ALTERNATIVNÍ ZDROJE ENERGIE

ALTERNATIVNÍ ZDROJE ENERGIE Ing. Tomáš Mauška, Ph.D. Praha 2010 Evropský sociální fond Praha & EU: Invesujeme do vaší budoucnosi

Obsah 1. Solární epelné sousavy... 4 1.1. Sluneční energie... 4 1.1.1. Původ... 4 1.1.2. Průchod slunečního záření amosférou... 5 1.1.3. Geomerie slunečního záření... 7 1.1.4. Sluneční ozáření na obecnou plochu... 10 1.1.5. Dopadlá sluneční energie a doba slunečního sviu... 10 1.1.6. Sluneční energie v ČR... 12 1.2. Solární epelné kolekory... 12 1.2.1. Princip... 12 1.2.2. Prvky solárního kapalinového kolekoru... 13 1.2.3. Typy solárních kolekorů... 16 1.2.4. Koncenrační kolekory... 22 1.2.5. Paramery solárního kolekoru... 23 1.3. Solární epelné sousavy... 33 1.3.1. Solární sousavy pro přípravu eplé vody... 34 1.3.2. Solární kombinované sousavy pro přípravu eplé vody a vyápění... 36 1.3.3. Solární sousavy pro ohřev bazénové vody... 40 1.3.4. Prvky solárních sousav... 41 1.3.5. Energeické paramery solárních sousav... 42 1.4. Navrhování a bilancování solárních sousav... 45 1.4.1. Pořeba epla... 45 1.4.2. Návrh plochy solárních kolekorů... 49 1.4.3. Sanovení ročních zisků solárních sousav... 53 1.4.4. Reálné energeické přínosy solárních sousav... 56 2. Tepelná čerpadla... 57 2.1. Základní principy... 57 2.1.1. Přečerpávání epla... 57 2.1.2. Carnoův oběh... 58 2.1.3. Parní oběh... 59 2.1.4. Diagram reálné pracovní láky (chladiva)... 60 1

2.1.5. Rankinův oběh... 61 2.1.6. Reálný oběh epelného čerpadla... 63 2.2. Prvky epelného čerpadla... 65 2.2.1. Kompresor... 65 2.2.2. Výparník... 67 2.2.3. Kondenzáor... 68 2.2.4. Škricí (expanzní) venil... 69 2.2.5. Chladiva... 70 2.2.6. Mazací oleje... 70 2.3. Charakerisiky epelných čerpadel... 71 2.3.1. Výkonové charakerisiky... 71 2.3.2. Skuečný opný fakor... 71 2.3.3. Podmínka energeické hospodárnosi epelných čerpadel... 72 2.3.4. Úspora energie a opný fakor... 73 2.4. Nízkopoenciální zdroje epla pro epelná čerpadla... 74 2.4.1. Země... 74 2.4.2. Voda... 81 2.4.3. Vzduch... 84 2.5. Navrhování epelných čerpadel... 88 2.5.1. Návrh výkonu a pokryí pořeby epla... 88 2.5.2. Provozní režimy epelných čerpadel... 90 2.5.3. Akumulační zásobník epla... 91 2.5.4. Hydraulická zapojení epelných čerpadel... 92 3. Biomasa... 93 3.1. Původ... 93 3.2. Zdroje biomasy a její energeické využií... 94 3.3. Druhy biomasy pro spalování... 95 3.4. Vlasnosi fyopaliv... 95 3.4.1. Chemické složení... 95 3.4.2. Obsah popela... 96 3.4.3. Další prvky... 96 3.4.4. Vlhkos... 96 3.4.5. Výhřevnos... 97 3.5. Spalování uhé fyomasy... 98 3.6. Spalovací zařízení na fyomasu... 99 2

3.6.1. Základní konsrukční uspořádání... 100 3.6.2. Regulace výkonu kolů na fyomasu... 100 3.6.3. Emise ze spalování fyomasy... 101 3.6.4. Lokální opidla krby a kamna... 103 3.6.5. Klasické kole na uhá paliva... 104 3.6.6. Zplyňovací kole s ručním přikládáním... 104 3.6.7. Auomaické kole s mechanickým přikládáním... 104 3.6.8. Rošové kole... 106 3.6.9. Zařízení pro spalování slámy... 107 3.6.10. Fluidní kole... 107 3.7. Navrhování sousav se zdroji epla na biomasu... 107 3.7.1. Trojcesný směšovací venil na vraném porubí... 108 3.7.2. Akumulační zásobník... 109 3.7.3. Skladovací prosor a manipulace s palivem... 110 Lieraura... 114 Přílohy... 115 Příloha A Sřední hodnoa slunečního ozáření G T,m... 115 Příloha B Teoreické denní dávky celkového slunečního ozáření H T,den,eor... 116 Příloha C Teoreické denní dávky difúzního slunečního ozáření H T,den,dif... 117 Příloha D Poměrná doba slunečního sviu τ r... 117 Příloha E Sřední venkovní eploy e,s a e,p... 117 Příloha F Diagram chladiva R 134a... 118 3

1. Solární epelné sousavy 1.1. Sluneční energie 1.1.1. Původ Země je součásí planeární sousavy, jejíž sředem je Slunce. Slunce je nám nejbližší a nejdůležiější hvězdou. Je rvalým zdrojem veškeré energie pro naší planeu. Slunce má var koule o průměru 1,39 10 9 m, j. 109krá věším než je průměr Země. Od Země je Slunce vzdáleno v průměru 1,5 10 11 m. Hmonos Slunce je 1,98 10 30 kg. Slunce se skládá převážně z aomárního vodíku (70 %), helia (28 %) a s neparným množsvím osaních prvků periodické sousavy (2 %). Všechny prvky jsou ve hmoě Slunce obsaženy ve skupensví plasmy. Zdrojem energie Slunce je ermonukleární reakce (jaderná synéza, fúze) probíhající v cenrálních oblasech Slunce, při níž dochází k přeměně vodíku na helium. Přeměna probíhá při eploě 13 10 6 K a laku 2 10 10 MPa, j. za savu, při němž jsou všechny aomy zcela ionizovány. Jádro aomu vodíku má za ěcho podmínek podsaně vyšší hmonos a zrácí svůj záporně nabiý obal elekronů, keré narážejí rychlosí okolo 1000 km/s na jiné aomy vodíku. Do reakce vsupují čyři proony vodíku, spojují se a vyváří jedno jádro helia. Hmonos jádra helia je menší než hmonos čyř proonů vodíku. Rozdíl hmoy se při reakci přemění na energii, kerá je vyzařována do kosmického prosoru. Celkový ok vyzařované energie je 3,85 10 26 W. Husoa zářivého oku energie na povrchu Slunce je 6 10 7 W/m 2. Slunce září jako absoluně černé ěleso s povrchovou eploou okolo 5700 K. Sluneční záření zahrnuje vlnové délky od 10-10 m (rengenové a ulrafialové záření) až do několika merů (rádiové záření). Nejvěší čás energie však připadá na vlnové délky 0,3 až 3,0 μm (svěelné a infračervené záření). Spekrální charakerisika zářivého oku sluneční energie je uvedena na obr. 1.1. Podle množsví helia, keré až dosud vzniklo, lze sáří Slunce odhadnou na 5 miliard le a předpokládá se, že jaderná fúze bude pokračova ješě dalších 5 až 10 miliard le. Obr. 1.1 Spekrální charakerisika zářivého oku sluneční energie na hranicích zemské amosféry Sluneční záření na cesě k Zemi není ničím pohlcováno a přichází na hranici amosféry v původní podobě, s níž opusilo Slunce, avšak při značně zmenšené husoě zářivého oku ím, že výkon se s 4

