Slnečné kolektory - zdroj energie- aktívna izolácia

Slnečné kolektory sú zariadenia, ktoré slúžia na získanie hlavne tepelnej energie a to nielen v pásmach, ktoré majú veľký počet svetelných dní ale aj v oblastiach, ktoré majú nižší počet dní s jasným slnečným svetlom. Avšak v každej z týchto oblastí je potrebné použiť taký typ kolektorov, ktoré dokážu využiť disponibilné množstvo tepla. Predkladaný systém umožňuje vytvoriť kvalitný obklad steny alebo krytinu strechy, ktorá nielen chráni - izoluje stavbu ale aktívne prispieva k získavaniu energie.

Energia priameho a difúzneho slnečného žiarenia

Priame slnečné žiarenie a žiarenie rozptýlené atmosférou, dopadajúce na horizontálnu plochu sa spolu nazývajú globálne žiarenie. Jeho intenzita závisí predovšetkým od výšky Slnka, dĺžky dňa, nadmorskej výšky, priepustnosti atmosféry a oblačnosti, resp. doby trvania slnečného svitu.

Merania ukázali, že globálne žiarenie pri jasnej oblohe intenzívne vzrastá s výškou, najmä v najnižšej vrstve atmosféry, kde vzduch obsahuje vysoké koncentrácie exhalátov. Od výšky 4500m rast globálneho žiarenia vykazuje len malé zmeny.

Priemerné ročné sumy globálneho žiarenia pri jasnej oblohe sa na území Slovenskej republiky menia približne od 1945 kWh/m2 v najjužnejších oblastiach do 1870 kWh/m2 na severe Slovenskej republiky. V najvyšších polohách Vysokých Tatier ročná suma globálneho žiarenia môže dosiahnuť až 2165kWh/m2 .
Globálne žiarenie pri reálnych podmienkach oblačnosti tvorí iba časť možnej radiácie a je tým menšie, čím je väčšia oblačnosť. Najväčšie odchýlky reálnych súm od možných skoro počas celého roku v severných oblastiach, kde priemerné ročné sumy Q tvoria okolo 56% možnej radiácie. Najmenšie rozdiely pozorujeme v južných oblastiach, kde Q dosahuje 65-69% možnej radiácie. V nasledovnej tabuľke sú zobrazené údaje o veličine globálneho ročného žiarenia v priebehu 30 rokov a priemerná hodnota za 5 ročné obdobie. Vedľa je aj grafické znázornenie týchto veličín. Na základe týchto údajov je možné určiť, aké množstvo energie je možné získať z kolektorových systémov určitej plochy.

Neoddeliteľnou zložkou globálneho žiarenia je rozptýlené (difúzne) žiarenie. Hustota toku tohto žiarenia pri bezoblačnej oblohe závisí od výšky Slnka a zakalenia atmosféry. S výškou jeho hodnoty klesajú pretože cesta slnečných lúčov cez zemskú atmosféru je kratšia a zmenšuje sa počet rozptyľujúcich častíc.

Podstatnou informáciou pre rozhodovanie o možnosti využívania slnečnej energie slnečnej energie a pre výpočet potrebnej plochy je výhodné poznať priemerné mesačné hodnoty žiarenia, ktorá je uvedená v nasledovnej tabuľke. Na základe uvedených údajov a potrebnej analýzy pomeru slnečnej a iných druhov využívanej energie si môžeme navrhnúť celkový energetický komplex.
V uvedenej tabuľke je zobrazená globálna a difúzna zložka žiarenia za jasného počasia a pri priemernej oblačnosti.
Pri využívaní energie slnečného žiarenia v rôznych odvetviach národného hospodárstva je často potrebné poznať globálne žiarenie dopadajúce na rôzne orientované sklonené plochy. Rozumieme ním súčet jednotlivých zložiek jeho tokov a to priameho žiarenia Is , rozptýleného žiarenia oblohy Ds a odrazeného žiarenia Rs , ktoré na danú plochu dopadajú.

