transformacni-technologie.cz/zdroje-energie.html
2.

SLUNEČNÍ ENERGIE A TECHNOLGIE PRO JEJÍ VYUŽITÍ

Jiří Škorpík, skorpik.jiri@email.cz
2.3 . . . . . . . . . . . . . .
Úvod
Energie pro život – Energie pro člověka: fototermika a fotovoltaika
2.3 . . . . . . . . . . . . . .
O Slunci a slunečním záření
Slunce – Intenzita a rozptyl slunečního záření
2.7 . . . . . . . . . . . . . .
Fototermika
Zařízení pro ohřev tekutin a akumulaci tepla – Solární kolektor – Solární elektrárna – Návrh solární soustavy pro ohřev vody
2.11 . . . . . . . . . . . . . .
Fotovoltaika
Princip činnosti a výkon fotovoltaického panelu – Umístění fotovoltaických panelů
2.14 . . . . . . . . . . . . . .
Pár slov na závěr
2.11 . . . . . . . . . . . . . .
Úloha 507: Výpočet potřebné plochy slunečního kolektoru pro ohřev vody
2.15 . . . . . . . . . . . . . .
Odkazy
2.17 . . . . . . . . . . . . . .
Přílohy
Článek v PDF
transformacni-technologie.cz/zdroje-energie.html 
2.2
Autor:
ŠKORPÍK, Jiří, ORCID: 0000-0002-3034-1696
Datum vydání:      
září 2006; říjen 2020 (2. vydání+přejmenování ze Sluneční energie a technolgie pro její využití)
Název článku:      
Sluneční záření jako zdroj energie
Název on-line zdroje: 
Transformační technologie (on-line journal at transformacni-technolgie.cz; engineering-sciences.education; engineering-sciences.education; stirling-engine.education)
ISSN:
1804-8293

Copyright©Jiří Škorpík, 2020
All rights reserved.

 Kapitola: xx
2.3
Slunce je zdrojem životodárné energie v tak obrovském množství, že je téměř nemožné, aby lidstvo někdy pocítilo její nedostatek. Je pouze na člověku, jestli ji dokáže využít
61: Slunce je zdrojem životodárné energie v tak obrovském množství, že je téměř nemožné, aby lidstvo někdy pocítilo její nedostatek. Je pouze na člověku, jak ji dokáže využít. Sluneční energie je dostupná všem.

Úvod

Energie pro život

Teplo a světlo, klimatické procesy

Ohřev atmosféry a povrchu Země slunečním zářením je hlavním zdrojem energie pro klimatické procesy. Pomocí těchto procesů je na Zemi udržováno klima vhodné pro Život, protože bez Slunce by na Zemi byla teplota pouze -263 °C (bez geotermální energie8. -270 °C). Navíc značná část slunečního záření dopadá na Zemi ve formě světla, které zajišťuje fotosyntézu3. a vidění.

Energie pro člověka: fototermika a fotovoltaika

Přímé energetické využití tepla i světla

Člověk přímým způsobem využívá sluneční záření především pro ohřev, například ohřev vzduchu či vody za skleněnou deskou. Lze dokonce vyrobit i páru koncentrováním slunečních paprsků do menší plochy apod. Souhrnně se využití slunečního záření pro ohřev nazývá fototermika a takové zařízení se nazývá solární, například solární elektrárna, solární ohřev apod. V 21. století se masivně rozšířilo využití slunečního záření pro přímou výrobu elektřiny využitím kvantových jevů v polovodičích. Tento typ technologie se nazývá fotovoltaika. Viz také kapitola Jak člověk začal transformovat sluneční energii přímo1..

O Slunci a slunečním záření

Proud fotonů

Sluneční záření je proud fotonů. V širším smyslu dopadají, alespoň na plynný okraj Země, ještě část hmoty vyvržené Sluncem (především nabité částice), která ale představuje jen zlomek energie. Z pohledu energetického toku, které představuje sluneční záření, lze také použít pojmu sluneční energie.

Slunce

Září jako černé těleso

Slunce lze považovat za černé těleso, což podle Planckova vyzařovacího zákona znamená, že září v rozsahu vlnových délek odpovídající teplotě povrchu Slunce 5770 K. Více jak polovina veškeré vyzařované energie je v oblasti viditelného spektra, které se nazývá světlem, viz spektrální zářivost černého tělesa a Slunce – např. [1, s. 64].

