SLUNEČNÍ ENERGIE Slunce: “spaluje” 4.2 mil. tun paliva za sekundu ⇒ 4.2 x 1026 J/s Solární konstanta I0: 1340-1390 W/m2 (hranice zemské atmosféry) – kolísání o cca 3.5% (výstřednost dráhy Země) Sluneční záření • přímé • rozptýlené (rozptyl na molekulách plynů, vodních kapkách, krystalcích ledu a aerosolech) – světlo oblohy Insolace • množství přímého slunečního záření na jednotkovou horizontální plochu R02 J 0 = I 0 ⋅ 2 ⋅ P ⋅ sin α s R
P ... αs ...
propustnost atmosféry (bezoblačná obloha 0.6 – 0.8), závisí na znečištění atmosféry úhlová výška Slunce nad geometrickým obzorem
OZE Sluneční energie
str. 1
• • • • •
OZE Sluneční energie
gama a rentgenové záření – min. UV (10%) viditelné spektrum - (45%) infračervené – (45%) slunečný den, mořská hladina
str. 2
Celková energie na jednotku plochy: • součet přímého a rozptýleného (difúzního) záření • velké rozdíly v průběhu roku a v průběhu dne • závislost na zeměpisné šířce a čistotě ovzduší Sluneční energie: • Ohřev povrchu Země a atmosféry, větry, mořské proudy • Energie pro biosféru (cca 0.2%) Průměrné měsíční hodnoty globálního slunečního záření – Hradec Králové MJ/m2 Leden Únor 76 126 červenec srpen 582 505
Březen 282 září 347
Duben 417 říjen 195
Květen Červen Celkem CELKEM 544 584 2029 3799 MJ listopad prosinec 1055 kWh 82 58 1769
• červenec: průměrný celodenní výkon=217 W • krásný letní den, kolmá plocha ⇒ 1000 W/m2
OZE Sluneční energie
str. 3
Obr. - Průměrné roční sumy globálního záření na území ČR v MJ/m2 • Hamburg: 112 W/m2 980 kWh • Hurbanovo: 143 W/m2 1252 kWh • Sahara: 290 W/m2 2540 kWh OZE Sluneční energie
str. 4
• 70. léta – velký optimismus, odhad prezidenta Cartera v 1979 ⇒ 25% spotřeby energie USA bude do 30-40 let pokryto Sluncem • fotočlánková elektrárna na Sahaře (10% účinnost), pro pokrytí světové spotřeby elektřiny stačí rozloha 630 x 630 km VYUŽÍVÁNÍ SLUNEČNÍ ENERGIE • pro výrobu elektrické energie • přímo: fotovoltaické elektrárny • nepřímo: sluneční elektrárny • pro výrobu tepla: • sluneční kolektory: vytápění + TUV • nepřímo prostřednictvím biomasy (fotosyntéza) • plantáže energetických rostlin (plodin) a dřevin • ostatní účely • např. příprava pokrmů ⇒ sluneční pece OZE Sluneční energie
str. 5
Z historie: • Archimédes: zapálení římských fregat (štíty vojáků jako zrcadla) (?) • konec 50. let 20. století: fotočlánek (kosmické sondy) • 1954: Čína zahájila používání „slunečních pecí“ Sluneční pec - Tibet Příklad „jednoduché“ technologie pro rozvojové státy (úspora palivového dříví)
OZE Sluneční energie
str. 6
VÝROBA ELEKTŘINY ZE SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ • Nepřímá výroba: koncentrace slunečního záření ⇒ pracovní médium ⇒ výroba páry ⇒ generátor • Přímá výroba: fotovoltaické články Sluneční tepelné elektrárny • koncentrace slunečního záření do jednoho bodu („věžové“ elny) • koncentrace slunečního záření pomocí slunečních kolektorů (sluneční farma)
OZE Sluneční energie
str. 7
SOLAR ONE • Barstow, Kalifornie, 19982-88 • 10 MWe, 73000 m2 plocha zrcadel (každé cca 36 m2) • přímá přeměna horké vody na páru (minimální tepelná kapacita)
OZE Sluneční energie
str. 8
SOLAR TWO • Obr. 1 - Schéma SEGS elektrárny 1996-1999, vylepšení původní elektrárny, 10 MWe • 2000 zrcadel, 100 m věž, 48.5 mil USD (cca 150 tis. Kč/MWinst) • chlazení roztokem roztavených solí, 565 C pracovní teplota, ukládání v zásobnících, výroba páry v parogenerátoru • možnost vyrábět v noci a při zamračené obloze (až 3800 hod/rok využití) • velmi slibná technologie na počátku • 2000: ukončen provoz – technické obtíže (tuhnutí chladiva) OZE Sluneční energie
