Jaké sluneční kolektory použít?

Obdobná otázka by mohla znít: jaké auto mám koupit? Odpověď v obou případech může být stejná: jaké chcete. Každý kolektor ozářený sluncem umí dodávat teplo, každé auto dokáže jet po silnici i devadesátkou. Tepla může dodat kolektor jen úměrně své černé ploše pohlcující sluneční záření. Auta by sice některá mohla jet i dvoustovkou, ale takové ježdění je pěkná pitomost, navíc protizákonná. Pětkrát dražší auto jaksi nemůže poskytnout pětkrát větší službu, to stejné platí i pro kolektory.

Sluneční kolektory lze rozdělit asi do pěti kategorií. Ty nejjednodušší se skládají jen z absorbéru, černé plastové matrace (nebo jen hadice). Jsou daleko nejúčinnější, pokud je potřeba ohřívat vodu jen na teplotu o málo vyšší než má okolní vzduch. Když je voda uvnitř nich o třicet stupňů teplejší, pak už z nich nezískáváe ani třetinu tepla, co jim dodalo slunce, zbytek z holého teplého absorbéru unikne do okolí.

Únik do okolí lze skoro dvakrát snížit, když absorbér z neosluněné strany tepelně zaizolujeme, např. jej položíme na desku pěnového polystyrénu (ten tak akorát vydrží teplotu, na kterou se absorbér rozpálí, když z něj teplo neodebíráme).

Dalším krokem ke snížení ztrát je, zabránit ofukování absorbéru a tomu, aby vzduch, který se kontaktem s ním ohřeje, stoupal pryč do okolí a byl nahrazován novým, chladným vzduchem. Toho se dociluje zasklením absorbéru – k tomu je ale potřeba i nějaký rám, a tak už máme kolektor se všemi částmi (absorbérem, zadní izolací, rámem a dobře průsvitným krytem). Zasklení má i tu výhodu, že jeho materiál je mnohem teplejší než vzduch ve velkých výškách a září tedy na absorbér více než ten (zasklení tak rozdíl mezi tokem energie vyzařovaným jako dlouhovlné infračervené záření z absorbéru a obdobným zářením dopadajícím na něj z chladnějšího okolí). Tomu druhému vlivu zasklení se říká skleníkový jev (podstatnější je ale ten vliv první, totiž vytvoření uzavřeného vzchuchového polštáře).

Za snížené ochlazování horkého absorbéru se nutně platí sníženým pohlcováním slunečního tepla – část slunečního záření se totiž nutně na zasklení odráží (v nejpříznivějším případě se odrazí osm procent), část se dokonce (v obyčejném tabulovém skle) pohlcuje (běžně dalších osm procent). Pohlcování lze eliminovat tím, že se zvolí sklo, které neobsahuje pokud možno žádné železo (takové se v technickém žargonu označuje jako solární, to by mělo být i při pohledu zboku nezelené, čiré, proto se německy označuje též jako Weissglas), odraz lze takřka eliminovat speciálními vrstvami na skle, to je ale technologie používaná u optických přístrojů, ne u velkých tabulí skla. Existují i nějaké úpravy levnější, použitelné na velké tabule, které odraz také trochu sníží, řekněme o čtvrtinu, ale jsou zatím výjimečné (sklo je pak jen průsvitné, ne průhledné).

Dalším možným krokem je zabránit tomu, aby horký absorbér zářil do okolí. Vezmete-li si do ruky čistou horkou žehličku a podržíte ji vedle obličejem, téměř neucítíte, že je horká – ona totiž skoro vůbec nesálá, čisté kovy mají velmi nízkou schopnost vyzařování. Stačí ale těsně u ní podržet list papíru, který se přes tenounkou vzduchovou mezeru obratem rozehřeje, a rázem na vás žehlička (přesněji, ten rozpálený papír) začne sálat velmi vydatně. Poznatku, že nenatřený kovový povrch se neochlazuje zářením se běžně využívá, to jen ten důvod, proč se např. tepelné izolace potrubí balí do hliníkové fólie.

Pro absorbéry se ale čistý kov nehodí, protože není černý, málo pohlcuje sluneční záření. Natřením na černo jej ovšem „zničíme“, začne se zářením ochlazovat stejně účinně jako sklo nebo jakéholiv nekovové předměty kolem nás.

Věda sklonku dvacátého století ale nabídla řešení – speciální tmavé vrstvy, které v tom dlouhovlnném infračervením oboru (deseti mikrometrů místo půl mikrometru, jako má světlo, to proto, že svět kolem nás má absolutní teplotu asi dvacetkrát nižší než Slunce) jsou naopak zcela bílá či „zrcadlové“. Ty staré jsou na bázi niklu či chromu a nanášejí se galvanicky ve vodní lázni, ty nové se nanášeji ve vakuu, jsou mnohem tenčí, levnější a jejich výroba nezatěžuje prostředí (až na tu trochu spotřebované elektřiny). Nejznámější z nich, TiNOX (firemní název, ale srozumitelný, jde o nějaký nitrid a oxid titanu) má emisivitu pod pět procent, obodobně jako čistý hliník (tedy odrazivost přes 95 procent), i když sluneční záření absorbuje z více než 93 procent (je tedy velmi tmavý, i když běžná černá barva je ještě tmavší). Takové povrchy, zcela jinak se chovající vůči vlnovým déklám slunečním a pozemským, se označují jako selektivní. Kolektory s absorbéry s takovým povrstvením se ochlazují dvakrát méně než ty, kde je absorbér jen natřený.

