Obsah: Solární energie 2 Využití solární energie 3 Solární věže 4 Dish stirling 5 Solární komín 6

Transkript

1 Obsah: Solární energie 2 Využití solární energie 3 Solární věže 4 Dish stirling 5 Solární komín 6 Newsletter of the Regional Energy Agency of Moravian-Silesian Region, February 2011

2 Solární energie Sluneční energie je základní podmínkou života pro vznik a existenci života na Zemi. Sluneční záření je, kromě energie zemského jádra a jaderné energie, jediným zdrojem energie. Všechny ostatní druhy energie využívají nějakým způsoběm přeměněnou energii slunečního záření: Biomasa - má svůj původ ve fotosyntéze, která využívá sluneční energii pro tvorbu rostlinné hmoty. Spalováním se pak sluneční energie uvolňuje v podobě tepla. Uhlí, ropa, zemní plyn - fosilní paliva jsou vlastně konzervovanou formou biomasy a jejich spalováním uvloňujeme sluneční energii dopadlou na Zemi před milióny let. Vodní a větrná energie - pohyb mas vzduchu, který s sebou přenáší i vodní páry (odpařené působením tepla slunce), je dán především různým oteplením různých ploch zemského povrchu. Jestliže je slunce takovýmto dominantním zdrojem primární energie, je téměř na konci řetězce přeměn různých forem energie energie elektrická. Na první pohled je nejjednodušší vyrábět elektřinu ze slunečního zážení nějak přímo. Jenže to nějak je právě ten problém a tak lidé začali ve velkém vyrábět elektřinu tím nejkrkolomnějším způsobem z uhlí. Celý tento řetězec zahrnuje v sobě snad všechny možné transformace původní energie slunce: S pomocí fotosyntézy vyroste zelená biomasa Bez přístupu vzduchu se biomasa přemění za miliony let na uhlí Uhlí (vytěžené a přemístěné) se spálí v kotlích a přemění na teplo spalin Spaliny ve výměníku předají své teplo vodě, která se přemění na páru s určitou tepelnou a potenciální energií Potenciální energie páry se na dýze parní turbíny přemění na energii kinetickou, která působí na lopatku turbíny Roztočená turbína předá přes spojku svou energii generátoru, ve kterém je mechanická energie přeměněna prostřednictvím změn indukčního pole na energii elektrickou (změnu napětí a frekvence na transformátoru raději vynechám)...a elektickou energii ze zásuvky pak můžeme použít pro svícení, provoz televize nebo výrobu zmrzliny Sluneční záření dopadající na zemský povrch se skládá z přímého a z rozptýleného záření. Přímé je záření od slunečního disku a tvoří svazek prakticky rovnoběžných Newsletter of the Regional Energy Agency of Moravian-Silesian Region, February

3 paprsků. Rozptýlené (difuzní) sluneční záření vzniká rozptylem přímých slunečních paprsků na molekulách vzduchu, vodních kapkách a ledových krystalcích a na různých aerosolových částečkách rozptýlených v ovzduší. Rozptýlené záření se jeví jako světlo oblohy; které kdyby nebylo, jevila by se obloha i během dne černá s ostře zářícím slunečním kotoučem. Průměrný počet hodin solárního svitu (bez oblačnosti) se v ČR pohybuje kolem 1460 h/rok (od 1400 do 1700 h/rok). Nejmenší počet hodin má severo-západ území. Směrem na jiho-východ počet hodin narůstá. Lokality se od sebe běžně liší v průměru o ±10 %. V některých ojedinělých případech je odchylka vyšší. Na plochu jednoho čtverečního metru dopadne za rok průměrně 1100 kwh energie. Mapka ukazuje globální sluneční záření dopadající na vodorovnou plochu o velikosti 1 m 2 za rok a dává tak představu rozložení úrovně dopadajícího záření na celé ČR. Intenzita solárního záření se pochopitelně mění i v průběhu ročního období. V České republice je nejvyšší mezi dubnem a září. Využití solární energie: Solární energii lze využítvat aktivně nebo pasivně k nejrůznějším účelům - k vyhřívání domu, k ohřevu vody v bazénu, ohřevu vody pro domácnost, absorpčnímu chlazení, destilaci nebo sterilizaci vody, k výrobě elektřiny, pohonu zařízení pomocí Stirlingova motoru. V praxi se setkáváme s limity, které omezují využitelnost solární energie. Jedná se například o účinnost solárních kolektorů pro ohřev (zhruba %) a nebo fotovoltaických panelů (kolem 15 %). Solární energie má jen malou plošnou hustotu a zařízení pro její zachycení jsou proto poměrně velká. Nejvíce je solární energie dostupná v létě, zatímco v zimě je jí nedostatek. Z hlediska následného využití je nejvýhodnější přímá přeměna slunečního záření na elektrickou energii. Obecně nejznámějším způsobem výroby elektrické energie je výroba elektřiny pomocí fotovoltaických panelů. Účinnosti přeměny slunečního záření na elektřinu je 12-19%, přičemž nejvýkonnější zařízení mají účinnost až 22%. Kolik elektřiny skutečně dokáže solární elektrárna vyrobit, závisí na několika faktorech. K těm hlavním patří počet slunečních hodiny a intenzita slunečního záření. Pro umístění fotovoltaické elektrárny je nejvhodnější jižní orientace a sklon mezi %. Je tedy zřejmé, že i přes svoje rozšíření není výroba elektřiny fotovoltaickými články tím nejefejtivnějším způsobem přeměny slunčeního záření na elektrickou energii a proto jsou na celém světě vyvíjeny další alternativní technologie pro přímou přeměnu solární energie na energii elektrickou. Tyto systémy většinou využívají tepla energie slunečního záření, kterou následně prostřednictvím stroje, který využívá klasický Carnotův cyklus, mění na točivý pohyb pro pohon generátoru. Newsletter of the Regional Energy Agency of Moravian-Silesian Region, February

