Solární ohřev teplé vody – kolektory nebo fotovoltaika?

Ze slunečního záření lze získávat buď teplo v solárních termických kolektorech, nebo elektřinu ve fotovoltaických panelech. Zatímco ceny fotovoltaických panelů v posledních letech vytrvale klesají, ceny kolektorů pro ohřev teplé vody víceméně stagnují. Může se fotovoltaika stát pro solární ohřev teplé vody konkurencí?

O tom, zda se fotovoltaické panely v solárním ohřevu teplé vody prosadí, budou rozhodovat technické parametry a cena vyrobeného tepla. Zaměříme-li se pouze na ohřev vody, jsou nejdůležitějšími parametry závislost výkonu solárního systému na klimatických podmínkách v daném místě a čase. Z konstrukčního hlediska je důležité, nakolik prvky solárního systému zvyšují zatížení střechy. Porovnávány jsou fovotoltaické panely různých typů a ploché solární kolektory se selektivním absorbérem, tedy takové, které mohou být použity k náhradě střešní krytiny.

 

Hmotnost panelů

Plošná hmotnost (plošné zatížení) u fotovoltaických panelů závisí především na použité technologii zapouzdření a na tloušťce použitého skla. U panelů, které jsou ze zadní strany kryty plastovými fóliemi (sklo-plast) se plošná hmotnost pohybuje kolem 10 kg/m2. U panelů oboustranně krytých sklem (sklo-sklo, double-glass) se hmotnost pohybuje kolem 20 kg/m2.

Plošná hmotnost solárních termických kolektorů se včetně teplonosné kapaliny pohybuje obvykle v rozmezí 17 až 23 kg/m2, jen výjimečně přes 25 kg/m2. Nižší hmotnost mohou mít vakuové trubkové kolektory, nelze je však použít pro vytvoření střešní krytiny (výjimkou jsou kolektory, které mají celoplošný reflektor).

Zatížení střešní konstrukce solárními tepelnými kolektory je tedy v podstatě srovnatelné s fotovoltaickými panely. Uvedené rozpětí v obou případech odpovídá krytině z vláknocementových šablon nebo vlnovek (Beronit), hmotnost krytiny skládané z pálených tašek je zhruba dvakrát vyšší než horní hranice uvedeného rozpětí.

 

Nominální výkon

Nominální výkon neboli výkon za standardních testovacích podmínek se u fotovoltaických panelů měří při teplotě panelu 25 °C, intenzitě slunečního záření 1000 W/m2 a spektru AM1,5 Global. V závislosti na technologii výroby polovodičových článků se pohybuje v širokém rozmezí. U panelů s články z krystalického křemíku se výkon vztažený k celé ploše panelu včetně rámu pohybuje od 120 do 170 W/m2, u špičkových panelů se blíží 200 W/m2.

Nominální výkon solárních termických kolektorů se zjišťuje při intenzitě záření 1000 W/m2 a při nulovém rozdílu mezi teplotou absorbéru a teplotou okolí. Na rozdíl od fotovoltaiky se u plochých kolektorů používají téměř výhradně absorbéry se selektivním povrchem. Přestože se používá několik rozdílných technologií, výsledné vlastnosti se liší poměrně málo. Nominální výkon se pohybuje v poměrně úzkém rozmezí zhruba od 650 do 750 W/m2.

Skutečný výkon panelu nebo kolektoru v reálných klimatických podmínkách je však obvykle výrazně nižší. Hlavní důvod je, že intenzita slunečního záření dosahuje úrovně 1000 W/m2 jen zcela výjimečně. Výkon se navíc snižuje při jiném než kolmém úhlu dopadu. Kromě toho je výkon výrazně ovlivňován teplotou okolí respektive teplonosné kapaliny.

 

Účinnost panelů

Účinnost je parametr, který určuje, jaká část slunečního záření se přemění na užitečnou práci – teplo nebo elektřinu. Je definována jako podíl výkonu k příkonu. Účinnost solárních termických kolektorů silně závisí na intenzitě záření a na teplotě, na jakou je ohřívána teplonosná kapalina, přesněji na rozdílu teploty absorbéru a teploty okolí. Za jasného počasí v létě se účinnost kolektorů může pohybovat kolem 50 % i při ohřevu na teploty přes 60 °C, zatímco v zimním období kolektory v podstatě nejsou schopny ohřát kapalinu ani na 30 °C.

Účinnost fotovoltaických panelů závisí na intenzitě záření jen nepatrně. Pouze při velmi nízkých intenzitách účinnost výrazněji klesá. Zhruba od intenzity záření 100 W/m2 účinnost odpovídá účinnosti za standardních testovacích podmínek, pohybuje se tedy od 5 % u panelů s články z amorfního křemíku až po téměř 20 % u nejlepších monokrystalických. Výraznější je závislost na teplotě, při vyšší teplotě panelů účinnost klesá, v zimě je tedy vyšší, než v létě.

