Energia v našom meste – slnečná energia

© Maroš Kramár, Marek Hulec Ďakujeme za pozornosť! © Maroš Kramár, Marek Hulec

ČO JE SLNKO? Slnko predstavuje vysoko stabilný a vysoko výkonný energetický zdroj, bez ktorého by sa život na Zemi nezaobišiel. Energia Slnka má pôvod vo fúznej protón-neutrónovej reakcii. Reakcia prebieha pri teplotách až 14 miliónov °C, zatiaľ čo povrchová teplota Slnka dosahuje v priemere „len“ 6 000 °C.

SLNEČNÁ ENERGIA Zohrieva atmosféru a Zem, vytvára vietor, zohrieva oceány, spôsobuje odparovanie vody, dáva silu vodným tokom, rastlinám aby mohli rásť a z dlhodobého hľadiska vytvára aj fosílne palivá. ňSlnečná energia a z nej pochádzajúce obnoviteľné zdroje energie - veterná, vodná a biomasa môžu byť využité na výrobu všetkých foriem energie, ktoré dnes ľudstvo využíva.

Slnko na zem vyžiari za jednu hodinu viac energie než ľudstvo spotrebuje za celý rok. Na 1 m2 Zeme dopadá priemerne 1,39 kW - toto číslo nazývame solárna konštanta. Časť z dopadajúceho žiarenia je odrazená späť do vesmíru, časť zachytí atmosféra, a tak nakoniec zostáva asi 1 kW ktorý, ak nie je práve zamračené, doputuje až k nám.

SLNEČNÉ ŽIARENIE Slnečná energia dopadá na zemský povrch vo forme slnečného žiarenia. Slnečné žiarenie je elektromagnetické žiarenie s vlnovými dĺžkami v rozsahu od 0,28 do 3,0 µm. Slnečné žiarenie sa po dopade na zemský povrch premieňa na iné formy energie: na tepelnú energiu – takýmto spôsobom sa ohrieva zemský povrch (pôda, voda i vzduch), na mechanickú energiu – takto vznikajú vzdušné prúdy, na chemickú energiu – ktorá je prostredníctvom fotosyntézy viazaná v rastlinách a iných organizmoch.

Zastúpenie jednotlivých druhov žiarení počas roka na Slovensku Intenzita slnečného žiarenia sa prechodom cez atmosféru znižuje, a to práve vďaka premene žiarenia na jednotlivé formy energie a tiež vďaka rozptylu na jednotlivých časticiach atmosféry. Na zemskom povrchu preto registrujeme tri základné druhy slnečného žiarenia – priame slnečné žiarenie, rozptýlené (difúzne) žiarenie a žiarenie odrazené buď od zemského povrchu alebo iných objektov. Všetky tieto zložky zastúpené v rôznej miere vnímame voľným okom a sme schopní ich využiť pomocou slnečných kolektorov. Zastúpenie jednotlivých druhov žiarení počas roka na Slovensku

INTENZITA SLNEČNÉHO ŽIARENIA Faktory ovplyvňujúce intenzitu dopadajúceho slnečného žiarenia: zemepisná poloha, miestna klíma, ročné obdobie, sklon povrchu k dopadajúcemu žiareniu. Intenzita slnečného žiarenia vzhľadom k zemepisnej polohe a ročnému obdobiu.

Maximum slnečného žiarenia v SR zaznamenávame v júni, minimum na prelome decembra a januára. Z denného hľadiska platí, že najviac žiarenia dopadá na Zem na poludnie, kedy poloha Slnka na oblohe je najvyššia a cesta prechádzajúceho slnečného žiarenia cez atmosféru je najkratšia. Tým dochádza k najmenšiemu rozptylu a absorpcii žiarenia v atmosfére. Vplyv ročného obdobia na intenzitu slnečného žiarenia Vplyv polohy slnka na intenzitu slnečného žiarenia