Is = IH cos() + Iv sin()
Ds = DH cos2(/2) Rs = RH sin2(/2)


 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 12spolu
Q jas48911361912292512361981519866451740
S jas152634445761605439261512443
Q pr.2344831291671761661451056629201153
D pr.152542617483806950331712561

kde index H znamená zložku energie príslušnú na horizontálnu rovinu a index V na vertikálnu rovinu. Uhol  je uhol sklonu roviny. Samozrejme, že jednotlivé zložky sú aj funkciou azimutu orientácie danej plochy a od poludňajšieho sklonu Slnka.

Energetický systém

Predkladaný energetický systém je založený na aktívnej činnosti veľkého systému, ktorý chráni budovu pred stratami energie a zároveň aj získava energiu, ktorú je možné využívať na vykurovanie alebo prípravu teplej úžitkovej vody.
V letnom období takýto systém chráni vnútro budovy od prehrievania, a tak znižuje náklady na klimatizáciu a dodá dostatočné množstvo vody potrebnej pri činnosti celej domácnosti alebo aj možných kancelárskych či výrobných priestorov. Energetické zariadenie je založené na kolektorových obkladoch alebo krytine, ktoré sú zdrojom energie hlavne počas dňa, táto energia sa uchováva vo veľkej nádrži v dolnej časti budovy a využíva sa na prípravu teplej úžitkovej vody a na vykurovanie. Vykurovací systém je založení na využívaní obehového čerpadla a v mnohých prípadoch aj na použití tepelného čerpadla.
Je síce pravdou, že tieto zariadenia robia vykurovací systém drahší, ale ich použitie má za následok veľké zníženie odoberanej energie z verejných zdrojov - plyn, elektrika, centrálne zásobovanie, fosílne palivá a pod., čo prináša ročné úspory. Pri použití takýchto systémov je možné využívať aj jednoduchšie zariadenia na prenos tepla, nakoľko pri pokrytí dostatočne veľkej plochy a vytvorení veľkých nádrží je možné akumulovať také množstvo energie, aké je nevyhnutné potrebné pre chod domu v bežných podmienkach nielen v letnom a prechodnom období ale aj počas miernej zimy.

Ak berieme do úvahy, že aj počas zimy existujú slnečné dni keď síce teplota vzduchu je hlboko pod úroveň mrazu, ale šikmé slnečné lúče dopadajú takmer kolmo na celú stenu domu a dodávajú energiu, alebo počas zamračených dní, keď síce energia slnka je veľmi nízka, ale aj teplota je blízka 0 a možno aj plusová, potom veľká plocha slnečných kolektorov s využitím tepelného čerpadla umožní vykúriť dom s koeficientom využitia dodanej energie okolo 3-5. Práve túto energiu môžeme naakumulovať do nádrže s vodou alebo aj iným akumulátorom tepla a následne ju používať počas noci.

Budovanie systému

Budovanie energetického systému môže pozostávať z viacerých variant ale predpokladáme, že mnohých prípadoch sa využije možnosť postupného rozširovania systému. Základom pre tento postup je viacero ekonomických ale aj technologických výhod.
Prvotné nasadenie kolektorového systému umožní usporiť prostriedky potrebné na realizáciu plášťa budovy. V tomto prípade postačí len základná úprava povrchu a následne sa nasadí kolektorový plášť. Ak berieme do úvahy cenu súčasných úprav plášťa budovy, to takýto systém by mal byť porovnateľný s bežnými izolačnými systémami založenými na dovoze drahých materiálov, potrebe kvalitnej práce na jej realizáciu. Inštalácia kolektorového systému nepotrebuje špeciálnych odborníkov, dovoz materiálov a pod.
Etapová výstavba systému sa skladá z nasledovných postupov:
1-inštalácia kolektorového systému
2-inštalácia akumulačnej nádrže
3-inštalácia obehového čerpadla kolektor-nádrž
4-inštalácia obehového čerpadla nádrž - vykurovací systém
5-inštalácia tepelného čerpadla
6-rozšírenie kolektorového systému alebo akumulačnej nádrže pridaním ďalších

Budovanie systému môže prebiehať aj v jednej etape. Takáto realizácia si vyžaduje podrobnú prípravu hlavne prepočtu množstva kolektorov, veľkosti celkovej plochy a pod.
Ekonomické zdôvodnenie