rosoucí vzdálenosí rozpýlí na věší plochu. Z celkového výkonu vyzařovaného Sluncem dopadají na naší Zemi jen přibližně dvě miliardiny, j. asi 7,7 10 17 W. Podobně neparná čás je zachycena osaními planeami. Zbývající ok záření, zn. éměř celý ok vyzařované sluneční energie, uniká do mezihvězdného a mezigalakického prosoru. Sřední roční hodnoa zářivého oku sluneční energie, dopadající na jednoku plochy kolmou ke směru šíření záření na vnější povrch zemské amosféry, při průměrné vzdálenosi Slunce od Země, se nazývá sluneční konsana. Její hodnoa naposledy přijaá v roce 1981 Svěovou meeorologickou organizací (WMO) je G sc = 1367 W/m 2 s nepřesnosí v řádu 1 %. Nicméně husoa oku slunečního záření dopadajícího kolmo na vnější povrch zemské amosféry během roku není konsanní, ale mění se o cca 3 % podle vzahu 360 n Gon = Gsc 1+ 0,033 cos (1.1) 365 kde n je pořadí dne v roce. 1420 1400 zimní slunovra G on [W/m 2 ] 1380 1360 1340 G sc = 1367 W/m 2 lení slunovra 1320 0 50 100 150 200 250 300 350 dny v roce Obr. 1.2 Změna oku slunečního záření dopadajícího na vnější povrch amosféry během roku Graficky je ao závislos znázorněna na obr. 1.2. Proměnlivos oku slunečního záření vyplývá ze skuečnosi, že Země obíhá okolo Slunce po elipické dráze, přičemž Slunce je v jednom z ohnisek. Poznámka: V zimě je Slunce k Zemi blíž než v léě a vnější povrch amosféry přijímá více slunečního záření než v zimě. Nicméně, nízká úroveň slunečního záření v zimním období (v Evropě) je způsobena odklonem Země vlivem precesního pohybu (viz deklinace)a edy nižším úhlem dopadu slunečních paprsků, keré překonávají věší hmou amosféry a více se pohlí a dále samozřejmě zvýšenou oblačnosí v zimě. 1.1.2. Průchod slunečního záření amosférou Sluneční záření dopadající na Zemi vsupuje do amosféry ve výšce zhruba 1000 km od zemského povrchu. Amosféra se skládá převážně z dusíku a kyslíku. Ve výškách nad 60 km pohlcují yo amosférické plyny sluneční ulrafialové a rengenové záření a ionizují se (ionosféra). Níže, ve výškách 20 až 30 km, se nachází vrsva s velkým obsahem ozónu, ozonosféra. Zde se pohlcuje zbývající čás živou nebezpečného ulrafialového záření. V nejnižších vrsvách amosféry (v roposféře) dochází k pohlcování slunečního záření vodní párou, oxidem uhličiým, prachem a kapkami vody v mracích. V průměrné roční bilanci se z celkového oku energie slunečního záření ze Slunce zpě do vesmíru odrazí od mraků, čáseček prachu a zemského povrchu zhruba 34 %. V amosféře se pohlí okolo 19 %. 5

Zbývající čás sluneční energie je pohlcena zemským povrchem (47 %). Záření pohlcené zemským povrchem se mění v eplo, keré je vyzařováno z povrchu Země jako infračervené záření (14 %). Infračervené záření je pohlcováno v amosféře víceaomovými plyny, což vede k rvalému zvýšení eploy zemského povrchu (skleníkový efek). Značné množsví energie dopadající na rozsáhlé plochy oceánů se spořebuje na vypařování vody (23 %). Vodní pára je proudy vzduchu vynášena nahoru, kde v chladnějších vrsvách amosféry kondenzuje a předává své skupenské eplo okolnímu vzduchu. Zbyek slunečního záření pohlceného zemským povrchem (10 %) je odveden konvekcí. Vzduch zahřáý od povrchu Země soupá nahoru a na jeho míso proudí ěžší chladný vzduch, čímž vznikají věry. Neparné množsví sluneční energie dopadající na Zemi (asi 1 ) připadá na biologické reakce probíhající v biosféře. Energie slunečního záření je ak nepřímo základem všech osaních obnovielných zdrojů energie (biomasa, věrná, vodní, energie prosředí) s výjimkou geoermální. Zaímco na vnější povrch amosféry dopadá sluneční záření v nerozpýlené formě (lze si předsavi jako paprsky přicházející přímo ze slunečního koouče), průchodem amosférou dochází k rozpylu na čásicích prachu, krysalcích ledu či kapičkách vody. Čás zářivého oku pak z oblohy přichází ve formě rozpýleného, zv. difúzního slunečního záření, keré nemá směrový charaker (všesměrové izoropické, značí se indexem d ) a čás ve formě přímého slunečního záření s výrazně směrovým charakerem (značí se indexem b ). Prakicky o znamená, že výkonová husoa přímého slunečního záření je oproi difúznímu značně závislá na úhlu dopadu. K difúznímu záření se zpravidla počíá i čás přímého záření, kerá se odrazí od okolních ploch (odražené sluneční záření). Celkové sluneční ozáření G [W/m 2 ] je součem přímého slunečního ozáření G b a difúzního slunečního ozáření G d. V ab. 2.1 jsou uvedeny ypické hodnoy celkového slunečního ozáření pro různé savy oblačnosi. Poznámka: Pro sluneční ozáření G se ve sarší lierauře uvádí ermín inenzia dopadajícího slunečního záření (viz erminologický slovník [5]) se značením I. G = Gb + Gd poměr Gd/G jasná obloha 800 1000 W/m 2 10-20 % lehce zaaženo 400 700 W/m 2 podle oblačnosi silně zaaženo 100 300 W/m 2 100 % Tab. 1.1 Hodnoy celkového slunečního ozáření Teoreicky možné přímé sluneční ozáření na plochu kolmou ke směru šíření G bn [W/m 2 ] lze pro danou oblas sanovi z hodnoy záření dopadajícího na vnější povrch amosféry Z Gbn = Gon exp (1.2) ε kde Z je součiniel znečišění amosféry (bezrozměrný), vyjadřuje míru zeslabení zářivého oku při průchodu hmonou amosférou; ε činiel závislý na výšce Slunce nad obzorem a nadmořské výšce (bezrozměrný). Součiniel znečišění amosféry lze sanovi z dlouhodobých měření jako lngon lngbn Z = (1.3) lng lng on b0 kde G b0 je přímé sluneční ozáření při průchodu zcela čisým vzduchem (Z = 1, nehmoná amosféra), ve W/m 2. 6

2 0,5 [ sinh + (0,003 + sin h) ] + 0, 91018 9,38076 ε = (1.4) 4 2,0015 (1 10 ) L v kde L v je nadmořská výška daného mísa, v m. Součiniel znečišění Z je abelován v ab. 1.2. Jeho hodnoy se pohybují běžně od 2 do 6 (i více). Zjednodušeně lze aplikova charakerisické hodnoy součiniele znečišění následovně: horské oblasi Z = 2 venkov Z = 3 měsa Z = 4 průmyslové oblasi Z = 5 a více Měsíc Průměrné měsíční hodnoy součiniele Z pro oblasi s rozdílnou čisoou ovzduší horské oblasi venkov měsa průmyslové oblasi I. 1,5 2,1 3,1 4,1 II. 1,6 2,2 3,2 4,3 III. 1,8 2,5 3,5 4,7 IV. 1,9 2,9 4,0 5,3 V. 2,0 3,2 4,2 5,5 VI. 2,3 3,4 4,3 5,7 VII. 2,3 3,5 4,4 5,8 VIII. 2,3 3,3 4,3 5,7 IX. 2,1 2,9 4,0 5,3 X. 1,8 2,6 3,6 4,9 XI. 1,6 2,3 3,3 4,5 XII. 1,5 2,2 3,1 4,2 roční průměr 1,9 2,75 3,75 5,0 Tab. 1.2 Hodnoy součiniele znečišění Z pro různé ypy oblasí během roku [2] 1.1.3. Geomerie slunečního záření Výkon a energie slunečního záření dopadajícího na obecnou plochu je ovlivněna fakory, keré lze změni (zeměpisná šířka mísa insalace, orienace plochy vůči svěovým sranám = azimu plochy, sklon plochy vůči vodorovné rovině) a keré nelze změni (pohyb Země vzhledem ke Slunci = čas). zeměpisná šířka φ : úhel, kerý svírá rovina rovníku s přímkou, procházející sředem Země a příslušným bodem na povrchu Země. Pro ČR se uvažuje hodnoa 50 severní šířky. Konvence znamének: severně od rovníku (+), jižně od rovníku (-) azimu plochy γ : úhel mezi průměem normály plochy a jihem (odlišuje se od běžného chápání azimuu jako směrové odchylky od severu). Konvence znamének: jih (0 ), na východ (-), na západ (+) 7