Intenzita slnečného žiarenia vzhľadom na geografickú polohu vo svete

POTENCIÁL SLNEČNEJ ENERGIE Potenciál slnečného žiarenia je z celosvetového pohľadu obrovský a pri nulových nákladoch na palivo poskytuje až 10.000-krát viac energie, ako sa jej každoročne vo svete spotrebuje. Aj v tak vysoko energeticky náročných krajinách ako je napr. USA je množstvo dopadajúcej slnečnej energie niekoľko stonásobne väčšie ako spotreba. V mnohých krajinách by stačilo pokryť menej ako 1 % územia (napr. strechy budov, nevyužité plochy) slnečnými technológiami, aby bol zabezpečený dostatok energie pre celú krajinu. V našich zemepisných podmienkach to znamená, že energia dopadajúca na vodorovnú plochu 1 m2 dosahuje hodnotu 1000 až 1250 kWh/rok. Je to rovnaké množstvo energie, aké obsahuje približne 150 m3 zemného plynu.

Množstvo dopadajúceho slnečného žiarenia na Slovensku Množstvo dopadajúcej slnečnej energie na územie Slovenska je asi 200-násobne väčšie, ako je súčasná spotreba primárnych energetických zdrojov u nás. Je to obrovský, doposiaľ takmer úplne nevyužitý potenciál. Množstvo dopadajúceho slnečného žiarenia na Slovensku

VYUŽITIE SLNEČNEJ ENERGIE

Pasívne využívanie slnečnej energie Solárna architektúra Hlavnou zásadou je orientovať všetky veľké okná na juh. Solárna architektúra využíva rôzne prvky, ako sú napríklad presklené balkóny či lodžie a strešné okná.

Zimná záhrada je jednou z častí domu, ktorá plne využíva slnečnú energiu. Funguje ako dodatočná izolačná vrstva. Slnečné žiarenie vyhrieva presklený priestor, čím sa znižujú tepelné straty budovy. Vzduch, ktorý sa v týchto priestoroch predhreje, sa dá použiť na dokurovanie ostatných miestností.

Aktívne využívanie slnečnej energie Solárny systém aktívne využíva slnečnú energiu a transformuje ju na tepelnú energiu. Solárne systémy sa najčastejšie používajú na ohrev vody, na vykurovanie bazénov, skleníkov a podobne. Je možné ich využiť aj na podporu vykurovania. V našich klimatických podmienkach je kombinácia s ďalším zdrojom vykurovania nevyhnutná, či už sa jedná o klasický plynový kotol alebo kotol na tuhé palivo. Vykurovacia voda ohriata pomocou slnečných kolektorov sa môže využiť aj v systémoch ústredného vykurovania či centrálneho zásobovania teplom (CZT). Vo všeobecnosti slnečné kolektory pokryjú 50-70% ročnej potreby teplej vody v domácnosti, v lete takmer úplne a v prechodnom období a v zime zabezpečia jej predohrev. Solárne systémy možno využiť pre sektor bytovej výstavby, rodinné domy, objekty občianskej vybavenosti (nemocnice, sanatóriá, školy, hotely). Inou možnosťou ich využitia sú napr. otvorené a kryté bazény, drobné prevádzkarne služieb, reštaurácie, poľnohospodárske podniky, potravinársky priemysel...

FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY Fotovoltaické články tvoriace fotovoltaické panely slúžia na výrobu elektriny v podobe jednosmerného prúdu. S využitím fotovoltaických článkov v malom rozsahu sa stretávame na každom kroku, či už ide o zariadenia, ktoré vyžadujú na svoju činnosť minimálne množstvo energie, napr. kalkulačky, náramkové hodinky, záhradné svietidlá. V poslednom čase sa začali malé fotovoltaické články používať na prevádzku verejných telefónnych automatov. Už dnes sa často využívajú aj na osvetlenie autobusových zastávok, diaľničných odpočívadiel, dopravných značiek, ako aj všade tam, kde nie je elektrická energia bežne dostupná. Vo väčšom rozsahu sa u nás zatiaľ nevyužívajú, hlavne z hľadiska vyšších investičných nákladov, nízkej účinnosti a vysokom pokrytí územia rozvodmi elektrickej energie.

