rny Stirlingův motor

Transkript

1 Sluneční energie sluneční elektrárny rny fotovoltaická přeměna Stirlingův motor

2 Energie slunečního zářenz ení nejčist istší a nejšetrn etrnější způsob získz skávání energie Některé důležité konstanty pro Slunce pozorovatelné ze země: středn ední vzdálenost od Země: : 147 aža 152 miliónů kilometrů průměr r Slunce: km sluneční konstanta: 1360 W.m 2 sluneční konstanta - množstv ství energie, dopadající za jednotku času na jednotkovou plochu mimo zemskou atmosféru. Její hodnota je 1360 W.mW - 2.

3 Energie slunečního zářenz ení vznik sluneční energie Ke vzniku energie slunce dochází v jeho nitru. Nitro slunce mám tři i vrstvy: jádro termonukleárn rní reakce (při i teplotě K) oblast atmosféry (fotosféra, chromosféra ra -> koróna na) vznik elektromagnetického zářenz ení sluneční vítr emitace protonů, α částic, elektronů

4 Sluneční energie na Zemi Tepelná bilanci přeměny slunečního záření v atmosféře Slunce absolutně černé těleso teplota 6000 K hustota zářivz ivého toku na povrchu kw/m -2 ze slunečního výkonu (3, kw) ) dopadne na Zemi pouze malý zlomek cca 1, kw 14 kw

5 Tepelná bilance přemp eměny sluneční energie Přibližně jedna polovina zářivz ivého toku ze slunce je pohlcena zemským povrchem a přemp emění se v teplo. Pohlcená tepelná energie se následnn sledně vyzáří ve formě IR zářenz ení,, s vlnovou délkou d okolo 10 μm, do okolního vesmíru. Země se tedy chová jako transformátor tor energie. Velká část energie dopadající na oceány se spotřebuje ebuje k odpařen ení vody. Páry jsou vynáš ášeny vzestupnými proudy vzhůru, kde kondenzují a předávají své skupenské teplo okolí.. Toto je základnz kladní způsob ohřevu horních vrstev troposféry. ry. Cirkulací zahřátého ho vzduchu vznikají větry. Kinetická energie větru v pochází tedy ze slunečního zářenz ení.. Celková energie nahromaděná v pohybu vzduchu dosahuje hodnoty 1020 J. Procesy přemp eměny slunečního zářenz ení v biosféře e jsou sice z energetického hlediska zanedbatelné (asi jedno promile), avšak ak jsou nezbytné pro život na Zemi.

6 Energie slunečního zářenz ení jak bylo uvedeno výše, sluneční konstanta mám hodnotu I 0 = 1360 W.m -2 skutečná hodnota je však v jen částí této to energie mírou omezení je součinitel znečištění (Z): Z = 2,0 místa nad 2000 m Z = 2,5 místa nad 1000 m Z = 3,0 venkov bez průmyslových exhalací Z = 4,0 města sta a průmyslov myslová střediska Z = 5,0 silně znečist istěné prostřed edí (krátkodob tkodobě až 8)

7 Energie slunečního zářenz ení Celkové sluneční záření je složeno ze zářenz ení: přímého I P difúzn zního I D pro přímép sluneční záření platí: intenzita přímého p SZ dopadajícího na plochu kolmou k paprskům: I PN Z = I A ( W m A součinitel závisz visící na výšce h Slunce nad povrchem 0 2 pro obecně položenou plochu platí: I P = I cosγ ( W m PN ) 2 )

8 Energie slunečního zářenz ení pro difúzn zní záření platí: jde o rozptýlené světlo po odrazu o molekuly plynů, prachu a mraky intenzita difúzn zního zářenz ení vzrůst stá se součinitelem Z při i Z = 3 obvykle nepřevy evyšuje hodnotu 100 W.m -2

9 Energie slunečního zářenz ení teoretické množstv ství energie Q TD dopadající na osluněnou nou plochu za den je závislz vislé na sklonu kolektoru α a součiniteli znečist istění Z úhel sklonu kolektoru se v průběhu roku mění: m pro letní provoz je α = 30 (až 45 ) pro zimní provoz je α = 60 (až 90 )

10 Přeměna sluneční energie na Zemi sluneční energie je využívána třemi t emi základnz kladními způsoby a to jako: tepelná pro vytápění,, ohřev vody, tavící pece elektrická přímá přeměna pomocí fotovoltaických článků chemická u všech v transformací jsou problémy s malou plošnou koncentrací,, proměnlivou intenzitou a nestejnoměrným rozložen ením m SZ

11 Přeměna sluneční energie na Zemi přeměna v tepelnou energii konečnou nou formou přemp eměn n sluneční energie je vždy v teplo přeměna sluneční energie v tepelnou se provádí pomocí slunečních kolektorů pro získz skání vyšší teplotní úrovně se používaj vají koncentrátory: tory: Sběrn rné zařízen zení Dosažen ené teploty [ C][ účinnost přemp eměny [%] Příklad bez koncentrace středn ední koncentrace vysoká koncentrace 60 aža aža 50 rovinný sběra rač 250 aža aža 70 parabolický válecv lec 650 aža aža 75 paraboloid

