Sluneční energie sluneční elektrárny fotovoltaická přeměna Stirlingův motor
Energie slunečního záření nejčistší a nejšetrnější způsob získávání energie
Některé důležité konstanty pro Slunce pozorovatelné ze země: střední vzdálenost od Země: 147 až 152 miliónů kilometrů průměr Slunce:
1 400 000 km sluneční konstanta: 1360 W.m–2 sluneční konstanta - množství energie, dopadající za jednotku času na jednotkovou plochu mimo zemskou atmosféru. Její hodnota je 1360 W.m-2.
Energie slunečního záření vznik sluneční energie Ke vzniku energie slunce dochází v jeho nitru. Nitro slunce má tři vrstvy: jádro – termonukleární reakce (při teplotě
13.106K) oblast atmosféry (fotosféra, chromosféra -> koróna) – vznik elektromagnetického záření sluneční vítr – emitace protonů, α – částic, elektronů
Sluneční energie na Zemi
Tepelná bilanci přeměny slunečního záření v atmosféře
Slunce absolutně černé těleso teplota 6000 K hustota zářivého toku na povrchu 60 000 kW/m-2 ze slunečního výkonu (3,8⋅1023 kW) dopadne na Zemi pouze malý zlomek cca 1,8⋅1014 kW
Tepelná bilance přeměny sluneční energie
Přibližně jedna polovina zářivého toku ze slunce je pohlcena zemským povrchem a přemění se v teplo. Pohlcená tepelná energie se následně vyzáří ve formě IR záření, s vlnovou délkou okolo 10 μm, do okolního vesmíru. Země se tedy chová jako transformátor energie. Velká část energie dopadající na oceány se spotřebuje k odpaření vody. Páry jsou vynášeny vzestupnými proudy vzhůru, kde kondenzují a předávají své skupenské teplo okolí. Toto je základní způsob ohřevu horních vrstev troposféry. Cirkulací zahřátého vzduchu vznikají větry. Kinetická energie větru pochází tedy ze slunečního záření. Celková energie nahromaděná v pohybu vzduchu dosahuje hodnoty 1020 J. Procesy přeměny slunečního záření v biosféře jsou sice z energetického hlediska zanedbatelné (asi jedno promile), avšak jsou nezbytné pro život na Zemi.
Energie slunečního záření
jak bylo uvedeno výše, sluneční konstanta má hodnotu I0 = 1360 W.m-2 skutečná hodnota je však jen částí této energie mírou omezení je součinitel znečištění (Z): Z = 2,0 – místa nad 2000 m Z = 2,5 – místa nad 1000 m Z = 3,0 – venkov bez průmyslových exhalací Z = 4,0 – města a průmyslová střediska Z = 5,0 – silně znečistěné prostředí (krátkodobě až 8)
Energie slunečního záření Celkové sluneční záření je složeno ze záření: přímého IP difúzního ID
pro přímé sluneční záření platí: intenzita přímého SZ dopadajícího na plochu kolmou k paprskům:
I PN = I 0 ⋅ A
−Z
−2
(W ⋅ m )
A – součinitel závisící na výšce h Slunce nad povrchem
pro obecně položenou plochu platí:
I P = I PN ⋅ cos γ
−2
(W ⋅ m )
Energie slunečního záření
pro difúzní záření platí: jde o rozptýlené světlo po odrazu o molekuly plynů, prachu a mraky intenzita difúzního záření vzrůstá se součinitelem Z -2 při Z = 3 obvykle nepřevyšuje hodnotu 100 W.m
Energie slunečního záření
teoretické množství energie QTD dopadající na osluněnou plochu za den je závislé na sklonu kolektoru α a součiniteli znečistění Z úhel sklonu kolektoru se v průběhu roku mění: pro letní provoz je α = 30° (až 45°) pro zimní provoz je α = 60° (až 90°)
Přeměna sluneční energie na Zemi
sluneční energie je využívána třemi základními způsoby a to jako:
tepelná – pro vytápění, ohřev vody, tavící pece elektrická – přímá přeměna pomocí fotovoltaických článků chemická
u všech transformací jsou problémy s malou plošnou koncentrací, proměnlivou intenzitou a nestejnoměrným rozložením SZ
Přeměna sluneční energie na Zemi přeměna v tepelnou energii
konečnou formou přeměn sluneční energie je vždy teplo přeměna sluneční energie v tepelnou se provádí pomocí slunečních kolektorů pro získání vyšší teplotní úrovně se používají koncentrátory: Sběrné zařízení
Dosažené teploty [°C]
účinnost přeměny [%]
Příklad
bez koncentrace
60 až 200
30 až 50
rovinný sběrač
střední koncentrace
250 až 700
50 až 70
parabolický válec
vysoká koncentrace
650 až 4000
60 až 75
paraboloid
