Dnes už nie je žiadnou novinkou využívanie slnečnej energie na získavanie tepla na vykurovanie či ohrev pitnej vody. Možno menej sa v rodinných domoch praktizuje premena energie zo Slnka na elektrickú, ale v nádeji na rýchly vývoj technických riešení, ktoré prinesú zlacnenie zariadení ako aj zjednodušenie „skladovania“ elektrickej energie, môžeme očakávať plošné využívanie fotovoltiky aj pri výstavbe rodinných domov.

Solárne systémy
Solárne sústavy aktívne využívajú slnečnú energiu a transformujú ju na tepelnú. Slnečné kolektory predstavujú hlavné zariadenie systému a na ne sú napojené cez rozvodné potrubie spotrebiče (bojler, vykurovacie telesá, bazén, atď...).  Najvhodnejšia orientácia solárnych kolektorov v strednej Európe, ktoré sa využívajú celoročne, je smerom na juh a ich sklon pod uhlom cca 45°.
Solárne systémy sa najčastejšie a veľmi výhodne používajú na prípravu teplej úžitkovej vody (TÚV), vykurovanie miestností – temperovanie a ohrev vody v bazénoch. Chýbajúci solárny výkon sa v exponovaných mesiacoch roka zabezpečuje ohrevom vody ústredným vykurovaním alebo elektrickou odporovou špirálou v zásobníku, prípadne oboma súčasne. Výmenník tepla spojený so slnečnými kolektormi aj v obdobiach nízkej intenzity slnečného žiarenia zabezpečí aspoň predhriatie TÚV, a tak znižuje energetickú spotrebu doplnkového energetického zdroja.

Ohrev vody v bazénoch

Využitie slnečnej energie prostredníctvom absorbéra je cenovo najvýhodnejšia možnosť zohrievania vody v bazéne. Želaná úroveň teploty vody je tesne nad teplotou okolia, preto na ohrev postačujú jednoduché, cenovo veľmi výhodné absorbéry z plastov, ktoré môžu byť vďaka svojim nízkym pracovným teplotám uložené aj na mierne sklonených plochách. Na umiestnenie absorbujúcich rohoží sú vhodné sklonené strešné alebo trávnaté plochy.
Pretože absorbéry sú z plastu, dá sa prevádzka realizovať v jednookruhovom systéme; to znamená, že chlórovaná voda z bazéna sa môže prostredníctvom cirkulačného čerpadla preháňať priamo cez absorbéry, bez zapojenia výmenníka tepla. Predpokladom spoľahlivosti systému je správne nadimenzovanie čerpadla.
Plastové kolektory sú v prevádzke iba v letnom období a pred prvým mrazom sa musia vyprázdniť. Potrebná plocha kolektorov zodpovedá približne veľkosti povrchu bazénu. Takýmto spôsobom sa dá zvýšiť teplota vody v solárne zohrievaných otvorených kúpaliskách v porovnaní s nevyhrievanými bazénmi v priemere o 4 až 7 °C.

Príprava teplej vody

Solárny systém môže ekonomicky zmysluplne usporiť 50 až 75 % nákladov na prípravu teplej vody. Z hľadiska investičných nákladov sú pre celoročnú prípravu TÚV najvýhodnejšie ploché slnečné kolektory so selektívnou konverznou vrstvou. Solárny systém na ohrev vody sa skladá z kolektorov, armatúry, zásobníka vody (bojler) s výmenníkom tepla, čerpadla, vyrovnávacej expanznej nádoby a regulačnej jednotky.
K samotnej premene energie zo slnečného žiarenia na tepelnú slúžia kolektory, ktorých nevyhnutnou súčasťou je absorbér zachytávajúci slnečné žiarenie. Nosnú konštrukciu kolektora tvorí rám, ktorý by mal mať nízku hmotnosť, veľkú mechanickú pevnosť, odolnosť proti korózii a vodotesnosť. Priehľadná vrstva na povrchu kolektora predstavuje vlastne jeho tepelnú izoláciu z prednej strany. Tá má zabrániť strate tepla do ovzdušia, ale umožňuje prestup slnečného žiarenia.
Teplo sa prostredníctvom teplonosnej kvapaliny (nemrznúca zmes) privádza cez rúrky do zásobníka teplej vody, v ktorom sa prostredníctvom výmenníka ohreje úžitková voda. Elektrické vyhrievacie teleso, prípadne iný zdroj tepla (kotol, prípojka ústredného vykurovania), ohrieva vodu počas zamračených dní. Automatické ovládanie zabezpečuje vypínanie a zapínanie obehového čerpadla podľa potreby. Vyrovnávacia nádržka udržuje rovnomerný tlak v sústave a vyrovnáva zmeny objemu kvapaliny. Takto ohriata teplá voda môže slúžiť na bežné použitie v domácnosti.