úhel sklonu β : úhel mezi vodorovnou rovinou a rovinou plochy deklinace δ : je ve své podsaě způsobena náklonem zemské osy vlivem precesního pohybu během roace. Úhel náklonu se během roku mění od -23,45 při zimním slunovrau (odklon od Slunce) přes 0 při jarní a podzimní rovnodennosi do 23,45 při lením slunovrau (příklon ke Slunci). Další definice deklinace (viz obr. 1.3): úhel, kerý svírá spojnice sředů Země a Slunce s rovinou zemského rovníku zeměpisná šířka mísa, kde v daný den ve 12 h (poledne) je Slunce kolmo nad obzorem Obr. 1.3 Definice deklinace Deklinaci lze sanovi z různých vzahů, například podle [2] ( 0,98 D + 29,7 ) δ = 23,45 sin M 109 (1.5) kde D je pořadí dne v měsíci; M pořadí měsíce v roce. nebo podle [1] 284 + n δ = 23,45 sin 360 (1.6) 365 kde n je pořadí dne v roce. sluneční časový úhel τ : úhel zdánlivého posunu Slunce (z východu na západ) nad mísními poledníky vlivem roace Země. Z předpokladu, že Země se oočí jednou kolem své osy (360 ) za 24 hodin, vyplývá, že 1 hodině odpovídá 15. Poznámka: Při přechodu z jednoho časového pásma do druhého se pozorovael přemisťuje z jednoho vzažného poledníku na druhý (poledníky po 15 ) a musí si posunou čas na hodinkách o jednu hodinu. Každé časové pásmo má svůj čas vzažený ke svému referenčnímu poledníku. Pokud se pozorovael nenachází přímo na referenčním poledníku, může bý skuečný solární čas (podle pohybu Slunce po obloze) odlišný od mísního času až o 30 minu (okraj časového pásma). Sluneční časový úhel se edy sanoví ze slunečního času ST jako ( ) Obr. 1.4 Sluneční časový úhel τ = 15 ST 12 (1.7) 8

kde plaí konvence znamének před polednem (-) a po poledni (+). Časový úhel západu (nebo východu) slunce τ 1,2 lze sanovi z podmínky nulové výšky Slunce h z rovnice (1.10) jako ( gφ gδ ) τ 1,2 = arccos (1.8) a z něj poom urči dobu mezi východem a západem Slunce, zv. eoreickou dobu slunečního sviu jako 2 2 τ τ = 1, eor (1.9) 15 výška Slunce (nad obzorem) h : úhel sevřený spojnicí plochy a Slunce s vodorovnou rovinou (viz obr. 1.5). Doplňkový úhel do 90 je zeniový úhel θ z (úhel zeniu) - úhel sevřený spojnicí pozorovaele a Slunce a svislicí (verikálou). Výška Slunce se sanoví ze vzahu sinh = sinδ sinφ + cosδ cosφ cosτ (1.10) a zeniový úhel θ z je poom θ z = 90 h (1.11) azimu Slunce γ s : úhel mezi průměem spojnice plochy a Slunce a jižním směrem (viz obr. 1.5). Konvence znamének je sejná jako u časového úhlu: na západ (+), na východ (-). Azimu Slunce se sanoví podle vzahu cosδ sinγ s = sinτ (1.12) cos h úhel dopadu slunečního záření θ : úhel mezi spojnicí plochy a Slunce a normálou plochy (viz obr. 1.5) se sanoví podle vzahu ( γ γ ) cos θ = sinh cos β + cos h sinβ cos s (1.13) Obr. 1.5 Geomerie slunečního záření dopadajícího na obecnou plochu 9

1.1.4. Sluneční ozáření na obecnou plochu Při eoreickém výpoču slunečního ozáření obecné plochy se sanoví odděleně přímá a difúzní složka slunečního záření. Přímé sluneční ozáření pro danou plochu G bt [W/m 2 ] určuje vzájemná poloha Slunce a Země a z geomerie slunečního záření sanovený úhel dopadu θ paprsků podle G G cosθ (1.14) bt = bn Difúzní sluneční ozáření dané plochy G dt [W/m 2 ] se sanoví jako rozpýlené izoropické záření přicházející z prosorové výseče oblohy (kerou plocha vidí ) a jako odražené, především od vodorovné roviny podle 1+ cosβ 1 cosβ G dt = Gd + ρg ( Gd 2 2 + Gb ) kde G d je difúzní sluneční ozáření vodorovné roviny, ve W/m 2 ; G b přímé sluneční ozáření vodorovné roviny, ve W/m 2 ; ρ g odrazivos vodorovné roviny (albedo), zpravidla se uvažuje ρ g = 0,2; β sklon kolekoru. (1.15) Poznámka: Pro pořeby přesnějších výpočů se používají zv. anizoropické výpočové modely oblohy (Hay-Davies, Hay- Davies-Klucher-Reindl, Perez) namíso izoropického, keré zohledňují, že obloha v ěsné blízkosi slunečního koouče a v ěsné blízkosi horizonu je jasnější (difúzní záření v ěcho mísech má vyšší inenziu) [1]. Pro běžné inženýrské výpočy je zjednodušený izoropický model dosaečný. Přímé sluneční ozáření vodorovné roviny se sanoví z geomerie jako G = G sinh (1.16) b bn Difúzní sluneční ozáření vodorovné roviny se sanoví ze zjednodušeného předpokladu, že řeina slunečního záření zraceného v amosféře dopadá na vodorovnou rovinu G d ( G G ) sinh = 0,33 (1.17) on bn Celkové sluneční ozáření G [W/m 2 ] na obecnou plochu se sanoví jako souče G = G + G (1.18) T bt dt 1.1.5. Dopadlá sluneční energie a doba slunečního sviu Teoreicky možná denní dávka celkového slunečního ozáření (množsví dopadající energie) H T,den,eor [MJ/(m 2 den), kwh/(m 2 den)] se sanoví inegrací eoreicky sanoveného celkového slunečního ozáření plochy G T od východu do západu slunce, edy za dobu eoreické doby slunečního sviu τ eor podle τ 2 HT, den, eor = GT dτ (1.19) τ 1 Poznámka: Pro dávku slunečního ozáření H se ve sarší lierauře uvádí ermín množsví dopadající sluneční energie (viz erminologický slovník [5]) se značením Q. Teoreická denní dávka celkového slunečního ozáření H T,den,eor dopadá na osluněnou plochu jen v jasných slunečných dnech, kdy na povrch země dopadá přímé sluneční záření nepřeržiě po celou eoreicky možnou dobu. Tabelované hodnoy eoreické dávky slunečního ozáření v jednolivých měsících jsou uvedeny pro oblasi s různým supněm znečišění v příloze B. 10

