3. ZPŮSOBY VYUŽITÍ SLUNCE A SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ

Transkript

1 3. ZPŮSOBY VYUŽITÍ SLUNCE A SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět specifikovat vnik slunečního záření ve Slunci a jeho přenos vesmírem na Zemi popsat základní mechaniku přeměn energie slunečního záření na jiné druhy energií se orientovat v základních pojmech souvisejících s přímou přeměnou slunečního záření na teplo a elektrickou energii na Zemi Výklad Energie se ve Slunci uvolňuje termojadernou fúzí spočívající ve slučování jader vodíku 1H (protonů) do jader hélia 4He. Tento proces se nazývá proton-protonový řetězec a probíhá podle schématu znázorněného na následujícím obrázku. Obr. 1. Proton-protonový řetězec. Energetický výtěţek proton-protonového řetězce je 26,2 [MeV], uvolněná energie je odnášena prostřednictvím fotonů a neutrin. Fotony dopadající na Zemi pak vnímáme jako sluneční záření (fotony uvolněné během p-p řetězce mají kmitočty záření rentgenového, během stovky tisíc let trvající cesty k povrchu Slunce se jejich kmitočty transformují k niţším hodnotám). 1

2 Aby mohlo ke slučování protonů docházet, je zapotřebí nesmírných teplot a i v podmínkách panujících v nitru Slunce (centrální teplota je zde [K]) tento proces probíhá velice pomalu, jak je znázorněno na obrázku, měrný výkon je tak pouze 0,19 [mw] na jeden kilogram hmotnosti Slunce. O Slunci lze říci, ţe je to dokonalý řízený termojaderný reaktor, v němţ se kaţdou sekundu uvolní energie [J] přeměnou 6, [kg] vodíku na hélium. Slunce má v zásobě tolik paliva, ţe tento proces bude probíhat ještě nějakých 7 miliard let. Spektrum elektromagnetického záření: a) ultrafialové záření (0,2 0,4 μm) pohlceno téměř úplně plyny v atmosféře škodlivé pro ţivé organismy b) viditelné záření (0,4 0,7 μm) světelná energie barva závislá na vlnové délce (fialové, modrá, zelená, ţlutá, oranţová, červená) jen malá část pohlcována c) krátkovlnné infračervené záření (0,7 3 μm) lidské oko není na ně citlivé snadno proniká atmosférou a) + b) + c) = krátkovlnné záření d) tepelné infračervené záření 3 μm vydáváno chladnějšími objekty pociťováno jako teplo označuje se jako dlouhovlnné záření (tepelné snímkování) Obr.2. Sluneční spektrum po průchodu atmosférou pod úhlem 48 od normály (tzv. spektrum AM1,5). Současně je vyznačena absorpční hrana krystalického křemíku. Kolik u nás máme slunečního záření? 2

3 Zářivý výkon celého Slunce je 3, kw. Většina tohoto výkonu se vyzáří do prostoru a k Zemi dorazí jen asi půl miliardtiny. Ale i tak je to úctyhodný výkon 1, kw na celou ozářenou polokouli. Pro naše potřeby by stačilo vyuţít jen malý zlomek této energie. Na 1 m 2 postavený kolmo k dopadajícím paprskům (nad zemskou atmosférou = ve vakuu) dopadá 1367 W ± 0,3 % sluneční energie. To je sluneční konstanta. Na kaţdý m 2 na povrchu myšlené kulové plochy o poloměru 1,5 x metrů (coţ je vzdálenost Země od Slunce) dopadá sluneční konstanta. Výslednému celkové výkonu kulové plochy se říká sluneční zářivost. Tato energie je rozloţena do elektromagnetického spektra přibliţně odpovídající záření absolutně černého tělesa o teplotě K. Při průchodu atmosférou se část sluneční energie ztratí. Asi 300 W/m² se v atmosféře absorbuje, kolem 100 W/m² se rozptýlí. Část rozptýlené energie přispívá k celkovému osvětlení jako difuzní záření oblohy (nebeská modř). Ztráty záření Obr.3. :. - molekuly a částice ve vzduchu rozptylují sluneční záření všemi směry rozptýlené záření - část záření, která je rozptýlena zpět do prostoru, se označuje jako difuzní odraz (asi 5 % přicházejícího slunečního záření) - pohlcování záření při průchodu atmosférou (asi 15 % přicházejícího záření) - pohlcování záření se můţe měnit výrazně podle prostředí - oblaka mohou odráţet % přicházejícího záření a pohlcovat 5-20 %; v případě husté oblačné vrstvy můţe být při povrchu jen 10 % z dopadajícího záření 3

