Slunce a fotovoltaika jako základ energetické nezávislosti

S rychlým rozšiřováním obnovitelných zdrojů energie stoupá i připravenost koncových spotřebitelů na výrobu vlastní elektřiny. Výkonné a správně navržené fotovoltaické zařízení na rodinném domě, jakož i na jiných objektech, umožní bezplatně, efektivně a bez negativních vlivů na životní prostředí čerpat celoročně sluneční energii až do úrovně úplné energetické soběstačnosti.

Přizpůsobíme-li denní režim rodiny potřebě čerpat jen minimum energie z veřejných sítí (elektřina, plyn), dosáhneme s pomocí slunce energetické soběstačnosti už nyní, s výjimkou studených zimních dnů se zataženou oblohou. Řeč je nejen o rodinných domech, ale i o bytových, kde je nejtěžší dosáhnout společného „fotovoltaického“ konsenzu všech obyvatel.

A přitom zjistíme, že kráčíme cestou  až k úplné celoroční energetické svobodě, kdy trubky s „veřejným“ plynem a dráty s elektřinou využijeme jen jako zálohu nebo na ně rezignujeme úplně. To se někde děje už dnes, když se třeba úředně či jinak komplikuje realizace veřejné elektrické přípojky. V tomto článku neradíme zrušit veřejnou energetickou přípojku. Nicméně snaha o snížení a v létě až o úplné vynulování účtů za energii vás možná až nadchne.

Domy, které v zimě skutečně hřejí a v létě chladí

V budoucnu nás nebude trápit nedostatek energie a její (s)potřeba na vytápění, ale hlavně ochrana před letním přehříváním interiéru. Účinné řešení je netriviální a spočívá ve…

O jakou energii jde?

Uvažujme jednoduchý přízemní bungalov čtvercového půdorysu 10 × 10 metrů s téměř vodorovnou střechou o ploše 100 m² ve výšce 3,2 metru s průměrným součinitelem prostupu tepla celého domu 0,5 W/(m²K). Tento dům zaznamenává v prosinci (měsíc zimního slunovratu) a v červnu (měsíc letního slunovratu) pozoruhodné provozní hodnoty tepelných ztrát prostupem ve srovnání s energií slunečního záření, které na tentýž dům dopadá:

Tab. 1: Celoměsíční ztráty tepla prostupem vodorovnou střechou, zdmi a okny diskutovaného domu za měsíce prosinec a červen při průměrném součiniteli prostupu tepla celého domu U_T = 0,5 W/(m²K) ve srovnání s energií celoměsíčního oslunění (včetně rozptýleného slunečního záření) stejných konstrukcí ve stejných měsících podle referenčního klimatického roku, který započítává i oblačné dny.

Shrňme si pro přehlednost údaje v tab. 1 do čtyř klíčových energetických hodnot:

Červen

• Sluneční impakt: +33,745 MWh/měs.
• Prostup tepla: –0,2409 MWh/měs.

Prosinec

• Sluneční impakt: +2,010 MWh/měs.
• Prostup tepla: –1,986 MWh/měs.

Vidíme, že sluneční záření, které dopadá na uvedený dům, je i v prosinci (měsíc s nejnižší osluněností) větší, než je odpovídající celoměsíční ztráta tepla prostupem. Sluší se připomenout, že to platí pro relativně dobře zateplený dům o průměrném součiniteli prostupu tepla celého domu U_T = 0,5 W/(m²K); kvalitní tepelná izolace je tudíž důležitá. V ostatních měsících míra oslunění v porovnání se ztrátami tepla rychle roste a dosahuje maxima v červnu a červenci. Ztráty tepla podlahou přitom neuvažujeme.