Přeměna sluneční energie na Zemi sluneční kolektory
η=
Rovinný sluneční kolektor Tepelná účinnost slunečních kolektorů
η = (1 − r ) −
(k1 + k2 ) ⋅ (ts − tv ) SA ⋅ I
Q& A c ⋅ M ⋅ (ts − tv ) η= = & QS SA ⋅ I
Koncentrátory s různým stupněm koncentrace
Přeměna sluneční energie na Zemi fotovoltaická přeměna
přímá přeměna světelné energie na elektrickou využívají se polovodičové prvky – fotovoltaický (solární) článek solární článek je velkoplošná dioda s jedním PN přechodem pro fotovoltaickou přeměnu musí být splněny následující podmínky:
foton musí být pohlcen foton musí excitovat elektron do vyššího vodivostního pásu vzniklá dvojice (záporný elektron – kladná díra) musí být separována, aby se znovu nespojila oddělené náboje jsou odvedeny ke spotřebiči Princip přímé přeměny sluneční energie na elektrickou s využitím fotoelektrického jevu: PSi – polovodivý křemík typu P, NSi – polovodivý křemík typu N, EC – energie vodivostního pásu, EV – energie valenčního pásu
Přeměna sluneční energie na Zemi fotovoltaická přeměna Přeměna sluneční energie na elektrickou ve fotovoltaickém článku probíhá ve třech krocích:
Dopadající foton slunečního záření je pohlcen valenčním elektronem, čímž elektron získá dostatečnou energii pro přechod z valenčního pásu do vodivostního. Excitací elektronu vzniká pár elektron – díra (tzv. generace). Podmínkou pro překonání zakázaného pásu elektronem je, aby energie zachyceného fotonu hν byla větší než je energie zakázaného pásu Eg . Samotná generace páru elektron – díra však nestačí, je nutné tento pár rozdělit potenciálovou bariérou - separovat, jinak elektron po určité době přejde zpět do valenčního pásu a obsadí volnou díru tzv. rekombinuje. Při rekombinaci elektron zpětně vyzáří pohlcený foton. Vhodným prostředkem pro separaci elektronů a děr je potenciál PN přechodu. Po separaci elektronů a děr je nutné je odvést z oblasti PN přechodu tzn. odvést oddělené náboje ke spotřebiči.
Fotovoltaické články
Fotovoltaické systémy a aplikace fotovoltaický systém: sestava fotovoltaických panelů, podpůrných
zařízení, spotřebiče a dalších prvků (akumulátorová baterie, regulátor dobíjení, napěťový střídač, indikační a měřící přístroje…) množství a skladba prvků závisí na druhu aplikace
Fotovoltaické systémy a aplikace
Fotovoltaické aplikace: systémy nezávislé na rozvodné síti ostrovní systémy (grid-off) výkony těchto systémů se pohybují v rozmězí 1 W až 10 kW. je kladen důraz na minimální ztráty energie a na používání energeticky méně náročných spotřebičů budují se v lokalitách, kde není účelné budovat elektrickou přípojku
Fotovoltaické systémy a aplikace Fotovoltaické aplikace: systémy s přímým napájením (ostrovní systémy)
využití v aplikacích, kde nevadí, že el. zařízení je funkční pouze po omezenou dobu jde o prosté propojení solárního panelu a spotřebiče čerpání vody pro závlahu napájení oběhového čerpadla pro přípravu TUV
Fotovoltaické systémy a aplikace Fotovoltaické aplikace: systémy s akumulací elektrické energie (ostrovní systémy)
jsou využívány i v době nedostatku sluneční energie součástí systému jsou akumulátorové baterie lze provozovat spotřebiče napájené stejnosměrným proudem (12 a 24 V), ale také střídavým proudem (230 V/ 50HZ) napájené přes střídač
Fotovoltaické systémy a aplikace Fotovoltaické aplikace: síťové fotovoltaické systémy (grid-on)
el. energie jo dodávána přes síťový střídač do rozvodné sítě fotovoltaické panely těchto systémů jsou převážně integrovány do plášťů budov
Sluneční (fotovoltaické) elektrárny
V případě ČR je větší využití sluneční energie zatím na počátku svého rozvoje. V průběhu poslední dekády minulého století se ČR omezila na ostrovní systémy pro nezávislé napájení objektů a zařízení v lokalitách bez připojení na rozvodnou síť. První sluneční elektrárna o výkonu 10 kW byla uvedena do provozu až v roce 1998 na vrcholu hory Mravenečník v Jeseníkách (dnes je umístěna jako demonstrační zařízení v areálu JE Dukovany jako součást informačního centra).
