Je možné docílit ještě vyšší tepelný výkon u solárních panelů?

O co se snaží jiní

Na vývoji solárních panelů se pracuje desítky let a za tu dobu se zdá, že  již mohly být všechny schůdné cesty objeveny. Každá výrobní firma se snaží uplatnit svou invenci a chce dosáhnout co nejlepších výsledků, o tom se nedá pochybovat. Nejprve se šlo cestou zvyšování účinnosti absorbční plochy – vznikly vysoce selektivní panely, později se výrobci zaměřili na snižování ztrát do okolního prostředí – dodávají se vakuové panely v různých formách.

Hlavní veličiny:

Základní veličiny které solární systém ovlivňují a na  kterých je případné zvýšení výkonu závislé.

• T1 – teplota na výstupu z kolektorového pole
• T2 – teplota na vstupu do kolektorového pole.
• Q – objem teplonosné látky v časovém úseku – průtok.

Podružné veličiny pro objasnění činnosti:

• Iz – intenzita slunečního záření
• Tp – teplota okolního prostředí
• Tv – teplota vody v nádrži na výstupu z výměníku

Protože jde jen o vysvětlení principu, nezohledňuji ztráty a další veličiny. Pro modelovou situaci a jednoduchost  si prosím představte hodnotu  Iz, Tp a Q neměnné.

Popišme si nejprve klasický solární panel

Panel-y jako část solárního systému a změny výše uvedených hodnot

1. systém stojí      Q = 0,   pak  T1  i  T2 = Tp
2. Hodnota Iz začne mít kladnou hodnotu a s tím se zvýší  T1, to donutí řídící jednotku zapnout  čerpadlo, takže Q > 0
3. Voda v nádrži se začne postupně ohřívat v závislosti na rozdílu teplot (T1 – T2) (množství získaného tepla)
4. jak roste Tv zvyšuje se i T2, to je vždy stejné, nebo větší než Tv
5. V panelu vyšší T2 způsobí i nárust T1, rozdíl (T1 – T2) zůstává přibližně stejný.
6. Opakováním tohoto cyklu je dosažena požadovaná teplota v nádrži a Q = 0 (vypne se)

	když je teplo	když je chladno
Jasno
Polojasno

1. Jako první jsem uvedl snahu o zvýšení výkonu pomocí zvyšování T1 vylepšováním absorpční vrstvy, popřípadě větší absorpční plochou. Pokud by existovala možnost, byla by již dávno u solárních panelů uplatňována.
2. Také druhý způsob pro zvyšování výkonu opírající se o snižování ztrát je vlastně ovlivňování hodnoty T1 a příliš významného zlepšení dosáhnout již nelze.
3. Zvýšením hodnoty Q – rychlejším průtokem lze docílit pouze menšího rozdílu  (T1 – T2) a opačně. Výkon se ale změnou Q nemění. (Dále asi není nutné jednotlivé stavy rozepisovat, jsou obecně známé.)

solární systém - klikni

Zvýšení výkonu solárního systému kalsickou cestou

Konstatovali jsme tedy, že ke zvýšení výkonu nelze dojít zvýšením T1, ani změnou Q.  T2 je u solárního systému dána a obecně platí T2 >= Tv. Zdá se tedy nereálné vyššího  výkonu u solárních panelů dosáhnout.  To potvrzují všichni výrobci a lidé této problematiky znalí. Znalost řešení by byla revoluce v solárních systémech.

Použitý program Grafy (soubor pro MS EXCEL)

Termodynamický solární systém

1. Je tedy jisté, že řešení je třeba hledat jiným směrem než dosud. Tou zásadní změnou je, že se nezaměříme na T1 ani Q, ale důležitá je dosud všemi opomíjená hodnota T2 a zkusíme s ní pracovat. Pokud se do solárního okruhu zařadí tepelné čerpadlo, lze hodnotu T2 snížit, protože pokud na jedné straně dává tepelné čerpadlo vyšší teplotu, musí být teplota na výstupu nižší – to je obecně známé.
2. Když se ale T2 sníží, bude logicky klesat i T1. Na první pohled tedy opět zůstane rozdíl (T1-T2) stejný a změna nic nepřinese. To ale platí jen dokud T2>=Tp!
3. Jakmile T2<Tp začne se dít to, že panely navíc budou pohlcovat i teplo z okolního prostředí  Na ledový panel bude okolní prostředí působit tak, že mu bude předávat své teplo a ten se ohřeje.
4. Zatímco T2 bude ještě klesat, T1 se zastaví díky ziskům tepla z okolí. Rozdíl  (T1- T2) bude tedy větší a panel bude získávat více tepla. Na výkonu se bude projevovat nejen sluneční záření, ale i okolí panelu. Obě energie se sečtou!
5. Protože se zastaví pokles T1, po čase se zastaví i pokles T2 a systém poběží ve stabilizovaném režimu, ovšem s vyšším výkonem – jen T1 a T2 bude mít proti klasickému solárnímu systému nižší hodnoty, ale s tím si tepelné čerpadlo spolehlivě poradí. Rozdíl (T1-T2) se tedy zvýší a s tím i výkon systému.