4 Pro koncentraci slunečního záření se obecně používají: Parabolická zrcadla Fresnelovy čočky nebo zrcadla Pro přeměnu tepla na točivý pohyb slouží: Parní turbíny Organický Rankinův Cyklus (ORC) Stirlingův motor V praxi se uvedené principy rozvinuly po následujících aplikací, protože nemají zažitý český ekvivalent, jsou zde uváděny s českým překladem vyvětlením : Solar troughs - parabolická solární koryta Solar towers - solární věže Solar Disches - parabolická zrcadla SEGS I-IX (Solar Energie Generation Systems) pohání parní turbíny. Pro prodloužení provozu i po dobu, kdy nesvítí slunce, se použí-vají zásobníky. První a doposud největší systém solárních elektráren na světě využívajícíh tento princip byl vybudován v Mojavské poušti v letech Podotýkáme, že v Mojavské poušti svítí slunce až 340 dnů v roce. Celkový instalovaný elektrický výkon činí 354 MW. Nejstaršími a nejčastěji využívaným principem jsou parabolická solární koryta/ žlaby. Systém využívá parabolických žlabů, které koncentrují sluneční záření do trubic, v nichž je ohříván syntetický termoolej, který koluje ve skleněných trubkách umístěných v ohnisku reflektoru paraboly. Termoolej se zahřívá na teplotu až 400C. Ohřátý posléze slouží pro výrobu páry, která Solární věže Na solární věž je soustředěn odraz slunečního záření z pohyblivých zrcadel umístěných na zemi. Získaná energie opět slouží k výrobě páry pro pohon parní turbíny, V Evropě první komerční solární věž PS10 byla uvedena do provozu v roce 2008 nedaleko Sevilly, v Andalusii ve Španělsku, a je vybavena celkem 624 velkými pohyblivými zrcadly. Zrcadla soustřeďují sluneční paprsky na věž, v níž je umístěn parní generátor a parní turbína pro výrobu elektřiny. Celkový instalovaný elektrický výkon činí 11 megawatt a prodloužení doby provozu slouží parní akumulátor. V současnosti je uvedena do provozu i sousední PS 20 (viz foto). Newsletter of the Regional Energy Agency of Moravian-Silesian Region, February

5 Dish stirling Oproti předcházejícím technologiím se v tomto případě jedná o podstatně nižší výkony a jiný druh motoru. Základem je parabolické zrcadlo, které je umístěno na otočné konstrukci. V ohnisku reflektoru paraboly je umístěn horký konec stirlingova motoru, který přímo vyrábí elektrickou energii. Výkon jedné samostatně pracující elektrárny se může pohybovat v řádu cca kw. Takovýto zdroj elektrické energie představuje nejefektivnější využití slunečního záření a účinnost přeměny dosahuje až 33%. První komerčně pracující elektrárna využívající tento princip začala fungovat počátkem roku Nachází se u Phoenixu v Arizoně a se svými 60 systémy SunCatcher, Maricopa Solar, každý s výkonem 25 kw, poskytuje celkový výkon 1,5 MW. Newsletter of the Regional Energy Agency of Moravian-Silesian Region, February

6 Solární komín Zcela mimo výše uvedené principy je systém, který v sobě spojuje v sobě tři staré a osvědčené technologie: komínový efekt skleníkový efekt větrné turbíny Základem technologie je komín/věž kolem jehož paty je nad zemí instalován kolektor. Vzduch v kolektoru je ohříván sluncem a ohřátý stoupá komínem do výše. Současně tak nasává z okolí do kolektoru studený vzduch, který se dále ohřívá a tak vzniká ustálené proudění vzduchu. Do tohoto proudění vzduchu jsou vloženy vzduchové turbíny, které vyrábějí elektřinu. V Evropě bylo zprovozněno pilotní zařízení v Manzanares, 150 km jižně od Madridu. Celková výška komínu s průměrem 10 m činí 195 m a kolektor má celkovou plochu 46 tis. m 2. Výkon elektrárny činí 50 kw. První komerční sluneční komín byl zprovozněn Jinshawan, Wuhai v severní Číně v prosinci 2010 a jeho jmenovitý výkon činí 200 kw. Newsletter of the Regional Energy Agency of Moravian-Silesian Region, February