Sluneční energie

Slunce je nejbližší hvězda a je, přímo nebo nepřímo, zdroj téměř všechny použitelné energie na Zemí. Sluneční energie pochází od nukleárních reakcích v jeho středisku kde teplota dosahuje až 15 milionu ºC. Děla se o fůzi, u které spojováním atomu vodíku vzniká helium, při osvobození velkého množství energie. Tímto způsobem, každé vteřiny, přechází do heliumu kolem 600 milionu tón vodíku, při čem se hmota od 4 milionu tun vodíku změní do energie. Tato energie se, ve tvaru světla a tepla, šíři ve vesmíru a tak jedna její část přichází i do Země.

Na mapě která ukazuje insolační nivó je viditelné že Evropa není na vhodném území pro exploataci, ale přes to v Evropě je přímá exploatace sluneční energie velmi rozšířena.

Nukleární fůze se odvíjí na Slunci už kolem 5 milionu lét(považuje se že je tolik staré), a podle použitelných zásob vodíku může se vypočítat že bude pokračovat v tom ještě příštích 5 miliard lét. Přestože je sluneční energie původce většiny zdrojů energie v této kapitole se koncentrujeme na přímé využívání sluneční energie. Ve optimálních podmínkách, na povrchu Země se může 1 kW/m², a skuteční hodnota záleží na lokaci, ročním období, době dne, počasí atd. Na mapě, která ukazuje insolační nivó je viditelné že Evropa není na vhodném území pro exploataci, ale přes to je v Evropě přímé využívání sluneční energie velmi rozšířené. Většinou je to výsledek politiky jednotlivých státu které subvencuji instalování prvků pro změnu sluneční energii do využitelného tvaru energie. Základní problémy využívání jsou malá hustota energetického průběhu, velká oscilace intenzity ozařování a velké výdeje.

Základní zásady přímého využívání sluneční energie jsou:

• solární kolektor – připravování horké vody a zahřívání místnostech
• fotovoltaické panele – přímá změna sluneční energie do elektrické energie
• usměrňování sluneční energie – použití ve velkých energetických továrních zařízení

Solární kolektory (Solar Collectors, Solar Thermal Heat)

Solární kolektory mění sluneční energii do tepelné energie vody (nebo některé jiné tekutiny). Systémy pro zahřívání vody můžou být nebo otevřené ve kterých voda kterou zahříváme přechází přímo skrz kolektor na střeše, nebo zavřené, ve kterých jsou kolektory vyplněny tekutinou která nemrzne(např. anti-freeze). Zavřené systémy se můžou používat kdekoli, dokonce při teplotách spod nuly. Během dne, jestli je hezké počasí, voda může být zahřívaná jenom v kolektorech. Jestli počasí není hezké, kolektory pomáhají v zahřívání vody a tím zmenšují spotřebu proudu. Solární kolektory jsou velmi užitečné i v zahřívání bazénu. V tom případě teplota vody je nízká a jednoduší je zachovat teplotu pomoci otevřených systému. Tím způsobem se zachovává teplota bazénu několika týdnu déle než bez systému hřání vody. Existuji i kolektory které přímo zahřívají vzduch. Ty způsoby přenášejí velkou část energie na vzduch. Ten vzduch se později vrací do zahřívané místnosti a způsobem zachovává teplotu v místnosti. Kombinaci zahřívání vzduchu a zahřívání vody může se docílit velmi velká úspora.

Solární kolektory se nejčastěji montuji na střechy domů. Velmi jsou výhodné pro zahřívání vody za slunečného počasí. Když je špatné počasí můžou se používat v kombinaci s elektrickým ohřívačem vody.

V EU se značně zvětšuje množství montovaných systému pro zahřívání vody a místnostech. V roce 2000 poprvé překročili mez od milion m² nově instalovaných slunečních kolektoru (instalováno je 1046140 m² slunečních kolektoru). Německo a Rakousko jsou vůdce ve využívání sluneční energie pro zahřívání. Německá kompanie pro promoci tepelní sluneční energie "Solar Na Klar", ukazuje velkou úspěšnost. V roce 2001 je instalováno 900 000 m², a v 2000 615 000 m² (+46.3%). S ohledem na celou Evropu, v Německu je roku 2000 instalováno více než 60% systému. Plán EU je instalovat 100 milionu m² do roku 2010. Podle momentálních výsledku můžeme předpokládat že bude instalováno přece kolem 80 milionu m² do 2010.

