkladem může být označení individuální adresy O. L. 0 pro liniovou spojku je liniová spojka, která je připojena ve 12. linii, 1. oblasti na hlavní linii 1. oblasti. Žádné z použitých čísel na linii se nesmí opakovat. Oblasti KNX/EIB Pro větší budovy, kde je větší počet účastníků sběrnice, nestačí obsazení přístroji v jedné linii. Jednotlivé linie (nejvýše 15) se připojují na hlavní linii do společných oblastí. Pod pojmem oblasti si lze představit např. jedno podlaží v domě. Na chodbě každého podlaží jsou vodiče, na které jsou ve stanovených místech připojeny přístroje na sběrnici. Každá linie je připojena k hlavní linii pomocí liniové spojky (LS). Díky tomuto připojení lze mezi sebou propojit 15x256=3840 přístrojů. Obr Uspořádání linií do oblastí KNX/EIB 67

68 Páteřní linie KNX/EIB Ve velmi rozsáhlých instalacích nestačí ani 15 plně obsazených linií. Potom je potřeba další linie uspořádat do dalších nebo i do několika oblastí, které se vzájemně propojují oblastními spojkami (OS). První (nejvyšší) úroveň tvoří páteřní linie (PL), (backbone line), na které může být až 15 oblastí hlavních linií (HL), (main line), které se k páteřní linii připojují pomocí oblastních spojek (OS), (area coupler). Na každé hlavní linii může být napojeno dalších 15 linií (line), které se připojují přes liniové spojky (LS), (line coupler) a mohou obsahovat až 256 účastníků rozdělených do čtyř větví, kde každá větev může mít maximálně 64 účastníků, z toho první větev se připojuje přímo k liniové spojce, další tři větve se připojují pomocí liniových zesilovačů. K identifikaci jednotlivých účastníků slouží individuální, neboli fyzická adresa, na jejímž základě lze jednoznačně rozpoznat, které linii, případně oblasti prvek náleží. Tato fyzická adresace je 16 - ti bitová a je má následující formát: x. y. z, kde: x (4 bity) udává adresu oblasti (hlavní linie) v rozsahu 1 15, adresa 0 odkazuje na účastníka na páteřní linii, y (4 bity) udává adresu na linii v rozsahu 1 15, adresa 0 odkazuje na účastníka na hlavní linii, z (16 bitů) odkazuje přímo na účastníka v linii v rozsahu 1 255, adresa 0 může být použita pouze u liniové spojky. Obr Topologie systému KNX 68

69 Pro kabelový rozvod sběrnicového vedení KNX v rámci jedné linie platí jistá pravidla. Je dovolen rozvod sběrnice: lineární, do hvězdy, paprskově. Jediné, co není dovoleno, je kruhová struktura uzavření smyčky. Skutečné uspořádání sběrnicového systému v praxi používá libovolné kombinace výše uvedených struktur. Toto skutečné uspořádání se řídí aktuálním rozmístěním přístrojů. Obr Lineární topologie sběrnicového systému KNX Obr Stromová topologie sběrnicového systému KNX.(U účastník, L linie, HL hlavní linie, O oblast, PL páteřní linie) 69

70 Obr Paprsková topologie sběrnicového systému KNX Jistá pravidla jsou i pro délky vedení. Zde platí, že maximální délka vedení v rozsahu jedné linie může být maximálně 1000 m, vzdálenost nejvzdálenějšího účastníka sběrnice od zdroje je 350 m, což je dáno úbytkem napětí cca 3 V a podmínkou, že minimální hodnota napětí musí být 21 V. Další omezení stanovuje přenosová rychlost a podmínka, že doba přenosu jednoho bitu nesmí být delší, než 100 μs, což omezuje maximální vzdálenost mezi dvěma účastníky linie na 700 m, a poslední omezení je v případě, že v jedné linii jsou dva, nebo více zdrojů. Zde musíme zabezpečit, že vzdálenost mezi těmito zdroji bude minimálně 200 m, což je dáno omezením indukčního napětí tlumivek napájecích zdrojů. Liniová spojka KNX/EIB Liniová spojka je zhotovena jako řadový systémový přístroj pro montáž na nosnou lištu. Liniová spojka může sloužit jako: liniový opakovač (LO) slouží pro rozšíření linie o další liniový segment s až 64 dalšími účastnickými stanicemi a také s dalším úsekem sběrnicového kabelu o celkové délce do 1000 m, liniová spojka (LS) propojuje hlavní linii se sekundární linií, oblastní spojka (OS) propojuje páteřní linii s hlavní linií. Oblastní, liniová spojka a liniový opakovač jsou identické přístroje. Úkoly, které má přístroj plnit, závisí na jeho umístění v topologickém uspořádání a odpovídají přiřazené individuální adrese. Například adresa určuje, že spojka má funkci liniové spojky pro propojení linie 1 na hlavní linii oblasti 1. Obsahuje - li instalace více linií, každá z těchto linií musí být vybavena svým napájecím zdrojem a tlumivkou. Liniový opakovač propouští všechny telegramy oběma směry. Liniové spojky (LS) a oblastní spojky (OS) mohou zajišťovat funkci filtrace. To znamená, že telegramy, 70

71 které odesílá vysílač po linii, mohou být dále přesměrovány, jestliže se přijímač nachází vně linie, na které je připojen vysílač. Liniová spojka má za tímto účelem k dispozici filtrační tabulku skupinových adres, které se do její paměti uloží programem ETS při uvedení do provozu. Tyto tabulky se nacházejí trvale v EEPROM. V průběhu filtrování, které zabírá čas asi 20ms se přesměrují telegramy jen tam, kde jsou vyžadovány. Vysílání telegramů v celé konfiguraci se redukuje a přenos dat v rámci linie se odlehčí na úkor jiné linie. Tak může probíhat přenos dat v několika liniích současně. Liniový opakovač (LO) nevykonává žádnou filtrační funkci. Rekonstruuje přijaté signály a přesměruje je na nadřazený nebo podřízený segment. Telegramy používané v normálním provozu mohou být přeneseny až přes šest LO, LS a OS. Ke kontrole počtu přenosů je v telegramu tzv. přepravní pole ratingové číslo. Vysílač má k dispozici přepravní pole, což je čítač s počtem přenosů n=6, Jestliže některá spojka LO, LS nebo OS přenese datový telegram, hodnota čítače se sníží o 1. Při poklesu na nulu se již další přenos neuskuteční. Obr Linie se třemi liniovými opakovači (LO), čtyřmi liniovými segmenty a odpovídajícím počtem zdrojů napětí (NZ) Napájecí zdroj KNX/EIB Prostřednictvím instalační sběrnice jsou napájeny sběrnicové spojky všech snímačů, akčních členů a liniových spojek umístěných obvykle v jedné linii. Všechny sběrnicové spojky musí spolehlivě pracovat při jmenovitém napětí 24 V DC. S ohledem na přípustné délky a na možné úbytky napětí na vedení sběrnice, musí být zajištěna správná funkce mikroelektronických obvodů při napájecím napětí od 15 V do cca 30 V. Pro splnění všech požadovaných podmínek je potom zapotřebí, aby například napěťový zdroj 24 V DC, 640 ma, měl výstupní napětí naprázdno 29 V DC. Napájecí zdroj je vybaven filtrační tlumivkou, což umožňuje komunikaci v linii mezi jednotlivými účastníky. Dále je napěťový zdroj vybaven napěťovými a proudovými řídicími obvody, které zajišťují ochranu proti zkratu popřípadě proti přetížení. 71

72 Obr Napájecí zdroj 320 ma a 640 ma pro napájení sběrnice KNX/EIB Sběrnicové přístroje vyžadují napájecí napětí minimálně 21 V a mají odběr ze sběrnice až 200 mw. Z toho důvodu je nutné dimenzovat vhodný typ zdroje napětí pro určitý počet účastníků sběrnice: napájecí zdroj s maximálním odebíraným proudem 640 ma zajišťuje napájení maximálně 64 účastníků, napájecí zdroj s maximálním odebíraným proudem 320 ma zajišťuje napájení maximálně 32 účastníků, napájecí zdroj s maximálním odebíraným proudem 160 ma zajišťuje napájení maximálně 16 účastníků. Koncepce vlastního zdroje v každé linii má tu výhodu, že v případě výpadku některého ze zdrojů vypadnou z komunikace jen účastníci, kteří jsou v příslušné linii zařazeni. Ostatní účastníci pokračují dále v činnosti. Propojovací jednotky jako liniová spojka (LS) a oblastní spojka (OS) jsou vždy napájeny z nadřízené linie: liniové spojky (LS) jsou vždy napájeny ze zdroje z nadřazené linie, oblastní spojka (OS) je vždy napájena ze zdroje z páteřní linie, liniový zesilovač, opakovač (LO) je napájen ze zdroje z nadřízeného segmentu. Při projektování konfigurace sítě je vhodné vytvořit asi 20% rezervu na rozšíření každé linie, aby se později, při dalším rozšiřování nemusely přidávat další linie. Pro jednu linii by se mělo počítat s kapacitou nejvýše 50 účastníků Hardware KNX/EIB V systémové instalaci KNX rozlišujeme čtyři typy přístrojů: systémové přístroje KNX- napájecí zdroje, komunikační rozhraní (IP, USB, RS232), liniové a oblastní spojky, tlumivky, atd., 72

73 senzory KNX (snímače) - tlačítkové snímače, IR snímače, termostaty, analogové a digitální vstupní jednotky, snímače povětrnostních vlivů, atd., aktory KNX (akční členy) - spínací jednotky, žaluziové jednotky, stmívače, HVAC přístroje pro ovládání topení, chlazení a klimatizaci, atd., kontroléry KNX (řídicí prvky) - logické a aplikační moduly, prvky pro zajištění komplexních funkcí. Hardware přístrojů KNX/EIB lze rozdělit na: vnitřní hardware elektronické stavební prvky (mikrokontroléry), vnější hardware vnější zakrytování a elektrické přípojky. Vnější hardware Přístroje KNX/EIB se liší svým mechanickým konstrukčním provedením a lze je rozdělit podle způsobu instalace na přístroje: pro montáž na nosnou lištu do rozvaděčů, vestavné, pro zapuštěnou montáž, pro nástěnnou montáž. Pro specifikaci prvků jsou důležité nejen jejich mechanické vlastnosti (konstrukční provedení, zakrytování, rozměry), ale i elektrické vlastnosti (napájecí napětí, výkonové zatížení, druh jištění). Způsob zapojení daného přístroje a jeho technické parametry jsou uvedeny v technické dokumentaci a prospektech výrobců. Jako příklad specifikace jednotlivých komponent vnějšího hardware s popisem technických parametrů, použitého v rámci konkrétního projektu bych chtěl zmínit projekt měření úspory energií v rámci řízení osvětlení v účelové budově. Tento projekt byl realizován spolu s firmou, zabývající se projekční pracemi a kompletacemi elektro dodávek.: 3.6. Komunikace Účastníci systému KNX spolu na sběrnici komunikují prostřednictvím skupinových adres, kterým se přiřazují skupinové objekty. Tyto skupinové objekty v rámci jedné skupiny musí mít vždy stejnou velikost. Jednotlivé objekty je možné přiřadit i do několika skupinových adres, ale pouze první z nich je vysílací, ostatní adresy slouží jen k příjmu čtení. Nejmenší instalace KNX.TP Nejmenší instalace TP1-KNX se skládá z těchto dílů: napájecí zdroj (29 V DC), 73

74 tlumivka (může být součástí napájecího zdroje), snímač, akční člen, sběrnicové vedení (je požadováno dvoužilové vedení). Po instalaci ještě není sběrnicový systém KNX/EIB připraven k provozu. Funkčním se stane teprve po naprogramování aplikačních softwarů do snímačů a akčních členů využitím software ETS (Engineering Tool Software, verze 4). Projektant musí uskutečnit následující projekční kroky v ETS: zadání individuálních adres jednotlivým přístrojů (pro jednoznačnou identifikaci snímače nebo akčního členu v instalaci KNX), výběr a nastavení (parametrizace) vhodného aplikačního software snímačům a akčním členům, zadání skupinových adres (pro provázání funkcí snímačů a akčních členů). Individuální adresa V každé elektroinstalaci KNX/EIB musí být jednoznačně určena individuální adresa. V normálním případě se účastník na sběrnici připraví k přijetí své individuální adresy stisknutím programovacího tlačítka na přístroji. Individuální adresa se po uvedení do provozu používá ještě k následujícím účelům: diagnostika, opravy chyb, změna zařízení novým naprogramováním, adresování jednotlivých objektů (interface) při použití nástrojů pro uvádění do provozu nebo pomocí jiných přístrojů. Skupinová adresa Obr Individuální adresa KNX Komunikace mezi přístroji v jedné instalaci probíhá prostřednictvím skupinových adres. Skupinová adresa se u určitého projektu vyskytuje nejméně dvakrát. Jednou u snímače a jednou u akčního členu. Přiřazením stejné skupinové adresy snímači a akčnímu členu se tyto navzájem funkčně propojí. Dříve se používalo dvouúrovňového adresování. 74

75 Obr Skupinová adresa dvouúrovňová (H - hlavní skupina, P podskupina) Od verze ETS 2 se používá tříúrovňového vytváření skupinových adres. Hlavní skupina, střední skupina a podskupina. Nezávisle na typu adresování může být zadáno v jednom projektu až různých skupinových adres. Obr Skupinová adresa tříúrovňová (H-hlavní skupina, S-střední skupina, P podskupina) Skupinová adresa 0/0/0 je rezervována pro tzv. celoplošná hlášení (Broadcast), telegramy určené všem účastníkům. Příklad použití jednotlivých úrovní dle následujícího členění: Hlavní skupina přízemí/poschodí, Střední skupina funkční skupiny (např. osvětlení, topení ), Podskupina funkce spotřebiče nebo skupiny spotřebičů (např. světelný okruh, kuchyň zap /vyp, okna ložnice otevřena/zavřena, stropní svítidlo v obývacím pokoji zap/vyp, ). Akčním členům lze přiřadit několik skupinových adres. Snímače však odesílají pouze jednu skupinovou adresu v jednom telegramu. Údaj znamená, že se jedná o 2. účastníka v 2 linii, v 1. oblasti. Údaj je oblastní spojka, která přísluší k hlavní linii, 2. oblasti a je spojena s páteřní linií. Vlajka adresy Aby účastníci KNX/EIB při příjmu datových telegramů mohli poznat, zda je cílová adresa individuální adresou, nebo adresou skupinovou, existuje speciální bit v 6 datovém bytu telegramu tzv. vlajka příjemce (Destination Address Flag DAF). Jako jeho hodnota se dosadí nula, jestliže je cílová adresa individuální, v ostatních případech je rovna jedné. 75

76 Tyto vlajky si lze představit jako jednosměrné nebo obousměrné spínače v sérioparalelním uspořádání. Obr Vlajky komunikačních objektů V cestě přenášené informace mezi sběrnicí a aplikačním modulem jsou vlajky komunikačního objektu a také aplikační program, jehož prostřednictvím jsou nastaveny parametry přístroje, které rovněž ovlivňují činnost aplikačního modulu. Jakou činnost ale zabezpečí určitá nastavení jednotlivých vlajek? Vlastnosti jednotlivých vlajek jsou uvedeny v níže uvedené tabulce. Komunikace (C): Pokud je vlajka komunikace ve vypnutém stavu, nemůže probíhat výměna informací mezi aplikačním modulem a sběrnicí. Je-li vlajka v zapnutém stavu, komunikace může probíhat správně, pokud další vlajky jsou rovněž správně nastavené. Vlajka komunikace působí jako obousměrný spínač. Přenos (T): Přenosová vlajka působí pouze jako jednosměrný spínač od aplikačního modulu ke sběrnici. Tuto vlajku musí mít vždy nastaveny snímače minimální nastavení vlajek u komunikačních objektů snímačů je C + T. 76

77 Communication Komunikace Read Čtení Write Zápis Transmit Přenos Update Aktualizace X X X X X skupinový objekt komunikuje se sběrnicí telegramy jsou potvrzeny, skupinový objekt však nezmění hodnotu objektu lze číst po sběrnici hodnotu objektu nelze číst po sběrnici hodnota objektu může být změněna po sběrnici hodnou objektu nelze změnit po sběrnici telegram je přenášen, když je změněna hodnota objektu skupinový objekt odešle odpověď jen v případě, když obdržel požadavek na čtení hodnota telegramu s odezvou je interpretována jako zapisovací příkaz hodnota příslušného telegramu není interpretována jako zapisovací příkaz Read on init X přístroj nezávisle odesílá hodnotu Read s příkazem pro inicializaci skupinového objektu po změně směru toku proudu po otočení proudu přístroj neinicializuje hodnotu přiřazeného skupinového objektu prostřednictvím příkazu Read Tab Vlastnosti objektů Zápis (W): Toto je vlajka zápisu pro komunikační objekty akčních členů jedná se opět o jednosměrný spínač, avšak s přenosem informace přenášené po sběrnici směrem k aplikačnímu modulu. Jedině jejím prostřednictvím je zabezpečována činnost aplikačního modulu akčního členu. Minimálním nastavením vlajek komunikačního objektu akčního členu je C + W. Čtení (R): Tato obousměrná vlajka čtení je určena pro zjišťování aktuálního stavu funkce spojené s komunikačním objektem a je velmi důležitá např. pro komunikaci s 77

78 vizualizačními prostředky. Komunikační objekt po sběrnici obdrží dotaz na stav objektu. Dotaz i následná odpověď se přenáší prostřednictvím vlajky R. V ETS lze propojovat pouze skupinové objekty se stejnými rozměry skupinových adres. Skupinovému objektu lze přiřadit i několik skupinových adres, přičemž ale jen jedna (první z nich) je vysílanou skupinovou adresou. Standardizované typy datových bodů (DPT) Typy datových bodů byly standardizovány pro zajištění kompatibility přístrojů stejného druhu od různých výrobců (např. stmívače, hodiny). Tato standardizace zahrnuje požadavky na formát dat a strukturu skupinových objektů funkcí snímačů i akčních členů. Kombinace různých standardizovaných typů datových bodů se nazývají funkčními bloky. Označení typů datových bodů se řídí podle toho, pro jakou aplikaci byly zamýšleny. To nemusí vždy znamenat, že aplikace jednoho DTP je omezena na tuto aplikační oblast. Níže jsou uvedeny standardizované typy datových bodů. Typ EIS Popis Velikost EIS 1 Switch spínání Přepínač 1 bit EIS 2 Dimming - Stmívání 1 bit / 4 bit / 1 byte EIS 3 Time Čas 3 byte EIS 4 Date Datum 3 byte EIS 5 KNX floating point values IEEE plovoucí hodnota 2 byte EIS 6 Relative value Relativní hodnota 1 byte EIS 7 Drive kontrol Řízení pohonu 1 bit EIS 8 Priority Priorita, kontrola 1 bit EIS 9 KNX floating point IEEE - plovoucí 4 byte EIS 10 values Counter value 16 bit 16 bitový čítač 2 byte EIS 11 Counter value 32 bit 32 bitový čítač 4 byte EIS 12 Access control Řízení přístupu 4 byte EIS 13 Characters ASCII znak 1 byte EIS 14 Counter value 8 bit 8 bitový čítač 1 byte EIS 15 Character string řetězec ASCII 14 byte Tab Typy datových objektů EIS 78

79 Telegram KNX TP1 Veškeré informace, které si při řízení systémové instalace KNX/EIB vyměňují jednotlivé přístroje (jednotliví účastníci připojení ke sběrnici), jsou ve formě digitálních pulsů, dosahují tedy pouze dvou stavů. Jednotkou přenosu je 1 bit, který může nabývat hodnoty logické 0 nebo logické 1. Pro binární přenos informací se využívá hexadecimálního kódování, což značí 16 možných stavů pro přenášené číslo v binárním vyjádření, zatímco v dekadickém vyjádření je možné jedním dekadickým místem vyjádřit 10 možných stavů. Pro různé funkce nebo nastavené či měřené hodnoty je nezbytné přenášet informace vyjadřující svou délkou a počtem stavů potřebný obsah. Takže příkazu vyjadřujícímu spínání (tedy poloha ZAP nebo VYP) postačí pro vyjádření rozměru dat jen 1 bit, tzn. dva provozní stavy, odpovídající logické 1 pro ZAP a logické 0 pro VYP. Stavy od 0% do 100% pro nastavení výšky žaluzií nebo úhlu jejich natočení, případně pro nastavení úhlu otevření polovodičového ventilu stmívače se vyjadřují 256 kroky, tedy celkem 256 stavy, pro jejichž binární vyjádření je potřebných 8 bitů (1 byte). Stavy různých fyzikálních veličin se tak mohou vyjadřovat různě dlouhými daty s různými počty stavů. Rozměr dat Počet stavů Název KNX aplikace (výběr) 1 bit 2 Bit Spínaní 2 bity 4 Priorita 4 bity 16 Stmívání 8 bitů 256 Byte Hodnota 16 bitů Slovo Teplota 32 bitů Dvojité slovo čítač Tab Příklady binárních hodnot s formáty dat Vlastní komunikace výměna dat probíhá prostřednictvím telegramů. Telegram obsahuje především údaje o adrese odesílatele, adrese příjemce, přenosové podmínky, odesílaná data a kontrolní pole. Telegram je vysílán rychlostí 9600 bitů/s. Znamená to, že 1 bit zaneprázdní sběrnici na 1/9600 s, tj. 104 μs. Znak se stává z 11 bitů. Společně s dobou pauzy (2bity) mezi dvěma znaky je doba pro přenos znaku 1,35 ms (13 bitů). 79

80 Obr Skladba přenosového znaku KNX Jakmile nastane nějaká událost (např. stisknutí tlačítka), odesílá sběrnicový přístroj telegram na sběrnici. Obr Přenos telegramu KNX Odesílání bude zahájeno, jestliže sběrnice není obsazena alespoň po dobu přenosového zpoždění t 1 odpovídající době přenosu 50 bitů (5,2 ms doba potřebná pro prověření, zda je sběrnice volná, v případě obsazené sběrnice i pro přerušení přenosu telegramu s nižší prioritou) po němž následuje odeslání kompletního telegramu, obsahujícího všechny potřebné informace. Po úplném odeslání telegramu mají sběrnicové přístroje k dispozici dobu t 2 (13 bitů (1,352 ms)) k ověření, zda byl telegram přijat správně. Pokud toto potvrzení o příjmu neobdrží, může vysílání telegramu až třikrát opakovat, což zajišťuje vysokou spolehlivost systému. Potvrzení (zpětné hlášení) příjmu telegramu má následující stavy: ACK zpětné hlášení bylo správně přijato (pozitivní potvrzení), NAK příjemce nemohl přijatý telegram zpracovat (negativní potvrzení), BUSY datový telegram byl chybně přijat (negativní potvrzení). Doba přenosu telegramu je 20 až 40 ms. Všechny adresované sběrnicové přístroje současně potvrdí přijetí telegramu. Telegramy jsou dvojího druhu: datové telegramy, potvrzovací telegramy (zpětná hlášení). Telegram je datová informace postavená na referenčním modelu OSI (Open System Inter connection) podle mezinárodní normy ISO

81 Kontrolní pole (Control field) Zdrojová adresa (Source address) Cílová adresa (Target address) Routingový čítač (Routing Délka counter) (Length) Užitečná data (Useful data) Ověřovací byte (Check byte) 8 bit 16 bit bit 3 4 až 16 x 8 bit 8 bit Tab Struktura datového telegramu KNX TP ISO 7498 Kontrolní pole - dává informaci o důležitosti neboli přenosové prioritě. Ta je důležitá, jestliže začne vysílat více účastníků současně. Tuto prioritu lze nastavit každému skupinovému objektu prostřednictvím programovacího software KNX/EIB ETS. Standardní nastavení je nízká priorita. Obsahuje také informaci, zda se jedná o opakovaný telegram. Tím se zamezí, aby účastnící vykonávali příkazy opakovaně. Zdrojová adresa - udává fyzickou adresu přístroje, který informaci na sběrnici zaslal. Cílová adresa je to zpravidla skupinová adresa, může se však jednat i adresu fyzickou. Pokud se jedná o skupinovou adresu, oslovují se všichni účastníci sběrnice, kteří mají tuto adresu přiřazenu. V případě fyzické adresy se oslovuje (aktivuje) jen jeden přístroj (účastník). Toho se využívá pro zasílání systémových telegramů (programování sběrnice). To, jestli se jedná o adresu skupinovou, nebo fyzickou určuje 17. bit. 17. bit = 1 => skupinová adresa, 17. bit = 0 => fyzická adresa. Routingový čítač - udává počet routerů (průchodů liniovou spojkou), přes které bude telegram vyslán. Délka popisuje velikost užitečné informace. Užitečná data - tato část telegramu obsahuje předávaná data EIS (EIB Interworking Standard) a vlastnosti komunikačních objektů, tzv. vlajky (flag), které určují způsob komunikace. Ověřovací byte - informace ve formě paritních bitů, která slouží k ověření správnosti doručeného telegramu využívající příčného a podélného zabezpečení. Kombinací těchto dvou zabezpečení vzniká křížové zabezpečení. 81

82 Obr Symetrický přenos telegramu KNX Telegramy jsou na sběrnici vysílány ve formě logických 0 a 1, které se provádí změnou polarity napětí. Přenos signálů probíhá symetricky, tj. že záporný potenciál na plusovém vodiči má svůj zrcadlový obraz ve formě kladného potenciálu na minusovém vodiči, což představuje minimální napětí U min = 14 V, nebo naopak při kladném potenciálu na plusovém vodiči a zrcadlovém obrazu ve formě záporného potenciálu na minusovém vodiči, dostaneme napětí U max = 34 V. Vzhledem k tomu, že sběrnicové spojky reagují pouze na rozdíl potenciálů mezi vodiči sběrnice, nikoli na jejich napětí vůči jiným potenciálům, např. ochrannému vodiči, jsou téměř imunní vůči vnějším rušivým vlivům, které působí na kabel a to i bez připojeného ochranného stínění. Tím dostáváme maximálně spolehlivý provoz přenosů na sběrnici. Pro konfiguraci a nastavení parametrů v systému KNX lze vycházet ze tří způsobů: A-Mode (automatická konfigurace) vychází z původní koncepce EHS a používá se především v oblasti bílého zboží. Konfigurace zde proběhne automaticky po instalaci do systému a uživatel si ji může provést sám. 82

83 E-Mode (snadná konfigurace) jsou zde omezeny možnosti parametrizace, využívá se u malých zařízení. Konfigurace probíhá za pomocí specializovaných ovladačů s požadavkem na minimální znalosti technologie KNX. S-Mode (systémová konfigurace) Nejběžnější způsob konfigurace prostřednictvím PC a systémového prostředí ETS (Engineering Tool Software), konfiguraci provádí certifikovaní instalátoři s osvědčením asociace Konnex. ETS Engineering tool software Obr Možnosti konfigurace KNX Aby byl systém plně funkční, je nutné nastavit jednotlivým účastníkům patřičné parametry. K tomuto slouží nezávislý softwarový nástroj ETS (Engineering Tool Software). Tento software je dodáván jako normalizovaný softwarový produkt přímo asociací KNX. Stejně tak jako probíhal vývoj standardu EIB a následně KNX, souběžně probíhal i vývoj tohoto software v následujících verzích: ETS ETS ETS ETS V současnosti je nejpoužívanější verze ETS3, přičemž asociace KNX nabízí upgrade na verzi ETS4 s možností souběžného užívání obou verzí a postupného přechodu. Poslední verzí těchto programů je upgrate nové verze ETS 4.1, která byla představena u příležitosti výstavy Light & building ve Frankfurtu v dubnu Uživatelé mají možnost volit z několika možností licence SW: 83

84 ETS4 Demo bez licenčního klíče, umožňuje přístup na sběrnici, pracovat s libovolným počtem projektů, ale vždy jen s max. 3 účastníky. ETS4 Lite licencovaná verze s plnohodnotným přístupem na sběrnici, ale s omezením na max. 20 účastníků. ETS4 Professional plnohodnotná licencovaná verze programu, k dispozici jsou dvě možnosti aktivace: softwarovým klíčem, tato licence je přímo vázána na ID číslo počítače, hardwarovým klíčem, tzv. DONGLE KEY, použitelný na více počítačích, v případě, že HW klíč není v počítači zasunut, běží software v režimu demo. ETS4 Supplementary plnohodnotná licencovaná verze programu, jedná se o cenově zvýhodněnou licenci, kterou je možné dokoupit k hlavní licenci ETS4 Professional, maximálně však 2 licence. ETS4 Training Pack vzdělávací licence pro školy, sloužící výhradně pro studijní účely, komerční použití je zakázáno. Jedná se o cenově zvýhodněný balík, který obsahuje 1 x ETS4 Professional, 10 x ETS4 Lite, 2 x příručku školicích materiálů. Software ETS umožňuje návrh, diagnostiku a konfiguraci veškerých certifikovaných zařízení KNX s využitím aplikačních programů, které jsou dodávány s jednotlivými zařízeními nebo jsou k dispozici ke stažení z webových stránek výrobců. Tyto aplikační programy jsou také vytvářeny ve speciální verzi SW s označením ETS+, která je určena pro výrobce KNX přístrojů. Veškeré aplikační programy jsou před uvedením na trh předkládány asociaci KNX ke schválení. Postup při programování KNX Prvním krokem, než se začne vytvářet program, je import aplikačních programů. Není dobré do databáze importovat zbytečně veškeré aplikační programy, které jsou k dispozici, ale je vhodné vybírat pouze z těch prvků, které budou v projektu využity, jinak se vytvoří zbytečně datově objemná databáze, což bude zpomalovat práci a nepoměrně zatěžovat paměť PC. Určitě je vhodné pro každý projekt vytvořit vlastní databázi. Nyní lze založit vlastní projekt. Při vytvoření nového projektu nabídne program okno s pojmenováním projektu a určení komunikačního média (TP/PL/IP). Následně se vytvoří struktura projektu, což je vložení budov, místností a rozvaděčů. Toto sice není nutnou podmínkou a tento krok lze vynechat, ale má svou důležitost pro přehlednost a následný servis. Nyní již lze do vytvořených místností a rozvaděčů vkládat jednotlivé přístroje, kde jsou jim přiřazeny jejich fyzické, neboli individuální adresy. Pokud jsou všechny přístroje v projektu vloženy, lze přistoupit k vytvoření skupinových adres. Ty určují jednotlivé funkce systému. V programovacím prostředí ETS3 byla tato adresace patnácti bitová, zatímco v ETS4 je již šestnácti bitová, což zdvojnásobilo počet použitelných funkcí skupinových adres. Každá skupinová adresa musí být přiřazena jak ke snímači, tak k akčnímu členu a slouží právě k jejich 84

85 vzájemné komunikaci. Snímač na danou adresu vyšle datovou informaci ve formě telegramu, odkud ji akční člen přečte a vykoná požadovanou funkci. V jednom projektu lze použít maximálně ( při použití ETS3) skupinových adres s následující strukturou: Hlavní skupina Střední skupina Podskupina 0 až 31 = 32 skupin (0 až 15 = 16 adres v ETS3 a nižší) 0 až 7 = 8 skupin 0 až 255 = 256 skupin Vizualizace Obr Postup při vytváření projektu v ETS Vizualizace je grafické znázornění provozních stavů jednotlivých funkcí, případně jejich ovládání, a v neposlední řadě vytváření vazeb pro možnosti řízení, časové nastavení a vytváření různých scén. V průmyslové instalaci je vizualizace častěji zmiňována pod názvem SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - systémy pro řízení a sběr dat). Jedná se o software, pomocí kterého lze zobrazovat, případně ovládat jednotlivé funkce systému. V systémové instalaci KNX/EIB máme k dispozici několik možností, jak lze vizualizaci provést. Je možné zvolit nejjednodušší cestu, což je vizualizace LED diodami doplňující tlačítkové ovladače, využívajícími univerzálních koncentrátorů, u kterých 85

86 lze jednotlivé póly naprogramovat jako binární vstup, nebo výstup. Tento typ vizualizace je vhodný jen pro menší aplikace. Další možností jsou jednoduché LCD (Liquid Crystal Display) panely, kde již lze navíc zobrazovat i analogové hodnoty jednotlivých snímačů, např. hladinu osvětlení, rychlost větru, teplotu. Nejčastěji se však používá vizualizace dotykovými panely, které jsou přímo uzpůsobené pro systém KNX. Pomocí těchto panelů lze zobrazovat veškeré stavy systému, je zde možné vytvářet různé scény, časové programy a různé logické funkce. Pomocí těchto panelů lze i nastavovat parametry dalších prvků na sběrnici. Do některých těchto panelů lze integrovat i ovládání audiovizuální techniky. Další možností je použití vizualizačního software, který lze instalovat na libovolný počet počítačů (dle zakoupených licencí) a pomocí rozhraní a patřičných ovladačů je možné se připojit ke sběrnici, přičemž nejpoužívanější propojení je prostřednictvím OPC (OLE (Object Linking and Embedding) for Process Control) serveru. Pomocí tohoto software lze systém KNX monitorovat a ovládat i vzdáleně přes internet. Prostřednictvím OPC serverů lze komunikovat i s ostatními systémy v budově a vzájemně s nimi sdílet data. Obr Dotykový panel Comfort Touch Poslední možností je vizualizace pomocí přenosných médií IPod, IPhone, Android, které dnes díky vyspělé technologii mají stejné možnosti, jako běžné PC. 86

87 Další zdroje Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky. [1.] VAŇUŠ, Jan. VŠB, TU Ostrava, FEI, KAT 450, Řízení provozu budov. SBĚRNICOVÝ SYSTÉM KNX. 2013, 43 s. Dostupné z: [2.] BILANCE A VÝPOČTY. EKOWATT. Encyklopedie, Centrum pro obnovitelné zdroje a úspory energie [online]. Praha 8, září 2008 [cit ]. Dostupné z: [3.] LOKALITA A OKRAJOVÉ PODMÍNKY. EKOWATT. Encyklopedie, Centrum pro obnovitelné zdroje a úspory energie [online]. Praha 8, září 2008 [cit ]. Dostupné z: 87

88 4 Akumulační prostředky Otázka ukládání elektrické energie je stejně stará jako sám objev elektřiny. Již od dob Alessandra Volty a Andrého M. Ampéra probíhaly různé pokusy s akumulací elektrické energie. Důležité si je na úvod uvědomit, že není vhodné zaměňovat slova baterie a akumulátor, protože se tyto výrazy významově liší. Několikrát během tohoto textu se bude skloňovat slovo akumulace, akumulátor nebo akumulační baterie. Obvykle je slovo baterie vnímáno jako galvanický článek nebo elektrochemický akumulátor, vhodný do ručních svítilen apod. Zde se slovo baterie může objevit ve významu akumulačního prostředku, popřípadě akumulačních prostředků (baterie je vlastně souprava několika článků). Nebude-li uvedeno jinak. Pojem akumulace elektrické energie lze přeložit jako hromadění či zásoba elektrické energie nebo jako uchování energie pro její pozdější využití ve vhodné kvalitě a kvantitě. V současné době je nejrozšířenějším akumulačním médiem olověný akumulátor. Většina z nás ho zná především v automobilech. Někdy se můžeme setkat také s pojmem primární baterie. Tím je myšlena skutečnost, že článek je schopen dodávat energii bez prvotní disociace tzv. suché články (klasicky známé monočlánky). Naopak sekundární druh potřebuje prvotní nabití. Akumulační systémy jsou z hlediska výroby a spotřeby elektrické energie nezastupitelné. Elektřina je komodita z principu velice problematická a jakékoliv snahy o její distribuci naráží na problém okamžité poptávky a nabídky. Akumulátory, respektive skladiště energie, jsou v současné době stále ve vývoji. Nicméně máme možnosti, jak elektřinu s poměrně dobrou účinností skladovat. Problematika akumulace je v současné době skloňována především s řešením v oblasti eliminace diskontinuity dodávky elektrické energie z obnovitelných zdrojů a vychází z principů jednotlivých alternativních zdrojů energie a z problémů spojenými s časově proměnlivým výkonem těchto zdrojů. V současné době je tedy akumulace důležitá ze dvou důvodů: optimálně začlenit OZE do sítě, připravit se na tzv. chytré sítě (smart grid), které v budoucnu převezmou funkci dnešních sítí Rozdělení akumulačních systémů Akumulační systémy lze rozdělit do několika skupin a podskupin, dle atributů, které popisují jejich vlastnosti a určují jejich použití. Tyto atributy jsou uvedeny níže. Akumulační systémy je možné rozdělit i na další skupiny, které již však nejsou tak významné pro energetiku. Akumulace velkých objemů elektrické energie je dnes v převážné většině uskutečňováno pomocí přečerpávacích elektráren. Přečerpávací elektrárny jsou velkým akumulátorem a pro dnešní energetiku v podstatě jediným možným řešením. Jestliže někdo namítá, že tato funkce je vcelku zbytečná a drahá, že stačí např. v 88

89 nočních hodinách snížit výkon elektráren, ten není obeznámen s problematikou energetiky, zejména pak s fyzikálními podmínkami najíždění a odstavování turbosoustrojí. Na základě uvedených skutečností můžeme konstatovat, že akumulace je jedním ze základních problémů dnešní energetiky. Pokud je již celkem uspokojivě vyřešena výroba energie tzn. její výroba v normálním zatížení vzhledem k dennímu diagramu zatížení, pak zejména špičkový provoz a náhlé propady (výkyvy) spotřeby dodávky, stále představují problém, který je nutné urychleně vyřešit. Naše elektrizační soustava je propojena s evropskou. Její zkratka je ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity). V rámci propojených elektrizačních soustav funguje tzv. solidárnost, což znamená, že v době špiček, tzn. v náhlých propadech nebo nárustech spotřeby energie si jednotlivé elektrizační soustavy vypomohou krátkou stimulací. Zde se fakticky dostáváme do konfliktu s ekonomickou stránkou věci, neboli cena za 1 MWh energie v záskoku je přibližně 2x až 3x vyšší než běžná cena za elektrickou energii. Akumulační soustavy můžeme rozdělit podle: a) Požadovaného výkonu Okamžitý Záložní b) Akumulační kapacity Malá Střední Velká c) Fáze přeměny při akumaluci Homogenní Heterogenní d) Počtu cyklů Denní Týdenní Celoroční Nepravidelná e) Formy ukládání energie Přímou Nepřímou f) Rychlosti a reakční rychlosti u nabíjení a vybíjení Pomalá Rychlá Akumulační systémy lze také dělit na primární a sekundární. Primární mohou dodávat energii ihned, sekundární až po polarizaci elektrod (prvotně se musí nabít). Technologické rozdělení můžeme vyjádřit blokovým diagramem níže uvedeným. 89

90 Obr Rozdělení akumulačních soustav Na dalších obrázcích je znázorněno rozdělení akumulačních systémů z hlediska ekonomického, popřípadě z požadavků aplikace na konkrétní soustavu. 90

91 Obr Rozdělení systémů podle nákladů na jednotku energie Obr Životnost a účinnost akumulačních systémů 91

92 Obr Výkonové požadavky na akumulační soustavy 4.2. Akumulační soustavy a jejich podrobnější popis Požadovaný výkon Potřeba dostatečného výkonu je dána aktuálním rozložením spotřeby elektrické energie a její výrobou při náhlých výpadcích velkých zdrojů. Pro tento případ je rozhodujícím členem právě požadovaný výkon a schopnost ho rychle poskytnout. Okamžitým záložním výkonem se rozumí stav, kdy je potřeba elektrická rezerva do 5 minut. Ideální pro pokrytí touho požadavku jsou vhodné právě akumulační systémy na principu setrvačníků nebo kondenzátorových baterií (pro menší výkony řádově do desítek kw), nebo přečerpávací vodní elektrárny (pro větší výkony řádově desítky až stovky MW). Rychlé, popřípadě pomalé zálohy (časový úsek mezi 5 až 30 minutami a nad 30 minut) mohou převzít baterie, které jsou složitějších konstrukcí, a které budou popsány dále. U pomalých záloh je možno počítat už s nasazením elektráren, zejména na zemní plyn a studených záloh. Akumulační kapacita Akumulační schopnost neboli kapacita akumulátoru se udává obvykle jako náboj v ampérhodinách nebo jako akumulační energie ve watthodinách. Je stejně důležitým pojmem jako požadovaný výkon. Je to doslova schopnost (vlastnost) daného uspořádání nahromadit v sobě elektrické náboje. Někdy se jí také říká jímavost akumulátoru. 92

93 S kapacitou akumulátoru se budeme setkávat v textu velice často, protože dle této kapacity můžeme rozhodnout o vhodnosti pro konkrétní instalace. Počet cyklů Počet cyklů je termín, který je vhodné zmínit v souvislosti s dlouhodobou akumulací, kde se předpokládá časté střídání režimů. Naopak pro akumulaci záložní (tzv. zálohové akumulátorovny v jaderných elektrárnách), je počet nabíjecích a vybíjecích cyklů zásadní. Zde se uplatňují jiné aspekty, zejména spolehlivost a dostatečný výkon v relativně krátkém okamžiku. Rychlost a reakční rychlost u nabíjení a vybíjení Rychlost nabíjení versus vybíjení není ničím jiným, než schopností baterie dosáhnout plné kapacity nabití (vybití) během specifického časového úseku. Kupříkladu kondenzátory mají jiné parametry než olověné baterie. Dalším sledovaným údajem je reakční rychlost změny mezi nabíjením a vybíjením. Tedy schopnost se přizpůsobovat aktuálním požadavkům kladených na akumulátory. Údaje o rychlosti změny nabíjení nebo vybíjení jsou důležité pro obnovitelné zdroje energie, jejichž výroba je obtížně predikovatelná. Tato rychlost se může pohybovat od řádů desetin milisekund až po desítky minut. Fáze přeměny Fázi přeměny můžeme definovat pro homogenní a hetererogenní systémy. Homogenní systémy: Homogenním systémem nazýváme systém, kde podoba je ukládání a odběr energie řešen shodným principem přeměny energie. Mluvíme-li o elektrické energii, potom za homogenní systém lze považovat uskladnění ve formě magnetického nebo elektrostatického pole. V současné době na těchto principech pracují cívky (SMES) nebo kondenzátory (Super nebo ultra kapacitory). Heterogenní systémy: Heterogenním systémem můžeme nazývat systém, kde podoba ukládání a odběr energie je řešena odlišným principem (i částečným) přeměny energie. Tímto způsobem jsou řešeny všechny ostatní druhy akumulačních systémů (chemické vazby, mechanické, tepelné aj.). Mechanické akumulační systémy Kinetická energie Setrvačníky (Flywheel) Setrvačník je historicky známé zařízení. Jeho přednosti jsou zejména v jednoduchosti a mnohostranném použití. Moderní setrvačníky dosahují běžně rychlosti otáčení přes min-1 (i přes min -1 ) Samozřejmostí je i použití 93

94 magnetických ložisek. Rotor se točí ve sníženém tlaku okolního média (blížící se vakuu). Speciální konstrukční prvky snižují mechanické ztráty na minimum a zaručují vysokou účinnost. Akumulační systémy se setrvačníky by mohly v budoucnu nahradit některé ze starších typů baterií, většinou založených na principu Ni-Cd. Vůči bateriím dosahují tyto systémy poměrně značných výhod, protože množství cyklů není omezeno chemickými pochody. Proto se životnost setrvačníků může pohybovat řádově v 105 cyklů, respektive několik let. Záleží pouze na předepsané údržbě (většinou se problém týká ložisek, má-li stroj nějaké a dále ůže docházet k únikům chladiva, popřípadě ztrátě vakua). Těleso setrvačníku je tvořeno uhlíkovými vlákny, které mají velkou pevnost a při poruše se mohou snadno rozštěpit na malé úlomky s malou kinetickou energií. Účinnost setrvačníku je vysoká, dosahuje hodnoty přes 90%. A pro výpočet energetického potenciálu setrvačníků jsou nutné následující aspekty. Setrvačníky můžeme dělit na: ideální jednorozměrný setrvačník, ideální dvojrozměrný nebo vícerozměrný setrvačník. a) Energie v jednorozměrném setrvačníku je dána rovnicí: ( ) kde E - energie (J) m - hmotnost (kg) v - rychlost (m.s -1 ) - úhlová rychlost (rad.s -1 ) r - poloměr (m) Odstředivá síla: kde F - síla (N) Důležití veličina je též pnutí ve struně, která definuje bezpečnost a je: kde 94

95 A - průřez (m 2 ) - síla (Pa) b) Energie v dvojrozměrném setrvačníku je dána: Vycházíme z polárního momentu setrvačnosti: kde J - moment setrvačnosti (kg.m 2 ) - hustota (kg.m -3 ) Potom: Energie setrvačníku: [ ( ) ] kde k - koeficient Energie předaná do zátěže je: [ ( ) ] 95

96 Obr Jednorozměrný setrvačník 96

97 Hustota energie v setrvačníku: A pnutí v materiálu: Obr Dvojrozměrný setrvačník ( ) [ ( ) ] ( ) Na základě vlastností vyjádřenými výše uvedenými vztahy můžeme říci, že čím lehčí a pevnější materiál, tím vyšší hustota energie: Pro supravodivé magnety na ložiska se používájí nejmodernější materiály, jako například texturované bloky YBa 2 Cu 3 Oy, které při teplotě 29 K dosahují magnetické indukce téměř 17 Tesla! Pro představu: nejlepší permanentní magnety mají magnetickou indukci B 1,7T. Kompaktní kovové Uhlíkové kompozitní Power ring Uhlíková vlákna 97

98 Pomaluběžné Rychloběžné Klasická ložiska Magnetická ložiska Supravodivá ložiska Tab Rozdělení setrvačníků podle specifických vlastností Obr Ukázka moderního setrvačníku (Beacon Power) Elektrochemická přeměna - akumulace Mezi elektrochemické akumulátory zařazujeme zejména průtokové baterie, palivové články a akumulátory. Průtokové baterie Průtokové baterie jsou poměrně novou technologií. Jsou nabíjeny stejně jako konveční baterie, ale skladování je prostřednictvím tekutého elektrolytu. Tento elektrolyt je pomocí čerpadel vháněn do zásobních tanků a z nich je zpět přiváděn do chemického článku, jak ukazuje obrázek následující obrázek. V současnosti je několik typů průtokových baterií pracujících na principech: Elektrochemické oxidace a redukce vanadu VRB Uskladnění pomocí halogenu Br ZnBr Na roztoku Polysulfid Bromidu (PSB, Br/S) 98

99 CeZn (cér/zinek) zatím ve vývoji Obr Princip průtokové baterie Elektrochemické oxidace a redukce vanadu VRB Obecně se oxidace a redukce nazývá redoxovým systémem. Vanadiová redoxová baterie disponuje ojedinělými funkcemi, které ji pasují do nejpravděpodobnějšího kandidáta na možnost akumulace elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Její ojedinělost spočívá především v neomezených počtech cyklů nabití a vybití, tudíž nedochází ke znehodnocování elektrolytu. Obvykle udávaná životnost u baterií se pohybuje v řádech stovek až tisíců cyklů, kdy následně dochází k nevratnému poškození elektrod a je nutná opětovná výměna baterie. U redoxových baterií obecně tato výměna odpadá. Z konstrukčního hlediska se jedná o průtokovou baterii, kde klíčovým problémem je těsnost ucpávek čerpadel použitých při čerpání elektrolytů. Iontoměničová membrána, která je jediným oddělujícím faktorem mezi dvěma elektrolyty, má životnost převyšující cyklů. Tento aspekt značí velkou výhodnost baterie pro nasazení do celoročního provozu s nízkou mírou nutných odstávek pro údržbu systému. Děj, který se uskutečňuje při nabíjení je popsán rovnicí: V 3+ + e - V 2+ 99

100 Naopak rovnice při vybíjení je: V 4+ V 5+ + e - V 2+ V 3+ + e - V 5+ + e - V 4+ Při nabíjení dochází k iontové výměně mezi dvěma elektrolyty, proto je na oddělení dvou elektrolytů nutná iontovo-propustná polymerní membrána. Akumulační kapacita je dána množstvím elektrolytu v zásobnících, přičemž prakticky dosažitelná objemová energetická hustota elektrolytu úplného nabíjecího (vybíjecího) cyklu je uváděna v rozsahu (15 až 25) kwh.m -3 (ideálně dosažitelná hodnota činí (28 až 43) kwh.m -3 ). Měrná hmotnost VRB článku dosahuje 6,5 až 10 kg.kw -1 u větších zařízení, u malých výkonů výrobce uvádí max. 12,5 kg.kw -1.Měrná hustota elektrolytu je přibližně 1,4, hmotnost elektrolytu představuje přibližně 90% hmotnosti celého zařízení. V porovnání s klasickými akumulátory má elektrolyt v nabitém stavu při cirkulaci ve VRB článku jen nepatrné samovybíjení. Pokud je nabitý elektrolyt uskladněn mimo článek, zůstává nabitý prakticky po neomezenou dobu. Prostorová náročnost instalace souvisí především s akumulační kapacitou, přitom oddělené skladování elektrolytu od vlastní VRB, umožňuje snadné přizpůsobení instalace prostorovým podmínkám. Jedná se o stavebnicový celek se základním modulem VRB 5 kw (v závislosti na výrobci). Pro nejčastější akumulační kapacitu (doba cca 8 h) se uvádí, že 85 až 90% zastavěné plochy zabírají zásobníky elektrolytu, na vlastní články VRB a řídicí a kontrolní elektronika zbývajících (15 až 10) %. Je zjevné, že princip článku VRB je blízký funkci palivových článků, u kterých dochází k elektrochemické oxidaci paliva přiváděného do jedné z komor článku, do druhé komory se pak kontinuálně přivádí oxidant. Zásadní výhodou článku VRB je jeho reverzibilita, tj. v tomtéž elektrochemickém měniči může probíhat jak nabíjení, tak vybíjení podobně jako v klasických typech akumulátorů. Elektrické parametry článku VRB jsou rovněž blízké akumulátorovým nebo palivovým článkům. Rovno vážné napětí plně nabitého článku VRB při provozní teplotě 25 C je VoC = 1,35 V. Podle stupně nabití se napětí změnou složení obou elektrolytů postupně mění, až u zcela vybitého článku klesne na VoD = 1,0 V. Přechod z režimu nabíjení na vybíjení probíhá prakticky okamžitě (v časech řádu ms) v závislosti na polaritě rozdílu okamžitého rovnovážného napětí a napětí připojeného vnějšího elektrického obvodu. Protože VRB zařízení je určeno především k dlouhodobé akumulaci elektrické energie, jsou pořizovací a provozní náklady uváděny v /kwh. U zařízení řádu MWh se pořizovací náklady pohybují mezi /kwh, u 100 MWh systému činí okolo 450 /kwh. Rozšíření akumulační kapacity (elektrolytu) u velkých zařízení 100

101 přijde na cca 250 /kwh. Provozní náklady se omezují jen na pravidelné roční kontroly stavu zařízení, provoz je automatický a programovatelný v systému řízení a kontroly. Při kontinuálním provozu je nutná výměna jediných pohyblivých částí oběhových čerpadel elektrolytu po cca 5 až 7 letech. Náklady na údržbu a provoz jsou tak odhadovány na cca 0,008 /kwh. Svými provozními parametry, zejména bezprostředním přechodem z režimu nabíjení na vybíjení jsou VRB akumulační jednotky optimální k vyrovnávání krátkodobých a střednědobých fluktuací výkonu větrných a fotovoltaických elektráren způsobených obtížně predikovatelným vývojem místních meteorologických podmínek. Tím se významně zvýší kvalita elektrické energie dodávané z tohoto typu zdrojů do elektrizační soustavy. Vzhledem k minimálním provozním nákladům a zanedbatelnému samovybíjení v klidu lze zařízení využívat jako záložní zdroj s extrémně rychlým najetím na plný výkon pro provozy vyžadující plné zabezpečení napájení elektrickou energií (letiště, nemocnice apod.). Velkými VRB zařízeními je možno realizovat prakticky bez omezení nové akumulační kapacity elektrizační soustavy o výkonu řádu až 100 MW, případně lze využívat i distribuované VRB jednotky v držení drobných investorů prostřednictvím dálkového řízení jako významnou vedlejší systémovou službu pro operativní řízení ES nebo k nouzovému napájení při velkých poruchách v rozvodné síti. Uskladnění pomocí halogenu Br ZnBr Zinko-bromidová baterie obsahuje zinkovou negativní elektrodu a brómovou pozitivní elektrodu od sebe navzájem oddělených mikropropustnou membránou. Roztok zinku a soubor brómové sloučeniny cirkulují ve dvou oddílech. Tato baterie je založena na poněkud odlišném způsobu než PSB a VRB. V ZnBr slouží elektrody jako substrát pro reakci a jejich kapacita může být zmenšena, jestliže baterie není kompletně a regulérně vybita. Během nabíjení je zinek elektricky pokovený na anodu a bróm je vázán na katodu. Reakce je popsána následující rovnicí: Zn 2 + (aq) + 2e - Zn(s) 2Br - (aq) Br 2 (aq)+2e - Zn 2+ (aq) + 2Br - Zn(s)+Br 2 (aq) Během vybíjení je reakce opačná. Polysulfidová Brómová baterie V tomto typu průtokové baterie jsou roztoky bromidu sodného (NaBr), sodíku (Na) a polysulfidu (Sn 2- ) použity jako elektrolytu. Kladné ionty sodíku přecházejí membránou během nabíjení nebo vybíjení. Jakmile bróm a síra jsou prvky, emitují a přijímají elektrony. Proto je tento systém nazýván spíše jako Br/S. 101

102 Při vybíjení je reakce opačná. S+ 2e - 2S - (Na 2 S 4 +2e - + 2Na + 2Na 2 S 2 ) Br 2 +2e - 2Br - (3NaBr NaBr 3 +2Na + +2e - ) Tato baterie se jeví jako perspektivní pro velké systémy jako mohou být akumulační centra v distribučních, či přenosových uzlech. Systém byl vyvíjen společností Regenesys technologies Ltd. Dostupné informace hovoří o aplikaci o výkonu až 12MW a kapacitě 120 MWh. VRB Bromid Zinku PSB Br/S Jmenovitý výkon [MW] <3 <1 <15 Jmenovitá kapacita [MWh] 0, , Energetická hustota [Wh/l] Olověné baterie Životnost [roky] Počet cyklů > > Tab Porovnání jednotlivých druhů průtokových baterií Olověné baterie mají veliké postavení na našem trhu a napříč zeměmi. Slouží pro mnoho aplikací i zároveň pro energetickou akumulaci. Tyto baterie zaujímají celosvětově více než 45% vyráběných baterií. Olověný akumulátor se skládá z nádoby a ze dvou elektrod odlitých z čistého olova. Dále z vodného roztoku kyseliny sírové o hustotě 1,2 až 1,3 (podle druhu baterií). Kladné elektrody mají tvar mříží, které se plní pastou nebo jsou žebrované. Záporné elektrody jsou také mřížkované a pastované. Jedna deska je vyplněna oxidem olovičitým, druhá houbovým olovem. Místo dvou desek se většinou používá více desek, které nejsou vzdáleny daleko od sebe. Jsou řazeny střídavě, desky stejného druhu jsou spojeny. Deska s oxidem olovičitým je hnědá, deska s houbovitým olovem je šedá. Na negativní elektrodě probíhá tato reakce: Na pozitivní elektrodě: 102