12 Přeměna sluneční energie na Zemi sluneční kolektory η = Koncentrátory tory s různým stupněm koncentrace Rovinný sluneční kolektor Tepelná účinnost slunečních kolektorů η = 1 r) Q& η = Q& A S ( k c M = S + k ) ( t S I 1 2 ( A A ( t t ) s I s v t v )

13

14

15 Přeměna sluneční energie na Zemi fotovoltaická přeměna přímá přeměna světeln telné energie na elektrickou využívaj vají se polovodičov ové prvky fotovoltaický (solárn rní) článek solárn rní článek je velkoplošná dioda s jedním m PN přechodemp pro fotovoltaickou přeměnu musí být splněny ny následujn sledující podmínky: foton musí být pohlcen foton musí excitovat elektron do vyšší ššího vodivostního pásu vzniklá dvojice (záporný elektron kladná díra) musí být separována, aby se znovu nespojila oddělen lené náboje jsou odvedeny ke spotřebi ebiči Princip přímép přeměny sluneční energie na elektrickou s využit itím fotoelektrického jevu: PSi polovodivý křemík k typu P, NSi polovodivý křemík k typu N, EC energie vodivostního pásu,

16 Přeměna sluneční energie na Zemi fotovoltaická přeměna Přeměna sluneční energie na elektrickou ve fotovoltaickém článku probíhá ve třech t krocích: ch: Dopadající foton slunečního zářenz ení je pohlcen valenčním m elektronem, čímž elektron získz ská dostatečnou energii pro přechod p z valenčního pásu p do vodivostního ho.. Excitací elektronu vzniká pár elektron díra (tzv. generace). Podmínkou pro překonp ekonání zakázan zaného pásu p elektronem je, aby energie zachyceného ho fotonu hν byla většív než je energie zakázan zaného pásu Eg. Samotná generace páru p elektron díra však v nestačí,, je nutné tento pár p rozdělit potenciálovou bariérou rou - separovat, jinak elektron po určit ité době přejde zpět t do valenčního pásu p a obsadí volnou díru d tzv. rekombinuje. Při i rekombinaci elektron zpětn tně vyzáří pohlcený foton. Vhodným prostředkem pro separaci elektronů a děr d r je potenciál l PN přechodu. p Po separaci elektronů a děr d r je nutné je odvést z oblasti PN přechodu p tzn. odvést oddělen lené náboje ke spotřebi ebiči. i.

17 Fotovoltaické články

18 Fotovoltaické systémy a aplikace fotovoltaický systém: sestava fotovoltaických panelů,, podpůrných zařízen zení,, spotřebi ebiče e a další ších prvků (akumulátorov torová baterie, regulátor dobíjen jení, napěť ěťový střída dač,, indikační a měřm ěřící přístroje ) množstv ství a skladba prvků závisí na druhu aplikace

19 Fotovoltaické systémy a aplikace Fotovoltaické aplikace: systémy nezávisl vislé na rozvodné síti ostrovní systémy (grid( grid-off) výkony těchto t systémů se pohybují v rozmězí 1 W aža 10 kw. je kladen důraz d na minimáln lní ztráty ty energie a na používání energeticky méněm náročných spotřebi ebičů budují se v lokalitách, kde není účelné budovat elektrickou přípojkup pojku

20 Fotovoltaické systémy a aplikace Fotovoltaické aplikace: systémy s přímým p napájen jením (ostrovní systémy) využit ití v aplikacích, ch, kde nevadí, že e el. zařízen zení je funkční pouze po omezenou dobu jde o prosté propojení solárn rního panelu a spotřebi ebiče čerpání vody pro závlahuz napájen jení oběhov hového čerpadla pro přípravu p pravu TUV

21 Fotovoltaické systémy a aplikace Fotovoltaické aplikace: systémy s akumulací elektrické energie (ostrovní systémy) jsou využívány i v době nedostatku sluneční energie součást stí systému jsou akumulátorov torové baterie lze provozovat spotřebi ebiče e napájen jené stejnosměrným proudem (12 a 24 V), ale také střídavým proudem (230 V/ 50HZ) napájen jené přes střída dač

22 Fotovoltaické systémy a aplikace Fotovoltaické aplikace: síťové fotovoltaické systémy (grid( grid-on) el. energie jo dodávána přes p síťový s střída dač do rozvodné sítě fotovoltaické panely těchto t systémů jsou převp evážně integrovány ny do pláš ášťů budov

23 Sluneční (fotovoltaické)) elektrárny rny V případp padě ČR R je většív využit ití sluneční energie zatím na počátku svého rozvoje. V průběhu poslední dekády dy minulého století se ČR R omezila na ostrovní systémy pro nezávisl vislé napájen jení objektů a zařízen zení v lokalitách bez připojenp ipojení na rozvodnou síť. s První sluneční elektrárna rna o výkonu 10 kw byla uvedena do provozu aža v roce 1998 na vrcholu hory Mravenečník k v Jeseníkách (dnes je umíst stěna jako demonstrační zařízen zení v areálu JE Dukovany jako součást st informačního centra).