Využívanie slnených článkov Pre mnoho aplikácií sú slnečné články už dnes výhodnou alternatívou ku klasickým palivám. Slnečný článok premieňajúci svetlo na elektrinu totiž neobsahuje žiadne pohyblivé časti, čo zvyšuje jeho spoľahlivosť a nekladie nároky na údržbu a prevádzku. Solárne články sú schopné vyrábať elektrinu v každom počasí. Pri čiastočne zatiahnutej oblohe výkon dosahuje 80% ich potenciálu a aj pri úplne zatiahnutej oblohe počas dňa je tento výkon ešte 30%. Fotovoltaické (FV) systémy sa stali najlepším riešením v takých aplikáciách, ako je napájanie vesmírnych satelitov elektrickou energiou, kde sú takmer výlučným energetickým zdrojom už od roku 1960. Na odľahlých miestach sa presadzujú slnečné články už do 70-tych rokov a v komerčných spotrebiteľských produktoch ako sú kalkulačky, rádiá alebo hodinky sa presadzujú od 80-tych rokov. V 90-tych rokoch sa o slnečné články začali vážne zaujímať aj elektrárenské spoločnosti a nastala éra ich využívania v malých elektrárňach. Perspektíva využívania slnečných článkov je veľmi dobrá. Stály pokles cien v dôsledku zvyšujúcej sa výroby a zlepšovanie účinnosti znamenajú, že na trhu s elektrickou energiou sa pre slnečné články otvoria nové možnosti. Okrem už uvedenej integrácie do stavebných materiálov sa predpokladá výstavba väčších solárnych elektrární a širšie uplatnenie v spotrebnej elektronike. Európska Únia má v úmysle zdvojnásobiť podiel obnoviteľných zdrojov na spotrebe energie do roku 2010, pričom v oblasti využívania slnečných článkov sa predpokladá inštalovať jeden milión fotovoltaických systémov s celkovým výkonom 1000 MW.

Princíp práce slnečných článkov Slnečný článok pracuje na fyzikálnom princípe toku elektrického prúdu medzi dvoma prepojenými polovodičmi s rozdielnymi elektrickými vlastnosťami, na ktoré dopadá svetelné žiarenie. Dnešné slnečné články sa takmer výlučne vyrábajú z kremíka. Približne 80% všetkých článkov je vyrobených z kryštalického kremíka (multikryštalického alebo monokryštalického) a asi 20% sú tzv. amorfné (nekryštalické) kremíkové články nanesené na podklad vo forme tenkého filmu o hrúbke tisíciny milimetra. V laboratórnych podmienkach sú dnes vyvíjané články, ktoré sú založené i na iných materiáloch ako je kremík. Sem patria napr. kadmium sulfát teluridové články, články na báze medi, india a gália a iné. V našich klimatických podmienkach je pri použití rôznych typov článkov možné získať približne nasledujúce množstvo elektrickej energie: Kremíkové články Zisk v kWh/m2/rok Monokryštalické 176 Multikryštalické 154 Amorfné 88

Zásady umiestnenia článkov Nemali by byť vystavené vetru, lebo dochádza k namáhaniu nosnej konštrukcie a tiež to vedie k ich ochladzovaniu a tepelným stratám. Umiestnenie kolektorov je jeden z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich účinnosť celého systému. Je niekoľko všeobecných pravidiel, podľa ktorých sa treba riadiť pri inštalácii: 1. 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. 2. Celodenný osvit slnkom Počas dňa by sa kolektor nemal dostať do tieňa iných objektov. 3. Sklon kolektorov Sklon kolektorov závisí od toho, v ktorom ročnom období potrebujeme získať najväčší výkon. Pohybuje sa medzi 25° a 50°. Pre celoročnú prevádzku sa odporúča sklon 45°. Je to vlastne kompromis medzi maximálnym možným využitím zimného slnka nízko nad horizontom a znížením výkonu v letných mesiacoch keď je slnko vysoko. 4. Čo najkratšie vedenie od kolektorov ku spotrebiču - zníži tepelné straty.