Celková efektivita systému závisí od veľkosti nákladov na získanie takéhoto systém, od možnosti rozširovania daného systému a adaptácie na podmienky v rôznych oblastiach republiky. Najdôležitejšou častou systému je kolektorový obklad, ktorý umožní nielen zateplenie celého domu alebo jej podstatnej časti, ale aj získanie určitého množstva energie. Položka za m2 obkladu je hlavnou veličinou od ktorej sa bude odvíjať cena celého systému za predpokladu, že zvolíme variantu postupného budovania systému.
S cieľom maximálneho zníženia spotreby energie je nevyhnutné navrhnúť dostatočne veľký kolektorový systém, ktorý pokryje spotrebu energie v čo najširšom rozsahu. Takýto systém potom dokáže plniť svoju úlohu v každom počasí a aj vtedy, ak náhodou v ten deň nebolo slnečné počasie. Na základe výsledkov uvedených v teoretickej časti vieme, že v prípade zamračeného dňa existuje určité množstvo difúzneho žiarenia, ktoré je využiteľné na získanie tepelnej energie. Konštrukcia kolektorov je vybraná tak, aby plocha kolektoru bola čo najväčšia a dopad difúzneho žiarenia bol kolmý na danú plochu. Tým, pri určitej celkovej ploche kolektorového systému dokážeme efektívnejšie využívať teplo aj počas dní bez priameho slnečného žiarenia.

Konštrukčné riešenie kolektorových systémov

Pri návrhu využívania kolektorových systémov je potrebné určiť o jaký druh kolektorov sa bude jednať. V navrhovanom prípade uvažujeme o kolektoroch s rozmermi 60x40cm (môžu byť aj väčšie rozmery napr. 120x60, ktoré by sa upevňovali priamo na nosnú časť. Ich riešenie musí zodpovedať požiadavkám na krytinu alebo obklad, čo znamená, že nie je potrebné pod ne ukladať žiadne iné krycie materiály. Každý z nich obsahuje prípojné hadice, ktoré ich umožňujú spájať do matíc veľkých rozmerov. Len takto koncipovaný zdroj umožní získať potrebné množstvo energie nielen na prípravu TUV ale aj na vykurovanie. Uvedený kolektor sa skladá z plastového rámu, ktorý je odizolovaný a vo vnútri sa nachádza samotný kolektor s vodou. Povrch je vytvorený z dvojvrstvového plastu alebo skla, ktorý je upevnený na ráme. Profil jedného bloku je prispôsobený na zakladanie ako klasická krytina, resp. môžeme vytvoriť obklad vertikálnej steny .
Takto vytvorené kolektory umožňujú na južných stranách strechy alebo na južných stenách a v niektorých prípadoch aj zo severnej strany vytvárať dostatočne veľké tepelné systémy. V prípade, že doplníme takýto zdroj o tepelné čerpadlo a do kvapaliny doplníme nemrznúcu zmes, to aj v zimných mesiacoch dokážeme z kolektorovej strechy získavať nemalé hodnoty . Cena takéhoto systému však závisí od možností vytvárať dané systémy, od materiálovej náročnosti.
Výhodou daného zariadenia oproti klasickým kolektorom je možnosť výmeny jednotlivých blokov v prípade poruchy, ľahká manipulácia pri preprave a následná možnosť rozširovania systému.
Hlavnou myšlienkou daných kolektorov je tvar samotného absorbéra, ktorý pozostáva z dvoch tvarovaných plechov, ktoré sú spojené. Horný plech je tvarovaný do tvaru paraboly – veľké množstvo malých parabol, ktoré vždy majú plochu nasmerovanú kolmo na smer slnečných lúčov a spodný plech obsahuje iba kanáliky, umožňujúce prechod vody.
Takto riešené kolektory umožňujú vytvárať celé steny, obklady domov, tvorbu fasád a pod. Kolektory zavesíme na dopredu pripravenú mriežku, ktorá môže byť tvorená aj napr. rúrkovým systémom, ktorý je zároveň aj zberným kolektorom pre celý systém.