Fotovoltaické panele (Photovoltaic)

Fotovoltaické panele jsou polovodiční prvky které přímo mění energii slunečního záření do elektrické energie. Účinnost je od 10% pro levnější provedení s amorfním siliciumem, až 25% pro dražší provedení. Prozatím jsou ještě stále ekonomický nerentabilní proto že je jejich cena kolem 6000 $/kW. Na obrázku vpravo můžeme vidět způsob výroby fotovoltaických panelů. Fotovoltaické panele se můžou používat jako samostatní zdroje energie nebo jako sekundární zdroj energie. Jako samostatní zdroj se používá např. na satelitech, dopravních značkách, kalkulačkách a vzdálených objektech které vyžaduji dlouhotrvající zdroj energie. Ve vesmíru je i síla slunečního záření mnohem větší proto že Zemní atmosféra absorbuje velkou část záření a energie která vznikla je větší. Jako sekundární zdroje energie fotovoltaické panele se můžou, např. spojit na elektrickou síť, ale je to prozatím ještě nesplatitelné.

Fotoelektrický jev začal pozorovat Henri Becquerel roku 1839 a začátkem 20. století byl předmětem mnoho zkoumání. Jediná Nobelova cena kterou dostal Albert Einstein byla pro zkoumání solární energie. Roku 1954 Bell Labs v Spojených Státech Amerických publikovali první fotovoltaický článek který generoval použitelnou kvantitu elektrický energie, a do roku 1958 začalo vmontování v komerční aplikace (zvlášť pro vesmírný program).

V EU se momentálně zvětšuji instalované síly fotovoltaických panelech o 40% ročně. To se zdá jako velké zvětšení , ale je to vlastně malý počet a zvětšení o 40% nepůsobí zvlášť na celkové zastoupení takových zdrojů energie. V roce 2000 v EU bylo instalováno 183.5 MWp, a to je 43.6% zvětšení vztahem na rok 1999. I v tomhle je Německo s 113.8 MWp (z toho 100 MWp spojených na elektrickou síť) vedoucí stát v Evropě. To je kvůli Německému zákonu o obnovitelných zdrojech energie. Podle toho zákona odkupní cena energie z fotovoltaických panelech je 0.5 € pro kWh pro prvních 350 MWp. Plán Evropské Unie je instalování 3000 MWp do roku 2010, ale podle momentálních výsledku je viditelné že bude instalováno 1780 MWp.

Usměrňování sluneční energie (Concentrating Solar Power)

Usměrňování sluneční energie používá se pro pohon velkých generátoru nebo tepelných pohonu. Usměrňování docilujeme pomoci mnoho čoček nebo častěji pomoci zrcadel složených do talíře nebo konfiguraci věze.

Na obrázku jsou konfigurace typu "Power Tower" a "Dish". "Power tower" konfigurace používají počítačem kontrolované pole zrcadel pro usměrňování slunečného záření ke ústřední věze která pak pohání hlavní generátor. Prozatím jsou udělané systémy pro demonstraci které mají výchozí sílu větší než 10 MW. Ty nové systémy mají možnost aby pracovaly i v noci a také po špatném počasí, na ten způsob že uschovávají horkou tekutinu do zásobníku (nějaký druh termoláhev). "Dish" systémy sleduji pohybování Slunce a tím způsobem usměrňuji sluneční záření. Existuje ještě i "Trough" systém usměrňování slunečního záření, který může být velmi úspěšný. Takové elektrárny můžou mít velkou sílu: v Kalifornii je instalována elektrárna síly 354 MW. Když není dostatečná sluneční energie, systémy které usměrňuji sluneční záření můžou se normálně transformovat na přírodní plyn nebo některý jiný zdroj energie. To je možné proto že Slunce používáme pro zahřívání tekutiny a když není slunce zahříváme tekutinu některým ji způsobem. Problém u usměrňování je velké území pro elektrárnu, ale se proto elektrárny můžou vystavět, například, v pouštích. V pouštích je beztak síla slunečního záření největší. Velký problém je i cena zrcadel a systému pro usměrňování.