Podľa doby prevádzky rozdeľujeme solárne systémy na systémy:
* so sezónnou dobou prevádzky – tieto systémy sú technicky najjednoduchšie a finančne najmenej náročné. Sú tvorené solárnym kolektorom prepojeným obehovým potrubím so zásobníkom teplej vody. Teplonosnou kvapalinou je obyčajne voda.
* s celoročnou dobou prevádzky – Sú trošku zložitejšie ako systémy sezónne, pretože medzi kolektorom a zásobníkom musí byť umiestnený výmenník tepla. Teplonosnou kvapalinou už nie je voda, ale špeciálna nemrznúca zmes (napr. Solaven-eko od výrobcu Thermo/Solar Žiar nad Hronom).
Podľa obehu teplonosnej kvapaliny delíme na solárne systémy:
* samotiažne, v ktorých je cirkulácia zabezpečená vplyvom rozdielnej hustoty teplej a studenej vody. Výhodou tohto usporiadania sú nízke náklady, nezávislosť na inom zdroji elektrickej energie. Nevýhodou je nižšia účinnosť zapríčinená ťažkým regulovaním prietoku kvapaliny a nutnosť umiestnenia kolektora nižšie ako zásobníka.
* s núteným obehom, v ktorých je obeh teplonosnej kvapaliny zabezpečovaný klasickým kurenárskym čerpadlom. Výhodou je vyššia účinnosť a možnosť ľubovoľného rozmiestnenia jednotlivých prvkov. Nevýhodou sú väčšie náklady, zložitejší systém závislý na zdroji elektrickej energie napájajúceho čerpadla.
Podľa počtu okruhov rozoznávame solárne systémy :
* jednookruhové, v ktorých je kolektor napojený priamo na zásobník vody resp. spotrebič. Výhodou je veľká účinnosť prenosu tepla, nevýhodou je to, že sa môžu využívať iba sezónne, pretože teplonosnou kvapalinou je voda.
* dvojokruhové, ktoré sú tvorené dvoma obehovými okruhmi. Primárny okruh je tvorený systémom K-V-Č, v ktorom je teplonosnou kvapalinou nemrznúca zmes.
Sekundárny okruh, tvorený výmenníkom tepla umiestneným vnútri zásobníka a spotrebičom, je naplnený už ohrievanou vodou.
Výhodou týchto systémov je možnosť celoročnej prevádzky, oddelenie primárneho a sekundárneho okruhu, ktoré má význam pri vytápaní s akumuláciou tepla. Nevýhodou sú vyššie náklady a nižšia účinnosť zapríčinená výmenníkom tepla.
Spoločnou nevýhodou všetkých solárnych systémov je prípad, keď je slnečné žiarenie málo intenzívne, prípadne žiadne. V takýchto prípadoch sú solárne systémy kombinované s klasickým ústredným kúrením spojeným s ohrevom teplej úžitkovej vody.
Podľa teplonosnej látky ich delím na vzduchové a kvapalinové.
Z hľadiska efektívneho využívania slnečnej energie sú výkonnejšie práve kvapalinové kolektory, ktoré sa na základe ich konštrukčného riešenia môžu rozdeliť na:
* ploché solárne kolektory
* koncentračné vákuové kolektory
Ďalším kritériom rozdelenia je pohyb kolektorov. Z tohto hľadiska rozoznávame kolektory pohyblivé a pevné. Pomocou zložitého systému sú pohyblivé kolektory stále natočené k slnku, čím využívajú maximálnu intenzitu slnečného žiarenia.
Ploché slnečné kolektory
Ploché slnečné kolektory, sú kolektory, ktoré využívajú priame aj difúzne slnečné žiarenie, nevyžadujú natáčanie za Slnkom a sú technicky aj finančne menej náročné. Pretože sú vystavené priamemu slnečnému žiareniu a počasiu vôbec, musí byť ich technické riešenie také, aby bola zabezpečená vysoká účinnosť, spoľahlivosť a dlhá životnosť.
Absorbér je najdôležitejšia časť kolektora. Jeho funkciou je zachytiť maximálne množstvo slnečného žiarenia, premeniť ho na teplo a to odovzdať pracovnej látke – teplonosnej kvapaline. Absorbér je prevažne samonosný, vyrobený je z medi, hliníka, ocele resp. špeciálnych plastov. Vrchná strana absorbéra je pokrytá vysokoselektívnou konverznou vrstvou, ktorá zabezpečuje vysokú absorbciu (pohltivosť) a nízku emisiu absorbéra. Táto vrstva sa vo väčšine prípadov nanáša galvanicky, napr. Ni-Al2O3, alebo je povrch absorbéra natretý špeciálnou farbou.
