Srovnání solárních fotovoltaických a fototermických systémů pro ohřev vody

Sluneční záření lze využít dvěma základními způsoby: buď lze získávat teplo v solárních termických kolektorech, nebo elektřinu ve fotovoltaických panelech. Zaměříme-li se pouze na ohřev vody, jsou nejdůležitějšími parametry solárního systému závislost výkonu na klimatických podmínkách v daném místě a čase, plošná hmotnost, účinnost, roční výnos energie, cena a životnost. Donedávna byl ohřev vody fotovoltaikou příliš drahý, než aby mohl konkurovat klasickým kolektorům. Jak to vypadá v současnosti, nastiňuje tento článek.

Váháte nad tím, zda si pořídit domů fotovoltaickou elektrárnu (FVE) nebo raději zvolit solární termický ohřev vody? V našem článku srovnáme obě varianty, jednotlivé výhody a nevýhody. Oba systémy dokáží uspořit desetitisíce korun ročně a oba systémy Vám sníží spotřebu elektrické energie v domě. Fotovoltaický systém vyrábí elektřinu, čímž si její spotřebu snížíte. Fototermický solární systém pomocí solárních kolektorů sníží nepřímo Vaši spotřebu elektrické energie, a to díky přeměně slunečního záření na tepelnou energii.

Základní principy a srovnání technologií

Sluneční panely, přesněji solární termické kolektory, slouží primárně k ohřevu vody nebo vytápění. Pracují na principu absorpce slunečního záření, které se přeměňuje na teplo. Toto teplo je následně přenášeno prostřednictvím média, například vody s glykolovým roztokem, do zásobníku teplé vody. Fotovoltaické panely (FV) přeměňují sluneční záření přímo na elektrickou energii. Takto získaná elektřina může být využita pro chod domácnosti, uložena do baterií, nebo její přebytek odevzdán zpět do sítě.

Plošná hmotnost a zatížení střechy

• U fotovoltaických panelů závisí především na použité technologii a na tloušťce použitého skla.
• U panelů, které jsou ze zadní strany kryty plastovými fóliemi (technologie sklo-plast) se plošná hmotnost pohybuje kolem 10 kg/m².
• U panelů oboustranně krytých sklem (technologie sklo-sklo, doubleglass) může plošná hmotnost přesáhnout 20 kg/m².
• Plošná hmotnost solárních termických kolektorů se včetně teplonosné kapaliny pohybuje od zhruba 20 kg/m² výše.
• Nižší plošnou hmotnost mohou mít vakuové trubkové kolektory, které však nelze použít pro vytvoření střešní krytiny (výjimkou jsou kolektory s celoplošným reflektorem).
• Zatížení střechy fotovoltaickými panely je na 1 m² menší než fototermikou, zároveň je ale k instalaci takového systému potřeba mnohem větší plocha. V porovnání plocha FVE: 13,5 m² vs. TERMIKA: 5 m² - pro generování stejného výkonu.

Účinnost systémů

• Účinnost je parametr, který určuje, kolik lze z plochy střechy získat energie.
• V letním období jsou z hlediska účinnosti výhodnější solární termické kolektory.
• Za standardních testovacích podmínek se účinnost fotovoltaických panelů pohybuje od zhruba 5 % u panelů tenkovrstvých až po 20 % u nejlepších panelů monokrystalických. Účinnost přitom nezávisí na teplotě ohřívaného média. V závislosti na teplotě panelů se jejich výkon snižuje o 0,2 % (tenkovrstvé) až 0,5 % (krystalické) při zvýšení teploty o jeden stupeň Celsia.
• Účinnost solárních termických kolektorů silně závisí na teplotním rozdílu mezi teplonosnou kapalinou a okolím. Na rozdíl od fotovoltaických panelů proto účinnost při nízkých teplotách vzduchu klesá. Pokles je natolik významný, že při teplotách vzduchu pod bodem mrazu kolektory většinou nejsou schopny ohřát teplonosnou kapalinu na vyšší teploty.
• Ve výsledcích celoročního přínosu pro ohřev teplé užitkové vody jednoznačně nad všemi fotovoltaickými systémy vítězí právě fototermický solární systém složený z plochých deskových kolektorů. Fotovoltaické panely s regulátorem ohřívají vodu s nižší účinností. Jako úplně nevhodné se považuje jednoduché, ale nejméně účinné řešení, kdy jsou FV panely zapojeny přímo do topného tělesa v bojleru.
• Navzdory mýtům o klesající účinnosti fotovoltaických panelů v zimě a předpokladu o nefunkčnosti fototermických kolektorů od podzimu do jara, měření dokazují, že fototermické solární systémy jsou stále vysoce účinné.