 Kapitola: xx
2.4

Reakce uvnitř Slunce a putování energie z jádra na jeho povrch

Energie vyzařována z povrchu Slunce se uvolňuje v jeho jádru, ve kterém probíhá za vysokého tlaku a teploty jaderná syntéza vodíku, respektive jeho izotopů deuteria a tritia, za vzniku jader helia. Energie se při takové syntéze neuvolňuje jen ve formě kinetické energie vzniklých částic, ale především v podobě velmi krátkovlnného záření gamma. Tato energie se na povrch Slunce dostává částečně vedením a v blízkosti povrchu konvekcí. Přitom dochází k rozptýlení, k pohlcení a znovu vyzáření energie tak, že na povrchu Slunce už je vyzařována energie v mnohem širším spektrum záření než gamma záření. Doba, za kterou se energie z jádra dostane na povrch Slunce je přibližně 2 000 000 let (Obrázek 64).

slunce
64: Slunce
H 81,76 % objemový podíl vodíku; He 18,17 % objemový podíl helia; 1,987·1030 kg hmotnost; 1 392 000 km průměr; 480 000 km průměr jádra; 15 000 000 K teplota v jádru; 5 770 K teplota fotosféry (viditelný povrch); 3,826·1020 MW zářivost Slunce. Literatura: [1], [2], [6, s. 313] fotografie Slunce [12] – pořízena během jedné z misí na stanici Skylab v roce 1973.

Intenzita a rozptyl slunečního záření

Sluneční konstanta

Celkové množství sluneční energie (ve formě slunečního záření ve všech vlnových délkách), které dopadá za jednotku času (s) na jednotku plochy (m2) umístěnou kolmo na směr paprsků ve střední vzdálenosti Slunce – Země se nazývá sluneční konstantou, viz Obrázek 503.

Střední vzdálenost Země od Slunce v měřítku
503: Střední vzdálenost Země od Slunce v měřítku
149,6·106 km střední vzdálenost Země od Slunce; 1 348,333 W·m-2 sluneční konstanta; 172 000 TW zářivý výkon Slunce dopadající na hranici atmosféry Země (násobek sluneční konstanty a kruhového stínu Země); 299 793 km·s-1 rychlost světla ve vakuu; 8:19 min doba, za kterou urazí záření vzdálenost Slunce-Země. Na tomto obrázku má Slunce průměr 1,425 mm a Země 0,0131 mm. Zdroj dat [2].

To co Země pohltí, musí zase vyzářit a ještě něco navíc

Země nepohltí celý zářivý výkon Slunce směrem k Zemi. Ta část záření, kterou však pohltí po různých přeměnách (Obrázek 62) nakonec zvýší vnitřní tepelnou energii Země a je vyzářena zpět do vesmíru, společně s geotermální energií a dalšími energiemi (kinetická energie dopadající meteoritů, slapová energie, energie uvolněná z jaderných reakcí...). V opačném případě by byla narušena energetická rovnováha Země, a její teplota by se začala zvyšovat. Naopak, pokud by Země vyzařovala do okolního vesmíru více energie, došlo by k ochlazování Země.

 Kapitola: xx
2.5
Bilance slunečního záření při průniku atmosférou Země
62: Bilance slunečního záření při průniku atmosférou Země
100 % představuje zářivý výkon směrem k Zemi; 31 % odraz od horních vrstev atmosféry; 17,5 % pohlceno atmosférou; 32,7 % dopadá na oceány; 4,3 % odraz od souše; 14,4 % pohlceno souší; 0,1 % spotřeba na fotosyntézu.

Dva druhy slunečního záření

Intenzita slunečního záření na povrchu Země je definovaná jako množství sluneční energie v W dopadající na m2. Intenzita je závislá na zeměpisné šířce a na oblačnosti v dané oblasti. Přitom rozlišujeme: 1. intenzitu přímého slunečního záření; 2. intenzitu difúzního slunečního záření. Výsledná intenzita dopadající na povrch Země je součtem obou uvedených intenzit, viz Vzorec 504.

Přímé sluneční záření

1/2. Přímé sluneční záření je to, které při průchodu atmosférou není odraženo ani pohlceno a znovu vyzářeno a přímo dopadá na povrch Země ze směru od Slunce.

Difúzní sluneční záření, aneb proč je nebe modré

2/2. Difúzní sluneční záření je to, které se odrazilo od částeček obsažených v atmosféře (vodní kapky, prach...) a změnilo směr – tzv. rozptyl slunečního záření. Vlnová délka difúzního záření zůstává stejná jako před odrazem. Množství difuzního záření závisí na oblačnosti a znečištění atmosféry. Například při zatažené obloze dopadá na povrch Země pouze difuzní záření. Přítomnost difúzního záření je také příčinou toho, že obloha má modrou barvu – modrá část viditelného spektra se lépe rozptyluje a ostatní část spektra naopak hůře. Bez rozptylu (atmosférických plynů) slunečního záření by byla obloha tmavá, plná hvězd s velmi jasným slunečním diskem, naskytl by se nám tedy pohled jako kosmonautům.

Intenzita slunečního záření blízko povrchu Země
504: Intenzita záření
I [W·m-2] intenzita slunečního záření blízko povrchu Země; Ip [W·m-2] intenzita přímého sluneční záření; ID [W·m-2] intenzita difuzního slunečního záření.

