Sluneční energie

Slunce jako zdroj energie

Sluneční energie (sluneční záření, solární radiace) představuje v nějaké formě drtivou většinu energie, která se na Zemi nachází a využívá. Vzniká jadernými přeměnami v nitru Slunce. Vzhledem k tomu, že vyčerpání zásob vodíku na Slunci je očekáváno až v řádu miliard let, je tento zdroj energie označován jako obnovitelný.

[editovat] Projevy sluneční energie na Zemi

Podle zákona zachování energie se sluneční energie, dopadající na planetu Zemi, přeměňuje beze zbytku v jiné formy.

Mezi projevy sluneční energie na Zemi tak patří:

• Energie fosilních paliv, která vznikla v dávné minulosti z rostlinné nebo živočišné biomasy
  • uhlí
  • ropa
  • zemní plyn
• Energie větru - lišící se intenzita ohřevu jednotlivých částí planety vyvolává větrné proudění. Vítr může navíc vyvolávat na vodní hladině vznik vln.
• Energie biomasy, vzniklá přeměnou sluneční energie na energii chemických vazeb v organických sloučeninách fotosyntézou. Sem patří nejen energetické využití biomasy při spalování, ale i potravní využití živočichy (konzumenty).
• Vodní energie, kde sluneční energie představuje hybnou sílu pro koloběh vody.
• Teplo, které je většinou projevem ztrát při energetických přeměnách
• Vlastní nepřeměněná sluneční energie, o které bude řeč v tomto článku.

Mezi projevy sluneční energie na Zemi nepatří:

• Geotermální energie a její projevy (tato energie pochází z období vzniku Země a sluneční soustavy vůbec - vzniká jaderným rozpadem a působením slapových sil)
  • termální prameny
  • projevy posunu litosférických desek - zemětřesení, sopečná činnost, vlny tsunami
  • teplotní ohřev hlouběji položených míst (je zodpovědný mj. za stálost teploty v jeskyních, v praxi je využíván tepelnými čerpadly)
• Energie gravitačních sil, především kinetická energie soustavy Měsíc - Země - Slunce, projevující se jako příliv
• Energie atomových jader, vznikající při radioaktivním rozpadu prvků těžších než železo nebo naopak slučování prvků lehčích
• Energie kosmického záření, pocházející ze zdrojů mimo sluneční soustavu

[editovat] Sluneční plachtění

Tlak slunečního záření se dá ve volném kosmickém prostoru použít pro pohon sluneční plachetnice. Sluneční záření v takovém případě nepatrně, ale dlouhodobě tlačí na velkou plachtu a loď tak pomalu zrychluje.

[editovat] Dopad sluneční energie na Zemi

Sluneční energie je energií elektromagnetického záření. Spektrum slunečního záření lze rozdělit na:

• záření ultrafialové (vlnová délka pod 400 nm)
• záření viditelné (vlnová délka 400 až 750 nm)
• záření infračervené (vlnová délka přes 750 nm)

Viditelné záření tvoří asi 45 % dopadajícího záření, přičemž jeho podíl je vyšší při zatažené obloze (může dosáhnout až 60 %). V rostlinné fyziologii se používá též pojem fotosynteticky aktivní záření, což je záření o vlnových délkách přibližně odpovídajících viditelnému záření (většinou se udává rozsah 380 - 720 nm).

Příkon záření dopadajícího na povrch zemské atmosféry činí 1 373 W.m^-2[1]. Toto množství se nazývá solární konstanta. Ve skutečnosti není konstantní, neboť oběžná dráha Země kolem Slunce je eliptická, a to způsobuje kolísání ve velikosti solární konstanty přibližně 3 % (asi 40 W.m^-2). Malé změny solární konstanty jsou též spjaty s cykly sluneční aktivity, ty ale dosahují maximálně desetin procenta.

Část záření je pohlcena atmosférou. Pohlcení se týká ovšem jen některých vlnových délek:

• prakticky celé nejkratší části ultrafialového záření (do vlnové délky 290 nm je pohlceno zcela, od 290 do 320 nm zčásti) - pohlcuje ozónová vrstva ^[zdroj?]
• vybraných vlnových délek infračerveného záření (pohlcení především oxidem uhličitým a vodou)

Ve viditelné oblasti je pohlcení jen částečné a závisí na síle vrstvy atmosféry, kterou musí záření projít. Při stejné výšce slunce nad obzorem se tedy větší pohlcení odehrává v rovníkových oblastech, naopak menší v polárních oblastech a na horách. Pohlcení v polárních oblastech je ovšem zároveň zvětšeno tím, že sluneční paprsky pronikají do atmosféry pod ostrým úhlem a musí tak proniknout delší vrstvou.