– Závislost účinnosti na intenzitě záření

Při intenzitě slunečního záření pod 200 W/m2 účinnost krystalických panelů začíná klesat, při intenzitách pod 100 W/m2 je již pokles významnější. S dalším poklesem intenzity záření účinnost panelů klesá k nule. U panelů tenkovrstvých může být závislost odlišná. Například u amorfních panelů účinnost zpočátku při klesající intenzitě záření mírně roste a ještě při 100 W/m2 je stejná jako při standardních testovacích podmínkách. Výraznější pokles účinnosti nastává až při intenzitě záření pod 1 W/m2, kdy už je účinnost krystalických panelů téměř nulová.

Účinnost solárních termických kolektorů při konstantní teplotě absorberu s klesající intenzitou záření klesá zpočátku pozvolně. Při nižších intenzitách záření se začnou více projevovat tepelné ztráty a účinnost velmi rychle klesá. Při intenzitách záření kolem 200 W/m2 je účinnost kolektorů srovnatelná s účinností fotovoltaikcých panelů, pod 100 W/m2 kolektory ani v létě nedokážou ohřát vodu na potřebnou teplotu, lze je využít pouze k předehřevu.

 

– Závislost účinnosti na teplotě okolí

Vliv teploty okolí je významnější u solárních termických kolektorů. Například při ohřevu teplonosné kapaliny na 60 °C se za jasného počasí v létě účinnost kolektoru pohybuje kolem 60 %, zatímco za jasného mrazivého zimního dne klesne na polovinu. Uvedené hodnoty odpovídají intenzitě záření 800 W/m2, teplotě 30 °C v létě a -20 °C v zimě. Při zamračené obloze je vliv teploty mnohem významnější.

Výkon fotovoltaických panelů se vlivem teploty mění méně. Za výše popsaných podmínek je účinnost krystalických panelů v létě asi o 10 % nižší než za standardních testovacích podmínek, zatímco v zimě je naopak asi o 10 % vyšší. U tenkovrstvých panelů jsou změny účinnosti v závislosti na teplotě přibližně poloviční.

– Závislost účinnosti na rychlosti větru

Účinnost fotovoltaických panelů se snižuje při vyšších teplotách. Intenzivní ofukování vede ke snížení teploty panelů, a tedy k růstu účinnosti. Efekt je významnější při jasné obloze, kdy se v létě teplota panelů může za bezvětří vyšplhat vysoko nad 60 °C. Naopak při zatažené obloze je vliv rychlosti větru výrazně nižší.

U solárních termických kolektorů se při vyšší rychlosti větru snižuje teplota povrchu kolektorů, což vede k vyšším ztrátám. Účinnost solárních termických kolektorů tedy při vyšší rychlosti větru klesá. Tento efekt je významnější při nižších intenzitách záření a zejména při nižších teplotách, kdy je účinnost kolektorů už tak nízká. Celkově je však vliv větru mnohem méně významný, než u fotovoltaických panelů.

 

Roční výnos energie

Roční výnos energie závisí kromě celkového množství dopadajícího slunečního záření a účinnosti konverze slunečního záření na užitečnou energii zejména na schopnosti vyrobenou energii využít. V České republice dopadá na 1 m2 optimálně skloněné plochy 950 až 1150 kWh slunečního záření. Protože orientace střechy není vždy ideální, počítá se obvykle pro odhad ročního výnosu s přibližnou hodnotou 1000 kWh/m2 dopadajícího slunečního záření.

Je nutno upozornit, že orientace a sklon kolektorů nebo panelů nejsou nijak kritické, v rozsahu sklonu 10° až 40° a orientace ±45° od jihu je celoroční množství dopadajícího slunečního záření nejvýše o 5 % nižší, viz obrázek dole; často může mít větší vliv stínění blízkými budovami nebo stromy.

Výnos solárního systému s termickými kolektory silně závisí na solárním pokrytí, tj. podílu energie ze solárního sytému k celkové spotřebě energie na ohřev vody (viz obrázek dole). Při solárním pokrytí 60 % se výnos energie solárních termických kolektorů pohybuje v rozmezí 350 až 450 kWh/m2 za rok (při přepočtu na celkovou plochu kolektorů). Při solárním pokrytí 25 % (předehřev) se výnos zvýší o 40 až 50 %. Je nutno upozornit, že katalogové údaje a certifikáty z akreditovaných laboratoří udávají hodnoty vyšší. Jedná se však o parametry vztažené k ploše absorbéru, která je vždy menší (v některých případech výrazně), než celková plocha, kterou kolektor zabere na střeše.

Výnos energie z fotovoltaických panelů závisí na solárním pokrytí podstatně méně. Hlavním důvodem je negativní závislost účinnosti na teplotě, druhým důvodem je relativně stabilní účinnost i při nižších intenzitách záření. Tyto vlivy vedou k nižšímu rozdílu mezi letní a zimní výrobou ve srovnání se solárními termálními kolektory. Zatímco u kolektorů již při solárním pokrytí kolem 60 % je část vyrobeného tepla nevyužita, v případě fotovoltaických panelů jsou při stejném solárním pokrytí ztráty zanedbatelné. Roční výnos energie se proto v závislosti na typu panelů pohybuje v rozmezí 50 až 200 kWh/m2 ročně.