Dimenzovanie
Najdôležitejšou zásadou pri dimenzovaní solárneho zariadenia na prípravu teplej vody je dosiahnutie takmer 100-percentného pokrytia potreby v nevykurovacej sezóne, aby v tomto období nemusel byť na prípravu teplej vody prevádzkovaný vykurovací kotol. Z tohto dôvodu je potrebné vedieť dennú potrebu teplej vody pre obyvateľov domu, ktorá závisí aj od ich hygienických návykov. Ak sa viac sprchujú ako kúpu, je spotreba teplej vody nižšia, pretože na jedno kúpanie vo vani sa spotrebuje v priemere 150 l vody s teplotou 40°. Pri výpočtoch sa obvykle uvažuje s potrebou teplej vody od 40 do 60 litrov na osobu denne. Vychádzajúc z teploty 50 °C, za predpokladu ideálneho nasmerovania slnečných kolektorov na juh, sklonu strechy 45° a stupňa pokrytia 70 %, vypočítame potrebný objem zásobníka podľa nasledovného vzorca:
Objem zásobníka = spotreba teplej vody x počet osôb x 2,5
 Veľkosť kolektora sa môže zjednodušene počítať asi nasledovne:
 Počet osôb v domácnosti x 1,5 až 2 = plocha kolektora v m2

 Na jednoduché dimenzovanie solárneho zariadenia poslúži tabuľka:

Pri odchýlkach od južného nasmerovania alebo od ideálneho sklonu strechy je potrebné plochu kolektorov zväčšiť.

Vykurovanie zo Slnka
Ekonomicky výhodne sa solárnym zariadením nedá zabezpečiť 100-percentné pokrytie energetických potrieb rodinného domu na jeho vykurovanie (aspoň nie štandardne postaveného, v zmysle súčasne platných noriem a predpisov pre tepelné straty). Veľkosť kolektorového poľa, a teda aj jeho výkon, musí byť podstatne väčší. Vykurovanie solárnou energiou môže pokryť približne 15 až 30 % ročných energetických potrieb dobre izolovaného objektu s nízkoteplotným vykurovacím systémom (podlahové, stenové alebo stropné vykurovanie).

Vykurovanie objektu energiou zo Slnka s vyšším stupňom pokrytia si vyžaduje komplexnú energetickú koncepciu, ktorá musí byť akceptovaná hneď od začiatku, a to ešte v etape plánovania. Počas výstavby suterénu, prípadne realizácie sanačných prác, je nutné do technickej miestnosti inštalovať vyrovnávací zásobník väčšieho objemu (zásobník energie). Taktiež je treba zosúladiť sklon strechy a umiestnenie strešných okien alebo svetlíkov tak, aby bola umožnená cenovo priaznivá montáž veľkoplošných kolektorov integrovaných do strechy.

Nevyhnutné predpoklady
V prvom rade je potrebné realizovať tepelnú izoláciu obalu domu na úrovni nízkoenergetických objektov so spotrebou tepla do 50 kWh/m2 za rok. Ďalším priaznivým predpokladom na dosiahnutie vyššieho stupňa pokrytia energiou zo Slnka je použitie nízkoteplotných vykurovacích systémov, ako sú podlahové alebo stenové vykurovanie, ktoré pracujú s nízkymi vstupnými teplotami.
Podmienkou je aj orientácia na juh a netienené slnečné žiarenie aj v zime – na slnečné kolektory nesmú dopadať tiene vrchov, stromov alebo iných budov. Optimálny uhol sklonu slnečných kolektorov pre zimné využitie zamerané na vykurovanie má byť 45 - 60°. Pri odchýlke od južného smeru (max. 45°), to znamená na juhovýchod alebo juhozápad namiesto optimálneho smerovania na juh, je na dosiahnutie rovnakého výkonu potrebné zväčšiť plochu kolektorov až o 20 % . Odchýlku väčšiu ako 45° od južného smeru ani neodporúčame.

