Slnko je základnou podmienkou pre život na Zemi. Dodáva nám vnútornú silu, ale aj radosť zo slnkom zaliatych dní. V posledných rokoch sa stále častejšie ako obnoviteľný zdroj energie na výrobu tepla využíva slnečná energia. K najčastejším spôsobom využitia patria slnečné termické kolektory.

Každý kolektor slúži na iné účely. Dané podmienky, ako aj spôsob využitia určujú, aký typ treba zvoliť. Na sezónny ohrev vonkajších bazénov je vhodný nekrytý plastový absorbér alebo plochý neselektívny kolektor. Ploché neselektívne kolektory možno využiť aj na letný ohrev ohriatej pitnej vody (OPV) v našich klimatických podmienkach.

Na celoročný ohrev OPV, pre kombinované systémy s ohrevom vonkajších bazénov a na podporu vykurovania sú potrebné ploché selektívne kolektory. Pre interiérové bazény, na podporu vykurovania v energeticky úsporných domoch a na výrobu technologického tepla sú vhodné vákuové kolektory (ploché, rúrové).

Ako si vybrať

Slnečné kolektory sa vyskytujú v najrôznejších konštrukčných obmenách a rozdeľujú sa podľa rozličných kritérií. Ak si máme vybrať ten správny, treba si dôkladne premyslieť, v akom prostredí bude umiestnený. Základnou podmienkou pre výber je oblasť použitia a vonkajšia teplota. Uvedieme si základné typy bežne používaných kolektorov.

Nekrytý kolektor (najčastejšie plastový absorbér) sa používa na neveľké zvýšenie teploty. Je vhodný najmä na sezónny ohrev vody v exteriérových bazénoch. V krajinách s vysokou intenzitou slnečného žiarenia, napríklad v Grécku, Egypte či na Cypre sa využíva predovšetkým plochý neselektívny kolektor s jednoduchým zasklením. S klesajúcou vonkajšou teplotou sa jeho účinnosť rýchlo znižuje, preto je v našich podmienkach použiteľný najmä na sezónny ohrev OPV a bazénov v letnom období. V našich klimatických podmienkach sa najčastejšie používa plochý selektívny kolektor s jednoduchým zasklením. Aplikuje sa nielen v systémoch na prípravu OPV či na ohrev bazénov, ale aj na podporu vykurovania. Ročný energetický zisk v systémoch na prípravu OPV sa pohybuje zväčša na úrovni 500 kWh/m2.

Na celoročný ohrev vody interiérového bazénu je najvhodnejší plochý vákuový kolektor, ktorého veľkou prednosťou je, že v sebe kombinuje prednosti plochých kolektorov a vákua ako tepelnej izolácie. Je vhodný najmä na aplikácie, kde treba dosahovať vysoké pracovné teploty pri nepriaznivých meteorologických podmienkach, no vhodný je aj na podporu vykurovania a technologické účely.

Rúrový vákuový kolektor má vďaka hlbokému vákuu, ktoré tvorí tepelnú izoláciu absorbčnej plochy v sklenej trubici, najplochejšiu účinnostnú krivku. V dôsledku zakrivenia trubice má síce menšiu optickú účinnosť, ale pri zvyšujúcom sa rozdiele medzi teplotou absorbéra a okolitého vzduchu klesá ich účinnosť najpomalšie. Nevýhodou je výrazne vyššia cena za jednotku získaného tepla. Tá sa čiastočne kompenzuje vyššími úžitkovými vlastnosťami a dlhoročnou stabilitou parametrov. Práve vákuum zabezpečuje ochranu absorbéra pred negatívnymi vplyvmi okolitého prostredia. V európskych podmienkach tvoria rúrové vákuové kolektory približne 10 percent z celkovej inštalovanej plochy. Ich najväčším svetovým výrobcom je Čína, kde tvoria až 80 percent všetkých inštalácií.

Podmienky inštalácie

Na to, aby sa splnili vaše očakavánia ako investora, treba okrem vhodne zvolenej solárnej techniky zohľadniť a splniť aj niektoré všeobecné alebo špecifické predpoklady a podmienky na ich inštaláciu a prevádzku. Jednou z nich je aj inštalácia kolektorov na miesta, ktoré nie sú zatienené okolitou zástavbou, vegetáciou alebo prírodnými prekážkami. Najvhodnejšia je orientácia solárnych kolektorov na juh, pričom napríklad odklon 30 stupňov na západ alebo východ zníži ročný energetický zisk iba približne o 5 %. Sklon kolektorov voči horizontálnej rovine sa volí v rozpätí 30 až 60 stupňov, pri menšom uhle sa zvyšuje letný výkon a pri väčšom zasa zimný zisk (treba však mať na pamäti, že v zimnom polroku dopadne na kolektory asi len štvrtina celoročného prísunu slnečnej radiácie).