Jsou-li navíc zakryté solárním sklem a mají pod absorbérem vrstvu minerální vaty aspoň šest centimetrů tlustou, jsou to dnešní hi-tech zařízení k využití slunečního záření. I při ohřívání na šedesát nebo sedmdesát stupňů z něj využijí více než polovinu. Jiná se proto ve světově nejvyspěleším Rakousku prakticky nepoužívají.

U nás jsou ještě stále populární i kolektory, jejichž absorbéry jsou pro snížení úniku tepla do okolí uzavřeny v evakuovaných trubicích. V dobách, kdy nebyly k dispozici vrstvy vysoce selektivní, se to zdálo být jediné řešení. Je to ale řešení, vztaženo na množství tepla, které kolektory řekněme za třicet let provozu poskytnou, velmi drahé. A vztáhne-li se na plochu, kterou kolektory zaberou na fasádě či střeše, je to kupodivu řešení málo účinné. To proto, že trubicové kolektory jsou děravé, účinná plocha zachycující sluneční záření je o dost menší než místo, které celý kolektor zabírá.

Vztahovat dodávané teplo na jinou plochu než tu, kterou kolektor zabírá (čili na jeho brutto plochu) má stěží nějaký smysl. A dnešní velkoplošné ploché kolektory (s co nejmenším podílem rámu a co největší absorpční plochou) ve skutečnosti při ohřívání vody pro domácnost poskytnou z takové plochy za rok více tepla než kolektory trubicové. Přitom jsou přinejmenším o třetinu levnější (při svépomocné montáži klidně i třikrát či čtyřikrát levnější).

Větší rozdíl je mezi kolektory s hi-tech absorbéry a s absorbéry jen černě natřenými (disperzní vodní základní barvou). Důvod, proč volit dnes takové low-tech vrstvy může být jen ten, že hi-tech absorbéry nebo jejich součástky nejsou k dostání. Cenově to už takový rozdíl být nemusí. Zhruba totiž odpovídá tomu, že low-tech absorbérů musí být alespoň o polovinu víc, aby daly stejné množství tepla.

To platí, pokud by absorbér byl tak jako tak z měděného plechu. Ve skutečnosti můžeme jako alternativu k TiNOXu doporučit jen jediné low-tech kovové provedení, které je skutečně levné a na ploše tedy není důvod šetřit. Totiž takové, kdy je použit plech hliníkový. Nejsnáze v podobě, kdy jsou plechy coby útek vetkány do trubkové osnovy. Osnova může být z trubek hliníkových (pak je složitější jejich propojení a není snadné zařídit jeho trvanlivost, i když možné to je), nebo měděných, pájených. Při celoměděném tlakovém solárním okruhu je možné docílit toho, že se kapalina v kolektoru nikdy nevypařuje, což snižuje nároky na pečlivé provedení soustavy.

V hi-tech plochých kolektorech vždycky při nechtěném výpadku elektřiny na pohon čerpadla (nebo prostě tehdy, když je už všechna voda ohřátá na nejvyšší teplotu) začne voda vřít a je nutno je pečlivě položit a pospojovat tak, aby z nich vznikající pára mohla všechnu kapalinu vytlačit spodem pryč, do expanzní nádoby (s předřazenou nádobkou s objemem polovičním, než má kolektor, aby se stotřicetistupňová voda nedostala rovnou až na membránu expanzní nádoby). Pokud se kapalina z kolektorů nevytlačila prvními litry páry pryč, zbytky kapaliny by vřely dále a nakonec by kapalina unikala z okruhu přetlakovým ventilem. Spoléhat se na to, že kolektor bude vždy v provozu a s jeho vyvřením není nutné počítat, je bláhové (ač u nás zřejmě běžné). Ve skutečnosti je za slunného léta u každého systému, jehož kolektorová plocha není titěrná, zcela obvyklé, že kolektor je naplněn párou a je mimo provoz. Teplota takového kolektoru je až ke dvěma stům stupňů (u vakuových trubic i tři sta, tím obtížnější je navrhnout systém tak, aby vysoké teploty dokonale snášel). Plný výkon kolektorů se využije jen při proměnlivém počasí nebo až v říjnu a později.

(Ještě snad poznámku o plochém, mírně evakuovaném kolektoru. To je dnes už alternativa spíše muzejní, vakuum uvnitř je velmi nedokonalé a zdaleka neizoluje úplně, jen jsou ztráty prouděním a vedením tepla menší než v obyčejném vzduchu. Krom toho se zřejmě do takových výrobků montují absorbéry nepříliš selektivní, a tak není účinnost takových kolektorů vyšší než těch s dnešními hi-tech absorbéry a skly).

Obrázek: účinnosti kolektorů různých konstrukcí, viz můj text ob* k Novému Lískovci v adresáři http://amper.ped.muni.cz/jenik/passiv (plnohodnotný je jen anglický ob14_jhen.pdf, obrázek samotný je i dostupný i jako bitmapa rapkols_cz.png