4 Obr. 4. AM0 (air mass) je spektrum slunečního záření v kosmickém prostoru ve vzdálenosti 150 miliónů kilometru od slunce bez ovlivnění atmosférou. Celková energetická hustota tohoto spektra je 1367 ±7 W/m². AM1.5 je spektrum slunečního záření po průchodu bezoblačnou atmosférou. Energetická hustota tohoto spektra je 1 kw/m², ale silně závisí na průhlednosti atmosféry. Celkový vyuţitelný výkon slunečního záření odpovídá šedé ploše pod křivkou AM1.5. Pokud je slunce přímo v zenitu, ve výšce devadesáti stupňů, prochází sluneční záření nejmenší moţnou vstvou vzduchu. Takové spektrum se označuje jako AM1. Většinu doby ale slunce nebývá tak vysoko a sluneční záření proto musí procházet větší či menší vrstvou atmosféry. Pro fotovoltaiku se proto pouţívá spektrum AM1.5, odpovídající výšce slunce přibliţně 45 nad obzorem. Sluneční záření v tomto případě prochází jeden a půl násobně mohutnější vrstvou vzduchu. V našich podmínkách dopadá na jeden metr čtverečný vodorovně poloţený za jeden rok něco přes tisíc kilowatthodin (kwh) celkového slunečního záření. Například v Praze je to celkem kwh za rok. Z toho přímého záření jsou 455 kwh a rozptýleného záření 605 kwh. Na Pradědu je celkového záření na 1 m2 za rok kwh, z čehoţ přímého záření je 651 kwh a rozptýleného záření 589 kwh. 4

5 Obr. 5. Mapa dopadu slunečního záření Není to mnoho. Spočteme-li však plochu osvětlených střech a stěn u rodinného domku - dostaneme více jak sto tisíc kilowathodin za rok. Tedy energii v hodnotě přes sto tisíc korun, kterou necháme unikat jako teplo zpět do vesmíru a potřebné teplo si obstaráváme za těţký peníz jako uhlí, koks, naftu, plyn, abychom pak v zimě sousedům i sobě otravovali vzduch. Přitom celoroční spotřeba na vytápění obyčejného rodinného domku (bez zvláštní izolace) je zhruba 40 tisíc kilowatthodin. Takţe sluneční záření by mohlo pomoci. Alespoň na ohřev vody a při topení. Roční nabídka slunečního záření kolísá mezi kwh/m2 a 1250 kwh/m2. Průměrná doba slunečního svitu činí v Česku cca hodin. 5