Během dne se však sřídá jasná obloha s oblohou zaaženou mraky, kdy dopadá jen difúzní záření. Teoreická denní dávka difúzního ozáření se sanoví podobně jako eoreická celková inegrací τ 2 HT, den, dif = GdT dτ (1.20) τ 1 Tabelované hodnoy denní dávky difúzního slunečního ozáření v jednolivých měsících jsou uvedeny pro oblasi s různým supněm znečišění v příloze C. Z eoreické dávky slunečního ozáření H T,den,eor je možné vypočía sřední denní hodnou slunečního ozáření G T,m [W/m 2 ] dané plochy vydělením eoreickou dobou slunečního sviu τ eor (viz vzahy 1.8 a 1.9) podle rovnice G T, m τ 2 1 HT, den, eor = GT dτ = τ (1.21) τ eor τ 1 eor Sřední hodnoy slunečního ozáření G T,m jsou uvedeny v příloze A. Sřední hodnoa slunečního ozáření G T,m je důležiou veličinou ve výpočech sřední denní účinnosi solárních kolekorů při navrhování jejich plochy a bilancování zisků solární sousavy. Pro prakické výpočy v reálných dnech s běžnou oblačnosí je nuné zná skuečnou dobu slunečního sviu τ sku. Ta je definována jako doba, kdy je k dispozici přímé sluneční ozáření (je vidě sluneční koouč) a jeho hodnoa je věší než 120 W/m 2. V ČR ji měřením zjišťuje Český hydromeeorologický úsav a hodnoy pro jednolivé měsíce ve vybraných lokaliách zpřísupňuje veřejnosi. Ze skuečné doby slunečního sviu lze poom vyjádři zv. poměrnou dobu slunečního sviu jako τ sku τ r = (1.22) τ eor Hodnoy poměrné doby slunečního sviu pro někerá měsa v ČR a SR [2, 3] jsou uvedeny v příloze D. Obr. 1.6 Průběh slunečního ozáření za jasné a čásečně zaažené oblohy Skuečná denní dávka slunečního ozáření H T,den [kwh/(m 2 den)] na obecnou plochu se sanoví ze vzahu ( r ) HT, den dif H T, den = r HT, den, eor + 1 τ, τ (1.23) 11

1.1.6. Sluneční energie v ČR Jak je zřejmé z předcházejícího, dávka slunečního ozáření H T, edy dopadlá sluneční energie za určiý časový úsek, je závislá na sklonu a azimuu plochy, zn. její obecné orienaci. Na obr. 1.7 je znázorněna závislos eoreické denní dávky slunečního ozáření v průběhu roku na sklonu plochy (při jižní orienaci a jihovýchodní / jihozápadní orienaci). HT,den,eor [kwh/m 2.den] 12 10 8 6 4 2 azimu 0 (jih) 0 30 45 75 90 1100-1200 1000-1100 900-1000 800-900 700-800 600-700 90 75 60 45 30 15 sklon 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 měsíc 90 75 60 45 azimu 30 15 0 0 Obr. 1.7 Vliv sklonu a orienace plochy na eoreickou a skuečnou denní dávku slunečního ozáření V ab. 1.3 jsou uvedeny ypické hodnoy denních dávek slunečního ozáření v různých obdobích roku při zcela jasném dni. Výrazně nižší hodnoy v zimním období jsou dány především kraší dobou slunečního sviu a zvýšenou oblačnosí. Roční dopadlá sluneční energie na opimálně orienované plochy se v České republice pohybuje od 1000 do 1200 kwh/(m 2.rok). Na obr. 1.8 je znázorněna skuečná roční dávka slunečního ozáření v závislosi na sklonu a orienaci plochy (příklady pro Brno a Prahu jsou sanoveny eoreickým výpočem). max. dávka ozáření v léě max. dávka ozáření v zimě max. dávka ozáření v přechodovém období 8 kwh/(m 2.den) 3 kwh/(m 2.den) 5 kwh/(m 2.den) Tab. 1.3 Sluneční energie dopadající během roku 1.2. Solární epelné kolekory 1.2.1. Princip Přeměna energie slunečního záření v epelnou energii fooermální přeměna je jednou z nejjednodušších ces jak využí sluneční záření. Fooermální přeměna spočívá v absorpci slunečního záření na povrchu uhých láek a kapalin, kdy se energie foonů mění v eplo (pohyb molekul). Základním prvkem je edy absorpční plocha, kerá se jímáním slunečního záření ohřívá, obecně nazývaná kolekor. Tepelná energie pak může bý z absorpčního povrchu / kolekoru odváděna různými eplonosnými lákami, nejčasěji kapalinami (voda, nemrznoucí směs) proudícími v kanálkové srukuře spojené s absorpčním povrchem, nejčasěji v podobě rubkového regisru. 12

Obr. 1.8 Základní součási solárního epelného kolekoru (plochý) Pro snížení epelných zrá z absorbéru se využívá na přední sraně kolekoru zasklení propoušějícího sluneční záření. Zasklení omezuje jednak epelné zráy sáláním (nepropusné vůči dlouhovlnnému záření) a zároveň vyváří před absorbérem vzduchovou vrsvu, kerá má funkci epelného odporu vloženého mezi absorbér a okolní prosředí. Na zadní sraně a bočních sranách absorbéru nepřijímajících sluneční záření se jako epelný odpor používá epelně izolační maeriál uchycený v rámu (skříni) kolekoru. 1.2.2. Prvky solárního kapalinového kolekoru Solární epelný kolekor je zařízení určené k pohlcení slunečního záření a jeho přeměně na epelnou energii, kerá je předávána eplonosné kapalině, proékající kolekorem. Užívání ermínu panel se polačuje, aby se předešlo nežádoucím záměnám s foovolaickými panely [5]. Solární kolekor je sesaven z dílčích prvků, keré mohou svými paramery významně ovlivňova jeho energeické zisky. Zasklení Zasklení, jak již bylo uvedeno, slouží především pro snížení epelných zrá absorbéru. Jednoduché zasklení je nezbyné pro zajišění dosaečné epelné účinnosi přeměny slunečního záření na eplo při provozu solárních kolekorů v eploních úrovních více než 10 K nad eploou okolí. V případě eploních úrovní 80 K a více nad eploou okolí je nuné použií alespoň dvojiého zasklení nebo ransparenní izolační srukury. Zasklení však na druhé sraně snižuje množsví slunečního záření dopadajícího na absorbér odrazem na jednolivých fázových rozhraních (maeriál zasklení-vzduch, nejčasěji sklo-vzduch) a pohlcením ve vlasním maeriálu zasklení. Nunou podmínkou efekivního využií sluneční energie je edy dosaečná propusnos zasklení v oblasi vlnových délek slunečního záření (0,3 až 3,0 μm). Pro omezení opických zrá pohlcením v maeriálu zasklení se využívá skel s velmi nízkým obsahem oxidu železa (nízkoželezié sklo, solární sklo), kde pohlcení slunečního záření v maeriálu se na opické zráě podílí méně než 1 %. U nejčasějšího jednoduchého zasklení způsobují opické zráy odrazem na obou površích (vniřní, vnější) okolo 8 % zráy propusnosi slunečního záření při normálovém úhlu dopadu. Opické zráy odrazem jsou dány rozdílem mezi indexem lomu maeriálu zasklení (sklo n = 1,52) a okolního prosředí (vzduch n = 1). Zráy odrazem lze sníži aplikací vrsev maeriálu s velmi nízkým indexem lomu, zv. anireflexními povlaky. Jako anireflexní vrsvy se nejčasěji používají porézní enkovrsvé povlaky na bázi SiO 2 nebo TiO 2 s definovaným indexem lomu (n < 1,3) a loušťkou (řádově okolo 100 nm). 13