Úhrnné množství slunečního záření

Vedle intenzity se udává i úhrnné množství slunečního záření na jednotku plochy za určitou dobu. Pro představu je na Obrázku 63, s. 4 zobrazena mapa úhrnného množství dopadajícího slunečního záření za jeden kalendářní rok pro oblast České republiky. Při výpočtu úhrnné energie slunečního záření dopadající na vyšetřovaný povrch je třeba vycházet i z údaje o skutečné době slunečního svitu v daném období, místo pro které je výpočet prováděn a z naklonění povrchu vůči přímému záření. Při výpočtu se tedy vychází z bilančního Vzorce 505, s. 4, přitom orientaci vyšetřované plochy lze popsat prametry uvedenými na Obrázku 66.

 Kapitola: xx
2.6
Množství sluneční energie dopadající na povrch České republiky
63: Množství sluneční energie dopadající na povrch České republiky [3]
Jedná se o úhrn záření dopadající kolmo na povrch země při jasné bezoblačné obloze. Jak je patrné, množství energie se zvyšuje s nižší zeměpisnou šířkou – v Alžírsku již dosahuje měrné množství dopadajícího záření úhrnu 2000 kWh·m-2.
Denní úhrn energie slunečního záření dopadající na m<sup>2</sup> plochy
505: Denní úhrn energie slunečního záření
QS [kWh·m-2] denní úhrn slunečního záření dopadající na m2 plochy; τ- [-] poměrná doba slunečního svitu; τskut [hod] skutečná doba slunečního svitu; τteor [hod] teoretická doba slunečního svitu (100% bezoblačná obloha); QS,teor [kWh·m-2] úhrnná energie slunečního záření dopadající na daný povrch při daném znečištění atmosféry bez oblačnosti za celý den (bývá tabelována v závislosti na stupni znečištění atmosféry a úhlu orientaci osluněné plochy); QD [kWh·m-2] úhrn energie dopadajícího difuzního záření na 1 m2 plochy. Literatura [4, s. 39].
Dopad slunečního záření na obecně položenou plochu
66: Dopad slunečního záření na obecně položenou plochu
a [°] azimut Slunce; as [°] azimut osluněné plochy; α [°] sklon plochy od vodorovné roviny; h [°] výška Slunce nad obzorem; γ [°] úhel mezi slunečním paprskem a normálou vyšetřované plochy. Literatura [4, s. 24].

Dostupnost dat ke stanovaní denního úhrnu energie slunečního záření

Potřebné tabulky pro stanovení denního úhrnu energie slunečního záření vybraných lokalit v České a Slovenské republice naleznete v knize Solární tepelná technika [4]. V Tabulce 832 jsou uvedena konkrétní data pro oblast Brna. Pro čtenáře hledající optimální stálý sklon plochy α s nejvyšším průměrem úhrnu energie slunečního záření za rok je určena Tabulka 1214, ze které lze odečíst, že maximální celoroční úhrn dopadající sluneční energie dosahují plochy se sklonem 45°.

 Kapitola: xx
2.7
měsíc QS
α=0 α=15 α=30 α=45 α=60 α=75 α=90
1 leden 0,6972 0,8322 0,9428 1,0056 1,045 1,0546 1,049
2 únor 1,3462 1,6593 1,8787 2,0137 2,0998 2,1046 1,9916
3 březen 2,481 2,8192 3,0548 3,1474 3,0866 2,9726 2,708
4 duben 3,3506 3,6509 3,8442 3,8876 3,6463 3,2802 2,811
5 květen 4,7244 5,0848 5,3012 5,2496 4,6268 3,8556 2,9456
6 červen 5,5081 5,8308 5,9521 5,7907 5,2041 4,1464 3,0457
7 červenec 5,2868 5,7056 5,9564 5,8912 5,1596 4,2532 3,1832
8 srpen 4,1262 4,5343 4,7934 4,8452 4,5101 4,0054 3,357
9 září 2,955 3,4 3,71 3,835 3,755 3,605 3,26
10 říjen 1,4674 1,8411 2,1049 2,2699 2,3746 2,3842 2,2532
11 listopad 0,7492 0,9217 1,0658 1,1516 1,2075 1,2281 1,2265
12 prosinec 0,5004 0,5832 0,6428 0,676 0,6944 0,6776 0,6636
832: Průměrný denní úhrn energie dopadajícího slunečního záření pro oblast Brna
Denní úhrn je průměrná hodnota v daném měsící, ve které je započítán vliv oblačnosti a znečištění atmosféry odpovídající městu (stupně znečištění atmosféry a jejich definice pro jednotlivé případy jsou uvedeny v [4, s. 22]), výpočet je proveden pro azimutový úhel as=0° (plocha orientovaná na jih). α [°]; QS [kWh·m-2]. Výpočet hodnot do tabulky je uveden v Příloze 832, s. 17.
měsíc QS, m
α=0 α=15 α=30 α=45 α=60 α=75 α=90
1 leden 21,613 25,798 29,227 31,174 32,395 32,693 32,519
2 únor 37,694 46,460 52,604 56,384 58,794 58,929 55,765
3 březen 76,911 87,395 94,699 97,569 95,685 92,151 83,948
4 duben 100,52 109,53 115,33 116,63 109,39 98,406 84,330
5 květen 146,46 157,63 164,34 162,74 143,43 119,52 91,314
6 červen 165,24 174,92 178,56 173,72 156,12 124,39 91,371
7 červenec 163,89 176,87 184,65 182,63 159,95 131,85 98,679
8 srpen 127,91 140,56 148,60 150,20 139,81 124,17 104,07
9 září 88,650 102,00 111,30 115,05 112,65 108,15 97,800
10 říjen 45,489 57,074 65,252 70,367 73,613 73,910 69,849
11 listopad 22,476 27,651 31,974 34,548 36,225 36,843 36,795
12 prosinec 15,512 18,079 19,927 20,956 21,526 21,006 20,572
13 QS, r 1012,4 1124,0 1196,5 1212,0 1139,6 1022,0 867,01
1214: Průměrný měsíční a roční úhrn energie dopadajícího slunečního záření pro oblast Brna
Hodnoty jsou vypočítány z Tabulky 832. QS,m [kWh·m-2] průměrný měsíční úhrn energie dopadajícího slunečního záření; QS,r [kWh·m-2] průměrný roční úhrn energie dopadajícího slunečního záření. Výpočet hodnot do tabulky je uveden v Příloze 832, s. 17.