str. 9
Uvažovaný projekt velké věžové elektrárny (100-200 MWe) • „kotel“ (válec) 23x28 metrů, střední výška nad zemí 255 m • pole heliostatů 7.5 km2 (odrazová plocha 1.8 km2 – 12235 zrcadel, 150 m2) • chladivo: 30000 tun Na6K4NO3 • roční výroba cca 600 GWh ZÁVĚR: • zajímavá technologie umožňující „omezit“ závislost na okamžitých slunečních podmínkách • technicky komplikované (natáčení, chladící systém) • velmi vysoké investiční náklady, zábor půdy • potřeba velmi dobrých „slunečních“ podmínek • zatím pouze experimentální zařízení SLUNEČNÍ FARMY • koncentrace sluneční energie do pracovního media v parabolických (žlabových) kolektorech (max. provozní teplota • vodorovná osa otáčení SEVER-JIH, plochy až 545 m2 • koncentrace záření na speciálně potaženou ocelovou trubku, umístěnou ve skleněné vakuové trubici (problém zpětného vyzařování) OZE Sluneční energie
str. 10
• chladící médium - syntetický olej, série tepelných výměníků • hybridní systém (slunce, kotel na ZP), možnost kombinovaného či samostatného provozu • klasické chladící věže Obr. 1 - Schéma SEGS elektrárny
OZE Sluneční energie
str. 11
Mohavská poušť - Kalifornie, 9 slunečních elektráren (farem) - celkem 354 MW (netto) - 90% "sluneční elektřiny na světě" • SEGS I, II: Daggett, SEGS III-VII: Cramer Junction (firma KJC) - 5 soustav po 30 MWe (netto), postaveno 1986-1988 (www.kjcsolar.com), SEGS VIII-IX: Harper Dry Lake OZE Sluneční energie
str. 12
• • • •
funguje jako špičkový (sezónní) zdroj (špička soustavy v létě – klimatizace) – 80% dodávek 12-18 hod, červen – září: 65% ročních příjmů samostatný „sluneční“ provoz: 2000-2500 ročního využití „světelná“ účinnost (přenos do média): 73-76%
Obr. 3 - Výroba elektrické energie
OZE Sluneční energie
str. 13
Obr. 4 - Vliv mycího cyklu na odrazivost zrcadel
Závěr: • zajímavá technologie • náročné na údržbu, riziko větrných bouří • nutné velmi dobré „sluneční podmínky“ • velký zábor půdy, experimentální technologie OZE Sluneční energie
str. 14
VÝROBA ELEKTŘINY POMOCÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ • solární článek: polovodičový prvek s alespoň jedním P-N přechodem • křemík, arzenid galia, telurid kadmia • vlivem sluneční energie dochází k vytváření děr a volných elektronů, separace polem P-N přechodu • teoretický limit účinnosti: • cca 25% Si • jiné polovodiče až 29% • různé materiály různě využívají spektrum záření (zvýšení účinnosti „sendvičovými“ konstrukcemi) • účinnost klesá s teplotou Účinnost článků Monokrystal Polykrystal Amorfní
OZE Sluneční energie
Sériově vyráběné 13-16% 11-14% 6-8%
Laboratorní podmínky 21-23% 16% 12-14%
str. 15
• V reálných podmínkách účinnost klesá – znečištění povrchu • Typický článek Si, 1 dm2, intenzita záření 1000 W/m2 ⇒ 1 W (účinnost 10%, 2 A, 0,5 V) • 1 kWi ⇒ cca 8-10 m2 • Články se spojují do modulů (až cca 100-150 W), moduly do panelů (sériově paralelní spojení) • ochranný kryt (mechanická a povětrnostní odolnost) • ss napětí, inventor (účinnost cca 90%) • Výroba článků technologicky velmi náročná • vysoká spotřeba energie • toxické odpady • Energetická návratnost ⇒ 7-11 let v podmínkách ČR • výtěžný poměr (energie vyrobená/spotřebovaná) ⇒ cca 3
OZE Sluneční energie
str. 16
Příklad instalace – systém CE12150, 1,8 kW Part BPSX-150S SM-132 Fuses
Qty. 12 3 1
10M MC Output
6