Anireflexní povlaky mohou zlepši propusnos slunečního záření zasklením o cca 4 až 5 % (při normálovém úhlu dopadu), pokud jsou aplikovány na obou površích jednoduchého zasklení. Důležiým požadavkem je odolnos anireflexních povlaků proi vnějším vlivům a oěru z důvodu zachování dlouhodobé sabiliy opických vlasnosí zasklení. Se zvyšováním úhlu dopadu slunečních paprsků na zasklení rosou zráy odrazem, propusnos slunečního záření zasklením mírně klesá až do úhlu cca 40 až 50 a poom se prudce snižuje až na nulovou hodnou při úhlu dopadu 90. Pro zvýšení propusnosi v oblasi vyšších úhlů dopadu se používají prizmaická zasklení, nejčasěji s pyramidovými vzory na vniřní sraně zasklení. Texura prizmaického zasklení funguje jako opický rasr, kerý láme sluneční paprsky přicházející pod vysokými úhly do energeicky výhodnějšího směru na absorbér. Tímo posouvají náhlý pokles křivky propusnosi zasklení do oblasi vyšších úhlů dopadu. Používání prizmaických zasklení má i prakické důvody, např. přes něj není dobře vidě na absorbér kolekoru pro jeho maný vzhled a udíž nejsou parné výrobní vady a nedosaky absorbéru. Absorpční plocha, absorbér Absorbér slouží k přímé přeměně slunečního záření na eplo pohlcením na povrchu s vhodnými opickými vlasnosmi (výrazně pohlivý v oblasi vlnových délek slunečního záření). Pohlcením slunečního záření se absorbér zahřívá, zvyšuje svoji eplou vůči okolnímu prosředí. Pro omezení epelných zrá vlivem sálání ohřáého absorpčního povrchu je nuné zajisi nízkou emisiviu povrchu v oblasi infračerveného záření. Absorpční povrchy, keré účinně pohlcují sluneční záření (oblas vlnových délek 0,3 až 3,0 μm, index SOL) a minimálně vyzařují epelné záření (oblas vlnových délek > 3,0 μm, infračervené záření, index IR) se nazývají spekrálně selekivní a jsou využívány ve věšině solárních epelných kolekorů pro celoročně provozované solární sousavy. ideálně ρ = 1, α = ε = 0 odrazivos [-] oblas vlnových délek slunečního záření oblas vlnových délek infračerveného záření ideálně ρ = 0, ε = α = 1 vlnová délka [μm] Obr. 1.9 Princip selekivního povrchu absorbéru solárního kolekoru Spekrálně selekivní absorbér poskyuje v oblasi slunečního krákovlnného záření nízkou odrazivos (ideálně ρ SOL = 0), resp. vysokou pohlivos či emisiviu (ideálně α SOL = ε SOL = 1, prakicky 0,9 až 0,95) a 14

v oblasi infračerveného dlouhovlnného záření vysokou odrazivos (ideálně ρ IR = 1), resp. co nejnižší pohlivos či emisiviu (ideálně α IR = ε IR = 0,, prakicky 0,05 až 0,15), viz obr. 1.9. Kvalia selekivního povrchu se odvíjí od vysoké hodnoy poměru pohlivosi v oblasi slunečního záření k emisiviě v oblasi infračerveného záření α SOL / ε IR (selekivní poměr, selekivia povrchu). Běžné selekivní povrchy dosahují selekiviy 10 až 20. Pro odvod epla z absorbéru (chlazení absorbéru) se využívá v zásadě: rubkový regisr síť rubek přímo proékaná eplonosnou kapalinou, kerá odvádějí eplo z okolí spoje s absorbérem; plnoprůočná srukura eplonosná kapalina v konaku s celou plochou absorbéru; výparník epelné rubice vypařující se pracovní láka soupá do kondenzační čási, kde předává eplo do kapalinového okruhu. Nejčasějším konsrukčním provedením absorbéru je radiční yp lamela-rubka, kdy absorpční plocha je spojena s rubkou epelně vodivým spojem (viz obr. 1.10, vlevo). Konsrukce je používána jak v plochých ak rubkových solárních kolekorech. Pro zajišění vysoké účinnosi odvodu epla z povrchu absorbéru se využívají absorbéry z kovů s vysokou epelnou vodivosí (měď, hliník), u kerých je možné použí malé loušťky absorbéru 0,2 až 0,5 mm a věší rozeče rubkového regisru 100 až 150 mm (úspora maeriálu rubek). V případě použií plasových absorbérů s velmi nízkou epelnou vodivosí je nuné použí věší loušťku absorpčního povrchu (několik mm) a řádově menší rozeče (řádově mm, časo rubky či kanály ěsně vedle sebe), viz obr. 1.10 (vpravo). nalisované nalisované napájené ulrazvukově svařené laserově svařené Obr. 1.10 Konsrukční řešení kovových absorbérů (vlevo) a plasových absorbérů (vpravo) Trubkový regisr Trubkový regisr solárního kolekoru je více či méně složiá síť porubí ve varu meandru, lyry nebo U smyček a jejich sériově nebo paralelně zapojených kombinací (viz obr. 1.11). Hydraulika rubkového regisru se řídí použiými průměry rozvodných a sběrných rubek a spojovacích rubek odvádějících eplo z absorpční plochy kolekoru (celoplošný absorbér, lamely) a jejich hydraulickým zapojením. 15

Pokud jsou lakové zráy řením ve spojovacích rubkách výrazně vyšší než mísní lakové zráy odbočením a spojením spojovacích rubek s rozvodnou a sběrnou rubkou (mění se podél rozvodné a sběrné rubky podle poměru průoků v jednolivých směrech) a vlasní lakové zráy řením v rozvodné a sběrné rubce, poom je možné předpokláda, že rubkový regisr kolekoru nebo celé kolekorové pole jsou hydraulicky vyváženy a průok eplonosné kapaliny, rovnoměrně rozdělený do spojovacích rubek, resp. kolekorů, zajišťuje rovnoměrný odvod epla z absorbéru, resp. kolekorového pole. V případě hydraulicky nevyváženého rubkového regisru (kolekorového pole) však může docháze ke španému zaékání do někerých spojovacích rubek (kolekorů). Vlivem podprůoku se daná oblas přehřívá, snižuje se odvod epla z povrchu absorbéru a klesá účinnos využií sluneční energie kolekoru nebo celého pole kolekorů. Dobré zaékání eplonosné kapaliny v kolekorovém poli je zajišěno především u serpeninového absorbéru (S), kerý má sice z uvedených konfigurací nejvěší lakovou zráu (cca 10 kpa pro 1 kolekor), nicméně v případě zapojení více kolekorů do pole se laková zráa již nezvyšuje a zároveň je zajišěno rovnoměrné zaékání do kolekorů, vzhledem k vysoké hydraulické sabiliě zapojení. Naopak konfigurace absorbérů ypu U a M jsou pro zapojování do věších kolekorových polí (> 3 kolekory) nevhodné, neboť sériové zapojení výrazně zvyšuje lakové zráy celého pole (nad 50 kpa), pokud nemá jí cíleně režim s nízkým průokem. Obr. 1.11 Hydraulické konfigurace rubkových regisrů solárních kolekorů Skříň kolekoru Skříň kolekoru vyváří vnější obal solárního kolekoru a chrání vniřní prosor před vnějšími nepříznivými vlivy. Vnější i vniřní povrch skříně by měl odoláva korozi a slunečnímu záření. Zvlášní úpravy pro snížení emisiviy povrchu nejsou nuné, neboť nemají významný vliv na snížení epelné zráy (převažuje konvekce vlivem věru). Pouze u plochých vakuových kolekorů (viz kapiola 2.3.3) má zásadní vliv na epelnou zráu emisivia vniřního povrchu skříně, kerá by měla bý co nejnižší vzhledem k absenci hmoné epelné izolace (vniřní výplň se sníženým lakem je izolací). Skříň kolekoru je v podsaě nosnou konsrukcí, ke keré jsou uchyceny osaní čási kolekoru (zasklení, absorbér s rubkovým regisrem, epelná izolace). Může bý vořena samonosným rámem, kdy zadní a boční srana jsou vořeny vlasní pevnou izolací, nebo výliskem ve formě plasové, kompoziní nebo kovové vany, do keré je izolace vkládána. Tepelná izolace použiá pro minimalizaci epelné zráy boční a zadní sranou kolekorové skříně musí bý odolná exrémním eploám, keré se v kolekoru mohou vyskynou při savu bez odběru epla. V běžných solárních kolekorech se maximální eploy absorbéru mohou pohybova od 140 C (ploché) do 250 C (rubkové vakuové). Jako izolace se proo používá především minerální (kamenná, sklená) vlna. 1.2.3. Typy solárních kolekorů Solární kolekory, ve kerých je používána kapalina jako eplonosná láka (voda, nemrznoucí směs vody a propylenglykolu), se využívají pro naprosou věšinu aplikací v budovách. Solární vzduchové kolekory 16

