Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 22 – vyšlo 31. května, ročník 2 (2004) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

22/2004

Energie ze Slunce

Milan Červenka

Slunce, naše nejbližší hvězda, je velice vydatným zdrojem energie. Každou sekundu do svého okolí marnotratně vyzáří energii 4×10²⁶ J. Na Zemi pak z tohoto množství dopadne záření o energii 1,8×10¹⁷ J, přičemž průměrná spotřeba celého lidstva je 10¹³ J za každou sekundu. Slunce nám tedy dává zhruba 20 000× více energie než potřebujeme. A je jenom na nás, zda této velkorysé nabídky, jejíž platnost potrvá ještě několik miliard let, nějak využijeme, nebo zda sluneční energii necháme vyzářit zpět do vesmíru ve formě infračerveného záření, aniž bychom ji jakkoliv zužitkovali.

Stirlingův stroj - tepelný stroj, vynalezený v roce 1816 reverendem Robertem Stirlingem (1791-1878). Přeměňuje tepelnou energii na mechanickou bez použití kotle, který byl v 19. století častým původcem explozí. Pracovní plyn je hermeticky uzavřen v prostoru se dvěma písty (horkým a chladným), jejichž periodický pohyb je navzájem posunut o čtvrtinu periody. Fotovoltaický jev  - objeven v roce 1839 Antoine-César Becquerelem (1788-1878). Na rozhraní dvou materiálů, na něž dopadá světlo, vzniká elektrické napětí. Jevu lze využít ke konstrukci fotovoltaického článku. Solární konstanta - množství sluneční energie dopadající kolmo na 1 m2 povrchu za sekundu mimo atmosféru Země. Hodnota sluneční konstanty je 1.4 kW/m2. Jde o malou část celkového slunečního výkonu, který je 4×1026 W.

Výhody využití sluneční energie

Využití energie slunečního záření pro krytí energetických potřeb společnosti má pro lidstvo oproti jiným zdrojům energie hned několik výhod. Zaprvé, Slunce je bezpečný jaderný reaktor, od něhož se v době řádově miliard let nemusíme obávat žádné havárie či výraznější změny funkce, není rovněž zneužitelné žádnými teroristickými skupinami, takže lidstvo se od něj nemusí obávat žádné katastrofy. Zadruhé, sluneční energie je velice kvalitní, to znamená, že se poměrně snadno přeměňuje na jiné formy energie (energie tepelná, elektrická, mechanická, ...). Zatřetí, sluneční energie je zadarmo - za sluneční světlo není třeba nikomu nic platit. Začtvrté, sluneční energie je místní, sluneční světlo není třeba odnikud dovážet, i když je pravda, že některé lokality jsou ve výhodě (například v Evropě Řecko a Španělsko), poněvadž se zde vyskytuje větší počet slunečných dnů. A konečně zapáté, sluneční energie je čistá, nezpůsobuje žádné toxické odpady, zápach, zplodiny, prach, ...

Jak energie ve Slunci vzniká

Energie se ve Slunci uvolňuje termojadernou fúzí spočívající ve slučování jader vodíku ¹H (protonů) do jader hélia ⁴He. Tento proces se nazývá proton-protonový řetězec a probíhá podle schématu znázorněného na následujícím obrázku.

Proton-protonový řetězec

Energetický výtěžek proton-protonového řetězce je 26,2 MeV, uvolněná energie je odnášena prostřednictvím fotonů a neutrin. Fotony dopadající na Zemi pak vnímáme jako sluneční záření (fotony uvolněné během p-p řetězce mají kmitočty záření rentgenového, během stovky tisíc let trvající cesty k povrchu Slunce se jejich kmitočty transformují k nižším hodnotám).

Aby mohlo ke slučování protonů docházet, je zapotřebí nesmírných teplot a i v podmínkách panujících v nitru Slunce (centrální teplota je zde 15 000 000 K) tento proces probíhá velice pomalu, jak je znázorněno na obrázku, měrný výkon je tak pouze 0,19 mW na jeden kilogram hmotnosti Slunce.

