Solarna tehnologija

Solarni trg ima prihodnost: dobra »slika« solarnih naprav, politična naklonjenost solarnim napravam in povečane aktivnosti instalaterjev in načrtovalcev so zagotovilo za uspeh solarne tehnologije. Če se bo pozitivni razvoj solarnih naprav nadaljeval (o čemer pričajo vsi tržni podatki), lahko brez pretiravanja govorimo o 20 do 30 %  rasti površin sončnih sprejemnikov na leto. Izraženo v številkah to pomeni, da bo do konca leta 2010 samo za ogrevanje vode, instaliranih skupno preko 3 milijone kvadratnih metrov sprejemnikov sončne energije. Če v to številko vključimo še ogrevanja kopališč, dobimo več kot 3 milijone površin sončnih sprejemnikov.

Trend pri opremljanju hiš gre vse bolj v smeri nizko energijskih hiš in s tem tudi v nizko temperaturne ogrevalne površine: poraba toplote se vse bolj manjša. Del skupne porabe energije za ogrevanje tople vode narašča procentualno. V enaki meri, kot upada poraba energije za ogrevanje, raste poraba energije za ogrevanje vode. Z intelegentnimi rešitvami lahko še bolj zmanjšamo porabo toplotne energije. V preglednici in sliki št. 1 je prikazan način za določanje števila sončnih sprejemnikov za uporabo pitne sanitarne vode.

Preglednica 1: Določanje površine sončnih sprejemnikov za ogrevanje tople sanitarne vode

Regija (Kraj namestitve)	1	2	3	4	5	6
Povprečno sevanje v kWh(m2 • a)	1175	1125	1075	1025	975	926
Popravek (korektura)	1,0	1,05	1,1	1,15	1,2	1,25
Primer: 200 l/na dan, kraj namestitve, nagibni kot 25 °, odmik južne strani v smeri zahod 50 °, površina sprejemnikov 2,4 m2. Priporočeno: 5 m2 • 1,05 (Regija) •  (slika št. 2) • 1,1 (slika št. 3) = 6.1 m2 ; število sončnih sprejemnikov: 6,1/2,4 = 2,5 (izbrano št. sprejemnikov 3)
Popravek zaradi odstopanja od: Kot naklona    (nagib strehe)   a (slika  in preglednica št. 2) Južna stran  (kot Azimuta)   a (slika št. 3)		Topla voda - poraba tople sanitarne vode, ogrete s sončnimi sprejemniki, v litrih na osebo na dan, je prikazana v preglednici št. 2

V žarišču nadaljnjih opazovanj stoji »normalna« priprava tople vode. Ta je najpogostejši vzrok za uporabo sončne energije. Sončne sprejemnike lahko namestimo praktično na vseh strehah, tudi položnih, pomembna sta samo velikost in nagib strehe.

Določanje velikosti sončnih sprejemnikov za ogrevanje tople vode

V poletnih mesecih je možno s SSE pokriti praktično celotno potrebo po sanitarni vodi. V zimskem obdobju pa s termo solarnim sistemom vodo večinoma predgrevamo. Višjo temperatura pa dosežemo s pomočjo ogrevalnega sistema oziroma lokalnega grelnika. Z dobro načrtovanim sistemom SSE lahko pokrijemo tudi do 80 % letnih potreb po sanitarni topli vodi.

Preglednica št. 2: Približni izračun površine sončnih sprejemnikov za toplo sanitarno vodo

Vrsta zgradbe	Uporaba,  udobje in lastnosti	Topla voda v l/dan po osebi
		majhen	srednji	visok
Enodružinska hiša in etažno stanovanje	- preprost standard - srednji standard - visok standard	30 35 40	35 40 45	40 45 60
Večdružinska hiša	- socialno stanovanje - samogradnja - visoko standardno	25 30 35	30 35 40	35 45 50
Bistveno vplivni pomen so poleg uporabnega profila še lokacija, nagibni kot   sprejemnika, in oprema sončnih sprejemnikov

Pomembni kriteriji so:

• Način uporabe solarne naprave
• Mesto za namestitev naprave (na primer na strehi)
• Postavitev sončnih zbiralnikov glede na strani neba
• Želen tip sončnih sprejemnikov.