jsou využívány pouze okrajově pro předehřev čersvého vzduchu pro věrání nebo oběhového vzduchu pro cirkulační vyápění (eplovzdušné, sálavé hypokausické). Solární kapalinové kolekory lze dále rozděli podle řady hledisek (viz obr. 1.12). Z uvedeného rozdělení vyplývají konsrukční kombinace, se kerými je možné se v praxi seka: plochý nekryý kolekor zpravidla plasová rohož bez zasklení určená pro sezónní ohřev bazénové vody o nízké eploní úrovni; plochý neselekivní kolekor zasklený deskový kolekor s kovovým absorbérem se spekrálně neselekivním povlakem (např. černým pohlivým náěrem) určený pro sezónní předehřev vody při nízké eploní úrovni; plochý selekivní kolekor zasklený deskový kolekor s kovovým absorbérem se spekrálně selekivním povlakem určený pro celoroční ohřev vody a vyápění; plochý vakuový kolekor zasklený deskový kolekor s kovovým absorbérem se spekrálně selekivním povlakem a lakem uvniř kolekoru nižším než amosférický lak v okolí kolekoru (absoluní lak cca 1 až 10 kpa) určený pro celoroční ohřev vody a vyápění, případně průmyslové aplikace s provozními eploami okolo 100 C; rubkový vakuový kolekor kolekor s plochým nebo válcovým selekivním absorbérem umísěným ve vakuované (absoluní lak < 10-3 Pa) skleněné rubce určený pro kombinované sousavy pro vyápění či průmyslové vysokoeploní aplikace (provozní eploy nad 100 C); sousřeďující (koncenrační) kolekor obecně kolekor, ve kerém jsou použiy zrcadla (reflekory), čočky (refrakory) nebo další opické prvky k usměrnění a sousředění slunečního záření, procházejícího aperurou kolekoru, na absorbér. Ploché kolekory vybavené vnějším zrcadlem nebo kolekory s vakuovanými rubkami s reflekorem vně rubic jsou rovněž považovány za sousřeďující kolekory. Nejčasějšími ypy kolekorů, se kerými je možné se na rhu v ČR seka jsou bazénové nekryé absorbéry (40 až 50 is. m 2 v roce 2008), ploché amosférické selekivní kolekory (26,5 is. m 2 v roce 2008) a rubkové vakuové kolekory, časo aké nazývané rubicové (8,5 is. m 2 v roce 2008) [6]. Koncenrační kolekory voří zaím na českém rhu zanedbaelný podíl. Obr. 1.12 Rozdělení solárních kolekorů 17

Nekryé (nezasklené) kolekory Absence kryu (zasklení) zlepšuje opické vlasnosi kolekoru (odpadají zráy odrazem na zasklení), nicméně na druhé sraně kolekor vykazuje vysoké epelné zráy. Výkon kolekoru je výrazně ovlivňován okolním prosředím (eploa okolí, eploa oblohy, rychlos věru). Zvlášě se zvyšující se rychlosí věru rosou epelné zráy a výkon kolekoru výrazně klesá. Nekryé absorbéry se vyrábějí zpravidla z plasu odolného vůči UV záření (EPDM) a jsou vzhledem ke své účinnosi vhodné především k ohřevu vody pro bazény. Obr. 1.13 Bazénové absorbéry (plasové rohože) Ploché amosférické kolekory Ploché solární kolekory se obecně vyznačují plochou aperurou (zasklením) a zpravidla i plochým absorbérem. Základní schéma plochého solárního kolekoru je uvedeno na obr. 2.9. Tepelně vodivý, zpravidla kovový absorbér, může bý celoplošný (vořený jedním plechem) nebo dělený (lamely). Současným sandardem jsou ploché kolekory se selekivním povrchem absorbéru, ypy s neselekivním povrchem se objevují okrajově (menší výrobní společnosi, levné kolekory). Absorpční plocha je navařena (ulrazvukově, laserově), napájena nebo nalisována na rubkovém regisru, kerým je eplonosnou kapalinou odváděno využielné eplo. Příklady spojení absorbér-rubkový regisr jsou uvedeny na obr. 2.5 (vlevo). Rám kolekoru (kolekorová skříň, kolekorová vana) je buď výlisek nebo je složený z profilů a podle pořeby vyplněn epelnou izolací. U amosférických kolekorů je lak vzduchu v prosoru kolekorové skříně sejný jako ve venkovním prosředí, navíc pro odvod případné vlhkosi a zamezení rosení zasklení kolekoru je rám kolekoru časo opařen věracími ovory. Obr. 1.14 Schémaický řez plochým solárním kolekorem a možnos inegrace do fasády budovy Ploché kolekory nacházejí uplanění v oblasi inegrace do obálky budov (sřechy, fasády). Konsrukční inegrace solárních kolekorů přináší archiekonicky přijaelné řešení, vyšší účinnos kolekoru při konakní insalaci s izolační vrsvou obálky, možnos využií zimních pasivních zisků, nahrazení čási obálky budovy a v případě inegrace do fasády (viz obr. 1.14, vpravo) i snížení period exrémních sagnačních podmínek v lením období. 18

Ploché vakuové kolekory Ploché vakuové kolekory využívají sníženého laku v prosoru skříně kolekoru (nízké vakuum) k zajišění celkově nízké epelné zráy kolekoru omezením volného proudění vzduchu mezi absorbérem a zasklením nebo zadní sěnou kolekoru (kolekorová skříň neobsahuje izolaci). Rám kolekoru musí bý velmi ěsný, proo je vořen výliskem (bezešvou vanou), kerý je v přední čási uzavřen abulí solárního skla napojenou speciálním epelně odolným ěsněním. Aby sklo neprasklo působením vnějšího amosférického laku nebo nárazem předměů, je vyzuženo rasrově uspořádanými nerezovými opěrnými elemeny. Jak je zřejmé z obr. 1.15, podpůrné elemeny nesmí bý v epelném konaku s absorbérem, aby se vyloučily epelné mosy. Obr. 1.15 Konsrukce nízkolakého (vakuového) plochého kolekoru z 80. le a současný výrobek, zdroj Thermosolar Důležiým aspekem plochých vakuových kolekorů je zajišění ěsnosi vniřního prosoru a možnosi opěovně vakuova kolekor. Jelikož ploché vakuové kolekory jsou běžně provozovány za podmínek nízkého vakua (od 1 do 10 kpa), není v podsaě problém udrže lak v ěcho mezích. Rám kolekoru je konsruován ze samoěsnicích čásí, podlakem se více svírají a uěsňují. Vana kolekoru je vybavena venilem připojielným k vývěvě, pokud je nuné vniřní prosor znovu evakuova. Součásí insalace kolekoru je manomer pro indikaci zráy vakua a nárůsu laku v kolekoru. Zbykový vzduch může bý nahrazen vzácným plynem kryponem (argonem) s nižší epelnou vodivosí. Trubkové vakuové kolekory Trubkové vakuové solární kolekory jsou obecně kolekory s válcovou aperurou (zasklením), u kerých je prosor mezi absorbérem a zasklením vakuován na erémně nízký lak pod 10-3 Pa. Vysoké vakuum, vlivem éměř dokonalé absence molekul plynů, minimalizuje přenos epla vedením a konvekcí ve vakuovém prosoru a přenos epla mezi absorbérem a zasklením způsobuje především sálání. Pro vyloučení výskyu zbykových plynů ve vakuovém prosoru rubkových kolekorů se používají zv. gery využívající barium, keré pohlcuje molekuly volných plynů. Trubkové vakuové kolekory dosahují kombinací vakuové izolace (omezení epelných zrá vedením vzduchovou vrsvou) a nízkoemisivního povrchu absorbéru (omezení epelných zrá sáláním) exrémně nízkých epelných zrá i při vysokých rozdílech eplo mezi absorbérem a okolním prosředím. Trubkové vakuové kolekory ak umožňují využií slunečního záření i při vysokých provozních eploách, např. v oblasi průmyslového a echnologického epla nebo solárního chlazení. Termín rubkový vakuový kolekor je relaivně široký pojem, kerý zahrnuje velké množsví různých konsrukčních provedení. Pro pořebu základní klasifikace je nezbyné odděli dva základní konsrukční ypy: rubkové kolekory s jednosěnnou rubkou evropský yp, původně vyráběný v Evropě; 19