Dimenzovanie slnečných kolektorov na vykurovanie si vyžaduje oveľa komplexnejší prístup ako zariadení na prípravu teplej vody a vyžaduje aj starostlivé plánovanie a realizáciu, ak má byť prevádzka zariadenia hospodárna. V závislosti od požadovaného stupňa pokrytia potrieb energie sú pre priemerný rodinný dom potrebné slnečné kolektory s plochou 20 až 40 m2 a vyrovnávací zásobník 1 až 5 m3 , ktorý je schopný „uskladniť“ teplo na niekoľko hodín alebo dní. Dosiahnutie vyšších stupňov pokrytia potreby tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody (až do 100 %) len zo slnečných kolektorov je principiálne možné, avšak spojené s podstatne vyššími nákladmi, a preto nerentabilné (kolektorová plocha by mala byť až 60 – 80 m2 a sezónny zásobník 60 000 až 80 000 l).
Odporúčaná veľkosť plochy kolektorov by mala byť približne 20 % z vykurovanej obývacej plochy. Takto sa dá dosiahnuť 20 až 60 % potrebného tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody v závislosti nielen od prevádzky rodinného domu, ale aj od ďalších faktorov: lokality (kolísanie vonkajšej teploty počas roka, miestna intenzita slnečného žiarenia), nasmerovania a sklonu kolektorov i druhu vykurovacieho systému.
V prípade montovaných fasádnych kolektorov (zvislo) je pri rovnakom výkone a rovnakej celoročnej spotrebe potrebné až o 30 % viac plochy kolektorov. Tento spôsob montáže dostáva prednosť predovšetkým v prostrediach bohatých na sneh a pre pasívne domy s energetickou spotrebou pod 15 kWh/m2 ročne. Zostávajúcu potrebu tepla preberá v ideálnom prípade vykurovanie na báze obnoviteľnej energie, napríklad kotol na drevené pelety alebo kusové drevo. Tieto spôsoby vykurovania sa majú realizovať so zásobníkom na vyrovnávanie záťaže a ten môže súčasne slúžiť ako zásobník energie pre solárne zariadenie.

Fotovoltaika
V súčasnosti, keď sa jedným z nezanedbateľných faktorov stáva cena za získavanie energie (teda nielen nadobúdacia cena zariadení, ale aj cena energie pri prevádzke), sú namieste nielen úvahy o hľadaní rezerv v spotrebe, ale aj o alternatívnych možnostiach výroby a získavania elektrickej energie, napríklad prostredníctvom fotovoltických panelov.
Priama premena slnečného žiarenia na elektrickú energiu je možná vďaka využitiu polovodičových materiálov, z ktorých sa dnes najbežnejšie používa kryštalický kremík. Prednosťou fotovoltických systémov je, že na svoje fungovanie nepotrebujú priame slnečné žiarenie. Sú schopné vyrábať elektrickú energiu aj pri oblačnom počasí, t. j. pri rozptýlenom svetle. Pri takýchto nepriaznivých okolnostiach sú síce menej účinné, ale neprestávajú „pracovať“.