103 Vznikající ionty Pb 2+ se slučují s ionty kyseliny sírové na síran olovnatý Pb-SO 4, který je nerozpustný a zaujímá proto místo PbO 2. Celková reakce: Jak je ukázano, základní elektrodový proces na pozitivní a negativní elektrodě vyžadují slučovací a vylučovácí mechanismus, nikoliv pevnou fázi iontových transportů. Nabíjecí - vybíjecí cykly jsou známé jako dvojité sulfatující reakce. Při vybíjení klesá koncentrace kyseliny sírové, protože se tvoří voda. Při nabíjení koncentrace opět stoupá. Nabití akumulátoru se dá tedy kontrolovat hustotou kyseliny. Jestliže nabíjení pokračuje i po nabití (veškerý síran je spotřebovaný), dochází na olověné elektrodě k tvorbě vodíku. Na desce s oxidem vzniká kyslík a baterie vře. K tomu je nutné zvýšené napětí svorkové napětí, což se dá také kontrolovat. Jestliže přebíjení trvá delší dobu (vyšší proud), nestačí se difusí doplňovat kyselina sírová kolem kladných desek, potom při vybíjení klesá napětí rychleji. Toto všechno jsou ztráty, se kterými musíme počítat. Nominální napětí článků je 2 V, napětí je změřeno naprázdno, tedy při otevřeném obvodu. Maximální napětí nabitého článku může být až 2,125 V. Vybitý článek má hodnotu 1,75 V na článek, ale při hlubokém vybití může sahat až k hodnotě 1,0 V a to zejména při nízkých teplotách. Hlavní nevýhodou těchto baterií je poměrně nízká hustota energie, dlouhá doba nabíjení, veliká hmotnost (což pro stabilní zdroje, nebo pro zdroje vyrovnávací nevadí), která je tvořena především deskami, elektrolytem, konektory atd. Použitím uhlíkových vláken v kladných elektrodách se snížila hmotnost baterií a částečně se zvýšil výkon olověných článků. Olověné baterie byly oblíbenou volbou pro trakční baterie, tak i pro záložní systémy s jednotkovými výkony až 1,5 MW a s počtem cyklů až 2000 (u nejmodernějších baterií). Nejnovější typy jsou většinou bezúdržbové. tzn., že není nutné dolévat vodu. V normálním cyklu je při nabíjení na jedné elektrodě vylučován kyslík a na druhé vodík se kterým rekombinuje zpět na vodu. Dále mají ochranu proti vznikajícím plynům při přebíjení (tzv. baterie ventilové nebo baterie řízené ventilem, jenž brání případné nadlimitní tvorbě plynů jejich odpouštěním). 103

104 a) b) Obr Nabíjení a vybíjení olověných akumulátorů. Vybíjecí cyklus (a), nabíjecí cyklus (b). Dalším pokrokem je gelový elektrolyt. Jedná se o směs kyseliny sírové s malými částmi skelného prachu. Tato směs vytvoří vodivý elektrolytický gel, který spojuje výhody obou systémů. Vývoj gelů vhodných pro akumulátory (nemusí se jednat pouze o olověné, ale také lithiové aku, kde gelem může být např. směs litných nebo sodných příměsí) se nezastavil. Všeobecně jsou gelové akumulátory bezpečnější a pohodlnější pro obsluhu a údržbu. Baterie Sodium Sulfur (NaS) 104

105 Novým trendem je nasazování Sodium Sulfur (NaS) baterií. Jedná se o kombinaci sodíku a síry. Sodík je velice reaktivní a s alkalickými kovy jako je lithium a draslík tvoří skupinu, která může dosahovat teoreticky velké hustoty energie na jednotku hmotnosti. Například tato baterie má poměr řádově stovky Wh.kg -1 (400 Wh.kg -1 ). Například v porovnání s olověnou baterií, která má asi 30 Wh.kg -1, je tento poměr více než jedenáctinásobný. Účinnost konverze je také vysoká a pohybuje se v rozmezí 86 95% v závislosti na velikosti jednotky. Princip vyjadřuje následující rovnice: Tyto akumulátory zabírají menší, přibližně 3x, prostor jak olověné akumulátory. Je možné je snadno zapojovat do různých kombinací a tím určovat výstupní výkon i celkovou akumulovanou energii. Vyhovují požadavkům pro špičkové odběry, tedy možnost jejich vysokého krátkodobého přetížení. Umožňují také velmi rychlé dobíjení. Nedochází u nich k samovybíjení ani paměťovému efektu. Svým provozem neznečišťují životní prostředí, nevypouštějí do svého okolí žádné znečišťující látky, nezpůsobují hluk, ani vibrace. Nicméně tyto akumulátory jsou vyrobeny z levných materiálů a jsou převážně určeny pro trvalý provoz nabíjení/vybíjení. Nevýhodou zůstává nemožnost transportu nebo provozu s vibracemi kvůli vnitřním roztaveným složkám, které musejí během provozu zůstat v klidu. Jednotlivé články akumulátoru produkují napětí stejné jako olověné akumulátory, okolo 2 V. Kompletují se do velkých celozapouzdřených modulů s uvnitř vyčerpaným vzduchem vakuem nebo argonem pro nižší tepelné ztráty. Akumulační systémy a akumulační centrály jsou používané převážně v Japonsku, kde na zhruba 30-ti místech dokážou dodávat 20 MW po dobu 8 hodin. V USA je jejich používání teprve na začátku. Vyznačují se také značnou přetížitelností, je zde umožněn špičkový odběr až 6ti násobku normalizovaného výkonu po dobu minimálně 30 sekund. Elektrická efektivnost těchto akumulátorů je mezi 80% až 90%. Životnost delší než 15 let z nich dělá spolu s nízkými náklady na jejich výrobu jednu z nejvhodnějších dnes používaných řešení pro akumulační systémy. 105

106 Obr Sodíková baterie Články jsou usazeny do hermeticky uzavřených obalů, které musejí odolávat vysokým provozním teplotám a tlaků. Katoda je tvořena roztavenou sírou a anoda roztaveným sodíkem. Sodík má teplotu tání okolo 80ºC a síra okolo 120ºC, tudíž pro započatí reakce stačí dosáhnou teploty jen o trochu vyšší než teplota tání síry, ale ve snaze dosáhnout co největšího výkonu a bezztrátového provozu se teplota elektrod článku pohybuje mezi 300ºC a 350ºC. Elektrolyt je zde realizován jako pevná struktura z keramiky s přídavkem hliníku a oxidu hlinitého. Během vybíjení se ze sodíkové anody uvolní do vnější proudové smyčky elektrony, reakcí na to v roztavené anodě vzniká sodíkový iont Na+, který se dostane skrz pevný elektrolyt až do síry, kde se díky němu vytvoří kladný náboj kladná elektroda, která po uzavření proudové smyčky přijme elektron. Tento děj je vratný, tudíž tím samým způsobem, ale opačně dochází k nabíjení. Lithiové baterie Lithium je světlý a velmi reaktivní kov. Tím se stává velmi atraktivní pro energetickou akumulaci. Stejně jako předchozí druh baterií založených na sodíku. Anoda konvenčních článků je vyrobena z uhlíku, katoda z oxidu kovů a elektrolyt je lithiová sůl v organických rozpouštědlech. Níže uvedená rovnice vyjadřuje elektrochemickou reakci: 106

107 Obr Závislost ceny a poptávky Další vývoj je zaměřen na technologie LiFePo, Li-air a další technologie, které budou levnější, i když za cenu menší kapacity. S nasazením lithiových baterií se nicméně uvažuje pouze v bezvýpadkových záložních zařízeních Uninterruptible Power Supply (UPS). Co se týče akumulátorů a z nich sestavených akumulačních systému na bázi lithia, přicházejí v úvahu dnes již vcelku běžné dvě varianty Li-ion a Li-pol. Hlavní předností je díky velmi lehkému lithiu velmi malá hmotnost na instalovanou kwh. Zůstává také bezúdržbový provoz a je u nich možné uložit větší množství energie na jednotku obsahu oproti předchozím typům. Problém samovybíjení je takřka odstraněn a samotné články je možné skoro úplně vybít bez ztráty. Praktická realizace akumulačních systémů následné kapacity nebo snížení životnosti. Je umožněno rychlé nabíjení i vybíjení, tudíž jsou vhodné pro dynamické akumulační systémy. I se svojí dlouhou životností jsou srovnatelné s předchozími typy. Z pohledu zatížení životního prostředí jsou, jak výrobou, tak následnou recyklací, daleko více ohleduplnější. Bohužel i přes stále nové a efektivnější technologie výroby je pořizovací cena těchto akumulátorů a akumulačních systémů z nich sestavených neúměrně vysoká, tudíž jejich použití je v dnešní době takřka vyloučené. Pravděpodobně se pořizovací ceny v následujících letech značně sníží a tyto 107

108 akumulátory bude možné použít jak centralizovaně, takdecentralizovaně přímo v jednotlivých gondolách větrných elektráren díky jejich velmi nízké hmotnosti. U Li-ion a Li-pol článků je řešení spojování za účelem zvýšení výstupního napětí a výkonu obdobné s tím rozdílem, že napětí jednotlivých článků je u Li-ion akumulátorů okolo 3 V a u Li-pol se pohybuje od 1,8 do 3,3 V podle použití elektrolytu a katody. Tyto akumulátory mají vysokou životnost, až 3000 nabíjecích cyklů, se skoro bezztrátovou efektivitou nabíjení. Vnitřní struktura u Li-ion článků je podobná NiCd článkům. Rozdíl je v použití elektrod, katoda je Praktická realizace akumulačních systémů je tvořena oxidem lithia a jiného kovu, většinou LiNiO 2, LiCoO 2 nebo LiMoO 2. Vhodnost použití jednotlivých materiálů pro elektrody katod jsou současně ve výzkumu. Anoda je tvořena porézním uhlíkem a elektrolyt je vyroben z lithiových solí například LiPF6, rozpuštěných v organických karbonátech Princip činnosti nabíjení je založen na vytvoření iontu z atomu lithia na katodě, který nadále putuje přes elektrolyt a separátor až k uhlíkové anodě, kde se spojuje s externím elektronem a podílí se na uzavřením proudové smyčky nabíjecího okruhu. Proces vybíjení je založen na stejném, ale opačném principu. NiCd akumulátory Nabíjecí cyklus u NiCd článků spočívá ve vytvoření vrstvy oxidu nikelnatého na niklové katodě a zvýšení koncentrace odvodněním elektrolytu, většinou z hydroxidu draselného. Proces vybíjení je charakteristické řidnutím hydroxidového elektrolytu a usazováním niklu na niklové katodě. U těchto akumulátorů je třeba hlídat přebíjení, protože se při chemických reakcích tohoto procesu vylučuje hodně vody do elektrolytu a následně dochází buď k poškození pohlcovače vlhkosti nebo rychlému snižování životnosti. Příkladem použití může být oblastní akumulační stanice ve Fairbanks, Alaska, USA, kde je instalovaný výkon 40 MW v NiCd článcích. Konstrukce průmyslově vyráběných NiCd článků se stejně jako u olověných článků provádí jak do plastových, tak do kovových, hermeticky uzavřených nádob. Katoda je tvořena niklovou elektrodou a anoda kadmiovou, u prvních akumulátorů železnou elektrodou. Dále je akumulátor tvořen vrstvou elektrolytu se separátorem a vratným pohlcovačem vlhkosti. Elektrolyt je ve většině akumulátorů tvořen jednoduchým hydroxidem alkalického prvku, většinou hydroxidem draselným KOH nebo hydroxidem sodným NaOH. Chemická akumulace Vodík Palivový článek založený na vodíko-kyslíkové konverzi Na úvod je důležité znovu upozornit, že vodík není palivem, nýbrž pouze nosičem energie. O tomto systému se velice často hovoří v souvislosti s budoucí dopravou, ale i energetikou. Účinnost 108

109 zpětné konverze na elektrickou energii je ale velice nízká okolo 30%. Záleží na použití elektrolyzérů a palivových článků. V dnešní době je použití vodíkového hospodářství problematické. Níže následuje krátký výčet akumulačních vlastností a problémů, které s tím souvisí Soustava může mít tři základní aplikace: a) Produkce medicinálních plynů b) Produkce vodíku a kyslíku, jejich akumulaci a následné energetické využití c) Využití v chemickém a potravinářském průmyslu Vodík a kyslík jako chemické prvky Vodík je bezbarvý plyn bez zápachu, hustota je 0, 0899 g/l (lehčí než vzduch), teplota varu je 20,37 K. Výbušný se vzduchem. Kyslík je bezbarvý plyn bez zápachu. Hustota 1,429 g/l (těžší než vzduch), teplota varu je 90,15 K. Ve spojení s organickými materiály může vyvolat hoření nebo výbuch. Výroba vodíku V předešlých úvahách jsme předpokládali výrobu vodíku pomocí elektrolýzy. Elektrolýza je proces, ve kterém se vodík uvolňuje na katodě a na kyslík na anodě. Tato reakce je náročná čistotu vody a elektrickou energii. Pro zvýšení vodivosti vody se používá roztoku nejčastěji KOH. Jestliže přesto budeme přemýšlet o aplikaci vodíku jako akumulačního média, nesmíme opomenout HTR (vysokoteplotní) reaktory (stále ve vývoji). K rozkladu vody se používá vysoké teploty a pomocí chemicko-technologických prostředků je dosaženo lepší bilance. Problémy v akumulaci vodíku Skladovat vodík ve velkých objemech není dosud stále dostatečně vyřešené. Atomy vodíku jsou velice lehké i malé a unikají skrze krystalové mřížky různých kovů nebo jejich slitin. Principiálně můžeme vodík skladovat ve třech fázích: v plynné fázi v kapalné fázi s pomocí metal-hydridových zásobníků, kdy se plyn naváže na krystalovou strukturu slitiny. Výhody systému Celá soustava obsahuje minimální množství rotujících částí, které mohou být příčinou poruch a problémů. Palivové články jsou velice závislé na čistotě vstupujících médií. Na druhou stranu je ekologicky přívětivý bezemisní. Neprodukuje také hluk s výjimkou kompresorů apod. Na níže uvedených obrázcích můžeme vidět základní systém akumulace elektrické energie prostřednictvím vodíku. 109

110 Obr Schéma kumulace prostřednictvím vodíku Biopaliva Obr Schéma akumulace a spolupráce OZE s elektrickou sít Biopalivem jsou chápány cíleně pěstované rostliny, které mohou být následně využity energeticky. Pro potřebný vývoj rostlinstva může být udržováno vhodné klima ve sklenících, kde se rychle může flóra rozvíjet. Následné využití (většinou termické zpracování) je chápáno jako jistý způsob zachování energie. Nutnou podmínkou je zabezpečit fotosyntézu. Syntetické (syntézní) kapaliny a plyny Syntézním plynům je přikládán velký důraz. Je známo, že pomocí elektrické energie lze z CO 2 a vody udělat metanol. Další výroba syntetických plynů probíhá především parním reformingem z uhlí. Syntézní plyny a jejich problematika vysoce překračuje možnosti této knihy. Jedná se o oblast velice zajímavou a v budoucnu jistě využitelnou. Tepelná akumulace 110

111 Metoda Ruths Metoda Ruths je založena na termální akumulaci elektrické energie prostřednictvím teplé vody. Ta je posléze přes regenerační oběh kondenzované vody z turbíny zpět využita. Tento systém se vyznačuje vysokou mírou efektivity a akumulační kapacity. Látky se změnou skupenství Obr Principiální schéma Látky se změnou skupenství jsou vynikající pro akumulaci tepelné energie pouze v rozsahu jich vlastních teplot tání. Pokud bychom potřebovali akumulační schopnost vyšší než je jejich bod tání, vyplatí se akumulace do současných materiálů. Velice dobře se uplatňují různé parafíny a vosky. Jejich teploty tání jsou blízké teplotě varu vody. Eutektické slitiny jsou slitiny materiálů, které při tuhnutí vytvářejí krystaly. Teplota tání dvou kovů by měla být pokud možno co nejbližší. Důležitou vlastností je tzv. eutektická teplota, což je teplota nižší než teplota tání každé ze složek. Při tuhnutí se latentní teplo odevzdává, takže teplota zůstává po nějaký čas stejná. Až poté začne teplota slitiny klesat. Tyto látky ale z pohledu energetiky (zvláště elektroenergetiky) nemají příliš velký význam. Přírodní látky Přírodní látky pro uchovávání tepelné energie jsou například, kámen, cihla apod. Samozřejmostí je voda. Z umělých látek můžeme jmenovat například beton. Elektrická akumulace Z hlediska akumulace je elektrická akumulace nejlepším řešením. Současné možnosti jsou však omezené. 111

112 Superconducting magnetic energy storage (SMES) Superconducting magnetic energy storage je systém, který ukládá energii do magnetického pole. Jedná se o relativně nový systém, který je stále ve výzkumu a vývoji. Malé demonstrační jednotky existují, ale problematická se jeví akumulace vyššího množství energie (nad 1MWh). Superkapacitory Superkondenzátory představují nový velkoobjemový systém akumulace energie. Kondenzátory mají velkou hustotu energie řádově 10 Wh/kg, delší životnost než konvenční baterie a také vyšší účinnost až 95%. Další předností jsou zejména vysoké krátkodobé dodávky výkonu, kdy je možné dosáhnout proudu až 4500 A. V anglické terminologii mají zkratku SCESS Super Capacitor Energy Storage System. Obstál při několika milionech cyklů nabití-vybití. Doba nabíjení vybíjení je extrémně krátká a účinnost lepší než 95 %. Rovnice jejich energetické bilance je: kde U...napětí (V) C...kapacita (F) Základní myšlenkou superakapacitoru je a byl vývoj optimálních zásobníků s kapacitou baterií, ale s operativními vlastnostmi kondenzátorů. Kondenzátory a to jak super nebo ultra mohou být aplikovány na zařízení, kde se předpokládá mnohem více nabíjecích a vybíjecích cyklů než by umožňovali baterie(více než cyklů je možných). Energetická hustota je okolo 1-10 Wh.kg -1 a specifická hustota energie je 1,6 kwh.kg -1 a je vyšší než u baterií (s výjimkou Li-ionových baterií) Superkondenzátor se skládá z kladné a záporné elektrody z hliníkové fólie, dvou vrstev aktivního uhlíku a mezi nimi se nachází separátor. V nenabitém stavu jsou částice s nenulovým nábojem (ionty) rovnoměrně rozloženy ve vodivé tekutině, tekutém nebo gelovém elektrolytu, který se nachází mezi elektrodami. Po přiložení napětí na elektrody se začnou záporné ionty pohybovat ke kladné elektrodě a naopak kladné ionty k záporné elektrodě. Na obou elektrodách se tak vytvoří Základní myšlenkou superakapacitoru je a byl vývoj optimálních zásobníků s kapacitou baterií, ale s operativními vlastnostmi kondenzátorů. Kondenzátory a to jak super nebo ultra mohou být aplikovány na zařízení, kde se předpokládá mnohem více nabíjecích a vybíjecích cyklů než by umožňovali baterie (více než cyklů je možných). Energetická hustota je okolo 1-10 Wh.kg -1 a specifická hustota energie je 1,6 kwh.kg -1 a je vyšší než u baterií (s výjimkou Li-ionových baterií). 112

113 Superkondenzátor se skládá z kladné a záporné elektrody z hliníkové fólie, dvou vrstev aktivního uhlíku a mezi nimi se nachází separátor. V nenabitém stavu jsou částice s nenulovým nábojem (ionty) rovnoměrně rozloženy ve vodivé tekutině, tekutém nebo gelovém elektrolytu, který se nachází mezi elektrodami. Po přiložení napětí na elektrody se začnou záporné ionty pohybovat ke kladné elektrodě a naopak kladné ionty k záporné elektrodě. Na obou elektrodách se tak vytvoří dvouvrstvá se zrcadlovým rozložením elektrického náboje. Použitelné napětí je omezeno hodnotou disociačního napětí. Průrazné napětí elektrické dvouvrstvy je velmi nízké a tak typické provozní napětí superkondenzátorové buňky nepřesahuje 2,3 V. Mezi jejich největší výhody patří Nevýhody: Nízký vnitřní odpor a tím tedy vysoká účinnost (95% a více) a velmi malé ztráty Vysoká efektivita při nabíjení Možnost velmi častého nabíjení a vybíjení (mnoho cyklů) Množství energie uložené na jednotku váhy je nižší než u elektrochemických článků (3-5 Wh.kg-1 pro superkondenzátory v porovnání s Wh.kg-1 pro klasické baterie). Napětí se mění v závislosti na množství uložené energie (podobně jako u kondenzátorů). Mají nejvyšší dielektrickou absorpci ze všech typů I přes nevýhody lze říci, že superkondenzátory mají budoucnost. Vyplňují totiž místo mezi klasickými kondenzátory a nabíjecími akumulátory. Mají malou kapacitu, ale naopak akumulátory mají pomalé nabíjení, limitované zatížení a krátkou životnost. A proto se budou superkondenzátory využívat nejpravděpodobněji ke krátkodobému zálohovaní zdrojů při krátkých výpadků napájení, vyrovnávání a akumulaci el. energie pro malé větrné a solární elektrárny, hybridní automobily a napájení nízko příkonové kapesní elektroniky. Nejnovější použití superkondenzátorů je ve startovacích bateriích lokomotiv a v moderních hybridních vozidlech Podmínky pro instalaci akumulačních systémů v distribučních soustavách Pro vlastní přínos akumulačních článků je nutná implementace dle pravidel pro provozování distribučních soustav. Každý článek má své unikátní vlastnosti, které je vhodné využít na maximální možnou míru. Maximální využití v sobě zahrnuje následující aspekty: kapacita článku, maximální nabíjecí proud, 113

114 maximální vybíjecí proud, wattovu účinnost, rychlost přechodu mezi nabíjením a vybíjením. Na základě výše uvedených vlastností konstatujeme, že napětí není rozhodujícím parametrem akumulace. Pro malé akumulační systémy se jeví jako velmi vhodné použití v distribučních nebo i přenosových soustavách. Nasazení akumulace k potlačení ztrát V případech, kdy je spotřebou požadována vyšší hodnota zatížení, dochází k přetěžování transformátorů, vedení a ostatních zařízení zapojených v distribuční soustavě. Vhodnou volbou akumulačních jednotek je možné eliminovat výkyvy a zajistit kontinuální dodávku elektřiny. Stejně je to i v opačném režimu, kdy řada menších či větších zdrojů OZE jsou zapojeny na koncích distribučních linek a opět dochází k náhodnému přetěžování stávajících linek. Výstavba nových vedení je opodstatněná a to s ohledem na neustále se zvyšující příkon u jednotlivých koncových odběratelů, nebo-li z důvodu zvyšujícího se odběru elektrické energie. Nicméně, jejich výstavba není možná z krátkodobého hlediska 2-3 let. A proto přicházejí na řadu samotní spotřebitelé a jejich zapojení do distribuční sítě s malými akumulačními soustavami. Minimální předpoklady, ze kterých musíme vycházet při návrhu akumulačních soustav, jsou: spolehlivost, kvalita elektrické energie, rychlost náběhu, změna režimu, Další charakteristiky, které by měl systém obsáhnout jsou: celková účinnost, cena a provozní náklady, náhradní nebo krátkodobý zdroj, životnost při nabíjecích/vybíjecích cyklech, velikost samovybíjení, energetická a výkonová hustota, rozměry a objemy systému, modularita, přepravitelnost, jednoduchá montáž (popřípadě systém Plug and Play ). 114

115 Spolehlivost Spolehlivost je velice důležitá vlastnost pro chování akumulačních zařízení (v anglické literatuře se těmto zařízením říká MES Modular Electricity Storage ) v distribuční a přenosové soustavě. Při návrhu systému je nutné znát počet cyklů a časovému typu akumulace, budeme vycházet z premisy: kde cyklů odpovídá životnosti VRB akumulátoru, 365 dnů odpovídá režimu denní akumulace. Pokud použijeme technologie s menším počtem cyklů, samozřejmě se zkracuje doba životnosti celku. Kvalita elektrické energie Kvalita a charakteristika dodávky elektrické energie ze zařízení podobných MES je velmi důležitá. Zejména se klade důraz na PQ charakter dodávky. Typ měničů (protože se většinou jedná o akumulaci se stejnosměrným vstupem DC) je nutné volit s ohledem na kvalitu výstupní sinusoidy a také na schopnost regulovat zmíněné PQ režimy. Celkově by tedy měly splňovat následující: kvalita sinusoidy, napěťovou stabilitu, účiník, frekvenční stabilitu, harmonické. U harmonické se předpokládá (dle standardu IEEE ), že maximální celkové harmonické zkreslení (THD) nesmí být větší než 5 %. Frekvenční stabilita nesmí překročit 1 %. Napěťová předpokládá kvalitní řízení na úrovni PQ a tím pádem účiník musí odpovídat těmto předpokladům. Rychlost reakce Rychlost náběhu, respektive rychlost reakce na náhlou změnu výkonu. Jedná se zejména o rychlou dodávku potřebného výkonu v distribučních systémech. Spotřeba reaguje velmi pružně, naopak výroba tak pružná není (složitost regulace soustavy). Záleží na typu soustavy, na rychlosti změn v ní. Proto může být kritérium rychlosti marginální. Změna režimu 115

116 Jedno z nejdůležitějších kritérií pro MES a akumulaci všeobecně. Jedná se o rychlost změny nabíjení a vybíjení. V distribučních soustavách je ale toto kritérium umocněno změnou odběru dodávky výkonu ve velmi rychlém sledu. V autonomních systémech není až tak extrémně důležitá. Vlastnost zařízení je závislá hlavně na dvou parametrech: na kapacitě SOC, na chemicko-fyzikálních vlastnostech. Ostatní vlastnosti Mezi ostatní vlastnosti můžeme zařadit takové, které nejsou nezbytně nutné jako předpoklad pro úspěšné začlenění akumulačního systému do soustavy. Celková účinnost Celková účinnost zařízení je důležitá v mnoha ohledech, avšak tento parametr není majoritní u všech typů aplikací. Můžeme jmenovat například jednotky UPS (Uninterruptible power source). U tohoto typu jednotky je účinnost pouze okrajovým parametrem, protože primárním účelem je dodávka výkonu v době výpadku hlavního napájení a ta nastává například pár hodin v roce. Přesto musíme účinnost zohlednit, vyrábíme-li energii z primárních zdrojů s nízkou účinností (většinou z neobnovitelných zdrojů). Cena a provozní náklady Cena instalace a provozní náklady představují výraznou rozhodovací funkci pro umístění akumulace. Zejména pro malé jednotky je cena instalace hlavním kritériem. U instalací vyšších výkonů mohou být rozhodující jiné vlastnosti než právě. investiční náklady. Jinak je tomu u provozních nákladů. Pro malé jednotky nepředstavují výraznější rozhodovací vliv, pro větší jsou důležitější než cena instalace. Náklady všeobecně mohou být fixní a variabilní: Fixní zahrnuje veškeré každoroční opakující se náklady, násobící se s množstvím skladovacích provozů. Příkladem mohou být čtvrtletní nebo roční náklady spojené s kontrolou a diagnostikou zařízení. Nebo náklady spojené s ventilačními a klimatizačními jednotkami. Variabilní jsou úměrné množství skladovacích provozů. Variabilní náklady jsou nejvýznamnější zejména s ohledem na provozní součásti a jejich obměnu (elektrolyt, články, elektrody aj.). Závisejí na okolnostech tyto náklady mohou být celkově velmi signifikantní. 116

117 Náhradní nebo krátkodobý zdroj V ojedinělých případech je nutná rychlá reakce akumulátoru mimo standardní provozní výkon. Například Na/S akumulátor je schopen krátkodobě téměř 2 krát zvýšit nominální výstupní výkon vůči normálu. VRB umožňuje pouze asi 1,1 násobek. Životnost při nabíjecích/vybíjecích cyklech Všechna energetická akumulační média degradují svým provozováním. Tato míra degradace závisí na typu technologie, míře jejího využívání, počtech cyklů, údržbě a míře vybíjení, aj. Časté vybíjení a hloubka vybití patří mezi nejčastější příčiny omezení životnosti. Pro většinu systémů se proto ujednotila norma, která definuje životnost (počet cyklů) při hloubce vybití 80 % DOD. Některým médiím příliš nevadí mírné přebíjení, jiným více. Životnost akumulačního systému je jednou z vlastností, která má vliv na výši variabilních nákladů. Velikost samovybíjení Samovybíjení nebo tzv. Standby režim je u dnešních typů velmi nepříjemnou vlastností akumulátorů (olověné, Ni-Cd aj.) Naopak některé netrpí vlastními ztrátami, ale projevuje se u nich Standby režim například u VRB jsou tyto ztráty poměrně velké z důvodu použití elektrolytických čerpadel. Dalším faktorem ovlivňující samovybíjení jsou například teplota, vlhkost aj. Nicméně pro aplikace v distribučních systémech není tato položka rozhodující. Energetická a výkonová hustota Energetická hustota pouze říká, jakou dané zařízení bude mít velikost. Pro velké aplikace nemá opodstatnění. Rozměry a objemy systému Stejně jako u předešlé položky. Umístění musí respektovat velkou stavební plochu a hmotnost zejména u velkých akumulačních kapacit. Modularita Je opodstatněná v případě rozšiřování stávajících systémů. Technologie musí umožňovat rozšiřitelnost s cílem zvýšit kapacitu nebo výstupní výkon (proud). Tato položka je také důležitá při plánovaní investic, popřípadě obnovy přenosových a distribučních sítí. Snadná přeprava Pro mnohé projekty je to klíčová položka. Jsme-li schopni rychle přepravit na místo použití několik akumulátorů, jsme schopni poměrně rychle reagovat na požadavky odběratelů a tím efektivně řídit toky energií v síti. 117

118 Jednoduchá montáž (popřípadě systém Plug and Play ) Doplňující položka ke dvěma předchozím. Zařízení musí umět komunikovat na běžně používaných protokolech a linkách (např. USB, MODBUS, RS232). V případě jednoduché montáže zařízení, lze využít akumulátor také jako záložní zdroj v současných velkých elektrárnách. Vliv akumulace na snižování zátěže vedení Pokud předpokládáme zvyšující se zatížení jednotlivých vedení, je dobré vycházet z historických údajů. Například Zhang uvádí, že historicky vychází zatížení vedení podle: ( ) kde r a - je roční přírůstek S - je zdánlivý výkon (VA). Pro lepší představu se nyní pokusíme definovat jednotlivé požadavky na akumulační systémy z pohledu provozovatelů distribučních a přenosových soustav. Akumulační kapacita může jednak vyhlazovat zatížení na vedení, a současně může velmi kladně ovlivňovat parametry SAIDI (System Average Interruption Duration Index), SAIFI (System Average Inerruption Frequency Index), CAIDI (Customer Average Interruption Duration Index) a ASAI (Average Serice Availability Index). SAIDI je definován jako: SAIFI: CAIDI: A ASAI: ( ) ( ) Ukazatel ASAI vykazuje podobné parametry SAIFI. V každém případě se jedná o sledování spolehlivosti dodávky odběratelům. Na základě neplnění výše dohodnutých dodávek mohou přijít požadavky na finanční kompenzace ze strany odběratelů. Po začlenění akumulačních prostředků došlo dle empirických zjištění k ( ) ( ) 118

119 poklesu všech těchto ukazatelů Poklesy těchto ukazatelů mají pozitivní vliv na celkovou spolehlivost dodávky elektrické energie. Následující tabulka poskytuje přehled aplikací, které jsou provozně kompatibilní tzn., že nejsou k dispozici žádné provozní konflikty mezi aplikacemi. Kombinace aplikací jsou technicky možné pouze v tom případě, že stejný zásobník můžeme využit pro všechny ostatní aplikace. Dalším pozitivem je, že mají také synergický efekt a vzájemně se doplňují. Předpokladem je celková výhodnost soustavy, tedy, že náklady jsou nižší než výnosy. 119

120 Tab Aplikační synergická matice 120

121 Vysvětlivky 1 - Vyžaduje akumulátor, který je umístěn v případě potřeby. X - Poněkud velmi specifické okolnosti, zejména pokud jde o načasování provozu anebo umístění. * - Většina akumulátorů nemůže poskytovat energii pro obě aplikace současně. - Vybíjení je velmi shodné pro obě aplikace. - Pro lokalizovanou akumulaci je energie pro nabíjení a) z místních obnovitelných zdrojů energie anebo b) zakoupená mimo lokální zdroje OZE prostřednictvím sítě. - Vyžaduje zužitkování přesně na místě skladování. Poznámky k tabulce: a) Pro oblast regulace: Předpokladem je, že akumulační kapacita není připojena na distribuční b) úrovni. c) Pro napěťovou podporu: Předpokladem je, a) kapacita je distribuována a b) akumulační systém obsahuje jalovou složku výkonu. d) Pro rezervovanou aku. kapacitu: Musíme mít aku. energii minimálně pro jednu hodinu plného vybíjení (abychom mohli nabízet kapacitu alespoň hodinu dopředu hour-ahead ). e) Pro P&D plánovanou zátěž: Pro zátěž (ranní nebo odpolední špička) zahrnující nabíjení - musí platit převažující cena energie. f) Pro P&D Roční hodiny provozu vybíjecího rozsahu je poněkud limitující. Proto je akumulační kapacita dostupná pro ostatní aplikace během roku. g) Doba využití: Plánuje se využívání minimálně na úrovni 5-ti hodin denně/7. h) Transientní podpora je předpokládána, že je z větší části nebo zcela nekompatibilní s ostatními technologiemi Návrh malého akumulačního systému Většina FVE se v dnešní době uplatňuje pouze jako malý zdroj energie pro využití na rodinných domech. Pro autonomní systémy, ke kterým můžeme rodinné domy, chalupy a jiná podobná sídla považovat, je důležité správně nakonfigurovat zdroj, akumulátor a vedení s ohledem na energetickou potřebu objektu. Tato činnost je komplikovaná, protože neexistuje typový objekt, který by mohl být empirickým příkladem návrhu soustavy. V této chvíli se řeší podobné projekty čistě náhodně, kdy akumulátory jsou zhruba navrženy na spotřebu domu. Pokud jejich kapacita nestačí, jsou připraveny další. Autonomní objekt Pro návrh systému lze využít sofistikovanějších metod. Jednu z nich například popisuje ve svých článcích dr. Markvart. U malých sídel je kombinace FVE a VTE 121

122 velice častá, proto také jejich oblast působení musí vytvořit pracovní bod, který se mění na základě aktuálních podmínek není pevně dán. Vždy se jedná o přesný výčet spotřebičů, které jsou zapojeny v autonomním systému. Samozřejmě se musí počítat s koeficientem využití, který je rozdílný pro jednotlivé spotřebiče. Dále je potřebné se rozhodnout, jakým napětím bude objekt napájen. Měniče DC/DC nebo DC/AC mají svou vlastní spotřebu a účinnost. Budeme-li uvažovat, že objekt napájíme pouze z fotovoltaického zdroje, potom potřebná plocha panelů bude: kde ( ) E s - je celková denní spotřeba elektřiny (Wh) I d - je celkový dopadající výkon na panely (Whm 2 ). Jestliže budeme uvažovat dodatečné ztráty (někdy nazývané systémové), potom musíme potřebnou plochu vynásobit korelačním faktorem CA(> 1). Vztah přejde na: ( ) Při návrhu instalací by se měla uvažovat historická spotřeba objektu, nejlépe v průběhu celého roku. Následně můžeme vycházet z pohledu, který definuje proměnou n c jako počet dní. Nastane-li situace, že denní záření je menší než aktuální spotřeba E s respektive, záření I dd je nižší než dlouhodobý průměr I d, potom se energetická bilance změní na: ( ) Zohledníme-li spotřebu energie objektem Es je nutné použít zálohovací zařízení, které pokryje dodávku energie i mimo maximální podmínky akumulátor. Jeho kapacita (v jednotkách Wh) bude: ( ) Použitím koeficientu C A a definováním počtu dnů autonomie C S = Q/E s, obdržíme tvar: Výše uvedená rovnice je důležitá pro pochopení různých klimatických jevů. Graficky lze problematiku popsat následovně: 122

123 Obr Konfigurační rovina daná výše uvedenou rovnicí Obr Konfigurační rovina daná rozdílnými klimatickými podmínkami Po složení několika místních klimatických podmínek vyjde celková dimenzační křivka. Grafický návrh také může pomoci návrhu hybridního systému založeného na větrné a fotovoltaické elektrárně. Použitím obou systémů docílíme vzájemné kooperace. Z dlouhodobých měření hydrometeorologických ústavů vyplývá, že v zimním období převládá větrné klima nad energetickým příjmem z FVE. V létě je tomu naopak. Celkové energetické zisky se tedy vyrovnávají skrze přirozené podmínky. Odpadá nutnost budování velkého zásobníku energie. 123

124 Obr Dimenzační křivka pro limitní přechod různých klimatických cyklů Obr Stejného principu lze použít i pro návrh hybridního systému 4.5. Ekonomika provozu bateriových systémů v energetické síti V této kapitole je řešena problematika ekonomických ukazatelů, které významnou měrou přispívají k rozhodování o umístění nebo používání akumulačního systému. Akumulační prostředky jsou pro investora důležité ze dvou důvodů: z legislativního, z ekonomického. 124

125 Pro ekonomickou část můžeme definovat dva hlavní ukazatele, pro které je vhodný jakýkoliv akumulační prostředek: podpůrné služby v energetice, domácí hybridní systémy. Podpůrné služby v energetice jsou již delší dobu požadovány jednotlivými regulátory distribučních i přenosových sítí. Zejména potom možnost ovlivňovat prudké výkyvy mezi poptávkou a nabídkou elektřiny, která je což je v současnosti aktuální a známý problém. Ekonomická bilance systémů tvořených akumulátory velmi závisí na druhu provozu. V současné době je použití akumulačních systémů v průmyslovém odvětví velmi omezené, ne-li mizivé. Společnosti nejsou vázány žádným zákonem, který by je nutil harmonizovat výstupní nebo vstupní výkon (typickým příkladem jsou válcovny plechů). Akumulační prostředky ale mohou najít uplatnění i v řízení celé energetické soustavy stejně tak, jako v současné době velké přečerpávací vodní elektrárny. Výhodou menších akumulačních systémů je zejména v nezávislosti na geologických podmínkách. Pro řízení se uplatňuje několik regulačních pásem: 1. primární regulace, 2. sekundární regulace, 3. terciální regulace. Primární regulace elektroenergetické soustavy je definována jako proporcionální charakteristika, která je uskutečňována pomocí regulace výkonu turbínu, respektive otáček a zabezpečuje rovnováhu mezi výrobou a spotřebou elektrické energie. Regulátor by měl zabezpečovat chod soustavy podle: kde S - je statika korektora frekvence. Sekundární regulace je doplňková k primární regulaci. Zabezpečuje trvalou udržitelnost salda (pro malé změny Δf 0), které je naprogramované na regulátoru příslušné regulační oblasti. Při větších frekvenčních odchylkách (výpadek primární regulace) zabezpečuje chybějící výkon a tím vyrovnává frekvenci na požadovanou hodnotu a její meze. Sekundární regulace musí splňovat následující podmínku (proporciálně-integrační charakter): ( ) ( ) 125

126 kde ΔPd - je výstupní hodnota regulátoru [MW] k - je proporcionální konstanta regulátoru Tr - je integrační konstanta regulátoru [min] G - je regulační odchylka (ACE Area Control Error). Terciální regulace představuje manuální nebo automatický přesun pracovních bodů na strojích zúčastněných na sekundární regulaci. Cílem této regulace je především hospodárně rozdělit výkon sekundární regulace a zaručit dostatečnou rezervu sekundární regulaci v čase a výkonu. V podstatě se jedná o zapojení dodatečných zdrojů do sítě, například odpojením nebo připojením nových turbín (plynové, parní), přerozdělením výkonu zdrojů sekundární regulace, změnou programu salda v propojené soustavě a jiné. Ekonomický přínos pro použití zásobníku energie je zejména v reakci na okamžité požadavky operátora trhu energií (v České republice OTE, a.s.). Operátor bonifikuje zákazníky, kteří jsou schopni okamžitě odebrat nadbytečnou energii. Další fází může být sekundární regulace napětí. Doplňkové služby Preferované použití Identifikace oblastní specifikace DS Časová odezva Kontinuální regulace Rotační Primární frekvenční kontrola RZPR 30 s Kontinuální regulace Rotační Sekundární výkonová a frekvenční regulace RZSR 15min Energetická nerovnováha Okamžitá mimořádná rezerva Rotační Následující zatížení RZTR+/RZTR- 30min Netočivá Provozní rezerva RZQS 15min Náhradní rezerva netočivá Doplňková rezerva RZN >30 >30min Vysvětlivky k tabulce: Tab Příklad setu doplňkových služeb a jejich kategorizace - RZPR Regulační záloha (PR) jedná se o točivou výkonovou zálohu, která je vyčleněna na bloku poskytujícím podpůrnou službu primární regulace f bloku 126

127 - RZSR Regulační záloha (SR) jedná se obecné označení točivé výkonové zálohy, která je vyčleněna na blocích poskytujících podpůrnou službu sekundární regulace P bloku. - RZTR+ Regulační záloha kladné (TR) jedná se o (točivou) výkonovou zálohu směrem nahoru, která je vyčleněna na bloku poskytujícím podpůrnou službu terciární regulace P bloku. - RZTR - Regulační záloha záporné (TR) jedná se o (točivou) výkonovou zálohu směrem dolů, která je vyčleněna na bloku poskytujícím podpůrnou službu terciární regulace P bloku. - RZQS (RZQS 15 ) Rychle startující 15-ti minutová záloha jedná se o blok, který je do 15 minut od příkazu Dispečinku ČEPS schopen poskytnout předem sjednaný výkon. - RZN >30 Regulační záloha (netočivá) dosažitelná nad 30 minut (může zahrnovat více složek). Vymezení základních pojmů V obecném pojetí je každá investice rizikem. Tento pojem představuje níže uvedený graficky obrázek. Základními pojmy pro každou z investic je vymezení se na: Výnosnost - je vyjádřena peněžním přínosem, který je očekáván za dobu životnosti zařízení. Někdy je také uváděna jako ekonomická životnost investičního projektu. Riziko - představuje pravděpodobnost nedosáhnutí předpokládaných výnosů a výsledků z projektu. Likvidita - vyjadřuje dobu přeměny investičních výdajů na peněžní příjmy. Výnosnost Riziko Likvidita Vstupní parametry modelu Obr Magický trojúhelník investování 127

128 Vstupními parametry jsou zejména cena elektrické energie (výrobní a prodejní cena). Cena akumulačního média, celková doba životnosti a také počet cyklů, které předpokládáme, že skladovací systém bude muset zvládnout. Základní investiční pravidla Během rozhodování, jaké akumulační médium použít, se velice často přihlíží spíše než k technickým aspektům k aspektům ekonomickým. Pro koncového uživatele (energetiky nebo domácnosti) je ekonomika provozu a zejména investiční náklady rozhodujícím činitelem. Existují známé investiční odhady, které jsou založeny na několika předpokladech: investiční náklady, doba provozu zařízení, předpokládaný výnos zařízení, úroková míra v daném roce provozu, daně. Pro předem definované parametry byly vytvořeny modely, které respektují výše zmíněné podmínky a dále také Odpisové skupiny, u kterých se tato položka také hodnotí. Výsledkem je souhrn, který by měl napomoci při rozhodování o použité technologii. Použité ekonometrické metody Podle zohlednění času - metoda statická, - metoda dynamická. Podle efektivity investice - nákladové metody (jako kritérium hodnocení bývá úspora nákladů), - ziskové metody (kritérium čistého zisku), - příjmové metody (kritérium peněžní příjem, tj. čistý zisk spolu s odpisy). Z hlediska používaných metod hodnocení efektivnosti investic můžeme použít následující: metoda průměrných ročních nákladů (annual cost), metoda diskontovaných nákladů (discounted cost), metoda čisté současné hodnoty (net present value) metoda indexu ziskovosti (profitability index), metoda vnitřního výnosového procenta (internal rate of return), metoda průměrné výnosnosti (average rate of return), metoda doby návratnosti (payback period). Celkový přehled metod vyjadřuje následující tabulka. Použití těchto metod je v obecné rovině vnímáno pouze jako prvek hodnocení investice především v korporátní sféře. Metody jsou ale velice obecné a tím pádem je 128

129 lze využít na hodnocení i akumulačních prostředků pomocí softwarového řešení na úrovni lokálních akumulačních systémů v distribučních sítích. Obecně se dá říci, že čím kratší doba úhrady dané investice, tím je příznivější, protože dosahuje vyšší reálné výnosnosti, nebo-li se tím zvýší likvidita. Samozřejmě je tím i investice bezpečnější z pohledu investora Tab Srovnání jednotlivých metod Metoda doby návratnosti Je to jedna z nejméně přesných metod. Někdy je také označována jako doba úhrady. kde I - kapitálový výdaj P n - peněžní příjem n - jednotlivá doba životnosti DU - doba návratnosti (doba úhrady) Metoda nepočítá s žádnými aktualizovanými příjmy. Jde pouze o prostou dobu návratnosti. Pakliže budeme uvažovat faktor času, je třeba vzorec upravit: ( ) kde i - diskontovaná míra Metoda průměrných ročních nákladů (annual cost) Reflektuje pouze základní metodu hodnocení investic. 129

130 Metoda Čisté současné hodnoty (NPV) Metoda patří mezi nejpoužívanější ekonomicko-rozhodovací kritéria, podle kterých se rozhoduje, zda se investice vyplatí či nikoliv. NPV (z anglického originálu - Net Present Value) vychází z předpokladu, že budeme uvažovat peněžní tok, který nám poplyne díky investici. Může být samozřejmě kladný (cílené) nebo záporný (investice není výhodná). V podstatě se jedná o informaci kolik peněz daná investice vydělá nebo naopak prodělá. Metoda NPV je vhodná pro krátkodobé investice (informace se různí, ale shoda je na období do 10-ti roků). Pokud bychom uvažovali investice delší (horizont okolo 20 let), potom tato metoda je dosti nepraktická. Počítá totiž s předpokladem, jaký zisk přinese investice v určeném období (a ten se může ve skutečnosti značně lišit). Čistá současná hodnota vyjadřuje absolutní hodnotu mezi aktualizovanou hodnotou peněžních příjmů z investice a mezi aktualizovanou hodnotou kapitálových výdajů, které si daná investice vyžádala. Nicméně pro malé jednotky, které považují hranici 10-ti roků za maximálně možnou pro investici, je tato metoda poměrně vhodná. Matematické vyjádření čisté současné hodnoty (v angličtině: Net Present Value) je: ( ) ( ) Někdy se můžeme setkat s upraveným vztahem: ( ) ( ) ( ) ( ) kde P n - peněžní příjem FP n - volný peněžní tok i - diskontovaná míra I n - kapitálový výdaj N - doba životnosti n - jednotlivá doba životnosti Jak vyplývá z výše uvedených rovnic je určujícím předpokladem délka trvání investice a její skutečný čistý peněžní příjem (po odpisech). Diskontovaná míra je o něco složitější. Vyjadřuje jak si ceníme investici, respektive jaký předpokládáme zisk z celkové pořizovací částky, kdybychom tuto investici neprovedli. Obvykle je vyšší než běžný spořící úrok v bance (prémie za riziko). Její vyjádření se obvykle udává v p.a. (per annun). Pokud investor trvá na měsíční bonifikaci, musí se tento aspekt zohlednit i při výpočtu. 130

131 Metoda vnitřního výnosového procenta (IRR) Obvykle je metoda označována jako metoda vnitřního výnosového procenta, nicméně se lze setkat také se synonymy: Internal Rate of Return (anglicky), mezní míra výnosu z investice, vnitřní míra návratnosti, vnitřní výnosové procento. IRR je druhá základní metoda k výběru investice. Jedná se vlastně o matematické upravení metody NPV. Jak ukazuje následující rovnice, rozdíl spočívá hlavně v definici zisku z dané investice. IRR vyjadřuje procentní výnos při diskontovaném peněžním příjmu respektive hledá právě takovou úrokovou míru, při které bude NPV = 0. ( ) Pakliže bude platit: { můžeme vyjádřit vhodnost dané investice. Metoda čisté konečné hodnoty Matematicky: ( ) ( ) Jak vyplývá z výše uvedených rovnic, jedná se o metodu, která aktualizuje příjmy i výdaje. Varianta s vyšší aktualizací je výhodnější, i když všechny kladné výnosy jsou považovány za dobrou investici (přináší vyšší zhodnocení než námi určená úroková míra - alternativní investice). Metoda čisté konečné hodnoty s návratností Tato vychází z předpokladu, cituji: Ve své matematické podobě počítá plochu mezi kumulovanými úročenými peněžními toky z investice a kumulovanými hodnotami úročených výdajů na investice. Její zkratka je LRP (lineární regulační plocha). Počítá s vyšším příjmem z investice na začátku projektu na úkor posledních let. Opět matematicky: ( ( ) ( ) ) 131

132 Čím vyšší je hodnota LRP, tím je lepší z pohledu výnosnosti i v rámci porovnání likvidity. Metoda ekonomicky přidané hodnoty Tato metoda je v angličtině a i u nás často vyjádřena zkratkou EVA - Economic Value Added. Vyjadřuje rozdíl mezi očekávaným ziskem a kapitálovými náklady. Tento ukazatel je jeden z nejmodernějších a pochází z roku Doslovně tato metoda vyjadřuje: Ekonomická přidaná hodnota se rovná provoznímu příjmu z projektu po zdanění mínus výdaje na náklady alternativní příležitosti použitého vlastního kapitálu, jejichž výše odráží riziko projektu. Matematicky lze výše uvedené vyjádřit jako: ( ) ( ) kde EV A - je ekonomická přidaná hodnota r e - je alternativní náklad vlastního kapitálu Matematicky jde o metodu čisté současné hodnoty (NPV), která je ponížena o alternativní náklady příležitosti. 132

133 Obr Grafický výstup s proměnnými parametry pro metodu NPV 133

134 Další zdroje Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky. [1.] RADIL, LUKÁŠ. ELIMINACE DISKONTINUITY DODÁVKY ELEKTRICKÉ ENERGIE Z OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ. Brno, Dostupné z: ce=2&isallowed=y. DISERTAČNÍ PRÁCE. VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ, FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ, ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY. Vedoucí práce doc. Ing. PETR MASTNÝ, Ph.D. [2.] MASTNÝ, Pert, Jiří DRÁPELA, Stanislav MIŠÁK, Jan MACHÁČEK, Michal PTÁČEK, Lukáš RADIL, Tomáš BARTOŠÍK a Tomáš PAVELKA. Obnovitelné zdroje elektrické energie. Praha, Dostupné z: Výukový materiál. České vysoké učení technické v Praze. 134

135 5 Vybrané obnovitelné zdroje 5.1. Solární zdroje Solární zdroje patří v České republice mezi nejrozšířenější obnovitelné zdroje energie, jak elektrické, tak tepelné. Tento zdroj energie je ovlivňován několika faktory, které se odvíjejí nejvíce od počasí. Poloha Oblačnost Srážky Povětrnostní podmínky Rozptylové podmínky A další.. Vlivy zeměpisné polohy a pohybu Slunce, oblačnosti, nadmořské výšky a jiné Množství slunečního záření dopadajícího na zemský povrch v dané lokalitě značně kolísá, což je způsobeno množstvím faktorů. Zejména jsou to tyto faktory: umístění lokality na zemském povrchu. V našich zeměpisných šířkách cca okolo 5 rovnoběžky je intenzita slunečního záření menší než v tropických či subtropických oblastech, umístění lokality vzhledem k okolí. Intenzita záření v čistých horských oblastech je větší, než v městských aglomeracích. Je to způsobeno znečištěním atmosféry, které působí podobně jako sluneční clona, orientace plochy, na které měříme sluneční záření. Nejvíce slunečního záření dopadá na plochy orientované k jihu, méně již na plochy orientované k ostatním světovým stranám, sklon dané plochy. V letních měsících dopadá nejvíce záření na plochu mírně skloněnou, optimálně cca 30, v zimním období na plochu s větším sklonem, optimálně cca 64-70, odražená či rozptýlená, část se nazývá difúzní záření. Toto záření je všesměrové, jeho intenzita je ve všech směrech obdobná. Za jasné oblohy tvoří difúzní záření jen cca 1/5 celkového záření, při zatažené obloze je sluneční záření tvořeno jen zářením difúzním. 135

136 Obr Vliv sklonu kolektoru na získanou energii Sklonem, případně orientací plochy je ovlivněno hlavně přímé záření, intenzita difúzního záření je ve všech směrech obdobná. Výška Slunce nad obzorem se během roku mění. Ideální celoroční sklon kolektoru pro orientaci na jih je 45. Při tomto sklonu se vyrobí nejvíce energie. V zimě by měly být kolektory strmé (65-75 ) v létě ploché (30-35 ). Většinou se kopíruje sklon střechy. Další faktor, ovlivňující množství dopadajícího záření, je časové období. Tento faktor je velmi důležitý zejména pro využití přeměny slunečního záření na teplo, v letním období, kdy je obvykle nejmenší spotřeba tepla, je množství slunečního záření největší a naopak v období zimním, kdy je největší spotřeba tepla, je množství dopadajícího slunečního záření nejmenší. To je hlavně způsobeno dobou slunečního svitu, např. v Praze svítí slunce v červnu a červenci cca 266 hodin, zatímco v prosinci jen 35 hodin. Zajímavým aspektem slunečního záření je také jeho spektrum. Sluneční spektrum Sluneční spektrum získáme tak, že světelné (elektromagnetické) záření rozložíme podle vlnových délek (kratší vlnové délky odpovídají větší energii fotonů a naopak). Zjistíme, že denní světlo obsahuje mnoho barev, od červené přes oranžovou, žlutou, zelenou, modrou až k fialové. Vně této oblasti se nachází záření, které je pouhým okem neviditelné, avšak je možné jej různými přístroji změřit. 136

137 Barva Rozsah vlnových délek (nm) Střed (nm) Tab Rozložení vlnových délek denního světla Ultrafialové sluneční záření s vlnovými délkami menšími než 390 nm, které před vstupem do zemské atmosféry tvoří asi 7 % energie celkového elektromagnetického slunečního záření a jež je ze značné části absorbováno atmosférickým ozónem ve stratosféře. Viditelné sluneční záření s vlnovými délkami od 390 nm do 760 nm vytvářející spektrum barev od fialové po červenou (asi 48 % energie celkového elektromagnetického slunečního záření před vstupem do atmosféry). Infračervené sluneční záření, které má vlnové délky větší než 760 nm a před vstupem do atmosféry tvoří přibližně 45 % z toku energie slunečního záření. Základní veličinou při popisu přímého slunečního záření je jeho intenzita I, kterou definujeme jako množství zářivé energie, jež za jednotku času dopadá na jednotkovou plochu orientovanou kolmo ke slunečním paprskům. 137