V našich klimatických podmienkach sú jednoznačne vhodnejšie systémy s nútenou cirkuláciou teplonosnej kvapaliny nachádzajúcej sa v kolektoroch, lebo ich ročný energetický zisk je oproti gravitačným systémom o 20 až 25 % vyšší. Teplonosná kvapalina musí odolávať teplotám až do –30 oC a nesmie agresívne vplývať na prvky primárneho okruhu. Z ekonomického hľadiska je výhodnejšie plochu kolektorov mierne poddimenzovať, pretože okrem nich sa väčšinou využíva ďalší zdroj energie, slúžiaci na doohrev. Praxou overená fyzická životnosť kolektorov je 25 až 30 rokov, čomu by mala zodpovedať aj životnosť strechy či iného podkladu, na ktorý sa kolektory upevňujú. Inštalácia solárneho systému je najjednoduchšia a najlacnejšia vtedy, keď sa s ňou ráta už v projekte stavby, alebo keď sa počas výstavby urobí aspoň základná príprava na jej prípadnú dodatočnú realizáciu.

Pravidlá používania kolektorov

Solárne kolektory sa u nás najčastejšie využívajú na prípravu OPV, na ohrev bazénov a ako doplnkový zdroj na podporu vykurovania. Na prípravu OPV treba používať špeciálne solárne vertikálne bojlery s výrazne väčšou teplovýmennou plochou. V rodinných domoch musíme rátať s plochou 1,2 až 1,5 m2 kolektorovej plochy na jedného obyvateľa, pričom na jeden meter štvorcový kolektora pripadá 50 až 60 l objemu bojlera. Ekonomické optimum pri krytí ročných energetických potrieb na OPV je 55 až 60 percent. Z hľadiska účinnosti a celkového zisku je optimálne nastaviť požadovanú teplotu OPV na 50 až 55 oC.

Určité normy a pravidlá treba dodržiavať aj pri ohreve bazénov. Na ohrev vonkajších nekrytých bazénov treba inštalovať kolektory s plochou rovnajúcou sa 40 až 60 percent plochy bazénu. V prípade interiérových bazénov bez priameho dopadu slnka sa plocha kolektorov rovná 80 až 100 percentám plochy hladiny, pretože tieto bazény nemajú priame zisky a všetku energiu im treba dodať ohrevom. Bazény pod transparentnými krytmi samotné fungujú ako kolektory a v letnom období ich treba, naopak, chladiť, preto je použitie slnečných kolektorov v tomto prípade problematické. V záujme spoľahlivosti a úspory elektrickej energie je žiaduce vybudovať samostatný cirkulačný okruh bazénovej vody cez solárny výmenník so samostatným čerpadlom. V čase, keď sú v činnosti kolektory, je potrebné zabezpečiť, aby nebol povolený prípadný dohrev z iného zdroja (kotol ÚK, elektrická energia). Bazénová voda sa môže priamo prečerpávať iba cez plastové absorbéry, v prípade kovových kolektorov je nutná inštalácia vhodného (protiprúdového) výmenníka. Potrebnú kolektorovú plochu možno znížiť o 20 až 30 percent dôsledným používaním prekrytia hladiny bazéna v čase, keď je mimo prevádzky.

Na solárnu podporu vykurovania sú vhodné iba objekty s veľmi dobrými tepelnoizolačnými parametrami a nízkoteplotným vykurovacím systémom (stenové, podlahové, teplovzdušné alebo výrazne predimenzované konvekčné vykurovanie). Najjednoduchším a najlacnejším riešením je predhrev spiatočky pred jej vstupom do kotla alebo rozdeľovača. Aby bol prínos kolektorov pre ústredné kúrenie dostatočný, nestačia tri či štyri kolektory, ale treba ich výrazne viac, čo so sebou prináša problém racionálneho využitia letných tepelných ziskov – zmysluplným riešením je napríklad kombinácia s letným ohrevom vonkajšieho bazéna. Pre tieto systémy je vhodný väčší uhol sklonu kolektorov, napríklad 60 stupňov. V rekreačných objektoch so sporadickým využívaním možno napojiť vykurovací systém priamo na kolektory bez výmenníka. V posledných rokoch sa presadzujú schémy zapojenia s centrálnym zásobníkom tepla dostatočného objemu, do ktorého vstupujú okrem kolektorov aj ďalšie zdroje tepla a napájajú sa z neho všetky spotrebiče.

Miesto inštalácie

V závislosti od účelu využitia a s ním súvisiaceho typu a počtu slnečných kolektorov treba obvykle riešiť i otázku ich vhodného umiestnenia. Pri ňom treba zohľadniť dva aspekty – technologický a architektonický. Vo všeobecnosti sa dá povedať, že technicky možno upevniť kolektory takmer na všetky druhy sedlových, pultových, valbových či plochých striech s rozličnými krytinami. Okrem strechy, ktorá je zvyčajne najvhodnejším miestom na umiestnenie kolektorov, možno ich upevniť na fasádu, balkón, a to ako prekrytie parkoviska pre automobily, na ploty, vhodne orientované svahy alebo aj rovný terén. V prípade viacposchodových panelových domov sa okrem umiestnenia na rovnú strechu ponúka i možnosť zvislého upevnenia na južnú fasádu. Pri takomto riešení sa síce získa menej tepla v lete, ale o to lepšie sú podmienky v zimnom polroku. Upevnenie kolektorov na fasádu je vhodné aj pri nedostatočnej ploche strechy na umiestnenie potrebného počtu kolektorov pri viac ako štvorpodlažných obytných budovách.

