Charakteristika

Solární záření je prapůvodcem všech forem obnovitelných zdrojů elektřiny na Zemi

Solární záření je prapůvodcem všech forem obnovitelných zdrojů elektřiny na Zemi

O Slunci se dá říct, že je to opravdu primární nevyčerpatelný zdroj energie. Primární proto, že kromě využití přímého slunečního záření je v pozadí i mnoha jiných druhů energií využívaných člověkem pro svou potřebu. Vítr vzniká v důsledku nerovnoměrného ohřevu zemského povrchu Sluncem, energie vody se obnovuje také díky slunečnímu záření a konečně i uhlí vzniklo v prehistorických dobách díky rostlinám využívajícím sluneční paprsky k fotosyntéze.

Energetické využití energie Slunce má dvě formy: využití světelného záření a využití tepelného záření Slunce. První formu zastupují různé fotovoltaické systémy, druhou sluneční kolektory a termální sluneční elektrárny.

Využití slunečního záření pro energetické účely

Využití slunečního záření pro energetické účely

Využití světelného záření Slunce

Přímo k výrobě elektřiny je možné využít slunečního záření v tzv. fotovoltaických systémech. Jsou založené na fyzikálním jevu fotoefektu, při němž se energie světelného kvanta – fotonu – předá elektronu v látce a převede ho tak ze stavu s nižší energií do stavu s vyšší energií.

Na přechodu p–n polovodičového materiálu se vytvoří rozdíl potenciálů – v polovodičovém materiálu typu n zprostředkovávají vodivost záporné elektrony, v polovodičovém materiálu typu p zprostředkovávají vodivost kladné „díry“ po elektronech.  Při fotoefektu, který se odehraje na tomto p-n přechodu, bude na fotonem vybuzený elektron i na „díru“, která po něm zbude, působit tam přítomné elektrické pole, částice se budou pohybovat k elektricky opačně nabitému prostředí a začne probíhat elektrický proud, úměrný počtu absorbovaných elektrických kvant. Mezi oběma částmi polovodiče naměříme elektrické napětí, které však je velmi malé, většinou méně než 1 V. Z toho důvodu se fotovoltaické články řadí za sebou do větších souborů. Vzniklý elektrický proud je přímo úměrný počtu absorbovaných fotonů a tedy i ploše celého slunečního článku. Fotovoltaický sluneční článek je tedy stručně řečeno polovodičová dioda (přechod p–n) má velkou plochu (decimetry čtvereční) a tenký spodní celoplošný kovový kontakt (reflektor) a vrchní kovový kontakt (mřížku, hřeben) zabírající jen 4–8 % plochy článku, aby nestínil.

Princip fotovoltaického jevu

slunecni-elektrarny/charakteristika

Křemíkový fotovoltaický sluneční článek je základním stavebním prvkem stejnosměrných fotovoltaických panelů

Jako materiál fotovoltaických článků se nejčastěji používá křemík, protože to je materiál dostupný a s propracovanou technologií výroby a opracování. Články z monokrystalického křemíku mají účinnost do 20 %, z polykrystalického křemíku kolem 10 %, z galium arsenidu až 24 %, existují kombinace Cd, Se, In apod., ale jsou podstatně dražší, než křemíkové. Rozměry jednoho článku jsou asi 10 × 10 cm, spojují se do panelů o výkonech od 10 do 300 W. Jsou zdrojem stejnosměrného proudu.

Nevýhodou fotovoltaických článků je jejich vysoká cena (která však stále klesá, hlavně díky stále se zvyšující poptávce po solárních panelech), závislost na denním a ročním období, nutnost čištění povrchů, neboť zaprášením se snižuje účinnost. Nevýhodou je i snižování účinnosti se zvyšující se teplotou článku – právě v nejvíce slunečných dnech se mohou panely rozpálit do vysoké teploty, která již tak nevysokou účinnost dále snižuje. Průměrný počet hodin slunečního svitu se v ČR pohybuje kolem 1 460 h/rok. Nejsilnější sluneční záření je od dubna do října. V období od listopadu do března je pak celkové sluneční záření na cca 25 % z letních hodnot.

Laboratorní práce při vývoji tenkých filmových fotovoltaických článků s využitím nových materiálů

Laboratorní práce při vývoji tenkých filmových fotovoltaických článků s využitím nových materiálů

Výhodou je to, že sluneční články mohou fungovat jako zdroje elektřiny na těžko přístupných místech, na ostrovech, v horách, oázách, v kosmu. Mohou se jimi pokrýt fasády domů, nebo se mohou umístit na stožáry, či mořské bóje. Doplňují se o akumulátory, které se za slunného počasí nabíjejí a mohou pak dodávat energii i když slunce nesvítí. Pro výrobu fotovoltaických článků se vyvíjejí stále nové a nové materiály včetně organických, i materiály ohebné, které se mohou přizpůsobit povrchu, na němž jsou nanesené.