138 zatažení modrá obloha mírně zataženo zamračeno Tab Stavy počasí 138

139 vlnová délka (nm) poměrná bezrozměrná jednotka zatazeno modra obloha mirne zatazeno zamraceno Obr Spektrum jednotlivých dní Obr Sluneční poměry v ČR Průměrná délka slunečního svitu 2000hod Střední hodnota úhrnu globálního záření kW/m 2 Souhrn dopadu energie letní období 3/4 Souhrn dopadu energie zimní období 1/6 139

140 Podíl difúzního záření 50% a více Tab Osvitové poměry v ČR Energetické přeměny slunečního záření Energie může mít různé podoby: pohybovou, tepelnou, elektrickou aj. Jedním ze základních přírodních zákonů je zákon zachování energie: Obr Rozdělení energetických přeměn Nepřímé využití Energie vody Sluneční energie pohybová energie vody pohybová energie turbíny pohybová energie generátoru elektrická energie. Energie větru Sluneční energie pohybová energie větru pohybová energie vrtule pohybová energie generátoru elektrická energie. Energie biomasy Sluneční energie chemická energie (fotosyntéza v rostlinách) chemická energie (biopaliva) teplo (spalování biopaliv). 140

141 Přímé využití Přeměna na teplo Sluneční energie teplo (fotovoltaické kolektory). Přeměna na elektřinu Sluneční energie elektrická energie (fotovoltaické panely). Fotovoltaické panely Historie Historie fotovoltaického článku se začala odvíjet v roce V tomto roce prováděl francouzský fyzik Antoine C. Becquerel pokusy s dvěma kovovými elektrodami umístěnými v elektrovodivém roztoku. Při jejich osvícení světlem docházelo k změně napětí na kovových elektrodách. V roce 1877 objevili William G. Adams a Richard E. Day fotovoltaický efekt na selenu a byl vyroben první solární článek. V roce 1918 objevil způsob růstu monokrystalu křemíku polský vědec Jan Czochralsky. Jako vynálezce křemíkového solárního článku je označován Američan Russell S. Ohl patent, ale obdrželi 5.března roku 1954 Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapin a Calvin S. Fuller, kteří o měsíc později vyrobili články o účinnosti 4,5%. Následný vývoj zrychlilo rozhodnutí používat je jako zdroj energie pro umělé družice Země a následně rozvoj hromadné výroby polovodičů a snahy o získávání elektrické energie z alternativních zdrojů bez využití fosilních paliv. Základní princip Velikost proudu procházejícího elektrickým obvodem závisí jednak na ozáření článku a dále pak na ploše článku a na účinnosti článku. Hloubka vniku světla (tj. vzdálenost od povrchu ve které klesne intenzita světla v polovodiči vlivem absorpce na zhruba jednu třetinu) závisí na energii fotonu (s rostoucí energií fotonu hloubka vniku klesá) a na typu polovodiče. Aby článek byl účinný, musí být páry elektron díra generovány v blízkosti přechodu PN. To znamená, že přechod PN musí být realizován velmi blízko povrchu, na které dopadá světlo (několik desetin mikrometru pod povrchem). Nosiče, generované mimo místa přechodu PN musí k oblasti se silným elektrickým polem difundovat. Pokud zrekombinují dříve, než dosáhnou oblasti přechodu PN, neuplatní se při generaci fotovoltaického napětí. Je proto třeba volit technologii tak, aby ztráty rekombinací byly minimální. Kromě toho je třeba zabránit ztrátám spojeným s odrazem dopadajícího záření od povrchu. Proto se na povrchu vytváří zdrsnění povrchu (textura) a povrch se pokrývá antireflexní vrstvou, která zabraňuje odrazu světla (články proto mají nejčastěji tmavomodrou barvu). 141

142 Obr Hloubka vzniku světla do monokrystalického solárního článku Základní rozdělení solárních článků Rozdělení solárních článků podle struktury Monokrystalické články Polykrystalické články Amorfní články Organické články Rozdělení solárních článků podle druhu vrstev a technologie výroby Mnohovrstvé Tenkovrstvé Rozdělení solárních článků podle počtu přechodů Jedno přechodové Více přechodové Solární panely z Si článků Sériovým nebo i paralelním elektrickým propojením solárních článků vzniká po jejich zapouzdření fotovoltaický panel. Panel musí zajistit hermetické zapouzdření 142

143 solárních článků, musí zajišťovat dostatečnou mechanickou a klimatickou odolnost (např. vůči silnému větru, krupobití, mrazu apod.). Konstrukce solárních panelů jsou značně rozmanité podle druhu použití. Obvykle jsou po obvodu FV panely opatřeny duralovými rámy pro zpevnění celé konstrukce fotovoltaického panelu a zároveň k usnadnění realizace uchycení panelů ke konstrukci FV systému. Přední krycí materiál je speciální kalené sklo, které odolává i silnému krupobití. Vhodné je sklo se sníženým obsahem železa, které má lepší propustnost pro světlo v červené a blízké infračervené oblasti spektra. Moderní články mají antireflexní vrstvu, která snižuje ztrátu světla odrazem, a zvedne tak účinnost o několik procent. 1. Tvrzené sklo Obr Složení solárního panelu Vysoce propustné tvrzené sklo má oproti běžnému sklu mnohem lepší vlastnosti, a to z hlediska bezpečnosti, efektivnosti a úrovně ochrany modulu proti větru, mrazu, dešti, sněhu, nárazu či korozi. Povrch tohoto ochranného skla navíc lépe propouští sluneční záření, což zajišťuje vyšší efektivitu a nižší ztráty při výrobě solární energie. 2. a 4. Vysoce kvalitní zapouzdřovací materiál EVA Díky laminaci dochází k trvanlivému spojení solárních článků, skla a fólie, čímž je zajištěna pro tyto články vysoce účinná ochrana. Materiál při laminování vytváří vysoce homogenní UV stabilní gel. Po celou dobu životnosti panelu je tak zabezpečen stabilní výkon. Vynikající izolace a ochrana proti vlhkosti, mrazu a horku zajišťují solárním panelům Phono Solar vysokou kvalitu a životnost. 3. Vysoce kvalitní solární články Články Phono Solar mají vysokou a zároveň stabilní konverzní účinnost. Zaručena je tak i vysoká účinnost celých fotovoltaických modulů. Přechodové odpory mezi články 143

144 jsou minimální, články mají vysokou pevnost v tahu, stejnorodý odstín a atraktivní vzhled. 5. Špičková ochranná polyvinyl fluoridová (PVF) fólie Vysoká přilnavost díky materiálu EVA; velká odolnost proti povětrnostním vlivům, nerozpustnost, odolnost vůči stárnutí a působení vody. Fólie disponuje vynikající nepropustností, díky níž dokáže materiál EVA i solární články ochránit před erozivními substancemi, jakými jsou např. voda, kyslík a žíraviny. Elasticita materiálu EVA a tvrdost ochranné PVF fólie dodává solárním článkům vynikající seismickou odolnost a celkovou ochranu. V současnosti neexistuje lepší systém ochrany struktury solárních článků. 6. Spolehlivá propojovací krabice Výborná těsnící schopnost poskytuje bezpečné a spolehlivé elektrické spojení. Kontakty jsou pájené. Nedochází tak k nadměrnému zahřívání ani zhoršování kontaktu vlivem stárnutí jako je tomu u systému s pružinovými kontakty. Tmel zajišťuje excelentní tepelnou absorpci, zabraňuje tepelnému poškození diod a navíc brání únikovým proudům. 7. Mechanická spojka vodičů Snadno zapojitelná mechanická spojka vodičů zajišťuje bezpečnost a funkčnost spojení. Flexibilní prvky kontaktu zásadním způsobem zlepšují ekonomičnost a jednoduchost obsluhy. Nízký přechodový odpor kontaktu zajišťuje, aby nedocházelo k tepelnému opotřebení a aby se snížila ztráta elektrické energie. 8. Kvalitní duralová konstrukce Anodizovaná konstrukce poskytuje modulu dobré mechanické vlastnosti, snadnou instalaci a ochranu zajišťuje uzemnění konstrukce; zabezpečuje dlouhodobou ochranu modulu před korozí, a to i v nejextrémnějších povětrnostních podmínkách. 9. Silikonový těsnící tmel Vysoká účinnost, chemická nereaktivnost s materiálem EVA a ochrannou PVF fólií, zajišťuje chemickou stabilitu. Tmel se aplikuje do drážky v konstrukci a uzavírá a zatěsňuje hranu laminace tak, aby nedocházelo k pronikání erozivních plynů a tekutin dovnitř modulu. Zároveň svou pružností tlumí případné vnější mechanické nárazy při instalaci a nešetrném zacházení. Náhradní schéma FV článku Na následujícím obrázku je znázorněno náhradní elektrické schéma solárního článku. Čím vyšší bude intenzita dopadajícího záření, tím větší se pak bude generovat proud Igen, který zajistí co nejvyšší rekombinaci a dojde k růstu výstupního výkonu. Maximální výkon je dán minimálním sériovým odporem Rs (Rs reprezentuje odpor kontaktu a přívodu na PN přechodu, minimalizuje elektrické 144

145 ztráty) a co největším svodovým odporem Rsv. Odpor Rl znázorňuje zátěž solárního článku Zkratový proud Obr Náhradní elektrické schéma solárního článku Tento parametr se značí ISC a je to proud, při kterém je napětí na solárním článku nulové. Pokud je odpor RS nulový, můžeme říci, že proud ISC je roven proudu IGEN. Měření tohoto parametru se realizuje speciálním přístrojem. Napětí naprázdno Dalším sledovaným parametrem je napětí na prázdno značené UOC. Toto napětí je naměřeno na výstupních kontaktech článku, pokud zde není připojen žádný spotřebič odebírající elektrickou energii. Výkon Parametrem výkonu PM zjišťujeme, jak velké množství energie lze ze solárního článku odebírat. Pokud chceme optimálně využívat tento typ energie, je nutné se pohybovat na maximálním bode výkonového spektra. Výkon PM lze zapsat následujícím vztahem: PM = U M *I M [W] kde IM je maximální proud a UM je maximální napětí naměřené při maximálním zatížení. Účinnost Tento parametr udává velikost účinnosti (efektivity) solárního článku při přeměně světelné energie na energii elektrickou. V současné době se účinnost průmyslově vyráběných článku pohybuje v rozmezí 7-25% v závislosti na druhu článků. V případě laboratorních pokusu se může prokazatelně dosáhnout až o 20% vyšší účinnosti. Faktor plnění (Fill-Factor) 145

146 Faktor plnění, označován také jako Fill Factor se značí zkratkou FF. Jedná se o parametr znázorňující ideálnost článku. Čím je parametr FF vyšší, tím je solární článek hodnotnější. Pro křemíkové články jsou typické hodnoty 60-80%, výpočet FF je zřejmý ze vztahu. Paralelní odpor článku Jedná se o negativní parametr. Tento parazitní odpor RSV (svodový odpor) může být způsoben svodovým proudem článku nebo jinými defekty. Hodnota paralelního odporu pro ideální článek by se měla blížit k nekonečnu. Odpor je paralelně spojen s diodou, takže zde dochází k úbytku proudu. V běžném životě se hodnota tohoto odporu opomíjí. Sériový odpor článku Hodnota sériového odporu pro ideální článek by se měla rovnat nule. Pokud se velikost sériového odporu zvýší, sníží se proud ISC a na odporu RS dojde ke vzniku napětí a tím se zvýší proud procházející diodou D. Výstupní napětí U oc zůstává stejné. Jestliže tato situace nastane, sníží se účinnost článku a dochází k neefektivnímu využívání solárního zařízení. Výkon solárních článků Elektrické vlastnosti solárních článků se popisují charakteristikou neboli křivkou závislosti proudu na napětí. Nejvyšší možnou hodnotou proudu je tzv. zkratový proud ISC, který může článek při dané intenzitě ozáření dodávat. Dalším charakteristickým bodem je napětí naprázdno UOC, které udává maximální napětí článku, kterého je možno dosáhnout, když ke článku není připojen žádný spotřebič. [ ] 146

147 Obr Příklad VA charakteristik Pro každý článek existuje pracovní bod na charakteristice, ve kterém je výkon největší. Tento bod je označován jako bod maximálního výkonu (MPP) o napětí U mpp a proudu I mpp. Výkon solárního článku se tedy vypočítá jako součin proudu a napětí. Velikost fotovoltaického napětí závisí na několika faktorech, které jsou pro výkon článku určující: materiál, ze kterého je fotovoltaický článek vyroben a technologie výroby, intenzita dopadajícího světla (podnebí, počasí, poloha a umístění), teplota článku, čistota povrchu. Zvýšení výkonu pomocí spojování fotovoltaických modulů Dnes se vyrábějí moduly v rozsahu výkonu od jednotek wattů do hodnot kolem 200 wattů. Při potřebě výkonu většího než jakého dosahuje jeden modul, lze propojit více modulů mezi sebou do tzv. fotovoltaických polí (někdy se užívají termíny sluneční baterie nebo solární generátor). Moduly se dají propojit třemi způsoby: sériově pouze zvýšení vyráběného napětí, paralelně pouze zvýšení vyráběného proudu. kombinací obou spojení zvýšení vyráběného proudu i napětí. Konstrukci fotovoltaického pole by měly tvořit moduly stejného typu od stejného výrobce. Zvýšení výkonu pomocí vnějších prostředků 147

148 Zvýšeného výkonu fotovoltaického pole lze dosáhnout i použitím vnějších prostředků, které koncentrují světlo na povrch modulů, snižují jejich teplotu nebo je natáčejí za Sluncem. Takto lze zvyšovat výkon např. koncentrací pomocí několika konstrukcí: rovinná zrcadla jsou umístěna mezi solární moduly a zvyšují výkon až o 50 procent. Používají se hlavně u konstrukcí, které nesledují dráhu Slunce, optické čočky jsou značně masivní, proto se ve větších koncentrátorech používají Frenselovy čočky. Jejich princip ale vyžaduje dvouosý natáčecí systém konstrukce pro sledování dráhy Slunce, lineární parabolická zrcadla dosahují mnohem vyšší koncentrace záření než rovinná zrcadla. Pro větší efektivitu vyžadují alespoň jednoosé sledování dráhy Slunce, složené parabolické koncentrátory jsou známé pod názvem Winstonovy koncentrátory a jsou obdobou lineárních parabolických zrcadel. Nejsou však tak citlivé na správné nasměrování, proto se dají využívat bez systému sledování dráhy Slunce. Umístění fotovoltaických panelů Optimalizace orientace panelů vzhledem k světovým stranám Bude-li uvažováno umístění fotovoltaické solární elektrárny na určité místo je třeba brát na zřetel optimalizaci umístění a náklonu FV solární elektrárny vzhledem ke světovým stranám a to z důvodu co nejlepšího optimálního výkonu FV elektráren. Jak je pochopitelné nejoptimálnější natočení FV elektráren je na jih se sklonem optimálně 90 ke svitu slunce. Není-li tato možnost a FV elektrárna bude natočena na jiho-západ či jiho-východ sníží se výkon elektrárny cca o 10% a v létě o 3%. Optimální sklon fotovoltaických panelů Optimální sklon panelů v České republice se pohybuje mezi a to z toho důvodu, že v letních měsících se slunce pohybuje nad úrovní horizontu než v zimních měsících. U FV panelů, které jsou pevně umístěny, je optimální volit úhel náklonu 45 Závislost výkonu fotovoltaických panelů na intenzitě slunečního záření Závislost výkonu FV panelu na intenzitě slunečního záření je různá dle typu použitého panelu (monokrystalicky, polykrastalický,amorfní a jiné). Dnes nejčastěji rozšířené jsou monokrystalické FV panely, kterým poklesne výkon na cca 30% při zatažené obloze a 10% při zatažené obloze. V závislosti na intenzitě slunečního záření FV panely ovlivňuje také teplota panelu (čím větší intenzita slunečního záření, tím větší teplota na panelu a tím se snižuje účinnost, viz.níže) 148

149 Vnitřní ztráty výkonu fotovoltaických panelů a ztráty v důsledku jejich znečištění Ztráty vzniklé ohřevem panelů Na polohu pracovního bodu má výrazný vliv teplota. Při déle trvající sluneční intenzitě nebo zhoršených podmínkách chlazení článku (bezvětří), kdy teplota vzduchu dosahuje až 40 C, dochází ke zvýšení povrchové teploty solárního článku až na 80 C. Při takto vysokých teplotách dochází ke změně elektrických vlastností článku, která vede ke snížení svorkového napětí solárního článku na zatěžovací charakteristice. Pokles svorkového napětí způsobí snížení dodávaného výkonu do zátěže. Jelikož k tomuto jevu dochází právě při největší sluneční intenzitě, můžeme ztratit popř. až 75 % z dosažitelné denní výroby solárního článku. Z uvedeného je zřejmé, že výkon solárního článku v zimním období je výrazně vyšší než v letním období. Typická změna výkonu (pokles výkonu) je udávána: kde ΔP je změna výkonu na svorkách solárního článku (W) Δ je změna teploty solárního článku ( C) Z uvedeného vztahu vyplývá, že při změnách teploty o 10 C, dojde ke změně výkonu o 4 %. Při změně teploty o 25 C, dojde ke změně výkonu až o 10 %. Skladovací a pracovní teplota se udává v typickém rozsahu teplot od -35 C do +85 C. Obecně lze říct, že běžná hodnota teplotního koeficientu u monokrystalických Fv panelů je okolo 0,47%/ a při změně teploty o 25 C dojde k změně výkonu až o 10%. Fotovoltaické systémy Jedná se obecně o soubor fotovoltaických (FV) panelů, měničů, konstrukčních a jistících prvků a kabeláže. Tento systém je schopen vyrobit elektrickou energii ze slunečního záření dopadajícího na FV panely. Fotony slunečního záření předávají svoji energii elektronům v P-N přechodu křemíkového článku, čímž vzniká na panelech stejnosměrný (ss) el. proud a napětí. Při vhodném seriovo-paralelním zapojení panelů a propojení na měnič je dosahováno max. účinnosti přeměny ss napětí na střídavé napětí o frekvenci 50 Hz. Podle účelu použití lze fotovoltaické systémy rozdělit do 3 základních skupin. 1. Drobné aplikace 2. Ostrovní systémy (grid-off) 149

150 Grid-off systémy s přímým napájením Grid-off systém s akumulací elektrické energie Hybridní Grid-off systém 3. Síťové systémy (grid-on) Drobné aplikace Tvoří nejmenší, avšak nezanedbatelný podíl na FV trhu. Každý jistě zná FV články v kalkulačkách nebo také solární nabíječky akumulátorů. Trh drobných aplikací nabývá na významu, protože se množí poptávka po nabíjecích zařízeních pro okamžité dobíjení akumulátorů (mobilní telefony, notebooky, fotoaparáty, MP3 přehrávače apod.) na dovolených, v kempech popř. ve volné přírodě. Ostrovní systémy Grid-off Autonomní systémy jsou instalovány na místech, kde není účelné budovat elektrickou přípojku. Realizace fotovoltaického systému se stává výhodnější variantou v případě, že stávající nejbližší přípojné místo k rozvodné síti je dále než 500 až 1000 m (záleží na typu přípojky). Výkony autonomních systémů se pohybují v intervalu wattů špičkového výkonu. V návrhu takto napájeného objektu nelze opomenout zřízení zvláštní místnosti pro akumulátory a případně pro spalovací generátor. U autonomních systémů je kladen důraz na minimální ztráty energie a na používání energeticky úsporných spotřebičů. Příklady použití: horské chaty, samoty, rekreační objekty, telekomunikační zařízení. Tyto systémy jsou nejvíce používány v Austrálii, Francii, Itálii, Španělsku, Švýcarsku a v USA (každá z těchto zemí má instalováno více než 2 MWp ke konci roku 1995). Veliký potenciál se nachází v odlehlých oblastech rozvojových zemí. Grid-off systémy s přímým napájením Systémy s přímým napájením jsou realizovány všude tam, kde nevadí, že připojené elektrické zařízení je funkční jenom v případě dostatečné intenzity slunečního záření. Jedná se pouze o propojení solárního modulu a spotřebiče. Čerpání vody pro závlahu je ukázkou aplikací systému bez akumulace el.energie, napájení oběhového čerpadla solárního systému pro přípravu teplé užitkové vody, napájení čerpadla okrasné fontánky nebo napájení ventilátoru odvětrání uzavřených prostor. 150

151 Obr Systém s přímým napájením Grid-off systém s akumulací elektrické energie Doba, po kterou je k dispozici energie ze solárních panelů většinou není totožná s dobou, kdy nastává její největší spotřeba. Z toho důvodu jsou nezbytnou součástí autonomních systémů akumulátorové baterie. Životnost akumulátorové baterie silně závisí na způsobu nabíjení a vybíjení, proto je vhodné optimální chod systému zajistit solárním regulátorem. K autonomnímu systému lze připojit spotřebiče na stejnosměrný proud (napětí systému zpravidla 12 nebo 24V), tak běžné síťové spotřebiče 230V/ ~50Hz napájené přes napěťový měnič. Obr Systém s akumulací elektrické energie (12/24V) 151

152 Obr Systém s akumulací elektrické energie (12 i 230V) Hybridní Grid-off systém V zimních měsících z fotovoltaického zdroje je získáváno podstatně méně elektrické energie než v letních měsících. Proto je nutné systémy s celoročním provozem a s častým užíváním dimenzovat na zimní provoz. Instalovaný výkon fotovoltaických panelů však v takovém případě neúměrně naroste a s tím i investiční náklady. Navíc v letních měsících je takovýto systém silně předimenzovaný. Mnohem výhodnější je z tohoto hlediska připojit k energetickému systému doplňkový zdroj elektrické energie, který pokryje potřebu elektrické energie v obdobích s nedostatečným slunečním svitem. Takovým zdrojem může být větrný generátor, spalovací generátor nejlépe s kogenerací (společná výroba elektrické a tepelné energie) a nebo malá vodní elektrárna. Obr Systém s akumulací elektrické energie (12 i 230V) Ostrovní systémy Grid-on 152

153 Tyto systémy jsou nejvíce uplatňovány v oblastech s hustou sítí elektrických rozvodů. Připojení k síti podléhá schvalovacímu řízení u rozvodných závodů. Špičkový výkon fotovoltaických systémů připojených k rozvodné síti je v rozmezí jednotek až stovek kilowatt. Fotovoltaické panely jsou většinou integrovány do obvodového pláště budov. Tyto systémy rozdělujeme na dva: Obr Solární systém na VŠB - TUO Systémy pro vlastní spotřebu a prodej přebytků Systémy pro prodej elektrické energie do sítě Systémy pro vlastní spotřebu a prodej přebytků Systém v této konfiguraci obsahuje fotovoltaické panely připojené na napěťový měnič pro přeměnu stejnosměrného proudu na proud střídavý a zvláštní elektroměr pro odpočet energie vyrobené fotovoltaikou. Celý tento okruh je připojen na samostatný jistič a přepěťovou ochranu do rozvaděče v daném objektu. Solární systém je připojen za hlavní elektroměr (z pohledu distribuční společnosti), je tedy možné dodávat energii spotřebičům v objektu (a tím šetřit náklady na odebranou elektřinu) nebo ji v případě přebytků přes hlavní čtyřkvadrantní elektroměr předávat do sítě. V obou případech je za vyrobenou elektřinu inkasován tzv. zelený bonus, v případě prodeje přebytků do sítě navíc výrobce inkasuje rozdíl mezi výkupní cenou a zeleným bonusem. 153

154 Obr Systém pro vlastní spotřebu a prodej přebytků do sítě Systémy pro prodej elektrické energie do sítě Systém, který produkuje elektrickou energii výhradně pro výkup, obsahuje fotovoltaické panely připojené na napěťový měnič, který přemění stejnosměrný proud na proud střídavý a elektroměr pro odpočet energie vyrobené fotovoltaikou. Tento okruh je přes jistič a přepěťovou ochranu připojen ještě před hlavní elektroměr v objektu (z pohledu distribuční společnosti). Veškerá vyrobená elektrická energie je tedy dodávána do distribuční sítě za výkupní cenu. Obr Systém pro výhradní prodej elektrické energie do sítě Environmentální dopady fotovoltaických systémů 154

155 Fotovoltaika je vnímána jako technologie šetrná k životnímu prostředí, i z obchodního hlediska se výrobci snaží toto pojetí posilovat. Sledování environmentálních dopadů je proto věnována odpovídající pozornost. Analýza životního cyklu fotovoltaické elektrárny s multikrystalickými články metodou CML. Na potenciálu globálního oteplování, humánní toxicity a acidifikace (2., 4. a 6. sloupec) se minimálně ze 70 až 80 % podílí sekundární dopady - emise z výroby spotřebované energie. Redukce spotřeby energie ve výrobě má tedy výrazně pozitivní environmentální dopady. Pokud by byly ve výrobě použity obnovitelné zdroje energie, byly by environmentální dopady výrazně nižší. Z hlediska trvalé udržitelnosti je významná rychlost čerpání surovinových zdrojů (sloupec 1) pro vyhodnocení jejich dostupnosti v budoucnosti. Obr Environmentální dopady výroby FV panelů o výkonu 1 kwp, metoda CML Energetická náročnost výrobního cyklu fotovoltaického systému V případě fotovoltaických (FV) panelů z krystalického křemíku můžeme rozlišit následující fáze životního cyklu (zvýrazněny jsou nejvýznamnější položky z hlediska energetické náročnosti): těžba surovin, výroba metalurgického křemíku (mg-si), rafinace na solární křemík (sg-si), krystalizace ingotu a řezání desek, výroba článků, kompletace panelů, montáž fotovoltaického systému, 155

156 provoz - výroba elektřiny, demontáž systému, recyklace nebo likvidace, doprava (v různých fázích). Podobný řetězec lze vysledovat pro ostatní komponenty fotovoltaického systému - měnič, nosnou konstrukci případně tracker a další. Podíl jednotlivých položek závisí kromě použité metody výroby solárního křemíku a ingotů i na konkrétním výrobci. Výroba monokrystalických článků je ve srovnání s multikrystalickými energeticky náročnější, mají však vyšší účinnost. Novější provozy mají v obou případech spotřebu až několikanásobně nižší. Podobně technologie tažení křemíkových pásů přímo z taveniny (tzv. ribbon) je díky nižší spotřebě křemíku energeticky výhodnější články vyrobené touto technologií však mají nižší účinnost. Obr Podíl jednotlivých fází na energetické náročnosti výroby FV panelů Výroba solárního křemíku Dokud byl pro výrobu fotovoltaických článků používán odpadní křemík z výroby mikroelektronických součástek, byla otázka energetické náročnosti výroby vedlejší. S růstem výrobních kapacit fotovoltaických článků vyvstala nutnost budovat nové kapacity speciálně na výrobu solárního křemíku. Původní tzv. Siemens proces byl sice upraven s cílem snížit spotřebu energie, přesto podíl výroby křemíku na celkové spotřebě energie byl stále vysoký. Novější proces využívající tzv. Fluidized Bed Reaktor (FBR) namísto původního reaktoru Siemens vykazuje nižší spotřebu elektrické energie, spotřeba tepla je zhruba stejná. Ve fázi ověřování je výrobní postup firmy Elkem Solar, v němž je solární křemík vyráběn přímo metalurgickým postupem. Srovnání spotřeby energie uvedených metod je v Tab

157 Metoda Jednotka Siemens FBR Elkem Spotřeba energie Elektřina kwh el Teplo MJ th Celkem MJ prim Tab Energetická náročnost různých metod výroby solárního křemíku Ostatní fáze výroby panelů Spotřeba energie při výrobě ingotu souvisí s tepelnými ztrátami zařízení. U větších ingotů jsou měrné ztráty na jednotku produkce menší. Další pokles spotřeby lze očekávat v souvislosti s rekuperací tepla. Řezání ingotů a desek se blíží technologickým limitům, nelze již dále zmenšovat šířku řezu a proto ani spotřebu energie. Snížit spotřebu energie až o dvě třetiny a zároveň finanční náklady je možno recyklací řezné emulze. Podíl spotřeby energie zbývajících fází výroby fotovoltaických panelů byl donedávna málo významný. V současnosti nad snahou o snižování spotřeby energie převažuje snaha o zvyšování účinnosti, která má významnější vliv na energetickou návratnost. V důsledku spotřeba energie ve výrobě článků a při kompletaci panelů mírně narůstá. Doplňkové komponenty fotovoltaických systémů Snižování energetické náročnosti výroby ostatních komponent fotovoltaické elektrárny - invertor, kabeláž, nosná konstrukce - je věnována zvýšená pozornost teprve v posledních letech, dříve byl jejich podíl na celkové spotřebě energie málo významný. Energetická návratnost a energetická výnosnost Odhady budoucích cen energetických komodit jsou zatíženy značnou nejistotou. V polovině loňského roku byla cena ropy třikrát vyšší než v současnosti. Ekonomové jen odhadují, jaký podíl na dosavadním vývoji měly spekulace nebo současná ekonomická krize a jaký je podíl rostoucích nákladů na těžbu ropy. Ekonomické porovnávání zdrojů energie z dlouhodobého hlediska je proto velmi obtížné. Jednou z možností, jak se vyhnout nejistotám ekonomických prognóz, je porovnávat zdroje energie čistě z energetického hlediska. K tomu jsou používány ukazatele - energetická návratnost (EPBT) a energetická výnosnost (EROEI). U paliv a podobných zdrojů energie lze vyhodnocovat pouze EROEI. Naproti tomu u elektráren je možno vyhodnocovat oba ukazatele. U všech konvenčních zdrojů energie lze do budoucna očekávat pokles EROEI, protože se snižující se dostupností porostou 157

158 náklady na jejich těžbu. Naproti tomu u obnovitelných zdrojů energie a zejména u fotovoltaiky je do budoucna očekáváno ještě výrazné zlepšení. Je zřejmé, že z dlouhodobého hlediska mohou být používány zdroje s nízkým EROEI jen v případě, že budou dotovány, například proto, že budou mít jiné výhodné vlastnosti. Cesty ke zkracování doby energetické návratnosti (EPBT): Snižování spotřeby energie ve výrobě solárního křemíku Snižování spotřeby křemíku Zvyšování účinnosti článků Recyklace na konci životnosti Cesty ke zvyšování energetické výnosnosti (EROEI): Zkracování energetické návratnosti (viz. výše) Prodlužování životnosti Snižování spotřeby křemíku Spotřeba křemíku na výrobu článků (měřeno v g/wp) klesá jednak snižováním ztrát křemíku ve výrobě, jednak zvyšováním účinnosti článků a panelů. Snížení spotřeby křemíku obvykle snižuje výrobní náklady. Současný standard je spotřeba na úrovni 10 až 12 g/wp, viz obr.76. V poslední době jsou zkoušeny bezřezné technologie oddělování desek. Uvažuje se o výrobě desek s tloušťkou jen 80 µm s odpadem asi 5 %. Spotřeba křemíku by se snížila na zlomek současné hodnoty. V nejbližších letech je očekáván pokles na 4 až 6 g/wp. Za technologickou mez jsou v současnosti považovány 2 g/wp. Při tak nízké spotřebě křemíku už vysoce převažuje energetická náročnost ostatních komponent, viz obr.77. Obr Vývoj spotřeby energie na výrobu fotovoltaických panelů v závislosti na spotřebě křemíku 158

159 Zvyšování účinnosti článků a panelů Účinnost lze u krystalických křemíkových článků považovat za měřítko kvality výroby. Ještě před několika málo lety byla účinnost 12 % považována za vyhovující. V současnosti je standardem 16 %, za dobrou hodnotu je považováno 18 %. Toto poměrně výrazné zlepšení bylo dosaženo relativně malými úpravami výrobního postupu. Špičkové články dosahují účinnosti kolem 22 %. Rekordní účinnost monokrystalických článků je již 10 let na úrovni 24,7 %, což je blízko teoretického maxima pro jednovrstvé technologie, multikrystalické články dosáhly účinnosti 20,3 %. Je však třeba rozlišovat účinnost samotných článků a účinnost kompletních panelů, která je asi o dvě procenta nižší. Zvýšení účinnosti panelů a zároveň zlepšení dlouhodobé stability výkonu, a tím i prodloužení životnosti by mohlo přinést laminování do silikonu. Silikon má lepší odolnost proti UV záření i vysokým teplotám než v současnosti používaná EVA fólie. Je sice cenově náročnější, umožňuje však zrychlit kontinuální výrobní proces. Obr Energetická návratnost fotovoltaických elektráren v závislosti na spotřebě křemíku a účinnosti článků pro různé technologie výroby solárního křemíku Energetická návratnost kompletního fotovoltaického systému se při použití v současnosti dostupných metod může zkrátit na méně než 2 roky i v podmínkách České republiky. Při životnosti 30 let tak mohou fotovoltaické elektrárny s panely z krystalických křemíkových článků dosáhnout EROEI 15 i více. 159

160 Obr Energetická návratnost FV systému s vyznačením podílu jednotlivých komponent Recyklace panelů na konci životnosti Recyklace fotovoltaických panelů je dosud okrajovou záležitostí, v současnosti je vyřazováno z provozu jen několik stovek tun panelů ročně v rámci celé Evropy. Kromě recyklace panelů vyrobených běžnými technologiemi jsou zkoušeny i úpravy konstrukce s cílem recyklaci usnadnit. Nejvýznamnější komponenty z hlediska hmotnosti jsou sklo (63 %) a hliníkový rám (22 %). Jejich recyklace je dnes zcela běžná, recyklovatelnost se blíží 100 %. Naopak plastové materiály téměř nelze recyklovat. Recyklace skla snižuje spotřebu energie na jeho výrobu asi o 40 %, v případě hliníku dokonce o 95 %. Jsou však nabízeny i panely bez hliníkového rámu. Recyklace těžkých kovů je z hlediska spotřeby materiálů a energií srovnatelná s výrobou z primárních surovin. Tyto materiály jsou recyklovány z důvodu ochrany životního prostředí - jsou toxické. Samotné fotovoltaické články jsou nejvýznamnější položkou jak z hlediska ceny, tak z hlediska spotřeby energie na výrobu panelu, přestože jejich hmotnost je zanedbatelná. Na konci životnosti panelu jsou přitom články v podstatě nezměněny. Termická recyklace Z hlediska připravenosti pro praktické použití je nejpokročilejší metodou recyklace panelů termický proces navržený Deutsche solar AG, pro který již existuje demonstrační jednotka průmyslové velikosti. 160

161 Metoda je použitelná pro většinu stávajících panelů a článků. Recyklační proces je náročný na energii a ruční práci, lze však vytěžit až 85 % křemíkových desek a tím snížit spotřebu energie na výrobu nových panelů až o 70 %. Konstrukční úpravy Obr Třídění surovin při termické recyklaci Cílem konstrukčních úprav je usnadnit demontáž celých plně funkčních článků na konci životnosti panelu. Na rozdíl od termické metody, kde výstupním produktem jsou křemíkové desky po odleptání funkčních vrstev původního článku. Jsou navrhovány metody zapouzdření článků bez laminace nebo dvojité zapouzdření s mezivrstvou, která má nízkou přilnavost k článkům - metoda DEM (Double Encapsulated Module). U metody DEM jsou články před laminací zapouzdřeny do silikonu, který má srovnatelný index lomu jako EVA, ale nízkou adhezi k článkům. Dodatečné vrstvy snižují účinnost v nejlepších případech o 3 %. 161

162 Obr Odlupování EVA a mezivrstvy při demontáži panelu Recyklace fotovoltaických systémů a zejména článků by mohla přispět k výraznému zkrácení energetické návratnosti, viz následující tabulka.. Obě uvedené metody však byly navrženy pro články o tloušťce 200 až 270 µm, jejich použitelnost pro články menších tloušťek je problematická. Tenkovrstvé články jsou výrazně náchylnější na mechanické poškození, v důsledku klesá výtěžnost recyklovaných článků. Ze surovin TR DEM mc- Si sc-si mc- Si sc-si mc- Si sc-si jendotka Výroba a rafinace křemíku MJ prm /m 2 Krystalizace a řezání MJ prm /m 2 Celkem řezy MJ prm /m 2 Výroba článků MJ prm /m 2 Celkem článků MJ prm /m 2 Celkem panely MJ prm /m 2 Změna účinnosti panelu % Výkon panelu Wp/m 2 Spotřeba elektřiny na kwh/m 2 162

163 výrobu Energie vyrobená panelem kwh(m 2 rok) EPBT 3,49 4,40 1,42 1,28 0,56 0,52 Roky Úsporná energie oproti TR MJ prm /m 2 Rozdíl výroby energie 0 0-3,51-3,78 kwh(m 2 rok) Rozdíl spotřeby elektřiny kwh/m 2 Návratnost DEM vzhledem k TR Roky Předpoklady: Spotřeba energie na kompletaci panelů 350kWh/m 2 Je uvažována 35% účinnost při přepočtu energie z primárních zdrojů na elektřinu Bezpečnost a požární bezpečnost fotovoltaických systémů Bezpečnost instalace fotovoltaických zařízení je stále aktuálnějším tématem i v Česku. Doposud zde sice fotovoltaika není tak rozšířena jako např. u našich německých sousedů, nicméně i u nás se toto téma objevuje v médiích, zejména v případě požárů těchto instalací. Jak přistupovat k bezpečnosti domovních (střešních) instalací? Na téma bezpečnosti fotovoltaické instalace jako systému je nutné pohlížet z více vzá jemně úzce souvisejících pohledů: Statické hledisko stabilita a odolnost samotné instalace, ale i v soustavě se stře chou, na které se nachází. Požárně-bezpečnostní hledisko vlastní bezpečnost instalace, případné riziko zvýšeného požárního zatížení střechy, rizika při požáru pro zasahující bezpečnostní složky. Investiční hledisko kromě výše uvedeného se zaměřením na bezpečnost výnosu, tzn. provozní spolehlivost. Tab Porovnání energetické náročnosti metod recyklace s přímou výrobou ze surovin Výroba elektřiny panelem 900Wh/(Wp.rok) Statická bezpečnost Fotovoltaická instalace je pro současné konstrukce přitěžující prvek. Nové přitížení je tvořeno hmotností vlastní instalované technologie, ke které je třeba často připočítat změněné působení zatížení větrem a sněhem. Zejména v blízkosti okrajů střechy má na instalaci velký vliv proudění větru, a to nejen směrem dovnitř (tlak), ale také od 163

164 střešní roviny (sání). Nezanedbatelné je také riziko změny sněhových poměrů na střeše. Instala ce může vést k tvorbě závějí. S ohledem na komplikovanost případné opravy střechy v období životnosti fotovoltaické elektrárny (FVE ) je vhodné střešní krytinu, či dokonce nosnou konstrukci opravit před realizací elektrárny. Již při plánování je třeba pečlivě vybírat použité komponenty a dbát na jejich únosnost, technické řešení, kvalitu použitých materiálů a zpracování s ohledem na předpokládanou životnost, místo a způsob instalace. Rám modulu nejběžnější technologie založené na křemíkových článcích je zpravidla tvořen hliníkovým profilem a má za úkol chránit a držet vlastní kompozit ze skla, článků a krycí fólie. Tuhost rámu je důležitá jak pro ochranu při dopravě a instalaci, tak zejména z důvodu instalace na střechu. Rám (stejně jako celý modul, tudíž i FV instalace) musí odolat teplu, mrazu, vodě, sněhu, ledu, větru či jiným náhodným zatížením. To vše musí zvládnout po dobu minimálně dvacetileté životnosti v různých vzájemných kombinacích a cyklech. Je proto vhodné vyhnout se rámům již na pohled vetchým, s rohovými plastovými spoji či jen slisovanými dohromady. Stejně tak nejsou vhodné rámy z dutých profilů, kde zatékající a následně zmrzlá voda může takovýto rám během několika let zničit. Svrchní (krycí) sklo chrání a nese fotovoltaické články. Důležitým parametrem je jeho únosnost, a to ve směru jak tlaku, tak sání. Hodnota kpa, vlastní některým levnějším modulům, není pro všechny oblasti ČR vyhovující. V případě střešních instalací to platí ještě více vzhledem k možnosti nejen normového zatížení, ale i případných návějí, závějí či v opačném směru turbulentního proudění vzduchu a z toho plynoucího sání ze jména v oblasti okrajů či rohů střechy. Pouze ti výrobci, kteří vyžadují nejvyšší kvalitu vý roby a výrobků samotných, vyprodukují velmi výkonné, robustní a hlavně bezpečné solární moduly. U modulů je obzvláště důležité vyžadovat standardní či nejlépe nadstandardní certifikace. Odolnost svých výrobků proti vlivům, kterým jsou moduly v reálném prostředí vystaveny, renomovaní výrobci prověřují nad rámec podmínek standardních testů. Například modul PowerPlus, vyráběný společností Conergy, vedoucím výrobcem solárních panelů a systémovým dodavatelem fotovoltaických komponent, úspěšně absolvoval zkoušku odolnosti proti kroupám o průměru 55 mm s dopadovou rychlostí 120 km/h. Dopadová energie při těchto parametrech byla tedy oproti stan dardnímu testu přibližně 23 větší! Pozornosti by neměl uniknout ani zpravidla neviditelný nosný systém kotvený do podkladu střechy. Kromě mechanické odolnosti pro dostatečné zatížení v místě a odolnosti proti vlivům koroze je nutné zvážit (zejména u střech s jinou krytinou než taškami) volbu a řešení detailů a vyloučit případné zatékání, které může kromě nepohodlí uživatele domu po určité době vést i k vážnému porušení statiky střechy. Požární (ne)bezpečnost 164

165 Ačkoliv nás média zásobují různými více či méně objektivními informacemi, nelze popřít, že fotovoltaická zařízení jsou pro stavbu potenciálním nebezpečím z hlediska možné příčiny požáru a mohou ohrožovat osoby zasahující proti požáru v objektu s fotovoltaikou, ať už je příčina požáru jakákoliv. Riziko vzniku požáru FV zařízení lze velkou měrou snížit výběrem komponent a perfektním provedením vlastní instalace. V případě vadného či nekvalitního výrobku nebo chyby v montáži může požár způsobit v podstatě každá část instalace: modul, stejnosměrné rozvody (DC), měnič, vedení střídavé části (AC) či rozvaděč. Co se týče modulů, rizikem je nekvalitní zpracování modulu, zejména nepřesnosti v kladení článků. Jejich vzájemný kontakt může způsobit přehřívání v místě styku a poté může vzplanout podkladová fólie. Vzplanout při zátěži může i nevhodně technicky a materiálově řešená přípojnicová krabice. Zde je vhodné trvat na krabici s vyřešeným systémem větrání, která nejen že podstatně sníží riziko požáru, ale má také pozitivní vliv na výkon celého systému. Kabelové trasy stejnosměrného vedení je vhodné vést v nehořlavých chráničkách, v ideálním případě odděleně kladné a záporné, či v kabelovém žlabu s oddělovací pře pážkou. Minimálně pro části vedení vystavené vlivům počasí (vlhkost, změny teplot, UV záření) je třeba trvat na použití velmi kvalitních kabelů určených právě pro tyto účely. Vedení, které vzhledem ke zvýšenému odporu a následnému přetavení v daném místě může způsobit elektrický oblouk a následný požár, může být poškozeno při instalaci i při provozu. Ve zvýšené míře je proto nutné dbát na jeho správný návrh a provedení s ohledem např. na ostré hrany, hořlavé materiály či plán údržby apod. Bezpečnost vedení ovlivňuje také výběr konektorů a jejich pečlivé zapojení. Špatně zapojený či časem samovolně uvolněný konektor je stejným rizikem jako poškozené vedení. Vhodným výběrem vodotěsných konektorů s pojistkou proti samovolnému uvolnění lze toto riziko v podstatě vyloučit. U měničů je nutné dodržet doporučení výrobce, zejména co se týče umístění měniče a prostoru v jeho blízkosti. Zpravidla jsou předepsány vzdálenosti od případných překážek z důvodu chlazení. Je vhodné toto zařízení umístit v poloze chráněné proti vlivům počasí (déšť, slunce), přestože většina výrobků má krytí IP65 určené pro umístění ve venkovním prostředí. Umístění v chráněném, chladném a stinném prostředí má jednoznačně pozitivní vliv na výkon a životnost zařízení či jeho částí. Při požáru objektu s nainstalovanou FV výrobnou plyne riziko pro zasahující osoby zejména z toho, že fotovoltaické moduly energii produkují na základě míry osvitu a toto zařízení nelze odpojit otočením jednoho vypínače. Vhodným řešením v této situaci je instalace tzv. protipožárního spínače ke každému stringu (soustavě sériově propojených modulů) co nejblíže fotovoltaickým modulům. Spínače jsou tak zapnuty jen při odběru na straně AC. V případě odpojení elektrické přípojky objektu při zásahu se díky tomuto opatření všechny stringy odpojí, a vedení za spínači tak dále není zdrojem nebezpečí. Provozní bezpečnost a spolehlivost 165

166 Je ovlivněna souborem již zmíněných faktorů mechanické a požární bezpečnosti, k nimž se připojuje hledisko vlastního výkonu elektrárny. Výkon elektrárny v průběhu celého roku přímo závisí na parametrech jednotlivých zařízení, na účinnosti modulů, jejich charakteristice ve vazbě na míru osvětlení, na teplotě, ale také na dimenzování (průřezu) kabeláže, účinnosti a pracovních rozsazích měničů. Pro minimalizaci ztrát způsobených případnými výpadky FVE i při dodržení uvedených doporučení je vhodné do systému zařadit prvek monitoringu celého zařízení. V sou časnosti jsou na trhu běžně dostupné systémy, např. VisionBox společnosti Conergy, umožňující sledovat chování elektrárny téměř v reálném čase, třeba v patnáctiminutových intervalech. Vlastník či správce elektrárny je díky systému VisionBox informován zprávou SMS, em či faxem o případném výpadku či anomáliích ovlivňujících výrobu elektrické energie. Navíc může bez zbytečné prodlevy reagovat zajištěním okamžitého servisního zásahu, který zabrání ztrátám výnosu. Podle údajů v systému lze také jednoduše na dálku analyzovat problém a přizpůsobit jeho řešení vlastní zásah. Dobrý monitorovací systém je zpravidla schopen archivovat data od počátku zapojení elektrárny, a lze tak porovnávat a kontrolovat denní, týdenní, měsíční či roční výnosy. Zmíněný VisionBox poskytuje mimo jiné i aplikaci pro iphone; pohledem do aplikace tak může majitel svou FVE neustále kontrolovat. Na spolehlivost provozu má vliv i péče o instalaci. Nejen z hlediska výnosu je výhodné např. v zimě uklízet sníh, ale také pravidelně (alespoň jednou ročně) prohlížet celé zařízení. Lze tak předejít poruchám a výpadkům, ale také větším škodám jak na vlastní elektrárně, tak na prostředí, ve kterém se nachází. Bezpečnost fotovoltaických systémů z hlediska právních předpisů a technických norem. Podmínky pro výstavbu a bezpečný provoz fotovoltaických aplikací v České republice upravuje množství právních předpisů. Velký význam má zejména energetický zákon, dále zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů, stavební zákon, vyhláška o obecných požadavcích na využívání území, vyhláška o podrobnější úpravě územního řízení a veřejnoprávní smlouvy, zákon o požární ochraně, vyhláška o požární prevenci, vyhláška o technických podmínkách požární ochrany staveb, nařízení vlády, kterým se stanovují technické požadavky na elektrická zařízení nízkého napětí. Na uvedené právní předpisy navazuje také několik českých technických norem, které vymezují podrobné technické podmínky vztahující se k bezpečnému provozu fotovoltaických systémů. Jsou to zejména ČSN , ČSN EN 61215, ČSN IEC 755, ČSN EN ed. 2 + Z1, ČSN ed. 2, ČSN Pozn.: Na tomto místě je třeba upozornit na skutečnost, že pro fotovoltaické systémy nelze využívat ČSN Požární bezpečnost staveb, Kabelové rozvody, protože se tato norma na výrobny elektřiny nevztahuje. Podmínky požární bezpečnosti pro umísťování a navrhování fotovoltaických systémů 166

167 Umísťování fotovoltaických systémů Při umísťování fotovoltaických systémů v území je třeba vycházet z obecných ustanovení stavebního práva. Tyto stavby nelze umístit v nezastavitelném území, neboť nejde o veřejnou technickou infrastrukturu, a v důsledku toho není možné při posuzování zá měru využít např. ustanovení 18 odst. 6 stavebního zákona. Následně se uplatní postup podle zákona o požární ochraně a předpisů vydaných k jeho provedení, které stanovují, že stavba fotovoltaického systému musí být ve smyslu podrobností uvedených v 2 odst. 1 vyhlášky č. 23/2008 Sb. umístěna tak, aby podle druhu splňovala technické podmínky požární ochrany zejména na: odstupové vzdálenosti a požárně nebezpečný prostor, přístupové komunikace a nástupní plochy pro požární techniku. V případě umístění ostrovního či síťového fotovoltaického systému na volném prostranství lze tato zařízení z hlediska již uvedených předpisů a v souladu s ČSN považovat za otevřené technologické zařízení, od kterého je stanovena minimální odstupová vzdálenost 6,5 m, popř. se stanoví na základě podrobného výpočtu. Pro účinný a bezpečný zásah jednotek požární ochrany se stavby a nástupní plochy pro požární techniku ve smyslu ustanovení 12 a přílohy č. 3 vyhlášky č. 23/2008 Sb. navrhují: s vjezdy pro požární techniku o minimální šířce 3,5 m a výšce 4,1 m, jde-li o prostory obestavěné, ohrazené nebo jiným způsobem znepřístupněné, se smyčkovým objezdem nebo plochou umožňující otáčení vozidla v případě ne průjezdných jednopruhových přístupových komunikací delších než 50 m, 4 m od hranice ochranného pásma takovým způsobem, který umožňuje příjezd a pro vedení zásahu mimo ochranné pásmo. 167

168 Obr Pohled na ohněm zničené FV panely Zde je však třeba vzít v úvahu rovněž ustanovení 2 odst. 2 písm. a) bod 20 energetic kého zákona, že každé energetické zařízení sloužící pro přeměnu různých forem energie na elektřinu, zahrnující všechna nezbytná zařízení (např. elektrické stanice), je považová no za výrobnu elektřiny, která musí být chráněna ochranným pásmem, přičemž: ochranné pásmo výrobny elektřiny je vymezeno svislými rovinami vedenými ve vodorovné vzdálenosti 20 m kolmo na oplocení nebo na vnější líc obvodového zdiva elektrické stanice ( 46 odst. 7 energetického zákona), ochranné pásmo vzniká dnem nabytí právní moci územního rozhodnutí o umístění stavby nebo územního souhlasu s umístěním stavby; jestliže není podle stavebního zákona vyžadován ani jeden z těchto dokladů, vzniká ochranné pásmo dnem uvedení zařízení elektrizační soustavy do provozu ( 46, odst. 1). Největším problémem při umísťování fotovoltaických systémů jsou tzv. dodatečné in stalace zejména síťových systémů na již existujících objektech, které jsou považovány za technická zařízení stavby, jsou domovním (vnitřním) technickým zařízením. Podle sta noviska ministerstva pro místní rozvoj je možné takové instalace podle ( 103 odst. 1 písm. b bod 20) posoudit jako záměr, který pro svoji realizaci nevyžaduje stavební povolení ani ohlášení stavebnímu úřadu. V takovém případě by mohla být za určitých okolností porušena právní jistota zatížením 168

169 sousedních staveb a pozemků věcným břemenem v podobě nově vzniklého ochranného pásma výrobny elektřiny (bez vědomí a souhlasu jejich vlastníků) a také ohrožen život či zdraví zasahujících hasičů. Navrhování fotovoltaických systémů Při navrhování fotovoltaických systémů je třeba vycházet z obecných ustanovení stavebního zákona, a to z tohoto pohledu: Pro stavbu mohou být navrženy a použity jen takové výrobky, materiály a konstrukce, jejichž vlastnosti z hlediska způsobilosti stavby pro navržený účel zaručují, že stavba při správném provedení a běžné údržbě po dobu předpokládané existence splní požadavky na mechanickou odolnost a stabilitu, požární bezpečnost, hygienu, ochranu zdraví a životního prostředí, bezpečnost při udržování a užívání stavby, včetně bezbariérového užívání stavby, ochranu proti hluku a na úsporu energie a ochranu tepla. Fotovoltaické systémy a jejich komponenty (např. moduly, rozvodnice, měniče, zdroje a rozvodnice se spínacími přístroji) jsou podle nařízení vlády č. 17/2003 Sb. výrobky stanovené k posouzení shody. Některé typy těchto elektrických zařízení jsou však vyráběny za účelem trvalého zabudování do stavby. V důsledku toho musí svým provedením vyhovovat určenému účelu použití, a splňovat tedy i základní požadavky stanovené směrnicí Rady 89/106/EHS pro stavební výrobky. Při vlastním navrhování fotovoltaických systémů se při zpracování požárně bezpečnostního řešení vychází z požadavků zvláštních právních předpisů, normativních požadavků a z podmínek vydaného územního rozhodnutí. V této souvislosti je třeba upozornit na určitou diskrepanci některých ustanovení stavebního zákona a energetického zákona, které by mohly činit nejen při navrhování požární bezpečnosti fotovoltaických systémů potíže. Je třeba mít na zřeteli, že i když podle 103 odst. 1 písm. b) bod 4 stavebního zákona zařízení, která jsou součástí nebo příslušenstvím energetické soustavy, nevyžadují stavební povolení ani ohlášení stavebnímu úřadu, vlastní stavby energetické soustavy (buď jako celek, nebo části schopné samostatného užívání) však jednoznačně vyžadují územní rozhodnutí v souladu s 92 nebo v některých případech územní souhlas v souladu s 96 stavebního zákona. Jde totiž o stavby, které nejsou vymezeny v taxativním výčtu staveb a zařízení nevyžadujících podle 79 odst. 3 téhož zákona rozhodnutí o umístění stavby ani územní souhlas. Celá situace je komplikována zejména tím, že stavební ani energetický zákon pojmy energetická soustava, příslušenství a součást nedefinují. Z výše uvedeného lze ale dovodit, že současné pojetí 103 odst. 1 písm. b) bod 4 sta vebního zákona v kontextu s požadavky 92 ( 96) umožňuje doplnit stavbu (v tomto případě energetickou soustavu, její část elektrizační soustavu) o prvek, který je její součástí či příslušenstvím, avšak z hlediska tohoto zákona musí být v souladu s podmínkami rozhodnutí o umístění stavby, popř. s územním souhlasem. 169