6 Obr. 6. Roční průběh globálního záření na horizontální rovinu ve dnech bez oblačnosti. Zeměpisná šířka 48º, stupeň zákalu dle Linka 4,0, nadmořská výška 200 m. U nás není dost slunečního záření ani plochy, abychom mohli v budoucnu ve velkém měřítku vyuţívat sluneční záření ve velkém měřítku. Ţádná evropská země (snad mimo Řecka a Španělska) si to nemůţe dovolit. Podle mezinárodních plánů IIASA (Mezinárodní ústav pro pokročilou systémovou analysu) bychom mohli přivádět elektřinu ze Sahary, kde je mnoho slunečního svitu a obrovské rozlohy. Jiná uvaţovaná moţnost je rozkládat slunečním zářením vodu na vodík a kyslík a dopravovat do Evropy vodík potrubím nebo po lodích. Uskutečnění těchto energetických plánů však předpokládá rozsáhlou mezinárodní spolupráci. Aţ přestanou státy investovat do podobných projektů alespoň část těch peněz, které zatím vkládají nesmyslně do zbraní (to jest do zabíjení spolupozemšťanů) budou takové projekty realizovány a to k prospěchu nejen lidstva, ale celé biosféry. U nás je výhodné v malém měřítku přeměňovat sluneční záření na nízkopotenciální teplo (pod 100 stupňů Celsia). Nízkopotenciální teplo představuje veliký zlomek z celkové spotřeby energie u nás. Na řadě míst se uţ u nás uţívají sluneční kolektory k ohřevu uţitkové vody pro domácnost, v zemědělství i k přitápění bytů a veřejných budov. O vysoce kvalitní kolektory, které např. vyrábějí odborníci v Kroměříţi, Hodoníně, nebo TermoSolaru v Ţiari nad Hronom, je ţivý zájem v celé Evropě i jiných průmyslově vyspělých zemích. Je však u nás i řada nadšenců, kteří si po domácku sestrojili účinné sluneční ohřívače vody. Doba kamenná neskončila proto, ţe byl nedostatek kamene. Doba fosilních paliv neskončí v současné době proto, ţe by jich byl akutní nedostatek. Musí skončit proto, ţe jejich spalování je nejméně efektivní proces uvolňování energie z hmoty. Jiţ ze vzájemného působení slunečního záření a zemského povrchu vzniká celá řada přirozených procesů transformace. Valná část slunečního záření jen ohřívá naše prostředí. Kaţdodenně zvedá teploty vzduchu, půdy a povrchové vody, ostatně ohřívání interiérů skrze okna představuje doposud hlavní obnovitelný zdroj energie. Aţ několik promile záření je prostřednictvím biochemických procesů přeměněno v biomasu (rostliny). To platí také pro fosilní zdroje energie - uhlí, ropu a zemní plyn, které lze pokládat rovněţ za sluneční energii uloţenou tímto způsobem, ale takovou, která jiţ před miliony let vystoupila z přírodního koloběhu. 6

7 Aţ čtvrtina slunečního záření se vyuţije k vypařování vody, znovu se sráţející voda spolu s rozdíly teplot pohání vítr a ten potom vlny, zkondenzovaná voda dává vznik vodním tokům. Z těchto procesů vycházejí metody pohonu strojů, které jsou vyuţívány jiţ dávno, nověji se uţívají k pohonu generátorů konajících elektrickou práci. Při prvním ropném šoku v letech 1973/74 se stal veřejně známým fakt, ţe naše současné hlavní zdroje energie - uhlí, ropa a zemní plyn nejsou k dispozici neomezeně a mimo to představuje spalování fosilních zdrojů energie zátěţ pro ţivotní prostředí ve formě skleníkového efektu a kyselých dešťů, coţ v nedávné době vedlo aţ k otázce o samotném přeţití lidstva na Zemi. Východisko z této situace nabízí mimo jiné i zvýšené vyuţívání slunečního záření prostřednictvím solárních systémů pasivních (solární architektura) a aktivních (fototermická a fotovoltaická zařízení). Při pasivním vyuţívání slunce je pomocí vhodné architektury a konstrukce stavby maximalizováno ohřívání jejího interiéru v chladných obdobích a naopak vhodně sníţeno v obdobích veder. Při aktivním vyuţívání můţe sluneční záření konat dopadem na polovodičové články elektrickou práci, daleko běţnější ale je, ţe ohřívá nějaké médium protékající slunečními kolektory. leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec ročně Hradec Králové 22,1 39,8 76,2 115,7 160,8 163,8 162,7 142,2 92, ,8 17, Praha-Karlov 21,8 38,3 69,6 109,5 150,9 146,2 153, ,8 54,5 22,6 16, Ostrava-Poruba 24,9 40,7 69,9 101,8 145,6 140,3 146,2 122,7 79,9 56,8 25,6 18,1 972 Kuchařovice (JM) 26,1 47,8 81,3 121,9 164,9 166,1 169,1 142,4 94,2 59,9 26,8 19, Kocelovice (JČ) 26,5 46,4 77,3 115,7 158,5 156,6 165,3 145,4 91,9 58,4 26, Wien 25, ,4 118,9 149,8 160,7 164,9 139,7 100,6 59,8 26,3 19, Tab.1. Průměrné měsíční a roční úhrny globálního záření na horizontální rovinu. (údaje v kwh/m 2 ). Výhody využití sluneční energie Vyuţití energie slunečního záření pro krytí energetických potřeb společnosti má pro lidstvo oproti jiným zdrojům energie hned několik výhod: Slunce je bezpečný jaderný reaktor, od něhoţ se v době řádově miliard let nemusíme obávat ţádné havárie či výraznější změny funkce, není rovněţ zneuţitelné ţádnými teroristickými skupinami, takţe lidstvo se od něj nemusí obávat ţádné katastrofy. Sluneční energie je velice kvalitní, to znamená, ţe se poměrně snadno přeměňuje na jiné formy energie (energie tepelná, elektrická, mechanická,...). Sluneční energie je zadarmo - za sluneční světlo není třeba nikomu nic platit. Sluneční energie je místní, sluneční světlo není třeba odnikud dováţet, i kdyţ je pravda, ţe některé lokality jsou ve výhodě (například v Evropě Řecko a Španělsko), poněvadţ se zde vyskytuje větší počet slunečných dnů. A konečně zapáté, sluneční energie je čistá, nezpůsobuje ţádné toxické odpady, zápach, zplodiny, prach,... 7