rubkové kolekory s dvojsěnnou rubkou (Sydney) čínský yp, převážně vyráběný v Číně. Podle konsrukčního uspořádání odvodu epla lze rozděli oba základní konsrukční ypy na další podypy: přímo proékané (koncenrické porubí, porubí ve varu U-smyčky = U-regisr) absorbérem přímo proéká eplonosná kapalina; s epelnou rubicí: suché napojení kondenzáor zasunuý (zaklapnuý) v pouzdru omývaném eplonosnou kapalinou; mokré napojení kondenzáor přímo omývaný eplonosnou kapalinou. Řada rubkových vakuových kolekorů využívá pro přenos epla mezi povrchem absorbéru a eplonosnou kapalinou zv. epelných rubic. Princip epelné rubice je relaivně dobře známý, pracovní láka se přívodem epla vypařuje ve výparníkové čási vodivě spojené s absorbérem, pára samovolně soupá rubicí do kondenzační čási, kde se sráží na kapalné skupensví a kapalina séká zpě do výparníkové čási. Pro zajišění funkce epelné rubice je nuné zajisi její sklon minimálně 20-25, aby se kondenzá mohl samovolně vrái zpě do výparníku. U vakuových solárních kolekorů se jako epelná rubice používá měděná rubka, jejíž výparníková čás má průměr 8 až 12 mm, kondenzační čás má zpravidla věší průměr cca 18 až 20 mm pro zajišění dosaečné eplosměnné plochy. Uvniř epelné rubice se jako pracovní láka používá buď čisá voda (případně se zvlášními adiivy) nebo líh při určiém laku (podlaku). 1 2 1 2 Obr. 1.16 Příčný řez a podélný řez jednosěnným rubkovým vakuovým kolekorem s přímo proékaným U-regisrem (1) a s epelnou rubicí (2) 20

Trubkové vakuové kolekory s jednosěnnou rubkou Tradiční yp rubkových vakuových kolekorů využívá jednoduché uzavřené skleněné rubky, ve keré je umísěna plochá lamela absorbéru se selekivním povrchem (viz obr. 1.16). Odvod epla z absorbéru je zajišťován epelnou rubicí, přímo proékaným U-regisrem nebo přímo proékaným koncenrickým porubím. Vniřní prosor skleněné rubky je vakuován na lak pod 1 mpa. Jednosěnné rubky se vyrábí v průměrech od 40 do 150 mm z boriokřemičiého skla s vysokou pevnosí a odolnosí vůči eploním změnám a gradienům. Kvaliní jednosěnné rubky jsou dosupné s anireflexním povlakem pro zvýšení propusnosi slunečního záření (až 94 %). Kolekory s jednosěnnou rubkou a plochým absorbérem mají velmi dobrý přesup epla z absorbéru do eplonosné láky zajišěný především ulrazvukovým nebo laserovým navařením absorbéru na eplosměnné porubí (výparník epelné rubice, přímo proékané porubí). U rubkových kolekorů s jednosěnou rubkou je zcela zásadní zajišění dokonalého ěsnění prosupu epelné rubice či porubí s eplonosnou lákou skleněnou vakuovou rubkou (ěsnění spoje kov-sklo). Řešení spolehlivého ěsnění spočívá v použií sliin niklu a železa, keré vykazují sejný součiniel epelné rozažnosi jako použié boriokřemičié sklo. Tyo dnes již klasické kolekory jsou na vysoké echnické úrovni, pracují s vysokou účinnosí, nicméně pro věšinu aplikací jde o invesičně velmi náročné řešení. Obr. 1.17 Prakické provedení jednosěnných rubkových vakuových kolekorů: s přímo proékaným koncenrickým porubím (vlevo), s epelnou rubicí (vpravo), zdroj: Viessmann Trubkové vakuové kolekory s dvousěnnou skleněnou rubkou V posledním deseileí se na českém a evropském rhu objevují vakuové kolekory s zv. Sydney rubkou, vyvinuou na základě spolupráce mezi Sydney Universiy a Tsinghua Universiy v 80. leech. Sydney rubka je válcová dvojsěnná koncenrická celoskleněná rubka, obdobná Dewarově nádobě (ermoska), kde vniřní absorpční rubka (ve funkci absorbéru s válcovým povrchem) slouží k zachycování slunečního záření a přeměnu na eplo a vnější krycí rubka (ve funkci zasklení) slouží jako ochrana před amosférickými vlivy. Meziprosor mezi oběma skleněnými rubkami je vakuován a vnější povrch vniřní absorpční rubky je opařen selekivním absorpčním povrchem. U Sydney rubek je jako spekrálně selekivní povrch na absorpční skleněné rubce nejčasěji napařen keramicko-kovový vícevrsvý povlak na bázi niridu hliníku. Podobně jako jednosěnné rubkové kolekory, i rubkové Sydney kolekory jsou konsrukčně řešeny s přímo proékaným rubkovým regisrem (U-regisr) nebo s epelnou rubicí (viz obr. 1.18). Kriickým mísem Sydney kolekorů je přenos epla z vniřního povrchu vniřní absorpční rubky do eplonosné kapaliny, edy především na povrch porubí přímo proékaného U-regisru nebo na povrch výparníku epelné rubice. K omu slouží eplosměnná vodivá lamela (nejčasěji z hliníku), kerá by měla vykazova co nejvodivější konak jak s vniřním povrchem absorpční rubky, ak s vnějším povrchem porubí pro odvod epla (U-regisr, epelná rubice). Toho není vždy docíleno a španý přenos epla z absorpčního 21

povrchu do eplonosné kapaliny se projevuje negaivně na celkové účinnosi kolekoru. Na druhé sraně, oproi konsrukčnímu uspořádání rubkových solárních kolekorů s jednosěnnými vakuovými skleněnými rubkami s absorbérem ve varu plochých lamel odpadá u kolekorů se Sydney rubkou (válcovým absorbérem) problém uěsnění vakua a prosupů porubí, což vede k jejich nižší ceně. 1 2 1 2 Obr. 1.18 Příčný řez a podélný řez rubkovým vakuovým Sydney kolekorem s přímo proékaným U- regisrem (1) a s epelnou rubicí (2) 1.2.4. Koncenrační kolekory Koncenrační (sousřeďující) kolekory využívají koncenrace přímého slunečního záření odrazem od zrcadel nebo lomem čočkami do ohniska, v němž je umísěn absorbér o výrazně menší ploše než je vlasní plocha aperury (nízké epelné zráy). Podle varu ohniska se rozlišují koncenrační kolekory s lineárním ohniskem (parabolický reflekor, Winsonův kolekor, kolekor s lineární Fresnellovou čočkou) nebo bodovým ohniskem (paraboloidní reflekor, faseové reflekory, heliosay). Pro jejich účinné použií je základní podmínkou dosaek přímého slunečního záření během roku. Koncenrační kolekory s Fresnellovou lineární čočkou Lineární Fresnellova čočka předsavuje v principu radiční válcovou čočku s lineárním ohniskem převedenou do deskového varu (viz obr. 1.19). Koncenrací přímého slunečního záření na lineární absorbér ve varu lamely proékané eplonosnou kapalinou lze vyvoři solární kolekor. Výhodná inegrace čočky do zasklívacího sysému obálky budovy (okno) umožňuje spoji pasivní a akivní prvek 22