170 Složitější situace nastává při navrhování ostrovních systémů nebo síťových systémů na parcele rodinného domu nebo na jeho střeše. Z tohoto pohledu jde rovněž spíše o problematiku stavebního práva, které upravuje tuto věc dvěma způsoby: v rámci plochy pro bydlení není možné bez změny územního plánu umísťovat zařízení, jako je sluneční elektrárna, s větší kapacitou, než vyžaduje povolovaný rodinný dům, je-li plocha územním plánem určena pro bydlení, mohou na ní být v souladu s územněplánovací dokumentací umísťovány pouze kolektory pro ohřev vody nebo přitápění, popř. fotovoltaické panely pro výrobu elektrické energie pouze v tom případě, že slouží výlučně pro navržený dům a jsou umístěny na něm nebo na jeho pozemku. Při umísťování fotovoltaických systémů na střechách objektů je také nutné posoudit, zda střešní plášť, konstrukce fotovoltaického systému a systém ochrany před bleskem vy hovují technickým podmínkám vyhlášky č. 23/2008 Sb. Fotovoltaické moduly musí zá roveň být instalovány tak, aby byl zajištěn odvod tepla při maximálním slunečním osvitu v daném místě. Obr Požárem poškozené FV panely Pro ochranu FV musí být dodrženy pokyny výrobce a napájecí vodič musí mít na straně AC hlavního přívodu přístroje pro ochranu proti proudovému přetížení a zkratu. U foto voltaického měniče napětí musí být na straně DC instalován odpojovač. Rozvodná zařízení elektrické energie a hlavní vypínače elektrického proudu musí být označeny ve smyslu podrobností uvedených v ustanovení 11 odst. 2 písm. f) vyhlášky o požární prevenci. Všechny rozvaděče (fotovoltaické zdroje, 170

171 fotovoltaická pole) musí být také označeny štítkem oznamujícím, že části uvnitř rozvaděčů mohou být živé ještě po odpojení fotovoltaického měniče napětí. Požární ochrana provozovaných fotovoltaických systémů Z hlediska požární ochrany jsou fotovoltaické systémy a aplikace problematické zejména z důvodů ztížené dostupnosti pro jednotky požární ochrany (odlehlé ostrovní systémy ve volné přírodě nebo síťové systémy na střechách objektů) a ztížených podmínek pro zá sah (stejnosměrnou část fotovoltaických systémů nelze vypnout, jde o zásah pod napětím a v ochranném pásmu). Měnič napětí s odpojovačem se v instalaci fotovoltaické výrobny elektřiny umisťuje tak, aby stejnosměrná část rozvodu, která zůstává pod stálým napětím, byla co nejkratší. Střešní nebo fasádní instalace fotovoltaických panelů nesmí svým provedením znemožňovat odvětrání objektu či prostoru, omezit provoz, opravy a údržbu spalinových cest, ani bránit přístupu jednotek požární ochrany při zásahu. Vzhledem k tomu, že většina standardně vyráběných fotovoltaických panelů obsahuje pouze minimální množství hořlavých hmot, lze je jako zdroj vzniku požáru téměř spolehlivě vyloučit. Jedinými hořlavými součástmi fotovoltaických systémů jsou připojovací boxy, propojovací konektory a propojovací kabely (izolace), na jejichž uhašení v prvopočátku většinou postačí přenosný hasicí přístroj určený k hašení zařízení pod napětím (např. práškový nebo CO 2 ), který musí být umístěn v každém novém rodinném domě; jednotky požární ochrany mají tyto věcné prostředky rovněž ve standardní výbavě. Fotovoltaické panely jsou také charakteristické tím, že s rostoucí teplotou ztrácejí velmi progresivně výkon. Při běžné teplotě požáru nemají již téměř žádný výkon. Navíc jsou fotovoltaické panely povinně vybaveny před vstupem DC do měniče (střídače) napětí pojistkovým odpojovačem. Fotovoltaické zařízení musí být i přesto na straně DC považováno vždy za činné, přestože je odpojeno od strany AC. Ze současných statistik vyplývá, že v praxi vznikají spíše požáry fotovoltaických výroben elektřiny způsobené závadou v rozváděcích nebo měničích napětí a vnějšími vlivy. Jde zejména o požáry ostrovních fotovoltaických systémů umístěných v přírodním prostředí, způsobené atmosférickými výboji anebo požáry okolních prostorů. Vzhledem k tomu, že fotovoltaické panely se pro dosažení maximálního osvitu umísťují v polích vzdálených od sebe minimálně 3 m, lze přenesení požáru z hořící řady panelů na řadu panelů sousedních téměř vyloučit. Jestliže by nastal požár fotovoltaické výrobny elektřiny z důvodu vnějších vlivů, je vždy účelné bránit jeho rozšíření a požárem napadené panely nechat vyhořet. Pro hašení požárů pod napětím platí pro jednotky požární ochrany Me todický list č. 14 kapitoly N Bojového řádu jednotek požární ochrany (rok 2001), kde je v odst. 15 písm. d) a e) stanoveno, za jakých podmínek může být tento zásah prováděn. Hašení pod napětím do V je v současné době běžnou praxí. Jako další možností využití solární energie je využití ohřevu teplé vody a to ať už na ohřev teplé užitkové vody nebo na vytápění. 171

172 Termické solární systémy Princip systémů, které využívají sluneční záření k ohřevu vody, není nijak složitý. Nejnápadnější částí systému jsou sluneční kolektory, které můžeme vidět na střechách domů. Jejich úkolem je pohltit co největší množství sluneční energie pro další využití v domě. V kolektorech se ohřívá pracovní kapalina (nejčastěji nemrznoucí směs). Ta je odváděna potrubím a získané teplo předává prostřednictvím tepelného výměníku vodě, kterou chceme ohřát. Její množství záleží na celkové ploše kolektorů, to znamená na jejich počtu. Další klíčovou součástí systému je zásobník vody. Nejčastěji se jedná o tlakovou nádobu (bojler), v níž se voda ohřátá od pracovní kapaliny skladuje do doby použití (praní, koupání, mytí nádobí). Objem zásobníku se odvozuje od denní spotřeby teplé vody. Z důvodu předzásobení pro neslunečné období je velikost zásobníku navrhována na jeden a půl až dvojnásobek této spotřeby. Dále k systému patří ve většině případů malé čerpadlo zajišťující oběh pracovní kapaliny mezi kolektory a tepelným výměníkem a několik hydraulických prvků (ventily, expanzní nádoba), které jsou nezbytné pro bezporuchový provoz. Aby systém fungoval optimálně a bez obsluhy, bývá standardně vybaven jednoduchou automatickou regulací. Regulace musí především zajistit, aby pracovní kapalina necirkulovala ve chvíli, kdy je chladnější než voda vzásobníku (například v noci), a zbytečně tak ohřátou vodu neochlazovala. Nevýhodou slunečního ohřevu vody je skutečnost, že systém není schopen dodávat požadované množství teplé vody v průběhu celého roku. Z tohoto důvodu je nezbytné doplňovat systémy s celoročním provozem o přídavný zdroj tepla, jehož výkon nezávisí na slunečním svitu a který pomáhá ohřívat vodu, když energie Slunce nestačí. Často je využíváno elektrické dohřívání vody v zásobníku, rozšířené jsou rovněž systémy, které k dohřevu využívají teplo z kotle ústředního topení Určení směru dopadu na orientovanou plochu kolektoru Směr dopadu slunečních paprsků je dán vzájemnou polohou Slunce nad obzorem a osluněné plochy. Zatímco u osluněné plochy se zpravidla jedná o stálou polohu danou její orientací ke světovým stranám a úhlem sklonu, poloha Slunce se mění v závislosti na denní a roční době. Poloha Slunce je dána jeho výškou nad obzorem h ( ) a jeho azimutem γs ( ). Pro tyto dva úhly platí vztahy: kde sin h = sin δ sin θ + cos δ cos θ cos ω sin γs = (cos δ / cos h) sin ω δ je sluneční deklinace, tj. zeměpisná šířka, kde v daný den ve 12 h v poledne je Slunce kolmo nad obzorem ( ) θ zeměpisná šířka ( ) 172

173 ω časový úhel v obloukových stupních, měřený od 12. hodiny v poledne ( ) (jedné hodině odpovídá úhel 15 ) Azimut slunce γs se měří od směru jih ve smyslu otáčení hodinových ručiček jako kladná hodnota (+) a ve smyslu proti otáčení hodinových ručiček jako záporná hodnota (-). Vyplývá to ze způsobu měření časového úhlu ω, pro hodiny po 12. hodině v poledne se měří jako kladná hodnota (+) a pro hodiny před 12. hodinou v poledne jako záporná hodnota (-). Sluneční deklinace se během roku mění, pro každý den má jinou hodnotu. Sluneční deklinace δ ( ) pro libovolný den v roce se vypočítá ze vztahu: kde D je pořadí dne v měsíci (-) M je pořadí měsíce v roce (-) δ = 23,45 sin (0,98 D + 29,7 M ) Pro běžné výpočty většinou stačí jediná hodnota δ pro celý měsíc. Počítá se s deklinací pro tzv. charakteristický den v měsíci (volí se 21. den v měsíci), pro něž se pak počítají všechny parametry určující polohu slunce nad obzorem a také intenzita záření. Intenzita slunečního záření vypočítaná pro charakteristický den v měsíci se pak považuje za průměrnou hodnotu pro celý příslušný měsíc. Tento postup je vyhovující při výpočtech, pro něž jsou k dispozici i ostatní klimatické faktory jen jako průměrné měsíční hodnoty. Úhel dopadu slunečních paprsků θ ( ) je úhel, který svírá normála osluněné plochy se směrem paprsků. Při známé výšce Slunce nad obzorem h a známém azimutu slunce γs lze určit úhel dopadu slunečních paprsků θ na obecně orientovanou a skloněnou plochu ze vztahu kde cos θ = sin h cos β + cos h sin β cos (γs- γ) β je úhel sklonu osluněné plochy od vodorovné roviny ( ) γ azimutový úhel normály osluněné plochy měřený stejně jako azimut slunce ( ) 173

174 Přímé a difúzní sluneční záření Obr Geometrie slunečního záření Sluneční záření dopadající na určitou plochu lze rozdělit na dvě složky: přímé sluneční záření a difúzní sluneční záření. Přímé sluneční záření se vyznačuje mnohonásobně vyšší intenzitou v jednom směru než v ostatních, zatímco difúzní sluneční záření má intenzitu ve všech směrech stejnou (izotropické). Prakticky to znamená, že přímé sluneční záření je oproti difúznímu značně závislé na úhlu dopadu paprsků. Intenzita slunečního záření na plochu kolmou ke směru paprsků (W/m 2 ) kde G o je sluneční konstanta (1367 W/m 2 ) Z součinitel znečištění atmosféry (-) G bn = G o exp (-Z / ε) ε součinitel závislý na výšce slunce nad obzorem a na nadmořské výšce daného místa (-) Intenzita přímého záření na obecně položenou plochu (W/m2) je dána vztahem: G b = G bn cos θ Difúzní záření vzniká v atmosféře rozptylem o molekuly plynů ve vzduchu, částečky prachu a mraky. K difúznímu záření se počítá i část přímého záření, která se odrazí od okolních ploch (odražené sluneční záření). Intenzitu difúzního záření (W/m 2 ) lze přibližně vypočítat G d = 0,5 (1+cos β) G dh + 0,5 r (1-cos β) (G bh +G dh ) 174

175 kde β je úhel sklonu osluněné plochy od vodorovné roviny ( ) r reflexní schopnost okolních ploch pro sluneční paprsky (r = 0,15 0,25) (-) G bh intenzita přímého slunečního záření na vodorovnou plochu (W/m 2 ) G dh intenzita difúzního slunečního záření na vodorovnou plochu (W/m 2 ) Vztahy pro přímé a difúzní sluneční záření (W/m 2 ) dopadající na vodorovnou plochu jsou: G bh = G bn sin h G dh = 0,33 (G o - G bn ) sin h Intenzita celkového slunečního záření (W/m2) dopadající na obecnou plochu je dána součtem obou složek: G = G b + G d Následující grafy ukazují celkovou intenzitu slunečního záření G působící na vodorovnou a svislou plochu Obr Intenzita celkového slunečního záření G (W.m -2 ) na vodorovnou plochu. Přerušovanou čarou je zakreslen průběh intenzity difúzního záření GD v VI. a XII. měsíci 175

176 Obr Intenzita celkového slunečního záření G (W.m -2 ) na svislou plochu orientovanou na jih. Přerušovanou čárou je zakreslen průběh intenzity difúzního záření Energie dopadající na osluněnou plochu 176

177 Teoreticky možné denní množství dopadající energie H den, teor (kwh/m 2 ) je možné zjistit integrací intenzity slunečního záření G od východu do západu slunce, tedy za dobu teoretické doby slunečního svitu τ teor (h). Teoreticky možné množství energie H den, teor dopadá na osluněnou plochu jen ve slunečních dnech, kdy slunce svítí nepřetržitě po celou teoreticky možnou dobu. Během dne se však střídá jasná obloha s oblohou zataženou mraky, kdy dopadá jen difúzní záření. Z klimatických údajů je možné za delší období (měsíc) zjistit skutečnou dobu slunečního svitu τ skut (h). Potom lze vyjádřit tzv. poměrnou dobu slunečního svitu τr= τ skut / τ teor. Hodnoty poměrné doby slunečního svitu pro některá místa ČR jsou uvedeny v tabulkách. Skutečné množství energie dopadající na osluněnou plochu za den (kwh/m2) můžeme získat ze vztahu: H den = τ r H den, teor + (1- τ r ) H den, dif Pro 50 severní šířky a s přípustnou přibližností pro celou ČR jsou hodnoty teoreticky možného množství energie dopadajícího na den H den, teor a hodnoty energie difúzního záření dopadajícího za den H den, dif tabelovány. Podobně jako skutečné množství energie dopadající na osluněnou plochu za den H den lze počítat skutečné množství energie dopadající za měsíc H měs (kwh/m 2 ) kde -n je počet dnů v měsíci (-) H měs = n τ r H den, teor + n (1- τ r ) H den, dif = n H den Střední intenzita slunečního záření G stř (W/m 2 ) kde G stř = H den, teor / τ teor H den, teor teoreticky možné množství energie dopadající na osluněnou plochu za den (kwh/m 2 ) τ teor teoretická doba slunečního svitu (h) Rozdělení solárních termických systémů Základní rozdělení solárních systému je na pasivní a aktivní. U pasivních systémů se jedná o transformaci solární energie v tepelnou energii. Aktivní systémy se používají k transformaci solární energie na tepelnou energii (fototermální přeměna) nebo elektrickou energii (fotovoltaická nebo solárně termická přeměna). Pasivní solární systémy Možnosti pasivního využití solární energie Každá budova využívá tepelnou energie ze svého okolí svojí urbanistickou, architektonickou a stavebně konstrukční koncepcí. Účinnost využití slunečního záření je při odlišných budovách rozdílný. Budovy, jenž se v co největší míře snaží 177

178 využívat sluneční energii pomocí čistě stavebních prostředků, se nazývají pasivní heliotechnické budovy. Pasivním solárním systémem lze nazvat jak celou budovu, tak pouze některé z jejích částí. Transport energie se děje pouze přirozenou cestou, bez pomoci technických zařízení. Energetická efektivnost pasivních solárních prvků budov je založena na selektivní propustnosti tepelného záření transparentními materiály, na rozdílné pohltivosti krátkovlnného záření a na omezení emisivity dlouhovlného záření stavebními povrchy i na akumulaci tepla. Zásady navrhování pasivních solárních systémů Na severní nebo návětrnou stranu okna neumisťujeme, případně pouze malá. Zato se snažíme využít tepelných zisků z jižního průčelí budovy, proto na tato průčelí situujeme okna, příp. jiné prvky pasivních solárních systému. Členění budovy je minimální. Dodržujeme zásady tepelného zónování v půdoryse a vytváříme akumulační jádra budov. Využíváme vhodného stínění listnatými stromy. Bráníme přehřívání interiéru v letním období. Rozdělení solárních systémů a) podle způsobu využití sluneční energie: přímé (sluneční záření prochází přímo do místnosti přes zasklení) nepřímé (sluneční záření se do místnosti dostává ve formě tepelné energie vyzařované z akumulační stěny) hybridní. b) podle umístění v konstrukci: prvky umístěné v obvodových stěnách orientovaných na jih střešní prvky přídavné prvky 178

179 Obr Trombeho stěna v zimní období Obr Trombeho stěna v letní období Při návrhu pasivních objektů využívající solárního záření se bere na vědomí umístění budovy (např. vzhledem k světovým stranám, směru větru a jiné), tvar, využití termo regulační funkce přírody. V dnešní době existuje spousta pasivních solárních systémů. Trombeho stěna je známý případ pasivního využití solární energie. Skládá se z masivních akumulačních 179

180 stěn, před kterou jsou umístěny skla. Mezi akumulační stěnou a sklem tak vzniká vzduchová mezera. Při návrhu objektů s pasivním využíváním solárního záření se bere v úvahu umístění budovy (např. vzhledem ke světovým stranám a převládajícím směrům větru), tvar budovy, využití termoregulační funkce zeleně, využití bariérových prvků (např. stromy) apod. Vnější povrch je upraven tak aby dobře pohlcoval sluneční záření, např. černou barvou. Teplo se tak může šířit do interiéru místnosti radiací nebo přirozenou konvekcí přes otvory ve stěně, které by měly být uzavíratelné. Nezasklený solární vzduchový kolektor Základem je tmavý, děrovaný trapézový plech, jenž se umísťuje na fasádu ve vzdálenosti 2-4 cm od zateplené obvodové stěny. Ventilátor odsává vzduch přes děrování a tím vytváří podtlak mezi fasádou a plechem. Vzduch stoupá dutinou, ohřívá se a je dále rozváděn do místností přes ventilační jednotku. Efektivita tohoto systému je i díky své jednoduchosti kolem 60% a za ideálních podmínek můžeme zvýšit teplotu až o 20 C. Nejčastěji se tento systém používá u průmyslových objektů, protože je potřeba jižně orientované střechy bez oken. Energetická střecha Jedná se o vzduchový kolektor zabudovaný do roviny střešní konstrukce. Většinou se tento způsob kombinuje se stěnovým vzduchovým kolektorem. Systém je vhodný zejména pro šikmé střechy s úhlem sklonu nejméně 30. Energetická fasáda Jsou to jednoduché kolektory, jejichž transparentní vrstvu tvoří skleněná deska předsazená před normální fasádou objektu. Tento systém lze v zimě používat pro vytápění a v létě je teplo odváděno přirozenou cirkulací z plochy fasády a funguje jako klimatizace. Aktivní solární systémy Tento systém je založen na principu přeměňování sluneční energie na energii tepelnou, která je následně přenášena z kolektorů teplonosnou látkou. Teplonosná látka je buď kapalina, nebo vzduch. Obě mají své výhody a své nevýhody. Teplo získané ze solárních kolektorů se skladuje v akumulačních nádržích umístěných většinou v kotelně. Vhodně zvolená soustava je velice nenáročná na obsluhu a může uspořit až 40 % energie pro vytápění či % energie pro ohřev TUV. Solární kolektory nelze použít jako hlavní a jediný zdroj energie a je nutné použít ještě přídavný zdroj, který bude ohřívat potřebnou vodu v případě nízké sluneční aktivity nebo při zvýšené spotřebě. Většinou se kombinuje akumulační nádrž spolu s elektrickým bojlerem, který lze automaticky nastavit na požadovanou teplotu a ten si sám reguluje výstupní teplotu. Při použití sluneční energie pro vytápění lze také použít automatický kotel na plyn nebo elektrickou energii, kotel na biopaliva nebo klasický krb. 180

181 Solární systém Solární kolektory se ve většině případů používají o ohřívání teplé užitkové vody, k ohřevu vody do bazénu či k vytápění obydlí. Je zřejmé, že kromě solárních kolektorů je hybridní systém tvořen zásobníkem, výměníkem tepla, oběhovým čerpadlem, expanzní nádobou, potrubím, izolacemi, regulačními prvky a podobně. Tyto hybridní systémy se mohou lišit: - Dobou provozu o Sezónní o Celoroční - Počtem okruhů o Jednookruhové o Dvou okruhové - Použitou kapalinou a oběhem této kapaliny o Nucený okruh o Samotížný okruh Vzhledem k tomu, že v našich zeměpisných šířkách, je sluneční záření značně nestabilní bývá systém doplněn o další zdroj energie jako je například elektřina nebo plyn, které slouží ohřevu kapaliny. U sezónních hybridních soustav je teplonosná kapalina ve většině případů voda, u celoročního provozu musí být použita nemrznoucí směs, která zároveň nesmí být životu nebezpečná či ho ohrožující. Na následujícím obrázku je schematický znázorněn typický nucený dvoukruhový hybridní systém, který slouží k celoročnímu ohřevu teplé užitkové vody. Ohřátí nemrznoucí kapalina nuceně proudí za pomocí čerpadla ze solárních kolektorů do výměníků tepla, kde předávají získané teplo užitkové vodě a ochlazená kapalina z výměníků se vrací zpět do kolektorů. Účelem expanzní nádoby v tomto případě je vyrovnávání změnu objemu teplonosné kapaliny v závislosti na změně její teploty. Většinou tyto systémy bývají řízeny automatickou regulací na základě signálů z čidel umístěných na příslušných místech systému. 181

182 Obr Dvouokruhový solární systém s nuceným oběhem Vzduchové solární tepelné systémy Teplonosnou látkou u těchto soustav je vzduch. Tyto systémy lze použít zejména pro přitápění větších objektů nebo v zemědělství, jako přístroj pro sušení plodin. Tento systém je méně využívaný z důvodů užití vzduchu jako teplonosné látky. Vzduch má oproti kapalině menší měrnou tepelnou kapacitu c (J.kg -1.K -1 ) a malou objemovou kapacitu cr (J.m -3.K -1 ). V praxi se dá říci, že vzduch je asi 6-10krát méně účinný než kapalina. Proto je nutné odlišně dimenzovat celý systém, hlavně pak vedení musí být několikanásobně větší pro zvětšení a zrychlení průtoku vzduchu. Velkou výhodou teplovzdušných kolektorů je jejich dobrá výhřevnost i při nízké sluneční aktivitě. Protože teplonosná látka může být ihned použita pro teplovzdušné přitápění místností nebo pro sušení. Další nespornou výhodou je její finanční nenáročnost, vysoká účinnost i při nízkých teplotách látky, která znamená velkou výhodu při použití pouze pro přitápění nebo sušení ve větších objektech. Naopak nevýhoda je, že vlhkost vzduchu obsažená ve vzduchu při proměnlivém počasí způsobuje kondenzaci par na vnitřních plochách kolektorů. Také prach obsažený ve vzduchu se na vnitřní straně zasklení může usazovat a zhoršovat účinnost kolektoru. Kapalinové solární tepelné systémy Tyto systémy používají jako teplonosnou látku nemrznoucí kapalinu. Tyto soustavy se mohou rozdělit podle použití, provozních režimům, způsobu oběhu teplonosné 182

183 kapaliny, počtu okruhů či velikosti průtoků kapaliny. V této kapitole budou rozebrány nejdůležitější typy těchto systémů. Rozdělení podle použití: Soustavy pro ohřev vody tyto soustavy zajišťují pouze ohřev TUV nebo ohřev vody v bazénu. Soustavy pro přitápění nebo vytápění soustavy využívané pro přitápění jsou mnohem složitější. Nejčastěji se používají v kombinaci s ohřevem vody. Protože v průběhu letních měsíců je nadbytečné teplo, které není potřebné k přitápění, využito pro ohřev vody. Tyto systémy lze rozdělit do dvou skupin : Soustavy s akumulací teplo získané v kolektorech se ukládá do akumulačních nádrží. V době potřeby je teplo získáváno z těchto akumulačních nádrží. Z tohoto zařízení se teplo zužitkovává v období se sníženou nebo nulovou sluneční aktivitou. Při správném návrhu soustavy lze získat maximální možnou energii ze slunce. Tato soustava bude fungovat i při zhoršených světelných podmínkách a proto nebude nutné tak často zapínat bivalentní energetický zdroj. Nevýhodou jsou zatím stále velmi vysoké pořizovací náklady na soustavu, značná prostorová náročnost (většinou je potřeba celá menší místnost), relativně velká složitost soustavy a také závislost na vhodných meteorologických podmínkách. Soustavy bez akumulace tyto soustavy pracují bez jakéhokoliv akumulačního zařízení, proto veškerá energie získaná ze slunce je okamžitě spotřebovávána. Soustavy bez akumulačních nádrží jsou využívány hlavně v přechodných obdobích (jaro, podzim). Při nedostačujících tepelných podmínkách se solární systém vypne a jako hlavní zdroj energie se použije bivalentní systém (plynový kotel, tepelné čerpadlo...). V letních měsících se tato soustava využívá pro ohřev vody v bazénu nebo TUV. Výhody oproti soustavám s akumulační nádrží jsou nižší pořizovací náklady a relativně vyšší účinnost v přestupných měsících, protože odpadají ztráty způsobené přestupem tepla v akumulační nádrži. Hlavní nevýhodou je velice nerovnoměrný tepelný zisk. Rozdělení podle provozních režimů Soustava se sezónním provozem u těchto soustav se nepředpokládá využívání v zimních měsících. V těchto systémech se využívají hlavně nejzákladnější a většinou i nejlevnější systémy. Jako teplonosnou látku lze použít vodu. Kolektor je napojen přímo na výměník, odkud do něj proudí studená voda a po ohřátí jde voda z kolektoru zpět do výměníku. Jako příklad nejjednoduššího ohřevu lze použít solární kolektor napojený na čerpadlo k bazénu. Voda se napřed přefiltruje přes pískový filtr a místo toku do trysek voda proteče přes soustavu solárních kolektorů, kde se ohřívá. Ohřátá voda se opět napojí na systém a proudí přímo do bazénu. Před příchodem prvních mrazů je nezbytné celou soustavu odstavit a vypustit, aby nedošlo k poškození systému mrazem. 183

184 Soustava s celoročním provozem soustava je koncipována pro provoz i během zimních měsíců. Proto je nutné použít soustavu dvouokruhovou s výměníkem tepla a nemrznoucí směsí v primárním okruhu. Rozdělení podle počtu okruhů Jednookruhové tyto soustavy nemají výměník tepla a kolektory jsou napojeny přímo na spotřebič, to znamená, že energie jde přímo k zásobníku tepelné vody nebo do podlahového topení. Jako teplonosnou látku používáme ve většině případů vodu. Výhodou této soustavy je maximální možná účinnost přenosu tepla, menší pořizovací náklady a jednoduchost. Nevýhodou je sezónní provoz. Dvouokruhové primární okruh slouží k získávání tepelné energie ze Slunce. Ta je dopravována do výměníku tepla, který ji předává sekundárnímu okruhu. Primární okruh je obvykle napuštěn nemrznoucí teplonosnou kapalinou (tím je vyřešen problém s celoročním provozem), sekundární okruh je většinou naplněn vodou. V této soustavě je oddělena část výrobní a část spotřební. Což je důležité především u soustav s akumulací slunečního tepla. Takto konstruované soustavy jsou nejrozšířenější a to i přes jejich vyšší pořizovací náklady a menší účinnost. Fototermální přeměna Při fototermální přeměně dochází k transformaci energie slunečního záření v tepelnou energii. Tato přeměna se uskutečňuje ve speciálně konstruovaných zařízeních pro tento účel - v tzv. solárních kolektorech. Obr Princip slunečního kolektoru Sluneční kolektor pracuje na principu skleníkového efektu. Skládá se ze skla, rámu, absorpční plochy a soustavy trubic s teplonosným médiem. Absorbér, který je uložen pod průhlednou skleněnou deskou, zachycuje sluneční záření a přeměňuje ho na teplo (dlouhovlnné záření). Z tohoto důvodu bývá absorbér opatřen vhodnou povrchovou vrstvou (černou barvou nebo vhodným selektivním nátěrem-galvanickým 184

185 pokovením) za účelem zvýšení pohltivosti a omezení odrazivosti slunečního záření. Vzniklé teplo je následně teplonosným médiem odváděno do místa okamžité spotřeby nebo do akumulačního zásobníku. Rozdělení solárních kolektorů Hlavním kritériem rozdělení solárních kolektorů je z hlediska stupně koncentrace slunečního záření, podle kterého se dělí kolektory: bez koncentrace záření se střední koncentrací záření (parabolické koncentrátory s vysokou koncentrací záření (paraboloidy) Kolektory bez koncentrace záření se podle tvaru dále dělí na: ploché, trubicové (se zataveným absorbérem ve vakuové trubici). Podle teplonosné látky se rozdělují kolektory na: kapalinové, vzduchové. Z hlediska zasklení mohou být kolektory: bez zasklení (např. plastové absorbéry pro ohřev vody v bazénu), se zasklením (jednovrstvé, vícevrstvé a strukturované). Kromě výše uvedených kritérií se dále rozdělují kolektory podle typu absorbéru, tlaku výplně (vakuum nebo atmosférický tlak), možnosti jejich natáčení (pevné nebo pohyblivé) apod. Plochý deskový kolektor: Nejzákladnější solární kolektor, který se dá použít pouze pro sezonní vytápění nebo pro ohřev vody v rekreačních objektech. Nedoporučuje se jej využívat jako celoroční zdroj tepla pro ohřev vody, protože v zimních měsících je ochlazování skla okolím natolik veliké, že slunce nedokáže ohřát kapalinu na požadovanou teplotu. Velmi výhodný je zejména pro jednoúčelový ohřev vody do bazénu. Výhody - velmi příznivá cena, vysoká účinnost v letních měsících Nevýhody - nedokáže přijímat difúzní teplo, při poškození nutná výměna celého kolektoru, nutno odebírat přebytečné teplo 185

186 Plochý deskový vakuový kolektor: Obr Plochý deskový kolektor Je o něco dražší a výkonnější než obyčejný deskový kolektor, díky své vakuové vrstvě a borosilikátovému (transparentnímu) sklu má nižší energetické ztráty a dá se tedy použít i při nižších teplotách. Navíc již dokáže přijímat v omezené míře difuzní teplo, které hraje vysokou roli při zhoršených podmínkách. Výhody - vysoká účinnost v letních měsících, schopnost částečně přijímat difuzní teplo, schopnost pracovat i v zimě Nevýhody - dražší než u předchozí model, poškozený kolektor je prakticky neopravitelný, nutno odebírat přebytečné teplo Obr Plochý deskový vakuový kolektor Vakuový trubicový přímo protékaný kolektor (heatpipe): Pro naše podmínky ten nejvýkonnější systém. Má velice malé tepelné ztráty a dosahuje vyšší účinnosti během ranních a večerních hodin. Relativně vysokou účinnost lze předpokládat i během zimních měsíců a díky nemrznoucí kapalině lze tento systém používat i při teplotách hluboko pod bodem mrazu. Další výhodou je snadná výměna trubic při poškození. Vakuové trubice se vyměňují bez nutnosti 186

187 systém odvzdušňovat a demontovat. Pouze se vysune poškozená samostatná vakuová trubice a nahradí se novou. Hlavní nevýhoda je poměrně nízká účinnost v letních měsících, ale s ohledem na to, že se kolektory používají převážně v přechodných měsících, není tato nevýhoda až tak významná. Další nevýhodou je vznik nedostatečného kontaktu (přenos) mezi heatpipe a sběrným potrubím, což se může stát pří nekvalitní výrobě čí stárnutím kolektoru. Tím se nám výrazně sníží efektivity kolektorů. Výhody - vyrovnanější výkon, bezproblémová výměna naprasklých trubic, absorbuje difuzní záření Nevýhody cena, nižší účinnost v letních měsících, nutná vysoká kvalita montáže Obr Vakuový trubicový přímo protékaný kolektor Vakuový trubicový kolektor (Upipe): Má podobné vlastnosti jako heatpipe. Díky protékání primární nemrznoucí kapaliny odpadá možnost špatného přenosu absorbovaného tepla z heatpipe do sběrného potrubí. Při správném naddimenzování soustavy (nepřehřívání systému) jde o celoročně nejúčinnější způsob získávání tepla. Výhody trubice se dají optimálně nasměrovat, regulace toku při vysokých teplotách, výborně absorbuje difuzní záření Nevýhody - nutná vysoká kvalita montáže, nejdražší z těchto kolektorů 187

188 Obr Vakuový trubicový kolektor Nejčastější typ kolektoru je plochý a kapalinový kolektor. Jeho základními stavebními prvky jsou absorbér, skříň, izolace a krycí sklo. - Absorbér - je vyroben z měděného plechu, k jehož zadní straně jsou připájeny nebo nalisovány měděné trubice. Povrch absorbéru je upraven tak, aby pohlcoval co nejvíce záření. Levné absorbéry, dostačující pro letní období, jsou natřeny matnou černou barvou. Kvalitnější typy mají na povrchu tzv. selektivní spektrální nátěr, který pohlcuje až 96 % záření a přitom teplo jen minimálně vyzařuje. Tyto nátěry umožňují využít nejen přímé, ale i rozptýlené sluneční světlo a jsou vhodné pro celoroční využití. Získané teplo se odvádí vodou nebo nemrznoucí kapalinou proudící v trubicích - Skříň - kovová, plastová nebo dřevěná vana pro uložení absorbéru a dalších prvků. Musí být dostatečně robustní, protože slouží ke spolehlivému uchycení kolektoru na střechu nebo stěnu budovy a chrání jeho prvky před nepříznivými povětrnostními vlivy. - Izolace - omezuje tepelné ztráty a brání úniku tepla z absorbéru stěnami skříně. Nejčastěji se používá tepelná izolace z minerální vlny nebo polyuretanu. Musí odolávat teplotám do 200 C a nesmí přijímat z okolního prostředí vlhkost. - Krycí sklo - omezuje tepelné ztráty přední stěnou kolektoru. Viditelné světlo jím snadno prochází a v absorbéru se mění na teplo. Dlouhovlnné tepelné záření však sklo nepropouští ven. Uvnitř kolektoru vzniká skleníkový jev, při kterém se zvyšuje teplota proudící kapaliny. Používá se speciální bezpečnostní solární sklo s velkou propustností a dlouhou životností. 188

189 Obr Solární kolektor vyrobený na VŠB-TU Ostrava, FEI,KAT450 skupinou SAZE Obr Vnitřní struktura kolektoru Při stavbě solárních kolektorů je třeba brát na zřetel několik parametrů: - Konstrukce - musí být dostatečně pevná, aby dobře odolávala různým přírodním vlivům. Kolektor by měl být co nejblíže místu spotřeby ohřáté vody, aby se co nejvíce omezily tepelné ztráty v rozvodném potrubí. Přívodní trubice musí být opatřeny dobrou tepelnou izolací. Umístění solárních kolektorů Slunce v průběhu dne a ročního období mění neustále svou polohu. Úhel dopadu slunečního záření na zemský povrch neustále mění a jeho intenzita závisí na erupcích na slůnci a ozónové vrstvě nad danou oblastí. Nejčastěji se solární kolektory umisťují na jižní strany střech domů, kde je celoročně největší intenzita světla. Tím je dosaženo optimálního výkonu kolektoru. Dalším faktorem ovlivňující výkon je sklon střechy, který určuje naklonění kolektoru. Při instalaci kolektoru kolektor přímo na střechu domu, musí být navíc započítány ztráty z výkonu. Jiná situace však nastane u domu s rovnou střechou. V tomto případě lze kolektory na rám upevnit a nasměrovat je nejvhodnějším směrem. Rám lze upevnit i na slunné místo mimo střechu a to v případě nevyhovující střechy. U takové varianty je vhodné dbát na to, aby kolektory byly co nejblíže domu a potrubí vedoucí do zásobníku a z něj bylo co nejkratší, kvůli snížení tepelných ztrát. Sklon kolektoru je důležitý pro výkon celého systému. Ideálního výtěžku by bylo možno dosáhnout za předpokladu, že by světlo dopadalo kontinuálně kolmo na kolektor. Proto se snažíme ideálně naklonit kolektor již při montáži. Optimální sklon pevného kolektoru je v různých ročních obdobích odlišný, neboť Slunce je v létě 189

190 položeno výše než v zimě. Jeli plocha kolektoru orientována na jih, lze v letním období získat největší výnosy při sklonu V zimních měsících by byl nejvhodnější úhel přibližně 60. Pro celoroční využití k ohřevu pitné vody je v našich zeměpisných šířkách u skromně dimenzovaných kolektorů ideální sklon 50 Při umisťování solárních kolektorů v České republice je třeba mít na paměti, že nejvíce slunečního záření dopadá v roce na 1m 2 vodorovné plochy. Můžeme říci, že na jihovýchodní Moravě je to cca 4100MJ/m 2 a na severu Čech je dopad slunečního záření cca 3400 MJ/m 2. Měsíc Maximální úhel sklonu slunce nad obzorem [º] Doporučený úhel sklonu solárních kolektorů [º] Leden Únor Březen Duben Květen Červen Červenec Srpen Září Říjen Listopad Prosinec Tab Maximální úhel sklonu Slunce nad obzorem a doporučený úhel sklonu solárních kolektorů v příslušném měsíci Teplonosné látky pro kapalinové solární soustavy Teplonosné látky kolující v soustavách jsou k tomu, aby nám dopravily energii získanou z ohřátých solárních kolektorů k akumulačním zásobníkům. Těmito látkami jsou zpravidla vzduch (vzduchové solární systémy), kapalina (kapalinové solární systémy) nebo velmi vzácně pevné látky (sypký písek). Pro celoroční používání je nejideálnější látkou nemrznoucí kapalina, která ale musí splňovat několik nutných podmínek pro bezproblémový provoz. 190

191 Požadavky na vlastnosti teplonosné kapaliny nízký bod tuhnutí (nejlépe kolem - 25 až - 30 C) dobré tepelně fyzikální vlastnosti (tepelná kapacita, viskozita), co nejvíce podobné vodě nehořlavost ochrana proti korozi kompatibilita s těsnícími materiály ekologické aspekty (netoxická, biologicky rozložitelná) dlouhodobá stálost vlastností - teplotní odolnost rozumná cena Typy teplonosných látek Voda je netoxická, nehořlavá a levná. Ideální z hlediska vysoké tepelné kapacity, tepelné vodivosti a nízké viskozity. Voda má bohužel nízký bod varu a vysoký bod tuhnutí, což ji předurčuje pro použití pouze v sezónních solárních soustavách s letním provozem. Glykolové nemrznoucí směsi mohou být dvojího druhu: směs etylenglykolu s vodou nebo propylenglykolu s vodou. Etylenglykol je velice toxická látka a tudíž je nutné, aby při jejím používání bylo dbáno na bezpečnost při použití a primární okruh musí být oddělen od pitné vody dvěma teplosměnnými plochami. Nyní je užití etylenglykolu na ústupu a je nahrazováno netoxickou směsí propylenglykolu s vodou a s potřebnými inhibitory koroze. Alkoholy (metanol, etanol) se častěji než kolektory používají v primárních okruzích tepelných čerpadel s ohledem na nízký bod tuhnutí. Tepelná kapacita je výrazně nižší než vody (téměř o 40 %). Pro použití jako teplonosných látek v okruzích solárních soustav je nevýhodný také nízký bod varu alkoholu (metanol 64 C, etanol 78 C). Využití etanolu v solární technice se omezuje převážně na technologie tepelných trubic. Silikonové oleje mají nízký bod tuhnutí a vysoký bod varu. Nejsou korozivní a mají vysokou životnost. Na druhou stranu se vyznačují vysokou viskozitou a nízkou tepelnou kapacitou (poloviční než u vody), což vede k vyšší spotřebě energie pro pohon oběhových čerpadel (vyšší průtok, vyšší tlakové ztráty). Silikonové oleje jsou vzlínavé a snadno unikají z uzavřeného okruhu mikroskopickými netěsnostmi. Jejich použití se omezuje pro vysokoteplotní aplikace a kolektory (koncentrační). Solární zásobník pro ohřev užitkové vody Solární zásobník. Vnitřní nádoba bojlerů je vyrobena ze silné, kvalitní oceli USD 37.2 a je chráněna smaltem, dvojitě vypalovaném při teplotě 850 ºC. 191

192 Dostatečná polyuretanová izolace 65 mm (bez freonu) garantuje nízké tepelné ztráty. Silná hořčíková anoda zajišťuje aktivní antikorozní ochranu (kompenzuje vlivy elektrolytické koroze) a tím také prodlužuje životnost nádoby. Solární zásobník s vytápěním Topné médium (voda) je ohříváno v nádrži na principu akumulace energie. Zásobníky jsou určeny pro celoroční ohřev teplé užitkové vody (TUV) solárním systémem. Slouží jako předehřev pro bivalentní zdroj a také může být dopojen pro přitápění. Ohřev TUV se uskutečňuje průtokem vody měděným výměníkem. Zásobník je plněn jednorázově, proto odpadá čištění a údržba. To vede k vysokému růstu životnosti. Na zásobníky se poskytuje záruka 10 let na těsnost nádoby a výměníků. Předností těchto zásobníků je skutečnost, že tvoří kompaktní celek, který má v sobě integrován kompletní pohonnou jednotku vč. elektronické regulace solárního okruhu, tlakové expanzní nádoby a ostatního nezbytného příslušenství. Tato koncepce přináší výhodu v jednoduché a tím i levné montáži celého solárního systému Zásobníky jsou určeny pro plně automatický provoz hnaného solárního systému (s čerpadlem). Tepelná izolace zásobníku je bezfreonová (IPITHERM) a zaručuje nízké tepelné ztráty. Připojení zásobníku k solárnímu kolektoru i k následnému bivalentnímu zdroji (TUV) je zajištěno pomocí svěrného šroubení. Průměr zásobníku je příznivý z hlediska prostorového umístění a průchodnosti přes dveřní otvory. Na požadavek zákazníka lze zásobník doplnit o elektrickou topnou spirálu popřípadě zásobník doplnit o boční otvory pro připojení bivalentního zdroje (teplovodní krbové vložky či kotle). 192

193 Výměník tepla Obr Solární zásobník s vytápěním Výměník tepla slouží k předávání tepla všude tam, kde není možné předávat teplo přímo ze zdroje do spotřebiče. Zvláště pak u solárních výměníků tepla, které pracují celoročně a jako teplonosná směs je zde použita nemrznoucí kapalina - přenos tepla do vody. Protože v žádném tepelném výměníku nelze dosáhnout 100% termické účinnosti, je nutno u solárních soustav optimalizovat velikost zásobníku. Většině na této optimalizaci závisí celková funkčnost soustavy. Nejdůležitějším parametrem tepelného výměníku je předávací výkon. Tento výkon se mění s mnoha faktory a to zejména s teplotním rozdílem mezi topnou a ohřívanou částí výměníku, průtokem v topné i ohřívané části výměníku a s typem protékající kapaliny. Parametrizace takového výměníku závisí na provozních podmínkách, ve kterých bude výměník pracovat. Obecně však platí, že čím vyšší je teplotní rozdíl mezi topnou a ohřívanou částí a čím jsou vyšší průtoky na obou stranách výměníku, tím je vyšší i předávací výkon výměníku. 193

194 Nezávisle na typu, všechny tepelné výměníky musí splňovat následující požadavky: Vysoka tepelná účinnost Každý tepelný výměník je charakterizován svým výkonem, který udává, jaké množství energie je výměníkem předáno z horké do chladné pracovní látky za jednotku času. V případě zanášení výkon klesá a tím pádem klesá i tepelná účinnost daného výměníku. Účinnost je klíčovým parametrem jakéhokoliv tepelného výměníku. Tlaková ztráta Ztráta tlaku je druhou zásadní vlastností. Jak víme s rostoucí tlakovou ztrátou (způsobenou například zanášením) roste rozdíl tlaků na vstupu a výstupu a tím pádem rostou provozní náklady. Spolehlivost a dlouhá životnost Spolehlivost je důležitá především z toho důvodu, že ve většině průmyslových provozů je při poruše a následném odstavení výměníku odstavena i celá výroba. Pokud se například v jaderné elektrárně vyskytne závada na parogenerátoru, nezbývá jiná možnost než celou elektrárnu odstavit na dobu potřebnou k jeho opravě. Jednoduchost údržby a oprav Tento faktor hraje důležitou roli právě při zanášení nebo při poruše. Pokud je nutné výměník odstavit kvůli závadě nebo čištění, musí být délka odstávky co nejkratší z důvodů popsaného výše. Kompatibilita materiálu s pracovní látkou Kompatibilita musí být zajištěna u jakéhokoliv výměníku. Pro dlouhou životnost a bezporuchový provoz je nutno zaručit, že pracovní látka nebude s materiálem výměníku nikterak chemicky reagovat, a to jak krátkodobě, tak především dlouhodobě. Vzájemná chemická reakce by mohla způsobit korozi, nebo by přispívala ke zrychlení zanášení výměníku. Cena Co nejnižší cena je v dnešní době vyžadována u každého výrobku, tepelné výměníky nevyjímaje. Zásadní vliv na ni má konstrukce výměníku, tzn. Jaký materiál je použit k výrobě, jaká je jeho celková hmotnost, a především jaká je složitost výroby. Kompaktnost Při konstruování každého výměníku je snahou docílit co nejvyššího tepelného výkonu při co nejmenších rozměrech. S rostoucími rozměry automaticky vzrůstá hmotnost výměníku, spotřeba materiálu a práce potřebná k jeho výrobě, což má za následek nechtěný nárůst celkové ceny 194

195 výměníku. Zvýšení kompaktnosti také snižuje náklady na převoz a na manipulaci s výměníkem. Je také snahou konstruovat výměníky lehké, avšak zároveň odolné proti vysokým tlakům a teplotám. Rozlišujeme dva typy tepelných výměníků, které se liší konstrukcí, základními parametry a použitím. Tyto výměníky jsou: Trubkové tepelné výměníky Deskové tepelné výměníky Trubkové tepelné výměníky Trubka v trubce Výměník typu trubka v trubce je konstrukčně nejjednodušším typem výměníku. Jak je vidět na obrázku níže, výměník sestává ze dvou soustředných trubek, kterými protékají tekutiny o různých teplotách. Směr proudění obou tekutin je ve schématu stejný, jedná se tedy o souproud. Tepelná výměna u tohoto typu výměníku probíhá především přes stěnu vnitřní trubky, teplejší tekutina předává během průtoku vnitřní trubkou své teplo tekutině proudící vnější trubkou. Dle zákona zachování energie je ideálně teplo, které odevzdala tekutina ve vnitřní trubce, rovno teplu, které přijala tekutina v trubce vnější. Obr Schéma tepelného výměníku trubka v trubce Jelikož tepelná výměna probíhá pouze skrze stěnu vnitřní trubky, je účinnost tohoto trubkového výměníku relativně nízká. Teplo procházející stěnou trubky za jednotku času popisuje: Jedná se o zjednodušený vztah pro prostup tepla válcovou stěnou a vyplývá z něj, že pro zvýšení účinnosti tepelné výměny je nutno: 1. prodloužit délku trubky l (zvětšíme teplosměnnou plochu), 195

196 2. zvětšit průměry trubky d 1 a d 2 (opět dosáhneme zvětšení plochy), 3. snížit tloušťku stěny trubky, 4. použít materiál s co nejlepší tepelnou vodivostí λ, 5. zaručit co nejvyšší teplotní rozdíl T H T C anebo 6. zvětšit vnější plochu vnitřní trubky žebrováním, trny apod. Pro zvýšení účinnosti je také vhodné zapojit do série větší počet těchto výměníků, čímž opět dojde ke zvýšení plochy tepelné výměny. Jednoduchost konstrukce umožňuje použít výměník pro tekutiny o vysokých tlacích a teplotách. U reálného tepelného výměníku je ovšem nutno také uvažovat tepelné ztráty do okolí. Cílem většiny tepelných výměníků je převést co nejvíce přebytečného tepla z jednoho prostředí do druhého, a proto musí být zajištěno, aby se co nejméně tepla dostalo nechtěně do okolí. K minimalizaci takovýchto ztrát se aplikuje izolační materiál na vnějšek výměníku. V případě výměníku trubka v trubce se izoluje zvenčí celá vnější trubka, aby teplo neunikalo skrze její stěny do okolí. Kvůli další minimalizaci ztrát do okolí se horká tekutina přivádí do vnitřní trubky, protože kdyby byla přivedena do trubky vnější, zvýšila by se teplota její vnější stěny a tím i ztráty. Obr Sériové souproude zapojeni většího počtu dvojtrubkových výměníků Pokud se vnitřní trubky výměníku začnou zanášet, je nutno pro výpočet použít vzorec, který zohlední i vnitřní a vnější nános. Obecný tvar vzorce pro prostup tepla složenou válcovou stěnou (pro zjednodušení neobsahuje koeficient α pro přestup tepla mezi stěnou a tekutinou): 196

197 Negativní vliv zanášení na účinnost tepelného výměníku je možno demonstrovat na následujícím příkladu výměníku typu trubka v trubce: Uvažujme kapalinu protékající trubkou z uhlíkové oceli o průměru 100 mm a tepelné vodivosti 54 Wm -1 K -1. Horká kapalina v trubce má teplotu 100 C, chladná kapalina vně trubky 20 C. Teplotní rozdíl tedy činní 80 C. Pokud se na vnitřní straně trubky vytvoří nános o tloušťce 10 mm a tepelné vodivosti 2 Wm -1 K -1, dojde tím ke snížení celkové tepelné vodivosti, neboť nános funguje jako tepelný izolant. Dosazením do vzorce pro složenou kruhovou stěnu zjistíme, že tepelný tok trubkou s nánosem je 10 menší než tepelný tok nezanesenou trubkou. Výkon takovéhoto výměníku se tedy snížil o 90%. Trubkové výměníky Trubkové výměníky jsou průmyslově nejvíce využívaným typem výměníků. V angličtině se pro tyto výměníky používá termín Shell and Tube. Obr Trubkovy výměník základní uspořádaní Horká tekutina vtéká do výměníku na levé straně a její proud se rozděluje do velkého počtu malých trubek. Těmito trubkami prochází horizontálně přes vnitřní část tepelného výměníku, snižuje svoji teplotu a ochlazená vystupuje z výměníku na straně pravé. Druhá tekutina vyplňuje celý vnitřní prostor výměníku a je v přímém kontaktu s vnitřními trubkami. Tekutina vtéká do výměníku shora, směr jejího proudění je obecně opačný vůči proudu v úzkých trubkách (protiproud). Ve skořepině 197

198 jsou umístěny přepážky, které nutí tekutinu měnit směr a zvyšují tak účinnost tepelné výměny mezi trubkami a tekutinou. Mezi přepážkami dochází ke křížovému proudění, takže v rámci celého výměníku se jedná o křížový protiproud. Jak je známo, každý materiál reaguje na změnu teploty změnou svého objemu. V praxi se tento jev označuje jako tepelná dilatace (tepelná roztažnost) a v případě tepelných výměníků může způsobovat značné potíže. Při provozu protéká trubkami výměníku horká voda a přitom celý objem skořepiny vyplňuje voda chladná. Kdyby bylo vše svařeno, vnitřní trubky by vlivem vyšší teploty po délce dilatovaly více, než skořepina. Jelikož síly působící při teplotní roztažnosti jsou značné, došlo by ke značnému zprohýbání a vnitřní trubky by mohly i popraskat. U trubkových výměníků je problém tepelné roztažnosti nejcitelnější. Dle je nejlepší vyrobit trubkový výměník co nejdelší, jelikož je jednodušší použít méně dlouhých trubek než mnoho trubek krátkých (především kvůli pracnému vrtání otvorů a svařování). Čím delší trubky budou však použity, tím více budou dilatovat a potažmo způsobovat problémy. Další možné uspořádání výměníku je, že horká tekutina vstupuje do výměníku pravým spodním hrdlem a polovinou trubek prochází přes výměník na jeho druhou stranu. Tam tekutina změní svůj směr a teče zpět k pravému hornímu výstupnímu hrdlu. Směr proudění chladné tekutiny je obdobně jako v předchozím případě měněn přepážkami. Obr Trubkovy výměník s dvojitým průchodem horké tekutiny Negativní vliv tepelné roztažnosti se u tohoto typu výměníku obvykle řeší tak, že konce trubek na levé straně nejsou napevno spojeny s boční stěnou, ale mohou se v ní volně pohybovat. Mezi trubky a desku jsou pak umístěna těsnění, která umožňují trubce dilatovat a zároveň zabraňují mísení obou pracovních látek. Protože se trubky roztahují po celé své délce, je nutno, aby byly volné i při průchodu přepážkami. 198

199 Průchody musí být opět těsné, protože v opačném případě by jimi protékala tekutina, měnil by se charakter proudění a snižovala by se tak účinnost výměníku. Problém s teplotní roztažností je nejlépe vyřešen na obrázku níže uvedeném. Typ proudění je velice podobný tomu z obrázku 108, ovšem trubky na levé straně neústí do volného prostoru, nýbrž jsou tvarovány do U. Z tohoto důvodu se nazývají U-trubky. Výhodou tohoto uspořádání je, že trubky se mohou volně roztahovat, přičemž horká a chladná tekutina jsou v každém místě výměníku od sebe dobře odděleny. Není zapotřebí žádných těsnění, ovšem opět je nutné, aby se trubky procházející přepážkami mohly v těchto volně pohybovat. Obr Trubkovy výměník s U-trubkami Zanášení se u trubkových tepelných výměníků vyskytuje na různých místech v závislosti na využívání konkrétního výměníku. Jinak se bude zanášet výparník, jinak kondenzátor a jinak výměník pracující beze změny fáze. Obecně platí, že trubky se zanášejí nejvíce na svých vnitřních stěnách, a to po celé své délce. Jedná se především o zanášení krystalizační, kdy jsou tvořeny tvrdé a pevné nánosy po celém obvodu trubek. Obdobně tak probíhá i zanášení na jejich vnějších stěnách. Co se okolní tekutiny týče, k největšímu zanášení dochází především v místech s nejnižší rychlostí pracovní látky. Jak je možno vidět na níže uvedené obrázku, těmito místy jsou především rohy mezi skořepinou a přepážkami. Čištění trubkových výměníků se většinou provádí mechanicky, je časově náročné a neobejde se bez kompletního odstavení výměníku. Při čištění je výměník vypuštěn a odmontuje se jedna z jeho bočních stran (tato je vždy demontovatelná právě kvůli opravám a čištění). Po demontáži boční strany se z výměníku vysune trubkový svazek, poté následuje čištění vnitřku skořepiny, vnitřních stěn trubek a v omezené míře i vnějších stěn trubek. 199

200 Spirálové výměníky Obr Kritická místa zanášení trubkového výměníku Obměnou výměníku typu trubka v trubce je výměník spirálový. Ten opět sestává z vnitřní a vnější trubky. Vnitřní trubka však už není přímá, ale je stočena do spirály, což má za následek mnohonásobné zvětšení její plochy a tím pádem i zvýšení tepelné výměny. Výměník je v tomto případě protiproudý. Dalšího zvýšení efektivity lze docílit zvýšením počtu spirál, tzn. do jedné spirály vložíme další spirálu s menším poloměrem. Obr Spirálový výměník 200