Množství prošlého záření udává vztah:

kde jednotlivé veličiny znamenají:

• R_g - globální záření dopadlé na vodorovný povrch Země v nulové nadmořské výšce (na hladinu moře)
• R_s - solární konstanta (s korekcí na aktuální vzdálenost Země od Slunce)
• k - koeficient propustnosti atmosféry (závisí na jejím „zašpinění“), většinou se pohybuje mezi 0,7 a 0,9
• α - úhel výšky slunce nad obzorem
• cosec α - cosecans úhlu α, tj. 1 / sin α

Není-li povrch vodorovný, lze psát vzorec (1) přibližně jako

a pak nově použité veličiny značí:

• α' - úhel naklonění plochy směrem k jihu
• β - azimut Slunce (jih = 180°)

V našich podmínkách činí globální radiace na vodorovném povrchu:

• v letním poledni max. 1 000 až 1 050 W.m^{-2 [zdroj?]}
• v zimním poledni max. 300 W.m^-2
• při souvisle zatažené obloze max. 100 W.m^-2
• v noci (při úplňku) max. 0,01 W.m^-2

Teoreticky může být hodnota krátkodobě i přes 1 100 W.m^-2, a to pokud jsou na obloze rozptýlená světlá oblaka, od nichž se záření silně odráží.

[editovat] Základní přeměny sluneční energie

Lze ji popsat rovnicemi pro čistou radiaci

kde jednotlivé veličiny vyjadřují následující:

• R_n - čistá radiace (po odečtení albeda a dlouhovlnného vyzařování)
• R_a - albedo (procento odraženého záření)
• A - fotosyntéza (vyjádřená v energetických tocích)
• Q - teplo spotřebované na ohřev vegetace
• G - tok tepla do půdy
• H - pociťové teplo
• LE - latentní teplo výparu neboli evapotranspirace

Součin LE představuje energetickou hodnotu vypařené vody, kterou lze vypočítat jako množství vody E (v mm, neboli l.m^-2) vynásobené měrným latentním teplem výparu L (při teplotě 20 °C platí L = 2439 kJ.kg^-1).

Protože A a Q jsou svým podílem zanedbatelné (obě složky činí zpravidla do 1 % čisté radiace), lze tyto členy v rovnici (4) zanedbat a psát ji v zjednodušeném tvaru jako

Poměr nejvýznamnější složek, tedy pocitového tepla a latentního tepla, označujeme jako Bowenův poměr β

[editovat] Využití sluneční energie

Slunečními paprsky dopadne na povrch Země přibližně 1kW/.³. Toto číslo se nazývá solární konstanta. Tuto energii lze využít přímo:

• pro výrobu elektrické energie (obvykle Fotovoltaický článek ale také Stirlingův motor
• pro ohřev teplé užitkové vody
• vytápění

Solární panely

Nepřímo se sluneční energie v přírodě přeměňuje na potenciální energii vody (využívaná ve vodních elektrárnách), kinetickou energii vzdušných mas (vítr) a chemickou energii biomasy (včetně fosilních paliv, kde akumulace sluneční energie proběhla před dlouhou dobou).

[editovat] Solární články

Podrobnější informace naleznete v článku Fotovoltaický článek.

Solární články (sluneční baterie) jsou polovodičové prvky, které mění světelnou energii v energii elektrickou.

Fotoelektrický efekt vysvětluje vznik volných elektrických nosičů dopadem záření. Celkově se daří přeměnit v elektrickou energii jen asi 17% energie dopadajícího záření. Solární články jsou tvořeny polovodičovými plátky tenčími než 1 mm. Na spodní straně je plošná průchozí elektroda. Horní elektroda má plošné uspořádání tvaru dlouhých prstů zasahujících do plochy. Tak může světlo na plochu svítit. Povrch solárního článku je chráněn skleněnou vrstvou. Sloužící jako antireflexní vrstva a zabezpečuje tak, aby co nejvíce světla vniklo do polovodiče. Antireflexní vrstvy se většinou tvoří napařením oxidu titanu. Tím získá článek svůj tmavomodrý vzhled. Jako polovodičový materiál se používá převážně křemík. Jiné polovodičové materiály, např. galium arsenid, kadmiumsulfid, kadmiumtellurid, selenid mědi a india, nebo sirník galia se zatím zkoušejí. Krycí sklo chrání povrch solárních článků i před vlivy prostředí.

Využití solárních článků:

Využití těchto článků je různorodé. Od solárních kalkulaček až po energetické zabezpečení horských chat v rozsahu jednotek až desítek kW. Elektrický výkon je dán celkovou plochou a účinností solárních článků. Při ploše 1dm2 a plném slunečním svitu může dávat článek výkon 1,25 W a to při napětí 0,5 V a proudu 2,5 A. Vyšší napětí se získá sériovým řazením a větší proud paralelním řazením. Panel bývá složen z 33 až 36 křemíkových solárních článků. Nevýhodou je ale řádově vyšší cena proti klasickým zdrojům.

[editovat] Reference

1. ↑ Bedřich Heřmanovský, Ivan Šotl: Energie pro 21. století, skripta ČVUT 1992