Standardní testovací podmínky (STC), za nichž jsou zkoušeny fotovoltaické panely, jsou: teplota okolí 25 °C (= teplota panelu), intenzita záření 1000 W/m², spektrum AM 1,5 global. V praxi však intenzita slunečního záření dosahuje úrovně 1000 W/m² jen zcela výjimečně. Obvyklejší jsou hodnoty kolem 800 W/m² v poledne, kdy sluneční záření dopadá na plochu kolektoru téměř kolmo (v závislosti na roční době a sklonu kolektoru). Za těchto podmínek se však teplota fotovoltaických panelů pohybuje kolem 45 °C, což snižuje jejich účinnost až o 10 %. Mimo polední hodiny intenzita dopadajícího slunečního záření dále klesá. V důsledku toho u solárních termických kolektorů klesá účinnost, naopak u fotovoltaických panelů účinnost roste, protože se méně zahřívají. V létě při zatažené obloze intenzita slunečního záření klesá pod 200 W/m². Teploty se v takovém případě zřídka pohybují nad 20 °C. Fotovoltaické panely se za těchto podmínek ohřívají vlivem slunečního záření jen nepatrně, takže jejich účinnost se blíží účinnosti nominální. U krystalických panelů účinnost při nižší intenzitě záření zhruba do 200 W/m² mírně klesá, při intenzitách pod 180 W/m² je pokles výraznější. Naopak u tenkovrstvých panelů účinnost při poklesu intenzity slunečního záření mírně roste. V zimním období se v době intenzivního slunečního svitu teploty obvykle pohybují kolem nuly. Intenzita záření je však i za nejlepších podmínek výrazně nižší než v létě, kromě toho sluneční záření dopadá na plochu kolektorů obvykle pod nižším úhlem. Ekvivalentní intenzita kolmo dopadajícího záření se běžně pohybuje kolem 400 W/m². V zimě se však často vyskytují intenzity slunečního záření kolem 100 W/m² a nižší, při teplotách pod bodem mrazu. Za těchto podmínek solární tepelné kolektory v podstatě nefungují.

Roční výnos energie

• Roční výnos energie závisí na množství dopadajícího slunečního záření a na průměrné roční účinnosti konverze slunečního záření na užitečnou energii.
• V České republice dopadá na 1 m² optimálně skloněné plochy 950 až 1150 kWh energie slunečního záření. Za těchto podmínek vyrobí fotovoltaické panely v závislosti na typu 50 až 200 kWh/m² elektřiny ročně.
• Výnos solárního systému s termickými kolektory silně závisí na solárním pokrytí - podílu energie ze solárního sytému k celkové spotřebě energie na ohřev vody. Lze však očekávat, že výnos solárních termických kolektorů bude i v nejhorším případě (vysoká teplota teplonosné kapaliny, vysoké solární pokrytí) minimálně 250 kWh/m².
• Nutno upozornit, že orientace a sklon panelů nejsou z hlediska roční výroby nijak kritické, v rozsahu sklonu 10° až 40° a orientace ±45° od jihu je celoroční výroba elektřiny nejvýše o 5 % nižší.

Cena a návratnost investice

• Cena fotovoltaických panelů se v současnosti pohybuje od 0,40 €/Wp u tenkovrstvých až do cca 0,80 €/Wp u kvalitních krystalických vyrobených v EU nebo v Japonsku. V přepočtu na plochu panelů se ceny pohybují od 500 Kč/m² až do 5000 Kč/m².
• Nahrazují-li panely střešní krytinu, je možno od této ceny odečíst cenu ušetřené krytiny (od cca 300 Kč/m² výše). Z tohoto pohledu může být nižší účinnost výhodou - za stejnou cenu lze získat větší plochu.
• Cena solárních tepelných kolektorů se pohybuje nejčastěji od 4500 do 6000 Kč/m², v případě vakuových trubkových kolektorů i podstatně výše.
• Pro ohřev teplé užitkové vody jsou FV solární systémy oproti fototermickým solárním systémům značně nevýhodné z hlediska ceny.
• Návratnost investice do solárního systému s termickými kolektory závisí na mnoha faktorech a může být kolem 5 až 10 let. U FVE se obvykle pohybuje v rozmezí 8 až 15 let.
• Náklady na servis solárních kolektorů na ohřev vody jsou ve srovnání s fotovoltaickou elektrárnou mnohonásobně levnější.