8 Obr.7. Souhrn - sluneční záření lze měnit v potřebnou formu energie buď přímo (vlnovka) nebo nepřímo (slabé šipky). Využití slunečního potenciálu Sluneční energie dává lidstvu k dispozici obrovské mnoţství energie. Vyuţíváme ji pro systémy pasivní, aktivní a kombinované (hybridní). Dále se vyuţití dělí na přímé a nepřímé způsoby. Zatímco pasivní systémy s přímou přeměnou slunečního záření na teplo a stejně tak aktivní termické systémy vyuţívající nepřímé přeměny (pomocí slunečních kolektorů) pracují se značnou účinností (aţ 85 %), tak aktivní systémy fotovoltaická přeměňující sluneční záření na energii elektrickou pomocí solárních článků pracují s velmi malou účinností, která se v laboratorních podmínkách pohybuje okolo 24 %, v reálném provozu pak do 15%. Nicméně velká budoucnost je vkládána do vodíkového hospodářství, které představuje absolutně čistou energii nezatěţují ţivotní prostředí zplodinami (jedinou zplodinou je čistá voda) a poskytující obrovský potenciál, který jeli správně usměrněn dokáţe dávat energii k dispozici po dlouhou dobu. Lety do vesmíru by byly bez vodíku zcela nemyslitelné. Na druhou stranu představuje obrovskou sílu třaskaviny v podobě vodíkové pumy, asi tisíckrát silnější a ničivější neţ je atomová. Vodík má totiţ v porovnání se všemi známými palivy největší hustotu energie. To platí, pokud je zkapalněný a to je zatím největší problém, neboť vyţaduje teplotu blízkou absolutní nule. Přímá přeměna a pasivní systémy Sluneční energie vyuţívaná přímým způsobem, tj. bezprostředně, zejména obalovými konstrukcemi budovy je základem tzv. pasivních systémů vyuţití sluneční energie, které fungují na podobném principu jako skleník - u prosklených částí budovy nebo jako 8