Za natančnejše dimenzioniranje sistemov se uporabljajo računalniška orodja in programi, ki določijo optimalno velikost solarnih sistemov glede na povprečno dnevno porabo tople vode. V preglednici št. 2 in sliki 2a je prikazano približno število sončnih sprejemnikov (površina) za pripravo tople sanitarne vode.

Vpliv nagibnega kota na dimenzijo sončnega sprejemnika - korekcijski 

          faktor f_N

Sprejemniki sončne energije naj bodo obrnjeni proti jugu in nagnjeni pod kotom 45 ° proti vodoravni ravnini. Odstopanje od južne smeri povzroča zmanjšanje vpadle sončne energije. Optimalni nagibni kot SSE je odvisen od časa koriščenja, ker se položaj Sonca preko leta spreminja. Za naše področje je najprimernejši nagib SSE med 35 in 45 °, kar predstavlja kompromis med najvišjim položajem sonca poleti (nagibni kot 30 °) in najnižjim položajem sonca pozimi (nagib 60 °). Preglednica in slika št. 2 in prikazujeta različne možne kote nagiba sončnega sprejemnika.

Maksimalno količino sončne energije, ki jo lahko sprejme absorber SSE dobimo v primeru, ko je površina SSE pravokotna na vpadno sončno sevanje. Razen vgradnje SSE v smeri proti jugu je spremenljiva še vgradnja v smereh JV in JZ z naklonom 20 do 65 °. Odstopanja v smeri jug do 20 ° v poletnih mesecih nimajo velikega vpliva na izkoristek sončne energije, saj glede na letno učinkovitost sončnega sevanja znaša razlika manj kot 2 odstotka.

Preglednica št. 2a: Nagibni kot sončnega sprejemnika

Uporabljen čas (≈ 50o severne š.)		Priporočljivo	Začetek
Januar do december, (celo leto) Aprila do sept. (samo v poletju) Maja do avgusta (skozi sezono) Oktobra do marca (kurilna sezona)		40o - 50o 30o - 40o 25o - 30o 55o - 65o	30o - 60o 20o - 50o 15o - 45o 40o - 75o
Ugodnejši kot se določa po uporabi: Ogrevanje pitne tople vode ali za bazene    od 30o - 45o Ogrevanje pitne tople vode + za ogrevanje od 45o - 55o
30o 30o 30o	Pri močnem sončnem sevanju v poletju (optimalni kot) Pri najnižji točki sonca v zimi (optimalni kot) Kompromis v poletnem obdobju

Velik vpliv za dobro delovanje solarnega sistema je odvisen tudi od nagibnega kota sončnih sprejemnikov, predvsem odstopanje od južne smeri.

Pri namestitvi sončnih sprejemnikov je dobro vedeti, da:

• Lahka strešna konstrukcija in posledično smer sprejemnikov na Z ali V povzročita, da sončni žarki

ne sevajo optimalno na sončne  sprejemnike

• Usmerjenost sprejemnikov čisto na jug z 10^o,odstopanja proti Z je optimalno
• V poletju, če je mogoče, da se ne prekorači 55^o in skozi zimo 35^o (f_SA = 1,1)

Primer:

1. Odstopanje od juga proti zahodu z 50^o (b₁) a f_SA  = 1,1 

2. Prav tako proti vzhodu 50^o (b₂) a f_SA = 1,2 kar pomeni, da je   potrebno vgraditi od 10% do 20 % večjo površino sončnih sprejemnikov

Vpliv odstopanja nagibnega kota je prikazan na sliki št. 3.

Minimalni vrstni razmik med sončnimi sprejemniki (površina strehe ali nezazidane površine)  

Minimalni vrstni razmik med dvema sončnima sprejemnikoma je odvisen od nagiba in lege Sonca proti horizontali brez zasenčenja (15-17^o), dolžine sončnega sprejemnika (v prikazanem primeru je 2070 mm) ter globine sončnega sprejemnika. Odvisno je tudi od odmika roba strehe in od mere sončnih sprejemnikov (glej sliko št. 4).