Na spodnú stranu absorbéra je prichytený trubkový medený register, čiže zberné potrubie tak, aby medzi ním a absorbérom bola maximálna teplonosná plocha. Materiál zberného potrubia je robený tak, aby medzi ním a absorbérom nevznikla elektrochemická korózia. Celá táto sústava je umiestnená v izolovanej hliníkovej, príp. plastovej skrini, ktorá je prikrytá utesneným priezračným materiálom. Zvyčajne sa využíva kalené sklo hrúbky 4-6 mm, ktoré je transparentné voči slnečnému žiareniu, reflexné pre infračervené žiarenie a odolné voči mechanickému namáhaniu. Ako izolačné materiály slúžia výrobky z minerálnej vaty a silikónové tesnenia. Účinnosť kolektora sa zvyšuje vákuovým prostredím vnútri kolektora. Jednotlivé kolektory možno vhodným technickým prispôsobením spájať k sebe, čím sa získa sústava s podstatne vyšším výkonom. Z fyzikálneho hľadiska solárny kolektor pracuje na princípe asbsorbcie čierneho telesa, pretože je najlepším absorbérom žiarenia. Žiarenie dopadajúce na kolektor sa čiastočne absorbuje, čiastočne prejde kolektorom a časť žiarenia sa odrazí.
Aby sme zabezpečili vysokú účinnosť používame na stavbu kolektora “dvojvrstvu” sklo-absorbér.
Koncentrujúce solárne kolektory
Koncentrujúce solárne kolektory sa odlišujú od plochých kolektorov tým, že dopadajúce žiarenie sústreďujú na menšiu absorbčnú plochu. Slnečné žiarenie sa na absorbčnú plochu koncentruje pomocou šošovkových systémov (Fresnelova šošovka) alebo pomocou zrkadlových systémov. Absorbérom je potrubie s teplonosnou kvapalinou umiestnené vo vákuovej trubici (vákuum plní funkciu izolácie). Koncentrujúce kolektory tak dosahujú účinnosť do 90%, pričom teplota teplonosnej kvapaliny dosahuje až 200°C.
Koncentrujúce kolektory možno rozdeliť podľa tvaru zrkadlového reflektora (rovinné, sférické, kužeľové, parabolické, paraboloidy, elipsoidy a ich kombinácie).
Nevýhodou takéhoto druhu kolektorov je to, že musia ustavične sledovať Slnko a väčšinou využívajú iba priame slnečné žiarenie. V súčasnosti sa už ale pracuje na nových druhoch koncentračných kolektorov, ktoré dokážu využívať aj difúzne žiarenie a nemusia byť stále natočené k Slnku.
Najvyššiu efektívnosť dosahujú v európskych podmienkach kolektory vtedy, ak sú splnené nasledujúce kritéria :
* orientácia na juh, prípadne 8°-15° západne, kedy majú maximálny výkon
* celodenné osvetlenie priamym slnečným žiarením
* vhodný sklon
* minimálne dĺžka potrubia k výmenníkom tepla (max. pokles 2°C)
Fotovoltaické články
Fotovoltaický článok je zariadenie, ktoré premieňa slnečnú energiu dopadajúcu vo forme žiarenia priamo na elektrickú. S fotovoltaickým článkom sa môžeme stretnúť napr. v kalkulačkách alebo hodinkách. Spôsob využitia je teda už známy, jediným problémom je prispôsobiť fotovoltaické články požadovanému výkonu.
Prvé informácie o fotovoltaickej premene slnečného žiarenia pochádzajú z r. 1839, kedy A. E. Becquerel vysvetlil princíp fotovoltaického javu. Energetické využitie začalo písať svoju históriu už v r. 1954, keď pracovníci Bell Telephone Laboratories zrealizovali fotovoltaické články založené na monokryštalickom kremíku s účinnosťou 6%. Vývoj fotovoltaických článkov je pevne zviazaný s rozvojom polovodičov. V súčasnosti dosahujú najmodernejšie články účinnosť asi 30 % pričom v praxi sa bežne využívajú články s účinnosťou 10-20%.
Fotovoltaický článok je vlastne veľkoplošná polovodičová dióda, na ktorej vzniká napätie. Ak ju naviac zaťažíme nejakým vhodným odporom, môžeme z nej odoberať prúd. Podstatou celej premeny slnečného žiarenia na elektrickú energiu je vnútorný fotoelektrický jav. Svetlo dopadajúce na polovodičový materiál v ňom zvyšuje koncentráciu nosičov náboja oproti stavu bez osvetlenia. Dopadajúce fotóny, ktoré sú polovodičovým materiálom absorbované, odovzdaním svojej energie generujú elektróny a diery. Elektróny a diery separované PN prechodom sú potom zberané do vonkajšieho obvodu, kde je ich prítomnosť registrovaná ako elektrické napätie alebo jednosmerný prúd.
Najpoužívanejším materiálom pre výrobu článkov je v súčasnosti kremík (Si). Až do r. 1981 bola používaná výlučne jeho monokryštalická forma hrúbky 250-350 nm, pričom maximálna účinnosť dosiahnutá pomocou tohto polovodiča bola v roku 1992 asi 35,2%. Neskôr sa objavili aj fotovoltaické články s polykryštalickým kremíkom hrúbky 150 nm. Účinnosť takýchto článkov sa pohybuje v rozmedzí 17-22 %, no táto nevýhoda oproti mono-Si je vyvážená ekonomicky menšou náročnosťou výroby. |