9 akumulátory tepelné energie u obvodových konstrukcí (stěny, střecha). Obvodové stěny pak s časovým posunem uvolňují naakumulované teplo do interiéru, coţ je výhodné pro pouţití v noci. Teplo pak sálá do interiéru a není nutné vytápění na plný výkon. Nutno podotknout, ţe k akumulaci dochází i v interiéru objektu ( absorpce tepelného záření nábytkem a vnitřními konstrukcemi), ale dominantní podíl na sníţení energetické náročnosti mají právě obvodové konstrukce, jakoţto oddělující konstrukce exteriéru od interiéru. V těchto systémech se vyuţívá architektury jako takové, masivní stěny (Trombeho princip), představených skleníků a zimních zahrad, zónování místností, volba prosklení-podíl, orientace, parametry zasklení, tak aby sníţily energetickou náročnost budovy. Tzn., ţe např. zvětšením podílu zasklení na jiţní straně budovy sice zhoršíme tepelnou charakteristiku budovy, ale na druhé straně výrazně sníţíme její energetickou náročnost, neboť umoţníme zuţitkovat solární zisky a zlepšíme světelné podmínky v místnosti. Samozřejmě je nutné myslet i na ochranu proti přehřátí v letním období-představenými konstrukcemi, zacloněním a v neposlední řadě moţností odvodu teplého vzduchu přímo v místnosti. Je velmi vhodné vyuţívat systém rekuperace tepla, čímţ ještě výrazně poklesnou náklady na vytápění budovy. Aktivní systémy Aktivní systémy vyuţívají speciální technická zařízení sběrače sestavené z kolektorů, rozvodů a zásobníků, které nepřímo, fototermální cestou, přeměňují energii slunečního záření na teplo vyuţívané k ohřevu vody nebo k vytápění. Teplo získané v kolektorech se vyuţívá přímo k přitápění, ohřevu vody nebo se můţe ukládat v akumulačních nádrţích či zásobnících pro pozdější vyuţití (v noci, ve dnech se slabým slunečním svitem). Činnost solárních kolektorů je dostatečně známá a samotné kolektory pracují s poměrně dobrou účinností. Aktivní systémy se také pouţívají pro přeměnu sluneční energie na energii elektrickou pomocí solárních článků, resp. modulů (tj. paralelně,sériově nebo kombinací obou těchto způsobů zapojených článků) vyuţívajících fotovoltaického jevu. Solární elektrárny Solární elektrárny produkují elektrickou energii přeměnou energie slunečního záření. Aby byl jejich provoz rentabilní, je moţné pro jejich výstavbu volit pouze lokality s dostatečným počtem slunečných dnů. Ve větším měřítku jiţ fungují například v Kalifornii a Arizoně, jejich výstavba se rovněţ plánuje na Krétě, v jiţním Španělsku, Egyptě a Indii. Solární věže Elektrárny tohoto typu jsou sloţené z velkého mnoţství zrcadel (heliostatů), které koncentrují sluneční světlo do jednoho místa, zpravidla na vrchol vysoké věţe. Směr natočení a sklon zrcadel je počítačově řízen a sleduje denní pohyb Slunce po obloze. Na vrcholu věţe se ohřívá vhodné pracovní médium (olej, mletá sůl) na teplotu 500 [ºC] aţ 1500 [ C] (sluneční energie se tak přeměňuje na teplo). Ohřáté médium se pak odvádí do energetické jednotky, kde se ohřívá voda a vznikající pára pohání parogenerátor. Ochlazené pracovní médium se následně odvádí zpět do solární věţe k dalšímu ohřevu. Ohřáté pracovní médium se ze solární věţe můţe rovněţ odvádět do speciálních izolačních tanků, kde se uchovává pro pozdější pouţití během noci či při oblačnosti. 9

10 Obr.8. Solární věže - projekty Solar One (nalevo) a Solar Two (uprostřed a napravo). Obrázky zachycují solární věţe kalifornských demonstračních projektů Solar One ( ) a Solar Two ( ). Solární elektrárna Solar Two má zrcadel, výška věţe je 104 metrů, mletá sůl se v ní ohřívala aţ na teplotu [ o C]. Elektrická energie se zde vyráběla konvenčním parogenerátorem o výkonu 10 [MW]. Solární elektrárna Solar Two v současnosti funguje jako detektor gama paprsků vznikajících jako Čerenkovovo záření energetických částic kosmického původu vnikajících do zemské atmosféry. Solární žlaby Další varianta solárních elektráren vyuţívá ke své činnosti vyleštěné ţlaby parabolického tvaru (zrcadla), v jejichţ ohnisku jsou vedeny trubice, v nichţ proudí pracovní médium (voda, olej), které se fokusovaným slunečním zářením ohřívá na teplotu aţ 300 [ C]. Ohřáté pracovní médium se následně pouţívá k výrobě páry a elektrická energie se pak získává v parogenerátoru. Obr.9. Solární žlaby - různá provedení. Kalifornské solární elektrárny tohoto typu mají výkony aţ 350 [MW] (slouţí ke krytí potřeb aţ domácností). Více neţ 90 % solární elektrické energie se vyrábí v elektrárnách tohoto typu. Projekt SolarBridge Energetické komise Německé fyzikální společnosti uvaţuje vyuţití solární elektrárny tohoto typu ke krytí budoucích energetických potřeb celé Evropy. Vzhledem k průměrné roční spotřebě energie [GWh] by rozloha elektrárny se solárními ţlaby měla být [km 2] (čtverec o straně 140 [km]). Pro její umístění se zdá být vhodným místem poušť Sahara, neboť je zde během roku velký počet slunečných dnů a je zde rovněţ k dispozici velké mnoţství neobydlené a hospodářsky nevyuţité plochy (elektrárna by zabírala 0,2 [%] plochy Sahary). Zde vyráběná elektřina by se do Evropy vedla pomocí silových kabelů. Jinou moţností je vyrábět na místě elektrolýzou vodík a ten pak do Evropy dováţet loděmi. 10