Razlaga k sliki št. 4:

a	Razdalja L		B	L   a e   X   LD   n B	Minimalni razmik med dvema zbiralnikoma (preglednica) Kot nagiba proti horizontali Lega Sonca proti horizontali brez zasenčenja (15-17o) Dolžina sprejemnika (tukaj 2070 mm) Globina sprejemnika (globina strehe)   Razdalja od roba strehe Mere vrstnih sončnih sprejemnikov v m (prostor)
	Navpično	Vodoravno
25o1) 30o 55o 40o 45o 50o 55o	4,74 5,18 5,58 5,94 6,26 6,52 6,74	2,63 2,871) 3,09 3,29 3,46 3,61 3,73	1,84 1,75 1,68 1,58 1,48 1,48 1,48
				1)Nastavitev:Krajši teleskopski podpornik

V preglednici št. 5 so prikazane tlačne izgube ploščatih sončnih sprejemnikov, ki so odvisne predvsem od proizvajalca sončnih sprejemnikov. Tlačne izgube pa so odvisne tudi od izbire in vgradnje obtočne črpalke.

Razlaga k sliki št 5:

• Stalna temperatura (visoka in nizka temp.)
• Zaščitna tekočina 50 % brez prekoračitve
• Tlačne izgube (naprava) - dopustno do 7 m

  po m² vključno z Glikolom.

  Pri 45 % rp = 1,3 krat nasproti vode

• Volumski tok v obtoku za sprejemnike

  30...50 l/(m2 • h) - pri običajnih sprejemnikih

• Solarna naprava regulirana s pretokom črpalke
• Običajna črpalka za ogrevanje pogosto

  neprimerna (h)

• Izklop črpalke pri ≈ 120 ^oC
• Uporaba obstojne zaščitne tekočine Glikol
• Črpalko načeloma vgradimo na povratni vod
• Maksimalno zmanjšati dolga mirovanja naprave

Tudi vgradnja raztezne posode ima pomemben delež pri vgradnji solarnega sistema. Na trgu je dobavljivih več vrst razteznih posod. Najpogosteje se odločamo za vgradnjo membranske raztezne posode. Velikost in način delovanje je odvisen od proizvajalca raztezne posode, zato se je potrebno držati navodil proizvajalca. V preglednici št. 6 so prikazane velikosti razteznih posod in velikosti glede na število sončnih sprejemnikov ter potrebna dimenzija varnostnega ventila.  

Preglednica 6:Tehnični podatki za raztezno posodo

Št. sprejemnikov	2-4	4-6	6-8		Plinski predtlak (delovni) ≈ 2 bar	Varnostni   ventil	Sprejemnik m2	50	100	200	350
Volumen solarne naprave	18	25		32	Maksimalni delovni tlak   ≈ 8 bar		DN	15	20	25	32

Na sliki št. 6 je prikazana instalacijska shema solarne naprave po DIN 4757-1¹⁾

Slika 6 - Instalacijska shema solarne naprave

Razlaga k sliki št. 6:

1 - Sončni sprejemnik, 2 - Toplotni potrošnik, 3 - Obtočna črpalka, 4 - Odprta raztezna posoda, 5 - Odzračnik, 6 in 7 - Termometer, 8 - Manometer, 9 - Izpustna pipa, 10 - Izliv, 11 - Varnostni ventil, 12 - Membranska raztezna posoda, 13 - Povratni ventil, 14 - Napajalna črpalka, 15 - Zaporni ventil, 16 - Toplotni hranilnik.

Približno določanje števila sprejemnikov za pitno vodo

Pri načrtovanju sistema upoštevamo število oseb v gospodinjstvu in njihove navade.

Kot osnovno vodilo pri načrtovanju lahko služijo naslednji podatki: dnevna poraba tople vode na osebo, površina sončnega sprejemnika, približno 1,5 m²/osebo in velikost hranilnika za toplo vodo. V sliki št. 7 je podanih nekaj podatkov za lažje določanje velikosti sončnih sprejemnikov.

Obrazložitev preglednice št. 7:

Krivulja potreb za toplo vodo (profil potreb)

Poraba na dan:

a. (a) majhna (< 40 litrov na osebo)

b. (b) povprečna (50 litrov na osebo)

c. (c) velika (65-75 litrov na osebo)

Izjeme:

Bivalentni večplastni hranilnik: 300 l na primer 400 l za več kot s tremi sprejemniki

Smer strehe proti jugu (korekcijski faktor s slike 2)

Nagib strehe 45^o (korekcijski faktor s slike 1)

Vroča voda - temperatura na iztoku  maksimalno 45 ^oC

Površina sprejemnika (neto) 2,23 m²

Priporočljiva streha ≈ 60 % (letno sevanje sonca ≈ 1600 ur

Primer: 4 osebe, zelo velika poraba 70 • 4 = 280 l /dan.