Systémy pre nízkoenergetickú výstavbu
Bývanie v rodinnom dome ponúka možnosť vlastného rozhodovania v otázkach týkajúcich sa spôsobu úspory energie i v nazeraní na ekológiu. Ide o rôzne energeticky úsporné, nízkoenergetické, energeticky pasívne, ďalej sebestačné, nielen nulové, ale dokonca plusové či energiu šetriace domy, ktorých spoločným menovateľom je využívanie slnečnej energie. Je nevyhnutné, aby sa už pri rozhodovaní a tvorbe budúceho projektu uvažovalo s pasívnymi formami energetických ziskov v súčinnosti s integráciou alternatívnych zdrojov energie vrátane slnečných kolektorov a fotovoltických panelov.
V princípe rozoznávame dva základné fotovoltické systémy, ktoré sa dajú použiť:
Bez napojenia na verejnú elektrickú sieť (domy a budovy v odľahlých územiach, horské usadlosti) a to v schéme – priamo, t.j. fotovoltické panely sú pripojené priamo k spotrebičom (12 V alebo 24 V), alebo v schéme – ostrov, t.j. panely sú zapojené cez regulátor dobíjania na batérie (tzv. ostrovný systém).
Druhý spôsob je realizovaný napojením na verejnú elektrickú sieť (budovy v zastavaných územiach). Pri schéme „sieť“ sú fotovoltické panely zapojené cez menič napätia do rozvodnej siete (celosvetovo sa tento variant najčastejšie používa). Sériovo – paralelne pospájané panely tvoria fotovoltické pole, generujúce jednosmerný elektrický prúd, ktorý sa privádza do striedačov / meničov, ktoré ho premieňajú na striedavý prúd. Ten sa cez rozvádzač systému rozvádza do elektrickej siete budovy alebo cez počítadlo či elektromer do verejnej energetickej siete.
Výhodou tohto systému je, že pri nízkej produkcii elektrického prúdu (zamračené dni v zime) sa systém zásobuje z verejnej siete, pri prebytku (slnečné dni v lete) sa elektrická energia odovzdáva do verejnej siete. Plocha a počet fotovoltických modulov pre objekt tak nemusia byť dimenzované na jeho presnú spotrebu.

Výhody fotovoltiky
Ide o alternatívny energetický zdroj a jeho dôležitosť stúpa v súvislosti s rastúcou cenou energií. Ekologicky čistý, nehlučný spôsob získavania elektrickej energie má minimálne negatívny vplyv na životné prostredie. Prispieva k zníženiu objemu emisií skleníkových plynov – jeden fotovoltický systém môže ušetriť až 10 ton škodlivých emisií CO2 za rok.
Fotovoltika môže byť zdrojom elektriny najmä v odľahlých miestach, kde nie je možnosť pripojiť sa na elektrickú rozvodnú sieť. Články umožňujú nezávislosť od odberu elektrickej energie z elektrickej rozvodnej siete, kontrolovanej energetickými monopolmi. Dlhodobá stabilita parametrov fotofoltických článkov zabezpečuje ich spoľahlivú funkciu. Výrobcovia garantujú špecifický výkon článkov 10 rokov a životnosť uvádzajú minimálne 25 – 30 rokov.
Fotovoltické systémy majú minimálne prevádzkové náklady a nepotrebujú žiadnu špeciálnu údržbu. Zariadenia sú odolné voči nepriaznivým poveternostným podmienkam (vlhkosť, dážď, vietor, sneh, krupobitie), môžu teda bez problémov nahradiť iné stavebné materiály v obale objektu.
Výroba „zelenej“ energie je podporovaná aj štátnymi dotáciami. Správca energetických sietí musí takto vyrobenú energiu vykúpiť od dodávateľa za štátom garantovanú cenu, a to počas celej, vopred zákonom zaručenej doby. Tie najväčšie výhody sú teda celkom zrejmé: úspora energie, šetrenie životného prostredia a možnosť využitia štátnej podpory.

Nevýhody
Výkon je podmienený nielen sezónnou, ale aj  dennou variabilitou počasia. Fotovoltické systémy majú nižšiu celoročnú využiteľnosť. Všeobecne panuje nízka informovanosť obyvateľstva ako aj nedostatok skúseností. Fotovoltické komponenty majú vyššiu cenu, a tým dlhšiu dobu návratnosti investície, čo spôsobuje vysoké jednotkové náklady na výrobu elektriny. Rozvoj technológie je v súčasnosti závislý od politických opatrení a od ich pružnej aplikácie v praxi (dlhodobá garancia výkupných cien, prednostné pripojenie do elektrickej sústavy a povinnosť odberu elektriny distribučnou spoločnosťou).

(mez)
Snímky: archív redakcie