11 Solární talíře Menší variantou solární elektrárny je takzvaný "solární talíř". Zde se sluneční světlo fokusuje několika zrcadly (většinou parabolického tvaru) do společného ohniska, kde se dosahuje teplot v rozmezí 600 [ºC] aţ 800 [ºC]. K přeměně tepelné energie na mechanickou se pouţívá nejčastěji Stirlingův stroj pohánějící generátor. Typický výkon elektrárny tohoto typu je 5 [kw] aţ 25 [kw]. Obr.10. Solární talíře - různá provedení. Fotoelektřina Elektřinu lze ze slunečního záření získávat rovněţ přímou přeměnou, pomocí fotovoltaických článků. Fotovoltaické články fungují na principu fotovoltaického jevu objeveného francouzským fyzikem Antoine-César Becquerelem v roce Fotovoltaický jev je jev, při němţ se na rozhraní dvou materiálů, na něţ dopadá světlo (elektromagnetické záření), objevuje elektrické napětí. Princip funkce dnes pouţívaných fotovoltaických článků je následující. Přes ochrannou antireflexní vrstvu se nechává dopadat sluneční záření na rozhraní polovodičů typu N a P. Spojením těchto materiálů vzniká elektrický potenciál, který usměrňuje pohyb volných elektronů, které se v polovodivém materiálu uvolňují absorpcí fotonů dopadajícího slunečního záření. Oba polovodiče jsou opatřeny kontakty a fotovoltaický článek tak můţe fungovat jako zdroj proudu. Výkon jednoho fotovoltaického článku je relativně malý, a proto se jednotlivé články skládají do fotovoltaických solárních panelů. Při typické účinnosti 12 [%] pro křemíkový článek je výkon solárního panelu kolem 120 [W/m 2 ]. Princip přeměny sluneční energie v elektrickou Existují dva základní způsoby jak vyrobit elektřinu ze slunce: Termoelektrická (nepřímá) přeměna: Energie slunce buď ohřívá vodu na páru, která pohání turbínu stejně jako v klasické tepelné elektrárně, nebo ohřívá vzduch v obřím skleníku.teplý vzduch odchází samovolně do vysokého komínu a svým prouděním roztáčí turbínu. Tyto způsoby se však často nevyuţívají, účinnost těchto elektráren se pohybuje kolem 10 [%]. 11

12 Fotovoltaická (přímá) přeměna: Podstatou této přeměny je fotoelektrický efekt, kdy světlo dopadající na polovodičový fotovoltaický článek uvolňuje nosiče náboje (princip je patrný z obrázku). Elektřina se vyrábí nehlučně, bez jakýchkoliv pohyblivých součástí, a bez vedlejších produktů. Fotovoltaický systém pracuje automaticky, bez obsluhy a bez velkých nároků na údrţbu. Využití fotovoltaických solárních panelů Solární panely se pouţívají zejména místech, kam není moţné přivádět elektřinu odjinud, například v odlehlých místech Země, ale i ve vesmíru na kosmických sondách. Přestoţe jsou solární panely dosud relativně drahé, jejich cena postupně klesá a pomalu začíná docházet k jejich masivnějšímu vyuţívání. Na tomto obrázku je domek (Marylandská univerzita) se střechou pokrytou fotovoltaickými solárními panely, které během průměrného slunečného dne produkují kolem 20 [kwh] elektrické energie. To je zhruba dvojnásobek potřebné energie, takţe přebytečná energie se uchovává v akumulátorech pro případ dní bez slunečního svitu. Na tomto obrázku je zajímavé řešení přístřešku pro auta námořní letecké základny North Island v jiţní Kalifornii. Střecha plochy [m 2 ] je pokryta fotoelektrickými solárními panely s celkovým výkonem 750 [kw], které ročně dodávají energii více neţ [kwh]. Solární fotovoltaické panely pohánějí i komerčně vyráběnou vodní pumpu na tomto obrázku. Zařízení slouţí k čerpání vody ze studně pro dobytek, pumpa čerpá 7 litrů vody za minutu, výkon solárních panelů je 120 [W]. 12