201 Pokud chceme provádět tepelnou výměnu mezi více než dvěma tekutinami, můžeme do každé ze spirál přivést jinou horkou tekutinu. Chladnější tekutina v nádrži pak ochlazuje více tekutin najednou v rámci jednoho tepelného výměníku. Deskové výměníky Rozebíratelné výměníky U deskového výměníku dochází k tepelné výměně skrze desku. Obě strany této desky jsou v přímém kontaktu s proudícími pracovními látkami o různých teplotách, přičemž samotná deska tvoří bariéru mezi těmito látkami (stejně jako stěna trubky). Nedochází tudíž k výměně materiálu. ( ) Výše uvedená rovnice popisuje množství tepla, které prochází z horké do chladné látky za určitý čas. Při konstrukci každého tepelného výměníku je prioritou, aby tepelná výměna probíhala co nejefektivněji, což znamená, že množství přeneseného tepla Q za určitý časový úsek musí být co nejvyšší. Toho můžeme u tepelné výměny skrze desku dosáhnout následujícími způsoby: 1. zvětšením plochy desky S, 2. použitím materiálu s co nejvyšší tepelnou vodivostí λ, 3. zvýšením rozdílu teplot tekutin T H T C, 4. snížením tloušťky desky l anebo 5. volbou výhodnějšího typu žebrování desky Rozebíratelné výměníky se skládají z mnoha desek umístěných za sebe. S rostoucím počtem desek roste i plocha tepelné výměny, přičemž takto vzniklý tepelný výměník je stále velmi kompaktní. Funkce je následující: chladná tekutina vtéká do výměníku levým dolním hrdlem, část tekutiny pokračuje ve směru vtoku hlouběji do výměníku, část tekutiny mění svůj směr a obtéká desku výměníku směrem nahoru. Horká tekutina vstupuje do výměníku vpravo nahoře a její část protéká mezi první a druhou deskou směrem dolů k pravému dolnímu výstupnímu hrdlu. První deska je tedy zepředu v kontaktu s chladnou tekutinou a zezadu v kontaktu s tekutinou horkou. Horká tekutina předává skrze desku své teplo chladné tekutině. K tomuto procesu dochází periodicky skrze každou další desku. Dle obrázku tedy každou lichou mezerou mezi dvěma deskami protéká tekutina chladná směrem nahoru a každou sudou mezerou protéká teplá tekutina směrem dolů. 201

202 Obr Schéma funkce deskového výměníku a zanesena deska Jednotlivé desky jsou na svých okrajích opatřeny těsněním, jsou přiraženy k sobě a důkladně sešroubovány po celé délce okrajů. Právě tento typ spojení je limitující pro tlak pracovních látek. Deskové výměníky jsou proto nejčastěji využívány pro tepelný přenos mezi stejnými fázemi (nejčastěji kapalinami), kdy je dosaženo vysoké účinnosti při nízkém teplotním rozdílu. Desky bývají co nejtenčí kvůli co nejlepší tepelné výměně. Jsou vyrobeny z plechu a ke zvýšení plochy tepelné výměny a turbulentnosti proudění jsou na nich lisovány profily nejrůznějších tvarů. Předností tohoto výměníku je především jeho snadná rozebíratelnost. Přední deska výměníku je pevně uchycena ke konstrukci, zadní deska se dá posouvat po horní traverze. Obě desky jsou z tlustého materiálu (řádově desítky milimetrů). Jejich hlavní funkcí je totiž stáhnout plechové desky mezi nimi co nejpevněji, udržet tlak tekutiny a zabránit jejímu úniku. Pokud dojde k zanesení nebo poruše výměníku, odšroubují se tyče, které stahují desky k sobě, a zadní posuvná deska se po traverze odsune. Plechy je pak možno od sebe oddělit a provést jejich čištění, opravu, nebo výměnu jednotlivých kusů. Zanášení těchto výměníků probíhá především na plochách desek. Díky profilování desek je proudění tekutiny značně turbulentní. To jednak zlepšuje přestup tepla mezi tekutinou a deskou, ale především omezuje zanášení desek. Typické pracovní teploty pro deskové výměníky jsou v rozsahu od -35 C do +200 C a pracovní tlaky mohou dosahovat až 2,5 MPa. Nejnižší teplotní rozdíl mezi kapalinami může být až 1 C. Jsou využívány především pro tepelnou výměnu mezi kapalinami, nebo jako výparníky či kondenzátory. Vzájemné proudění tekutin je vždy protiproud. Využívají se především v procesním a potravinářském průmyslu, své využití však nacházejí také v průmyslu petrochemickém. Co do rozšířenosti jsou v průmyslu na druhém místě hned za trubkovými výměníky. Nerozebíratelné výměníky 202

203 Funkcí a konstrukcí jsou tyto výměníky totožné s rozebíratelnými, ovšem spojení jednotlivých plátu je pevné a výměník proto není možné rozebrat. Jednotlivé pláty jsou k sobě svařeny nebo spájeny. Pevnější konstrukce svařovaných výměníku jim umožňuje pracovat v rozmezí tlaků od velmi nízkých (téměř vakua) až po tlaky na hranici 4 MPa. Nepřítomnost těsnění dále dovoluje výměníkům zvládat teploty v rozmezí od -180 C do 650 C. Pájené výměníky nejsou tak pevné, zvládnou maximální teploty do 300 C a tlaky do 3 MPa. Jelikož se takovýto výměník nedá rozebrat, nedá se tedy ani mechanicky čistit. Jediná možnost čištění takovéhoto výměníku je bud zvýšeným průtokem a tlakem, opačným průtokem, použitím chemického čištění nebo kombinací těchto možností. Spirálové výměníky Spirálový tepelný výměník je zvláštním, avšak v průmyslu hojně využívaným typem deskového výměníku. Horká tekutina (A) vtéká do výměníků zepředu. Poté protéká skrz spirálu celým výměníkem a vystupuje ven vertikálně levým horním výstupem. Pravým horním vstupem vtéká do výměníku chladná tekutina (B), spirálovitě protéká výměníkem a vystupuje horizontálně vpravo. Směr proudění horké kapaliny je vyznačen červenými šipkami, chladná kapalina proudí na druhé straně spirály ve šrafované části. Obr Schéma funkce spirálového výměníku a fotografie spirálového výměníku Proudění je protiproudé a má tudíž nejvyšší možnou účinnost. Celková účinnost spirálového plátového výměníku je vysoká, ovšem výrobní náklady jsou kvůli spirálové konstrukci značné. Maximální přípustné teploty pracovních látek se pohybují kolem 400 C a tlaky mohou být až 1,5 MPa. Limitujícím faktorem je těsnění mezi spirálou a bočním demontovatelným víkem. Zanášení výměníku probíhá jednak na celé ploše stěn (krystalizačním zanášením), ale především ve spodní části spirály (naplavováním), kde se nečistoty drží vlivem 203

204 gravitace. Spirálový výměník má jako jediný díky své konstrukci samočistící schopnost. Tekutina totiž protéká pouze jedním kanálem, čili pokud dojde k naplavení nečistot do spodní části spirály, sníží se v ní průřez a zvýší se rychlost proudění tekutiny. Rychle proudící tekutina tak sama odstraňuje nános. Navíc, boční kruhové stěny jsou demontovatelné a výměník je pak možno čistit mechanicky. Solárně termická přeměna Solárně termická přeměna je realizována v solárních elektrárnách. Energie slunečního záření se koncentruje ve sběračích, následně se v absorbér přeměňuje na teplo a teplonosná kapalina se díky tomu ohřívá na vysokou teplotu. Tato teplonosná kapalina předá své teplo ve výměníku vodě, která se přemění na páru pro pohon parních turbín, která roztáčí generátory elektrické energie. Výsledným produktem je tedy vyrobená elektrická energie z páry. Princip takovýchto elektráren, které za pomoci ohřevu kapaliny vyrábí elektrickou energii spočívá v koncentraci slunečního záření z velké plochy do velmi malé plochy. Využívá k tomu odrazu světla od vhodně tvarovaných a orientovaných zrcadel, jako jsou fokusační sběrače. Princip slunečních elektráren spočívá v koncentraci slunečního záření z velké plochy do velmi malé plochy. Využívá se odrazu světla od vhodně tvarovaných a orientovaných zrcadel, jako jsou fokusační sběrače nebo heliostaty. Jako fokusační sběrače se používají žlabové nebo diskové sběrače (viz obr. 90, 91), které se automaticky natáčejí za Sluncem. Dopadající sluneční záření se odráží od parabolických ploch a koncentruje se v absorbéru. Tímto způsobem se příslušná kapalina (např. olej) ohřívá v absorbéru a proudí potrubím do místa dalšího využití. Žlabový sběrač - má tvar žlabu s parabolickým průřezem a černě natřenou trubicí - absorbérem. Trubice s teplonosnou kapalinou je upevněna tak, aby procházela ohnisky jednotlivých úseků parabolického žlabu. V trubici se kapalina (např. olej) zahřívá na teplotu několika stovek C. Pro zvýšení výkonu se žlabové kolektory spojují do větších soustav. Sběrače se během dne automaticky natáčejí za Sluncem. 204

205 Obr Žlabový sběrač Obr Diskový sběrač Diskový sběrač - jedná se o obdobu parabolického automobilového reflektoru. Sluneční paprsky se opět soustřeďují do ohniska, kde je umístěný absorbér. Zahřátá kapalina zahřátá v absorbéru se potrubím odvádí do místa dalšího využití. Má-li mít parabolické zrcadlo velký průměr, sestavuje se z většího počtu vhodně sestavených menších zrcadel. Parabola se automaticky natáčí za Sluncem. 205

206 Obr Soustava s Helliostaty Heliostaty - skupina vhodně rozmístěných pohyblivých rovinných zrcadel. Každé zrcadlo se během dne automaticky natáčí tak, aby paprsky od něho odražené dopadaly vždy na absorbér. Heliostaty se nejčastěji používají k soustřeďování světla do ohniska tzv. slunečních pecí a věžových slunečních elektráren. Zjednodušený výpočet energetického hodnocení solárních soustav Jako podklad k energetickému, ekologickému a ekonomickému hodnocení zatím nerealizovaných solárních soustav je zcela nezbytné nejdříve správně vyhodnotit reálné energetické přínosy dané instalace výpočtem. Solární tepelné zisky nejsou závislé pouze na kvalitě navržených komponent (kolektor, zásobník), ale především na návrhu plochy solárních kolektorů vzhledem k potřebě tepla, resp. na požadovaném solárním podílu, na tepelných ztrátách soustavy (potrubí, solární zásobník) a na orientaci a sklonu solárních kolektorů. Velmi často se však v energetických analýzách lze setkat s poněkud nereálným bilancováním solárních soustav bez započtení tepelných ztrát vlastní soustavy, případně kalkulujících i s přebytky tepelné energie ze solární soustavy, které nelze například v letním období využít. Následující text nabízí zjednodušený postup výpočtového hodnocení běžných solárních soustav z hlediska využitelných tepelných zisků na základě měsíční energetické bilance (výpočet po měsících). Výpočtový postup je fyzikálně podložený, nicméně je do značné míry zjednodušený, především započtením tepelných ztrát paušální srážkou ze zisků a uvažováním konstantní teploty v zásobníku tepla a proto udává pouze přibližné výsledky. Výpočet nezohledňuje velikost akumulačního zásobníku a neumožňuje tedy zohlednit extrémní předimenzování plochy kolektorů1. V žádném případě výpočtový postup nemůže nahradit detailní výpočetní metodiku či přímo simulační výpočty v pokročilých softwarech (TRNSYS, Polysun, aj.) s krokem kratším než hodina, se zohledněním dynamiky provozu solárních soustav a využívající validované simulační modely prvků soustavy (kolektor, zásobník, 206

207 výměník, atd.). Cílem zjednodušené metodiky je nabídnout odborné veřejnosti snadný výpočtový postup ke stanovení energetických zisků blízkých skutečnosti použitelný pro ruční výpočet či výpočet pomocí běžného tabulkového procesoru (Excel) jako podklad pro hodnocení solárních soustav. Metodika Výpočtový postup pro stanovení energetických zisků solárních soustav je založen na tepelné bilanci potřeby tepla v dané aplikaci, dodaného tepla solárními kolektory, včetně uvažování tepelných ztrát rozvodů a využitelnosti solárního tepla v dané aplikaci. Metodika se zaměřuje na základní typy solárních soustav: solární soustavy pro přípravu teplé vody kombinované solární soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění solární soustavy pro ohřev bazénové vody Zjednodušení uvedené metodiky bilancování spočívají především v uvažování celoročně konstantní průměrné měsíční teploty v kolektorech a v paušálním vyjádření podílu tepelných ztrát jak v dané aplikaci (ztráty kryté solárním teplem, součást potřeby tepla) tak tepelných ztrát vlastní solární soustavy. Okrajovými podmínkami výpočtu jsou jednotné údaje o provozních parametrech soustav a jednotné hodnoty klimatických veličin (teplota, vlhkost, ozáření, dávka ozáření) bez ohledu na skutečné místní podmínky instalace. Pouze v odůvodněných případech se připouští použití jiných hodnot provozních parametrů. Stanovení potřeby tepla Prvním krokem při bilancování využitelných tepelných zisků solární soustavy je stanovení vlastní potřeby tepla v dané aplikaci. Potřeba tepla na přípravu teplé vody Pro bilancování reálných tepelných zisků solární soustavy pro přípravu teplé vody je nutné mít k dispozici v první řadě reálné údaje o celkové potřebě tepla na přípravu TV, buď změřené (u stávajících objektů, odečet na kalorimetru) nebo předpokládané (u novostaveb, výpočet). Celková potřeba tepla na přípravu teplé vody Q p,tv [kwh/měs] v jednotlivých měsících se výpočtem stanovuje jako potřeba tepla na ohřev vody včetně zahrnutí tepelných ztrát vlastní soustavy přípravy teplé vody (související pouze s přípravou TV). kde n je počet dní v daném měsíci; V TV,den průměrná denní potřeba teplé vody (při teplotním spádu 60 / 15 C) v m 3 /den, stanoví se podle reálné spotřeby, případně z měrné potřeby teplé vody 207

208 vztažené na uživatele; v případě, že je teplá voda připravována za jiných teplotních podmínek: kde ρ hustota vody, v kg/m3; c měrná tepelná kapacita vody, v J/kgK; t SV teplota studené vody, uvažována 15 C; t TV teplota teplé vody, uvažována 60 C; z přirážka na tepelné ztráty související s přípravou teplé vody (rozvody TV a CV, zásobníkový ohřívač teplé vody), stanoví se podle tabulky. Typ spotřeby V TV,den,os (l/os.den) Obytné domy Nízký standard Střední standard Vysoký standard Studentské domy, koleje Nízké letní vytížení Zbylá část roku Školy Nízké letní vytížení 0 Zbylá část roku 5-10 Administrativa 0-10 Tab Měrná denní potřeba teplé vody při teplotním spádu 60/15 C, uvažováno plné obsazení Typ přípravy TV z Rodinný dům průtokový ohřev 0,00 Zásobníkový ohřev bez cirkulace 0,15 Centrální zásobníkový ohřev s řízenou cirkulací 0,30 Centrální zásobníkový ohřev s neřízenou cirkulací 1 CZT, příprava TV s meziobjektovými přípojkami, TV, CV >2 Tab Přirážka na tepelné ztráty Celková měsíční potřeba tepla na přípravu teplé vody Q p,c [kwh/měs] při bilancování solární soustavy je potom Potřeba tepla na vytápění Q p,c = Q p,tv Pro bilancování kombinovaných solárních soustav pro přípravu teplé vody a vytápění je nutné, kromě celkové potřeby tepla na přípravu TV, znát i potřebu tepla na vytápění Q VYT [kwh/měs] v jednotlivých měsících. Měsíční potřebu tepla na vytápění lze stanovit různými způsoby s použitím různých zdrojů. 208

209 Často mohou být investorovi k dispozici výsledky měsíčního výpočtu v rámci energetického hodnocení stavby a lze je tak použít pro bilancování solární soustavy. Využití kombinovaných soustav pro přípravu teplé vody a vytápění předpokládá alespoň nízkoenergetický standard budov (nízká potřeba tepla pro vytápění, nízkoteplotní otopná soustava). Kombinované solární soustavy zpravidla využívají centrálního zásobníku otopné vody, do kterého je přiváděn tepelný zisk ze solárních kolektorů a teplo z dodatkového zdroje energie, odebírána otopná voda pro vytápění a ve vestavěném průtočném výměníku nebo zásobníku je připravována teplá voda. Nelze proto jednoznačně odlišit jaká část tepelných ztrát jde na vrub přípravě teplé vody, jaká vytápění a jaká solární soustavě. S ohledem na použití přirážky z pro stanovení potřeby tepla na přípravu TV se ke stanovené potřebě tepla na vytápění Q VYT připočítají tepelné ztráty spojené s provozem akumulačního zásobníku pro vytápění paušálně přirážkou v = 5 %, které může solární soustava hradit. Tepelné ztráty rozvodů otopné vody přispívají k vytápění a jsou v podstatě zahrnuty ve výpočtu potřeby tepla (vnitřní zisky). Pro spolehlivé stanovení potřeby tepla na vytápění budov Q VYT je doporučen standardizovaný výpočet podle normy ČSN EN ISO 13790, která zahrnuje výpočet solárních zisků okny, vnitřních tepelných zisků, vliv akumulace tepla do vnitřních částí konstrukcí na využití tepelných zisků (včetně stanovení časové konstanty objektu), případně výpočty nestandardních prvků (Trombeho stěna, apod.). Výpočet potřeby tepla se provádí pro jednotlivé měsíce. Metodika je velmi detailní ve výpočtu a výsledky vykazují relativně dobrou shodu s dynamickými simulačními metodami (za předpokladu použití stejných klimatických dat). Nevýhodou je potřeba rozsáhlého množství informací, především o zasklení (nejen tepelné, ale i optické vlastnosti), o stínění oken (výpočet stínění přesahy a markýzami), vlastnostech materiálů všech konstrukcí (hustota, tepelná kapacita). Pro získání reálných hodnot potřeby tepla u domů s nízkou potřebou tepla (nízkoenergetické, pasivní domy) se využijí okrajové podmínky. Celková potřeba tepla pro krytí vytápění je potom kde Q VYT je čistá potřeba tepla na vytápění v jednotlivých měsících, v kwh/měs; v přirážka na tepelné ztráty. Další možností, i když zvláště v oblasti nízkoenergetických a pasivních domů silně zjednodušenou, je použití jednoduché denostupňové metody, která stanovuje potřebu tepla na vytápění v jednotlivých měsících na základě výpočtové tepelné ztráty objektu a středních měsíčních venkovních teplot podle vztahu 209

210 kde Q z je jmenovitá (výpočtová) tepelná ztráta objektu, v kw; t iv výpočtová vnitřní teplota (uvažuje se 20 C); t ip střední vnitřní teplota v daném měsíci (uvažuje se 20 C); t ev výpočtová venkovní teplota (podle skutečné hodnoty použité při stanovení výpočtové tepelné ztráty, -12 C, -15 C, -18 C); t ep střední venkovní teplota v daném měsíci (viz tabulka P2 v příloze), v C; n počet dní v daném měsíci; ε korekční součinitel, který zahrnuje snížení potřeby tepla vlivem účinky regulace, přerušovaného vytápění, mj. také vlivem vnitřních a solárních zisků; v přirážka na tepelné ztráty. Energetická náročnost budovy (vytápění) ε Běžný standart, vyhláškou požadované tepelné vlastnosti konstrukcí 0,75 Nízkoenergetický standard, vyhláškou doporučené tepelné vlastnosti konstrukcí Pasivní standard, tepelné vlastnosti konstrukcí nad rámec vyhláškou doporučených hodnot 0,60 0,50 Tab Korekční součinitel ε Pokud je k dispozici z blíže neurčeného výpočtu pouze roční potřeba tepla na vytápění Q VYT [kwh/rok] nebo měrná potřeba tepla na vytápění v q VYT [kwh/m 2.rok] spolu se vztažnou podlahovou plochou Ap [m 2 ], lze zjednodušeně hodnoty potřeby tepla na vytápění Q p,vyt [kwh/měs] pro jednotlivé měsíce odhadnout podle středních měsíčních venkovních teplot v otopném období. Otopné období se zjednodušeně uvažuje od září do května. Potřeba tepla na vytápění v i-tém měsíci včetně zahrnutí tepelných ztrát se tak stanoví jako Celková měsíční potřeba tepla na přípravu teplé vody a vytápění Q p,c [kwh/měs] při bilancování kombinované solární soustavy je potom 210

211 Potřeba tepla na ohřev bazénové vody Bilancování potřeby tepla u bazénů vychází z tepelné ztráty bazénu během jeho provozu a mimo provoz (dodávka tepla udržuje příslušnou teplotu bazénové vody) a z potřeby přiváděné čisté (studené) vody pro doplňování bazénu. V zásadě je nutné rozlišit mezi bazény vnitřními (krytými) a venkovními (nekrytými), které jsou provozovány za odlišných podmínek ovlivňujících tepelnou ztrátu. Základním předpokladem realizace a následného provozu solárních soustav je zakrývání vodní hladiny bazénu v době mimo provoz (zamezení značných tepelných ztrát odparem z vodní hladiny). Pro výpočet se použije okrajových provozních podmínek definovaných v tabulce 4. Využití jiných provozních podmínek pro výpočet je možné pouze v odůvodněných případech. Typ bazénu t w ( C) p v(tw ) (Pa) t v ( C) φ v (%) pv (tv) (Pa) Vnitřní v provozu Vnitřní mimo provoz Vnější v provozu =t es 50 Dle výpočtu Vnější mimo provoz =t en 50 Dle výpočtu Tab Provozní podmínky bazénu pro výpočet Parciální tlak syté vodní páry se pro danou teplotu vzduchu stanoví podle vztahu Parciální tlak vodní páry ve vzduchu se stanoví z relativní vlhkosti a tlaku syté vodní páry při příslušné teplotě vzduchu Měsíční potřeba tepla na krytí tepelné ztráty vnitřního (krytého) bazénu v kwh/měs kde n je počet dní v daném měsíci; τ p denní provozní doba bazénu, pokud není známa τ p = 12 h/den. Β p součinitel přenosu hmoty pro vnitřní bazény v době provozu, uvažuje se jednotně βp = kg/h.m 2 Pa; 211

212 C; Β n součinitel přenosu hmoty pro vnitřní bazény mimo dobu provozu, pro zakrývaný bazén se uvažuje β n = 0 kg/h.m2pa; pro nezakrývaný βn = βp; A b plocha vodní hladiny bazénu, v m 2 ; t w,p požadovaná teplota bazénové vody v době provozu bazénu (viz tabulka), ve t w,n teplota bazénové vody v době mimo provoz bazénu, ve C; uvažuje se t w,p = t w,n ; t v,p vnitřní teplota v bazénové místnosti v době provozu bazénu, ve C; t v,n vnitřní teplota v bazénové místnosti v době mimo provoz bazénu, ve C; p v(tw) tlak syté vodní páry v blízkosti hladiny bazénu při teplotě vzduchu rovné teplotě bazénové vody t w, v Pa; p v(tv) tlak vodní páry v okolním vzduchu při teplotě tv a vlhkosti φv, v Pa; l w výparné teplo vody, lw = J/kg; αi součinitel přestupu tepla mezi okolním prostředím a hladinou bazénu sáláním a prouděním, uvažuje se αi = 10 W/m 2 K pro vnitřní bazény. Ve výpočtu se předpokládá udržování konstantní teploty bazénové vody během celého dne a různou teplotou vzduchu v bazénové místnosti během provozu (30 C, tepelný zisk přestupem sáláním a volným prouděním do bazénu) a mimo provoz (20 C, tepelná ztráta sáláním a volným prouděním z bazénu). Měsíční potřeba tepla na krytí tepelné ztráty venkovního (nekrytého) bazénu v kwh/měs kde n je počet dní v daném měsíci; τp denní provozní doba bazénu4, stanoví se podle tabulky P2 jako τp = τs, v h/den; βp součinitel přenosu hmoty pro venkovní bazény, uvažován kg/h.m 2 Pa; βn součinitel přenosu hmoty pro venkovní bazény mimo dobu provozu, pro zakrývaný bazén se uvažuje βn = 0 kg/h.m2pa; pro nezakrývaný βn = βp; Ab plocha vodní hladiny bazénu, v m 2 ; 212

213 t w,p požadovaná teplota bazénové vody v době provozu bazénu (viz tabulka), ve C; t w,n teplota bazénové vody v době mimo provoz bazénu, ve C; uvažuje se t w,p = t w,n ; t es střední teplota venkovního vzduchu v době slunečního svitu (den), ve C; pro jednotlivé měsíce stanoví z tabulky P2 v příloze; t en střední teplota venkovního vzduchu v době mimo sluneční svit (noc), ve C; pro jednotlivé měsíce stanoví z tabulky P2 v příloze; p v(tw) tlak syté vodní páry v blízkosti hladiny bazénu při teplotě vzduchu rovné teplotě bazénové vody t w, v Pa; p v(te) tlak vodní páry v okolním vzduchu při venkovní teplotě a vlhkosti v příslušné části dne (viz tabulka), v Pa; l w výparné teplo vody, l w = J/kg; α e součinitel přestupu tepla mezi okolním prostředím a hladinou bazénu sáláním a prouděním, uvažuje se α e = 15 W/m 2 K pro venkovní bazény; H den energie slunečního záření dopadající na volnou hladinu bazénu, v kwh/m 2.den. Ve výpočtu se předpokládá udržování konstantní teploty bazénové vody během celého dne a různou teplotou okolního venkovního vzduchu během provozu v době slunečního svitu a mimo provoz v noci. Navíc v době provozu tepelným ziskem přispívá sluneční energie dopadající na vodní hladinu, pohlcená s účinností 85 %. Měsíční potřeba tepla na ohřev přiváděné studené vody v kwh/měs. kde k je počet návštěvníků v daném měsíci; V SV,os měrná potřeba přiváděné čisté vody na návštěvníka bazénu, v m 3 /os; množství ředící vody se uvažuje jednotně 30 l/os; ρ hustota vody, v kg/m3; c měrná tepelná kapacita vody, v J/kgK; t SV teplota studené vody, uvažuje se t SV = 15 C; tw teplota bazénové vody, ve C. Pokud není známý přibližný měsíční počet návštěvníků bazénu k, stanoví se jako 20% využití měsíční kapacity bazénu. Hodinová kapacita bazénu k b je dána [15] 213

214 pro kryté bazény Měsíční počet návštěvníků se potom stanoví ze vztahu pro nekryté bazény Celková měsíční potřeba tepla na ohřev bazénové vody Qp,c [kwh/měs] při bilancování bazénové solární soustavy je potom Q p,c = Q p,z +Q p,sv Stanovení využitelných tepelných zisků solární soustavy Teoretický měsíční využitelný tepelný zisk ze solárních kolektorů Qk,u [kwh/měs] je dán vztahem kde η k - je průměrná denní (měsíční) účinnost solárního kolektoru; H T,den - skutečná denní dávka slunečního ozáření (pro různé sklony a orientace plochy kolektorů, viz tabulka), v kwh/m 2 den; A k - plocha apertury solárního kolektoru, v m 2 ; p - hodnota srážky tepelných zisků z kolektoru vlivem tepelných ztrát solární soustavy (rozvody, solární zásobník); pro typické případy jsou hodnoty uvedeny v následující tabulce. Typ solární soustavy p Bazén, ohřev bazénové vody 0.01 Příprava teplé vody, do 10 m Příprava teplé vody, od 10 do 50 m Příprava teplé vody, od 50 do 200 m Příprava teplé vody, nad 200 m Příprava teplé vody a vytápění, do 10 m Příprava teplé vody a vytápění, od 10 do 50 m Příprava teplé vody a vytápění, od 50 do 200 m

215 Příprava teplé vody a vytápění, nad 200 m Tab Srážka z tepelných zisků ze solárních kolektorů vlivem tepelných ztrát Průměrná denní účinnost solárního kolektoru se stanoví z rovnice kde G T,m - je střední denní sluneční ozáření uvažované plochy solárních kolektorů (pro různé sklony a orientace plochy kolektorů, viz tabulka P3 v příloze), ve W/m 2 ; t k,m - průměrná teplota teplonosné kapaliny v solárních kolektorech v průběhu dne, v C; hodnota se stanoví podle typu aplikace; t es - průměrná venkovní teplota v době slunečního svitu, v C (hodnoty viz tabulka P2 v příloze). Parametry solárního kolektoru, tzn. hodnotu optické účinnosti η 0 [-], lineárního součinitele tepelné ztráty a 1 [W/m 2 K] a kvadratického součinitele tepelné ztráty kolektoru a 2 [W/m 2 K 2 ], vztažené k ploše apertury solárního kolektoru, by měl poskytnout výrobce nebo dodavatel kolektoru, případně zkušebna nebo certifikační orgán (součást protokolu, osvědčení o certifikaci) na základě výkonových zkoušek. Typ aplikace t k,m [ C] Ohřev bazénové vody 30 Předehřev teplé vody, dimenzování do pokrytí cca 35 % 35 Příprava teplé vody, pokrytí do 70 % 40 Příprava teplé vody a vytápění 50 Tab Průměrná teplota v solárních kolektorech Využitelné zisky solární soustavy Qss,u [kwh/měs], pokrývající potřebu tepla v dané aplikaci, se vyjádří jako průnik křivky potřeby tepla a teoreticky využitelných zisků solárních kolektorů. Matematicky vyjádřeno jde o stanovení minimální hodnoty z teoretických tepelných zisků solárních kolektorů a celkové potřeby tepla v jednotlivých měsících 215

216 Obr Grafické znázornění stanovení využitelných solárních zisků (šrafovaná plocha) Celkové roční využitelné tepelné zisky solární soustavy v kwh/rok se stanoví jako součet takto získaných měsíčních hodnot. Ze stanovených ročních využitelných zisků je možné určit měrné využitelné tepelné zisky jako Roční měrné využitelné zisky solární soustavy qss,u [kwh/m 2.rok] se používají jako energetické, ekologické či ekonomické kritérium pro posouzení úspory energie, emisí či provozních nákladů z 1 m 2 instalovaných solárních kolektorů. Z měsíčních a ročních hodnot využitelných tepelných zisků solární soustavy Qss,u je možné dále určit solární pokrytí (solární podíl) f [%], tj. procentní pokrytí potřeby tepla v dané aplikaci využitelnými tepelnými zisky v daném období podle vztahu 216

217 Tab Skutečná denní dávka celkového slunečního ozáření H T,den [kwh/m 2 ] dopadající za den na různě orientovanou a skloněnou plochu v jednotlivých měsících pro charakteristickou oblast město Tab Střední měsíční venkovní teplota tep [ C], střední teplota v době slunečního svitu tes [ C],střední teplota v noci ten [ C] (mimo dobu slunečního svitu) a teoretická doba slunečního svitu τs [h/měs] 217

218 Tab Střední hodnota slunečního ozáření GT,m [W/m 2 ] na různě orientovanou a skloněnou plochu pro charakteristickou oblast město 218

219 5.2. Větrné zdroje Vítr je jedním z nejdéle využívaných obnovitelných zdrojů v historii lidstva. I dnes ještě pohání lodě. Častěji se však setkáme s větrnými elektrárnami. Vítr totiž lze na elektřinu přeměnit poměrně snadno. Využívání větru tak napomůže splnění národního cíle pokrýt v roce 2020 z obnovitelných zdrojů 13 % konečné spotřeby energie. Návrh politiky ochrany klimatu zpracovaný MŽP ČR předpokládá, že do roku 2020 může být v ČR vyrobeno z větru 2,6 mil. MWh elektřiny. To je desetkrát více, než se vyrobilo v roce 2008, avšak v celkové bilanci to jsou jen 3 % celkové výroby elektřiny. Zpráva tzv. Pačesovy komise odhaduje potenciál větrné energie v ČR na 6 mil. MWh ročně. Je zřejmé, že větrné elektrárny nebudou v energetice ČR hrát většinovou roli. Přesto jde o významný potenciál čisté energie, který by bylo škoda nevyužít. Jde i o cestu ke snížení emisí CO2 a zvýšení energetické soběstačnosti. I když se v ČR větrné elektrárny staví od devadesátých let, větší zájem vidíme až v posledních letech. Zájem investorů stoupnul po přijetí zákona o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů (v roce 2005), který investorům garantuje ekonomickou návratnost do 15 let. I když v minulosti existovaly různé dotační programy, ve skutečnosti byla většina českých elektráren postavena bez dotace. Díky výkupním cenám může mít větrná elektrárna přijatelnou návratnost i bez dalších podpor. Výkupní cena je nastavena tak, aby při dodržení určitých parametrů byla návratnost investice 15 let. Pokud má elektrárna ve skutečnosti parametry lepší (např. nižší investiční náklady), vrátí se investice dříve a naopak. EU celkem MW Německo Španělsko Itálie Francie Velká Británie Dánsko Portugalsko Nizoemsko Švédsko

220 Irsko Rakousko 995 Řecko 985 Polsko 472 Belgie 384 Bulharsko 158 Česká republika 150 Finsko 143 Maďarsko 127 Estonsko 78 Lucembursko 35 Litva 27 Lotyšsko 27 Rumunsko 10 Slovensko 3 Tab Instalovaný výkon větrných elektráren koncem roku 2008 v evropských zemích Obr Instalovaný výkon větrných elektráren v ČR, Podmínky v ČR 220

221 Česká republika jako vnitrozemský stát nemá pro využití větru příliš dobré podmínky. Současné technologie, vyvinuté pro vnitrozemské elektrárny, si však umí dobře poradit i s kolísavou rychlostí větru, relativně častou změnou směru i námrazami. Pro výrobu elektřiny je nejdůležitějším parametrem rychlost větru. Energie větru totiž roste se třetí mocninou rychlosti, takže např. vítr o rychlosti 5 m/s má dvakrát více energie než při rychlosti 4 m/s. Problémem je ale i příliš vysoká rychlost větru při rychlosti kolem 20 m/s je obvykle nutno elektrárnu zastavit (zabrzdit vrtuli), aby nedošlo k havárii. Plného (jmenovitého) výkonu dosahuje elektrárna při rychlostech větru kolem 10, někdy až 15 m/s podle typu a výrobce. Takto silný vítr fouká jen zřídka, elektrárna tedy většinu provozní doby běží na nižší výkon. Vítr je brzděn stromy, budovami a terénními nerovnostmi, ale i povrchem terénu (tráva, les, vodní hladina, sníh...). Platí tedy, že ve větších výškách je rychlost větru vyšší. Rychlost větru roste logaritmicky s výškou nad terénem. Je tedy velký rozdíl mezi rychlostí větru ve výšce 10 m a 100 m nad terénem. To je důvod, proč se staví stále vyšší elektrárny (běžně má stožár výšku 80 až 110 m). Obr Výsledné pole průměrné rychlosti větru v m/s ve výšce 100 m Trendem je výstavba stále větších strojů (běžně o průměru rotoru 80 až 100 metrů a výkonu 2 až 3 MW). Důvodem jsou nižší měrné náklady na výrobu energie a maximální využití lokalit, kterých je omezený počet. Na moři (poblíž pobřeží) se využívají turbíny s výkonem až 5 MW. Naopak starší vnitrozemské elektrárny s výkony do 200 kw se demontují a nahrazují silnějšími, i když jsou ještě provozuschopné. V ČR se však tyto repasované stroje nepoužívají, protože nemají nárok na výhodné výkupní ceny (ty platí pouze pro větrné elektrárny, které nejsou starší než 2 roky). 221

222 Elektrárny uvedené do provozu Výkupní cena elektřiny do sítě Kč/kWh Zelené bonusy Kč/kWh Po ,30 1,83 Po ,39 1,99 Po ,61 2,21 Po ,68 2,28 Po ,73 2,33 Po ,99 2,59 Po ,14 2,74 Před ,48 3,08 Tab Výkupní ceny za elektřinu z větrných elektráren pro rok 2010 Lze se setkat s tvrzením, že větrné elektrárny potřebují záložní zdroje, které budou dodávat proud do sítě v době, kdy vítr nefouká. Ve skutečnosti je v ČR z hlediska větrných elektráren současná kapacita záložních zdrojů více než dostatečná. Ke konci roku 2009 činil instalovaný výkon větrných elektráren 193 MW. Instalovaný výkon všech zdrojů v ČR je MW, tedy téměř stonásobek. Elektrická soustava ČR zvládá bez problémů náhodný výpadek MW jednoho z bloků jaderné elektrárny Temelín, zvládla by tedy jistě stejně dobře nahradit i stejně velký výkon větrných elektráren které ovšem nikdy nevypnou všechny najednou. Až na výjimky jsou větrné elektrárny připojeny do rozvodné sítě a slouží pro komerční výrobu elektřiny. K zefektivnění provozu a snížení nákladů na projektování a výstavbu se velké elektrárny sdružují do skupin (obvykle 5 až 30 elektráren), tzv. větrných farem. Systémy nezávislé na rozvodné síti (tzv. ostrovní systémy) obvykle používají mikroelektrárny s výkonem od 0,1 do 5 kw. Součástí ostrovního systému jsou i akumulátory a řídící elektronika. V objektu pak může být buď rozvod stejnosměrného proudu s nízkým napětím (12 nebo 24 V), nebo je v systému zapojen ještě střídač pro dodávku střídavého proudu 200 V. Podle toho je nutno objekt vybavit energeticky úspornými spotřebiči. Autonomní systémy bývají často doplněny fotovoltaickými panely pro letní období, kdy je méně větru, ale více sluníčka. Omezení Obvykle platí, že stavba větrné elektrárny má smysl tam, kde je průměrná roční rychlost větru ve výšce 100 m nad terénem minimálně kolem 6 m/s. To jsou lokality 222

223 převážně ve vyšších nadmořských výškách, obvykle nad 500 m n. m. Mnoho lokalit s dostatečnou rychlostí větru ovšem leží v území, kde jsou i jiné zájmy, zejména ochrana přírody. Jinde je možno dostat se do konfliktu s požadavky na letecký provoz apod. Dalším problémem může být výstavba elektrického vedení mezi elektrárnou a místem připojení k síti. U větrných elektráren s výkonem nad 500 kw nebo se stožárem vyšším než 35 m je nutné provést tzv. zjišťovací řízení podle zákona o EIA. V rámci tohoto řízení úřad rozhodne, zda uloží provést úplné posouzení vlivu na životní prostředí (tzv. velká EIA ). To je obvykle vyžadováno u každého projektu. Hodnocen je především vliv na krajinný ráz, ptactvo a hlučnost. Přínosy Základním přínosem větrné elektrárny je snížení emisí CO 2 a ostatních emisí z výroby elektřiny, jakož i množství souvisejících tuhých a radioaktivních odpadů. Na národní úrovni je důležité i snížení spotřeby fosilních paliv. Větrná elektrárna s výkonem 1 MW ušetří za rok asi tun CO 2 a vyrobí elektřinu pro zhruba tisícovku domácností. Elektrárna sama o sobě nepřináší obci, v jejímž katastru se nachází, žádný přímý zisk (pokud není obec jejím majitelem). V ČR proto provozovatelé nabízejí obcím dobrovolný příspěvek v řádu desítek až stovek tisíc Kč ročně za jednu elektrárnu. Přínos pro obec však může být nepřímý elektrárna je například zajímavý cíl pro cykloturisty nebo odborné exkurze. Zajímavým způsobem vyšli zájemcům vstříc v rakouském městě Bruck an der Leitha poblíž Vídně. Zde je na věži jedné z elektráren vyhlídková terasa. Zajímavý je také rakouský model spolupráce investora s místními obyvateli, používaný při stavbě nových větrných parků. Investor nabídne místním občanům možnost vložit do výstavby své peníze, například formou akcií. Jejich výnos je vyšší než u běžných spořících účtů, ale zato časově omezený (např. po dobu 13 let). Z hlediska ekonomiky projektu je tento finanční zdroj málo důležitý, ale má značný význam z hlediska spolupráce s místní komunitou. Lidé, kteří jsou do projektu tímto způsobem osobně zapojeni, jsou na svůj větrný park velmi hrdí. Větrné elektrárny a životní prostředí I když jsou větrné elektrárny často symbolem ekologické výroby elektřiny, jsou jim vytýkána i některá negativa. Obvykle neprávem současné elektrárny jsou mnohem modernější, než byly před deseti lety. Hlučnost současných strojů je poměrně nízká. Elektrárny jsou navíc stavěny v dostatečné vzdálenosti od obydlí. Hluková studie bývá součástí dokumentace nutné ke stavebnímu povolení. U existujících instalací lze provést měření a na jeho základě případně omezit jejich provoz. To se týká jak slyšitelného zvuku, tak infrazvuku. Současné stroje produkují infrazvuk hluboko pod požadavky hygienických předpisů. Přestože je snížení hluku věnována v konstrukci moderních elektráren velká 223

224 pozornost, může nevhodně umístěná elektrárna působit nepříjemnosti. Malé větrné elektrárny jsou rychloběžné (mají vysoké otáčky rotoru), a mohou být poměrně hlučné. Stroboskopický efekt (vrhání pohyblivých stínů, je-li slunce nízko nad obzorem) není v praxi závažný, zejména právě kvůli vzdálenosti instalací od lidských obydlí. Podobně i odraz slunce na lopatkách je díky matným nátěrům již minulostí. Rušení zvěře podle praktických zkušeností nenastává. Dokladem jsou ovce a krávy, ale i divoká zvěř pasoucí se v těsné blízkosti elektráren. Podle některých studií se v okolí elektráren zvýšil i počet hnízdících ptáků. Vysvětluje se to jednak tím, že elektrárny jsou dobrým orientačním bodem v krajině a jednak tím, že rotory mohou rušit dravé ptáky. Ke kolizím rotoru s ptáky a netopýry dochází zpravidla pouze v noci a za mlhy. Přesto nejsou nijak četné a rozhodně nedosahují rozměrů úmrtí na drátech elektrického vedení, silnicích nebo po kolizi s prosklenými plochami staveb. Větrná elektrárna by ovšem neměla nikdy stát v místě migračního tahu. Těmto oblastem se dá vyhnout. Rušení televizního signálu může nastat. Závisí na pozici televizního vysílače, elektrárny a domů, které mají anténu. Týká se opět jen blízkého okolí elektrárny. Díky tomu, že v ČR je většina lokalit daleko od osídlení, jde o problém spíše teoretický. Pokud k rušení dojde, lze přejít na satelitní příjem. Narušení krajinného rázu je nejspíše nejproblematičtější. Někomu se elektrárny líbí, někomu ne. V české krajině, kde lze jen s obtížemi najít panorama nerušené stožáry elektrického vedení či vysílači mobilních operátorů, představují větrné elektrárny další, zatím nezvyklý prvek. Paradoxně se u nich někdy dostává do konfliktu požadavek státní ochrany přírody na nenápadnost elektrárny s požadavkem bezpečnosti leteckého provozu na umístění zábleskového zařízení na vrchol stožáru kvůli jeho dobré viditelnosti. Projevuje se i trend zvyšování instalovaného výkonu a tím i velikosti větrných elektráren. Elektráren tak může být v daném místě méně, ale současně budou vyšší a větší, a tím více viditelné. Elektrárny ale mohou také pomoci snížit počet různých stožárů v krajině. Na stožár jedné elektrárny lze umístit několik různých telekomunikačních zařízení (zejména vysílače mobilních operátorů), které bohužel často mají každý svůj vlastní stožár. Díky umístění ve větší výšce mohou pak vysílače pokrýt větší území. Důležité je, že po 20 letech ekonomické životnosti elektrárna nejspíše zmizí a investor i úřady se mohou znova rozhodnout, zda budou chtít stavět na původním místě novou, modernější elektrárnu, nebo ne Tepelná čerpadla Tepelné čerpadlo je zařízení, které využívá nízkopotenciální energii ze svého okolí. K svému provozu je nutné mu dodávat určité množství energie. Dnes jsou již dominantním typem tepelných čerpadel kompresorová tepelná čerpadla napájená z elektrické sítě. Existuje však řada jiných typů pracujících na odlišných principech 224

225 nebo používajících jiný druh pohonu. Historie tepelných čerpadel sahá až do 19. století, kdy byl poprvé popsán princip fungování zařízení využívajícího nízkopotenciální energii okolí. K realizaci však došlo až na počátku 20. století ve Švýcarsku. Je jen symbolické, že jednou z prvních budov vytápěných tepelným čerpadlem je sídlo Organizace spojených národů (v té době Spojených národů) v Ženevě. K vytápění této budovy se využívá energie z Ženevského jezera již přes 80 let. K širšímu uplatnění tepelných čerpadel nastává od 80. let 20. století, kdy dochází k výraznému nárůstu cen energií. Cena energií je významným faktorem ovlivňujícím poptávku po tepelných čerpadlech. V posledních letech došlo k výraznému růstu ceny všech druhů energií a tento vzestup byl doprovázen silným nástupem poptávky po tepelných čerpadlech. Ve vyspělých evropských státech je využití tepelných čerpadel pro vytápění domu běžnou záležitostí a ve Švédsku je dokonce 70 novostaveb vybaveno tímto zařízením. Podobné rozšíření užití tepelných čerpadel v České republice se dá v budoucnosti očekávat ať už z důvodu dalšího růstu cen energií nebo zvyšování ekonomické úrovně. V současné době, více než kdy jindy, jsou kladeny stále větší nároky na úspory energií, na ekologické dopady téměř všech produktů, které doprovázejí život člověka, přičemž se stále klade důraz na zachování praktičnosti a pohodlnosti jejich používání. Rostoucí ceny zdrojů, což je fenomén dominující od poslední třetiny 20. století, dávají šanci dříve nerentabilním metodám. Jednou z nich jsou tepelná čerpadla využívaná pro produkci tepla na různé účely. Ačkoliv je princip tepelného čerpadla (dále TČ) znám již od 19. století, splňuje tato metoda využívání okolního tepla veškeré moderní požadavky. Pomocí nich se dá dosáhnout vysoké úspory energií, někteří výrobci udávají až 80 z původní hodnoty, a zároveň je tento způsob přátelský k životnímu prostředí. Tepelná čerpadla jsou tedy ekonomická, ekologická a v současné době velmi dobře zapadají do stále sílícího myšlenkového proudu preferujícího trvale udržitelný rozvoj. 225

226 Obr Emise CO 2 pro různé druhy vytápění Mnohé vlády se dnes snaží různými způsoby podporovat širokou škálu alternativních přístupů k vytápění a produkci elektrické energie. Důvodem jsou dlouhodobé mezinárodní závazky na snižování produkce CO 2 a zvyšování podílů produkce elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Dnes tak existuje několik programů, ze kterých mohou subjekty, po splnění příslušných podmínek, čerpat finanční prostředky na realizaci tepelných čerpadel. Od roku 2009 jsou navíc tyto prostředky nárokovatelné. Tyto pobídky vedou ke stále většímu zájmu o tepelná čerpadla jako zdroj tepla pro vytápění rodinných domů. Historie Tepelné čerpadlo je zařízení, do kterého vstupují tepelné toky při nižší teplotě a energetické toky potřebné na pohon tepelného čerpadla a na druhé straně vystupují tepelné toky s vyšší teplotou jako produkt tepelného čerpadla. Je to tedy zařízení, které dokáže využívat nízkopotenciální teplo k vytápění prostor nebo ohřevu vody. Vývoj tepelných čerpadel je silně spjatý s rozvojem chladících zařízení. Tepelné čerpadlo pracuje na stejném principu jako lednička, ale liší se řadou technických vlastností. Rozdíl je především ve vnímání jeho funkce. Z chladícího zařízení využíváme chlad z tepelného čerpadla teplo, ale termodynamické principy zůstávají nezměněny. Chladící zařízení s parním oběhem popsal jako první O. Evans již v roce V první třetině 19. století nadále probíhal prudký rozvoj páry v roce 1824 publikoval S. N. L. Carnot dílo "Úvahy o hybné síle a ohně a strojích vyvolávajících tuto sílu", ve kterém popsal známý Carnotův cyklus. Na jeho práce navázal William Thomson, 226

227 který v roce 1852 formuloval princip tepelného čerpadla. Kjeho realizaci však bylo třeba ještě mnoho let. První prakticky použitelný systém tepelného čerpadla byl uveden do provozu až v roce 1924 ve Švýcarsku. Další rozvoj byl podmíněn využitím nových chladiv. Velký rozmach znamenalo používání bezpečných nejedovatých a chemicky stálých chladiv na bázi chlorovaných úhlovodíků. V 80. letech 20. století však byl prokázán negativní vliv chloru na ozónovou vrstvu Země a tyto chladiva byla nahrazena ekologickými. Širšímu využívání tepelných čerpadel zpočátku také bránila vysoká cena zařízení ve vztahu k nízkým cenám energií. S jejich rostoucími cenami od 80. let 20. století se v širší míře uplatňují také TČ. V současné době se ve vyspělých zemích tepelné čerpadla stávají standartním zdrojem tepla. Ve Švýcarsku je dnes každá třetí novostavba vybavena tepelným čerpadlem, ve Švédsku je to dokonce 7 z 10 novostaveb. Obr Prodej tepelných čerpadel v Německu od roku 1996 do roku 2007 Princip fungování tepelného čerpadla Tepelné čerpadlo je energetické zařízení, které využívá nízkopotenciální energii ze svého okolí. K přečerpávání tepla z okolního prostředí je třeba dodávat určité množství energie, obvykle elektrické. V současné době je naprostá většina TČ vybavena kompresory, i když existují i TČ založená na jiných principech, například absorpčních nebo tepelná čerpadla termoelektrická, či s paroproudovým oběhem. 227

228 Obr Obecné schéma tepelného čerpadla s kompresorem Na výše uvedeném obrázku je znázorněno obecné schéma TČ. Na vstupní straně, tzv. primární straně TČ, je vždy výměník tepla nazývaný výparník. K výparníku je přiváděno nízkoteplotní teplo z okolního prostředí, které je v něm přeneseno do pracovní látky a do jeho druhé poloviny se tryskou termostatického expanzivního ventilu (TEV) vstřikuje pod velkým tlakem kapalné chladivo. Tlak ve výměníku za TEV je nižší, což způsobuje rychlejší odpařování chladiva. Toto způsobí, že se celý výparník podchladí na teplotu nižší, než je teplota prostředí, ze kterého je teplo odebíráno. Tímto způsobem je v TČ dosaženo toho, že nízkoteplotní teplo ohřívá podchlazený plyn za platnosti druhé věty termodynamické Ohřátý, však stále s nízkou teplotou, podchlazený plyn je nasáván kompresorem, který jej stlačuje. V kompresoru se k energii nesené plynem přidá ještě část energie ve formě ztrátového tepla z elektromotoru kompresoru a tepla vzniklého třením jeho pohyblivých ploch. Stlačení kompresorem vede k silnému zahřátí plynu, který má na výtlaku z kompresoru vyšší teplotu než voda v topném systému a je veden do sekundárního výměníku, tzv. kondensátoru, ve kterém proudí topná voda. 228

229 V kondensátoru dochází ke zkapalnění horkého plynu a jeho teplo je předáno chladnější topné vodě, stále platí druhá věta termodynamická. Zkapalněný plyn je z kondensátoru veden do expanzivního ventilu. Expanzivní ventil provádí izoentalpickou expanzi pracovní látky. To je realizováno zúžením průřezu v jednom místě nebo na určité délce. Expanzí při níž dojde k poklesu tlaku a zpomalení proudu nastává proces škrcení při konstantní entalpii. Expandovaný plyn je přiváděn opět přiváděn do výparníku a celý cyklus se opakuje Obr diagram, teoretický pracovní cyklus tepelného čerpadla Na diagramu je znázorněn teoretický pracovní cyklus tepelného čerpadla. Je to tzv. T - S diagram nazývaný Carnotův cyklus, kde: T S T in teplota [K] entropie [kj/kg] je teplota zdroje tepla [K] T out je teplota na výstupu [K] Qin Qel je energie získaná z nízkoteplotního zdroje při teplotě T in je energii dodané do pracovního stroje při kompresi 229

230 Qout je součtem energií Qin a Qout. Je to výsledná, která je při teplotě T out dodávaná do topného systému Pracovní cyklus se skládá z několika fázi: 1-2 izotermické vypařování - plyn se izotermicky rozpíná 2-3 adiabatická komprese, dochází ke stlačování plynu, který je dokonale tepelně izolován. Nedochází k výměně tepla s okolím. 3-4 izotermická kondenzace - stlačování plynu za konstantní 4-1 adiabatická expanse, dochází k expanzi plynu, který je dokonale tepelně izolován. Nedochází k výměně tepla s okolím. Důležitým poznatkem pro popis tepelného čerpadla je, že celková výstupní energie je vyšší ne energie dodaná do kompresoru. Pro charakteristiku konkrétních TČ se vypočítává topný faktor, označovaný jako COP. Výpočet topného faktoru: ( ) ( ) Z uvedeného vyplývá, že topný faktor je vždy větší než 1 a nabývá vyšších hodnot tehdy, jeli rozdíl mezi T in a Tout co nejmenší. V praxi je tedy výhodnější používat zdroje tepla s co nejvyšší teplotou a teplo dodávat do topných systémů, které pracují s co nejnižší teplotou. Tyto parametry pro topné systémy splňuje například podlahové vytápění. Chladidla Chladiva jsou látky, které slouží k přenosu tepla v chladivovém okruhu a jsou na ně kladeny specifické požadavky. Tyto látky by se měly především snadno odpařovat a zkapalňovat a musí mít vhodné termodynamické a chemické vlastnosti. Mohou to být čisté jednosložkové sloučeniny, nebo směsi dvou a více sloučenin. Dělení chladiv podle fyzikálních vlastností Podle teplotních vlastností a poměru složek se chladiva dělí na azeotropní a zeotropní. Azeotropni chladiva Jsou taková chladiva, která se chovají jako čisté kapaliny. Během fázové přeměny z páry na kapalinu se složení par a kapaliny nemění. Příkladem jednosložkových azeotropních chladiv jsou R22, R290, a azeotropních směsí jsou R502 nebo R