Z finančního pohledu to znamená, že při průměrné ceně elektřiny 7,15 Kč za 1 kWh elektřiny (cena ke konci září 2022) doručí slunce na uvedený dům v prosinci energii za více než 15 tisíc korun! V červnu je to dokonce za neuvěřitelných 210 tisíc korun! Ano, slunce nás touto energií zásobuje zdarma! Než donekonečna zvětšovat tloušťku tepelné izolace na základě slepé teplovzdušné stavební tepelné techniky je účinnější pracovat se slunečním zářením a barvami venkovních povrchů domů. To se týká i venkovních stínicích předmětů na oknech nebo fasádách.

Kde se tato čísla vzala? Měsíční osluněnost vodorovných zemských povrchů přímo vyplývá z dat referenčního klimatického roku pro posuzovanou lokalitu, což je v tomto případě Hradec Králové. Jde o souhrn hodinových měření venkovních teplot a energie slunečního záření, které dopadá na vodorovnou plochu. Za celý rok to dělá 24 × 365 = 8760 údajů o teplotě venkovního vzduchu a energii dopadajícího slunečního záření ve W (respektive ve Wh/h). S touto databází pracujeme a zejména dokážeme převést oslunění vodorovné plochy v každé hodině roku na oslunění libovolně sklonité a ke světovým stranám orientované střešní nebo fasádní plochy.

Referenční rok odkazuje k minulosti (data z roku 2016), takže jeho hodinová data nelze vztahovat ke stejné hodině nebo dni aktuálního či jiného roku. Avšak v měsíčních srovnáních se údaje z různých roků příliš neliší a lze je považovat (s vědomím malé nepřesnosti) za totožné.

Modulární akumulátor Vitocharge VX3 nabízí kapacitu úložiště 4 až 12 kWh.

Stínicí předměty na oknech i barva fasády

Se slunečním zářením jako zdrojem zimní energie domu a zároveň i původcem jeho letního přehřívání je třeba se především dobře seznámit a správně ho uchopit. Ve „sluneční architektuře“, o níž je teď řeč, hrají hlavní roli barvy:

Bílá barva vnějších povrchů domu dobře odráží tepelné záření včetně slunečního. Bílé povrchy tak zůstávají na slunci chladné, tzn. na úrovni venkovního vzduchu. Ideální bílá neexistuje, nicméně dokážeme se jí dobře přiblížit. V noci bílá barva naopak tepelné záření nevyzařuje, a konstrukce pod ní se tudíž sálavě ochlazuje jen minimálně.

Černá barva naopak veškeré tepelné záření pohlcuje. Černé povrchy se zejména na přímém slunci nápadně ohřívají, výjimkou nejsou teploty nad 70 °C. Naopak v noci tato barva nejvíce sálá teplo do venkovního prostředí a jmenovitě pak k obloze, čímž chladne často i pod teplotu vzduchu (sálavá teplota letní jasné oblohy hluboko pod bodem mrazu!). To pak zcela mění venkovní „teplovzdušnou“ okrajovou podmínku.

Stínění jako závěrečný dílek stavebního puzzle

S architektem Jakubem Žohou jsme si povídali o tom, jak na dům působí slunce a proč je při navrhování důležité zohlednit jeho pohyb po obloze. Jakou roli hraje v současné…

Fotovoltaika

Fotovoltaika je zařízení, které mění energii dopadajícího slunečního záření na elektřinu, s jejíž pomocí lze v domě vytápět, v létě chladit a celoročně pohánět elektrické spotřebiče. Ukažme si, jak tuto energii uchopit, v případě přebytků akumulovat do baterií a celoročně pak využívat ke zlepšení energetiky domu. A ideálně tak dovést dům až k jeho úplné energetické soběstačnosti včetně zimy.

Jak funguje fotovoltaika?

Fotovoltaika přímo přeměňuje sluneční záření na elektřinu (stejnosměrný elektrický proud) s využitím fotoelektrického jevu na velkoplošných polovodičových fotodiodách (solárních panelech). Jednotlivé diody se nazývají fotovoltaické články a obvykle jsou spojovány do větších celků – panelů. Větší či menší sestava panelů se nazývá fotovoltaická elektrárna. Ta může být na střeše rodinného domu anebo může zabrat třeba hektarové pole.