Po diagramu: 3 visokozmogljivi sprejemnik ali 4 standardni sončni sprejemniki (oboje - ploščati sprejemniki)

Kombinirani hranilnik za toplo pitno vodo v kombinaciji z ogrevalnim in solarnim sistemom

Solarna regulacija poskrbi za optimalno shranjevanje toplote v toplotnem solarnem hranilniku. Lahko jo uporabljamo istočasno na treh področjih. Na primer pri zaporednem vklapljanju dveh posod in istočasnem ogrevanju vode za bazen. Regulacija s pomočjo temperaturnih tipal  meri temperaturno razliko med sprejemnikom sončne energije in toplotnim hranilnikom. Ko je temperatura izteka iz sončnega prejemnika večja od temperature v hranilniku tople vode, za najmanj  3 ^oC, regulacija vklopi črpalko. Enakomerno drseča diferenčna regulacija zagotavlja tako konstantno oskrbo s sončno energijo in enak temperaturni nivo v hranilniku.

Kompletna postaja z integrirano solarno regulacijo za ogrevanje sanitarne tople vode in centralno ogrevanje z nizko temperaturnim ogrevalnim kotlom ali s kotlom na trda goriva je prikazana na sliki 8.

Solarna kompaktna instalacija

Poleg solarnega sprejemnika, hranilnika tople vode, dodatnega centralnega ogrevanja in solarne regulacije, solarna kompaktna instalacija z ostalimi funkcijskimi deli zaokrožuje celotno ponudbo.

Določanje solarnih sprejemnikov za pitno sanitarno vodo (PSV) in za podporo ogrevalnim sistemom.

S pomočjo slike št 9 in z izračunom določimo odstotek energije, potrebne za ogrevanje PSV in hiše.

K sliki št. 9:

Podatki za diagram:

• Za eno ali dvodružinsko hišo
• Kombinirani hranilnik 750 l (1000 l > 8 sprejemnikov
• 4 družinska hiša potrebuje 200 l

  vode na dan

• Smer strehe, na jug
• Nagib strehe 45^o
• Nizka temperatura 40^oC/30^oC

Primer:

Z dobljeno toploto 9 kW, ki jo dobimo pri solarnem ogrevanju pitne tople vode, lahko pokrijemo tudi potrebe za talno ogrevanje (nizko temperaturno ogrevanje), s čimer pokrijemo po prikazanem diagramu 25% potreb s 7 sprejemniki, za 20 % pokrivanje potreb pa potrebujemo samo 5 sončnih sprejemnikov.

Določanje sončnih sprejemnikov za ogrevanje pitne sanitarne vode je prikazano na sliki št. 2

Toplotne potrebe - solarna ponudba - pokrivne površine - solarni presežki

Solarni sistemi v povprečju letno proizvedejo od 350 do 400 kWh na vsak m² sprejemnikov. Pri nizkoenergijski hiši znaša potrebna letna toplota za ogrevanje 30 kWh/m²a in manj, zato lahko s solarnimi sistemi zagotovimo skoraj celotno letno potrebno energijo za ogrevanje in pripravo tople sanitarne vode. V tem primeru zadostuje dobro toplotno izoliran sezonski hranilnik toplote kapacitete 14 m³. Običajno se vgrajujejo solarni sistemi brez sezonskih hranilnikov toplote (večje sezonske hranilnike toplote vgrajujemo predvsem pri ogrevanju več družinskih hiš in solarnih sistemih za ogrevanje naselij). Za nekaj dnevno shranjevanje toplote vgradimo hranilnik s prostornino do 130 litrov za vsak m² sprejemnikov sončne energije. Pri tem je izvedba in tip SSE zaradi manjšega sončnega obsevanja in nižjih temperatur pozimi zelo pomembna (slika 10).