24 Sluneční (fotovoltaické)) elektrárny rny V našich podmínk nkách je solárn rní systém m o výkonu 1 kw schopen vyrobit kwh elektrické energie za rok. U současn asně provozovaných slunečních elektráren ren o instalovaných výkonech od 2,6 kw do 36 kw (síť solárn rních systémů na středn edních odborných školách po 1,2 kw) ) jde většinou v o napájen jení aplikací bez připojení k rozvodné síti. V souladu s cíli c EU by celkový instalovaný výkon solárn rních systémů v ČR R měl m l do roku 2010 dosáhnout 84 MW a do roku MW.

25 Sluneční elektrárny rny - princip Elektrickou energii lze získat z ze sluneční energie různými r způsoby, přímo p i nepřímo: Přímá přeměna využívá fotovoltaického jevu, při p i kterém se v určit ité látce působenp sobením m světla (fotonů) ) uvolňuj ují elektrony Nepřímá přeměna je založena na získz skání tepla pomocí slunečních sběra račů.. V ohnisku sběra račů umíst stíme termočlánky (popřípad padě tepelné motory), které mění teplo v elektřinu jde o tzv. Seebeckův jev (v obvodu ze dvou různých r materiálů vzniká elektrický proud, pokud jejich spoje mají různou teplotu).

26 Sluneční (fotovoltaické) elektrárny rny - princip přímá přeměna sluneční energie na elektrickou nepřímá přeměna sluneční energie na elektrickou

27 Sluneční elektrárny rny Stirlingův solárn rní motor Stirlingův motor využívá jako pracovní látku plyn, nejlépe ideáln lní plyn, kterému se nejvíce přiblip ibližuje vodík k (pro obtížnou utěsnitelnost vodíku se však nejčast astěji používá vzduch) je to pístový p stový motor se systémem vnější šího spalování,, u něhon hož nedochází k výměně pracovního plynu

28 Sluneční elektrárny rny Stirlingův solárn rní motor ve Stirlingově motoru dochází k přemp eměně tepelné energie v mechanickou využívá se principu regenerace není potřeba přivádět t velké množstv ství tepelné energie (energie je akumulována v regenerátoru) Stirlingův motor využívá Carnotova cyklu

29 Sluneční elektrárny rny Stirlingův solárn rní motor princip Stirlingova motoru Stirlingův motor pracuje ve čtyřech fázích f : 1 2 fáze izotermického stlačov ování,, teplo se předává do okolí při i teplotě T min. 2 3 fáze izochorického stlačov ování,, teplo je pracovní látkou přijp ijímáno od regenerátoru. 3 4 fáze izotermického rozpínání,, teplo je při p teplotě T max přijímáno od okolí. 4 1 fáze izochorického rozpínání,, teplo je pracovní látkou předp edáváno regenerátoru

30 Sluneční elektrárny rny Stirlingův solárn rní motor α - modifikace pracovní prostor je rozdělen mezi dva válcev v jednom z nich je pouze horký a ve druhém pouze chladný plyn regenerátor se nachází mezi válciv

31 Sluneční elektrárny rny Stirlingův solárn rní motor β - modifikace má pouze jeden válec, v v němž se pohybují oba pístyp změna objemu horkého prostoru se děje d prostřednictv ednictvím pohybu přemp emísťovacího pístu, p na změně objemu chladné části válce v se podílej lejí oba písty, p přemp emísťovací i pracovní v určit ité části se chod pístp stů překrývá

32 Sluneční elektrárny rny Stirlingův solárn rní motor γ - modifikace regenerátor není mezi válci, v ale oba válce v jsou oddělen lené chladný prostor je rozdělen mezi oba válce v a jeho minimáln lní objem je vždy, v i teoreticky nenulový

33 Aplikace Stirlingova solárn rního motoru Systém Dish - Stirling pro přemp eměnu sluneční energie v elektrickou přijímač tepla systému Dish - Stirling

34 Sluneční elektrárny rny a budoucnost Na Zemi je asi 22 milionů km 2 pouští,, které nelze využít ani v zemědělstv lství,, ani k chovu dobytka (Sahara, Kalahari, Atakama). Jejich obrovské rozlohy však v mohou být alespoň zčásti využity k přemp eměně sluneční energie na elektřinu nebo k rozkladu vody na vodík k a kyslík. k. Pro Evropu je nejblíže Sahara, která má rozlohu 7 milionů km 2. Je spočítáno, že e jen z jedné desetiny Sahary by dnešní technikou slunečních elektráren ren bylo možné získat asi 50 terawattů,, což je 5x více, v než lidstvo potřebuje.