Světlo, zejména vysokoenergetické sluneční záření o teplotě 5 510 °C a energetické intenzitě až 1100 W/m² (v místech oběžné dráhy Země kolem Slunce), způsobuje, že se na fotodiodových přechodech uvolňují (excitují) vazebné elektrony za vzniku shodně orientovaných chemických vazebných dipólů. Tím vzniká usměrněný potenciál (napětí), který v uzavřeném elektrickém obvodu koná práci (rozsvítí žárovky nebo například roztáčí elektrické stroje a podobně). Základem této technologie je dnes křemík, z něhož se fotodiody vyrábějí.

Produktový program Vitovolt 300 zahrnuje monokrystalické fotovoltaické moduly v černém designu s výkonem až 285 Wp a polykrystalické fotovoltaické moduly s 60 články a výkonem až 270 Wp.

Existují dva druhy solárních článků: monokrystalické a polykrystalické, které se na základě rozdílných způsobů výroby liší svými vlastnostmi. To, pro jaké se nakonec rozhodneme, závisí na více faktorech a mělo by se předem dobře zvážit. Vedle ceny, výkonu a požadované účinnosti fotovoltaiky je důležité i místo jejího použití.

Vedle solárních článků se fotovoltaická zařízení skládají ze střídače, kabelů a především z baterií, což je sběrnice a zásobárna elektrické energie, která umožňuje chod domovních a domácích elektrických spotřebičů i když slunce nesvítí. Střídač pak převádí stejnoměrné napětí z fotovoltaiky nebo baterií na střídavý proud. Jinou součástí domácí fotovoltaiky bývá přípojka k veřejné elektrorozvodné síti, jež se aktivuje při nedostatku sluneční elektřiny.

Výhody fotovoltaiky

V poslední době rychle roste připravenost koncových uživatelů k vlastní výrobě elektřiny. Velkým impulzem je překotné zdražování (podzim 2022) „veřejné“ elektřiny a plynu. Přitom dnešní fotovoltaická zařízení už využívají sluneční energii velmi výhodně. S instalací fotovoltaiky signalizuje jejich provozovatel také zodpovědný postoj i k životnímu prostředí.

Efektivní spotřeba solární elektřiny

Majitelé fotovoltaických aplikací mají v současné době dvě možnosti využití elektřiny, kterou vyrábějí:

1. elektřina může být zcela nebo částečně přiváděna do veřejné elektrorozvodné sítě,
2. elektřina může být zcela spotřebována a provozována i bez vědomí elektrorozvodné firmy.

Vlastní solární elektřina je z dlouhodobého pohledu levnější a pohodlnější než elektřina ze sítě a nabízí i další výhody. Vlastní spotřebu zajišťuje optimální koncepce systému v kombinaci s vhodně sladěnými spotřebiči, jež se – podle možností – spouštějí nikoli najednou, ale postupně. Důležitý je poznatek, že majitelé vlastní fotovoltaické elektrárny na střeše či zahradě rodinného domu automaticky a spontánně přizpůsobují své jednání tak, aby elektřinu z veřejné elektrorozvodné sítě využívali co nejméně.

V rámci systémového řešení lze fotovoltaický systém doplnit i o tepelné čerpadlo, například Vitocal 300-G typu země/voda.

Fotovoltaika a letní chlazení

V zimě, kdy jsou dny krátké, noci dlouhé a obloha často oblačná, domovní fotovoltaická elektrárna ne vždy stačí plně pokrýt potřebu elektřiny pro vytápění a běžný provoz domu.

V létě je tomu naopak: letní výroba fotovoltaické elektřiny často plně postačuje pro běžný provoz domácnosti, a navíc mnohdy vykazuje přebytky, které lze využít ke chlazení domu a k dalším účelům, včetně prodeje přebytků z fotovoltaiky do rozvodné sítě.