využií slunečního záření do jediného zařízení. Koncenrací přímého záření na absorbér se snižuje epelná záěž prosoru, do kerého pak vsupuje pouze difúzní složka zajišťující přirozené osvělení. Obr. 1.19 Fresnelova čočka a kolekor s lineární Fresnelovou čočkou [7] Koncenrační rubkové kolekory Vzhledem k válcovému varu absorbéru se rubkové vakuové Sydney kolekory časo vybavují odraznými zrcadly (reflekory) s opicky více či méně propracovaným varem pro zvýšení dopadající energie na absorbér (koncenrační kolekory), viz obr. 1.20. Levnější ypy rubkových Sydney kolekorů využívají jednoduché ploché difúzní reflekory umísěné za rubkami. Vyššího účinku lze docíli reflekory s vhodně varovaným povrchem (parabolické koncenráory). Použií reflekorů na jedné sraně snižuje poče použiých rubek v kolekoru (levnější řešení) a zvěšuje akivní plochu kolekoru (výkon/m 2 zasavěné plochy), na druhé sraně v určiých zeměpisných oblasech může bý jejich použií problemaické s ohledem na zachycování sněhové pokrývky a vorbě ledu, kerá může vés k desrukci skleněných vakuových rubek kolekoru. Obr. 1.20 Použií reflekorů pro zvýšení akivní plochy rubkového kolekoru (aperury) 1.2.5. Paramery solárního kolekoru Teoreické sanovení účinnosi Funkci solárního epelného kolekoru lze popsa obecnou energeickou rovnováhou. Solární kolekor přijímá sluneční záření, keré je čásečně odraženo od zasklení a absorbéru a zbyek se pohlcuje na povrchu absorbéru a mění v eplo. Čás epla z pohlceného záření se odvádí eplonosnou kapalinou, čás odchází zpě do okolního prosředí ve formě epelných zrá a čás epla se akumuluje v ěle kolekoru. Energeickou bilanci kolekoru lze popsa diferenciální rovnicí dq d & & & Q&, (1.24) = Qs Qz o Qz, k 23

kde dq/d je časová změna epelného obsahu kolekoru a eplonosné kapaliny uvniř absorbéru, ve W; Q & s sluneční ozáření jímací plochy kolekoru, ve W; & opické zráy kolekoru, ve W; Q z, o & epelné zráy kolekoru, ve W; Q z, Q & k epelný výkon solárního kolekoru, ve W. Odraz na zasklení Odraz na absorbéru Tepelná zráa zasklením Odvod epla eplonosnou lákou pro využií Dopadající sluneční záření Tepelné zráy zadními a bočními sěnami Obr. 1.21 - Schémaické znázornění energeické bilance kolekoru Dynamický (akumulační) člen v rovnici bilance je ovlivňován slunečním ozářením, změnou eploy a rychlosi proudění eplonosné kapaliny na vsupu do kolekoru a v řadě případů je nuný pro popis chování solárního kolekoru za reálných proměnlivých podmínek (počíačové modelování, kolekory s vysokou epelnou kapaciou). Na druhé sraně hodnoa časové konsany běžných solárních kolekorů se pohybuje v řádech minu a pro naprosou věšinu echnických výpočů lze vycháze z bilance v usáleném savu. Využielný epelný výkon solárního kolekoru lze poom zapsa jako & = & & & (1.25) Q k Qs Qz, o Qz, Dopadající výkon slunečního záření se sanoví ze vzahu Q & = G (1.26) s A k kde G je sluneční ozáření kolekoru, ve W/m 2 ; A k vzažná plocha solárního kolekoru (v rovině, na kerou dopadá sluneční záření), v m 2 ; za vzažnou plochu kolekoru je možné uvažova plochu aperury (zasklení) A a, absorbéru A A či hrubou obrysovou plochu kolekoru A G (zasavěná plocha na sřeše). Opické zráy kolekoru lze vyjádři ze vzahu z, o ( 1 τ ) G Ak Q & = α (1.27) kde τ α je propusnos slunečního záření zasklení solárního kolekoru (bezrozměrná); pohlivos slunečního záření absorbéru (bezrozměrná). 24

Tepelné zráy kolekoru se sanoví jako souče epelných zrá absorbéru přední, zadní a boční sranou kolekoru Q & = U A ( ) + U A ( ) + U A ( ) = U A ( ) (1.28) z, p k abs e z k abs e b b abs e k abs e kde U p U z U b abs e je součiniel prosupu epla přední sranou kolekoru, ve W/(m 2 K); součiniel prosupu epla zadní sranou kolekoru, ve W/(m 2 K); součiniel prosupu epla bočními sranami kolekoru, ve W/(m 2 K); sřední eploa povrchu absorbéru, ve C; eploa okolního vzduchu, ve C. Po dosazení rovnic (1.26) až (1.28) do rovnice (1.25) lze získa rovnici využielného výkonu solárního kolekoru vyjádřenou v závislosi na povrchové eploě absorbéru Q& = G A τ α U A ) (1.29) k k k ( abs e Účinnos solárního kolekoru η k je za usálených podmínek definována jako poměr výkonu odváděného eplonosnou kapalinou z kolekoru Q & k příkonu slunečního záření dopadajícího na kolekor Q & Q& ( abs η = = τ α U G A G kde τα U ( G k e ) k abs e ) 1,0 0,8 je opická účinnos kolekoru (bezrozměrná); k s (1.30) celkový součiniel prosupu epla kolekoru, vzažený k referenční ploše kolekoru A k, ve W/(m 2.K); sřední redukovaný eploní spád mezi povrchem absorbéru a okolím, v m 2.K/W. opické zráy 0,6 epelné zráy η [-] 0,4 0,2 účinnos 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 ( abs - e )/G [m 2.K/W] Obr. 1.22 Křivka účinnosi solárního kolekoru s vyznačením opických a epelných zrá 25

Tímo způsobem je však vyjádřena účinnos kolekoru pouze na základě fyzikálních vlasnosí čásí kolekoru vně absorbéru (není zohledněn vliv použiého maeriálu, konsrukce a geomerie absorbéru, vliv průoku eplonosné kapaliny, ad.). Vyjádření účinnosi kolekoru jako funkce sřední eploy povrchu absorbéru abs je problemaické, neboť eploa absorbéru zpravidla není známa a lze ji obížně změři bez demonáže zasklení kolekoru. Ve sarší lierauře je eploa absorbéru abs nesprávně slučována se sřední eploou eplonosné kapaliny m. 1,0 0,8 η [-] 0,6 0,4 0,2 G 200 W/m 2 400 W/m 2 600 W/m 2 800 W/m 2 1000 W/m 2 0,0 0 20 40 60 80 100 120 m - e [K] Obr. 1.23 Závislos účinnosi solárního kolekoru na rozdílu eplo při různém slunečním ozáření Pro vyjádření kvaliy přenosu epla z povrchu absorbéru do eplonosné kapaliny se využívá bezrozměrného účinnosního součiniele kolekoru F', kerý ve své podsaě sanovuje poměr mezi dvěma epelnými odpory, ve jmenovaeli je obsažen odpor proi přenosu epla z kapaliny do okolního vzduchu, v čiaeli je odpor proi přenosu epla z absorbéru do okolního vzduchu. Účinnosní součiniel kolekoru je konsanní pro danou konsrukci absorbéru. Lze jej analyicky vypočía, je závislý na geomerii absorbéru (průměr rubek regisru, rozeč rubek regisru, loušťka absorbéru), na epelných vlasnosech absorbéru (epelná vodivos absorbéru, rubek regisru a spoje rubek s absorbérem) a přesupu epla v rubkách regisru (laminární, urbulenní). Zavedení účinnosního součiniele kolekoru F umožňuje rovnici účinnosi solárního kolekoru vyjádři v závislosi na sřední eploě eplonosné kapaliny m ak, jak o odpovídá evropské praxi, ve varu ( m e ) η = F' τ α U (1.31) G kde F τα je účinnos při nulových epelných zráách, někdy nepřesně nazývaná opická účinnos; ( G m e ) sřední redukovaný eploní spád mezi kapalinou a okolím, v m 2.K/W. Z účinnosního součiniele kolekoru F' vyplývají důležié zásady návrhu konsrukce kolekoru, zejména absorbéru. Se zmenšováním rozeče rubek regisru a edy zmenšováním šířky lamely absorbéru se zvyšuje účinnosní součiniel kolekoru, sejně jako se zvěšující se loušťkou absorbéru a zvyšující se 26