Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice II. ročník (obor TŘD), st. skupina 24 Horáček Petr 14 pracovní skupina 11 Název práce: Solární energie
Prohlášení: Prohlašuji, že předložená práce je původním autorským dílem, které jsme vypracoval samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsme při zpracování čerpal, v práci řádně cituji. Anotace: Tato práce se má pokusit čtenáře uvést do problematiky využití solární energie, jakožto jedné z možnosti vývoje ekologických a zároveň ekonomických zdrojů energie. Klíčová slova: energie, fotovoltaický článek, solární soustava, teplo, 2
1 Úvod 1.1 Historie solárního článku Historie solárního článku se začala datovat rokem 1839, kdy francouzský experimentální fyzik Edmund Becquerel při pokusech s 2 kovovými elektrodami umístěnými v elektrovodivém roztoku zjistil, že při osvícení zařízení vzrostlo na elektrodách napětí: fotovoltaický efekt byl na světě. V roce 1877 byl objeven fotovoltaický efekt na selenu (W. G. Adams a R. E. Day) a vyroben první solární článek. Důležitým krokem v historii byl objev způsobu růstu monokrystalu křemíku polským vědcem Czochralským v roce 1918. Přestože byl fotovoltaický efekt postupně objeven i u jiných prvků (sirník kadmia, oxid mědi), křemík se ukázal jako nejvýhodnější. Za vynálezce křemíkového solárního článku bývá označován američan Russel Ohl (1941). Patent na převaděč solární energie dostali však 5. března 1954 D. M. Chapin, C. S. Fuller a G. L. Pearson, kteří o měsíc později předvedli křemíkové solární články s účinností 4,5 % a později 6 %. Další vývoj solárních článků urychlilo rozhodnutí použít je jako zdroj energie pro družice Země. Účinnost článků postupně stoupá, v roce 1958 dosáhla 9 %. To už je postačující na to, aby první umělá družice Spojených Států Amerických (Vanguard I), vypuštěná 17. března téhož roku, mohla být takovýmito články napájena (0,1 W, rozměry cca 100 cm2, družice pracovala 8 let). Explorer VI,vypuštěný o rok později, měl už solárních článků 9 600 (1 x 2 cm). V roce 1960 se účinnost článků vyhoupla na neuvěřitelných 14 %. A tak první telekomunikační družice, legendární Telstar, mohla být zásobena zdrojem o 15 (!) W. I když se v této době solární články již vyrábějí komerčně, vzhledem k jejich závratné ceně se používají jen výjimečně. Příkladem může být instalace 242 W panelu pro napájení majáku v Japonsku, v té době (1963) největšího na světě. K výraznému zlevnění solárních článků nepřispěla ani naftová krize v 70. letech, ačkoliv ostatním alternativním zdrojům energie (využití větru, ohřev vody) pomohla. Také účinnost běžných článků zůstala na 12-15 %. V Japonsku sice byly vyvinuty články s účinností přesahující 30 %, jejich výrobní cena je však příliš vysoká. Použití solárních článků se ve větší míře vyplatí pouze v odlehlých usedlostech, kam se nevyplatí vést drahé vedení (farmy). V lepším případě se nechají použít na napájení telefonních budek (Anglie). Běžný smrtelník se (bohužel) ještě v roce 2 000 musí spokojit se solární kalkulačkou. Ale najdou se i výjimky: když byl v Sacramentu (USA) v 80. letech uzavřen jaderný reaktor, bylo na domy a kostely instalováno 420 solárních systémů dávajících celkem 5,7 MW! Tento zdroj energie je tam tak populární, že zákazníci jsou ochotni platit každý měsíc o několik dolarů více (tzv. zelenou cenu ). 3
