Multifunkčné solárne kolektory na integráciu do budov

Približne 40 % energie v Európe sa spotrebúva v budovách. Za predpokladu, že sa pomocou úsporných opatrení a zvýšením účinnosti výrazne zníži potreba energie, najdôležitejším energetickým zdrojom budov sa v budúcnosti môžu stať solárne zariadenia.

Aplikačný potenciál zariadení využívajúcich slnečnú energiu pre budovy spočíva v zásobovaní teplom, chladom, elektrickou energiou a v zaistení prirodzeného osvetlenia. Budovy majú v budúcnosti potenciál stať sa solárne aktívnymi stavbami [1] so stopercentným zaistením energetických potrieb pomocou slnečnej energie, samozrejme, v nadväznosti na vývoj účinných akumulátorov tepla a elektrickej energie s vysokou hustotou akumulácie (malé objemy).

Na to je potrebné, aby architekti a inžinieri vedeli navrhovať budovy v komplexnom poňatí, v ktorom by sa spájala inteligentná architektúra, energetická účinnosť a úspory, pokročilé systémy regulácie solárnych ziskov a inovačné riešenia solárnych systémov na zaistenie dodávok energií. Pri takomto komplexnom prístupe sa v zásade predpokladá, že solárne zariadenia sú podstatnou a neoddeliteľnou súčasťou všeobecného návrhu budovy a solárne kolektory sú bežným stavebným a konštrukčným prvkom, a nie iba dodatočne inštalovaným a s budovou nesúvisiacim zariadením [2].

Aby sa slnečné žiarenie efektívne využilo, treba inštalovať rozsiahle, južne orientované plochy na jeho zachytávanie. Úsilie o racionálne využitie obalu budovy na zachytávanie slnečnej energie a premenu na požadovanú formu energie vyúsťuje do vývoja prvkov, ktorými sa aktívne solárne zariadenia integrujú do konštrukcie budovy. Veľký inovačný potenciál­ [3] spočíva najmä v spojení funkcie obalu budovy a solárneho kolektora a v multifunkčných prvkoch kombinujúcich niekoľko účelov (produkcia tepla a elektrickej energie, osvetlenia) v jedinom zariadení. Na široké využitie slnečnej energie v budovách je nevyhnutné, aby ďalší vývoj nových konceptov a experimentálne overovanie ich synergetických väzieb viedli ku konštrukčne predpripraveným a ľahko integrovateľným prvkom, ktoré by sa mohli následne komercionalizovať.

Integrácia solárnych kolektorov do budov
Všeobecne používaný pojem integrácie solárnych kolektorov do budov v sebe skrýva najmenej tri významy: systémovú integráciu, architektonickú integráciu a konštrukčnú integráciu. Systémová integrácia sa týka otázok, ako včleniť solárne zariadenie do systému energetického zásobovania budovy s ohľadom na optimalizáciu energetických ziskov a solárneho pokrytia. Riešenie sa nachádza v účinnom hydraulickom a energetickom koncepte, návrhu ušitom na mieru skutočným potrebám a v pokročilom regulačnom systéme.

Architektonická integrácia je dôležitým aspektom, ktorý vzišiel zo skúseností s nízkou vizuálnou kvalitou inštalácií solárnych kolektorov. Nedostatok rozmanitej palety farieb, tvarov, povrchov a veľkostí kolektorov, viditeľné upevňovacie prvky a potrubie sú najčastejšími problémami, ktoré spomínajú architekti v súvislosti s inštaláciou solárnych sústav. Pritom architektonická kvalita je pre architektov a projektantov kľúčom k otvoreniu cesty pozitívneho vnímania solárnych kolektorov a širšieho prijímania solárnych sústav (tepelných, elektrických) verejnosťou.

Za zásadnú úlohu možno považovať integráciu solárnych kolektorov do konštrukčných prvkov budov, kde solárne kolektory nahrádzajú plášť budovy. Takýto stupeň integrácie sa automaticky spája s aspektmi architektonickej integrácie. Konštrukčná forma integrácie je nevyhnutná pre budúci rozvoj a rozšírenie solárnych technológií. Integrácia solárnych kolektorov do obvodového plášťa budovy namiesto oddelenej inštalácie predstavuje prechod od konceptu obalu budovy, považovaného za energeticky stratový, k obalu budovy, ktorý slúži ako zdroj energie (energeticky aktívny obal budovy) a znamená krok vpred smerom k solárne energeticky aktívnym budovám.

Posledné desaťročie prinieslo veľký pokrok v zavedení integrácie tepelných a fotovoltických kolektorov do striech a fasád budov. Na druhej strane snaha o vyššie pokrytie energetických potrieb vedie k nevyhnutnosti vyššej využiteľnosti dostupných plôch plášťa budovy a súčasný trend sa posúva od jedno­účelových prvkov k multifunkčným alebo hybridným usporiadaniam solárnych kolektorov.