Fototermika

Ohřev látek slunečním zářením, například pro vytápění, se nejčastěji uskutečňuje pomocí solárních kolektorů, které pohlcují sluneční paprsky svou plochou, Obrázek 65a, s. 6. Pomocí koncentrujících kolektorů lze dokonce zvýšit teplotu ohřívané látky i na několik stovek stupňů a toto vysokopotenciální teplo využít například k výrobě páry a následně elektrické energie v tepelném oběhu6..

 Kapitola: xx
2.8
Příklady fototermiky
65: Příklady fototermiky
(a) slunečním kolektorem na střeše domu protéká voda, která se v něm ohřívá pomocí zachyceného slunečního záření; (b) pasivní systém využití – vnější plášť budovy Moravské zemské knihovny v Brně je konstruován tak, aby zachytil co největší množství energie v zimě a v letě stínil.

Zařízení pro ohřev tekutin a akumulaci tepla

Využítí

Pomocí solárních kolektorů lze ohřívat vodu, vzduch nebo jiné látky. Sluneční energii lze těmito způsoby využívat, jak pro vytápění, výrobu elektrické energie, tak i v chemickém průmyslu. Sluneční kolektor bývá v ČR nejčastěji spojován s ohřevem vody pro užitkové účely (teplá užitková voda) a vytápění (ústřední vytápění vodním nebo vzduchovým okruhem).

Rozhodují provozní a fyzikální vlastnosti teplonosných látek

Nejčastější teplo-nosnou kapalinou je směs vody, nemrznoucí kapaliny a antikorozní kapaliny. Nutno, při výběru teplo-nosné kapaliny, také přihlížet k její termokinetickým vlastnostem (např. příměsi ve vodě mohou výrazně měnit její viskozitu apod.) a vlivům na okolí v případě havárie. Více o požadavcích a některých nejčastějších typech teplo-nosných kapalin např. v [5, s. 102].

Akumulace i záložní zdroj tepla

Sluneční energie je neregulovatelný zdroj energie, proto solární systém bývá obvykle vybaven i malou akumulační nádrží pro zachycení a uložení nadbytečného tepla, viz Obrázek 67. Tím se vyrovnává nerovnoměrnost solárních zisků se spotřebou tepla, alespoň v průběhu jednoho dne. V  zeměpisných šířkách ČR je velmi obtížné (především investičně a v některých případech i prostorově) realizovat zařízení s celoroční akumulací tepla pro daný objekt. Kvůli tomu je nutné zdroj tepla založený na sluneční energii doplnit dalším zdrojem (elektřina, kotel na paliva...), který zajistí dostatečný tepelný výkon i v zimních měsících.

Parametry akumulace

Pro akumulaci tepla ze solárních zisků se dodávají zařízení se schopností akumulace po dobu několika hodin (základní, krátkodobá akumulace), jednoho dne (denní akumulace), po dobu týdne (týdenní akumulace), po dobu několika měsíců (sezónní akumulace). Nejčastěji se teplo akumuluje v nádobě s vodou tím, že se ohřívá s akumulační schopností 0,2 až 0,3 GJ (55,6 až 83 kWh) [13].

Akumulační nádoba

V případě krátkodobé akumulace je akumulační nádoba z ocelové izolované nádoby s přetlakem vody do 0,2 MPa o objemu kolem 600 l (princip akumulace a konstrukce těchto nádob např. v [5, s. 73]), které lze snadno umístit v bytě či domě (tepelné ztráty nádoby zůstávají uvnitř objektu).