V porovnaní s pálenou a betónovou strešnou krytinou je hmotnosť kolektorov pripadajúca na 1 m2 menšia. Ani v prípade ľahkých strešných krytín nie je hmotnosť kolektorov zásadnou komplikáciou, pretože je stále výrazne nižšia ako výpočtová záťaž od snehu. Dôležitejšia je otázka fixovania kolektorov proti účinkom vetra, najmä pri inštalácii na rovných strechách a na rovnom teréne. V závislosti od výšky kolektorov nad terénom môže ísť o stovky kilogramov záťaže.

Financie – investície – náklady

Cena samotných kolektorov nie je zvyčajne tou najväčšou položkou. Najmä v prípade menších solárnych zariadení na prípravu OPV tvorí cena kolektorov 30 až 40 % z celkovej ceny zariadenia na kľúč. Majiteľ rodinného domu, v ktorom býva štvor- až päťčlenná rodina, by si mal na tento účel vyčleniť približne 100 až 110 tisíc korún. Čím je systém väčší, tým sú nižšie merné investičné náklady na jednotku získaného tepla. Ročné prevádzkové náklady tvoria menej ako 0,5 % investičných nákladov a zahŕňajú náklady na elektrickú energiu na pohon čerpadiel, revízie, výmenu teplonosnej kvapaliny a bežnú údržbu. Mimoriadne priaznivé ekonomické ukazovatele dosahujú solárne systémy na ohrev bazénov.

Ekonomické hodnotenie vždy závisí od druhu energie, ktorú kolektormi nahradíme, od účelu použitia a od požadovaných parametrov. Vo všeobecnosti sa dá očakávať návratnosť vložených prostriedkov v prípade malých solárnych zariadení na prípravu OPV v rodinných domoch v priebehu ôsmich až desiatich rokov. Pri ohreve bazénov je táto doba výrazne kratšia. Návratnosť, a tým aj ekonomickú zaujímavosť solárnych systémov môže ovplyvňovať štát svojou dotačnou a daňovou politikou. V tomto ohľade Slovensko zatiaľ značne zaostáva za väčšinou krajín Európskej únie.

Ekologické aspekty využitia slnečných kolektorov

Náhradou fosílnych palív a aktívnym využitím slnečnej energie sa redukujú najmä emisie CO2, ktorý sa podstatnou mierou podieľa na globálnom otepľovaní Zeme. V súčasnosti sú jeho emisie 30 mld. ton za rok (z toho 75 percent v dôsledku spaľovania uhlia, ropy a zemného plynu a 20 percent z lesných požiarov). Ešte v roku 1900 sa z energetickej činnosti ľudstva dostávalo do ovzdušia iba 2 mld. ton CO2 za rok. Od roku 1990 sa zvýšila priemerná globálna teplota o 0,7 ºC, následkom čoho stúpli hladiny morí o 10 až 25 cm. Na odvrátenie tohto nepriaznivého vývoja treba zabezpečiť zníženie emisií CO2 tak, aby nárast teploty pri maximálnej rýchlosti 0,2 ºC za desať rokov neprevýšil 2 ºC. V súčasnosti môžeme na dosiahnutie tohto cieľa využiť nahradenie fosílnych palív obnoviteľnými zdrojmi energie, zvyšovanie energetickej účinnosti a dlhodobé uskladnenie CO2 do vhodných geologických formácií. Práve pri realizácii prvej možnosti zohrajú významnú úlohu slnečné kolektory. Kolektor s plochou okolo 2 m2 vyrobí v našich podmienkach približne 1000 kWh tepelnej energie. V porovnaní so spaľovaním hnedého uhlia sa znížia emisie škodlivín do ovzdušia o tieto orientačné hodnoty: CO2 – 400 kg, SO2 – 10 kg, NOx – 0,07 kg, CxHx – 1,2 kg, prach – 1,2 kg.

Energetika a kolektory

Doteraz bola slnečná energetika v porovnaní s fosílnymi palivami znevýhodňovaná vyššími investičnými nákladmi na jednotku inštalovaného výkonu. Situácia sa však postupne mení, cena fosílnych palív stále stúpa a už v dohľadnom čase sa energia získaná z obnoviteľného zdroja energie stane výhodnejšou. Potenciál slnečnej energetiky je obrovský a na jej aktívne využívanie kladú veľký dôraz najmä orgány Európskej únie. Podľa oficiálnych dokumentov sa do roku 2015 očakáva rast v Európe zo súčasných približne 15 mil. m2 kolektorovej plochy na 100 mil. m2.

Podľa kvalifikovaných odhadov je v súčasnosti na Slovensku v prevádzke približne 55 až 60 tisíc m2 slnečných termických kolektorov. V prepočte na tisíc obyvateľov výrazne zaostávame za európskymi lídrami, ako sú napríklad Rakúsko alebo Grécko s viac ako 300 m2 na tisíc obyvateľov.