Z pohledu celoročního provozu je vhodné dům vybavit otopně-chladicí soustavou, nejlépe v podobě plošného podlahového a ještě lépe stropního vytápění/chlazení. Jsou ale také příklady, kdy pro modernizované vytápění i letní chlazení starších domů byly využity původní klasické „radiátory“. Pro takové řešení (a nejen to) je vhodné nasadit do otopné soustavy tepelné čerpadlo, které za 1 kWh vložené elektrické energie dokáže přečerpat až 3 kWh tepla z chladného venkovního vzduchu do vzduchu vnitřního, byť teplejšího. A získat tak čisté 2 kWh tepla k vytápění.

Pro rodinné domy nabízí Viessmann variabilní systémová řešení využívající různé zdroje energie.

Fotovoltaika a zdravé bydlení

Vlastní výroba energie a speciálně sluneční elektřiny pomocí fotovoltaiky bude v budoucnu a zejména v našem podnebném pásmu nejspíš nutností i pro provoz bytu či domu. Ke zdravému bydlení však nestačí jen příjemná vnitřní teplota. Vůbec nejdůležitější hodnota zdravého bydlení je čerstvý vzduch. To říkáme proto, že tato hodnota je – s výjimkou tohoto časopisu – trvale (a zdá se i systémově) opomíjena.

Minutová nabídka

Zdravé vnitřní prostředí = čerstvý vnitřní vzduch

Průměrný člověk nadechne za jediný den asi 10 m³ vzduchu. Ideálně by měl nadechovat čerstvý venkovní vzduch s obsahem CO₂ (oxid uhličitý) jen asi 400 ppm. To lze však jen při pobytu venku. Uvnitř budov se musíme spokojit s horší, ale ještě přijatelnou vydýchaností vzduchu. Dodejme, že vydechovaný vzduch obsahuje 35 000 až 50 000 ppm CO₂, takže v uzavřené místnosti s lidmi dojde k jeho vydýchání (obsah CO₂ ve vzduchu 1000 ppm) za několik málo hodin.

Tab. 2: Intenzita větrání v místnosti o objemu 75 m³, v níž jsou dvě osoby o hmotnostech 85 a 65 kg, z nichž první osoba čte nebo píše a druhá vaří či myje nádobí. Intenzita větrání je v procentech objemu místnosti za hodinu.

Člověk nemůže žít ve vydechovaném vzduchu. Přijatelná hranice pro delší pobyt v místnosti (doma nebo na pracovišti) je do 1 000 ppm CO₂. Z výpočtu vyplývá, že při objemu místnosti 75 m³, v níž jsou dvě osoby o hmotnostech 85 a 65 kg, z nichž první čte nebo píše a druhá vaří či například myje nádobí, je třeba větrat minimálně s intenzitou 148 % celkového objemu vzduchu za hodinu. To znamená přivést za jedinou hodinu do místnosti čerstvý venkovní vzduch o objemu jedenapůlnásobku objemu místnosti a původní vzduch nechat netěsnostmi unikat ven. Zároveň by měl přicházející čerstvý venkovní vzduch v rekuperační jednotce převzít teplo od vnitřního vycházejícího vzduchu, ne však oxid uhličitý.

Obr. 2: „Sluneční dům“ – schéma: 1 – Fotovoltaické zařízení, 2 – Fotovoltaický měnič, 3 – Fotovoltaický měřič, 4 – Spotřebič, 5 – Měřič tepelného čerpadla, 6 – Tepelné čerpadlo, 7 – Měřič odebrané a napájené elektřiny, 8 – Veřejná rozvodná síť.

Poznámka:

Tento věcný a všeobecný text vznikl s pomocí společnosti Viessmann.

Zdroje:

• [1] Hejhálek, Jiří: Rodinný dům, který čerpá energii ze slunce, https://www.stavebnictvi3000.cz/clanky/rodinny-dum-ktery-cerpa-energii-ze-slunce
• [2] Větrání v bytě a domě (výpočtový program), https://www.stavebnictvi3000.cz/vypocty/vetrani-v-byte-a-dome
• [3] Viessmann