Životnost a spolehlivost

• Životnost (fyzická) fotovoltaických panelů je odhadována na 30 až 40 let, v případě panelů oboustranně krytých sklem je očekávána životnost ještě delší. Výrobci vesměs garantují maximální pokles účinnosti o 20 % po 25 letech provozu. Nejstarší fotovoltaické elektrárny jsou v provozu kolem 30 let, pokles účinnosti je často výrazně nižší než 10 %.
• Životnost fotovoltaického střídače se udává 5-10 let, většinou se na ně poskytuje záruka maximálně 5 let. Životnost baterií se pohybuje zhruba od 1500-5000 cyklů, což je cca 4-14 let, přičemž je nutné počítat s poklesem kapacity baterií.
• Výrobci solárních tepelných kolektorů udávají životnost 30 let, žádná garance se však obvykle k tomuto údaji nevztahuje. Zatímco u FV panelů může docházet k degradaci funkční vrstvy i laminační fólie, u kvalitně provedených kolektorů lze očekávat, že degradace absorpční vrstvy bude zanedbatelná.
• U solárních termických kolektorů je degradace absorpční vrstvy zanedbatelná, může se projevit spíše mechanické poškození systému.
• Riziko PID (Potential Induced Degradation) - fyzikální jev, jedná se o nevysvětlitelné snížení výkonu u FV panelů, kdy nastává nenávratná degradace křemíkového obsahu panelu, čímž dochází k nezvratnému poškození FV panelu.

Porovnání solárních termických kolektorů a fotovoltaických panelů pro ohřev vody

Následující tabulka shrnuje klíčové vlastnosti obou systémů:

Čtěte také: jak opravit litinové svody výfuku

Vakuové versus deskové solární kolektory

V rámci solární techniky se nejčastěji setkáte s plochými kolektory, jež se vyznačují jednoduchou konstrukcí a jsou ideální pro běžné domácnosti. Alternativou jsou vakuové kolektory, které dosahují vyšší účinnosti, zejména v chladnějším počasí. Existují však podstatné rozdíly mezi vakuovými a deskovými solárními kolektory, které se na papíře nemusí zdát zjevné, dokud zákazník kolektory nemá na střeše.

Plocha absorbéru

• Plocha absorbéru vakuového kolektoru je několikanásobně menší než plocha absorbéru deskového kolektoru. Absorbérem se rozumí ta část, která je uvnitř kolektoru a pohlcuje sluneční záření. Vakuové kolektory mají velkou hrubou plochu, ale malou absorpční. Vakuový kolektor se skládá z jednotlivých trubic, mezi nimiž je mezera.

Izolace a stagnační teploty

• Vakuový kolektor je složen z jednotlivých trubic, jejichž izolaci tvoří vakuum. Kolektor tak kompenzuje menší absorpční plochu lepší izolací. Jakékoliv poškození vakuové trubice nebo únik vakua však způsobí absolutní nefunkčnost kolektoru.
• Deskové kolektory mají větší tepelnou ztrátu do prostoru způsobenou sáláním skrze zasklení. Deskové kolektory nedosahují takových stagnačních teplot jako kolektory vakuové a jejich provoz je tak mnohem bezpečnější, dochází tak k eliminaci rizika poruchy solárního systému.
• Naproti tomu vyšší stagnační teploty na vakuových kolektorech, které jsou způsobeny jeho izolací, dosahují řádově vyšších stagnačních teplot. Lepší izolace vakuového kolektoru má tak výhodu pouze do okamžiku, než dojde k nahřátí solárního zásobníku na požadovanou teplotu. Pak je jednoznačně již pouze ke škodě, protože se značně zvyšuje riziko poruchy vlivem vysokého tlaku a teploty na kolektorech.
• Pokud necháte delší dobu nefunkční solární vakuový systém, jeho uvedení do provozu budou provázet větší finanční náklady. Může dojít k vytvoření glykolových shluků v kolektorech, solárním potrubí a čerpadlové jednotce. U kolektorů může dojít ke snížení průtoku, u čerpadlových jednotek ucpání tlakoměrů a pojistných ventilů, poničení čerpadla a obarvení průtokoměru degradovanou směsí, kdy se tento stává nepoužitelným. Čištění takového systému je velmi náročné i finančně nákladné. Vyšší teploty na kolektorech zároveň zkracují servisní intervaly.