Hybridné solárne kolektory vzduch – kvapalina
Snahy o dosiahnutie maximálnej účinnosti premeny a využitia solárnych energetických ziskov počas roka vedú k rozvoju konceptu solárneho tepelného kolektora s dvomi teplonosnými látkami (vzduch – voda, vzduch – glykol/voda). Duálny alebo hybridný koncept s použitím dvoch teplonosných tekutín vychádza v princípe zo situácie typickej pre mierne a chladné klimatické pásmo, kde slnečné žiarenie postačuje v letnom období na prípravu teplej vody (50 až 60 °C), zatiaľ čo v zimnom období solárne kolektory spravidla nedosahujú teploty vyššie ako 30 °C, avšak stále postačujú napríklad na ohrev vetracieho vzduchu.

Požiadavky na absorbér solárneho kolektora pre režim ohrevu vzduchu (veľká plocha povrchu absorbéra v kontakte s obtekajúcim vzduchom, najlepšie zalamovaný tvar) sa celkom odlišujú od požiadaviek na režim ohrevu kvapaliny (minimalizácia povrchu absorbéra na udržanie nízkej tepelnej straty). Výsledkom je nevyhnutná optimalizácia konštrukcie absorbéra, jeho geometrie a prevádzkových podmienok (prietok).

Náhľad na rozličné koncepty hybridných usporiadaní solárnych kolektorov vzduch – kvapalina je na obr. 1. Aj keď sa na trhu objavil rad komerčných kolektorov vzduch – kvapalina, zatiaľ neexistuje dostatok vierohodných informácií o ich vývoji a optimalizácii, rovnako ako chýbajú informácie o ich prevádzkových charakteristikách, podporené dlhodobými experimentálnymi analýzami vo vhodných aplikáciách, ako sú príprava teplej vody a ohrev vetracieho vzduchu.

Hybridné fotovolticko-tepelné kolektory
Štandardné komerčné fotovoltické (FV) moduly v súčasnosti nepremenia viacej ako približne 15 % dopadajúcej slnečnej energie na elektrickú, zvyšok je odpadové teplo, ktoré čiastočne odchádza do okolitého prostredia a čiastočne ohrieva FV modul. Pretože zvýšenie teploty FV článku negatívne ovplyvňuje účinnosť fotovoltickej premeny, je vhodné články chladiť a zároveň zmysluplne využívať odvádzané teplo.

V prípade architektonicky a esteticky preferovaných inštalácií FV modulov integrovaných do obálky budov dochádza k výrazne vyššiemu nárastu teploty FV článku proti modulom, ktoré sú voľne inštalované na strechách a vystavené účinkom vetra. Integrované fotovoltické moduly trpia vysokou tepelnou záťažou vplyvom obmedzeného prirodzeného chladenia okolitým prúdiacim vzduchom, lebo zadná strana FV modulu je spravidla tepelne chránená obalom budovy. Súčinitele prechodu tepla prúdením na prednej strane FV modulu zapusteného do väčšej plochy vykazujú výrazne nižšie hodnoty ako plochy vystupujúce nad povrch (obalu budov). To všetko má za následok významný pokles účinnosti FV článku, tepelnú záťaž vnútorného priestoru tepelným tokom v závislosti od stupňa tepelnej izolácie daného obalu budovy (zvýšenie potreby chladenia v letnom období) a tiež možnosť poškodenia FV modulov vplyvom extrémneho tepelného zaťaženia (teplota FV modulu integrovaného do obalu budovy môže počas letného dňa pri bezvetrí dosiahnuť až 100 °C).

Použitie aktívneho chladenia fotovoltického článku vedie ku konceptu hybridného solárneho fotovolticko-tepelného kolektora (FV/T kolektor), ktorý poskytuje nízkopotenciálne teplo a elektrickú energiu – produkcia tepla môže byť niekoľkonásobne vyššia ako produkcia elektrickej energie [4]. Vďaka spoločnej výrobe elektrickej energie a tepla (solárna kogenerácia) je pri rovnakej celkovej zastavanej ploche pri hybridných kolektoroch vyššia celková produkcia energie ako pri štandardnom oddelenom riešení (FV a FT kolektory zvlášť).

Hybridné FV/T kolektory sa môžu realizovať v niekoľkých základných variantoch:

• zasklené alebo nezasklené,
• ploché alebo koncentračné,
• vzduchové alebo kvapalinové (podľa typu teplonosnej látky) (obr. 3).