231 Zeotropni chladiva Jsou směsi složené z více druhů chladiv, které mají během fázové přeměny páry na kapalinu proměnné složení. Příkladem zeotropních chladiv je R407a. U zeotropních chladiv se uvádí glide (teplotní skluz), který znamená rozdíl mezi teplotami varu při stejném tlaku. Dělení chladiv podle chemického složení Chladiva se podle chemického složení dělí do 4 skupin CFC Všechny atomy vodíku jsou v molekulách nahrazeny atomy prvků ze skupiny halogenů nejčastěji prvky: fluor, chlor a méně často brom. Tyto chladiva bývají také někdy označována jako "tvrdé freony". Příkladem chladiv jsou Rll, R12, RI13, R HCFC Jsou to uhlovodíky, jejichž molekuly obsahují fluor, chlor a vodík. Bývají označovány jako "měkké freony". Příkladem chladiv z této skupiny jsou R21, R141b, RI23... HFC Jsou uhlovodíky, které mají v molekule fluor a vodík. Příkladem chladiv jsou R134a, R125, R404a, R HC Jsou přírodní uhlovodíky, které neobsahují halogenové prvky, jsou však hořlavé. Nemají škodlivý vliv na ozónovou vrstvu Země a minimální skleníkový efekt. Další skupiny Dalšími skupinami jsou anorganická chladiva (CO 2 - R744, vzduch - R729, voda - R ) nebo sloučeniny dusíku. Velmi známé chladivo na bázi dusíku je čpavek - NH 3, je však jedovatý a je využíván především ve velkých chladicích systémech. Kompresory Kompresory se v TČ využívají ke stlačování par chladiva, které do něj přichází z výparníku. Stlačením par dojde k výraznému nárůstu teploty, což umožňuje po předání tepla v kondenzátoru do topné vody, využití nízkopotenciální energie. Tlaky v sacím a výtlačném potrubí se pohybují od 0,1 do 2,5 MPa, kde horní hranice dosahují především tlaky na výtlaku, a samotné kompresory dosahují tlaku až 3 MPa. Poměr výtlačného a sacího tlaku se nazývá kompresní poměr. Teploty par se pohybují od (-20 do + 10)OC na vstupu a (60 až 100)OC na výstupu. Druhy kompresorů podle provedení: 231

232 Hermetický - toto provedení se vyznačuje společnou olejovou náplní, nádobou a hřídeli pro elektromotor i kompresor. Toto zajišťuje úplnou těsnost, což zabraňuje jakémukoliv úniku chladiva. Polohermeticky - elektromotor i kompresor jsou na společné hřídeli uzavřené v hermetické skříni avšak přístupné pomocí demontovatelných vík. Nejčastější použití je u pístových kompresorů pro větší chladící zařízení. Otevřený - toto provedení představuje samotný kompresor, jehož hřídel je utěsněna a pro pohon může být použit jakýkoliv motor. Použití se uplatňuje v klimatizacích automo bilů. Hermetický spirálový kompresor Scroll Tento typ kompresoru byl patentován sice již na počátku 20. století, ale k jeho využití v praxi došlo až v současné době. Skládá se ze dvou spirál vložených do sebe. Horní díl je pevný a je vybaven uprostřed otvorem s výtlačnou trubkou. Spodní díl krouží v horním pomocí excentru umístěném na hřídeli motoru. Tímto mechanismem se vytváří plynové kapsy, které se posouvají ke středu spirál a zmenšují svůj objem ústí do středního otvoru horní spirály. Hlavní výhodou je téměř 100 objemová účinnost, nižší vibrace, které umožňují tišší chod. Jsou odolné proti nasání kapalného chladiva, ale smysl otáčení motoru musí být dodržen, jeho změna by způsobila poškození motoru. Frekvence jeho zapojení je dle výrobce nejvýše 6x za hodinu. 232

233 Obr Kompresor Scroll Tento typ je nejrozšířenějším kompresorem vůbec díky jeho použití v chladničkách a mrazících zařízeních. Elektromotor je chlazen parami chladiva a olejová náplň je společná. Výkonnější kompresory bývají vybaveny vnitřní ochranou vinutí motoru, které při jeho přehřátí vypnou chod, dokud nedojde k ochlazení na přípustnou teplotu. Kompresory bývají obaleny tlumícím krytem od výrobce, který zároveň slouží i jako tepelná izolace. Šroubový kompresor Tento typ kompresoru se skládá ze dvou šroubových rotorů, které do sebe vzájemně zapadají. Jejich konstrukce a výroba je velmi náročná a bývají tak použity pouze pro vysoké výkony. Tepelné výměníky Tepelné výměníky slouží k přenosu tepla mezi médii, aniž by došlo k jejich fyzickému kontaktu, přičemž aby toho bylo dosaženo, musí mezi nimi být teplotní rozdíl (podle druhé věty termodynamické). Tepelná čerpadla využívají tepelné výměníky při přenosu tepla z vnějšího prostředí (výparník) a k přenosu tepla stlačených par do topné vody (kondenzátor). 233

234 Deskový výměník Deskový výměník se skládá obvykle z nerezových desek, které mají tvarované pro lisy tak, že po složení do sebe tvoří dvě skupiny kanálků, ve kterých proudí teplonosné médium. Desky jsou k sobě na mnoha místech spájeny nebo svařeny což zajišťuje odolnost vůči vysokým tlakům. Tlaky v běžných provozních podmínkách dosahují 1,6 až 3,2 MPa. Jejich hlavní výhodou je vysoká účinnost a velký přenášený výkon při malých rozměrech. Naopak nevýhodou jsou relativně vysoké tlakové ztráty a mezery mezi deskami se díky svým malým rozměrům mohou zanést nečistotami a ucpat. Lamelový výměník vzduch - chladivo Tento druh výměníku se skládá alespoň z jedné řady měděných trubek, které mají pro zvětšení povrchu hliníkové lamely. Trubkový okruh může být jediný, ale často je okruhů více vzájemně paralelně propojených. Pokud jsou použity k TČ vzduch - voda musí být na jejich vstupu vybaveny rozdělovačem vstřiku chladiva, který zajišťuje jeho rovnoměrné rozdělení. Jejich použití je v klimatizačních i chladicích zařízeních z měděných trubek nebo celohliníkové modely. Ventilátory Vzduch je proháněn tímto druhem výměníku pomocí ventilátorů. Podle výkonu a konstrukce vnější jednotky mohou být požity i dva ventilátory. Pro pohon se používají asynchronní jednofázové elektromotory s rozběhovými kondenzátory. Trubkové výměníky Existuje mnoho druhů trubkových výměníků. Jedním z nich je tvořen válcovou nádobou většího průměru, do které je vložena alespoň jedna trubka spirálovitě vinutá. Dalším typem je výměník tvořený alespoň jednou trubkou vloženou do trubky většího průměru. U obou typů výměníku proudí v trubkách největšího průměru voda či solanka a v trubkách do nich vložených pak médium, obvykle chladivo. Pro dosažení velké teplosměnné plochy musí trubky být velmi dlouhé, což bývá řešeno jejich svinutím do kruhů adekvátního průměru. 234

235 Typy tepelných čerpadel Obr Trubkový výměník Tepelná čerpadla se rozdělují podle toho, jakým způsobem získávají teplo z okolního prostředí. Volba primárního zdroje tepla má rozhodující vliv jak na konstrukci a vlastnosti tak na finanční náročnost realizace tepelného čerpadla. V názvech systémů TČ první slovo znamená vždy zdroj nízkoteplotního tepla, druhé označuje médium, do kterého se teplo předává. Druhy tepelných čerpadel: vzduch - voda, tento systém odebírá teplo z okolního nebo odpadního vzduchu voda - voda, tento systém odebírá teplo z vody, která je přímo v kontaktu s výměníkem. Primární okruh je tedy otevřený země - voda, tento systém odebírá teplo z půdy pomocí kolektorů. Primární okruh je uzavřený a je vyplněn nemrznoucí směsí. Existují také systémy, které teplo získané z primárního okruhu přenáší ve výstupním okruhu do vzduchu. Tyto systémy jsou v jednodušších verzích používány jako klimatizační zařízení, mají nízký výkon, a proto se nehodí pro vytápění. TČ VZDUCH - VODA Okolní atmosféra je vhodným zdrojem tepla pro oběh tepelného čerpadla z hlediska takřka neomezeného množství energie. Na primární straně tepelného čerpadla vzduch - voda je obvykle zapojen trubkový výparník, který je opatřen ventilátorem pro zlepšení přenosu tepla. Obvyklá konstrukce tepelného čerpadla je dvoudílná. Venkovní a vnitřní část jsou spojeny izolovanými měděnými trubkami, v nichž proudí chladivo. Ventilátory mají obvykle malý příkon, a podle konstrukce výparníku mají 235

236 horizontální či vertikální osu. Pro systémy tepelných čerpadel s velkým výkonem je používáno několik ventilátorů najedou. Dalším provedením TČ vzduch - voda je označováno jako kompaktní. Celé tepelné čerpadlo je vcelku a je od výrobce naplněno chladivem. V sekundárním výměníku pak proudí topná voda a toto tepelně izolované potrubí vede do domu. Kompaktní tepelná čerpadla bývají také někdy instalována přímo uvnitř budovy. Pokud je zvolen tento způsob instalace pak je TČ instalované nejčastěji ve sklepení, v podkroví nebo na půdě budovy. Vzduch je k nim přiváděn tepelně izolovaným potrubím, přičemž musí být zajištěno, aby se do sání nedostával ochlazený vzduch z výfuku. Vzduch, který je z tepelného čerpadla vyfukován by měl být vhodně namířen. Neměl by směřovat na objekty, které by dlouhodobě proudící chladný vzduch z výfuku mohl poškodit. Obr Kompaktní TČ vzduch voda umístěno v budově U tohoto typu TČ, vzduch - voda, je nutné počítat s faktem, že na výparníku dochází k vysrážení vodní páry, nebo se vytváří námraza, kterou je nutné, pro zajištění funkce výparníku, odstranit. Námraza vzniká při teplotách vzduchu nula a níže a její odstranění se provádí otočením chodu TČ, kdy se zamění funkce výměníků, nebo se odtávání řeší zavedením topného tělesa či kabelu. Nutnost odstranění námrazy si však ve všech řešeních vyžádá určité množství energie, což způsobuje pokles topného faktoru TČ. 236

237 Obr Závislost výkonu a topného faktoru na teplotě venkovního vzduchu u malého tepelného čerpadla s rotačním kompresorem Obr Závislost výkonu a topného faktoru na teplotě venkovního vzduchu u tepelného čerpadla s kompresorem scroll Na výše uvedených grafech je zachycena závislost topného faktoru a topného výkonu na teplotě venkovního vzduchu. Zásadním rozdílem, krom topného faktoru při 237

238 nižších teplotách nasávaného vzduchu, je cena. Ta je podstatně vyšší u zařízení vybaveného kompresorem scroll. Výhody TČ vzduch - voda Jednoznačnou výhodou tohoto typu tepelného čerpadla je jeho jednoduchá a rychlá instalace bez provádění zemních prací. Zároveň je tento sytém možné pořídit s nižšími investičními náklady než u ostatních typů tepelných čerpadel neboť ty vyžadují širší investice do zařízení získávající teplo z okolí. Velmi vhodným použitím může být například vytápění sezónních bazénů. Nevýhody TČ vzduch - voda Hlavní nevýhodou u tohoto typu TČ je především fakt, že teplota prostředí, ze kterého se teplo získává je oproti jiným typům TČ méně stálé a s klesající teplotou klesá jeho výkon a topný faktor. To má za následek, že tyto typy TČ jsou dimenzovány jen na 60 až 70 tepelných ztrát objektu při nejnižších teplotách. Zbývající část tepla musí obstarat jiný zdroj tepla (nejčastěji elektrokotel), který bývá zapnut, pokud teplota nasávaného vzduchu poklesne pod určitou hranici, při které přestává být TČ efektivní. Tento typ TČ má také vyšší provozní náklady než tepelná čerpadla země/voda. Jeho životnost je kratší a je třeba zajistit, aby hlučnost, kterou zařízení vydává, nerušilo okolí. TČ VODA - VODA Dalším a zároveň také často nejlépe hodnoceným, zdrojem nízkoteplotního tepla je voda. Dobré hodnocení získává především díky svým fyzikálním vlastnostem: vysoká tepelná kapacita a dobré médium pro přenos tepla. Teplo z tohoto prostředí může být čerpáno z povrchových vod, které představují jak povrchové toky, tak stojatých vod (řeky, jezera, přehrady... ) a z vod podpovrchových. Přestože v zimních měsících dochází k poklesu teploty povrchových vod, je možné z nich odvádět teplo výměníkem. Ten je umístěn bud' přímo ve vodě, nebo je zapuštěn do břehu. Díky snížené teplotě říčních vod je nutnost, aby ve výměníku proudilo nemrznoucí médium. Při nastání specifických podmínek může být voda čerpána přímo k tepelnému čerpadlu a ochlazenou ji pouštět do řeky. S touto alternativou však vyvstává několik problémů. Jednak může dojít ke znečištění vody, zároveň může docházet k zamrzávání hladiny a hrozí tak riziko poškození výměníku vlivem průchodu ledových ker. Dále existuje požadavek, aby voda vracená zpět do toku měla minimálně +2 C (z biologických důvodů). 238

239 Obr Povrchová voda jako zdroj tepla Další možností zdroje tepla, která při nastání vhodných podmínek může zastínit jiné, je podzemní voda, například ze studny. Teplota spodních vod je během roku víceméně stálá a pohybuje se v rozmezí od + 10 C do 8 C. Díky stabilitě tohoto systému se dá očekávat, že výkon TČ bude relativně stálý i během zimního období a velikost topného faktoru se bude stabilně pohybovat v mezích 4-5. Při průtoku vody čerpadlem se voda ochlazuje asi o 3 C až 5 C. Větších hodnot by se nemělo dosahovat, aby nedocházelo k zamrzání vody ve výparníku. Průtok primárním okruhem musí být hlídán. Pokud by došlo k poruše, musí být TČ mimo provoz aby nedošlo k zamrznutí vody ve výparníku, který by tímto mohl být poškozen. Výkon Tepelný výkon TČ Průtok vody při Průtok vody při odebíraný z s topným faktorem ochlazení o 4K ochlazení o 6K vody 3 4 kw kw kw Litr/min m 3 /hod Litr/min m 3 /hod 3 4, ,6 7 0,4 5 7,5 6,7 18 1,1 12 0, ,7 29 1,7 19 1, ,3 36 2,2 24 1,4 Tab Potřebná vydatnost zdroje spodní vody 239

240 Obr Množství spodní vody v litrech na KW/h Studny jsou velmi dobrým zdrojem tepla. Vyžadují však jisté parametry, aby mohly nepřetržitě poskytovat nízkoteplotní energii. Velmi důležitým parametrem studny je mít velké proudění podzemních vod, které vstupují do studny. Tyto vody odebírají teplo z širšího okolí a dostatečně tak zásobují teplem vodu ve studni. Dalšími požadavky, které jsou kladeny na studnu je jednak její velikost a dále čistota a chemické složení vod, které se v ní nacházejí. Vyčerpaná voda se musí vracet zpět do země pomocí druhé study, která se nazývá vsakovací. Jejich vzájemná vzdálenost by měla být alespoň 10m a poloha by měla být uvažována, tak aby tok podzemních vod směřoval od studny, ze které se voda čerpá. Provozováním TČ je způsoben trvalý pohyb podzemních vod, který může časem způsobit zanášení studní. Pro prověření této varianty jako zdroje tepla se provádí čerpací zkouška, kdy se voda ze studny čerpá přibližně měsíc, přičemž průtok se nastaví, aby odpovídal požadavkům na výkon TČ. Nepříjemností může být, že pro vybudování studny je třeba stavebního povolení a k zavedení TČ je nutný souhlas příslušného referátu životního prostředí. Zároveň finanční náklady na vybudování studen, které bývají hluboké od 10 do 30 metrů, můžou být velmi vysoké a není zaručeno, že zhotovená studna bude mít potřebné parametry. 240

241 Obr Stavy hladin podzemní vody ve dvou studních v klidu a při provozu TČ 241

242 Obr Výkon tepelného čerpadla při teplotě spodní vody 12 C Výhody TČ voda - voda Tento systém dosahuje velmi vysokého topného faktoru v porovnání s jinými zdroji nízkoteplotního tepla. Zároveň se vyznačuje nejnižšími provozními náklady a v porovnání s vrty také nižšími investičními náklady. Systémy voda - voda je možné realizovat a využívat jako monovalentní", dnes však řada výrobců osazuje svá TČ malým elektrokotlem. Použití tohoto systému je vhodné tam, kde je dostatek spodní vody vhodného chemického složení. Nevýhody TČ voda - voda Díky požadavkům, které jsou kladeny na parametry studny a vod, které obsahuje je relativně málo vhodných lokalit, které obsahují dostatek spodních vod. Dále jsou kladeny požadavky na chemické složení vod, což dále snižuje počet oblastí, ve kterých by se dalo tohoto systému využít. Existuje také riziko zanášení studní eších průměrů a rizika spojená s poškozením čerpací techniky při nasátí pevných částic. Tento systém vyžaduje pravidelnou údržbu, což způsobuje vyšší náklady na servis. Při odběru z tekoucích vod je nutné dostat povolení od majitele či správce povodí a při poklesu teplot může docházet k zamrzání vod na výměníku a tím k odstavení TČ. Při odebírání tepla ze stojatých vod je nutné vyhovět požadavkům vodohospodářů a ekologů což dále způsobuje komplikace s vyřizováním povolení. TČ ZEMĚ VODA Zemská kůra je vhodným zdrojem nízkoteplotního tepla pro tepelná čerpadla především díky malých teplotních výkyvů, dostupnosti a vysoké tepelné kapacity. Zároveň různé druhy půd se vyznačují odlišnými termofyzikálními parametry jako jsou tepelná kapacita, koeficient tepelné vodivosti a velmi důležité hustota a obsah vlhkosti v půdě, které mají velký vliv na koeficient vodivosti. Během zimního období 242

243 je běžná půda obvykle dostatečně vlhká a vlivem difúze zapříčiněné teplotním gradientem směrem k výměníku tepla v době provozu TČ se zvyšuje tepelná vodivost půdy v oblasti kolem výměníku. Na povrch země dopadá sluneční záření přímé a záření difúzní, které bylo rozptýleno při průchodu atmosférou. Tato energie ze Slunce se akumuluje do Zemského povrchu a poskytuje tak zdroj nízkoteplotní energie pro TČ. V současnosti se využívají dva druhy využívání tepla akumulovaného v povrchu země. Je to odběr energie slunečního záření z povrchu a z hloubky. Oba druhy využívají uzavřených výměníků na primární straně TČ, které jsou naplněný nemrznoucí směsí. Tento způsob poskytuje výhodu v tom, že nevyžaduje vysoký výkon pro potřeby oběhového čerpadla a také eliminuje problém se zanášením výměníků a filtrů díky stálé čistotě směsí. V současné době se nízkopotenciální teplo ze země získává dvěma způsoby. Prvním způsobem se tepelná energie odebírá z povrchové vrstvy plošnými kolektory, také bývají nazývány horizontálními, a druhým způsobem je odběr z hloubky svislými zemními vrty. Oba systémy využívají výměníku z plastových trubek, v němž cirkuluje nemrznoucí směs, která dosahuje teplot pod 0 C, aby docházelo k přestupu tepla. Plošné kolektory Plošné kolektory využívají teplo ve vrchní vrstvě země, která je do hloubky dvou metrů i v mrazivých dnech postačujícím zdrojem. Do země se v hloubce asi od 1 do 1,5 metrů pokládají PE hadice naplněné solankou. Délka jednotlivých okruhů by neměla přesahovat 200m a zároveň okruhy by měly být stejně dlouhé. Výkon, kterého je možno dosáhnout se pohybuje v rozmezí 20 až 25 W/m 2 plochy země. Plocha, ze které se teplo odebírá, by měla být cca 3 až 4 krát větší než je velikost vytápěné plochy. Hadice jsou nejčastěji vedeny přímo do objektu v nezamrzající hloubce, kde se teprve spojují. Druhy půdy Výkon na 1m potrubí (W) Délka (m) na 1kW Výkon (W) na 1m 2 Plocha (m 2 ) na 1kW Suchá Vlhká Mokrá Slinky Tab Přibližné délky zemního kolektoru ve vztahu k výkonu TČ Svinuté kolo PE hadice je jen roztaženo, přičemž se vznikající smyčky svazují v místech křížení. Slinky se ukládají na dno výkopu širokého asi 1 metr a výkop je následně zakopán zeminou. Jednotlivé výkopu jsou od sebe vzdáleny podle způsobu uložení. U slinek uložených do tvaru "V" je doporučená vzdálenost mezi výkopy 3 až 243

244 4 metry, u slinek roztažených do tvaru "H" se vzdálenost mezi výkopy pohybuje od 4 do 5 metrů. Obr Plošný kolektor typu slinka U vodorovné varianty slinek H je výkon jedné sekce asi 1,5 kw a tento údaj platí pro plošnou hustotu výkonu ze země přibližně 20W/m 2. U slinek typu V je výkon jedné sekce vyšší, kdy se odebíraný výkon pohybuje v rozmezí 1,8 až 2 kw. Existují také systémy, kde je primární výměník tvořen přímo měděným výparníkem tepelného čerpadla, nejčastěji měděná trubka, ve které proudí chladivo. Tyto systémy, leč mají účinnější odběr tepla ze země, nejsou velmi rozšířeny a používají se jen pro malé výkony. Vertikální zemní kolektory Vertikální zemní kolektory jsou plastové výměníky, které se vkládají do vrtů. Tyto mívají hloubku v rozmezí 50 až 120 metrů. Výměníky čerpají teplo, které je akumulováno desítky metrů pod povrchem a zároveň v průběhu roku se teplota půdy téměř nemění. Tento systém je díky konstantní teplotě schopen pokrýt celou spotřebu tepla a bývá tak často navrhován jako monovalentní systém. Parametry vrtů jsou silně ovlivněny geologickou situací v daném místě realizace. Od ní se pak odvíjí hloubka vrtů, s uvážením očekávané spotřeby pak také jejich počet. Výměníkem jsou obdobně jako u plošných kolektorů PE hadice, které jsou však dimenzovány na vyšší tlaky. Statický tlak v případě vody může být až 1,2 MPa, a volný prostor mezi trubicí a stěnami vrtu je vyplněn plastickou směsí, která 244

245 kompenzuje vnitřní tlak. Pokud jsou vysoké nároky na výkon, zhotovuje se větší množství vrtů. Vzdálenost mezi vrty by měla být nejméně 5 metrů. Obr Dům se zdrojem tepla z vrtu Teplota v zemi v hloubce pod 10 metrů je během roku téměř stabilní. V podmínkách na území ČR se pohybuje v rozmezí 10 až 12 C. S rostoucí hloubkou roste zároveň teplota s gradientem 1 až 2 C na 100 metrů hloubky. Teplota solanky, která slouží jako teplonosné médium, se může v zimních měsících pohybovat pod 0 C, přesto však TČ s vertikálními kolektory konstantně pracují s průměrným skutečným topným faktorem přes 3. Obr Průběh teplot v zemi v závislosti na ročním období 245

246 Požadovaná hloubka vrtů a délka kolektorů se navrhuje po geologickém průzkumu, který ukáže složení hornin v dané lokalitě. Jednotlivé typy složek mají různý vliv na tepelné vlastnosti a jejich znalost je nutná při navrhování vrtů vzhledem k požadovanému výkonu. Ten není zaručen jen stálou teplotou, ale závisí především na vodivosti hornin. Informace o hloubce vrtů v závislosti na druhu podloží je nastíněn v následující tabulce. Druh podloží Topný výkon (W) na 1m délky kolektoru Hloubka (m) na 1kW topného výkonu Suché usazeniny Jíly a břidlice Pevná skála Suchá zemina Normální pevná hornina Hornina s velkou tepelnou vodivostí, jíly Hornina s výskytem spodní vody Solanka Tab Informativní hloubky zemního kolektoru v závislosti na výkonu TČ Solanka je obecné označení média kolujícího v primárním okruhu tepelných čerpadel. Tato nemrznoucí směs by měla být netoxická, ekologicky nezávadná, ale zároveň její cena nesmí být příliš vysoká, neboť její objem v primárním okruhu se pohybuje mezi 250 až 400 litry. Pokud by tedy cena solanky byla vysoká, způsobila by významný nárůst nákladů na pořízení TČ. Nejčastější druhy solanky: Polyethylenglykol a voda Tato směs tvořená ze 7/10 objemu vodou a 3/10 polyethylenglykolem má výhodné vlastnosti až do teploty -15 C. Nevýhodou je naopak vyšší viskozita a nižší tepelná kapacita. Zároveňje tento roztok jedovatý, proto bývá nahrazen polypropylenglykolem, který má obdobné vlastnosti a není jedovatý. Alkohol a voda Nejčastější složení této směsi je z 1/4 tvořen etanolem a ze 3/4 objemu vodou. Tato směs má také nižší tepelnou kapacitu a viskozita roste s klesající teplotou. Zároveň 246

247 při smíšení těchto složek dochází ke dvěma jevům. Prvním je zvýšení teploty, které není tak významné, a druhý je jev nazývající se kontrakce. Výhody TČ země - voda Polyethylenglykol ve vodě Bod tuhnutí Měrné teplo c (%) ( C) (kj/kg C) , , ,04 Polypropylenglykol ve vodě , , ,45 Ethanol ve vodě , ,5 4, ,5 4, ,5 3, ,5 3,64 Tab Vlastnosti roztoků Velkou výhodou tohoto typu tepelných čerpadel oproti jiným je především prostředí, ze kterého nízkopotenciální energii získává. Teplota půdy se v průběhu roku pohybuje ve velmi úzkém rozsahu, především zemní vrty jsou ročním obdobím prakticky neovlivněné. To umožňuje tyto TČ navrhovat jako monovalentní zdroje. Tyto tepelná čerpadla také dosahují, v porovnání s ostatními, vyšších topných faktorů a doba životnosti je z nich nejdelší. Uzavřené systémy země - voda se také vyznačují stálou čistotou teplonosné kapaliny a velmi nízkým příkonem oběhových čerpadel. Při správném návrhu je také eliminováno riziko zamrznutí a systém je nezávislý na stavu hladiny spodních vod. V porovnání s TČ vzduch - voda se tento systém zároveň vyznačuje naprosto tichým chodem. Nevýhody TČ země - voda U Tč země - voda využívajících plošné kolektory, jsou náklady na pořízení relativně nízké, ale pro jejich realizaci je potřeba velké plochy a venkovní jímací část vyžaduje rozsáhlé stavební práce. Zároveň dochází k ochlazování svrchní vrstvy půdy, což má negativní důsledky na vegetaci na této ploše. Největší nevýhodou TČ země - voda využívajícího vertikální zemní kolektory jsou vysoké pořizovací náklady, které se zároveň mění podle druhu podloží. Při provádění vrtů může také dojít k neúmyslné kontaminaci spodních vod nebo ztráta pramenů ve studnách vyskytujících se v blízkosti vrtu. Tento systém klade významný požadavek na správnost návrhu, neboť poddimenzované mohou zamrzat a pak z nich není 247

248 možno po dlouhou dobu odebírat teplo. Toto je významným problémem, neboť bývají navrhována jako monovalentní zdroj. V obou typech jsou sondy prakticky neopravitelné a je nutná důkladná kontrola vrtu včetně jeho propustnosti. Plošné kolektory i spojovací potrubí od vrtů musí procházet v dostatečné vzdálenosti od objektů a jejich základů z důvodu rizika namrzání půdy a posunů staveb Kogenerační jednotky Kogenerací rozumíme kombinovanou výrobu elektrické a tepelné energie (KVET). Jedná se o co nejefektivnější využití tepelné energie uvolněné spalováním paliva v jednom technologickém řetězci. Principem kogenerace je využít teplo, které by jinak při výrobě elektrické energie odešlo bez užitku. Kogenerační technologie toto teplo dokáže využít pro vytápění objektů, či ohřev teplé vody nebo obojí. Touto úsporou šetříme palivo i finanční prostředky potřebné na jeho nákup Kombinovaná výroba elektrické energie a tepelné energie (KVET) Princip, který představuje velmi zajímavou aplikaci moderních technologií na dlouho známé principy. Název se u nás začal používat v počátku devadesátých let jako počeštění mezinárodně srozumitelného anglického termínu co-generation což znamená v překladu kogenerace neboli kombinovaná výroba elektrické energie a tepla. Výroba elektřiny v podnikových nebo městských elektrárnách v parních turbínách a postupné vyvedení tepelného výkonu předznamenaly vznik velkých soustav dálkového zásobování teplem CZT. Rozšíření malých jednotek na bázi spalovacích motorů začalo na našem území po roce Vývoj kogeneračních jednotek MINULOST SOUČASTNOST BUDOUCNOST oběhy s parní turbínou ORC cyklus oběhy s plynovou turbínou mikroturbíny na bázi pístových spalovacích motorů stirlingův motor paroplynový cyklus parní motor palivové články Tab Přehled o vývoji kogeneračních jednotek Výhody kogeneračních jednotek při vlastní spotřebě tepla a el. energie se vyhneme přenosovým ztrátám využíváním odpadního tepla při výrobě el. energie dochází až ke 40 úspoře paliva se srovnáním s tradičními technologiemi palivo je v KJ využíváno s vysokou účinností a to 80 až 85. Z toho připadá 30 až 35 na el. energii a 65 až 70 na teplo. 248

249 Přebytky vyrobené el. energie může výrobce prodávat do veřejné rozvodné sítě na základě smluvního vztahu s distribuční společností a tím může výrazně ovlivnit návratnost vložených finančních prostředků. Kogenerační jednotky produkují nízké emise škodlivin ve srovnání s uhlím Nevýhody využití kogeneračních jednotek: poměrně vysoké investiční náklady návratnost vložených finančních prostředků je závislá na využití vyrobeného tepla a el. energie zajistit ochranu proti hluku (např. protihlukové kryty, zvuková izolace strojovny, pružné uložení jednotek na základ apod.) Porovnání účinnosti výroby energie Obr Porovnání účinnosti výroby energie Výkonové rozdělení energetických zdrojů a spotřebičů Rozdělení výkonových požadavků energetické spotřeby a možnosti pokrytí jednotlivými druhy zdrojů je pro elektrickou energii vyobrazeno na obrázku níže uvedeném. 249

250 Jednotky od vyšších výkonů (nad 1 MWe) slouží především pro centrální dodávku elektrické a tepelné energie. Jednotky nižších výkonů (mikrokogenerace) se umisťuje blíže ke spotřebitelům z důvodu, že vyrábějí energii jen pro omezený počet spotřebitelů nebo někdy jen i pro jednoho spotřebitele Obr Výkonové rozdělení energetických zdrojů a spotřebičů Možné kogenerační jednotky pro domácí využití Stirlingův motor: je pístový motor s vnějším spalováním, ve kterém se uvolněná tepelná energie předává látce tepelného oběhu. Motor pracuje mezi dvěma zásobníky tepelné energie s přívodem a odvodem tepla v pracovní látce (nejčastěji je to helium, vzduch, dusík nebo CO 2 ), v systému při konstantní teplotě. Látka je střídavě stlačována ve studeném válci (kompresní prostor) a expanduje v horkém válci (expanzní prostor). Teplo je přiváděno do okruhu z vnějšího zdroje přes tepelný výměník (ohřívák). Pracovní médium zůstává trvale ve válci stirlingova motoru. Mezi písty je regenerátor, což je bud' keramická mřížka nebo libovolný druh pórovité zátky, která má vysokou tepelnou kapacitu a malou tepelnou vodivost (slouží k přechodnému uložení tepelné energie). Dnešní důmyslné motory používají jako pracovní médium zpravidla vodík, protože s vodíkem se dosahuje až 80 teoretické účinnosti ideálního Stirlingova cyklu. 250

251 Obr Stirlingův motor Stirlingův motor může být také použit v opačném módu - jako tepelné čerpadlo, kdy je energie (mechanická nebo elektrická) využívána k ohřevu. Jako perspektivní palivo pro kogeneraci s využitím Stirlingova motoru se jeví biomasa (zplyněná nebo zkapalněná), která se pro výrobu elektřiny pomocí klasických motorů nehodí (znečištění, velká odlišnost od ušlechtilý paliv. Při použití jedné jednotky se předpokládá snížení produkce CO 2 o oproti produkci z klasických zdrojů. Teplo, které není přeměno na technickou práci hřídele, je odváděno chladící vodou ve studeném tepelném výměníku (chladiči). Plyn se přenáší z horké zóny do chladiče a zpět pomocí regenerátoru Podstatné je, že mezi oběma prostory je umístěn regenerátor (nádoba vyplněná porézní náplní), v němž se při přechodu z horkého do studeného prostoru teplo odevzdává a je opět přiváděno při příští změně 2-3. Regenerátor tedy zvyšuje termickou účinnost stroje a při 100 účinnosti regenerace bude mít Stirlingův oběh při daných teplotách stejnou termickou účinnost jako Carnotův oběh, jehož účinnost je dána vztahem Pro co možná nejlepší účinnost motoru by tedy měla být (stejně jako u všech tepelných strojů) teplota T min CO nejnižší (omezení teplotou chladicího média) a T max co nejvyšší (omezení materiálovými vlastnostmi ohříváku). Reálná účinnost Stirlingova motoru je snížena díky nemožnosti dosáhnout teoretické kinematiky, škodným objemům ohříváku, chladiče a regenerátoru, jejich tlakovým ztrátám při průtoku pracovního plynu (hlavně regenerátor) 251

252 Stirlingův motor nemá explozivní spalování jako mají spalovací motory, a proto nemusí mít zapalovací zařízení, ventilový rozvod atd. Z hlediska konstrukčního provedení (upořádání pístů) se vyrábějí následující typy: alfa - dva válce osově souměrné beta - dva písty v jednom válci gama - dva válce osově nesouměrné Obr Konstrukční provedení Stirlingova motoru Obr Schéma zapojení KJ se Strilingovým motorem Pracovní fáze stirlingova motoru Funkce stirlingova motoru je vysvětlena na obrázku 6 a pro lepší pochopení a jednoduchost budeme uvažovat ideální oběh, který je tvořen dvěma ději izochorickými a dvěma izotermickými. 252

253 HK horká komora (expanzní prostor) CHK chladná komora (kompresní prostor) R regenerátor (keramická mřížka) Obr Pracovní fáze stirlingova motoru Obr T - s diagram ideálního děje stirlingova motoru V bodě 1 začíná oběh a teoreticky veškeré plynné médium je při maximálním objemu přemístěno v chlazené části motoru. 1-2 (komprese): jen pohyb kompresního pístu (v chladném válci) a pomocí chladiče je v tomto prostoru udržována stále konstantní teplota T min. (práce se přitom spotřebovává a teplo se odvádí). 253

254 V bodě 2: je dosaženo minimálního objemu. Dochází k přemístění tohoto objemu bez jeho změny do ohřívané části, což je změna 2-3. Mezi body 2-3: dojde k ohřevu na maximální teplotu T max. Pak objem plynu v horkém válci expanduje opět za konstantní teploty (teplo je v průběhu expanze stále dodáváno) a koná se práce. Na konci pracovního zdvihu je tedy ve válci stále stejná teplota a pro uzavření oběhu je třeba teplo z plynu odvést, což reprezentuje změna 4-1. Plyn je za konstantního objemu přemístěn zpět do chladného válce. Výhody Stirlingova motoru oproti klasickým spalovacím motorům díky vnějšímu přívodu tepla lze přímo využít prakticky jakéhokoli paliva (plynná, kapalná a pevná paliva) tichý chod použití i ve výbušném prostředí, neboť je jednotka zapouzdřená a utěsněna lze využít i odpadního tepla z technologických procesů, geotermální energie, solární energie a s rozumnou účinností toto teplo převést přímo v elektřinu vyšší vnitřní tepelná účinnost výrazně nižší servisní náklady, dané dlouhými servisními intervaly, který činí běžně 5000 až hodin velmi nízká hlučnost vlivem pozvolné změny tlaku během cyklu a absence cyklických zážehů či vznícení při správné konstrukci spalovacího systému má motor díky vnějšímu spalování nižší emise škodlivin výroba elektrické energie není závislá na výrobě tepla Nevýhody Stirlingova motoru oproti klasickým spalovacím motorům vyšší cena z důvodu malé sériovosti pomalejší regulace výkonu - pro výrobu elektřiny a tepla to nepředstavuje žádný problém většinou mírně nižší účinnost, která je však u malých výkonů bohatě kompenzována podstatně nižšími servisními náklady Výkon Stirlingova motoru se reguluje změnou tlaku (množství pracovní látky) v pracovním prostoru motoru podle vztahu: ( ) Přičemž průtočné množství pracovní látky je na základě stavové rovnice plynů 254

255 ( ) kde a T - zisk technické práce [J/kg] pp - plnící tlak [Pa] n - otáčky motoru [lis] r - plynová konstanta [J/kgK] T p - pracovní teplota [K] V l - objem pracovního prostoru [m 3 ] Regulace Stirlingova motoru: ventilem se mění plnící tlak, přičemž otáčky se drží na konstantní hodnotě. Charakteristika změny účinnosti při zatížení je podobná jako pro pístové spalovací motory. Vliv změny provozních parametrů: technická práce rychle klesá s nárůstem chladící teploty. Protože tepelný vstup neklesá, při narůstání chladící teploty klesá účinnost. Při zvýšení chladící teploty, např. z 60 na 70 C, je pokles účinnosti 20. Zvyšování tepelného výkonu odběru zvyšováním teploty není tedy výhodné. Vliv změny okolních podmínek: vliv venkovních podmínek na účinnost stirlingova motoru je stejně jako u všech jako u všech pracovních jednotek pracujících s vnějším spalováním zanedbatelný. Loganova kogenerační jednotka Použití: k výrobě elektrického proudu a tepla určené k instalaci pro kryté bazény, sportovní střediska, domovy pro seniory, školy, obytné objekty, nákupní centra apod. Technika: kompaktní rámová konstrukce s motorem, vč. všech vestavěných dílů, generátoru a výměníků tepla, rovněž i chladicích okruhů rozvaděč je integrovaný do opláštění rámu s přehledným ovládacím panelem plynový motor má tichý chod, se čtyřmi až dvanácti válci a s regulovaným katalyzátorem výfukových plynů 255

256 Obr Loganova KJ Výhody: jednotka je ovládána na řídícím panelu snadným stiskem tlačítek dálkové monitorování důležitých funkcí až o 40 menší spotřeba energie proti konvenční výrobě energie nízké emise výfukových plynů možnost rozšíření o absorpční systém Loganova Trigen k výrobě chladu pro klimatizaci Plynová kogenerace Je označení pro společnou výrobu elektrické energie a tepla přímým spalováním plynu ve spalovacím motoru (otevřený Ottův cyklus) nebo spalovací turbíně (otevřený Braytonův cyklus) pohánějící alternátor se současným využitím odpadního tepla z motoru nebo z turbíny. Zážehový (Ottův) motor l. zdvih sání Obr Pracovní cyklus zážehového motoru - do válce se nasává směs vzduchu a paliva - sací ventil je otevřen - výfukový ventil je uzavřen - píst jde směrem dolů 256

257 2. zdvih - stlačení (komprese) - směs se stlačuje - roste tlak a teplota - krátce před horní úvratí dojde k zažehnutí elektrickou jiskrou - oba ventily jsou uzavřeny - píst jde směrem vzhůru 3. zdvih - expanze - směs hoří a rozpínající se zplodiny tlačí píst dolů - jediná fáze, kdy píst koná práci - oba ventily jsou uzavřeny - píst jde směrem dolů 4. fáze - výfuk - z válce jsou vyfouknuty spaliny - pracovní prostor se vyprázdní, aby se oběh mohl opakovat - výfukový ventil otevřen - sací ventil uzavřen - píst jde směrem vzhůru Obr p - V diagram 1-2 sání: do válce se nasává směs benzínových par (nebo plynu) se vzduchem. 2-3 adiabatická komprese: směs je stlačována, aby konečná kompresní teplota byla nižší než teplota vznícení směsi 3-4 izochorické zvýšení tlaku: před koncem komprese je směs zažehnuta elektrickou jiskrou, čímž dojde k rychlému zvýšení tlaku 257

258 4-5 adiabatická expanze: plyn koná práci na úkor své vnitřní energie 5-2 izochorický odvod tepla 2-1 výfuk: splodiny jsou z válce vyfouknuty ven Braytonůvoběh Kompresor nasává vzduch o stavu 1 a stlačuje ho na výtlačný stav 2. Stlačený a ohřátý vzduch proudí do spalovací komory, kde se mísí se vstřiknutým palivem. Tato směs se zapálí a hoří téměř při konstantním tlaku. Horké zplodiny o vysokém tlaku a parametrech daných bodem 3 expandují adiabaticky ve spalovací turbíně do stavu 4 a dále jsou vyfukovány do okolní atmosféry. Termická účinnost oběhu je dána velikostí přivedeného a odvedeného tepla: kde: ( ) ( ) Obr Braytonův oběh 258

259 Obr p-v diagram Braytonova cyklu Obr T-s diagram Braytonova cyklu Kogenerační jednotka se spalovacím motorem Kogenerační jednotka se spalovacím motorem se skládá ze zážehového spalovacího motoru pohánějící alternátor vyrábějící el. energii a výměníků pro využití odpadního tepla z motoru. Otáčky motoru jsou voleny tak, aby nebylo nutno mezi motor a alternátor instalovat převodovku. 259

260 Směs zemního plynu se spalovacím vzduchem je do válců dodávána pod tlakem turbokompresorem poháněným spalinami, kogenerační jednotka tedy nevyžaduje přívod tlakového zemního plynu, plyn může být dodáván z běžného potrubí s redukovaným tlakem (jednotky až desítky kpa). Odpadní teplo z motoru je pro využití odváděno pomocí dvou výměníků na dvou teplotních úrovních. První výměník odvádí teplo z bloku motoru a z oleje na úrovni cca C. Druhý výměník odvádí teplo z odcházejících výfukových spalin o teplotě C. Výměníky jsou z hlediska průtoku teplonosného média zapojeny do série. Obvykle jsou kogenerační jednotky koncipovány pro dodávku tepla do teplovodního systému 90/70 C, méně 110/85 C. Ohřívaná voda ze zpátečky teplovodního systému (70 C) Prochází nejprve prvním výměníkem, kde se předehřeje a je vedena do výměníku druhého, kde se dohřeje na požadovanou teplotu (90 C). Pro možnost přechodného provozu kogenerační jednotky bez využití nebo jen s částečným využitím vyrobeného tepla jsou jednotky obvykle vybavovány chladičem, který teplo z jednotky odvádí do atmosféry. Kogenerační jednotku se spalovacím motorem lze instalovat prakticky do jakéhokoliv stávajícího nebo rekonstruovaného průmyslového nebo komunálního zdroje tepla pokud je v dané lokalitě dostupný hořlavý plyn. Obr Kogenerační jednotka se spalovacím motorem 260

261 Tepelná bilance KJ jednotky se spalovacím motorem Pro sestavení bilance je třeba zjistit všechny energetické ztráty a zisky, respektive potřeby a zdroje. U starších domů byla největší ztrátou potřeba tepla na vytápění a větrání, potřeba teplé vody byla menší. Kogenerační jednotky s (automobilovými) zážehovými nebo vznětovými motory upravené pro spalování plynu využívají palivo asi z 80% až 85%. Z toho připadá 33% až 40% na elektrickou energii a zbytek na teplo tj. 40% až 52%. Ztráty jsou mezi 8% až 22%. Palivo zemní plyn = 100% Obr Tepelná bilance KJ se spalovacím motorem Q - účinnost výroby tepla (poměr tepla využitelného k teplu přiváděném v palivu) = % P - účinnost výroby el.energie (poměr el.výkonu ku příkonu v přiváděném plynu) = % Z - tepelné ztráty = 8-22 % Kogenerační jednotky se spalovacími turbínami Sestávají ze soustrojí spalovací turbína - alternátor vyrábějícího el. energii a spalinového kotle, z kterého je dodáváno využitelné teplo ve formě teplé či horké vody nebo páry. Spalovací vzduch je komprimován kompresorem (na stejné hřídeli s turbínou) a veden do spalovací komory kam je též přiváděn zemní plyn (Braytonův cyklus), spaliny ze spalovací komory jsou přiváděny na lopatky spalovací turbíny pohánějící obvykle přes převodovku alternátor. Zemní plyn pro pohon turbíny je na rozdíl od motoru přivádět pod tlakem cca 1,5-2,5 MPa dle kompresního poměru turbíny. 261

262 Z turbíny jsou spaliny přiváděny do spalinového kotle pro výrobu tepla ve formě páry nebo horké resp. teplé vody. Při požadavku na zvýšení tepelného výkonu spalinového kotle je instalován přihřívací hořák spalující zemní plyn, který je vřazen do spalin proudících z turbíny do kotle a zvyšuje teplotu spalin přicházejících z turbíny (cca C) na max. cca 900 C. Na spalinové potrubí mezi turbínou a kotlem se obvykle instaluje uzavíratelný výfuk, kterým lze spaliny z turbíny vypouštět do ovzduší bez využití jejich tepla. Tohoto výfuku se obvykle užívá při najíždění turbíny nebo při přechodném nižším odběru tepla Spalovací turbíny však na rozdíl do spalovacích motorů vyžadují dodávku tlakového plynu, v případech, že v místě instalace není k dispozici patřičný tlak je nutno instalovat posilovací kompresor, který celou instalaci zdražuje a svým el. příkonem snižuje efekt kogenerační jednotky. Obr Plynová kogenerace se spalovací turbínou Kogenerace s parní turbínou Jednotky se spalovacím motorem jsou náročné na kvalitu paliva. To je dáno tím, že palivo se spaluje přímo v motoru. Motory o malém výkonu jsou také relativně drahé (náklady na instalovaný výkon je vyšší než u velkých zařízení). Díky tomu se opět vrací parní stroje, kde lze páru připravit v kotli nenáročném na kvalitu paliva (lze použít i několik druhů paliv). Nevýhodou parního motoru je nízká účinnost v praxi nepřekračuje 6%. Celková účinnost s využitím kondenzačního tepla se pak pohybuje mezi 80% - 85%. Parní stroj se tedy hodí tam, kde je velký odběr tepla a malá potřeba elektřiny. V současnosti se vyvíjejí kogenerační jednotky s rotačním pístem SteamCell s elektrickým výkonem 4,6 kw a tepelným výkonem do 25 kw. Využívá se v 262

263 systémech ústředního topení rodinných domků, jednotka by měla být schopna dodávat i pouze teplo bez produkce elektřiny. Prototypy jsou poháněny zemním plynem, dřevem a biopaliva V kotli se vyrábí vysokotlaká pára, která se vede do parní turbíny (kondenzační nebo protitlaké), která pohání generátor vy výrobu elektrického proudu. Pára se průchodem mění na nízkotlakou, která se využívá jako zdroj tepla. Obr Schéma zapojení s parní turbínou Celková účinnost využití energie obsažené v primárním palivu je cca 77% - 87%, při čemž dominantní je účinnost výroby tepla (v závislosti na tlaku před a za turbínou cca 62% - 76% ) Účinnost výroby elektrické energie se pohybuje mezi 8% - 15%. Stupeň zhodnocení primárního paliva na elektrickou energii je tedy nízký, výhodou je však oproti plynové kogeneraci možnost spalování levného paliva (uhlí) nebo obnovitelného paliva - biomasy. Protitlaké turbíny: využívají pro dodávku tepla veškeré množství páry použité pro zisk technické práce. Teplo je odebíráno na výstupu z turbíny. Dodávaná tepelná energie má nízké parametry. Čím vyšší jsou požadavky na teplotu tepelného odběru, tím vyšší musí být vstupní teplota a tím se snižuje účinnost přeměny na elektrickou energii. Celkové využití paliva je vysoké, ale zisk tepelné energie je nízký. Kondenzační turbíny: pracují hlavně jako zdroje elektrické energie. Kondenzační teplo je z oběhu odváděno při teplotě okolí a tím je dosažena velmi nízká hodnota výstupního tlaku z turbíny. Dosahuje se tak maximalizace zisku elektrické energie. Odváděné teplo se však v důsledku nízké teploty nedá užitečně využít. Mikroturbíny Jsou plynové turbíny malého výkonu, které pracují při vysokých otáčkách (cca min- 1 ). Pracují s braytonovým oběhem stejně jako velké plynové turbíny. Tlakový poměr je větší, vstupní teploty vyšší a teplota vzduchu do kompresoru je co nejnižší. Na hřídeli mohou být olejová nebo vzduchová ložiska, čímž odpadá olejové hospodářství turbíny. Protože se mikroturbíny pohybují rychlostí ot/min musí 263

264 být použit vysokofrekvenční generátor. Životnost se odhaduje na až provozních hodin. 1 - tepelný výměník, 2 - rekuperátor, 3 - mikroturbína, 4 - turboalternátor s permanentnímy magnety, 5 - elektrický kondicionér, 6 - odvod spalin, 7 - tlumič, 8 - přívod vzduchu, 9 - řídící panel Obr Mikroturbína Protože komerční využití mikroturbín probíhá poměrně krátkou dobu, nelze zatím stanovit přesnější údaje o poruchovosti a spolehlivosti. Lze však předpokládat, že vzhledem k malému počtu rotujících částí turbíny bude pohotovost 98% - 99%. Na rozdíl od velkých plynových turbín, které používají axiální kompresory a axiální proudění látky, pracují mikroturbíny s radiálním prouděním pracovního média. Při malých výkonech se tím dosáhne úspory místa, menších ztrát sáláním a větší účinnosti. Při použití spalinového výměníku pro předehřev spalovacího vzduchu (rekuperátor) se výrazně zvýší účinnost, ale sníží se teplota využitelná při dodávce tepla. Mikroturbíny jsou koncentrovány do poměrně malého prostoru, čímž se zabraňuje vzniku velkých tlakových ztrát v přívodech kompresoru, které mohou způsobit pokles účinnosti. Hlavními emisnímu produkty jsou oxidy NO x, CO, CO 2 a nespálené uhlovodíky. Změna výkonu turbíny se provádí kombinací průtočného množství pracovní látky tepelného oběhu (změna otáček kompresoru) a změnou teploty spalin na vstupu do mikroturbíny. Turbíny jsou schopny najet z nulového výkonu na plný výkon za zhruba 15 sekund. Jako palivo je zde možné použít zemní plyn, odpadní plyny (i méně kvalitní) Výhody: nízké emise, malá hlučnost, nízké nároky na údržbu, veliká dynamika změny zátěže Nevýhody: závislost na vnějších parametrech (teplota, tlak) 264

265 Palivový článek Obr Schéma zapojení mikroturbíny Je elektrochemické zařízení, uskutečňující přímou přeměnu chemické energie vodíku a kyslíku na energii elektrickou, vodu a teplo. Tato přeměna se děje katalytickými reakcemi na elektrodách a je v podstatě založena na obráceném principu elektrolýzy vody. Palivový článek se skládá z elektrolytu (žlutá barva), elektrod (modrá barva) a elektrického okruhu. Elektrolyt musí být iontově vodivý. Pro elektrický proud musí být dielektrikem, elektrony tedy propouštět nesmí. Vodík je přiváděn k anodě, na které se katalyticky štěpí na pro tony a elektrony. Protony přechází elektrolytem ke katodě, zatímco uvolněné elektrony přechází vnějším vedením a produkují elektrický proud. Ke katodě je přiváděn kyslík, který zde katalyticky reaguje s prostoupenými protony a elektrony za vzniku vody. 265

266 Obr Palivový článek Na obou elektrodách vzniká potenciální rozdíl kolem jednoho voltu, který při zatížení článku poklesne obyčejně na hodnoty 0,5-0,8 V. Aby bylo dosaženo potřebného vyššího napětí, jsou desítky cel sériově uspořádány do jednotlivých svazků stavebnicovým způsobem. Jednotlivé svazky mohou být opět libovolně propojovány sériově nebo paralelně podle požadavků na výstupní napětí a proud. Palivem do palivových článků může být vodík v plynném nebo kapalném stavu, dále nepřímá, vodík obsahující paliva. Z nich je vodík uvolňován tzv. reformovacím procesem. Mezi nejvýznamnější nepřímé zdroje vodíku patří zemní plyn, metan, propan a metanol, případně etanol. Palivové články se mohou uplatnit ve všech oblastech lidské činnosti. Nejvýhodnější použití palivových článků je při přímé výrobě elektrické a tepelné energie, tedy namísto současných elektráren a tepláren. Jsou šetrné k životnímu prostředí díky snadnému využívání odpadního tepla při výrobě elektrického proudu, využitelného pro ohřev budov a výrobu horké vody. Jejich tepelný výkon, je přibližně stejný nebo o něco vyšší než výkon elektrický, takže celková účinnost využití paliva při výrobě energií dosahuje až 80% 266

267 Obr Schéma zapojení palivového článku Obr Porovnání výroby el. a tep. energie u používaných KJ Porovnání hlavních parametrů kogeneračních jednotek Palivové články: Výhody: - nízké emise a nízký hluk 267

268 - vysoká účinnost v celém pásmu zatížení jednotky, flexibilita - možnost využití velkého množství paliv, ale vyžadují úpravu na čistý vodík - výroba nízkopotenciálního a vysokopotenciálního tepla v závislosti na typu palivového článku. Nevýhody: - náklady - doba životnosti - dlouhá startovací doba Parní turbíny: Výhody: - vysoká celková účinnost - možnost použití všech druhů paliv - změna modulu teplárenské výroby během provozu - schopnost pokrýt požadavky tepelné spotřeby při různých teplotách - dlouhá doba životnosti Nevýhody: - vysoké náklady - pomalý start ORC Výhody: - dlouhá doba životnosti - využití biomasy a obnovitelných zdrojů - malá citlivost na změnu zatížení Nevýhody: - velké investiční náklady - pomalý start Plynové turbíny Výhody: - vysoká spolehlivost umožňující dlouhodobý nepřerušovaný provoz - není nutná chladící voda - relativně nízké investiční náklady - velký rozsah využití paliv (nafta, zemní plyn, odpadový plyn) - schopnost kombinování paliv - nízké emise Nevýhody: - nižší mechanická účinnost oproti spalovacím motorům 268

269 - spalovaní plynu je prováděno při vysokém tlaku - vysoká hlučnost - malá účinnost při nízkém zatížení - palivo musí být čisté - výkon klesá s nárůstem teploty - delší doba nájezdu (0,5-2 hod.) Mikroturbíny Výhody: - vysoká spolehlivost v důsledku malého počtu pohybujících se částí - jednoduchá instalace - nízké náklady na údržbu - malé rozměry - malá hmotnost Nevýhody: - náklady Stirlingův motor Technické výhody: - velké zkušenosti s provozem v oblasti vysokých výkonů - menší počet třecích pohyblivých částí - nemá vnitřní spalovací komoru - vysoká teoretická účinnost - vhodný pro masové využití Výhody využití pro mikrokogeneraci - není potřebný dodatečný zdroj tepla - výroba elektrické energie není závislá na výrobě tepla - nízké emise - jednoduché zařízení Nevýhody: - menší zkušenosti s provozem v oblasti nízkých výkonů - nízká mechanická účinnost motorů ve výkonovém rozmezí W - lepší účinnost pro výkony nad 3 kwe - zatím vysoké investiční náklady Spalovací motory Výhody: - vysoká účinnost v širokém výkonovém rozmezí jednotek - relativně nízké investiční náklady na instalovaný elektrický výkon - široký rozsah výkonů od 3 kwe 269