13 Na výstavách můţeme pozorovat i značný zájem architektu, kteří jiţ navrhují moderní stavby tak, aby solární kolektory včlenili do jejich opláštění. Největší solární střecha je instalována v Německu na novém výstavišti v Mnichove, kde fotovoltaické panely pokrývají všechny výstavní haly. Na obrázku je moderní budova postavená ve Velké Británii, jejíţ plášť z fotovoltaických panelu o ploše 655 [m 2 ] poskytuje maximální výkon 63 [kw]. Stav řešené problematiky Co se týče přeměny solární energie na elektrickou, muţe se jednat bud o klasický princip tepelné elektrárny, kde solární energie ohřívá vodu v kotli, pára pohání turbínu a ta následně pohání generátor, nebo o přímou přeměnu solární energie na elektrickou pomocí polovodičových článku. Zatím se příliš neujala myšlenka elektrárny zaloţené na principu ohřevu vody v kotli vysokou koncentrací slunečního záření pomocí systému dutých zrcadel. Několik takových pokusných elektráren sice pracuje např. v Kalifornii, v Novém Mexiku, v Itálii, ve Francii a na Ukrajině, ale většího rozšíření se tento systém zatím nedočkal. Princip, kdy voda či pára je vedena v trubce v ohniskové ose dutého, půlválcového zrcadla a ohřívána fokusovaným slunečním zářením, je testován hlavně v USA, ale i tento systém je zatím spíše v úrovni experimentu. Hlavní nevýhodou je nutnost vysoké přesnosti sledování Slunce a natáčení zrcadel ( 0,1º), coţ je značný technický i finanční problém. Vedle toho ve výměnících tepla dochází k značným ztrátám. Jako nejefektivnější se zatím ukázala přímá přeměna energie slunečního záření na energii elektrickou pomocí zmíněných polovodičových článků, rozšířen je i ohřev uţitkové vody slunečním zářením. Fotovoltaické články byly radu let zdokonalovány do dnešní podoby. Kvalitní fotovoltaické panely sestavené z článků na bázi monokrystalického křemíku dnes běţně dosahují účinnosti přeměny energie kolem 15 [%], nejkvalitnější aţ do 20 [%]. Fotovoltaické články jsou dnes nejvíce rozšířeny právě na bázi křemíku (monokrystalické, polykrystalické i amorfní), neboť křemík má radu výhod. Je relativně levný, je snadno dostupný, není jedovatý a je nejvíce pouţívaným a asi i nejlépe prozkoumaným polovodičem. Šířka zakázaného pásu 1,1 [ev] rovněţ vyhovuje. Dále se pouţívají např. tenkovrstvové články na bázi CuInSe, ci CdSe, CdTe. V poslední době lze pozorovat posun od monokrystalických solárních panelu k polykrystalickým. Patrně je tomu tak v důsledku niţší technologické i energetické náročnosti výroby polykrystalických fotovoltaických článků, přičemţ účinnost je niţší jiţ jen o několik procent. Zatímco panely na bázi monokrystalického křemíku mají účinnost kolem 15 [%], nejlepší panely na bázi polykrystalického křemíku mají uţ dnes účinnost kolem 12%. Zmíněné tenkovrstvové články na bázi Si či hetropřechodu s CuInSe, CdSe, CdTe se svou účinností blíţí 10%, přitom jsou technologicky ještě jednodušší (odpadá výroba krystalu). Zde 13