 Kapitola: xx
2.9
Schéma jednoduchého zařízení pro ohřev teplé užitkové vody
67: Schéma jednoduchého zařízení pro ohřev teplé užitkové vody
1 solární kolektor; 2 potrubí okruhu s teplo-nosnou kapalinou; 3 cirkulační čerpadlo; 4 akumulace tepla ve formě ohřáté kapaliny; 5 pojistný ventil; 6 expanzní nádoba; 7 zpětná klapka; 8 ohřívák akumulační kapaliny solárním teplem; 9 ohřívák teplé užitkové vody nebo vody pro vytápění objektu; 10 elektrické přitápění. Celý okruh musí být vybaven pojistným ventilem proti vzrůstu tlaku vlivem přehřátí (vyvedení výfuku pojistného ventilu viz norma). Expanzní nádoba vyrovnává tlakové pulzace, aby nedocházelo ke zbytečnému otvíraní pojistného ventilu.

Nádoby a prostory pro dlohodobější akumulaci

Pro delší akumulaci se používají větší beztlakové izolované nádoby umístěné dále od spotřeby tepla např. ve sklepě nebo zakopané u objektu. Pro dlouhodobou sezónní akumulaci tepla se používají nadzemní nebo podzemní nádrže s teplou vodou, solární akumulační rybníky naplněné směsí vody a soli, podzemní kaverny naplněné teplou až horkou vodou, zemní horninové akumulátory a akumulátory Aquifer [13]. Příklad schématu zařízení s dlouhodobou akumulací tepla je uveden v [4, s. 67].

Solární kolektor

Zachycení i transformace v teplo

Je to sběrač slunečního záření, jehož prostřednictví je ohřívána teplo-nosná kapalina, nebo je solární energie koncentrována do určitého místa. Dokonalý sluneční kolektor transformuje energii slunečního záření na entalpii beze zbytku. Tato transformace se děje při dopadu slunečního paprsku na plochu absorbéru, kterým je pohlcen, viz Obrázek 68, s. 8.

Vlastnosti absobéru

Reálný absorbér vyzařuje zpět do prostoru elektromagnetické záření, přičemž intenzita vyzařování odpovídá teplotě jeho povrchu. Toto záření představuje ztrátu na výkonu kolektoru, proto dokonalý povrch absorbéru by měl mít součinitel relativní absorpce roven 1 a emisivitu rovnu 0. V reálných podmínkách lze pomocí selektivní vrstvy (například tenká vrstva tmavého kovu, jako je nikl či chrom, nanesená na vrstvu lesklého leštěného kovu – obvykle hliník) dosáhnout poměru součinitele relativní absorpce a emisivity mezi 5 až 10.

 Kapitola: xx
2.10
Základní typy a části slunečních kolektorů
68: Základní typy a části slunečních kolektorů
(a) plochý kolektor; (b) žlabový (koncentrující) kolektor; (c) vakuový kolektor s odrazovou plochou; 1 transparentní vrstva; 2 absorpční plocha; 3 izolace a skříň kolektoru; 4 odrazná plocha (reflektor); 5 skleněná trubice; 6 lesklý povlak na vnitřním povrchu trubice; 7 odrazový povlak pro tepelné záření; 8 absorpční trubky. Více o konstrukci [4, s. 96], [5, s. 29].

Uložení absorbéru

Celý absorbér bývá uložen v izolované skříní a ve směru slunečního záření zakryt transparentní vrstvou (tj. průhledná) s co nejmenší poměrnou tepelnou odrazivostí (pokud možno nulovou) průchodnou pro sluneční paprsky (sklo). Tato vrstva uzavírá kolektor proti odvodu tepla prouděním okolního vzduchu a chrání absorbér před atmoférickými vlivy (sníh, déšť, prach...).

Absorbční matrace

Pro sezónní provoz jsou určeny absorbční matrace, které nejsou umístěné v izolované skříni a chráněné transparentní vrstvou. Využívají se například pro ohřev vody v bazénech v létě.

Limity a koncentrující kolektory

Kolektory z Obrázku 68 jsou určeny především pro ohřev vody do 100 °C, výjimečně 200 °C. Existují ale i aplikace pracující s teplotami až 2000 °C pomocí koncentrace slunečních paprsků do ohniska, viz Obrázek 508. Takovým kolektorům se říká koncentrující kolektory. Nevýhodou těchto kolektorů je, že dokážou využít pouze přímé sluneční záření nikoliv difuzní.

Koncentrující kolektory
508: Koncentrující kolektory
(a) parabolické zrcadlo; (b) solární věž; (c) koncentrace paprsků pomocí čočky; (d) koncentrace paprsků pomocí Fresnelovy čočky. 1 přímé sluneční paprsky; 2 odražené sluneční paprsky; 3 ohnisko (sběrač, kaverna); 4 natáčivá zrcadla; 5 kaverna; 6 sloup.

Solární elektrárna

Užitečné spojení s tepelným motorem

V solárních elektrárnách se používají koncentrující kolektory, kde ohřívají pracovní média tepelných motorů s vnějším přestupem tepla (Stirlingův motor [20], výroba páry pro parní turbínu (Obrázek 359), pístový parní motor..).