ThermBoil FX - teplo (klikni)

Tím, že   ((T1+T2)/2) -Tv   bude mít až zápornou hodnotu, změní se ztráty panelu na zisky. To ale nebude možné využít u vakuových panelů, i izolace absorbéru od okolí bude naopak od klasického systému překážkou.

Využití teploty okolního prostředí není závislé na slunečním záření.

Například i v noci při 20°C lze do solárního panelu dostat teplonosnou látku vychlazenou na -5°C. Je logické, že se panel díky velké předávací ploše bude ohřívat a T1 může být opět až 20°C. Tepelné čerpadlo má tedy k dispozici 25°C rozdílu teplot a dokáže i s poměrně vysokým COP zvýšit teplotu na svém výstupu na 55°C.

V případě kdy T1< Tp, využívá se  teplo z okolí jednotek pomocí vnitřního výměníku.

ThermBoil FX - chladno (klikni)

Tepelné čerpadlo přitom pracuje ve zcela normálním režimu jako jiná čerpadla, naopak vstupní teplota do něj bude často větší a tím bude také lepší COP.

To, že lze vodu ohřívat i bez slunečního záření několikanásobně prodlouží dobu možného provozu a přinese další nemalé zisky takového systému. (cca 7000 : 1500 zisk z exteriéru)

Jednotka bývá umístěna v prostorách kde je dostatek tepla pro případné využití k ohřevu v době kdy T1 je nižší (kotelny, strojovny,…). Tím je dána možnost celoročního provozu.

Podmínky pro provoz:

• Vyšší tepelný výkon je dosažen když teplota teplonosné látky je nižší než teplota v okolí panelu.
• Nižší provozní teplota panelu znamená nižší ztráty do okolí také u potrubí.
• Velikost panelu odpovídá výkonu tepelného čerpadla. Neplatí, že větší plocha kterou tepelné čerpadlo nedokáže uchladit znamená větší výkon – výrobci by si měli zjistit kolik tepla z okolí panely pojmou.

Paradox č. 1:  Zatímco se teplota v solárním okruhu snižuje, výkon sestavy roste.

Paradox č. 2:  Nízká teplota panelu nepůsobí tepelné ztráty ale naopak zisky.

Paradox č. 3:  Solární panel získává teplo i bez slunečního záření.

To je teorie, co ale praxe?

Termodynamické jednotky pro takovéto využití se již vyrábějí a jsou patentově chráněné. Lze je zakoupit naším prostřednictvím i v ČR, SR a Polsku.

Tepelný výkon jednotky:

ThermBoil FX 200, 300 při zisku solárního záření 1300 W    2800 – 3800 W,    příkon 500 W
ThermBoil FX 500 při zisku solárního záření 2600 W            4600 – 6300 W,    příkon 750 W

Z naměřených hodnot lze usoudit možný nárůst výkonu solárního panelu díky získávání tepelné energie z okolního prostředí solárními panely v kombinaci s jednotkou ThermBoil FX. Hodnoty mohou být u různých panelů různé a ovlivní je místní podmínky instalace. Zatímco jiná vylepšení solárních panelů mohou přinášet vyšší výkon v jednotkách procent zde je patrné zvýšení výkonu v násobcích původního výkonu, proto jej lze doporučit.

Přestože příkon termodynamické jednotky je proti solárnímu systému větší, vzhledem k délce možného využití je při porovnávání celého roku úspora vyšší.

(spotřeba termodynamického systému + dohřev)   <   (spotřeba solárního systému + dohřev)

Tyto termodynamické jednotky FX lze napojit na solární okruh s libovolnými solárními panely,  je ale třeba posoudit zda je typ panelů pro takovou instalaci vhodný. Bude záležet na každém výrobci, či dodavateli solárních panelů zda bude ochoten novému trendu se přizpůsobit – jednotky jsou k dispozici a většina panelů bude vyhovovat. Zákazník dříve nebo později takovéto instalace požadovat bude, dnes je to jen otázka malé informovanosti.
Také odborná veřejnost bude mít možnost přepsat současné poučky a pravidla, předělat učebnice. Termodynamický solární systém mění dosud platné způsoby hodnocení solárních systémů a velkým úkolem bude o této revoluční možnosti veřejnost informovat.