Hybridné FV/T vzduchové systémy (obr. 3) sa najprv umiestňovali predovšetkým ako fasádne FV prvky so vzduchovými kanálmi na zadnej strane FV modulov alebo ako FV moduly umiestnené vo vetranej dutine dvojitých fasád a podrobne sa skúmali na mnohých demonštračných inštaláciách. Pretože systémy s prirodzeným prúdením vo všeobecnosti neumožňovali dostatočné chladenie FV modulu, väčšina hybridných FV/T vzduchových systémov využíva nútenú cirkuláciu. Veľké prietoky potrebné na odvod tepla si vynucujú – vzhľadom na nízku tepelnú kapacitu vzduchu – aj veľké rozmery potrubia, ktoré ťažko integrovať do konštrukcie budovy (obálky, vnútorného priestoru). V prípade FV/T systémov s núteným prúdením vzduchu je nevyhnutné dbať aj na udržanie nízkej spotreby elektrickej energie potrebnej na pohon ventilátorov, aby sa významne nepotlačil vlastný zisk elektrickej energie vplyvom chladenia FV článkov. Odvedené teplo z FV modulov sa môže využiť na predhrev vetracieho vzduchu, cirkulačné teplovzdušné vykurovanie alebo hypokaustické sálavé vykurovanie.

Kvapalinou chladené FV systémy sú založené predovšetkým na princípe výmenníka lamela – rúrka (podobne ako pri plochých tepelných kolektoroch) aplikovaného na zadnú stranu fotovoltického článku či modulu s kvalitným tepelne vodivým kontaktom na zaistenie dobrého odvodu tepla (obr. 4). Nezasklená konštrukcia je vhodná predovšetkým tam, kde je elektrický výkon hlavnou prioritou a odpadové teplo sa využíva navyše.

Oblasť použitia nezasklených FV/T kolektorov leží v nízkoteplotných systémoch do 30 °C, t. j. ide o predhrev teplej vody v budovách, ohrev bazénovej vody alebo použitie ako nízkopotenciálne zdroje tepla pre tepelné čerpadlá (absorpčné FV/T steny alebo strechy). Na zníženie tepelnej straty a dosiahnutie vyššieho tepelného výkonu treba najmä v období s nízkymi okolitými teplotami použiť krycie zasklenie. Hrúbku vzduchovej medzery možno optimalizovať podľa predpokladaných klimatických podmienok a potrebnej prevádzkovej teploty. Na rozdiel od vzduchových FV/T systémov aplikovaných na mnohých budovách je dosiaľ v prevádzke veľmi obmedzené množstvo inštalácií kvapalinových FV/T systémov.

Vzduchový FV/T systém je vhodný predovšetkým do chladných klimatických oblastí s dostatočne nízkou teplotou na chladenie aj v letnom období. V teplých klimatických podmienkach obmedzujú vysoké teploty vzduchu možnosť účinného chladenia FV modulov – navyše, v letnom období je vy­užiteľnosť ohriateho vzduchu nízka, a preto je výhodnejšie uvažovať o kvapalinou chladených FV moduloch. Najmä predhrev studenej vody (v rozvodoch je celoročne stála teplota 10 až 20 °C) je veľmi účinným využitím odpadového tepla z FV/T modulov nielen v letnom období.

Aplikácia konceptu duálnych tepelných kolektorov s dvomi teplonosnými látkami (vzduch – kvapalina) na hybridné FV/T kolektory [5] spája výhody oboch konceptov a prináša univerzálne a účinné využitie slnečnej energie na viacúčelovú produkciu elektrickej energie a tepla a zvýšenie celkového energetického zisku. Spôsob odvodu tepla závisí od klimatických podmienok (použitia vzduchu v zime, použitia kvapaliny v lete), energetických potrieb budovy (vetranie, teplá voda, vykurovanie), požadovanej prevádzkovej teploty FV článku a pod. Analogicky k duálnym tepelným kolektorom vzduch – kvapalina, rozličné režimy prevádzky vyžadujú pre rozličné teplonosné látky optimalizáciu duálnych hybridných FV/T kolektorov.

Solárne kolektory s lineárnymi Fresnelovými šošovkami
Lineárne Fresnelove šošovky sú optické prvky na sústredenie priameho slnečného žiarenia plochým geometrickým vzorom, ktorý je vylisovaný alebo vybrúsený v tabuli skla (obr. 5) do lineárneho ohniska. Vďaka hrúbke plochých šošoviek zodpovedajúcej približne hrúbke bežného okenného skla možno lineárne Fresnelove šošovky ľahko integrovať do okenného zasklenia. Kombinácia lineárnych Fresnelových šošoviek prispôsobených umiestneniu na zvislých plochách (fasády) alebo šikmých plochách (strechy) s lineárnym absorbérom sa využíva v solárnych sústreďujúcich tepelných kolektoroch s nízkym koncentračným faktorom [6].