Odolnost a poškození

• Vakuové kolektory jsou velmi náchylné na kroupy, které je velice snadno poničí. Pro tento případ by všechny vakuové systémy měly být pojištěny. Poškozený vakuový kolektor generuje minimální tepelný výkon vzhledem ke své malé absorpční ploše.
• Deskový kolektor díky své ztrátě zasklením umožňuje plynulé odtávání sněhu z kolektoru. Možností je také nastavení programu regulátoru na odtávání sněhu z deskových kolektorů. Vakuové kolektory umístěné na střeše rodinného domu také snadněji zapadnou sněhem a je tak nutno čekat na oblevu, aby opět začaly fungovat.
• Argument, že vakuové trubice jsou modernější a účinnější, je zcela lichý.

Doporučení

Jsme toho názoru, že vakuové kolektory nejsou vhodné pro instalace v České republice. Ideální je využití těchto kolektorů tam, kde slouží pouze jako předehřev a nemůže tak docházet k plnému ohřátí TUV a následné stagnaci. Ideální využití naleznou například jako dohřev u vývařoven na nudle, dohřevy velkých bazénů apod. Výroba vakuových kolektorů probíhá z větší části v Číně. Majitelé vakuových trubic se často obrací s žádostí o opravu těchto systémů. Při konzultacích často klademe důraz na to, aby si zákazníci pro své systémy zvolili raději deskové kolektory, které považujeme za vhodnější.

Typy solárních kolektorů

Při výběru solárního kolektoru je důležité zvážit jeho účel. Někdo chce levně ohřívat bazén, jiný chce ušetřit náklady za ohřev vody, další člověk má zájem o solární přitápění. Stručně si popíšeme jednotlivé druhy, detailně se budeme zaobírat pouze kolektory k ohřevu teplé užitkové vody, na které lze aktuálně čerpat dotace z programu Nová zelená úsporám.

Nezasklené, plastové solární kolektory

• Nejčastěji se jedná o nezasklený, plastový solární kolektor určený k ohřevu bazénové vody. Plast je odolný UV záření.
• Díky absenci zasklení dochází k lepším optickým vlastnostem tohoto kolektoru.
• Nevýhodou jsou vysoké tepelné ztráty, omezená odolnost vůči špatným podmínkám a trvanlivost.
• Výkon a účinnost těchto kolektorů je ovlivňována okolním prostředím, teplotou, větrem apod.

Kovové zasklené kolektory

• Jedná se o zasklený solární kolektor s kovovým absorbérem. Povrch absorbéru bývá zpravidla opatřen černým nátěrem.
• Tento typ kolektoru je vhodný k předehřevu vody. Uplatnění nalezne mezi zahrádkáři, lze jej použít na chatách a podobně.
• Aby sklo neprasklo díky rozdílnému tlaku, bývá zpravidla vyztuženo různými podpůrnými elementy. Tyto solární kolektory nemontujeme ani nedodáváme.

Deskové kolektory

• Rám kolektoru bývá buď výlisek, nebo složenina jednotlivých profilů. Lisovaný rám bývá těsný a kolektor je tak více odolný degradaci vlivem vlhkosti. Tyto kolektory jsou u nás nejčastěji používané.
• Nýtovaný kolektor v naší nabídce je Immo Logis. Mezi kolektory s lisovanou vanou patří kolektory Apollon.

Vakuové trubicové kolektory

• Kolektory s dvojstěnnou trubkou a válcovým absorbérem (čínský typ kolektoru).
• V kolektoru je getr, který slouží pro vyloučení výskytu zbytkových plynů. Pokud dojde k poškození solární trubice, getr změní barvu na hnědou, bílou nebo zprůhlední. Takto lze rozlišit poškozené vakuové trubice od funkčních. Dalším faktorem, jak lze zjistit poškození kolektoru, je ohřátá trubice.

Role potrubí ve fotovoltaických systémech (PVC vs. železné trubky)

V elektrickém připojení PV systému předpokládají solární kabely a dráty základní funkci přenosu výkonu. Jejich výběr přímo ovlivňuje bezpečnost, efektivitu a spolehlivost systému. Ve fotovoltaických systémech jsou potrubí důležité součásti používané k ochraně solárních kabelů a vodičů.