 Kapitola: xx
2.11
Schéma zařízení solární elektrárny s parním oběhem
359: Schéma zařízení solární elektrárny s parním oběhem
a primární okruh s koncentrujícím kolektorem pro ohřev oleje; b parogenerátor; c sekundární okruh – parní oběh6. s parní turbínou; d cirkulační čerpadlo.

Proč se snažíme dosáhnout co nejvyšší teploty

Účinnost přeměny (tedy i velikost motoru vzhledem k jeho výkonu) tepla v práci je tím větší, čím větší je poměr mezi teplotou přívodu a odvodu tepla, viz kapitola Carnotizace tepelného oběhu6.. Obecně je střední teplota odvodu tepla dána teplotou okolí, kterou nelze ovlivnit, a proto je snaha, aby alespoň střední teplota přívodu tepla do oběhu byla co největší. A to lze uskutečnít právě pomocí koncentrujích kolektorů.

Základem je kvalitní výpočet energetických zisků

Návrh solárního systému představuje především rozhodnutí o velikosti a sklonu plochy solárních kolektorů na základě výpočtu, který vychází ze spotřeby tepla daného objektu pro jednotlivá období roku a předpokládaných energetických zisků v těchto obdobích. Lze očekávat velký rozdíl energetických zisků mezi zimou a létem i mezi různě skloněnými solárními kolektory, viz Tabulka 1214, s. 5.

Odkaz na rady

Rady na co si dát pozor při projektování solární soustavy, pořizování sloráních kolektorů a další doporučení s tím související naleznete v článku Chyby v instalacích solárních soustav: solární kolektory od Doc. Matušky [14].

Úloha 507:
Navrhněte velikost plochy solárního plochého kolektoru pro ohřev vody pro období prosinec. Teplo je určeno pro ohřev teplé užitkové vody v oblasti Brna. Denní spotřeba 120 l a voda se v kolektoru ohřívá z teploty 10 °C na teplotu 50 °C. Kolektor je otočený na jih se sklonem 90°. Výsledek porovnejte s velikostí solárního kolektoru pro měsíc červenec a sklon kolektoru 30°. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 507, s. 15.

Fotovoltaika

Fotoelektrický jev

Ze slunečního záření lze vyrábět elektrickou energii přímou transformací energie fotonů na elektrický proud pomocí fotoelektrického jevu, který probíhá na povrchu fotovoltaického panelu (deska), jestliže je vystaven slunečnímu záření, viz následující podkapitola Princip činnosti a výkon foto....

 Kapitola: xx
2.12

Sklaba fotovoltaické elektrárny

Soustava pro výrobu elektrické energie pomocí fotovoltaiky se skladá z fotovoltaických panelů, nezbytné řídící elektroniky a napojení na spotřebič, případně je soustava napojená na distribuční soustavu1. pro sdílení přebytku/nedostatku elektřiny nebo na akumulátory elektrické energie, Obrázek 506. Elektrické akumulátory jsou používány zejména, pokud je nutné, nebo jinak výhodné, nějakým způsobemm kompenzovat nerovnoměrnost výroby elektrické energie v průběhu dne z fotovoltaických panelů, více o této možnosti v článku Principy výroby elektřiny a tepla v domácnostech10..

Schéma fotovoltaické soustavy pro výrobu elektrické energie v domácnosti
506: Schéma fotovoltaické soustavy pro výrobu elektrické energie v domácnosti
1 fotovoltaický panel (obrázek z [9]); 2 střídač (převádí stejnosměrný proud z fotovoltaického panelu na střídavý); 3 domácnost; 4 distribuční soustava.

Princip činnosti a výkon fotovoltaického panelu

Polovodičové destičky s přechodem P/N

Standardní fotovoltaický panel se skládá z fotovoltaických (solárních) článků o velikosti okolo 10x10 cm. Fotovoltaický článek je tvořen křemíkovou (velice čistý křemík) destičkou tloušťky 0,3 až 0,5 mm. Na vrchní a spodní straně destičky je obohacen křemík rozdílnými příměsmi tak, aby tyto rozdíly vytvářely na horní vrstvě záporný náboj a na spodní kladný – horní vrstva (natočená ke slunci) je polovodič typu N(-), dolní polovodič je typu P(+). Potřebných vlastností polovodiče typu N se dosahuje například příměsí fosforu, u polovodiče typu P příměsí boru. Rozdíl el. nábojů obou desek vytvoří mezi nimi napětí o velikosti přibližně 0,5 V, viz Obrázek 509. Při dopadu slunečního záření o určité vlnové délce na horní vrstvu dojde v důsledku fotoelektrického jevu k uvolnění elektronů ve vrchní vrstvě křemíku, které jsou v důsledku napětí odváděny přes spotřebič ke spodní vrstvě pomocí sběrných vodičů na vrchní vrstvě a vodivé destičky na spodní vrstvě. Tímto způsobem vznikne elektrický obvod.