270 - možnost použití v ostrovním provozu - rychlý startovací čas na plný výkon (15s) - použití více paliv v provozu (lze spalovat TTO) - opravy lze provádět na místě - nízké investiční náklady pro malé jednotky - mohou pracovat s nízkým tlakem plynu (menší než 0,1 MPa) Nevýhody: - musí být chlazeny i když se nevyužívá teplo - velké hodnoty nízkofrekvenčního hluku - vysoké náklady na údržbu Obr Parametry kogeneračních jednotek Výpočet doby pohotovosti a doby spolehlivosti kogenerační jednotky Typická KJ pracující se spalovacím motorem má plánovaný čas pro odstávku v důsledku údržby 438 hod/rok. Maximální udávána hodnota pro neplánované odstávky v důsledku poruch je 420 hod/rok. Pohotovost - ph - určuje provozuschopnost KJ během doby T, která odpovídá 1roku. Doba pohotovosti - TPH - je menší než T o čas odpovídající době odstávek pro vykonání pravidelné údržby a oprav a o čas odpovídající době trvání poruch. 270

271 ( ) [ ] Spolehlivost - sp - náchylnost zařízení k poruchám, je definována jako pravděpodobnost bezporuchového provozu za uvažované období T ( ) [ ] kde T OD,pln - doba pro nutné plánované odstávky KJ pro servisní účely [hod] T OD,npl - doba neplánované odstávky KJ v důsledku poruchy [hod] Výrobce udává spolehlivost podle vzorce Kde doba pohotovosti je: ( )[ ] Výpočet ekonomického provozu kogenerační jednotky KJ může pracovat ve 3 stavech zatížení výkonu (100%, 75% a 50%). V následujícím výpočtu je stanoveno kolik KJ vyrobí za rok elektrické a tepelné energie při různých zatíženích. při 100% zatížení KJ tepelná energie Výroba tepla z KJ (GJ/rok) = max. tepelný výkon počet provozních hodin za rok 0,0036 Počet provozních hodin = počet provozních hodin za den počet provozních dní v roce Elektrická energie Max. el. výkon 8,0 kw Výroba el. energie na KJ = max. el. výkon počet provozních hodin za rok Výpočet návratnosti kogenerační jednotky V mém případě bude KJ sloužit výhradně pro potřeby tepla, tudíž jen nahradí plynový kotel. Zároveň bude sloužit pro krytí vlastní spotřeby elektrické energie a přebytečná energie bude prodávána do elektrické sítě. 271

272 Obr Roční průběh potřeby tepla Návrh elektroinstalace rodinného domu s FV systémem. Při návrhu a realizaci fotovoltaické elektrárny ať již na prostranstvích či střechách je vždy nutné se řídit platnými normami ČSN v České Republice. Návrh hromosvodu Z hlediska výskytu bouřek se ČR nachází na území se zvýšenou bouřkovou činností. Tudíž je třeba chránit svůj život a majetek pomocí zařízení k tomu určených. Pro ochranu před úderem blesku do budovy jsou používány hromosvody (bleskosvody). Dále je vhodné chránit objekt před účinky přepětí při úderu blesku v blízkosti budovy nebo do inženýrských sítí připojených k rodinnému domu. Rodinný dům spadá do třídy ochrany LPS III. Jako jímací zařízení se používá tyčový oddálený hromosvod, přičemž do ochranného úhlu musí spadat komín a FV panely na střeše rodinného domu. Podle třídy LPS se navrhují na střechu 4 svody. Jímací tyč i svody bývají vyrobeny z materiálu pozinkovaná ocel o průřezu 8 mm 2. Uzemňovací soustava je provedena, jako typ B základový zemnič, což je mříž zalitá v betonových základech stavby. Pro výpočet délky jímací tyče a vzdálenosti FV panelů od svodů můžeme použít program Hromosvody PLUS. Program slouží k návrhu provedení hromosvodu, které bude funkční a v souladu s normami ČSN EN

273 Obr Výpočet dostatečné vzdálenosti Obr Výpočet délky jímače Obr.63. Z obr je patrné, že minimální vzdálenost FV modulů od svodu je 10 cm. Do druhého výpočtu obr jsou dosazeny jednotlivé vzdálenosti. Z výpočtu je zřejmé, 273

274 že minimální výška jímací tyče by měla být 1,09 m a velikost ochranného úhlu α je 76. Návrh fotovoltaického systému na střechu rodinného domu Výpočet velikosti fotovoltaické solární elektrárny K návrhu fotovoltaické solární elektrárny slouží několik přístupů. Jeden z nich je minimalizovat celkové náklady na elektrickou energii. Návrh velikosti fotovoltaické solární elektrárny se odvíjí od způsobu dotování fotovoltaické solární elektrárny. Při úvaze dotací pomocí zelených bonusů se návrh fotovoltaické solární elektrárny odvíjí od denní respektive měsíční spotřeby. Budeme-li uvažovat o průměrné měsíční spotřebě elektrické energie bez elektrického kotle na 450 kwh. Z čehož vychází roční spotřeba elektrické energie 5400 kwh + 22 MWh na topení elektrokotlem. Pakliže budeme chtít minimalizovat náklady na elektrickou energii, budeme navrhovat fotovoltaickou solární elektrárnu o takovém špičkovém výkonu, aby ročně fotovoltaická solární elektrárna vyrobila 5400 kwh. Základní údaje Rodinný dům se nachází v Olomouckém kraji ve městě Troubelice. Na pozemku p. č. 1249/97 bude stát rodinný dům p. č. 1249/115 v nadmořské výšce 246 m. GPS souřadnice rodinného domu jsou N a E. Střecha rodinného domu má sklon 25 a je odkloněna 30 jihozápadně od ideálního jižního směru. Na střechu dopadne ročně kolem 1200 kwh/m 2. Což odpovídá 900 kwh/kwp (pokud počítáme s výkonovým poměrem 0,75). 274

275 Obr Okno webové stránky PVGIS Předpokládanou výrobu elektrické energie zjistíme pomocí webové stránky PVGIS. Nejdříve zadáme pozici polohy rodinného domu N a E. Dále nastavíme příslušné parametry fotovoltaické solární elektrárny, přičemž předpokládané ztráty systému jsou 12%. Jak je patrné z tab. 7, aby nám fotovoltaická solární elektrárna vyrobila ročně cca 5400 kwh, je třeba nainstalovat na střechu rodinného domu fotovoltaickou výrobnu o výkonu 6,44 kwp. odhadované ztráty vlivem teploty: 11,5 % odhadované ztráty vlivem úhlové odrazivosti: 3,2 % jiné ztráty (kabely, invertor, atd.): 12 % celkové ztráty v systému: 24,7 % 275

276 Ed průměrná denní produkce elektrické energie (kwh) Em průměrná roční produkce elektrické energie (kwh) Hd množství vyrobené elektrické energie za jeden den ze slunečního záření dopadajícího na 1 m 2 FV panelů (kwh/m 2 ) Hm množství vyrobené elektrické energie za jeden měsíc ze slunečního záření dopadajícího na 1 m 2 FV panelů (kwh/m 2 ) Tab Předpokládaný výkon FVE 6,44 kwp Výběr vhodných komponentů FVE Fotovoltaické panely Při správném výběru fotovoltaických panelů je vhodné zohlednit dané parametry střechy. Jelikož v námi navrhovaném systému máme odklon od jižního směru 30 západně, použijeme polykrystalické FV panely. Tyto panely se také vyznačují tím, že v měsících s nižším slunečním zářením jsou schopny dodávat více elektrické energie, než monokrystalické technologie. Pozn. Při využívání zelených bonusů je vždy vhodné volit polykrystalického solární fotovoltaické panely i za předpokladu ideálního sklonu a natočení. 276

277 Z dostupných solárních fotovoltaických modulů je možno vybírat mezi polykrystalickými panely těchto značek: - Evergreen - Kyocera - Schott - Solarworld - Solon Jedním z hlavních kritérií výběru je poměr cena/výkon. Mezi další kritéria patří stálost a životnost FV panelů. Jeden z mála testů solárních fotovoltaických panelů, které provedl časopis Photon. Během celého roku měřil výnosnost solárních fotovoltaických panelů. A jak je patrno z výsledků měření nejkvalitnějším modulem se stal polykrystalický modul Solarworld SW 210 poly. Zajímavé je, že při téměř ideálních podmínkách natočení solárních fotovoltaických panelů byl polykrystalický modul výkonnější než monokrystalické moduly, přičemž panel SW 210 Poly vynikal především v měsících s nižším osvitem. Obr Test FV panelů 277

278 Obr Roční výnos FV modulů (kwh/kw) Největší vypovídací hodnotu má ovšem nezávislý výzkum, kdy jsou jednotlivé moduly vystaveny stejným klimatickým podmínkám a naměřená data jsou veřejně přístupná po celou dobu jejich provozu. Nám nejbližší klimatické podmínky jsou z měření v Německu ve městě Stuttgart. V tomto výzkumu v celkové výrobě elektřiny vztažené na jeden kwp mezi polykrystalickými moduly vítězí panel Solon blue P 220. Solon blue P 220 má více celkově vyrobené elektrické energie, než dříve zmiňovaný vítěz časopisu Photon Solarworld SW 210 poly. V tabulce 8 jsou vypsány jednotlivé panely. Název solárního fotovoltaického modulu Výkon (Wp) Tolerance (%) Země původu Garantovaná životnost Cena (ϵ/wp) CSI 230 +/- 3 Čína 90% na 10 len a 80% na 25 let 1,5 Evergreen 220 +/- 2,5 Německo Kyocera 210 +/- 5 Německo Schott 217 +/- 0 ČR % na 10 len a 80% na 25 let 90% na 10 len a 80% na 20 let 90% na 10 len a 80% na 25 let 2,2 2,18 2,19

279 Solarworld 220 +/- 3 Německo Solon 230 +/- 3 Německo Tab Polykrystalické moduly 91% na 10 len a 81% na 25 let 90% na 10 len a 80% na 25 let 2,48 Ze všech uvedených skutečností vyplývá, že nejlepší volbou jsou fotovoltaické panely od firmy Solon. 1,9 279

280 Obr Technické parametry solárního fotovoltaického panelu SOLON Blue 230/07 Střídače Protože je střídač srdcem celé solární fotovoltaické elektrárny, je třeba zajistit správný výběr invertoru. Pokud by byl zvolen nevhodný invertor, může se snadno stát, že nebude dosahovat maximálního možného výkonu. Nejen z tohoto důvodu je třeba zvolit co nejkvalitnější invertor. Dále je třeba brát v úvahu nemalé investiční náklady, proto by měla být zvolena firma s dlouholetou praxí a dobrým renomé jako je například firma SMA, u níž se střídače vyznačují nejvyšší kvalitou a dlouho dobou životnosti bez nutnosti oprav či revizí. Z nabídky firmy SMA se zdá být jako optimální pro námi navrhovaný systém jednofázový střídač SMA Sunny Boy

281 Obr Střídač Sunny Boy 3000 Střídač SMA Sunny Boy 3000 se vyznačuje následujícími parametry: Hospodárný Maximální vstupní DC napětí 750 V Úspora nákladů díky nižšímu počtu paralelních stringů Řízení zastínění OptiTrac Global Peak Flexibilní Kompatibilní se všemi FV panely běžně dostupnými na trhu Variabilní možnosti nasazení jako hlavní nebo doplňkový střídač Jednoduchý Bez ventilátoru Jednodušší nástěnná montáž DC konektorový systém SUNCLIX Kabelová svorkovnice nevyžadující nářadí Komunikativní 281

282 Jednoduché nastavení země Technologie Bluetooth Obr Technické parametry střídače Sunny Boy

283 Obr Křivka účinnosti Sunny boy 3000 Tyto dva střídače budou připojeny na první dvě fáze, z kterých bude napájena většina elektrických spotřebičů v rodinném domě. Projekční návrh FV elektrárny na střechu rodinného domu Jednopólové schéma solární fotovoltaické elektrárny a rozvržení solárních fotovoltaických panelů, na střeše rodinného domu bude nainstalována solární fotovoltaické elektrárna o výkonu 6,44 kwp. Počet potřebných panelů Solon blue P 230/07 je 28 kusů. Dále budou použity 2 střídače Sunny Boy Panely budou uchyceny na střeše rodinného domu pomocí pevné hliníkové konstrukce. Vhodnost výběru a správného dimenzování střídačů je dobré ověřit pomocí programu Sunny Design. Návrhový program Sunny Design Sunny Design je softwarová aplikace pro projektování a návrh FV systémů. Pomocí aplikace Sunny Design získáte doporučení možného návrhu svého FV systému. Aplikace Sunny Design vám přitom navrhne kombinaci FV generátoru/generátorů a střídače/střídačů, která bude nejlépe odpovídat vašim požadavkům na projektovaný FV systém, např. co se týče výkonové řady a energetického výnosu. Kromě toho máte možnost odhadnout a graficky si zobrazit potenciální vlastní spotřebu elektrické energie, kterou váš projektovaný FV systém vyprodukuje. 283

284 Položka Označení nabídková A lišta panel B nástrojů oblast C projektu D E oblast informací pracovní oblast Obr Uživatelské prostředí Vysvětlení Pomocí nabídkové lišty můžete spouštět základní funkce aplikace Sunny Design. Pomocí panelu nástrojů se rychle dostanete k hlavním funkcím aplikace Sunny Design. V oblasti projektu se projektovaný FV systém zobrazuje v podobě stromové struktury. V oblasti informací získáte informace o celkovém výkonu projektovaného FV systému a výkonu jednotlivých střídačů. Kromě toho si můžete otevřít kontextovou nápovědu. V pracovní oblasti můžete projektovaný FV systém konfigurovat. Mezi jednotlivými zobrazeními pracovní oblasti můžete přepínat pomocí tlačítek na navigační liště. Tab Vysvětlivky k uživatelskému oknu programu Sunny Design 284

285 Obr Údaje o projektu Obr Zobrazení solárního fotovoltaického systému 285

286 Obr Zobrazení dimenzování kabeláže Obr Vlastní spotřeba systému 286

287 Obr Orientace a způsob montáže Více v návodu na použití programu Sunny Design. Při návrhu celého systému je vhodné systém optimalizovat a po návrhu zkontrolovat jednotlivé zvolené komponenty. Výhody realizace projektu v programu Sunny Design je ten, že si můžete navrhnout celý systém jedné aplikaci se všemi parametry rodinného domu na který má být solární fotovoltaické elektrárna umístěna a nehrozí špatně zvolené komponenty či aritmetické chyby ve výpočtech. Finanční zhodnocení FV elektrárny Finanční zhodnocení solární fotovoltaické elektrárny bude provedena pro dva modelové příklady, jak pro již navrženou solární fotovoltaické elektrárnu s instalovaným výkonem 6,44 kwp, tak pro solární fotovoltaické elektrárny o výkonu 9,2 kwp, která by pokryla celou střechu rodinného domu. U obou návrhů solárních 287

288 fotovoltaických elektráren bude proveden dvojí výpočet a to pro dotace, jak zelenými bonusy, tak i výkupními cenami. Pro finanční zhodnocení jsou použity tři ukazatele a to čistou současnou hodnotu, vnitřní výnosové procento a dobu návratnosti investice. Podle těchto tří ukazatelů poté vyhodnotíme nejlepší variantu. Pro zjednodušení výpočtu finančního zhodnocení solární fotovoltaické elektrárny bude zanedbáno snížení výkonu solární fotovoltaické elektrárny vlivem stárnutí solárních fotovoltaických modulů, inflaci a dále také cenu práce použité na budoucí stavbě solární fotovoltaické elektrárny. Vycházíme z těchto předpokladů: Zelený bonus pro rok Kč/MWh Výkupní ceny pro rok Kč/MWh Cena silové elektřiny (ČEZ) 400 Kč/MWh Sazba D45d VT = 2978,68 Kč/MWh a NT = 2194,08 Kč/MWh Průměr za den = 2324,85 Kč/MWh Tab Finanční analýza jednotlivých variant Finanční zhodnocení jednotlivých variant: ČISTÁ SOUČASNÁ HODNOTA (NPV) Čistá současná hodnota nám udává současnou hodnotu budoucích peněžních toků a současného výdaje. Finančně nejvýhodnější je varianta, která má čistou současnou hodnotu nejvyšší. Z toho vyplývá, že nejvhodnější variantou je stavba solární fotovoltaické elektrárny o výkonu 6,44 kwp s formou podpory zelenými bonusy a absolutně nevýhodnou se ukázala varianta pro FVE o výkonu 9,2 kwp s podporou výkupními cenami. 288

289 VNITŘNÍ VÝNOSOVÉ PROCENTO (IRR) Vnitřní výnosové procento můžeme definovat jako takovou úrokovou míru, při které je čistá současná hodnota rovna 0. Tudíž vnitřní výnosové procento udává roční výnosnost projektu. U tohoto ukazatele je nejlepší variantou ten projekt, který má vnitřní výnosové procento nejvyšší. Z rovnice vyplývá, že nejlepší variantou je solární fotovoltaické elektrárna o výkonu 6,44 kwp s formou podpory zelenými bonusy a druhou nejlepší variantou je solární fotovoltaické elektrárna o výkonu 9,2 kwp a s podporou zelenými bonusy. DOBA NÁVRATNOSTI (DN) Posledním ukazatelem, který jsme k finančnímu zhodnocení použili je doba návratnosti investice, která nám ukáže dobu, za kterou se nám vložené finanční prostředky vrátí. U doby návratnosti je nejlepší variantou ta, která má nejkratší dobu návratnosti, což je varianta pro solární fotovoltaické elektrárna s instalovaným výkonem 6,44 kwp a formou podpory zelenými bonusy. Pro zjednodušení výpočtu zde nebyla započítaná daň z příjmu, jelikož je solární fotovoltaická elektrárna v době uvedení do provozu a následných pěti letech osvobozena od daně z příjmu. V šestém roce již majitel solární fotovoltaické elektrárny musí podávat daňové přiznání a platit daň z příjmu dle zákona 586/1992 Sb. Dále jsme neuvažovali stárnutí modulů a tím snižování jejich nominálního výkonu. Tudíž se tyto dvě položky částečně vykompenzují. Ze všech těchto výpočtů vyplynul výsledek, že nejlepší variantou pro rodinný dům s roční spotřebou 5400 kwh je solární fotovoltaická elektrárna s instalovaným výkonem 6,44 kwp a formou podpory zelenými bonusy. Finanční prostředky vložené na stavbu solární fotovoltaické elektrárny se vrátí cca do 6 let. Přičemž solární fotovoltaické elektrárna je zcela zajištěným zdrojem a nehrozí ztráta investičních nákladů. Naopak zhodnotit investici o více než 4% (nám vyšlo IRR 11,17 %) nebývá v dnešní době bezproblémové. Z této úvahy vyplývá, že při nastavení současných státních podpor (zelené bonusy, výkupní ceny) patří stavba solární fotovoltaické elektrárny k jedněm z nejlepších projektů, jak zhodnotit finanční kapitál. Vypracování žádosti o připojení FVE k distribuční soustavě a žádost o licenci k výrobě elektřiny od Energetického regulačního úřadu Prvním krokem, který budoucí majitel solární fotovoltaické elektrárny muset udělat je, že podá Žádost o připojení výrobny elektrické energie k distribuční soustavě. 289

290 Rodinný dům v Troubelicích spadá pod distributora elektrické energie, kterým je v této oblasti ČEZ. Dále se k této žádosti přikládá situační plánek se zakreslením umístění solární fotvoltaické elektrárny, souhlas spoluvlastníka a jednopólové schéma zapojení hlavních síťových a ochranných obvodů. Distributor sítě má 30 dní na vyjádření a poté zasílá stanovisko k žádosti o připojení odběrného místa k distribuční síti. Pokud klient obdrží kladné stanovisko, nic nebrání výstavbě. Stavba solární fotovoltaické elektrárny na střeše rodinného domu nepodléhá kolaudačnímu souhlasu ani stavebnímu povolení. Dalším důležitým krokem je získání licence na výrobu elektrické energie od Energetického regulačního úřadu. Jakmile má klient solární fotovoltaickou elektrárnu nainstalovanou, má revize a vše potřebné k získání licence, zažádá o ni. Po získání licence na výrobu elektrické energie zažádá klient o smlouvu na odkup přebytečné elektrické energie distributora. ČEZ uděluje výrobně elektrické energie zkušební provoz, který trvá obvykle 30 dní. Jakmile zkušební provoz skončí, distributor uzavírá smlouvu o odkupu přebytků. Další zdroje Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky. [1.] PADĚRA, Jiří. Kogenerační jednotka pro domácí použití. Brno, Dostupné z: ednotky%20pro%20domácí%20využití_jiří%20paděra.pdf?sequence=1. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav. [2.] Větrné elektrárny. Ministerstvo životního prostředí [online]. Praha 10, 2014 [cit ]. Dostupné z: [3.] KOUBKOVÁ, Lucie. Vytápění rodinného domu s využitím tepelného čerpadla. Brno, Dostupné z: Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav. [4.] KUBIK, Martin. Tepelná čerpadla. Brno, Dostupné z: Martin_ pdf?sequence=1. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav. 290

291 [5.] HORÁK Bohumil, FRIEDRISCHKOVÁ Kristýna. Obnovitelné zdroje energie, Fotovoltaika a její aplikace. Ostrava 2013 [cit ]. Interní dokument. [6.] Friedrischková, Kristýna. Měřící systém solárního fotovoltaického panelu. Ostrava, Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra měřící a řídicí techniky. [7.] PADĚRA, Jiří. Kogenerační jednotky pro domácí využití. Brno, Dostupné z: ednotky%20pro%20domácí%20využití_jiří%20paděra.pdf?sequence=1. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav. [8.] NAVRÁTILOVÁ, Jana Marie. Kombinovaný systém vytápění a ohřevu teplé vody pro rodinný dům. Ostrava, Dostupné z: marie.webnode.cz/ f0f0aeb2/diplomová%20práce%20- %20Navratilova%20- %20Tepelne%20cerpadlo%20a%20solarni%20system%20pro%20vytapeni%2 0a%20pripravu%20TUV.pdf. Diplomová práce. VŠB Technická univerzita Ostrava, Fakulta strojní, Katedra energetiky [9.] PTÁČEK, Martin. Kogenerační jednotka. Brno, Dostupné z: _Kogeneracni_jednotka.pdf?sequence=1. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav. [10.] NOVOTNÝ, Jan. Optimalizace instalace kogenerační jednotky v rodinném domě. Brno, Dostupné z: equence=2. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav elektroenergetiky. [11.] HAMRŠMÍDOVÁ, Dana. Projekt uplatnění kogenerační jednotky na výrobu elektřiny a tepla s využitím bioplynu v ČOV. Zlín, Dostupné z: pdf?sequence=1. Diplomová práce. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta managementu a ekonomiky. [12.] NOVÁK, Václav. Kogenerační a trigenerační jednotky. Plzeň, Dostupné z: uence=1. Diplomová práce. Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta elektrotechnická, katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky. [13.] BĚLOHLÁVEK, Karel a Michal KOLOVRATNÍK. Využití mikro-kogeneračních jednotek se Stirlingovým motorem pro KVET v rodinných domech. STČ 2014: Konference studentské tvůrčí činnosti. [14.] TZB INFO. TZB-info [online] [cit ]. Dostupné z: 291

292 [15.] ONDŘEJ LINBERK. Solární energetika v České republice [online] [cit ]. Dostupné z: limberk.pdf [16.] VŠB-TUO. Regionální centrum celoživotního vzdělávání [online] [cit ]. Dostupné z: [17.] CZ RE Agency. Česká agentura pro obnovitelné zdroje energie [online] [cit ]. Dostupné z:< [18.] Rozvoj vysokoškolského vzdělávání v oblasti obnovitelných a alternativních zdrojů energií. Internetový portál podporovaný grantovou smlouvou č. 3/005/08/2. Fotovoltaika [2009]. Dostupné z < [19.] Michal Straka. Typový projekt elektroinstalace pro rodinný dům využívající fotovoltaický systém, Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav elektroenergetiky [2010]. Dostupné z < > [20.] Karel Polanecký, Jiří Bursa. Hnutí Duha. Jak využívat obnovitelné zdroje energie, Praktický rádce pro domácnost a obce [2002]. ISBN [21.] plk. Ing. Zdeněk Hošek. Požární bezpečnost fotovoltaických systémů. MV generální ředitelství Hasičského záchranného sboru ČR, publikováno v časopise Elektro odborném časopise pro elektroniku [ 4/2011]. Dostupné z < [22.] Conergy Česká republika, spol. s r. o. Bezpečnost fotovoltaické instalace. publikováno v časopise Elektro odborném časopise pro elektroniku [ 4/2011]. Dostupné z < > [23.] SMA. Střídače Sunny Boy 3000, Návrhový program Sunny Design Dostupné z < 292

293 6 Elektrmobilita a smart grid Elektromobilitu v moderním pojetí chápeme nejen jako tradiční obor zabývající se rozvojem a využitím elektromobilů. Propojením výhod Elektromobilita jako komplexní řešení pro využití elektrické energie jako nejvýhodnějšího energetického zdroje dnešní západní civilizace se propojuje s novým revolučním pohledem na řešení problémů stability energetických a distribučních sítí jejich přeměnou na Inteligentní sítě, tedy Smart grids. Propojením Elektromobility a Smart grids (inteligentních sítí) vzniká nový dynamický high techový obor, jehož výsledky eliminují dvě klíčové hrozby, jež ohrožují budoucí rozvoj západní civilizace. Těmi jsou nestabilita energetických sítí a nespolehlivost distribučních dopravních sítí (strategická závislost na ropě a plynu, nepředvídatelné cenové turbulence, vyčerpatelnost surovinových zdrojů). A co víc, Elektromobilita jako automatický efekt svých řešení přináší dramatické zvýšení efektivity všech integrovaných kooperujících systémů a nečekaně významný zisk na stranách výrobců, distributorů i dnešních spotřebitelů. A samozřejmě zapojení elektromobilů do Smart grids výrazně sníží náklady a zrychlí masový a plošný nástup elektromobilů, což bude mít zpětně za následek dramatické zvýšení stability sítí a zhodnocení všech dnes známých výrobních kapacit, které nebudou omezovány limitovanou kapacitou dnešních distribučních soustav. Spolu s houstnoucími řadami propagátorů E-mobility jsme si jisti, že jediným východiskem z do této chvíle neřešitelného problému rostoucí nestability sítí a permanentně rostoucí hrozby black-outů, tedy problému, kam s obrovskými krátkodobými přebytky, a identicky, jak pokrýt krátkodobé dramatické deficity, je budování tzv. Smart grids, neboli inteligentních sítí. Jejich principem je zásadní obrat, kdy kolabující historický princip Výroba-distribucespotřeba je nahrazen rozpuštěním (rozptýlením) obrovských dnes transportovaných kvant energie do sítě, kdy dříve pasivní články sítě (spotřebitelé), se stanou aktivními prvky systému (skladovateli a v jistém smyslu slova i distributory nebo alespoň redistributory energie) Elektromobily Elektromobilita Dynamický, často i turbulentní civilizační vývoj na počátku 21. století nabízí skvělé příležitosti, ale přináší i nebývalé hrozby. Využití příležitostí i eliminace hrozeb jsou v silně propojeném celku planety Země, v němž je lidská společnost stále významnější částí, podmíněny poznáním komplexních příčinných vztahů i detailním vybalancováním spotřeb a zdrojů. Proto zde není jednoduchých řešení. Pokusem o komplexní systémové řešení je elektromobilita. Jejím globálním cílem je zajistit široce dostupnou mobilitu (dopravu, přepravu) na úrovních regionů, států i na globální úrovni tak, aby se postupně a řízeně omezovala zátěž životního prostředí, 293

294 energetická závislost územních celků i čerpání neobnovitelných zdrojů. Elektromobilita v tomto pojetí je aliancí několika komplexních systémů: elektrických nebo hybridních vozidel, inteligentní dopravní infrastruktury, inteligentních energetických sítí (smart grids), včetně energetických zásobníků, sítí nabíjecích stanic. Přínosy zavádění elektromobility mohou být mimo jiné tyto: čistá, přátelská a ekonomická veřejná i individuální doprava v městských aglomeracích snížení ekologické zátěže území, způsobené dopravou zvýšení energetické bezpečnosti území zvýšení schopnosti energetických sítí akceptovat nestabilní a rozptýlené zelené zdroje příležitost k zvýšení konkurenceschopnosti regionů na základě osvojení moderních technologií, s elektromobilitou svázaných zlepšení ekonomie, spolehlivosti, bezpečnosti i dynamiky dopravy v důsledku zvýšené inteligence vozidel i odpovídajících infrastruktur. Elektromobilita využívá synergie svých komponent a tak umožňuje dosáhnout multiplikativních efektů. Její zavádění bude zřejmě rozloženo do 2-3 desetiletí a výzvou je tedy i harmonizace tohoto procesu. Elektromobil Historie Za historicky první elektromobil je považován vůz sestavený holandským profesorem Sibrandusem Stratinghem a jeho asistentem Christopherem Beckerem z roku 1835[1]. První elektromobil vznikl přibližně o 50. let dříve, než první automobil se spalovacím motorem sestavený Karlem Benzem v roce Dubna 1899 Camille Jenatzy překonává jako první na světě 100 km/h hranici se svým elektromobilem Jamais Contente ve tvaru připomínajícím doutník. V Československu se do historie elektromobilů zapsal Ing. František Křižík již v roce 1895 svým prvním elektromobilem poháněným elektromotorem o výkonu 3,7 kw který byl napájen olověným akumulátorem s 42 články. Za nejpovedenější motorové vozidlo z Křižíkovy dílny je považován až jeho třetí vůz Landaulet se dvěma elektromotory pohánějícími každý jedno zadní kolo. Na vývoji elektromobilu se podílel i pobočný závod Škody Plzeň Škoda Elcar v Ejpovicích na počátku 90. let 20. století. Prvním vyrobením prototypem byla Škoda Shortcut. Na počátku 20. století jezdilo v USA 294

295 dokonce více elektromobilů než automobilů až do té doby, než Fordovo "T" model svou nízkou cenou a spolehlivostí vytlačil elektromobily do ústraní. Elektromobily jsou automobily na elektrický pohon. Jako zdroj energie využívají obvykle akumulátor, který musí být před jízdou nabit a na jehož kapacitě závisí dojezdová vzdálenost elektromobilu. Předpokládá se, že elektromobily se budou využívat v čím dál vyšší míře. E-mobilita je technologickou a environmentální revolucí, která "zaběhlé" zvyky nemění, ale zjednodušuje je. Obr Uložení komponent elektromobilu Citroen 295

296 Výhody Převádění energie na pohyb s účinností až 90 % (v případě asynchronního motoru) oproti 30 40% účinnosti spalovacího motoru. Celková účinnost pohonu závisí na účinnosti výroby elektřiny pro pohon z primárního zdroje a energetické účinnosti použitých akumulátorů či palivových článků (ta se pohybuje kolem % podle použité technologie olovo, NiMH, Li-ion, Li-pol). Na rozdíl od běžného automobilu lze zvyšovat využití energie tzv. rekuperací, v praktickém provozu až o přibližně 25 % to je možné zvláště v městském provozu nebo členitém terénu. Elektromobily neprodukují svým provozem výfukové plyny a i se započítáním výroby elektrické energie ze "špinavějších" zdrojů (např. hnědé uhlí) je jejich bilance vlivu na životní prostředí obvykle lepší než u automobilů se spalovacími motory. Bezúdržbový provoz trakčního systému, pokud je vozidlo vybavené BMS (Battery Management System) a tepelnou ochranou trakční akumulátorové baterie. Elektromobily nezatěžují okolí hlukem, což je výhodou zvláště v místech s vysokou zalidněností a hustým provozem, kde se nyní musí kvůli hlukové zátěži přijímat nákladná opatření, např. stavba protihlukových stěn a valů, snižování rychlosti (Praha magistrála, Jižní spojka apod.) Nevýhody vyšší pořizovací náklady pravděpodobně výraznější pokles ceny při odprodeji (než u konvenčních automobilů) malá dojezdová vzdálenost řídká síť nabíjecích stanic Baterie Baterie jsou velmi důležitou součástí elektromobilu. V minulosti byla baterie elektromobilu nejdražší součástí vozu a navíc se vyznačovala krátkou životností. Technologický vývoj ale neustále zlepšuje účinnost i výdrž baterií elektromobilů. Prodloužení životnosti lithiových baterií umožnila především technologie BMS (Battery Management System). Spotřeba Klíčovým ukazatelem každého automobilu je jeho spotřeba a náklady na provoz. V současné době jsou podle řady odborníků celkové náklady na provoz elektromobilů srovnatelné s běžnými automobily. Elektromobil je však méně náročný na spotřebu. Na 100 km potřebuje elektromobil v průměru přibližně 13 kwh elektřiny, v běžné distribuční sazbě (D02d) nás tedy 100 km vyjde zhruba na 59 Kč, ale např. domácnosti s akumulační sazbou (D25d) zaplatí za 100 km za předpokladu nabíjení v nízkém tarifu pouze 25 Kč. Konvenční automobil se zážehovým (benzínovým) 296

297 motorem a průměrnou spotřebou 7 l/100 km ujede stejnou vzdálenost za cca 210 korun. Legislativa Řidičské oprávnění opravňuje jeho držitele k řízení motorového vozidla zařazeného do příslušné kategorie. Podle 81 zákona č. 361/2000 Sb., o provozu na pozemních komunikacích a o změnách některých zákonů, ve znění pozdějších předpisů, se řidičské oprávnění k řízení motorových vozidel dělí podle skupin a podskupin. Elektrobusy Jednou z variant elektromobilu je i elektrobus, elektrický autobus. První elektrobus na pravidelné lince jezdil v Santa Barbaře v Kalifornii, první evropský elektrobus na pravidelné lince jezdil ve Znojmě. Vyvinula jej společnost ČAS SERVICE s využitím karoserie trolejbusu Škoda 21Tr. V roce 2010 vyrobila prototyp elektrobusu i česká firma SOR Libchavy a označila jej jako SOR EBN 10,5 (tento vůz je v provozu v Ostravě). Kromě SORu je jediným současným výrobcem elektrobusů v Evropě italská společnost BredaMenarinibus (dva minibusy BredaMenarinibus Zeus M 200 jezdí na Malé Straně v Praze) Smart grids Představují v porovnání s tradičními sítěmi inteligentní a otevřený systém, který dovolí efektivní kombinování elektrické energie z tradičních a alternativních zdrojů. Chytré sítě jsou schopny samy reagovat na hrozící přetížení a přesměrovat tok elektřiny tak, aby předešly možným výpadkům. Smart Grids také dokážou monitorovat děj a technický stav sítě a řešit poruchy i eventuální výpadky. V reálném čase také zvládnou komunikovat se zákazníkem a optimalizovat jeho spotřebu s přihlédnutím k ceně i životnímu prostředí. Rozvojem elektromobility a obzvláště pak včasným budováním Smart grids a rozvojem nových energetických zdrojů se podstatně zvýší energetická bezpečnost samotných občanů tohoto regionu, ale nejen to, velmi dramaticky vzroste dlouhodobý strategický význam i vliv České republiky v rámci evropského hospodářského prostoru a jeho distribučních sítí. Spotřeba elektrické energie Hlavním důvodem rozvoje energetických systémů je spotřeba pokrytí spotřeby elektrické energie a snižování emisí sloučenin uhlíku, aby nedocházelo k nevratným změnám na životním prostředí. A to všechno za předpokladu neporušení spolehlivosti a stability dodávky elektrické energie. 297

298 Obr Světová spotřeba elektrické energie V letech 2000 a narůstala světová spotřeba elektřiny v průměru o 2,6% ročně a tento trend bude v budoucnu i nadále pokračovat ve vzrůstovém tempu a předpokládá se roční spotřeba energie kolem terawatthodin. Vzhledem k tom, že se lidská populace neustále rozrůstá předpokládá se, že potřeba elektrické energie stále poroste a s pokrokem, který je všude kolem nás se nároky na jeji kvalitu budou také zvyšovat. Obr Celosvětová produkce energie (TWh) Vlivy působící na energetiku můžeme rozdělit do tří skupin: 1. Společensko-politické vlivy Klesající stabilní rezerva ve výrobě elektrické energie Otevření trhu s elektrickou energií 298

299 Rozdělení klíčových činností v oblasti podnikání s výrobou, distribucí a prodejem Elektrické energie Snižování možnosti eliminovat mimořádné situace Nárůst požadavků na dálkový transport elektrické energie Nárůst objemu nestabilní výroby Nově vznikající požadavky na systémové a podpůrné služby 2. Spotřebitelské vlivy Vyšší spotřeba elektrické energie Nové typy spotřebičů Zájem o distribuovanou výrobu Vyšší požadavky na dodávku a kvalitu Vyšší zájem o doplňkové služby 3. Výrobní a distributorské vlivy Stále vyšší orientace na finanční výsledky Outsourcing vybraných procesů Regulovaná služba distribuce Provozování technologií na hranici klíčových parametrů Ztráta historických znalostí a zkušeností Ubývání servisních míst Další požadavky na optimalizaci procesů Spotřeba elektrické energie v domácnostech Spotřeba elektrické energie v rodinných domech/bytech se liší od spotřeby elektrické energie koncernů a podniků, kde bývá spotřeba rovnoměrně rozdělena v průběhu celého dne, zatím co v domácnostech se v 90% spotřeba elektrické energie odehrává v odpoledních až pozdních hodinách. Časový vývoj spotřeby Nevýhoda velkých elektráren je omezená možnost regulace výkonu. Uhelná elektrárna najíždí na plný výkon několik hodin až půl dne, jaderná elektrárna najíždí na plný výkon několik týdnů. Pro solární, či větrné elektrárny je omezením nerovnoměrnost slunečního svitu a větru. Tyto výkyvy jsou vyrovnávány vodními elektrárnami, ale to vždy nemusí stačit. Proto v době přebytku je třeba ji akumulovat pro pozdější využití v době jejího nedostatku a tak vyrovnávat rozdíly mezi špičkovým odběrem a odběrem mimo špičky. Z tohoto důvodu je třeba sledovat časový vývoj spotřeby elektrické energie. K tomuto účelu se používají odběrové diagramy. Pro problematiku chytrých sítí jsou nejdůležitější denní. Tyto diagramy vyjadřují průběh spotřeby (výroby) elektrické energie. Průběh zatížení je ovlivněn 299

300 například klimatickými podmínkami, pracovní aktivitou, střídáním ročních období, pracovních a volných dnů, pracovní a nepracovní doby a střídáním dne a noci. Obr Příklad denního diagramu spotřeby elektrické energie Obr Příklad denního diagramu spotřeby elektrické energie 300

301 301

302 Linearizace denní spotřeby Pokud vyrovnáme (linearizujeme) denní diagram zatížení náklady na výrobu elektrické energie klesnou. Prostředky pro vyrovnání denního diagramu zatížení jsou přečerpávací vodní elektrárny, které při nedostatku elektrické energie ji do sítě dodávají, při přebytku energie ji ze sítě odebírají. Další jsou chytré sítě, či hromadné dálkové ovládání, což je ovládání spotřebičů signálem po rozvodné síti (tepelná čerpadla, závlahové systémy, akumulační kamna, bojlery apod.), to je podpořeno zavedením zvýhodněním tarifů (tzv. noční proud). Změna letního času má vliv na tvar diagramu zatížení, snižuje večerní špičku, vliv na spotřebu elektřiny není zcela průkazný. Pro regulaci je výhodná mezinárodní výměna elektrické energie v rámci propojených elektrizačních soustav jednotlivých států. Například v jedné soustavě může být díky časovému posuvu energie přebytek, v druhé soustavě jí může být naopak nedostatek. Regulovat lze i posunutím a rozložením začátků pracovní doby v čase směnnost a podobně. Nasazování zdrojů do sítě Nasazování zdrojů do sítě podle diagramu lze rozdělit do tří pásem a to základní, pološpičkové a špičkové. Základní zdroje dodávají energii nepřetržitě 24 hodin. Elektrárny jsou provozovány pouze s malými změnami výkonu as poměrně vysokou účinností. Je zde potřeba levné energii za cenu vyšších investičních nákladů. Pracují zde jaderné a moderní tepelné elektrárny velkých výkonů, teplárny, podnikové a průtočné vodní elektrárny. Pološpičkové jsou především klasické tepelné elektrárny a akumulační vodní elektrárny. Změny výkonu musí být dostatečně rychlé. Jako špičkové jsou označovány především přečerpávací vodní elektrárny. Lze využít také akumulační vodní elektrárny a elektrárny s plynovými turbínami. Zdroje musí mít krátkou najížděcí dobu a velkou rychlost změny výkonu. Doba využití elektrárny během dne je nízká. Cena vyrobené elektrické energie je vyšší a není rozhodujícím kritériem. 302

303 Obr Nasazování zdrojů energie podle zatížení sítě Důvody k používání chytrých sítí S postupující liberalizací trhu s elektřinou se mění i nároky a očekávání spotřebitelů týkající se možností aktivně kontrolovat svoji spotřebu a požadavků na tarify šité na míru jejich potřebám. Již je tomu 120 let od okamžiku, kdy Nikola Tesla prezentací svých vynálezů, využívajících střídavý proud, v Americkém institutu elektroinženýrů tedy obrazně položil základy distribučním sítím, které jsou v téměř nezměněné podobě používané až dodnes. Hlavními parametry těchto tradičních distribučních sítí jsou centralizovaná výroba a jednosměrný tok energie od výrobce směrem ke konečnému spotřebiteli. Za dobu, která uplynula od zveřejnění Teslových vynálezů, se změnily potřeby a požadavky na celou distribuční síť. Byl zaznamenán také pokrok v technologických možnostech její automatizace, dálkového řízení a kontroly. Zejména v posledním desetiletí je kvůli rostoucím cenám fosilních paliv, jejich tenčícím se zásobám a vlivu emisí CO 2 na globální klima především ve vyspělých státech patrný příklon k výrobě elektřiny z obnovitelných zdrojů. Ty se svou malou instalovanou kapacitou a decentralizovaným charakterem výroby zásadně liší od tradičních výrobních zdrojů založených na fosilních palivech. Jejich použití může mít za následek tzv. ucpání sítě. Proměnlivost dodávek ze zdrojů obnovitelné energie zase může vést k poměrně závažným problémům se spolehlivostí sítě. V minulosti vždy elektřina proudila jedním směrem, tedy z elektrárny ke spotřebiteli. Nicméně dnes, kdy alternativní zdroje vyrábějí stále větší objem obnovitelné energie, vstupuje elektřina do sítě z mnoha míst, a to včetně distribuční sítě (tzv. distribuovaná 303

304 generace). Stávající rozvodná síť však není na takové vícesměrné proudění elektřiny stavěna. Je zřejmé, že tento trend bude do budoucna posilovat. Podle Mezinárodní agentury pro energii vzroste do roku 2030 v Evropě podíl elektřiny vyrobené z obnovitelných zdrojů na celkové vyrobené elektřině ze současných 13 % na 26 %. Z předpovědí Evropské komise dále vyplývá, že kapacita decentralizované výroby se v rámci Evropské Unie zvýší do roku 2020 o 400 % a dosáhne 10% podílu na celkové výrobní kapacitě. Integrace tak velkého množství decentralizovaných výroben do distribuční sítě s sebou přinese nové požadavky na její řízení a celkové uspořádání. Mění se i nároky a očekávání spotřebitelů týkající se možností aktivně kontrolovat svoji spotřebu a požadavků na tarify šité na míru jejich potřebám. Této emancipaci spotřebitelů je navíc v řadě evropských zemí aktivně napomáháno i ze strany místních energetických regulátorů upřednostňováním nebo vyžadováním instalace chytrých elektroměrů tzn. digitálních elektroměrů schopných oboustranné dálkové komunikace a kontinuálního měření průtoku elektřiny. Jako příklad zde můžeme uvést Itálii, Nizozemí a Švédsko, kde je plánována celoplošná instalace těchto elektroměrů. Z toho vyplývá, že distribuční sítě v dnešní podobě již pomalu přestávají stačit nárokům, které na ně ti, jež je využívají, kladou a do budoucna budou klást. Zhruba před pěti lety se v souvislosti s distribučními sítěmi nové generace začal používat termín smart grids. Smart grids můžeme definovat jako inteligentní, samočinně se řídící a regulující přenosové/distribuční sítě, schopné přenášet elektřinu vyrobenou z jakéhokoliv zdroje od centralizované i decentralizované výrobny až ke konečnému spotřebiteli, a to vše s minimem lidských zásahů. Tyto sítě umožní optimální využití elektřiny z obnovitelných zdrojů, což povede k podstatnému snížení emisí CO 2. Zároveň jsou schopné samy reagovat na hrozící přetížení v síti a přesměrovat tok elektřiny, čímž předcházejí možným výpadkům. Máme-li uvést základní atributy těchto sítí nové generaci, musíme především zmínit plnou automatizaci zahrnující digitální kontrolní a řídicí systém, integrované senzory monitorující chování sítě a automatické obnovování provozu po poruše, včetně procesu sebezotavení. Nedílnou součástí je dostupnost informací v reálném čase o zatížení sítě, kvalitě dodávky, přerušení apod. Hlavními přínosy plné automatizace jsou lepší kontrola nad sítí spolu s minimalizací možných poruch a výpadků díky možnosti flexibilně přesměrovat tok elektřiny, a izolovat tak postižené místo, což samozřejmě vede i ke zlepšení kvality dodávky elektřiny. Plná integrace zákazníků spočívající jak v instalaci digitálních měřidel dovolujících obousměrný přenos informací, tak v začlenění zákaznických elektrických zařízení přímo do sítě. Přesné informace v reálném čase umožní vznik sofistikovaných tarifů stanovujících cenu za spotřebovanou elektřinu podle aktuální situace v síti. To spolu se schopností ovládat dálkově "chytré" domácí spotřebiče dá zákazníkům příležitost lépe řídit svoji spotřebu, např. zapínat ohřev teplé vody nebo praní prádla, pouze existuje-li v síti volná kapacita. Na druhou stranu energetické společnosti získají 304

305 přesné informace o chování jednotlivých zákaznických segmentů, což v ideálním případě povede ke zkvalitnění jejich služeb. Smart grids zapojí do tradiční distribuční sítě další výrobní zdroje a umožní obousměrný tok elektřiny k zákazníkovi i od něj. Do sítí budou elektřinu dodávat nejen dnes běžné velkokapacitní elektrárny, ale navíc budou zapojeny menší lokální či regionální zdroje, jako například palivové články, solární elektrárny, větrné farmy, mikroturbíny a jiné decentralizované technologie výroby elektřiny. Tímto bude umožněno, aby koncoví zákazníci z řady měst a obcí či obchodních firem a průmyslových podniků vyráběli elektřinu vlastními zdroji a její přebytky dodávali do sítě, případně při jejím nedostatku ze sítě čerpali. Předpokladem je samozřejmě také obousměrný tok elektřiny mezi distribučními a přenosovými soustavami. Chytré sítě ve světě Téma smart grids je již určitou dobu aktuální v USA i v zemích Evropské unie, a to jak mezi státními a správními orgány, tak v soukromém sektoru. Ve Spojených státech se oblastí smart grids zabývá přímo ministerstvo energetiky, které před dvěma lety vyhlásilo program s názvem Strategie moderní sítě. Tento program se soustředí na vývoj a zavedení technologií v oblastech integrované komunikace, pokročilých zařízení, metod řízení sítě, měření a vyhodnocování stavu sítě a jejích komponent a systémů pro podporu rozhodování. Nejpokrokovějšími státy jsou z pohledu implementace konceptů smart grids Kalifornie a Colorado. V San Diegu místní energetická společnost San Diego Gas & Electric ve spolupráci s lokální univerzitou připravila v roce 2006 studii, která navrhla a prioritizovala hlavní iniciativy pro vytvoření inteligentní sítě do roku Součástí studie byla také kvantifikace přínosů v oblasti úspor při údržbě sítě, vyššího využití přenosových kapacit, snížení poptávky po energii ve špičkách, vytvoření pracovních míst v regionu atd. Z dlouhodobého pohledu dvaceti let mohou tyto přínosy celkem dosáhnout téměř 3 miliard USD při investicích přibližně 0,5 miliardy USD a provozních nákladech 25 milionů USD ročně. Situace ve městě Boulder v Coloradu je ještě o krok dále. Iniciátorem je zde energetická společnost Xcel Energy, jeţ ve spolupráci se Smart Grid Consortium provádí analýzu současného stavu infrastruktury ve městě s cílem stanovit rozsah a směr výstavby smart grid. Dle předběžného plánu má být celé město pokryto inteligentní sítí do roku 2010, přičemž celková investice obnáší cca 100 milionů USD. Síť bude tvořena prvky pokročilých komunikačních technologií a chytrými elektroměry s programovatelným ovládáním pro domácnosti, které umožní uživatelům automatizovat kontrolu nad spotřebou elektrické energie. Nabyté zkušenosti budou následně využity při plánování implementace smart grids ve všech sítích Xcel Energy. V Evropě vývoj na tomto poli také nestojí. V rámci institucí EU zahájila v roce 2005 svou činnost skupina pojmenovaná Smart Grids European Technology Platform. Jejím cílem je vytvořit společnou vizi pro rozvoj moderní evropské elektrické sítě do 305

306 roku 2020 a tuto vizi také implementovat v jednotlivých zemích. Platforma sdružuje více než 200 expertů z energetických společností, dodavatelů zařízení, poradenských společností, politických i akademických kruhů. Jedním z jejích prvních výsledků je dokument Strategický plán pro energetické technologie (Strategic Energy Technology Plan). Dokument stanovuje energetické cíle EU do roku Kromě podpory biopaliv a technologií pro snižování CO2 se zaměřuje také na další oblasti - vznik inteligentních elektrických sítí včetně skladovacích zařízení pro elektrickou energii. Tyto sítě by také měly umožnit integraci všech obnovitelných decentralizovaných výrobních zdrojů a také zavedení efektivnějších koncových zařízení a systémů, např. palivových článků apod. V několika státech EU již začaly energetické společnosti přicházet s konkrétními projekty. V Portugalsku plánuje do konce roku 2009 konsorcium InovGrid investovat do vzniku inteligentních sítí 20 milionů eur. Spotřebitelů se tato investice dotkne prostřednictvím instalace energy boxu v každém domě. Ten v první fázi umožní domácnostem zjednodušenou správu účtů za elektřinu a dále pak domácnostem s generátory energie z obnovitelných zdrojů obousměrný tok elektrické energie, tzn. její nákup i dodávku do sítě. Ve španělské části Pyrenejského poloostrova firma Iberdrola pracuje na definici a testování nové otevřené veřejné telekomunikační architektury, která bude sloužit jako podpora "chytrým" elektroměrům a rovněž bude základem architektury budoucích inteligentních elektrických sítí. Nicméně aktivní v této oblasti nejsou pouze jihoevropské státy, Irsko nedávno oznámilo svůj záměr investovat do inteligentních elektroměrů a sítí 10 miliard USD jako součást své snahy o snížení emisí CO2 pod limity stanovené EU. V řadě evropských zemí jsou navíc technologické inovace a investice do nich přímo či nepřímo podporovány místními energetickými regulačními úřady. EU předpokládá, že instalace chytrých měřidel v distribuční síti dosáhne v roce %. Chytré sítě u nás U nás energetická společnost ČEZ představila pilotní projekt Smart Region, vůbec první projekt tohoto typu v České republice. V průběhu pěti let investuje půl miliardy korun do zavedení a testování inteligentních technologií v distribuční síti města Vrchlabí. ČEZ plánuje vybavit přibližně 4500 vrchlabských domácností a podniků Smart Meters (chytrými měřidly). Jedná se o moderní elektroměry, které měří spotřebu energie podrobněji, díky čemuž bude mít odběratel lepší přehled o své spotřebě energie a bude moci ji více ovlivnit. V budoucnu bude mít odběratel na výběr ze širší nabídky tarifů šitých na míru jeho potřebám, podobně jako je tomu nyní u tarifů mobilních operátorů. Prostřednictvím instalace chytrých měřidel ČEZ plánuje vyzkoušet nový koncept řízení spotřeby a výroby elektrické energie. Také nainstalují prvky automatizace a monitoringu distribuční sítě na úrovni sítí nízkého a vysokého napětí a distribučních trafostanic, které umožní přesměrování toku energie v případě výpadků. Nové funkcionality umožní zmenšit rozsah poruch v části sítě nízkého napětí. Dalším komponentem projektu Smart Region je vybudování infrastruktury pro elektromobily. ČEZ chce ve Vrchlabí postavit několik dobíjecích stanic a poskytnout 306

307 městu několik elektromobilů. Akumulátor v elektromobilu může v budoucnu sloužit k vyrovnávání špiček v odběrovém diagramu a tím pomoci k celkové vyváženosti mezi dodávkou a oděrem elektrické energie v distribuční síti. Kromě využívání energie z velkokapacitních elektráren budou zapojeny lokální zdroje energie, tzn. jednotky kombinované výroby tepla a elektrické energie a různé typy obnovitelných zdrojů energie. Nebude již docházet k tomu, že obnovitelné zdroje budou distribuční síť destabilizovat, naopak budou efektivně doplňovat současné zdroje energie. Lokální výrobní zdroje umožní vytvoření a testování tzv. řízeného ostrovního provozu, coţ je bilančně vyrovnaný provoz mezi spotřebou a výrobou ve Smart Regionu. Budoucnost chytrých sítí V novodobé koncepci využití elektrické energie, která počítá se zaváděním úsporných opatření s cílem snižování emisí a využitím "zelených" a distribuovaných zdrojů energie, bude potřeba adekvátně přizpůsobit i elektrické distribuční sítě. Smart grids je bezesporu způsob, který je reálně uskutečnitelný a nabízí vše podstatné. Je však potřeba podotknout, že jeho úspěšná implementace nezávisí pouze na technické stránce sítě, nýbrž je úzce spjata i s dalšími oblastmi. Bude potřeba dále provádět intenzivní výzkum a vývoj se zaměřením na distribuované zdroje a skladování energie, které jsou klíčovým prvkem a důvodem vzniku inteligentních sítí. Velkou pozornost je nutné věnovat vývoji obslužných zařízení sítí a jejich standardizaci, ale také vlastní logice a systémům řízení sítí. Nemalou pozornost bude vyžadovat také nastavení architektury pro komunikaci mezi jednotlivými elementy. Podniky a domácnosti budou vyžadovat podporu při zavádění distribuovaných zdrojů energie, které budou šetrné k životnímu prostředí, a také úsporných opatření. S ohledem na lepší balancování dodávek energie do sítě bude také potřeba lépe plánovat její spotřebu. Regulátoři pak budou muset zohlednit tato omezení ze strany spotřebitele např. v nastavení nových pravidel a cen s ohledem na čas dodávky a odběru, které budou účtovány v reálném čase. Mnohde bude také potřeba stanovit striktnější pravidla s cílem snižování regulovaných nákladů pro zajištění motivace stávajících operátorů sítí k úsporným opatřením, ale také připravit pobídky pro investory, kteří budou chtít smart grid implementovat Nároky na Smart grids Komunikace Komunikace mezi sítěmi musí být spolehlivá rychlá a co nejlevnější. Měla by být schopná získávat data a jejich vyhodnocením zajistit efektivní řízení celé sítě. Umožnit zakomponování energii z obnovitelných zdrojů a obousměrný tok energie. Dále usnadnit zapojení elektromobilů a jejich nabíjecích stanic. Pro přenos datového, obrazového, hlasového a ochranného signálu by měla využívat satelitní komunikaci. Která by zajistila co největší efektivitu správy sítí, možnost zvětšení sledované oblasti a hlavně rychlé vyhledání a následně odstranění poruchy. 307