Mezi rozhodující parametry každé technologie patří nesporně cena solárního článku za jeden W. V současné době se cena solárních článků podílí přibližně ze 68% na celkové ceně fotovoltaického modulu. Zcela samozřejmě se potom jeví úsilí o dosažení nižší výrobní ceny solárních článků na jeden Watt. Výzkumná a vývojová pracoviště po celém světě se pokouší snížení ceny dosáhnout využitím nových základních materiálů, zvýšením účinnosti, levnějšími technologickými postupy. Kromě ceny jsou důležitými vlastnostmi ještě účinnost a stabilita elektrických parametrů. Při porovnávání jednotlivých technologií je potřeba přihlédnout i k těmto vlastnostech. Materiály pro výrobu solárních článků lze kategorizovat dle způsobu jejich přípravy jako objemové krystalické materiály a tenkovrstvé deponované materiály amorfní, poly- a mikrokrystalické. 1.2 Slunce a sluneční (solární) energie Solární energie patří mezi nevyčerpatelné zdroje energie. Její využití nemá žádné negativní dopady na životní prostředí. Množství využitelné energie závisí na klimatických podmínkách jednotlivých částí zemského povrchu. Lze ji dobře využívat nejen v oblastech s dlouhým slunečním svitem, ale i s vyšší nadmořskou výškou. V České republice jsou poměrně dobré podmínky pro využití energie slunečního záření, přestože množství sluneční energie v průběhu roku kolísá a největší množství sluneční energie dopadá v období, kdy spotřeba tepla je nejnižší. Současné solární systémy dovolují celoročně využívat energii slunce, především pro ohřev teplé vody a vytápění bytů a domů. Potenciál je zde nevyčerpatelný. Energie, která dopadá na naše území, překračuje současnou spotřebu tisícinásobně. Na 1 m 2 dopadne za rok průměrně 1,2 MWh sluneční energie, což odpovídá energii obsažené ve 400 kg hnědého uhlí nebo ve 200 kg uhlí černého. V průměrném červnovém dnu dopadá na 1 m2 za den 18-20 MJ sluneční energie, což odpovídá 5-5,5 kwh. Ze solárních systémů je možno krýt 2/3 celoroční spotřeby teplé vody. Některé systémy lze využít i pro přitápění na jaře a na podzim. Po dostavění Temelína a jeho uvedení do provozu lze předpokládat přebytek elektrické energie mimo odběrové špičky. Pokud by ČEZ zavedl výhodný tarif pro dálkově spínaný ohřev teplé a užitkové vody, byla by to velká konkurence solárním systémům. 4
Pro vytápění se také stále více využívá energie okolního prostředí - teplo vzduchu, vody a půdy, které se získává tepelnými čerpadly. Velký přínos se dá očekávat od fytoenergetiky - pěstování rostlin pro energetické účely.jde například o řepku a z ní vyráběnou bionaftu. Velký potenciál je rovněž ve využití bioplynu. Ten zatím u nás vyrábíme především v čistírnách odpadních vod. Ročně dopadá kolmo na 1 m 2 plochy 800-1250kWh solární energie. Od dubna do října 75% energie a 25% energie v období od října do dubna. Celková doba slunečního svitu v našich podmínkách se pohybuje v rozmezí 1400-1800h/rok. V horských oblastech dosahuje doba 1 600h za rok, v nížinných oblastech jižní Moravy 2000h. Celkové záření se skládá z přímo dopadajícího a difuzního záření. Difuzní záření vzniká odrazem slunečního světla na pevných i kapalných částicích rozptýlených v atmosféře (např. na mracích, prachových částicích, atd.) a tvoří až 50% z celkového množství slunečního záření. 5
2 Využití solární energie 2.1 Rozdělení solárních soustav 2.1.1 Pasivní solární soustava Sluneční záření se mění na teplo pomocí stavebního řešení budovy, které vychází z obdobných principů jako skleník. Množství získané energie závisí na poloze, druhu, architektonickém řešení budovy a použitých materiálech. Doporučuje se používat skla s reflexní folií, která zabraňují zpětnému vyzařování tepla ven z místnosti a v létě zabraňují přehřívání. Podobnou funkci mohou mít i vnější žaluzie. Pasivní systémy lze výborně využít u nově budovaných objektů (dekorativní a současně energeticky úsporné prvky). U starších objektů je možné dostavět prosklenou verandu, skleník. 2.1.2 Aktivní solární soustavy Sluneční záření se přeměňuje na teplo pomocí zařízení tzv. solárních kolektorů. Teplo získané v kolektorech se využívá přímo k přitápění, k ohřevu vody nebo se může ukládat v akumulačních nádržích a využívat později (v noci, ve dnech se slabým slunečním svitem). Princip Největší význam pro úspory energie mají aktivní systémy, které získávají tepelnou energii pomocí kapalinových nebo vakuových (plochých i trubicových) kolektorů. 6