Štruktúra slnečného článku Elektrická energia sa v slnečnom článku vyrába na spoji dvoch kremíkových vrstiev, ktoré sa líšia svojimi vlastnosťami. Jedna vrstva kremíka sa vďaka prímesí atómov fosforu vyznačuje nadbytkom elektrónov (záporných nábojov) a označuje sa ako ”N -vrstva”. Druhá vrstva kremíka je obohatená atómami bóru, čím v nej vzniká nedostatok elektrónov, označuje sa ako ”P -vrstva” a má kladný náboj. Medzi oboma vrstvami vzniká tzv. P-N prechod, ktorý je pri dopade slnečného žiarenia aktivovaný a pripojenými vodičmi tečie medzi oboma vrstvami elektrický prúd. P-N prechod je polovodič, pretože na rozdiel od striedavých elektrických zariadení prúd tečie len jedným smerom – od záporného pólu ku kladnému. Keď na tento polovodič dopadá slnečné žiarenie (alebo žiarenie z iného svetelného zdroja), napätie medzi oboma pólmi má hodnotu asi 0,5 Voltu a pretekajúci prúd je úmerný intenzite svetelného žiarenia (množstvu dopadajúcich fotónov). V každom slnečnom článku je napätie takmer konštantné a prúd je závislý na veľkosti článku je napätie takmer konštantné a prúd je závislý na veľkosti článku a intenzite žiarenia. Napätie solárneho panelu skladajúceho sa z viacerých článkov býva zvyčajne 12 resp. 24 V.

Využitie a výhody slnečných článkov Slnečné články využívajú energiu, ktorá je zadarmo, preto sa vyznačujú nízkymi prevádzkovými nákladmi a navyše aj vysokou spoľahlivosťou. Pôvodne boli vyvinuté pre použitie v kozme, kde ich údržba resp. oprava je prakticky vylúčená. Dnes takmer všetky vesmírne satelity sú napájané týmto zdrojom. Mnohé z nich pracujú veľmi dlhú dobu a bez nárokov na výmenu článkov. Výhodou slnečných článkov a systémov z nich vytvorených je, že panely sa dajú jednoducho pridávať, a tak zväčšovať výkon celého zariadenia. Majiteľ takéhoto zariadenia môže zväčšovať jeho výkon, v závislosti na narastajúcej spotrebe energie. Panely sú prenosné podobne ako ostatné súčasti solárnych zariadení, a tak je ich možné bez problémov inštalovať na akomkoľvek mieste.

Silné a slabé stránky systémov využívajúcich tepelnú slnečnú energiu Silné stránky Slabé stránky Konštantná cena tepla počas 20 – 30 ročnej životnosti. Relatívne vysoké investičné náklady. Decentralizácia zdrojov el.energie – nižšia závislosť od dodávateľov a rastu cien. Systémy sú najefektívnejšie v južných oblastiach Slovenska. Žiadne negatívne ekologické vplyvy počas celej životnosti. Potreba doplnkových energetických zdrojov, pretože systémy nepokryjú spotrebu energie počas celého roka. Zanedbateľné prevádzkové náklady. Problémy s inštaláciou na pamiatkovo chránených budovách. Možnosť 100 % recyklácie použitých konštrukčných materiálov. Relatívne vysoká účinnosť (30-50%). Bez nárokov na nové zastavané plochy. Vzájomná doplniteľnosť s inými obnoviteľnými energetickými zdrojmi. Veľký potenciál zvýšenia využitia solárneho tepla v oblasti akumulácie a solárneho chladenia. Krátka doba energetickej amortizácie.

ĎAKUJEME ZA POZORNOSŤ!