Schéma fotovoltaického článku
509: Schéma fotovoltaického článku
1 polovodič typu N; 2 polovodič typu P; 3 směr ozáření článku; 4 sběrné vodiče; 5 el. spotřebič. Aby docházelo k efektivnějšímu pohlcování slunečního záření je vrchní vrstva článků potažena antireflexní vrstvou. Více o funkci a charakteristice například v [10].
 Kapitola: xx
2.13

Obvyklé energetické parametry fotovoltaických článků

Velikost proudu, respektive výkon jednoho článku závisí na jeho ploše a pohybuje se okolo 2...3 až 6 A max. Výkon panelu závisí na počtu destiček, které jsou na něm umístěny. Pro zvýšení napětí se jednotlivé články zapojují sériově. Teoretický limit účinnosti fotovoltaického článku (množství vyrobené el. energie ku množství dopadající sluneční energie na článek) na bázi křemíku je 31 % (přičemž nejlepší laboratorní články dosahují účinnosti 26 %) [8, s. 24], viz také Shockley-Queisserův limit.

Snižování účinnosti během provozu

Většina výrobců garantuje, že účinnost fotovoltaických panelů za 25 let poklesne maximálně o 20 %. Realita je však taková, že za 25 let provozu se snižuje účinnost pouze o 6 až 8 % [7, s. 12]. Nutno podotknout, že před 25 lety účinnost fotovoltaických panelů byla velmi nízká (10 %) a prostor pro opotřebení nebyl u těchto panelů velký.

Co je Wp?

Protože výkon fotovolatického panelu je odvyslí od množství energie slunečního záření na jeho plochu dopadající, uvádějí výrobci maximální výkon panelů v jednotkách Wp, kde p znamená peak [10].

Umístění fotovoltaických panelů

Pro sklon lze využít pravidla, která jsme si uvedli ve Fototermice

Co se týká orientace fotovoltaických panelů, lze využít vše z kapitoly Fototermika, s. 5. Fotovoltaický panel má navíc tu výhodu, že je kompaktní a propojen se zbytkem soustavy pouze dráty, takže není problém umístit fotovoltaický panel i na otáčivé stojany, které mění azimut a sklon panelu podle roční a denní doby. Mnohem častější jsou ale aplikace pevně nastaveného azimutu i sklonu podobně jako u fototermiky.

Umístění, kdekoliv svítí slunce – agrofotovoltaika

Fotovoltaické panely se instalují na střechy, volné plochy a dokonce i zemědělské plochy v symbióze s pěstovanými plodinami tzv. agrofotovoltaika, viz Obrázek 565. Agrofotovoltaické systémy se podle hlavní orientace fotovoltaických panelů dělí: 1. horizontální systémy; 2. vertikální systémy;

Příklady agrofotovoltaiky Příklady agrofotovoltaiky
565: Příklady agrovoltaiky
Obrázky z [18], [16].

Výhody horizontálních systémů pro plodiny

1/2. Agrofotovoltaické horizontální systémy jsou navrženy tak, aby v době přebytku slunečního svitu stínily rostliny a zabraňovaly nadbytečnému vysušování půdy. Naopak, při ochlazení zabraňují rychlé změně přízemní teploty.

 Kapitola: xx
2.14

Výhoda vertikálních systémů pro plodiny

2/2. Agrofotovoltaické vertikální systémy jsou orientovány jih-sever, takže plodiny nejvíce zastiňují po východu slunce a před západem slunce. Na druhou stranu dodávají nejvíce elektřiny právě v době, kdy jiné fotovoltaické panely jsou orinetovány na jiha tím částečně vyrovnávají nerovnoměrnost dodávky elektřiny do sítě z fotovoltaiky během dne [17].

Solární tašky

Stavební problémy s instalací fotovoltaických panelů na střechy budov řeší tzv. solární taška. Solární taška je tvořena speciálně tvarovanou pálenou taškou s plochou pro instalaci (i dodatečnou) solárního panelu, viz Obrázek 1215. Celkový instalovaný výkon na střeše budovy se pak odvíjí od počtu takto vybavených tašek.

Solární taška PAN 29
1215: Solární taška PAN 29
Tuto solární tašku vyrábí švýcarská společnost Gasser ceramic a jedna taková taška má výkon 25 Wp, takže na 1 m2 střechy lze instalovat solární tašky s celkovým výkonem 87 Wp. Obrázek z [19].

Pár slov na závěr

Solární komín

Existují i jiné způsoby využití sluneční energie např. solární komín. Solární komín je uprostřed rozsáhlého skleníku, ve kterém sluneční záření ohřívá vzduch, Obrázek 510. Horký vzduch je lehčí než okolní a pomocí komínového efektu proudí od okraje skleníku směrem ke komínu. Na vstupu do komína, kde dosahuje vzduch nejvyšší rychlosti, je turbína (větrná turbína4.), která transformuje kinetickou energii proudu vzduchu na práci.