14 je zatím největším problémem stabilita parametru. Podaří-li se tento problém vyřešit, tenkovrstvové články rychle získají na významu. V kosmických aplikacích není příliš na závadu vyšší cena, ale je nezbytá maximální účinnost a odolnost proti kosmickému záření. Zde se pouţívají především monokrystalické články na bázi InP či epitaxně připraveného GaAs/Ge. Jejich účinnost je vyšší, kolem 25%. Pouţívají se i tzv. sendviče, kdy panely sestavené z článku na odlišné bázi jsou umístěny za sebou a kaţdý vyuţívá jinou oblast spektra. Fotovoltaické články a panely vyrábějí kromě českých firem Solartec a Trimex Tesla z Roţnova pod Radhoštem např. firmy Solarex (USA), Astropower (USA), BP Solar (UK), Eurosolar (Itálie), Photowatt (Francie). Na první pohled by se mohlo zdát, ţe fotovoltaické kolektory poskytují energii zadarmo. Výroba křemíku i další polovodičové technologie jsou však energeticky značně náročné a kolektory musí pracovat zhruba deset let, neţ vyrobí energii spotřebovanou ke své výroby. Ţivotnost kvalitních panelu však přesahuje dvacet let, tedy v konečném součtu zde zisk energie je. K výraznému posunu co se týče úspor materiálu, energie a sníţení ceny došlo v posledních letech v souvislosti s vývojem nových technologií řezání křemíku. Zatímco dříve technologie umoţňovala řezat destičky o minimální tloušťce 300 [ m], dnes je to 100 [ m]. Ve stejném poměru se zmenšil i průřez. Úspora křemíku, energie potřebné k jeho výrobě i zefektivnění výroby je evidentní. Ve světové špičce v technologii řezání křemíku se drţí i uţ zmíněná česká firma Trimex Tesla. Situace na světovém trhu solárních fotovoltaických panelu je taková, ţe nabídka převyšuje poptávku, coţ příznivě ovlivňuje cenu z hlediska spotřebitelů. Presto je stále výroba solárních panelu dotována a jejich ceny neodpovídají výrobním nákladům. Zatím solární energie nemůţe konkurovat velkokapacitním elektrárnám na fosilní paliva ani velkým hydroelektrárnám, účinně se však uplatňuje lokálně jako doplňkový zdroj. Zvláště velký význam má energie ze solárních panelu v těch oblastech Země, kam nezasahuje elektrifikační síť a na umělých druţicích. Několik takových pokusných elektráren uţ pracuje (nejvíce v USA) a jejich celkový maximální výkon přesahuje 100 [MW]. Jiţ nyní se na Krétě dokončuje projekt největší solární elektrárny s maximálním výkonem 50 [MW] a existují projekty ještě vetší. S ohledem na ceny fotovoltaických panelu mají takové elektrárny sice vysoké pořizovací náklady ale nízké náklady provozní. Určitou nevýhodou je nízký potenciál této energie, ale téměř všechny běţné spotřebiče (lampa, televizor, lednička, vrtačka a pod.) existují i na napětí U 12 [V]. Navíc měničem lze elektronicky napětí změnit třeba na U 220 [V], případné pro potřeby dálkového vedení ho lze transformovat na vysoké či velmi vysoké napětí. Nutno však podotknout, ţe měniče bývají nejméně spolehlivým článkem řetězce. Měniče vyrábí např. firmy Solarfabrik (Německo), Trace Engineering (USA), Mastervolt (Holandsko). Vetší nevýhodou je problém nerovnoměrnosti rozloţení slunečného svitu během dne a jeho úplná absence v noci. Zde se vědcům nabízí k řešení aktuální problém akumulace elektrické energie. Otázky 14

15 1. Specifikujte proton-protonový řetězec. 2. Specifikujte spektrum slunečního záření. 3. Specifikujte pojem sluneční konstanta. 4. Specifikujte pojem sluneční zářivost. 5. Specifikujte pojem ztráty záření. 6. Specifikujte výhody vyuţití sluneční energie. 7. Pasivní a aktivní systémy přeměny slunečního záření. 8. Specifikujte rozdělení slunečních elektráren. 9. Specifikujte princip přeměny slunečního záření v elektrickou energii. 10. Fotovoltaické panely a jejich vyuţití. Další zdroje