2.2 Rozdělení solárních kolektorů 2.2.1 ploché kapalinové kolektory zachycují sluneční (energii) záření dopadající na plochu kolektoru. V absorbéru je sluneční energie předávána teplonosné kapalině k přípravě teplé vody nebo topné vodě. 2.2.2 trubicové kolektory zachycují sluneční (energii) záření ve trubicích vrstvou s absorbérem, který předává sluneční energii teplonosné kapalině. Výkonnost dvou systémů (plochého a trubkového) je téměř stejná v létě, v zimě trubkový kolektor ztrácí méně tepla vyzařováním. 2.2.3 vakuové trubicové kolektory zachycují sluneční záření ve vakuované trubici, ve které se odpařuje teplonosná kapalina (ethylalkohol, glykol,...), která přechází jako pára do kondenzátoru, kde výměníku předá teplo proudící kapalině (např. topná voda), zkondenzuje a vrací se zpět do kolektoru. Celý cyklus se opakuje. Vakuum dobře snižuje ztráty a tím zvyšuje účinnost zařízení. 2.2.4 ploché vakuové kolektory mají čelní plochu stejnou jako absorpční. Čím větší je propustnost a menší odrazivost použitého průhledného krytu tím větší je účinnost zařízení. Dále viz trubicové vakuové kolektory. 7
2.2.5 koncentrační kolektory jejich čelní nebo odrazová plocha koncentruje záření na menší absorpční plochu tím se dosáhne vyšších teplot. Tyto kolektory mají většinou účinnost až 90% a dosahují vyšší teplotní hladiny. Jsou mnohem dražší než ploché kapalinové kolektory. 2.2.6 akumulační zásobníky objem zásobníku se určuje podle potřeby. V solárním zásobníku ohříváme teplou vodu solární energií a doplňkově např. elektřinou. Pokud uvažujeme o využití akumulace pro přitápění, pak musí být systém vybaven dvěma výměníky tepla. Jeden je napojen na okruh ústředního vytápění, druhý na solární okruh. 2.3 Provoz solárních zařízení Jak již bylo napsáno v úvodu má Česká republika poměrně dobré podmínky pro využití solární energie. Avšak vzhledem k našim klimatickým podmínkám a tím nerovnoměrné spotřebě tepla v průběhu roku je nutné solární kolektory kombinovat s dalším stabilním zdrojem tepla např. elektrokotlem. Solární kolektory vyrábí nejvíce tepla v letních měsících, kdy je potřeba tepla nejnižší., a tak je vhodné zvážit jak využijeme teplo ze solárních kolektorů. Pokud bychom chtěli sluneční energii využít i v chladnějších měsících pro topení či předehřev topné vody, pak je nutná soustava s větším počtem kolektorů (10 a více podle velikosti objektu, atd.). V letních měsících pak přebytečné teplo využijeme na ohřev vody v bazému. Tepelnou energii je možné pro potřeby vytápění i dlouhodobě akumulovat v zásobnících (vodních a štěrkových). Pokud využíváme vodního zásobníku měli bychom hygienických důvodů (likvidace bakterií) aspoň jednou denně ohřát obsah zásobníku nad 60 C. Obecně však platí, že systémy s akumulací jsou méně ekonomické. 8
2.4 Ekonomické hodnocení Hodnocení ekonomické efektivnosti solárního ohřevu vychází z porovnání ceny jednotkového množství solárního tepla a prodejní ceny stejného množství tepla získaného konvenčním způsobem. Nis = Ncel/Wr x R = (Ni + Np)/Wr R Nis náklad na jednotku vyrobené solární energie (Kč/GJ) Ncel celkový náklad Wr solární energie vyrobená za 1 rok (GJ) R životnost systému (rok) Ni investiční náklad na pořízení soustavy (Kč) Np provozní náklady na provoz soustavy Np = Ni x 0,005 (Kč/rok) 2.5 Podmínky pro úspěšnou instalaci solárních kolektorů 1) Základní podmínkou je pečlivá analýza výchozích podmínek a to nejen technických a ekonomických, ale i zvážení provozních podmínek (u podnikatelských subjektů, škol, rekreačních zařízení, atd.) a životního stylu (u majitelů rodinných domků, bytových domů) 2) Výběr vhodné lokality 3) Umístění solárních kolektorů orientace kolektorů na jihozápad (8 až 15 ) umožňuje lepší využití energie zapadajícího slunce. celodenní osvit (maximum výkonu nastává kolem 14h). nejvhodnější je umístění kolektorů s požadovaným, sklonem 25-50 k vodorovné rovině. pro celoroční provoz je nejvhodnější sklon 45. orientace plochy svislá plocha orientace jih vodorovná plocha dopadající solární energie na m 2 /rok 700kWh 850kWh šikmá sklon 20 až 60 orientace jih 1 000kWh 9
4) Zabránit zbytečným ztrátám energie zajistit nejkratší rozvody mezi kolektorem, zásobníkem, výměníkem a jejich dobrá tepelná izolace. chránit kolektory před větrem (ochlazování kolektorů snižuje účinnost). zpřístupnit kolektory pro pravidelnou údržbu, čištění a kontrolu. zateplit objekt - tepelnou izolací snížit tepelné ztráty až o 30%, a tak snížit spotřebu tepla. 5) Optimálně dimenzovat topnou soustavu správná volba topného systému, který umožní využívat topnou vodu ohřátou na nižší teploty. teplotní spád (podlahové vytápění 45/35 C, velkoplošné nízkoteplotní radiátory 50/45 C). 6) Zpracování ekonomické rozvahy, která vychází ze zjištění reálných způsobů přípravy teplé vody a vytápění pro daný objekt, investičních a provozních nákladů. 2.6 Využití slunečního záření k výrobě elektrické energie Vyrobenou elektrickou energii lze použít přímo ve spotřebičích nebo ukládat v akumulátorech a z nich čerpat v době bez slunečního svitu. Chaty, karavany, parkovací automaty, noční osvětlení, provoz malých spotřebičů. S ohledem na pořizovací cenu fotovoltaických systémů a možnosti využití v našich klimatických podmínkách je cena elektrické energie příliš vysoká. Investice do kvalitního solárního systému je výhodná a bez rizika. Stát zajistí neustálé zvyšování cen energií, které při každém růstu snižuje dobu návratnosti a kvalitní solární 10
systém má životnost 30 a více let. Po naplnění doby návratnosti investice začíná solární systém svému majiteli vydělávat peníze, které by jinak investoval do nákupu energií. Při neustálém zvyšování cen, které je nezbytné, protože klasické zdroje energií se vyčerpávají, roste neustále i částka, kterou solární systém jako výrobce energie vydělá. Tato úvaha je ale podmíněna nákupem kvalitního systému, jehož výrobce nešetří používáním levných materiálů, podléhajících stárnutí. Solární kolektory musí být osazeny speciálními bezpečnostními solárními skly, absorbéry s galvanickou cestou nanášenými selektivními povrchy s vysokou absorbtivitou a co nejnižší emisivitou. V celém solárním okruhu musí být použity pouze materiály, které spolu nevytvářejí korozivní prostředí. 2.7 Dotace a půjčky Podle výpočtu České energetické agentury, odvozeného z vyhodnocení již uskutečněných projektů, by si zvýšení podílu obnovitelných zdrojů na hodnotu 6 % (včetně podpory úspor energie) do roku 2010 vyžádalo přibližně 242 mld Kč investic a asi 42,5 mld Kč podpor. Akcelerace tohoto vývoje je však podmíněna podstatně vyššími finančními prostředky, než které jsou poskytovány dosud. Jedná se jak o účelové dotace, tak o jiné zdroje, které budou do této oblasti poskytovány - např. prostředky PHARE. O finanční výpomoc při zajišťování obnovitelných zdrojů energie je možné žádat ze Státního fondu životního prostředí (dotací či půjčkou) a zároveň i z České energetické agentury (ČEA). Přímá finanční dotace ze Státního fondu životního prostředí představuje pro jednotlivce maximálně 30% z investičních nákladů projektu, pro obce 40%. Je možné využít i kombinované výpomoci, tedy dotace i půjčky. Pro jednotlivce je tato finanční podpora poskytována do maximální výše 70%. Výjimkou je například výstavba malých vodních elektráren, kde fond poskytuje pouze podporu formou půjčky do maximální výše 80%. Pro obce platí hranice kombinované podpory ve výši 80% z investičních nákladů na projekt. Česká energetická agentura v podprogramu podpory vyššího využití obnovitelných a druhotných zdrojů energie poskytuje na instalaci nových demonstračních projektů nenávratnou finanční výpomoc až do výše 30% celkových nákladů na realizaci, maximálně však 5 mil. Kč na jednu akci. Pro využití již osvědčené a dříve realizované technologie je možné žádat nenávratnou finanční výpomoc až do výše 15% celkových nákladů. Maximální výše podpory na jednoho žadatele je i v tomto případě 5 mil. Kč. Podporu demonstračních projektů je možné získat také v rámci Programu obnovy venkova, kde je dodatečný titul, který umožňuje uhradit 10 % z úroku na úvěr použitý na výstavbu zařízení využívajících netradičních zdrojů energie. Počátkem ledna schválila vláda návrh Ministerstva životního prostředí ČR zavést tzv. zelený haléř jako součást zákona o hospodaření s energií. Pokud jej parlament schválí, budou muset dodavatelé energie odvádět do Státního fondu životního prostředí jeden haléř z každé vyrobené kilowatthodiny elektrické energie. Roční výnos ze zeleného haléře se odhaduje zhruba na půl miliardy korun. Z těchto prostředků pak budou financovány aktivity, které vedou k podpoře alternativních zdrojů energie. 11
3 Závěr 3.1 Co mluví ve prospěch a co brání hromadnějšímu využití Obnovitelných zdrojů energie Co mluví ve prospěch obnovitelných zdrojů energie (OZE) zlepšení kvality ovzduší rozvoj zaměstnanosti zejména tam, kde je nezbytné udržet osídlení z důvodu péče o krajinu a tradičního rázu místní kultury snížení objemu dovážených paliv energie a tím i schodku obchodní bilance státu úspory omezených zásob fosilních paliv nové zakázky pro průmysl upřesnění cílů agrární, lesnické a ekologické politiky posílení mezinárodní prestiže státu zvýšením soběstačnosti v energetických zdrojích respektování požadavků Evropské unie na podporu OZE (12% v roce 2010). Co brání hromadnějšímu využití obnovitelných zdrojů energie deformované ceny energií, které upřednostňují fosilní či jaderná paliva, nízké výkupní ceny elektřiny od malých výrobců - u větrných elektráren je to 1,13 Kč/kWh, u malých vodních elektráren 1,2 Kč/kWh, u ostatních zdrojů je cena individuální, zhruba se však pohybuje na této a nižší úrovni. (Jen pro srovnání - v Německou je průměr 3,27 Kč/kWh, v Itálii 3,15 Kč/kWh, v Dánsku 3 Kč/kWh a Španělsku 2,58 Kč/kWh). vysoké úroky našich bank při pořízení středně a dlouhodobých úvěrů pro podnikatele nedostatečná legislativa a státní podpora rozvoje využívání OZE, chybí podpora formou zvýhodnění ceny takto vyrobené energie neúčinná koordinace opatření ústředních orgánů a státní správy nedostatečná osvěta a informovanost. 3.2 Nepochopená alternativni energie Je velmi pravděpodobné, že v budoucnu dojde k širšímu uplatnění obnovitelných zdrojů energie, neboť jsou z ekologického hlediska minimálně závadné. Rozhodně však nijak výrazně neovlivní energetickou bilanci naší země do roku 2005. Proč neužíváme obnovitelné zdroje energie více? Nejsou snad konkurenceschopné s energií z fosilních zdrojů? Je jistě pravdou, že konkurovat energií, jejíž ceny jsou určovány státem, je značně obtížné, ne-li přímo nemožné. Škody, způsobené emisemi SO 2, NOx nebo pevnými částicemi nejsou v ceně takto vyrobené elektřiny započítány. Část například zaplatíme ve 12
zdravotním pojištění, něco v daních. Devastace krajiny, zkrácení délky života pak zůstávají nevyčísleny. K tomu je zapotřebí připočítat také náklady spojené s globálním oteplováním, další externality vzniklé dobýváním a dopravou uhlí nebo například ukládáním popílku. Po započtení všech těchto vedlejších nákladů vystoupí cena elektrické energie vyrobené z fosilních paliv ze stávající průměrné ceny pro domácnost zhruba 2, 40 Kč až k 5 Kč za 1 kwh. To již hovoří ve prospěch obnovitelných zdrojů, u nichž je rentabilní částka od 3 Kč za kwh. 3.3 Výhody a nevýhody solárních zařízení Výhody využití solárních zařízení slunce je nevyčerpatelným zdrojem energie. výhodou využití sluneční energie jsou nízké provozní náklady (sluneční energie je zdarma). vysoká životnost zařízení 15-20 let a jeho nenáročná obsluha. vyrobená energie ze slunečního záření může nahradit 20-50% potřeby tepla k vytápění a 50-70% potřeby tepla k ohřevu vody v domácnosti. významným přínosem je i úspora fosilních paliv, jejichž spalováním znečišťujeme přírodu emisemi SO 2, CO 2, NO x, prachových částic. Uvedené výhody příznivě ovlivňují návratnost vložených finančních prostředků a čistotu životního prostředí. Nevýhody využití solárních zařízení sluneční energii nelze bohužel využít jako samostatný zdroj tepla. Pro celoroční využití je nutný doplňkový zdroj energie - zemní plyn, elektrická energie, kapalná paliva, atd. (kotel nebo akumulační zdroj energie v zásobníku tepla), který pokrývá zvýšenou potřebu v době, kdy je slunečního záření nedostatek. návratnost vložených finančních prostředků je závislá na cenové úrovni používaného paliva před instalací solárních kolektorů, na velikosti soustavy a způsobu využití (ohřev vody, přitápění, ohřev bazénů, technologie, atd.). při instalaci solární soustavy do stávajícího objektu je návratnost investic závislá na rozsahu úprav, které je nutné provést před instalací (zateplení, úprava topné soustavy, změna doplňkového zdroje). 13
Použité informační zdroje: Informace dostupné na: [1] Energ, spol. s.r.o. Sluneční (solární) energie: [online]. c 1999 [cit. 2002-10-29].Dostupné z WWW: http://www.energ.cz/hlavní.html [2] VK technik. Úvod do solárních fotovoltaických systémů: [online], c 2001 [cit. 2002-10- 29].Dostupné z WWW:http://www.vktechnik.cz/html/index.htm [3] Solar power,s.r.o Investice, která přináší zisk: [online]. [cit. 2002-10-29]. Dostupn0 y WWW:http://www.solarpower.cz/cz/index.htm 14
Obsah: 1 Úvod... 3 1.1 Historie solárního článku... 3 1.2 Slunce a sluneční (solární) energie... 4 2 Využití solární energie... 6 2.1 Rozdělení solárních soustav... 6 2.1.1 Pasivní solární soustava... 6 2.1.2 Aktivní solární soustavy... 6 2.2 Rozdělení solárních kolektorů... 7 2.2.1 ploché kapalinové kolektory... 7 2.2.2 trubicové kolektory... 7 2.2.3 vakuové trubicové kolektory... 7 2.2.4 ploché vakuové kolektory... 7 2.2.5 koncentrační kolektory... 8 2.2.6 akumulační zásobníky... 8 2.3 Provoz solárních zařízení... 8 2.4 Ekonomické hodnocení... 9 2.5 Podmínky pro úspěšnou instalaci solárních kolektorů... 9 2.6 Využití slunečního záření k výrobě elektrické energie... 10 2.7 Dotace a půjčky... 11 3 Závěr... 12 3.1 Co mluví ve prospěch a co brání hromadnějšímu využití Obnovitelných zdrojů energie... 12 3.2 Nepochopená alternativni energie... 12 3.3 Výhody a nevýhody solárních zařízení... 13 15
16