Souvisloti en. toků

Celková primární energie spotřebovaná lidstvem v roce 2000 byla 10 400 Mtoe. Což průměrně představuje cca 14 TW výkonu. Toto číslo představuje méně jak 9 % energie, kterou příroda spotřebuje na fotosyntézu.

Dostupné plochy v ČR pro fotovoltaiku

Sluneční záření dopadající na povrch České republiky poskytuje ročně asi 90 000 TWh energie, přičemž ploch použitelných pro fotovoltaické systémy je 50 200 000 m2, což potenciálně představuje ročně asi 50 500 GWh.

 Kapitola: xx
2.15
Solární komín
510: Solární komín
Postavený v roce 1986 v Manzanares ve Španělsku, který dosahuje výkonu až 50 kW. Přičemž 75 % plochy skleníku je využito pro pěstování zemědělských plodin. Fotografie: Benoit Michel, 2007 [11].

Odkazy

[1] KADRNOŽKA, Jaroslav. Energie a globální oteplování – Země v proměnách při opatřování energie, 2006. 1. vydání. Brno: VUTIUM, ISBN 80-214-2919-4.
[2] HLAD, Oldřich, PAVLOUSEK, Jaroslav. Přehled astronomie, 1984. 1. vydání. Praha: SNTL.
[3] ŠÚRI, M., CEBECAUER, T., HULD, T., DUNLOP, D. Global irradiation and solar electricity potential – Czech Republic, 2010. European Commission Joint Research Centre. Dostupné z http://re.jrc.ec.europa.eu.
[4] CIHELKA, Jaromír. Solární tepelná technika, 1994. 1. vydání. Praha: T. Malina.
[5] HEINZ, Ladener, SPÄTE, Frank. Solární zařízení, 2003. 1. vydání. Praha: Grada Publishing a.s., ISBN 80-247-0362-9.
[6] MACHÁČEK, Martin. Encyklopedie fyziky, 1995. 1. vydání. Praha: Mladá fronta, ISBN 80-204-0237-3.
[7] BECHNÍK, Bronislav. Fotovoltaika: Recyklace panelů na konci životnosti, Alternativní energie, 2011, č. 4.
[8] MINKEL, Jr., COLLINS, Graham, BIELLO, David, TRIVEDI, Bijal, ASHLEY, Steven, CHOI, Charles, LEMONICK, Michael. 7 radikálních energetických řešení, Scientific American, 2011, srpen. České vydání. Praha: Espero publishing, s.r.o., ISSN 1213-7723.
[9] Czech Renewable Energy Agency, 2010. Dostupné z http://czrea.org.
[10] HENZE, Andreas, HILLEBRAND, Werner. Elektrický proud ze Slunce, 2000. 1. české vydání. Brno: HEL, ISBN 80-86167-12-7.
[11] Panoramio.com, 2010. [on-line] úložiště fotografií. Dostupné z http://www.panoramio.com.
 Kapitola: xx
2.16
[12] National Aeronautics and Space Administration – NASA. Dostupné z http://www.nasa.gov, 2010.
[13] KADRNOŽKA, Jaroslav. Sezónní akumulace sluneční energie, 3T. Teplo, technika, teplárenství, 2007, č. 6. Pardubice: Teplárenské sdružení České republiky, 1996-2010, ISSN 1210 – 6003.
[14] MATUŠKA, Tomáš. Chyby v instalacích solárních soustav: solární kolektory, TZB-info, 2015, 13. duben. Praha: Topinfo s.r.o., ISSN 1801-4399. Dostupné z http://www.tzb-info.cz, [cit. 2020-27-05].
[15] RAŽNJEVIĆ, Kuzman. Termodynamické tabuľky, 1984. 1. vyd. Bratislava: Alfa, 2 sv. Edícia energetickej literatúry (Alfa).
[16] Sun'R. Framcouská společnost dodávající řešení pro agrovoltaiku. 7 rue de Clichy, 75009 Paříž. Web: https://sunagri.fr [Cit. 2020-05-28].
[17] ZILVAR, Jiří. Agrivoltaika – řešení pro nová solární pole, TZB-info, 2019, 11. květen. Praha: Topinfo s.r.o., ISSN 1801-4399. Dostupné z http://www.tzb-info.cz, [cit. 2020-28-05].
[18] Next2Sun. Německá společnost dodávající řešení pro agrovoltaiku. GmbH Burgsdorfstraße 8, 13353 Berlin. Web: https://www.next2sun.de/ [Cit. 2020-05-28].
[19] Gasser ceramic. Švýcarská společnost vyrábějící solární tašky. Ziegelei 8 CH-3255 Rapperswil BE. Web: https://gasserceramic.ch/ [Cit. 2020-05-28].
[20] Strojírny Bohdalice, a.s. Výrobce Koncentrační solární elektrárny CSP Dish Stirling. Strojírny Bohdalice, a.s., CZ683 41 Bohdalice 63 . Web: https://strobo.cz/ [Cit. 2020-05-28].
©Jiří Škorpík, LICENCE