První česká fotovoltaická elektrárna o ploše 100 m2 slunečních článků o výkonu 10 kW byla postavena v Jeseníkách a později přenesena do areálu Jaderné elektrárny Dukovany ČEZ, a. s.

Nominální výkon fotovoltaických panelů se udává v jednotkách Watt peak (Wp), jde o výkon vyrobený solárním panelem při standardizovaném výkonnostním testu, tedy při energetické hustotě záření 1 000 W/m2, 25 °C a světelném spektru odpovídajícím slunečnímu záření po průchodu bezoblačnou atmosférou Země. Watt peak je jednotkou špičkového výkonu dodávaného solárním zařízením za ideálních podmínek.

Tepelné záření Slunce

Sluneční výkon, čili zářivost Slunce je 3,8.1023 kW, což je 40 bilion krát více, než spotřebovává celé lidstvo dohromady. Na Zemi (na povrchu atmosféry) se z toho zachytí pouze jedna dvoumiliardtina, asi 1,35 kW/m2. Atmosféra pohlcuje některé druhy slunečního záření, 1/3 záření se odrazí do vesmíru, 1/5 se pohltí v atmosféře a 1/2 se na povrchu pevnin a moří přemění v teplo.

Poměr složek slunečního záření dopadajícího na zemský povrch

Poměr složek slunečního záření dopadajícího na zemský povrch

Řada plochých solárních kolektorů slouží k ohřevu technologické vody ve větším měřítku

Řada plochých solárních kolektorů slouží k ohřevu technologické vody ve větším měřítku

Nejjednodušší zařízení, které využívá sluneční teplo, je skleník. Sluneční teplo lze také účinně využít k ohřevu vody. K tomu slouží různé druhy slunečních kolektorů. Nejpoužívanější plochý kolektor je uzavřená, tepelně izolovaná schránka s horní stěnou tvořenou sklem, které propouští sluneční paprsky. Musí být pevné, vydržet vysoké teploty a výhodou je, je-li opatřeno antireflexní vrstvou. Uvnitř schránky je absorbér, vrstva, ve které se záření pohltí a tak přemění v teplo. Bývá to černá kovová deska.

K absorpční vrstvě je připojen systém trubek obsahujících teplonosnou kapalinu, nebo plyn. Nejčastěji to bývá voda, olej, vzduch. Absorbér může být kolem trubek ovinut. Absorbér by měl být schopen nejen dobře absorbovat dopadající energii, ale také co nejméně této energie přeměněné na teplo vyzařovat zpět do jeho okolí. Dno a boky schránky jsou vystlané izolací, např. skelnou vatou, polyuretanem, materiály, které vydrží vysokou teplotu a brání úniku tepla ze schránky.

Pozorování vakuového kolektoru pro ohřev vody pomocí termokamery

Pozorování vakuového kolektoru pro ohřev vody pomocí termokamery

Teplonosná látka předá teplo výměníku, nebo se může použít přímo – např. voda ohřívaná pro použití v bazénu. Sluneční systémy pro ohřev vody pro použití v domácnosti je výhodné kombinovat se zásobníkem s možností ohřevu ústředním vytápěním nebo elektřinou, aby se daly používat i v zimě. Takové solární kolektory jsou levné, nevyžadují natáčení za sluncem, záruka životnosti bývá 20–30 let.

Pokročilým typem jsou koncentrační, natáčecí kolektory. Jejich hlavní výhodou je znásobení energetického toku na co nejmenší absorbér, který má díky svým rozměrům daleko menší ztráty a rychlejší ohřev náplně, než by měl běžný plochý absorbér. Tímto je dosaženo vyšších provozních teplot i v zimním období nebo při značně proměnlivém počasí. Další nezanedbatelnou výhodou je to, že m2 plochy odražeče je levnější než m2 běžného kolektoru.

Solární tepelná elektrárna se systémem Fresnelových odrazných zrcadel koncentruje sluneční záření do tenké trubky – absorbátoru s teplonosnou kapalinou

Solární tepelná elektrárna se systémem Fresnelových odrazných zrcadel koncentruje sluneční záření do tenké trubky – absorbátoru s teplonosnou kapalinou

Dají se rozdělit na ty, které koncentrují záření využitím lomu světla (čočky) a na ty, které ke koncentraci využívají odraz (od tzv. koncentračních zrcadel či odražečů). Výhody: vysoká účinnost i při nízkých vnějších teplotách (díky nízkým tepelným ztrátám a velkému energetickému toku), celoroční provoz využitelný pro ohřev teplé užitkové vody, účinný provoz od východu do západu slunce, efektivní provoz i při proměnlivém slunečním svitu.