Kolektor s lineárnymi Fresnelovými šošovkami (obr. 2) oddeľuje priamu zložku dopadajúceho slnečného žiarenia a sústreďuje ju na úzky lineárny absorbér umiestnený v malej ohniskovej vzdialenosti samonavádzacím zariadením, zatiaľ čo difúzna zložka slnečného žiarenia osvetľuje vnútorný priestor pod šošovkami. Prirodzené osvetlenie zaistené šošovkami charakterizuje rovnomerná intenzita bez ostrých kontrastov a problémov s oslnením. Vnútorný tepelný komfort sa môže riadiť pomerom medzi priamou zložkou odvedenou z kolektora a vpustenou do vnútorného priestoru. Týmto spôsobom sa možno na jednej strane vyhnúť problémom s prehrievaním priestoru v letnom období a na druhej strane čiastočne kryť potrebu tepla na vykurovanie budovy v zimnom období solárnymi ziskami.

Kolektory s Fresnelovými šošovkami možno použiť tam, kde treba denné osvetlenie, riadenie solárnych tepelných ziskov v priestore a teplo na prípravu teplej vody. Rad inštalácií sa realizoval v obytnom sektore, v občianskych budovách (napr. v školách) a na priemyselných budovách. Na obr. 2 je špecifická aplikácia kolektora s lineárnymi Fresnelovými šošovkami v solárnom skleníku v Nových Hradoch v kombinácii s fotobioreaktorom navrhnutým na proces urýchlenia rastu mikrorias. Na ľavej strane sú zobrazené sklenené rúrky, ktorými pretekajú riasy umiestené v ohnisku Fresnelových šošoviek ako absorbér slnečného žiarenia. Na pravej strane je zobrazený štandardný solárny kolektor s lineárnymi Fresnelovými šošovkami.

Kolektor s Fresnelovými šošovkami kombinovaný s kvapalinovým FV/T absorbérom je ďalším krokom vpred pre súčasné zabezpečenie prirodzeného osvetlenia, regulácie vnútornej teploty a výroby elektrickej energie a tepla pre potreby budovy. Koncentrácia slnečného žiarenia môže pri dobrej kvalite šošoviek zvýšiť účinnosť FV článkov a kvapalinové chladenie obmedziť prehrievanie a negatívny vplyv teploty na elektrický výkon. Solárny FV/T kolektor s Fresnelovými šošovkami sa sprevádzkoval v experimentálnom skleníku v juhočeskom mestečku Třeboň v roku 2007 (obr. 6).

Záver
Výskum a vývoj solárnych kolektorov povedie k činným prvkom s kombináciou viacerých funkcií (konštrukcia budovy, zdroj tepla a elektrickej energie, osvetľovací systém, architektonický prvok) v synergetických väzbách na obmedzenej ploche obálky budovy. S takýmito pokročilými multifunkčnými solárnymi kolektormi integrovanými do konštrukcie plášťa budov, ktoré budú zároveň vizuálne príťažlivé a komerčne dostupné pre architektov a stavebných projektantov, sa ráta ako so základnými konštrukčnými prvkami pri návrhoch solárnych aktívnych budov [7] v budúcnosti.

Ing. Tomáš Matuška, PhD.

Autor pôsobí v Ústave techniky prostredia Strojníckej fakulty ČVUT v Prahe.

Recenzovala: doc. Ing. Otília Lulkovičová, PhD.
Foto a obrázky: archív autora

Príspevok vznikol v rámci riešenia výskumného zámeru MSM 684077011 Technika prostredí financovaného Ministerstvom školstva, mládeže a telovýchovy ČR.

Literatúra
1. European Solar Thermal Technology Platform: Solar Thermal Vision 2030 document. http://www.esttp.org. 2006.
2. Hestnes, A. G.: Building Integration of Solar Energy Systems. Solar Energy 67, No. 4 – 6, 1999, pp. 181 – 187.
3. FP7 Research Priorities for the Renewable Energy Sector, EUREC Agency, March 2005.
4. Charalambous, P. G. a kol.: Photovoltaic Thermal (PV/T) Collectors: A review. Applied Thermal Engineering 27. 2007, pp. 275 – 286.
5. Tripanagnostopoulos, Y. a kol.: Hybrid PV/T Systems with Dual Heat Extraction Operation. Proc. 7th Europ. PV Solar Energy Conf., Munich (Germany): 2001, pp. 2515 – 2518.
6. Jirka, V. a kol.: The Architectural Use of Glass Raster Lenses. Proceedings of WREC V. Florence (Italy): 1998, pp. 1595 – 1598.
7.   Matuska, T.: Advanced Solar Collectors for Building Integration. Proceedings of WREC X, Glasgow (Great Britain): 2008, pp. 1547 – 1552.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.