Tape STRM STXR-1500 TOTAL
1 1 1
Description 150 watt solar module 4 Module Mount Pack ten 8 amps fuses 10 meter output cable, 5M positve and 5M negative Roll butyl rubber sealing tape Remote Meter 1500 watt inverter
Unit Price Total Price $668.75 $8025.00 $184.00 $552.00 $12.00 $12.00 $20.00
$120.00
$35.00 $143.20 $1791.20
$35.00 $143.20 $1791.20 10 678 USD
Pozn.: Ceny 2001, www.mrsolar.com Roční výroba (orientace na jih, 30° úhel, bez zastínění): • Kalifornie: 2.800 MWh • ČR (zeměpisná šířka): 1.8 MWh • cca 1-1,1 MWh / 1 kWi (ČR), roční využití cca 1000 hod OZE Sluneční energie
str. 17
Investiční náklady: • cca 190 tis. Kč/kWi (technologie) • náklady na instalaci (velmi individuální) • náklady na údržbu (revize, čištění) – nízké Další nepřímé náklady: • pojištění (PV systém je velmi drahý!) • záložní systémy (baterie) • způsob placení za dodávky elektřiny ze sítě (kdo zaplatí za „záložní“ výkon?) Minimální cena elektřiny: • cca 18-24 Kč/kWh (ČR) Využití: • autonomní systémy (grid – off) • odlehlé stavby, jachty • dobíjení baterií (např. satelitní telefony, elektronická zařízení) • úsporné osvětlení, signalizace, stacionární hlásiče • využití v rozvojových zemí bez infrastruktury (možnost rozvoje bez nákladných sítí) – 2 mld. lidí nemá přístup k elektřině OZE Sluneční energie
str. 18
• např. pouze 200 tis. z 3.4 mil. nepálských rodin je připojeno k síti, osvětlení – baterie (300 mil ročně, agregáty), v roce 2000 odstartován projekt využití vysoce svítivých LED diod s bílým světlem (0.1 W, lampy z 9 LED), náhrada svíček a petrolejových lamp („indoor environment“) např. v Indii bylo instalováno v 2000-1 4200 solárních systémů pro napájení vodních čerpadel (celkem 4 MW) • velký potenciál různých aplikací
OZE Sluneční energie
str. 19
• systémy připojené k síti (grid-on) • zásobování objektů „vlastní“ elektřinou, přebytky do sítě, při nedostatku „zálohování“ sítí (řízení elektronikou) • výhodné při letní denní špičce (např. Kalifornie) • California Buy-Down Program (úhrada inv. nákladů do 4,5 USD/W, resp. 50% inv. nákladů)
OZE Sluneční energie
str. 20
• Snaha využívat fasád a střech (problémy s dodatečnými náklady u stávajících budov) Teoreticky vysoký potenciál, praktické problémy při realizaci • velmi vysoké investiční náklady • problémy při instalaci na stávající střechy (orientace, sklon, možnost montáže atd.) • závislost na (měnícím se) slunečním záření • nutnost záložních systémů (baterie, „síť“) Solární systémy pro vytápění a přípravu TUV • vytápění objektů (hybridní systémy) • farmy, dosoušení plodin
OZE Sluneční energie
str. 21
SLUNEČNÍ VĚŽ – PŘÍKLAD NOVÝCH MYŠLENEK • kruhový skleník (skleníkový efekt ⇒ ohřev vzduchu) • ve středu skleníku vysoká věž ⇒ odvádění ohřátého vzduchu ⇒ vytvoření “umělého větru” • 1982-89: zkušební projekt v Manzaranes, Španělsko, 50 kWe • průměr komína 10 m, výška 195 m, plocha kolektorů 45 tis. m2, turbíny u paty věže • 2002: projekt „supervěže“ u města Mildura, N.S.Wales, Austrálie • 200 MWe Pinst • 1000 m vysoká věž ze železobetonu (u paty průměr cca 130 m) • skleník (fóliovník) o průměru cca 7 km • vzduch ve skleníku je až o 35 C teplejší • rychlost vzduchu ⇒ až 17 m/s • 32 turbín v segmentech po 4 • investice: 440 mil. USD (cca 68 tis. Kč/MW)
OZE Sluneční energie
str. 22
Futuristické představy: • satelity na geostacionární dráze – rozsáhlá pole slunečních článků • přeměna na mikrovlnné záření, přenos na Zemi
OZE Sluneční energie
str. 23