Základním konstrukčním prvkem koncentračních kolektorů na bázi lineární Fresnelovy čočky je koncentrátor slunečního záření – Fresnelova čočka, vyráběná ze skla Nebo speciálního průhledného plastu. Dvojskla s lineární Fresnelovou čočkou osazená do hliníkových nebo dřevěných zasklívacích rámů jsou pak součástí střešního pláště a nahrazují střešní krytinu. Lineární Fresnelova čočka soustřeďuje přímou složku slunečního záření do lineárního ohniska, kde leží absorbér s měděnou trubkou, na kterém dochází k přeměně koncentrovaného slunečního záření na teplo. To z absorbérů odvádí teplonosná kapalina. Fresnelovy čočky tak mohou plnit funkci střešních oken a zároveň ohřívat vodu pro vytápění nebo jiné použití.

Schéma teplovzdušného kolektoru

Teplovzdušné kolektory jsou solární zařízení, které slouží k přitápění objektů v přechodném období. Jedná se o solární panel k přímému ohřevu vzduchu. Sluneční záření se při dopadu na absorbér mění na teplo a ohřívá vzduch uvnitř kolektoru. Při zahřátí vzduchu nad 33 °C se automaticky uvádí do provozu ventilátor, který ve spodní části kolektoru nasává chladný vzduch z objektu a vhání do místnosti vzduch ohřátý.

Mapa globálního horizontálního záření v České republice

Mapa globálního horizontálního záření v České republice

Sluneční tepelné elektrárny

Na území naší republiky nejsou tak dobré zeměpisné a meteorologické podmínky, aby zde bylo možné postavit sluneční tepelnou elektrárnu. Rozložení intenzity slunečního záření v MWh/rok ukazuje mapa. Ve světě jich však několik existuje.

Pole natáčených heliostatů odráží sluneční záření do absorbéru na vrcholku věže

Pole natáčených heliostatů odráží sluneční záření do absorbéru na vrcholku věže

Věžová elektrárna

Systémy plochých zrcadel (heliostaty) jsou uspořádány tak, aby fokusovaly sluneční záření do jednoho místa, v němž je absorbér – nádoba s pracovním médiem, např. vodou. V ohnisku vznikají velmi vysoké teploty (cca 3 000 °C), voda se mění na páru o vysokém tlaku, která se dál používá pro pohon parní turbíny a klasicky vyrábí elektřinu. Pracovní kapalinou může být i např. olej a dosažené vysoké teploty se mohou využít v jiných technologických procesech, než pro výrobu elektřiny. Heliostaty bývají pohyblivé a během dne se natáčejí za sluncem. Na 100 MWp je třeba 0,9 km2 zrcadlové plochy, umístěné na 3,8 km2 celkové rozlohy (na naší rovnoběžce). Účinnost je i ve slunných oblastech pouze 15–20 %. Zbytek jsou ztráty v přenosu záření od zrcadel na ohřívané médium a při přeměně na elektřinu a energie potřebná k pohánění systému otáčivých zrcadel. Sluneční věžové elektrárny jsou např. ve Španělsku, USA.

Žlabové sluneční elektrárny se instalují do slunných míst s dostatečnou intenzitou slunečního svitu

Žlabové sluneční elektrárny se instalují do slunných míst s dostatečnou intenzitou slunečního svitu

Parková elektrárna

Je tvořena řadami či poli slunečních kolektorů různého tvaru (např. paraboly, koryta), které fokusují sluneční záření na trubku, v níž proudí teplonosné médium. To může být použito k výrobě elektřiny nebo k jiným technologickým účelům. Trubka v ohnisku koncentrátorů může být konstrukčně řešena jako termoska, umožňující zvýšení vnitřní teploty až na 400 °C. Orientace žlabových kolektorů bývá nejčastěji severo-jižním směrem s tím, že celý kolektor se během dne otáčí v podélné ose a sleduje zdánlivou polohu Slunce na obzoru.

0

Skupina ČEZ

Kontaktní informace

Máte-li k obsahu portálu jakékoliv náměty, postřehy či připomínky – prosím kontaktujte nás. Budeme vděční i za připomínky k nekorektnímu zobrazení stránek, či případnému upozornění na chybu. Děkujeme.


email:info@svetenergie.cz

Kontaktní formulář

KONTROLNÍ KÓD

kontrolní kód Opište prosím do políčka formuláře
text z obrázku

Portál Svět energie provozuje společnost ČEZ. Vyrobil Simopt, s.r.o., Copyright © 2016, Všechna práva vyhrazena

detail