O Slunci lze říci, že je to dokonalý řízený termojaderný reaktor, v němž se každou sekundu uvolní energie 4×10²⁶ J přeměnou 6,4×10¹¹ kg vodíku na hélium. Slunce má v zásobě tolik paliva, že tento proces bude probíhat ještě nějakých 7 miliard let.

Solární elektrárny

Solární elektrárny produkují elektrickou energii přeměnou energie slunečního záření. Aby byl jejich provoz rentabilní, je možné pro jejich výstavbu volit pouze lokality s dostatečným počtem slunečných dnů. Ve větším měřítku již fungují například v Kalifornii a Arizoně, jejich výstavba se rovněž plánuje na Krétě, v jižním Španělsku, Egyptě a Indii.

Solární věže

Elektrárny tohoto typu jsou složené z velkého množství zrcadel (heliostatů), které koncentrují sluneční světlo do jednoho místa, zpravidla na vrchol vysoké věže. Směr natočení a sklon zrcadel je počítačově řízen a sleduje denní pohyb Slunce po obloze. Na vrcholu věže se ohřívá vhodné pracovní médium (olej, mletá sůl) na teplotu 500 ^oC až 1500 ^oC (sluneční energie se tak přeměňuje na teplo). Ohřáté médium se pak odvádí do energetické jednotky, kde se ohřívá voda a vznikající pára pohání parogenerátor. Ochlazené pracovní médium se následně odvádí zpět do solární věže k dalšímu ohřevu.

Ohřáté pracovní médium se ze solární věže může rovněž odvádět do speciálních izolačních tanků, kde se uchovává pro pozdější použití během noci či při oblačnosti.

Solární věže - projekty Solar One (nalevo) a Solar Two (uprostřed a napravo)

Obrázky zachycují solární věže kalifornských demonstračních projektů Solar One (1982 - 1988) a Solar Two (1996 - 1999). Solární elektrárna Solar Two má 1 926 zrcadel, výška věže je 104 metrů, mletá sůl se v ní ohřívala až na teplotu 1 500 ^oC. Elektrická energie se zde vyráběla konvenčním parogenerátorem o výkonu 10 MW. Solární elektrárna Solar Two v současnosti funguje jako detektor gama paprsků vznikajících jako Čerenkovovo záření energetických částic kosmického původu vnikajících do zemské atmosféry.

Solární žlaby

Další varianta solárních elektráren využívá ke své činnosti vyleštěné žlaby parabolického tvaru (zrcadla), v jejichž ohnisku jsou vedeny trubice, v nichž proudí pracovní médium (voda, olej), které se fokusovaným slunečním zářením ohřívá na teplotu až 300  ^oC. Ohřáté pracovní médium se následně používá k výrobě páry a elektrická energie se pak získává v parogenerátoru.

Solární žlaby - různá provedení

Kalifornské solární elektrárny tohoto typu mají výkony až 350 MW (slouží ke krytí potřeb až 350 000 domácností). Více než 90 % solární elektrické energie se vyrábí v elektrárnách tohoto typu.

Projekt SolarBridge Energetické komise Německé fyzikální společnosti uvažuje využití solární elektrárny tohoto typu ke krytí budoucích energetických potřeb celé Evropy. Vzhledem k průměrné roční spotřebě energie 2 500 000 GWh by rozloha elektrárny se solárními žlaby měla být 20 000 km² (čtverec o straně 140 km). Pro její umístění se zdá být vhodným místem poušť Sahara, neboť je zde během roku velký počet slunečných dnů a je zde rovněž k dispozici velké množství neobydlené a hospodářsky nevyužité plochy (elektrárna by zabírala 0,2 % plochy Sahary). Zde vyráběná elektřina by se do Evropy vedla pomocí silových kabelů. Jinou možností je vyrábět na místě elektrolýzou vodík a ten pak do Evropy dovážet loděmi.

Solární talíře

Menší variantou solární elektrárny je takzvaný "solární talíř". Zde se sluneční světlo fokusuje několika zrcadly (většinou parabolického tvaru) do společného ohniska, kde se dosahuje teplot v rozmezí 600 ^oC až 800 ^oC. K přeměně tepelné energie na mechanickou se používá nejčastěji Stirlingův stroj pohánějící generátor. Typický výkon elektrárny tohoto typu je 5 kW až 25 kW.

Solární talíře - různá provedení

Fotoelektřina

Elektřinu lze ze slunečního záření získávat rovněž přímou přeměnou, pomocí fotovoltaických článků. Fotovoltaické články fungují na principu fotovoltaického jevu objeveného francouzským fyzikem Antoine-César Becquerelem v roce 1839. Fotovoltaický jev je jev, při němž se na rozhraní dvou materiálů, na něž dopadá světlo (elektromagnetické záření), objevuje elektrické napětí.

Princip funkce dnes používaných fotovoltaických článků je následující. Přes ochrannou antireflexní vrstvu se nechává dopadat sluneční záření na rozhraní polovodičů typu N a P. Spojením těchto materiálů vzniká elektrický potenciál, který usměrňuje pohyb volných elektronů, které se v polovodivém materiálu uvolňují absorpcí fotonů dopadajícího slunečního záření. Oba polovodiče jsou opatřeny kontakty a fotovoltaický článek tak může fungovat jako zdroj proudu. Výkon jednoho fotovoltaického článku je relativně malý, a proto se jednotlivé články skládají do fotovoltaických solárních panelů. Při typické účinnosti 12 % pro křemíkový článek je výkon solárního panelu kolem 120 W/m².

Využití fotovoltaických solárních panelů

Solární panely se používají zejména místech, kam není možné přivádět elektřinu odjinud, například v odlehlých místech Země, ale i ve vesmíru na kosmických sondách. Přestože jsou solární panely dosud relativně drahé, jejich cena postupně klesá a pomalu začíná docházet k jejich masivnějšímu využívání.

Na tomto obrázku je zajímavé řešení přístřešku pro auta námořní letecké základny North Island v jižní Kalifornii. Střecha plochy 7 600 m² je pokryta fotoelektrickými solárními panely s celkovým výkonem 750 kW, které ročně dodávají energii více než 1 000 000 kWh.

Na tomto obrázku je domek (Marylandská univerzita) se střechou pokrytou fotovoltaickými solárními panely, které během průměrného slunečného dne produkují kolem 20 kWh elektrické energie. To je zhruba dvojnásobek potřebné energie, takže přebytečná energie se uchovává v akumulátorech pro případ dní bez slunečního svitu.

Solární fotovoltaické panely pohánějí i komerčně vyráběnou vodní pumpu na tomto obrázku. Zařízení slouží k čerpání vody ze studně pro dobytek, pumpa čerpá 7 litrů vody za minutu, výkon solárních panelů je 120 W. Cena celého zařízení je 1 800 USD.

Jiné možnosti

V našich zeměpisných šířkách bohužel nemáme dostatek slunečního svitu pro účinnou výrobu elektrické energie. Existuje však řada jiných možností, jak využít sluneční záření. Jedná se zejména o vytápění budov vodou ohřátou v solárních kolektorech a osvětlování místností slunečním světlem přiváděným světlovody tam, kde je jinak třeba využívat výhradně osvětlení elektrického (Hybrid Solar Lighting). Tímto způsobem lze elektrickou energii alespoň ušetřit.

Za zmínku stojí i fakt, že i další obnovitelné zdroje energie jsou vlastně slunečního původu. Za příklad mohou sloužit větrné elektrárny využívající kinetickou energii větrů. Proudění vzduchu (vítr) vzniká tím, že Sluncem ohřátá půda zahřívá vzduch, ten pak stoupá a na jeho místo se tlačí těžší vzduch chladnější. Pomocí větrů se na Zemi udržuje koloběh vody - vlhký vzduch nad oceány je přenášen na pevninu, kde se voda ve formě srážek dostává do řek. Vodní elektrárny tedy ke své činnosti také využívají sluneční energii ve formě kinetické energie vody. Podobných příkladů by se jistě našlo víc.

Odkazy