308 Komunikace přes systém dodávky energie se nabízí jako nejrychleji aplikovatelná možnost, za předpokladu použití pro malé objemy dat. Tento systém se skládá ze tří úrovní, které mohou být použity jako přenosné médium při realizaci Power Line Communication (PLC) sítě. Vysoké napětí ( kv)-sítě propojující elektrárny s velkým dodávkami do regionů nebo, se zaměřením na velké zákazníky. Obvykle pokrývají velmi dlouhé vzdálenosti, většinou v rámci kontinentů. Bývají realizovány nadzemními elektrickými kabely. Střední napětí (MV) (10-30 kv)-sítě pokrývající větší plochy, města a ve velkých průmyslových územích. Vzdálenosti jsou podstatně kratší než u vysokonapěťových sítí. Vedení je realizováno jako u vysoko-napěťových sítí nad zemí nebo mohou být realizovány podzemním vedením. Nízké napětí (230/400 V, v USA 110 V)-sítě dodávající energii přímo koncovým uživatelům nebo distribuované většími společnostmi. Jejich délka je obvykle kolem stovek metrů. V městských oblastech jsou sítě nízkého napětí realizovány podzemními kabely, zatímco ve venkovských oblastech, existují jako nadzemní venkovské sítě. Elektroinstalace v domech patří do nízko-napěťové síťové úrovně. Zařízení v domech jsou ve většině případů vlastnictvím uživatele. Do napájecích sítí jsou pak připojeni přes elektroměry, zde se pro aplikaci do chytrých sítí přímo nabízí využívání inteligentních elektroměrů. Zbývající část vnější sítě patří distributorovi. Napájení sítě umožňuje přímo připojit koncové zákazníky, a to ve velmi velkém počtu domácností po celém světě. Proto se zdá že, aplikace technologie PLC v nízkonapěťové síti, má perspektivu, co do počtu připojených zákazníků. Nízko-napěťové sítě mohou zahrnovat pouze několik posledních stovek metrů mezi zákazníkem a transformátorem a právě zde se nabízí alternativní řešení pomocí PLC technologie pro realizaci tzv. poslední míle v oblasti telekomunikačního přístupu. IEC Jedná se o soubor norem, které specifikují nové metody komunikace a komunikačních protokolů pro oblast energetiky a energetických soustav. Dřívější metody a protokoly neumožňovali vytvářet komunikační systémy, které by byly flexibilní. A stávají se nevyhovující nejen současným, ale i budoucím požadavkům energetického průmyslu. Naopak soubor norem IEC toto vše umožňuje a stává se tím mezinárodně uznávaným standardem pro řízení rozvoden elektrizačních sítí. Tento soubor určuje pravidla komunikace zařízení v rozvodnách a mezi dalšími členy energetické soustavy. Dále obsahuje definice komunikačních protokolů a standardy řídicích funkcí. Umožňuje také vytváření systému pro komunikaci zařízení od různých výrobců a zajišťuje jejich vzájemnou součinnost. Jeho funkcí může každý uzel připojený jako klient řídit provoz na síti a komunikovat se všemi servery i podřízenými 308

309 zařízeními. Také dovoluje sbírat provozní data od zařízení a vytvářet z nich grafy časových průběhů pro analýzu událostí. Pro uživatele má přínosy v podobě zjednodušení integrace zařízení v systému, komunikace splňující požadavky automatizovaných rozvoden a možnost zjištění přenosu dat mezi klienty a službami. Systém IEC Tento systém, jehož součástí jsou výše zmíněné normy IEC je jedním z nejvýznamnějších zdokonalení technologií automatizace transformoven, usnadnění komunikace a systému jejich ochrany. V jejich případě se jedná o protokol umožňující otevřenou komunikaci zařízení od libovolného výrobce v transformovně. Tato komunikace probíhající v reálném čase významně zvyšuje jejich efektivitu. Dále tento systém přispěl k nahrazení tisíců měděných vodičů, nutných pro funkci transformoven, několika optickými kabely. Sběr dat U běžných Automatic Meter Reading (AMR) a Automatic Meter Management/Advanced Metering Infrastructure (AMM/AMI) měřicích technologií, které jsou v současné době nejčastěji využívané technologie, se obvykle odečítají následující skupiny dat: identifikační, denní (fakturační) a stavové registry. Jejich souhrnná velikost se pohybuje okolo 1-1,5 kb dat. V komplexnějších aplikacích měření se odečítají i 15-ti minutové profily napětí, tj. 3-9 kb podle počtu fází měřidla. V ČR je průměrný počet měřidel za Distribuční trafostanice (DTS) okolo 80, takže 80 kb denně zpracuje jeden koncentrátor, pakliže vezmeme v úvahu ad-hoc komunikaci, jedná se o 120 kb dat. Ovšem pro městské DTS je běžné 200 až 900 měřidel. Ročně je pak potřeba zpracovat a přenést kolem 120MB dat z průměrné DTS (obousměrně) a z DTS velkých aglomerací až 1GB dat. V následující tabulce je přehled nejčastěji používaných komunikačních technologii a jejich základní parametry. Komunikační technologie Modulace Rf pásmo Rychlost (kbit/s) PLC 1.G FSK 3-65KHz 0,3-1,2 PLC 2.G BPSK, S-FSK 3-65KHz 2,4-3,6 PLC 3.G OFDM 3-65KHz BPL OFDM 1,8-18MHz RF 868MH FSK MHz 1,2-152 RF 2,4GHz OFDM 2,41-2,48GHz

310 RF GPRS 2.G GMSK MHz 9,6 RF GPRS 3.G OFDM 1,7-1,88GHz Malé objemy dat Tab Nejčastěji používané komunikační technologie Jedná se o přenos denních hodnot jedenkrát denně, asi 1-2 kb na měřidlo. Seřazení podle možností přenosu dostupnými komunikačními technologiemi je pak následující: Kvalitní úzkopásmové PLC technologie druhé generace poskytují poměrně stabilní výsledky i na koncentrátorech s téměř 1000 měřidly. Úzkopásmové PLC 3. generace jsou vývojově relativně nové a proto, jsou zkušenosti z praxe omezeného rozsahu, přesto je lze považovat za další možný směr vývoje. Broadband PLC technologie je pro tento účel více než dostačující. Momentální situace nasazení v oblasti chytrých měření zaručuje zrychlený vývoj vedoucí k většímu tlaku na kvalitní podporu správy a síťového managementu. GPRS technologie 2. i 3. generace také poskytuje dobré výsledky, a to jak v koncentrátorech, tak i v měřidlech. Radiofrekvenční technologie v pásmu 868MHz je striktně omezena výkonem a tedy dosahem vzdálenosti. Není tedy vhodná pro instalace s nízkou územní hustotou měřidel. Radiofrekvenční technologie v pásmu 2,4 GHz je v Evropě téměř nepoužitelná, protože je masivně využívána pro HAN, MAN a WAN-řešení. V ČR je ve velké míře využita i pro poskytování internetové konektivity. Střední objemy dat K přenosům denních hodnot jsou jednou za den přenášeny i 15-ti minutové profily spotřeby, tedy asi 3-6 kb dat na měřidlo. Přehled komunikačních technologií je následující: Kvalitní úzkopásmové technologie PLC druhé generace neposkytují tak stabilní výsledky jako v případě zpracovávání malých objemů dat. Při větším objemu, a déletrvající komunikaci se výrazněji projevuje vliv rušení, a to i s řadou různých opravných mechanismů. Největší omezení se projevuje na koncentrátorech s 300 a více měřidly. Rychlost a další vlivy neumožňují bezchybný přenos takového objemu dat do koncentrátoru. Pro úzkopásmové PLC 3. generace platí totéž co pro malá data. Pro broadband PLC technologie platí totéž co pro malá data. GPRS technologie 2. i 3. generace poskytuje dobré výsledky v měřidle. V případě koncentrátoru se pak významněji projevuje vliv negarantované služby. Pro vetší datové soubory jsou na horších částech sítě GPRS problémy 310

311 se stabilitou v delším časovém úseku a tedy komplikace při přenosu větších dat. Pro radiofrekvenční technologie v pásmu 868MHz platí totéž co pro malá data. Pro radiofrekvenční technologie v pásmu 2,4 GHz platí totéž co pro malá data. Velké objemy dat K přenosům denních hodnot jsou jednou denně přenášeny 15-ti minutové profily spotřeby i s dalšími daty, například 10ti minutové profily napětí, a tedy 10 kb a více na měřidlo. Pro tyto velikosti platí u přenosových technologií následující: U kvalitní úzkopásmové technologie PLC druhé generace se na velkém objemu dat již výrazně projevuje vliv rušení, což znamená značné omezení pro koncentrátory se 150 a více měřidly. Úzkopásmové PLC 3. generace bude mít stejné problémy jako PLC předchozí generace na středním objemu dat. Pro broadband PLC technologie platí totéž co pro malá data. GPRS technologie 2. i 3. generace má obdobné problémy jako koncentrátor na místech se špatným stavem GPRS i na měřidle, v případě koncentrátoru se může velmi citelně projevit vliv negarantované služby. Radiofrekvenční technologie v pásmu 868MHz dosahuje v tomto případě hranic svých limitů, podobně jako PLC. Pro radiofrekvenční technologie v pásmu 2,4 GHz platí totéž co pro malá data. Pokud budeme vycházet z předchozího přehledu, jeví se jako ideální přenosová technologie GPRS technologie 2. a 3. generace. Tato technologie by měla poskytovat dobré výsledky, jak u malých, středních, tak i velkých objemů dat. Tento fakt je simulován teoretickou sítí v simulačním programu Opnet IT Guru Academic Edition a výsledky jsou pak vyneseny do grafů. Velká data a problémy se sběrem dat V malém měřítku nejsou objemy dat až tak závratné. V pilotních projektech SG (např. Mikroregion Vrchlabí) jsou testována chytrá měřidla v řádech tisíců kusů. Měřící technologie AMM dává možnost získávat obrovské množství dat z různých senzorů, aktorů a elektroměrů. Tyto data je potřeba identifikovat dle významu a určení jejich příjemců a následně rozhodnout jakým způsobem je zpracovávat. A dále uchovávat jen ta data, která potřebujeme. Za předpokladu zapojení všech odběratelů do systému SG objem dat násobně vzrůstá, navíc s postupem času a zaváděním Smart Meteringu (SM)se budou zvyšovat požadavky i na celý systém fungování SG. Při zjednodušené představě a vybavení 80% domácností i všech ostatních maloodběratelů a velkoodběratelů technologii AMM a použití dat Energetického regulačního úřadu (ERÚ) z konce roku 2010, vychází odběrových míst. Za předpokladu informace o spotřebě, která má velikost 10 kb a odesílání jednou měsíčně, za rok tedy celkem 580GB dat není mnoho. Toto je však pouze pro dálkový odečet jednou měsíčně. Pilotní projekty ukazují (např. Smart region Vrchlabí, 311

312 Yokohama smart city project), že v průměru každé měřidlo generuje jednu alarmovou zprávu či upozornění za týden. Tento typ informace zabírá jen okolo 1 kb, avšak za celý rok může datové centrály zatížit až 256 GBdat. Při pouhém nahrazení systému Hromadného dálkového ovládání (HDO), kdy se dvakrát denně přepíná tarif zprávou o velikostí 1 kb, zvyšuje se objem dat až na 3,5TB ročně. Toto jsou tři různé typy dat, které budou zatěžovat přenosové systémy ve velmi zjednodušené variantě konceptu SG. Bude-li potřeba online měření a informace spotřebiteli odesílat mnohem častěji než jen dvakrát denně a přibudou-li další funkce (jako je např. dálková správa a sledování aktuální spotřeby), pak obrovsky stoupne objem dat, která se budou muset spolehlivě přenést a případně uložit. Zde se pak projevují dva hlavní problémy. Prvním jsou používané komunikační linky, které v současnosti neumožňují online řízení. Hlavně pak Power line comunication (PLC), jako perspektivní se jeví Broadband over Power Line (BPL) nebo Long Term Evolution (LTE) z dostupných telekomunikačních operátorů. Využití optických vedení by bylo technicky ideální, ekonomicky je však nevhodné. Druhým problémem jsou databázové systémy, které ve většině případů nejsou připraveny na rychlou práci s velkými objemy dat. Jako slibná technologie se nabízí In memory databáze, ty zpracovávají data ve své operační paměti a díky tomu dosahují výrazně lepších výkonnostních parametrů Transformovny Transformovny jsou životně důležitá zařízení pro rozvodnou síť. Jejich součástí jsou vybavení pro sledování, ochranu a ovládání přenosu a rozvodu elektřiny. Díky těmto vlastnostem jsou považovány za efektivní a spolehlivé dodavatele energie. Dále budou převádět energii z elektráren do sítě a propojovat rozvodný systém. V rámci inteligentní sítě budou transformovny koordinovat tok elektrické energie spolu se správou sítě a dalšími zařízeními. Také překlenou dodávku energie ze zdrojů do sítě a propojí rozvodnou a přenosovou síť. Schopnost komunikace transformoven s ostatními prvky sítě se velmi zvýší. Tím bude dosaženo vyšší míry soběstačnosti sítě, která umožní spolehlivější a efektivnější zásobování energii. Skladování energie Skladování neboli akumulace energie je důležitým faktorem, zvláště při výrobě energie i v době, kdy nemá žádný odběr. V tomto okamžiku přichází potřeba akumulovat energii a uchovat ji pro akutní potřeby. Ze střídavého 3f proudu energii akumulovat nemůžeme, možností je přeměna na energii stejnosměrnou, kterou akumulovat můžeme. Výjimkou, kdy není potřeba přeměna ze střídavé energie na stejnosměrnou, tvoří generátory, rotační motory a využití akumulace tepelnou energii. Zásobníky energie mohou být rozděleny na přímé a nepřímé. Současné prostředky jsou schopné uchovat asi 20MW energie a to pouze po dobu desítek minut. Tato uchovaná energie vystačí zhruba pro chod deseti tisíc domácností po dobu nezbytně 312

313 nutnou k opravám poruch nebo připojení náhradního zdroje energie. Vize do budoucna zvažují variantu akumulace přibližně 50MW energie po dobu jedné hodiny. Takto naakumulovaná kapacita by se dala využít k vyrovnání kolísavé produktivity solárních a větrných elektráren a zajištění rezervy při výpadku sítě a jejímu restartování. Na Aljašce ve Fairbanks pak funguje akumulátorový systém pro uchovávání energie (BESS), který dokáže zajistit po dobu šesti minut 40MW energie nebo po dobu patnácti minut 27MW energie. V dopravním provozu jde o princip využití rekuperace, kdy energie vzniklá při brzdění je ukládána do baterií a následně využívána v dalším provozu. Příkladem je uchování energie při brzdění vlaků a následném odběru ze sítě při dalším provozu. Dalšími metodami akumulace jsou: Elektrická (kondenzátory, superkondenzátory) Elektromagnetická (elektromagnetické pole kolem supravodičů) Elektrochemická (klasické akumulátory, palivové články) Tepelná Mechanická - Tlaková (akumulace stlačeného vzduchu) - Kinetická (setrvačníky) - Potenciální (přečerpávací vodní elektrárny) Měřicí technologie Smart Grids V kontextu s měřením a řízením spotřeby se vyskytují pojmy jako FACTS, HVDC, AMR, AMM, AMI, SM a HDO. Jedná se o technologie, které vytvářejí informace pro komunikaci mezi odběratelem a spotřebitelem. V následujícím přehledu jsou tyto technologie stručně přiblíženy. Flexible AC Transmission Systems (FACTS) FACTS je zkratka pro obecné označení technologií, které zvyšují kapacitu, ochranu a flexibilitu elektrických vedení. Důraz je kladen na zvyšující se kapacitu vedení, maximální průchodnost energie, odstranění problémových míst s využitím solárních a hlavně větrných elektráren. Které způsobují velké kolísání toku energie v závislosti na povětrnostních podmínkách a přináší problémy do rozvodné soustavy. Technologie stejnosměrného vysokého napětí (HVDC) Technologie HVDC umožňuje přenos elektrické energie na velké vzdálenosti s využitím méně kabelů a s menšími ztrátami, než klasickým střídavým napětím, které jsou způsobeny nekmitavým proudem. K převodu proudu ze stejnosměrného charakteru na střídavý a naopak je drahá záležitost. Tuto technologii se vyplatí používat na velmi dlouhá vedení, obvykle u klasických kabelů nad 600km, u podmořských nad 50km. Další výhodou je možnost propojení nezávislých střídavých 313

314 sítí. Tato možnost zvyšuje efektivitu přenosu a dokáže vyrovnávat kolísání toku energie. Automatic Meter Reading (AMR) Tento systém se používá k odečítání dat odebrané energie u zákazníka. Data jsou pak odesílána do datové centrály, kde jsou zpracována. V podstatě se jedná o dálkové automatické odečty. Je jistá forma vylepšení klasických odečtů, kdy zde odpadá potřeba pověřené osoby, která by manuálně provedla odečet. Automatic Meter Management, Advanced Meter Management (AMM) Jedná se o systémy, které dokáží informace nejen odesílat, ale i přijímat, čímž rozšiřují možnosti AMR o další funkce, jako např. řízení cenových tarifů, dálkové odpojení odběrného místa (ochrana před neplatiči), dálkové nastavení maximálního vstupního příkonu (tzv. Demand Management) atd. Systém AMM by měl být schopen nahradit kombinaci AMR a HDO (hromadné dálkové ovládání). Advanced Metering Infrastructure (AMI) Systém AMI by měl být rozšířením AMM o možnost řízení některých spotřebičů odběratele na základě vyhodnocení odečtených a přijatých dat. Jedná se tedy o ještě chytřejší systém než předchozí AMR a AMM. Jsou kladeny vysoké požadavky na komunikaci, především v oblasti rychlosti přenosu velkých objemů dat s co nejmenším zpožděním a téměř v reálném čase. Systém hromadného dálkového ovládání (HDO) HDO se skládá z technických prostředků (jako např. vysílače, přijímače, centrální automatika, přenosové cesty) umožňujících vysílat povely nebo signály za účelem zapínání nebo vypínání spotřebičů a přepínání tarifů. Systém využívá pro přenos informace silová vedení, kdy je impulzní kód superponován na základní kmitočet 50Hz. Signál je vysílán do každé fáze z rozvoden 110/22 kv do distribuční sítě a šíří se dále přes transformátory na nízké napětí až ke konečným spotřebitelům elektrické energie, kde dojde k povelu na stykači. Každý distributor má zvolený kmitočet, aby se navzájem neovlivňovali. Systém HDO se využívá k vyrovnávání spotřeby elektrické energie v rámci dne. Dosahuje se maximálního vyrovnání mezi hospodárnou výrobou elektrické energie, ekonomickým využitím přenosové soustavy a uspokojení odběratelů. Dále je možno ovládat veřejné osvětlení, osvětlené výlohy, dopravní značky apod. V teplárenství systém reguluje výměníkové stanice, aby byl provoz teplárny umožněn i za situace, kdy zdroje nemají potřebný výkon. Smart Metering (SM) Tento systém je posledním článkem vývojového řetězce elektroměrů. Nabízí mimo jiné i možnost řízení spotřebičů odběratele na základě vyhodnocení odečtených a přijatých dat a dovoluje také plánovat spotřebu. Pokud dojde k rozšíření na větší 314

315 území, byl by možný předpoklad, že realizací tohoto systému se nahradí systém HDO. Výhodou oproti AMI je možnost častějších odečtů (téměř v reálném čase). Instalací měřidel po přenosové trase je možné odhalit netechnické ztráty a v neposlední řadě je pak lepší rozložení zátěže. Komunikační technologie Smart Grids Podmínkou SG, co se týče komunikace prvků systému, je obousměrné předávání informací. Představa je taková, že jedním směrem proudí informace o spotřebě a požadavcích spotřebitele výrobcům, a informace o cenách elektřiny směrem ke spotřebiteli. Vše by mělo probíhat s co nejmenším zpožděním. Nutná bude snaha začlenit již fungující chytré měřiče a také budoucí do určitého systému komunikace. Dosavadní chytrá měřidla, ať už v ČR nebo EU, komunikují s nadřazeným prvkem buď kabelem (PLC,LAN), optickým vláknem, nebo bezdrátově pomocí různých komunikačních protokolů. Pro budoucí systém bude třeba tyto rozmanité typy komunikace přiměřeně sjednotit tak, aby vyhodnocovací software byl schopen komunikovat s měřidly. Přenosové technologie V závislosti na místě instalace měřidla (ve smyslu polohy odběrového místa) by měl být zvolen nejvýhodnější typ komunikace s nadřazeným systémem. Různé přenosové technologie používají k přenosu informace různé prostředky. V rámci této podkapitoly jsou popsány ty, které jsou vhodné pro koncept SM (zároveň jsou využívány a testovány v pilotních projektech různých energetických společností v kontextu se SM). Hlavní otázkou zůstává, zda je jednodušší a lepší pracovat jen s jednou přenosovou technologií, či se snažit o používání specifické přenosové technologie podle místa a možností odběru. Obě možnosti s sebou nesou výhody i nevýhody. Z hlediska nákladového se jeví jako lepší varianta ta, která přenos informace uskutečňuje podle specifických podmínek odběratele. Není ale vhodné stanovovat pevné priority sloužící k volbě přenosové technologie, protože každá má svá specifika a pro tyto specifika může být degradována jedna technologie před ostatními. Přehled možných technologii pro koncept Smart Meteringu: Global System for Mobile Communication (GSM) Jedná se o datovou síť. Vývoj této technologie se dělí do několika fází. Každá vždy přidává nové možnosti v závislosti na vývoji standardu hlavně okolo telekomunikačních služeb, kde je GSM celosvětově využívanou technologií pro komunikaci. General Packet Radio System (GPRS) Tato technologie je rozšířením sítě GSM a umožňuje rychlejší přenos dat (teoreticky až 171,2 kbit/s). Technologie využívá pakety a pracuje na protokolu IP (Internet Protocol). Skutečná rychlost komunikace závisí na rozdělení do tzv. timeslotů 315

316 v komunikačním kanále, což je dáno směrem komunikace a zvoleným komunikačním schématem. Stejně jako všechny zde zmíněné přenosové technologie pak svou rychlostí plně postačuje nárokům SG, což dokazuje i simulace v programu Opnet IT Guru. Internet Je to celosvětová počítačová síť, kde spolu počítače komunikují pomocí protokolů TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol). Umožňuje i propojení jednotlivých podsítí dohromady. Každá stanice (počítač popřípadě budoucí smart meter) má svoji IP adresu, podle které je v síti identifikována. Provoz je pak směrován pomocí směrovačů (routerů). Výhodou je v tomto případě velké koncentrace a rozšiřitelnost míst s možností připojení k internetu, nevýhodou je pak bezpečnost. Power Line Communication (PLC) Jedná se o typ přenosu využívající vedení elektrické sítě. Tato technologie byla předurčena k vytváření lokálních sítí a připojení koncových uživatelů do sítě Internet. Vzhledem k možnosti využití stávající sítě pro přenos informace se PLC jeví jako ideální pro přenos informací mezi odběratelem a dodavatelem. Problémem této komunikace je, že elektrická vedení nejsou k přenosu informací přizpůsobena. Použití PLC se vyznačuje značným rušením především spotřebiči v síti a malým dosahem způsobeným velkým útlumem na vedení. V posledních dvou letech byly zavedeny standardy této komunikace, což bylo v minulosti označováno za další z nevýhod. Podle přenosové rychlosti a způsobu používání se tento typ komunikace označuje: Broadband over Power Lines (BPL) Power Line Telecom (PLT) Power Line Networking (PLN) Power Line Digital Subscriber Line (PDSL) Radio Frequency (RF) Radiofrekvenční přenos je bezdrátovou komunikací, nejčastěji provozovanou v pásmu 433MHz nebo 868MHz. Vyžívá se, vzhledem k nepotřebě vodičů, u odečtu vody a plynu a, vzhledem ke krátkému dosahu (stovky metrů), především v bezdrátové komunikaci mezi měřidlem a datovým koncentrátorem. Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) Jedná se o bezdrátovou technologii která se stále vyvíjí. Pracuje v licenční i bezlicenční pásmu. V husté zástavbě má dosah do 5km, ve venkovských oblastech pak zhruba 50 km. Tento dosah signálu je zajištěn vyšším vysílacím výkonem a použitím všesměrových antén. WiMax poskytuje kapacitu až 75 Mbit/s, která je však sdílená na jedné základnové stanici pro všechny uživatele. Využita může být v přístupových sítích a metropolitní bezdrátové komunikaci. 316

317 6.4. Bezpečnost Smart Grids Mezi jeden z nejdůležitějších faktorů při provozování inteligentních sítí patří bezpečnost. Mezi zranitelná místa patří hardware, software, přírodní podmínky a lidský faktor. Bezpečnost byla ověřována na 24 kontrolních systémech Národní laboratoří v Idahu a výsledky nebyly uspokojivé. Oprava chyb má dlouhodobý charakter a po opravení se objeví další odhalená chyba. Jedna z možností narušení bezpečnosti je způsobení black-outů nebo hacknutí inteligentních měřičů. Hrozby Nejčastěji zranitelná místa v operačních systémech jsou chybné předpoklady důvěryhodností, okamžik identifikace a autorizace, skryté sdílení, komunikace mezi procesory, přerušení a simulace komunikace útočníkem a nekontrolování počtu neúspěšných pokusů přihlášení do systému. Útoky na systém Mezi možnosti útoků patří snaha obcházení protokolu, prolomení zašifrovaných klíčů a jejich následné využití pro nežádoucí účely. Propojením sítě chytrými měřicími přístroji se ze soustavy stává počítačová síť, výrobci nemají zatím žádné zkušenosti se zabezpečením, proto musí být této skutečnosti věnována větší pozornost. Zatím je snaha o co nejlevnější provezení, a to na úkor bezpečnosti. Proto je nutné stanovit určité bezpečností limity a z nich vypracovat normy aplikace moderních šifrovacích systémů. S tím souvisí rizika jako neoprávněný odběr, fiktivní stav elektroměru, snaha o co nejmenší spotřebu, podvodné zvyšování odběru jiným stanicím, snaha o zničení celého systému za účelem sabotáže, která může mít právě díky propojení celých sítí, nejen regionální, ale i globální následky, krádeže hardwaru, neautorizované zpřístupnění informací, neoprávněné kopírování dat, znepřístupnění služeb, popírání odpovědnosti. Další zdroje Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky. [1.] NAVRÁTILOVÁ, Jana Marie. Kombinovaný systém vytápění a ohřevu teplé vody pro rodinný dům. Ostrava, Dostupné z: marie.webnode.cz/ f0f0aeb2/diplomová%20práce%20- %20Navratilova%20- %20Tepelne%20cerpadlo%20a%20solarni%20system%20pro%20vytapeni%2 0a%20pripravu%20TUV.pdf. Diplomová práce. VŠB Technická univerzita Ostrava, Fakulta strojní, Katedra energetiky. [2.] Národní spolek pro elektromobilitu a podporu moderních technologií [online] [cit ]. Dostupné z: 317

318 [3.] Elektromobily. Energetický poradce PRE [online]. Praha 1, 2014 [cit ]. Dostupné z: [4.] Elektromobily. In: Enviwiki: Enviwiki je specializovaná elektronická platforma věnovaná problematice vzdělávání v oblasti životního prostředí a udržitelného rozvoje. [online] [cit ]. Dostupné z: [5.] Úvod do problematiky inteligentních sítí. ABB [cit ], neuvedeno. Dostupné z: 73d004a5ede/$file/Smart+grids_cz.pdf [6.] SÚKUP, Tomáš. Chytré sítě, chytré spotřebiče a akumulace elektrické energie. Brno, Dostupné z: uence=1. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav. [7.] KAPOUN, Vladislav. Smart grids - chytré síte v energetice. Brno, Dostupné z: f?sequence=2&isallowed=y. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací.. 318

319 7 Oblasti úspor energií v inteligentních budovách 7.1. Inteligentní budovy Se zvyšující se životní úrovní, komfortem, požadavky uživatelů na vybavení a ovládání provozních funkcí budov, domů a bytů, ale i rostoucími cenami za energie, se stále častěji setkáváme s pojmem inteligentní budova. Jedná se o budovy s integrovaným managementem, tj. se sjednocenými systémy řízení, zabezpečení a správy budovy. Vhodným propojením vzájemných vazeb mezi nimi lze získat velice produktivní a nákladově efektivní systém, což umožní uživateli ovládání veškerých běžně využívaných funkcí tak, aby užívání bylo jednoduché a intuitivní, ale přitom efektivní, a v jeho nepřítomnosti udržuje budovu ve stavu s minimálními nároky na energie, avšak vždy připravenou ke komfortnímu využití. Tyto systémy se vykazují také vysokou flexibilitou a možností jednoduchého přizpůsobení se rostoucím nárokům do budoucna. Ke snižování energetické náročnosti nás ale nenutí jen finanční úspory, ale i vliv výroby energií na životní prostředí. Vzhledem ke skutečnosti, že podíl budov na celkové spotřebě energie v Evropské unii činí cca 40 %, byla vypracována směrnice o energetické náročnosti budov. Její poslední verzí je Směrnice Evropského parlamentu a Rady č. 2010/31/EU o energetické náročnosti budov. Ta mimo jiné přímo předepisuje, jakou může mít budova energetickou náročnost. Na základě první verze této směrnice (2002/91/EC) byla v roce 2007 také schválena norma EN Energetická náročnost budov Vliv automatizace, řízení a správy budov. Tato norma stanovuje čtyři třídy energetické účinnosti A D, přičemž hodnoty třídy C slouží jako referenční hodnoty pro porovnání činitele účinnosti. Jestliže je budova vybavena systémem automatizace a řízení, je zařazena do jedné z těchto tříd, viz následující tabulka. Automatizace a řízení budov třídy účinnosti podle EN Činitel účinnosti pro tepelnou energii Činitel účinnosti pro elektrickou energii Kancelá ř Škola Hotel Kancelá ř Škola Hotel A B C D Systém automatizace a řízení budovy (BACS) s 0,70 0,80 0,68 0,87 0,86 0,90 vysokou energetickou účinností Pokročilý BACS a a TBM vysoce 0,80 0,88 0,85 0,93 0,93 0,95 výkonný systém technické Standardní správy BACS budovy (TBM) BACS bez funkce 1,51 1,20 1,31 1,10 1,07 1,07 energetické účinnosti Tab Energetický štítek budovy EN

320 BACS: Building Automation and Control System = Automatizační a řídicí systém budov TBM: Technical Building Management = Technické zabezpečení budov 7.2. Spotřeba energií v budovách Výstavba a vlastní provoz budovy jsou závislé na množství spotřebované energii. Spotřeba energií v budovách roste. Snaha o její hospodárné využití a minimalizaci energetických nároků s ohledem na vložené investiční náklady vede k potřebě přesnějšího vyčíslení a posouzení variant řešení stavebně energetické koncepce. Odhaduje se, že množství energie spotřebované v budovách v Evropské unii dosahuje % celkové spotřebované energie, z toho asi dvě třetiny energie je využito v budovách určených k bydlení. V současnosti se poptávka po energiích v terciárním a rezidenčním sektoru zvyšuje o 1,2 % a 1,0 % za rok. V této souvislosti je kladen důraz na uspokojení energetických potřeb pro energeticky účinné budovy, se zajištěním provozně technických funkcí budov, s co možná nejmenšími náklady na spotřebovanou energii. Na obrázku je uvedeno rozvržení spotřeby energií v komerčních objektech. Největší náklady jsou v účelových budovách vynaloženy na osvětlení, vytápění, chlazení a ventilaci. Obr Spotřeba energií v komerčních objektech Při zjišťování stavu průměrného rozdělení roční spotřeby energií v domácnosti v bytech panelových domů, které provedlo Teplárenské sdružení ČR, vyšla největší spotřeba energie na vytápění 55 % a na přípravu teplé vody 24 %. 320

321 Obr Průměrné rozdělení roční spotřeby energie domácnosti v bytě. Zdroj: ČSÚ a Teplárenské sdružení ČR (2009) 7.3. Funkce managementu energií v budovách Jednou z nejdůležitějších úloh automatizace budov je kromě jejich automatické regulace, řízení a kontroly provozně technických funkcí zejména energeticky úsporný provoz. V zemích evropské unie se při projektování účelových staveb z důvodu úspory provozních nákladů používají inteligentní řídicí funkce s využitím výkonové automatizace. Z hlediska účelnosti vynaložených finančních prostředků na realizaci elektroinstalace v budově je uváděn graf závislosti celkových nákladů pořízení elektroinstalace na výkonnosti elektroinstalace, tzn. na množství ovládaných provozně technických funkcí v budově. Topení / Chlazení Ventilace / Klimatizace Osvětlení Ochrana proti slunečnímu záření A Individuální řízení jednotlivých místností s komunikací mezi kontroléry. Vnitřní měření teploty pro řízení teploty ve vodovodní distribuční síti. Úplné vzájemné blokování mezi řídicím systémem Řízení proudění vzduchu v místnostech v závislosti na požadavcích nebo přítomnosti osob. Nastavení teploty s kompenzací teploty dodávaného vzduchu. Automatické řízení denního světla. Automatická detekce přítomnosti osob, manuální zap./automatické vyp. Automatická detekce přítomnosti, manuální zap./stmívání. Kombinované řízení osvětlení/ žaluzií/topení/větrání/klimatizace (HVAC). 321

322 vytápění chlazení. a Řízení vlhkosti vstupujícího a vystupujícího vzduchu v místnosti. Automatická detekce přítomnosti, automat. zap./automatické vyp. Automatická detekce přítomnosti, automatické zap./stmívání. B Individuální řízení jednotlivých místností s komunikací mezi kontroléry. Vnitřní měření teploty pro řízení teploty ve vodovodní distribuční síti. Částečné vzájemné blokování mezi řídicím systémem vytápění a chlazení (nezávisle na systému HVAC= topení, větrání, klimatizace). Časově závislé řízení proudění vzduchu v jednotlivých místnostech. Nastavení teploty s kompenzací teploty dodávaného vzduchu. Řízení vlhkosti vstupujícího a vystupujícího vzduchu v místnosti. Manuální řízení denního světla. Automatická detekce přítomnosti osob, manuální zap./automatické vyp. Automatická detekce přítomnosti, manuální zap./stmívání. Automatická detekce přítomnosti, automat. zap./automatické vyp. Automatická detekce přítomnosti, automatické zap./stmívání. Motorické ovládání s automatickým řízením žaluzií. C Individuální automatické řízení jednotlivých místností Časově závislé řízení proudění vzduchu v Manuální řízení denního světla. Manuální spínač zap./vyp. + Motorické ovládání s manuálním ovládáním žaluzií. 322

323 termostatickými ventily nebo elektronickým řídicím systémem. Kompenzované řízení teploty ve vodovodní distribuční síti podle venkovní teploty. jednotlivých místnostech. Konstantní nastavení teploty vzduchu. Omezení vlhkosti vstupujícího vzduchu. přídavný pro zhasnutí. signál rychlé Manuální spínač pro zapnutí/vypnutí. Částečné vzájemné blokování mezi systémy řízení topení/chlazení (závislé na systému HVAC). D Žádné automatické řízení. Žádné řízení teploty vody v distribuční síti. Žádné vzájemné blokování mezi systémem řízení vytápění/chlazení. Žádné řízení proudění vzduchu v jednotlivých místnostech. Žádné řízení teploty vstupujícího vzduchu. Žádné řízení vlhkosti vzduchu. Manuální řízení denního světla. Manuální spínač pro zapnutí/vypnutí + přídavný signál pro rychlé zhasnutí. Manuální spínač pro zapnutí/vypnutí. Manuální ovládání žaluzií. Tab Seznam funkcí a přiřazení do tříd energetické účinnosti 323

324 Obr Závislost ceny na výkonnosti elektroinstalace Přesněji je tato závislost znázorněna na výše uvedeném obrázku, kde je provedeno porovnání investičních nákladů při použití klasické instalace a sběrnicové instalace KNX v závislosti na přidaných provozně technických funkcích. V rozsáhlých projektech komfortně vybavených bytových i nebytových objektů nelze od sebe oddělovat tzv. silovou instalaci a oblast měření a regulace. Ve sběrnicových elektroinstalacích, např. KNX jde o společný řídicí systém, který řídí spotřebu nejen elektrické, ale i tepelné energie. Navíc ji dokáže optimalizovat tím, že zabraňuje zbytečné spotřebě, takže dochází ke skutečně výrazným úsporám spotřebních nákladů. Při plném použití instalace KNX pro řízení provozně technických funkcí lze dosáhnout i 40% úspory provozních nákladů ve srovnání s přibližně stejně vybavenou klasickou instalací. Jako důvod této úspory se uvádí především schopnost systémové elektrické instalace komunikovat mezi všemi jejími prvky nebo dílčími podsystémy s možností vytvářet libovolné vzájemné vazby mezi provozně technickými funkcemi a dále snadná realizace dodatečných změn s následným ovládáním nově přidaných provozně technických funkcí. 324

325 Obr Porovnání investičních nákladů při použití klasické elektrické instalace a sběrnicové instalace KNX Snižování nákladů na realizaci systémové instalace lze uskutečnit rovněž v oblasti montáže instalace. Projevuje se zde snaha o snížení pracnosti montáže a současně zvýšení spolehlivosti systému používáním specializovaných přístrojů. Finanční náklady, které jsou vynaloženy od začátku do konce výstavby budovy, se označují jako celkové investiční náklady výstavby. Náklady na automatizační techniku, využívanou pro automatickou regulaci a kontrolu přístroje vytápění, klimatizace a činí 1,0 až 1,5 % celkových investičních nákladů. Jestliže mnohopodlažní budova kanceláří má pořizovací cenu například 50 miliónů euro, potom podíl sběrnicové techniky bude asi euro. Roční provozní náklady na spotřebovanou energii, které je možné technicky ovlivnit, představují podle rozsahu vybavení na jednu budovu 2,0 % až 4,0 % z původní ceny na výstavbu. 325

326 Obr Porovnání přídavných investičních nákladů a úspor provozních nákladů při použití sběrnicové instalace Při provozních nákladech na spotřebovanou energii 4,0% potom tyto náklady představují částku asi 2 miliónů euro za rok. Možnosti potenciálu úspory energií nasazením automatizace se podle konzervativních odhadů dají vyčíslit podílem 10% z celkových provozních nákladů. Z této úvahy vyplývá, že je možné uspořit při použití systémové techniky budov částku euro ročně pro uvedený příklad. To znamená, že návratnost investice do sběrnicových systémů budov činí přibližně 4 roky. Za dvacet let činí úspory na provozních nákladech celkem euro. Navíc k energetickým úsporám přistupuje optimalizace potřeby pracovních sil provozního personálu. Detailní porovnání ročních provozních nákladů při použití klasické elektrické instalace a sběrnicové instalace KNX s přidáváním provozně technických funkcí je na obrázku níže uvedeném. 326

327 Obr Porovnání ročních provozních nákladů při použití klasické elektrické instalace a sběrnicové instalace KNX Funkce managementu energií v automatizační rovině Velmi často mohou být programy pro optimalizaci spotřeby energií zabudovány přímo do jednotlivých zařízení. V případě, kdy není potřeba pravidelně nastavovat a seřizovat jednotlivá zařízení, jsou požadované funkce pro ovládání provozně technických funkcí v budově naprogramovány přímo do vestavěných DDC modulů (Direct Digital Control řídicí jednotka). V další části jsou uvedeny příklady napevno vestavěných programů, které mohou pracovat bez zásahů až do doby, kdy si stavební úpravy vyžádají zásadní změnu: Regulace entalpie Regulace entalpie se realizuje pro optimální nastavení klapek přiváděného a odváděného vzduchu v součinnosti s požadavky na HVAC (Heating, Ventilating and Air Conditioning vytápění, větrání a klimatizace) s ohledem na vynaložené náklady na spotřebovanou energii. Pro optimální regulaci ventilátorů s možností úspory energií je možné použít střídavý regulovaný pohon - frekvenční měnič. Adaptivní regulace Často uváděným příkladem adaptivního principu je ekvitermní regulace teploty přívodu topného okruhu. Snímač, který snímá venkovní teplotu podle požadované referenční hodnoty, je použit jako regulátor vytápění. Spínání spotřebičů a osvětlení U této aplikace lze uvést příklady připojení spotřebičů na základě řízení závislých událostí (přítomnost osob v místnosti, hlášení příchodu, popř. stav rezervací u pokojů v hotelu od pultu recepce). 327

328 Obr Spotřeba energie pro různé způsoby regulace ventilátorů při větrání a klimatizaci Spínání optimalizované v čase Tato funkce (tzv. klouzavé spínání ) představuje především zdokonalené časově závislé spínání na manažerské úrovni. Při optimalizovaném spínání se povely na sepnutí vydávají podle výpočtu nejpozději možných sepnutí a nejdříve přípustných vypnutí příslušného zařízení. Příkladem může být volba optimalizační adaptibilní automatické funkce, která ovládá tepelné vlastnosti budovy volbou startovacích a vypínacích časů na základě měření venkovní a vnitřní teploty. Obr Spínání optimalizované v čase na příkladu ústředního topení (funkce managementu energií) Noční chladicí provoz Tato funkce se využívá za horkých letních měsíců. Smyslem této funkce je nasát chladný noční venkovní vzduch do budovy. Když venkovní teplota klesne pod úroveň teploty v místnostech, tak se sepnou všechna větrací zařízení, která pracují s plným 328

329 podílem venkovního vzduchu. Hmota budovy a prostory jejich místností se používají jako chladící média. Regulace pásem nulové spotřeby energie je využívána u místností budov pro veřejnost, jako jsou divadelní sály, sály kin nebo prostory nákupních středisek. Energetických úspor se dosahuje vytvořením regulačního teplotního pásma, kdy se netopí ani nechladí, pouze se nastavením klapek reguluje oběh vzduchu, zejména přísun venkovního vzduchu. Tím se ušetří energie a její spotřeba poklesne k nule. Nevýhodou této funkce je, že v případě poměrně špatných regulačních prostředků není možno přesně nastavit teplotu na stanovenou referenční hodnotu. Obr Regulační pásmo nulové spotřeby energie (Funkce managementu energie) Cyklické spínání které se vyznačuje špatnými regulačními kvalitami, nabízí však značné úspory u předimenzovaných zařízení. Obr Cyklické spínání (Funkce managementu energie) Funkce managementu energií na manažerské úrovni Jestliže je nutné programy řízení provozu budovy z časového, nebo technologického hlediska neustále přizpůsobovat a vylaďovat, potom je vhodné funkce managementu energií (Energy Management) převést na počítač. Ten potom poskytuje obsluze větší komfort a širší nabídku řešení v následujících funkcích: 329

330 Energetický controlling V mnoha budovách se náklady na spotřebovanou energii nezaznamenávají ani neúčtují. Úspor lze dosáhnout zavedením spotřebitelsky orientovaného rozvržení nákladů energií. Příkladem může být vybavení budov digitálními měřiči elektroměry, vodoměry, plynoměry s přehledem spotřeby i nákladů. Připojení počítače do systému automatizace s obchodním zúčtovacím systémem umožňuje automatické vyúčtování a vystavení dokladu o jednotlivých položkách. Často se osvědčuje pouhá vizualizace spotřebovaných energií, která zajistí motivaci zaměstnanců k úspoře energií. Tab Energetický controlling (Funkce managementu energie) Omezení maxim zátěže Další funkcí managementu energií je funkce omezení maxim zátěže. Dochází zde k odpočtu hodnoty spotřeby elektrické energie v průběhu čtvrthodiny a určuje průměrný odebíraný výkon za tento časový úsek. Na základě měření dochází k prognóze výpočtu spotřeby elektrické energie. Pokud se počítá s tím, že bude překročena smluvně stanovení hodnota, potom zasáhne program a spotřebitele odpojí. Pomocí této funkce se odstraní nedoplatky poskytovateli elektrické energie. Nabízí však i možnost průběžného sledování průměrné spotřeby a tím i její snížení v důsledku optimalizace vnitropodnikového průběhu výroby. Časově ovládané spínání K funkcím managementu energií patří rovněž časově ovládané spínání provozně technických funkcí. Potenciál úspor se vytváří tím, že se provozní doby zařízení přizpůsobí skutečným časovým úsekům jejich využití. Je například snadné sladit ranní příjezd personálu budovy na parkoviště s časovým programem řízení osvětlení, závislým na východu slunce. Také u soukromých domácností lze tuto funkci použít pro regulaci vytápění v noci na temperování místnosti. V účelových stavbách jsou 330

331 tyto funkce běžně napojeny na řídicí počítač, jehož prostřednictvím se provádějí krátkodobé změny a vyladění. Funkce řízení prostředí a managementu energií v budovách Současný rozvoj automatizace budov se projevuje stále častějším uplatněním při výstavbě budov v průmyslovém, rezidenčním i terciálním sektoru. Z hlediska úspor energií hraje významnou roli vzájemná provázanost jednotlivých okruhů provozně technických funkcí v budovách. V následujícím přehledu jsou popsány příklady provozně technických funkcí se vzájemnými vazbami podle jednotlivých druhů technického zařízení a vybavenosti : Vytápění, chlazení, větrání (HVAC) Požadované jmenovité hodnoty pokojové teploty se nastavují v závislosti na přítomnosti a počtu osob monitorováním přítomnosti nebo snímačem přítomnosti. Hodnoty teploty v hotelových pokojích lze vyladit na požadovanou hodnotu v závislosti na jejich využití a na vazbě se systémem rezervací. Jestliže se v místnosti otevřou okna nebo dveře, vypínají se funkce vytápění nebo chlazení. Větrání se provádí v závislosti na kvalitě vzduchu v místnosti. Řízení osvětlení Ovládání osvětlení lze provádět manuálně ovladačem nebo pomocí snímače přítomnosti osob. Nastavení osvětlení například v hotelových pokojích lze realizovat podle způsobu použití a ve vazbě na systém rezervací. Konstantní osvětlení lze v místnosti ovládat pomocí snímače jasu. Osvětlení v místnosti lze regulovat podle jasu venkovního prostředí. Rozptýlené světlo v obytných prostorách lze regulovat nastavením lamel žaluzií podle intenzity slunečního svitu. Zastínění a žaluzie Zastínění místnosti před sluncem pomocí žaluzií lze ovládat pomocí časově nastavitelného zastínění místností. Regulaci rozptýleného světla lze provádět nastavením lamel žaluzií podle intenzity slunečního svitu. Používá se zde nastavení letního režimu proti přehřívání místnosti a zimního režimu k maximalizaci doby přímého slunečního svitu. Při nárazech větru se žaluzie automaticky svinou. Udržitelný rozvoj, příklady aplikací Na úsporu energií v budovách a tím i na udržitelný rozvoj v oblasti výstavby budov je možné se podívat také z pohledu architektů, kteří řeší návrh, účel a konstrukci budov. Pro dokreslení pohledu architekta na úsporu energií v budovách je zde použit citát architekta Jana Kaplického z roku 2001: Hlavními aspekty pro trvale udržitelný design je výběr materiálů a provozní náročnost budovy, když je postavena. Budova musí být soběstačná z 80% nebo více i v oblasti spotřeby energií. Dnes je například možné prodávat energii zpět do elektrické rozvodné sítě. Z hlediska dlouhodobých termínů je obtížné to vyčíslit. 331

332 Dosud neexistuje žádný způsob přesného měření. Úspora energií musí být zohledněna při konstrukci budovy a před tím také při výrobě materiálů. To také znamená, na úsporu energií a ekologii má vliv i stanovením množství a hmotnosti materiálů při výstavbě budov. To vede rovněž k menší spotřebě energií a prostředků při výrobě stavebních materiálů, tím pádem i k úspoře energií při výstavbě budov. V současnosti se realizují výzkumy v oblasti úspory energií v inteligentních budovách. Univerzita aplikovaných přírodních věd v Biberach, Institut pro energetické systémy ve stavbách, specializující se na automatizace v budovách uskutečnil v roce 2008 výzkum na téma jaký je potenciál energetických úspor při použití moderních elektrických instalací. Byla prokázána vysoká energetická účinnost ve stavbách se systémovou instalací. Mohou být sice rozdílné výsledky úspory energií u různých staveb, ale základní trend byl potvrzen: při použití inteligentní elektroinstalace dochází jednoznačně k úspoře energií oproti konvenčním technologiím, úroveň potenciálu úspor velice závisí na parametrech stavby a jejím tvaru, maximum energetických úspor je dosaženo při využití kombinací automatizovaných provozně technických funkcí, úspory jsou v podstatě vždy ve dvouciferných procentních hodnotách, investice do inteligentního řízení budovy je obecně nižší než konstrukční úpravy budovy, návratnost investice je poměrně krátká a zpravidla se pohybuje do 5 let. Dále jsou uvedeny příklady aplikace sběrnicového systému KNX s následnou úsporou energií: Při rekonstrukci střední školy Vorarlberg, Bezau v Rakousku došlo realizací zateplení pláště budovy a použitím sběrnicové techniky ke zmenšení spotřeby energie ze 160 na 25 kwh. Pomocí sběrnicového systému je zde ovládáno osvětlení podle přítomnosti, denního světla a časového programu, tepelná energie se šetří díky regulaci v jednotlivých místnostech, v závislosti na čase a pomocí vizualizace, je zde řešeno řízení automatického zastínění, všechny místnosti a stavy jsou vizualizované. Není zde však vyčíslen přesný podíl systémové techniky budov na celkové úspoře energií. V centru ABB v Odense v Dánsku bylo uspořeno za jeden rok provozu ve velkoplošných kancelářích 13% energií použitím sběrnicové techniky. Stavba má tři podlaží a 123 místností. Je zde automaticky řízeno topení a chlazení v závislosti na přítomnosti a programovém řízení, velký důraz byl kladen na ovládání osvětlení na konstantní osvětlenost. 332

333 Další zdroje Seznam další literatury, www odkazů ap. pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky. [1.] TAVLARIDU, Eliška. Ekonomické zhodnocení investice do energeticky úsporného opatření využívajícího tepelné čerpadlo. Olomouc, Dostupné z: Bakalářská práce. MORAVSKÁ VYSOKÁ ŠKOLA OLOMOUC, Ústav managementu a marketingu. [2.] SÚKUP, Tomáš. Chytré sítě, chytré spotřebiče a akumulace elektrické energie. Brno, Dostupné z: uence=1. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav. [3.] KAPOUN, Vladislav. Smart grids - chytré síte v energetice. Brno, Dostupné z: f?sequence=2&isallowed=y. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací. [4.] VAŇUŠ, Jan. VŠB, TU Ostrava, FEI, KAT 450, Řízení provozu budov. SBĚRNICOVÝ SYSTÉM KNX. 2013, 43 s. Dostupné z: 333

334 8 Způsob sériové komunikace se zařízeními Aplikace spadající do této kategorie mají jediný úkol a to zobrazovat odchozí a příchozí data přes sériovou linku RS-232. Většina takových aplikací se liší pouze počtem implementovaných funkcí a vzhledem či uspořádáním jejich GUI. Všechny aplikace umožňují nastavit sériový port, tzn. jméno sériového zařízení, které bude použito pro příjem/vysílání dat, rychlost komunikace, počet přenášených datových bitů, počet stop bitů, paritu nebo také druh řízení portu (softwarové, hardwarové nebo žádné). Mezi často implementované funkce může být zmíněn převod přijatých dat do hexadecimálního tvaru, logování přijatých případně i vysílaných dat nebo volba znaku/ů pro identifikaci konce řádku v přijatých datech. Známé sériové terminály Windows platforma HyperTerminal - standardně dostupný ve Windows (do verze Windows XP). Hercules Setup Utility - oblíbená volně šiřitelná aplikace firmy HW Group. Je komplexnější (obsahuje i TCP klient/server a umožňuje komunikovat i přes UDP protokol) a jednou z funkcí této aplikace je sériový terminál. Terminal - velice jednoduchý terminálový program. Obr Ukázka aplikace Hercules Setup Utility Linux platforma CuteCom - GUI terminál pro komunikaci po sériové lince, používá knihovny Qt. moserial - další GUI terminál, používá ale pro GUI knihovny GTK+. GtkTerm - jednoduchý terminál pro sériový port, také využívá knihovny GTK+. 334

335 microcom a minicom - velice oblíbené jsou tyto dva sériové terminály z oblasti příkazové řádky. Obr Ukázka aplikace CuteCom V linuxových systémech lze příjem a vysílání uskutečnit přímo z příkazové řádky bez dalších speciálních aplikací. Jen je nutné dávat pozor na to jak je sériový port nastaven (komunikační rychlost, parita, počet datových bitů, apod.). Pro nastavení parametrů sériového portu existuje několik aplikací, mezi nejpoužívanější patří tyto setserial a stty. Vysílání lze pak provést jednoduše pomocí přesměrování: echo vysílaná data > /dev/ttys1 Příjem dat lze provádět opět standardním linuxovým příkazem, výpis přijatých dat je zobrazen klasicky v terminálu: cat /dev/ttys1 Mezi multiplatformní sériové terminály pak lze zmínit aplikaci PuTTY, která umožňuje kromě připojení se k sériovému portu i připojení přes FTP nebo SSH. Velice zajímavý a dostupný pro nejpoužívanější platformy (Windows, Mac, Linux) je CoolTerm. Sériový terminál CoolTerm má přehledně zpracované uživatelské rozhraní. 335

336 Obr Ukázka aplikace CoolTerm Nejčastěji se terminály používají pro ladění sériové komunikace, jednorázového vyčtení hodnot/nastavení zařízení, dalším způsob využití je pro nastavení vzdálených zařízení (modemy, routery, vestavěné systémy apod.). Tento způsob se dá využít například i pro vzdálené připojení k Linuxovým systémům s povoleným přihlašováním přes sériový port, kdy jsou veškeré výpisy kernelu (i během procesu bootování systému) přesměrovávány na sériový port. Dnes tento způsob vytlačuje vzdálené připojení pomocí stále oblíbenějšího ssh přes ethernet či Wifi. Označení sériového portu v různých OS V operačním systému Windows jsou označeny sériové porty jako COM1. Kde číslo označuje číslo použitého sériového portu. Pokud by byl použit USB převodník na sériový port, ovladač zpřístupní tento sériový port jako virtuální sériový port či USB sériový port. Identifikace pro běžného uživatele pak probíhá přes aplikaci Správce zařízení, který je ve Windows dostupný přes Ovládací panely. Na obrázku níže je vidět, že standardní sériový port má označení COM1, zatímco USB sériový port je označen např. jako COM9. 336