Sluneční (fotovoltaické) elektrárny
V našich podmínkách je solární systém o výkonu 1 kW schopen vyrobit 900-1000 kWh elektrické energie za rok. U současně provozovaných slunečních elektráren o instalovaných výkonech od 2,6 kW do 36 kW (síť solárních systémů na středních odborných školách po 1,2 kW) jde většinou o napájení aplikací bez připojení k rozvodné síti. V souladu s cíli EU by celkový instalovaný výkon solárních systémů v ČR měl do roku 2010 dosáhnout 84 MW a do roku 2020 541 MW.
Sluneční elektrárny - princip Elektrickou energii lze získat ze sluneční energie různými způsoby, přímo i nepřímo:
Přímá přeměna využívá fotovoltaického jevu, při kterém se v určité látce působením světla (fotonů) uvolňují elektrony Nepřímá přeměna je založena na získání tepla pomocí slunečních sběračů. V ohnisku sběračů umístíme termočlánky (popřípadě tepelné motory), které mění teplo v elektřinu – jde o tzv. Seebeckův jev (v obvodu ze dvou různých materiálů vzniká elektrický proud, pokud jejich spoje mají různou teplotu).
Sluneční (fotovoltaické) elektrárny - princip přímá přeměna sluneční energie na elektrickou
nepřímá přeměna sluneční energie na elektrickou
Sluneční elektrárny Stirlingův solární motor Stirlingův motor
využívá jako pracovní látku plyn, nejlépe ideální plyn, kterému se nejvíce přibližuje vodík (pro obtížnou utěsnitelnost vodíku se však nejčastěji používá vzduch) je to pístový motor se systémem vnějšího spalování, u něhož nedochází k výměně pracovního plynu
Sluneční elektrárny Stirlingův solární motor ve Stirlingově motoru dochází k přeměně tepelné energie v mechanickou využívá se principu regenerace – není potřeba přivádět velké množství tepelné energie (energie je akumulována v regenerátoru) Stirlingův motor využívá Carnotova cyklu
Sluneční elektrárny Stirlingův solární motor princip Stirlingova motoru
Stirlingův motor pracuje ve čtyřech fázích : 1→2 – fáze izotermického stlačování, teplo se předává do okolí při teplotě Tmin. 2→3 – fáze izochorického stlačování, teplo je pracovní látkou přijímáno od regenerátoru. 3→4 – fáze izotermického rozpínání, teplo je při teplotě Tmax přijímáno od okolí. 4→1 – fáze izochorického rozpínání, teplo je pracovní látkou předáváno regenerátoru
Sluneční elektrárny Stirlingův solární motor α - modifikace
pracovní prostor je rozdělen mezi dva válce v jednom z nich je pouze horký a ve druhém pouze chladný plyn regenerátor se nachází mezi válci
Sluneční elektrárny Stirlingův solární motor β - modifikace
má pouze jeden válec, v němž se pohybují oba písty změna objemu horkého prostoru se děje prostřednictvím pohybu přemísťovacího pístu, na změně objemu chladné části válce se podílejí oba písty, přemísťovací i pracovní v určité části se chod pístů překrývá
Sluneční elektrárny Stirlingův solární motor γ - modifikace
regenerátor není oddělené chladný prostor jeho minimální nenulový
mezi válci, ale oba válce jsou je rozdělen mezi oba válce a objem je vždy, i teoreticky
Aplikace Stirlingova solárního motoru
Systém Dish - Stirling pro přeměnu sluneční energie v elektrickou
přijímač tepla systému Dish - Stirling
Sluneční elektrárny a budoucnost Na Zemi je asi 22 milionů km2 pouští, které nelze využít ani v zemědělství, ani k chovu dobytka (Sahara, Kalahari, Atakama). Jejich obrovské rozlohy však mohou být alespoň zčásti využity k přeměně sluneční energie na elektřinu nebo k rozkladu vody na vodík a kyslík. Pro Evropu je nejblíže Sahara, která má rozlohu 7 milionů km2. Je spočítáno, že jen z jedné desetiny Sahary by dnešní technikou slunečních elektráren bylo možné získat asi 50 terawattů, což je 5x více, než lidstvo potřebuje.