 

Životnost panelů

Životnost fotovoltaických panelů je definována poklesem účinnosti o 20 %. Nejstarší větší fotovoltaické elektrárny jsou v provozu kolem 30 let, pokles účinnosti se po 25 letech pohyboval kolem 6 až 8 %. Jedná se nejčastěji o instalace z monokrystalických křemíkových článků. Fyzická životnost fotovoltaických panelů je proto odhadována na 30 až 40 let, v případě panelů krytých oboustranně sklem pravděpodobně až 50 let. Výrobci vesměs garantují maximální pokles účinnosti o 10 % za 10 nebo 12 let a 20 % za 25 let. O životnosti celého fotovoltaického systému zřejmě bude rozhodovat životnost ostatních komponent, jmenovitě propojovacích kabelů a střídačů. Zejména v případě střídačů je životnost podstatně kratší, pro ohřev teplé vody však střídač není nutný.

Výrobci solárních tepelných kolektorů udávají životnost 30 let, žádná garance se však obvykle k tomuto údaji nevztahuje. V provozu jsou solární tepelné systémy starší než 30 let. U kvalitně provedených kolektorů lze očekávat, že degradace absorpční vrstvy bude zanedbatelná. Zřejmě však bude nutno nahradit zhruba po 15 letech čerpadlo a v intervalu 5 až 10 let vyměnit teplonosnou kapalinu.

 

Velkoobchodní cena

Současná velkoobchodní cena fotovoltaických panelů se pohybuje asi od 15 Kč/Wp u amorfních křemíkových panelů do asi 25 Kč/Wp, neboli od 900 do 5000 Kč/m2. Jen za první pololetí přitom ceny klesly o 12 až 22 %, podle typu panelů. V případě systému, který nahrazuje střešní krytinu, je možno odečíst cenu nahrazené krytiny (asi od 300 Kč/m2). Z tohoto pohledu je tedy nižší účinnost výhodou – za stejnou cenu lze získat větší plochu.

Zajímavé je z hlediska investičních nákladů použití fotovoltaických panelů v kombinaci s luxusními materiály na fasádách administrativních budov, kde plošná cena panelů je na stejné úrovni s cenami obkladových materiálů. Nemusí ani vadit, že roční výroba je asi o 30 % nižší oproti optimálnímu sklonu, protože vyrobená elektřina je v takovém případě čistý bonus. Pro fasádní systémy je možno použít panely s barevnými články, které mohou dotvářet architektonický výraz stavby. Technologií výroby barevných článků se zvýšenou účinností se zabývá vývojové pracoviště firmy Solartec.

Cena solárních tepelných kolektorů se pohybuje nejčastěji od 4500 do 6000 Kč/m2, v případě vakuových trubkových kolektorů i podstatně výše. Podle některých zdrojů jsou však výrobní náklady solárních termických kolektorů výrazně nižší, než výrobní náklady fotovoltaických panelů. Ceny však v posledních letech víceméně stagnují, zatímco ceny fotovoltaických panelů výrazně klesly.

 

Závěr

Z hlediska hmotnosti a ceny na jednotku plochy, ale i z hlediska životnosti, jsou solární tepelné kolektory srovnatelné s běžně dostupnými fotovoltaickými panely. Roční výnos energie je však u solárních tepelných kolektorů díky vyšší účinnosti přibližně dvojnásobný ve srovnání s nejkvalitnějšími fotovoltaickými panely s články z monokrystalického křemíku. Pokud budou investiční náklady kompletního řešení ohřevu teplé vody elektřinou z fotovoltaických panelů, nižší než investiční náklady solárního termického systému, je možno ohřev vody považovat za účelné využití elektřiny z fotovoltaické elektrárny.

Účinnost solárních termických kolektorů je nejvyšší v létě, účinnost fotovoltaických panelů naopak v zimě. V letním období jsou fotovoltaické panely výhodnější při ohřevu pracovní látky na teploty nad 100 °C, v zimním období i pod 40 °C. Vekou výhodou fotovoltaiky je absence teplonosné kapaliny a jednodušší přenos vyrobené energie do místa užití. Elektřinu lze rovněž využít všestranněji než teplo.

 

Bronislav Bechnik, TZB-info

 

Obrázek – Soustav solární přípravy teplé vody pro dům a bazén

Foto archiv/redakce

 

Celý článek vyšel v čísle 5/12 časopisu Energie 21.

 

Komentáře ke článku 1

  • Josef Pražan

    Dobrý den,

    jsou solární nebo fotovoltaické panely schopny ekonomicky+výkonově/ztráty tepla v noci a za horšího počasí / předehřívat vodu ve venkovních bazénech/ od května do září /
    o objemu cca 250 m3 /16 X 10 X 1,7 m /.

    Děkuji za podání zprávy.

    S pozdravem
    Josef Pražan,Eurocamping Bojkovice

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *