ČO JE TO SLNKO?

Slnko si môžeme predstaviť ako veľký jadrový reaktor, v ktorom prebiehajú termojadrové reakcie, ktorých základom je spaľovanie vodíka na hélium. Tento reaktor má zásoby ešte na približne 15 miliárd rokov.

Energia slnka je zdrojom všetkej energie na Zemi. Potom ako doputuje až ku nám sa premieňa do mnohých podôb. Z časti zohrieva všetko čo sa nachádza na zemskom povrchu, sčasti sa mení na mechanickú energiu a takto dáva silu vetru alebo morským prúdom a taktiež sa mení na energiu chemických reakcií, ktoré prebiehajú vo všetkých organizmoch a to umožňuje život na našej planéte.

Na zemský povrch neustále dopadá tok energie 1,725 . 1017 W ak to prepočítame do časových jednotiek dostaneme závratné číslo 1,52 . 109 TW . h . rok-1. Slnko teda na zem vyžiari za jednu hodinu viac energie než ľudstvo spotrebuje za celý rok. Na 1 m2 dopadá 1,39 kW - toto číslo nazývame solárna konštanta. Časť z tohto žiarenia je odrazená späť do vesmíru, časť zachytí atmosféra a tak nakoniec zostáva asi 1 kW ktorý, ak nie je práve zamračené, doputuje až ku nám. Tento jeden kilowatt predstavuje asi 50 % pôvodného slnečného žiarenia. V momente kedy sa s ním stretávame my - a môžeme ho využiť sa skladá z troch kvalitatívne rozličných zložiek:

priame žiarenie - nezmenilo svoj smer pri prechode atmosférou

odrazené žiarenie - pôsobiace zo smeru od povrchu Zeme

difúzne žiarenie - pôsobiace zo všetkých smerov

Podmienky v našich zemepisných šírkach

Akokoľvek nevhodný sa náš región na využívanie slnečnej energie môže zdať, solárne zariadenia tu fungujú spoľahlivo a môžu dodávať nemalé množstvo energie svojmu majiteľovi. Solárne zariadenia fungujú len v krajinách ako Grécko a podobne lebo len tam slnko svieti počas celého roka a obloha sa zatiahne iba ak na pár dní počas zimy. Lenže autori týchto výrokov si neuvedomujú že solárne zariadenia nepotrebujú aby sa do nich slnko opieralo celou silou 12 hodín denne, solárne zariadenia fungujú aj keď je zamračené, a dokonca aj počas zimy. Samozrejme že vtedy neprodukujú toľko energie ako počas krásneho letného slnečného dňa, ale to ešte neznamená že nefungujú vôbec.

Naša republika sa nachádza približne medzi 48° a 50° stupňom zemepisnej šírky.

Tok slnečného žiarenia na vodorovnej rovine tu dosahuje približne 1050 kWh na m2, z toho 806 kWh . m-2 pripadá na obdobie od apríla do septembra.

Komplikácie:

Slnko však svieti najviac práve v období kedy je menší dopyt po energii. Zatiaľ nevieme energiu dlhodobo a bez strát ukladať to je problémom aj bežných zdrojov energie, preto o spôsoboch dlhodobej akumulácie tepla hovoríme v samostatnej kapitole. Ďalšou komplikáciou je že slnečná energia má veľmi nízku koncentráciu a jej časové rozloženie je veľmi nepravidelné (deň - noc, ročné obdobia). Rozdielnosť miestnych klimatických podmienok a premenlivosť počasia spôsobujú že nemôžeme rátať z určitými štandardmi.

VÝROBA TEPLA ZO SLNKA:

Využitie energie slnka na výrobu tepla je jej najčastejší spôsob využitia. Teplo sa ďalej používa buď na vykurovanie alebo na ohrev úžitkovej vody. Slnečné kolektory sú podstatne lacnejšie aj jednoduchšie technológie ako fotovoltaické panely. Sú preto pre našu krajinu zatiaľ perspektívnejšie. Je to využitie tzv. koncentračných kolektorov vo veľkej energetike. Funguje to tak že kolektory ohrejú vodu na vysokú teplotu, para potom poháňa turbíny, tak isto ako je tomu u tepelných alebo jadrových elektrární. Výhodou je že nie je potrebné žiadne palivo a energia je získavaná v podstate z ničoho. Tento spôsob sa používa vo veľkých solárnych elektrárňach, hlavne v krajinách kde sú slnečné podmienky výborné počas celého roka.

SLNEČNÉ KOLEKTORY:

Umiestnenie kolektorov

Nemali byť vystavené vetru lebo to jednak namáha nosnú konštrukciu a tiež to vedie k ich ochladzovaniu a čiže ku tepelným stratám. Umiestnenie kolektorov je jeden z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich účinnosť celého systému. Je niekoľko všeobecných pravidiel podľa ktorých sa riadime pri inštalácii:

Orientácia na juh

Kolektory je vhodné orientovať na juh a mierne na západ. Najväčšia intenzita slnečného žiarenia síce dopadá z južného smeru, ale najväčší výkon kolektory podávajú okolo 14 hodiny, keď sú priemerné teploty vyššie ako doobeda a tak dochádza k menšiemu ochladzovaniu telesa kolektoru. Práve preto je vhodné ich mierne pootočiť do západného smeru, navyše táto orientácia umožňuje využitie lúčov aj pri západe Slnka.

Sklon kolektorov

Sklon kolektorov závisí od toho v ktorom ročnom období potrebujeme získať najväčší výkon. Pohybuje sa medzi 25⁰ a 50⁰ Pre celoročnú prevádzku sa odporúča sklon 45⁰. Je to vlastne kompromis medzi maximálnym možným využitím zimného slnka nízko nad horizontom a znížením výkonu v letných mesiacoch keď je slnko vysoko. Znižuje sa tak možnosť prehriatia kolektorov a vyvarenia teplonosnej kvapaliny, čo je vlastne havária systému. Na jar a na jaseň je tento sklon ideálny.

Čo najkratšie vedenie od kolektorov ku spotrebiču

Druhy používaných systémov

Podľa režimu prevádzky

so sezónnou prevádzkou - ohrievaná voda je zároveň teplonosnou kvapalinou a prúdi z kolektora priamo do zásobníka na zimu sa tento systém musí vypúšťať

s celoročnou prevádzkou - medzi kolektorom a spotrebičom musí byť zaradený výmenník tepla, systém má teda dva okruhy, ako teplonosná kvapalina musí byť použitá nemrznúca zmes

Podľa spôsobu obehu teplonosnej kvapaliny

samospádový systém - kvapalina v systéme sa pohybuje na základe jednoduchých fyzikálnych zákonov, už ohriata voda stúpa do zásobníka a studená čiže hustejšia a ťažšia voda klesá do kolektora

presná regulácia - väčšia účinnosť

Podľa počtu okruhov

jednookruhový systém - kolektory sú napojené na spotrebič priamo a teplonosná kvapalina je rovnaká v celom okruhu, zásobník na vodu musí mať výmenník tepla na oddelenie vody od nemrznúcej teplonosnej kvapaliny

dvojokruhový systém - primárny okruh naplnený teplonosnou nemrznúcou kvapalinou odvádza teplo z kolektorov ku výmenníku tepla a tam sekundárny okruh naplní vodou teplo preberá a vedie ho ku spotrebiču

Voľba typu kolektora

Ohrievanie vody na nízke teploty ako to býva pri bazénoch nevyžaduje kvalitný drahý kolektor. V lete keď je veľká intenzita slnečného žiarenia a nedochádza takmer ku žiadnym stratám tepla ochladzovaním kolektora prostredím, úplne postačí najlacnejší druh kolektora bez krycieho skla. Zasklenie by len zbytočne znižovalo účinnosť a zvýšilo cenu.

Pri ohrievaní vody alebo dlážkovom vykurovaní zväčša stačí kolektor z jednoduchým zasklením a bez špeciálnej selektívnej vrstvy, tá ale môže priniesť výrazné zvýšenie účinnosti (hlavne v zime) pri zanedbateľnom cenovom rozdiele.

Pri vykurovaní s klasickým vykurovacím systémom sú potrebné kolektory ktoré zohrievajú vodu na vyššie teploty medzi 60 a 80 ⁰C, postačiť môžu aj kvalitné kolektory z dobrou úpravou povrchu ale najspoľahlivejšie sú vákuové kolektory, ktoré dosahujú aj teploty okolo 100 ⁰C.

V tzv. veľkej energetike sa používajú koncentračné kolektory, ktoré dosahujú teploty rádovo v tisíckach stupňoch Celzia.

VÝROBA ELEKTRINY ZO SLNKA:

Fotovoltaika je po technickej stránke nesmierne komplikovaná ale aj fascinujúca moderná technológia. V poslednej dobe sa v tejto oblasti zaznamenáva dynamický rozvoj. Fotovoltaika je predovšetkým lákavým prísľubom inej budúcnosti. Nielen vedcov, výskumníkov a nadšencov pre techniku predstava malého čistého a lacného zdroja energie priťahuje. Chcete rozumieť ako je možné premeniť slnečný lúč na elektrinu a čo potom ďalej?

Fotovoltaické systémy

Fotovoltaické systémy rozoznávame tri typy, z ktorých každý je vhodný na iné použitie, do iných podmienok:

autonómne - je nutné ich vybaviť akumulátormi, používajú sa tam kde nie je prístup ku elektrickej sieti, často však aj v prípadoch keď sa prevádzkovateľ chce vyhnúť komplikáciám spojeným z pripojením na sieť

hybridné - obsahuje nielen samotnú fotovoltaickú jednotku ale aj jeden alebo viac pomocných generátorov, obsahuje taktiež jednu alebo viac batérií, vyžaduje zložitejšie regulačné a riadiace prvky

pripojené na sieť - zvyčajne nepotrebuje akumulátor, najjednoduchšie systémy potrebujú okrem fotovoltaickej jednotky len menič, ktorý musí pracovať v celom rozsahu napätí ktoré môžu panely produkovať. Pri zložitejších vysokonapäťových systémoch je nutné použitie transformátorov, ochranných prvkov a aj výkonových spínačov, v mnohých prípadoch je potrebná aj harmonická filtrácia a korekcia fázy. Všetky tieto prvky je nutné použiť z dôvodu pripojenia na sieť.

Ukladanie elektrickej energie:

Čo z vyrobenou energiou?

Ukladanie energie je jedna z najväčších prekážok, ktoré čakajú človeka pevne rozhodnutého začať využívať obnoviteľné zdroje energie. Túto otázku zväčša riešime pri využití vetra, slnka alebo iného nestáleho zdroja energie. Prírodné živly totiž ešte stále odmietajú fungovať podľa našich predstáv. Zatiaľ čo vietor sa aspoň niekedy môže trafiť práve do momentu kedy nám ho najviac treba, napríklad slnko so železnou pravidelnosťou svieti najviac práve v dobe kedy býva naša spotreba najnižšia.

Energia sa môže ukladať viacerými spôsobmi, obvykle sa využíva spôsob chemický, k čomu dobre poslúžia rôzne akumulátory.

VODÍKOVÉ HOSPODÁRSTVO:

Vodík ako nosič energie

Využitie vodíka na ukladanie energie je založené na tom že ak vodík reaguje z kyslíkom vzniká voda a uvoľňuje sa pri tom relatívne veľké množstvo energie. Ak sa napríklad zlúči 1 kg vodíka s 8 kg kyslíka uvolní sa teplo o hodnote cca 3.10 7 cal respektíve 33 kWh. Vodík sa pritom nachádza na zemi vo veľkých množstvách a teda nehrozí vyčerpanie zásob ako je tomu pri fosílnych palivách. Treba ho však odtiaľ získať a to prebieha za dodávania energie. Z toho teda vyplýva že vodík vlastne nie je zdroj energie ale "iba" médium kde ju môžeme veľmi výhodne ukladať. Ak chceme tento spôsob "konzervovania" energie použiť v praxi, tak potom stačí vyrobenú energiu použiť na získanie vodíka (napríklad z vody) a keď ju neskôr potrebujeme jednoducho necháme vodík zreagovať z kyslíkom a uvolnenú energiu môžeme znovu použiť.

Získavanie vodíka

Vodík je možné vyrábať mnohými spôsobmi ale ten najperspektívnejší pre vodíkové hospodárstvo je jeho získavanie z vody. Ide vlastne o rozklad vody na jej časti a to kyslík a vodík.

Toto sa uskutočňuje dodávaním energie potrebnej na rozbitie väzieb v molekule vody. Energiu dodávame buď vo forme tepla alebo elektrickej energie. Energia ktorú týmto spôsobom dodáme musí zodpovedať väzbovej energii vody. Na 1 mol by to teda malo byť 0,08kWh a na 1 kg 4,44 kWh. Tento proces umožňuje jej priamu premenu na energiu chemickú.

V súčasnosti je na rozklad vody najvhodnejšie používať elektrolýzu vody. Nevýhodou tohto postupu však je jeho malá účinnosť. Táto metóda môže byť buď vylepšená alebo nahradená inou. Za najperspektívnejšiu je považovaná elektrolýza horúcej pary.

Získavanie energie z vodíka

Pri reakcii vodíka z kyslíkom sa uvoľňuje tepelná energia, tú je možné buď využiť priamo alebo ju premeniť na elektrickú. Omnoho efektívnejšie je však elektrickú energiu získavať z vodíka priamo za pomoci palivových článkov.