Běžné typy potrubí

Při instalaci fotovoltaických systémů zahrnují běžné typy potrubí kovové potrubí, nekovové potrubí a flexibilní potrubí. Každý typ potrubí má své vlastní jedinečné vlastnosti a scénáře aplikací.

Čtěte také: Trvanlivá přilnavost omítky na kov

Kovové potrubí (jako je EMT a IMC)

Kovové potrubí se používají hlavně ve fotovoltaických systémech, které vyžadují další fyzickou ochranu, zejména v oblastech, které jsou náchylné k fyzickému poškození nebo potenciálním nebezpečím.

• EMT (elektrická kovová trubice): EMT je lehký kovový potrubí běžně používaný pro ochranu kabelů ve vnitřním a venkovním prostředí. EMT má průměrnou odolnost proti korozi, ale je vhodná pro suchější nebo mírnější prostředí.
• IMC (střední kovové vedení): IMC je robustnější než EMT a je vhodná pro ochranu kabelů v drsném prostředí, zejména v průmyslových nebo venkovních podmínkách.

Nekovové potrubí (jako jsou PVC potrubí)

Nekovové potrubí jsou nejčastěji používaným typem potrubí ve fotovoltaických systémech. Výhodou nekovových kanálů jsou nízká hmotnost, nízké náklady a snadná instalace.

• PVC potrubí (polyvinylchloridové potrubí): PVC potrubí jsou velmi běžné trubky na ochranu kabelů fotovoltaického kabelu a jsou vhodné pro většinu příležitostí instalace fotovoltaického systému. PVC potrubí má dobrou odolnost proti korozi, odolnost proti vodě a odolnost proti UVR a může fungovat stabilně v dlouhodobém prostředí venkovní expozice.
• HDPE potrubí (polyethylenové potrubí s vysokou hustotou): HDPE potrubí má lepší odpor v tahu a nárazu než PVC potrubí a jsou vhodné pro použití ve závažnějších prostředích, zejména v aplikačních scénářích, které vyžadují vysokotlaké odolnosti nebo prevenci mechanického poškození.

Flexibilní potrubí (jako jsou vedení FMC)

Flexibilní potrubí se obvykle používají ve fotovoltaických systémech, které se musí ohýbat a přizpůsobovat se komplexním instalačním prostředí, zejména v místech, kde je prostor malý nebo vybavení, musí být často přesouván. Výhodou flexibilních potrubí je jejich flexibilita a přizpůsobivost, zejména v místech, kde je vybavení často pohybováno nebo instalační prostor je omezený.

• FMC (flexibilní kovové vedení): FMC Conduit je flexibilní kovové potrubí, obvykle vyrobené z jemného kovového drátu, vhodné pro prostředí s malým prostorem a flexibilním zapojením.
• LFMC (kapalina-těsná flexibilní kovová vedení): LFMC vedení má silnější vodotěsnou schopnost než vedení FMC a je vhodná pro oblasti s velkou vlhkostí nebo vyžaduje další vodotěsnou ochranu.

Podmínky prostředí

Výběr potrubí by měl být stanoven na základě specifických podmínek instalačního prostředí.

Doporučení pro výběr solárního řešení

Pokud budete řešit solární ohřev vody či přitápění, orientujte se na deskové ploché kolektory. Je zde celá řada prodejců, od kterých je můžete pořídit.

Čtěte také: Vápenný Podol: Klenot pravěké Země

Pro výběr nejvhodnější volby je rozumné provést důkladnou analýzu zahrnující nejen pořizovací, ale rovněž provozní náklady. Pokud je potřeba ohřát vodu elektřinou, topné těleso je umístěno v horní polovině zásobníku a elektřinou není zbytečně ohříván celý objem zásobníku, ale pouze jeho horní polovina. Zásobník s větším objemem zajistí lepší vrstvení vody, kdy v nejnižší části, ohřívané termickým solárním systémem, je voda nejstudenější a solární systém tak pracuje s větší účinností i při menším slunečním záření.

Pokud budete potřebovat ohřev teplé vody, použijte fototermické solární kolektory. Pokud požadujete úsporu elektřiny, volte fotovoltaické solární systémy.

tags: #pvc #vs #zelezne #solarni #trubky #srovnání

Oblíbené příspěvky:

• Kompletní průvodce epoxidovými podlahami
• Záhada dívčí tváře na kostele
• Průvodce výběrem nejlevnějších patek pod dlažbu
• Komplexní typologie zastřešení
• Ochrana a rekonstrukce soklů