Razlaga k sliki št. 10:

Št. 1 + 2  Toplotne potrebe (ogrevalni učinek) v slabo toplotno izolirani hiši

                Levo (začetek leta) je ogrevalni učinek večji kot desno

  Št. 2   Učinek ogrevanja v nizko energijski hiši (dobro izolirana)

  Št.  3  Toplotne potrebe za pitno toplo vodo (≈ konstantna poraba tople vode)

Št.  4   Potek letnega sončnega ogrevanja, velja samo za ogrevanje pitne tople vode; popolnoma

           neučinkovito za ogrevanje; 

           zelene površine kažejo: dodatne toplotne potrebe (ogrevanje z ogrevalnim kotlom).

Št. 5  V nasprotju s 4 velikimi sprejemniki; Rdeče polje prikazuje solarno ogrevanje kot dodatno

         ogrevanje

Št. 6; 6' Občasno poteka toplotna potreba za obe vrsti zgradb:

Št. 7  krivulja 4 in 6 prikazujeta presežek sončne energije → neuporabljena solarna energija je prikazana v rumenem polju, med aprilom in oktobrom (različno na letni čas).

Ukrepi za višje pokritje: znižanje toplotnih potreb; Nagib sprejemnikov od 45-55o (zajem Sonca v nižji legi), cevni sončni sprejemniki; Optimalno načrtovanje in delovanje.  

Toplotni hranilnik in podpora ogrevalnemu sistemu z bivalentnim toplotnim hranilnikom in toplotnim hranilnikom za ogrevanje

Na sliki št. 11 je prikazan kompletni sistem solarnega ogrevanja s toplotnim hranilnikom in s podporo ogrevalnemu sistemu.

Legenda:

1  Sončni sprejemniki

2  Toplotni hranilnik

3  Topla voda - vmesni 

    hranilnik

4  Toplovodni kotel

5  Toplotni menjalnik

6  Ogrevanje

7  Črpalka za ogrevanje

8  Solarni krog

9  Črpalka za ogrevanje 

    vmesnega hranilnika

TV/HV - topla in hladna voda

Preglednica št. 7: Solarno ogrevanje v prehodnem obdobju do V_a = + 10 ^oC (volumen hranilnika in sprejemnikov)¹

Sončni pogoji		Pridobljena energija 1) v kW/h/sprejemnik			Vsebina hranilnika v l//sprej. in dnevih		Primer: QN = 8 kW; Vamin = - 12 oC V1 = 20oC; Čas ogrevanja 10 ur/dan; površina sprejemnika 2,41 m2   Smer jug; nastavljeni kot 45o; Klimatska cona II; Ogrevanje - Kombinirani hranilnik
Klim. Cona	Sevanje sonca v urah	2,41 m2 2)		2,33 m2	2,41 m2	2,33 m2	Rešitev: DV1 = + 20 - (-12) = 32K; D V2 = +20-(+10 oC) Toplotne potrebe pri + 10 oC : (8 kW/32 K) • 10 K = 2,5 kW; Energijske potrebe na dan: 2,5 kW • 10 ur; Pridobljena energija/sprejemniki = 5,55 kWh; 25 kWh/5,5 kWh = 4,55; izberemo 5 sprejemnikov hranilnega volumna: 145 • 5 = 725 l
I II II IV V VI VII	< 1500 1500-1700 1700-1900 1900-2100 2100-2300 2300-2500 > 2500	4,85 5,55 6,25 6,90 7,60 8,30 9,00	3,90 4,45 5,00 5,50 6,00 6,60 7,20		130 145 160 170 185 200 215	105 115 125 135 150 160 170
1) Naprava 50 oC/40oC; Smer sprejemnikov na jug; Kot postavitve 40o-50o;      2) Absorpcijska površina (sprejemnik)

Da bi naš planet obvarovali pred nadaljnjim uničevanjem, je treba naš način pridobivanja energije prilagoditi naravnemu ritmu zemlje. Ena od rešitev je izkoriščanje sončne energije. Dejstvo je da v današnjih dneh pokurimo vse preveč fosilnih goriv, ki pa zelo slabo vplivajo na naše okolje. Vpliv tople grede, preveliko odvajanje  emisij CO₂, preveliko onesnaženje zraka in nastajanje ozonske luknje so posledice, ki jih ta goriva puščajo za seboj in jih občutimo že danes.