Slnecná energia
SLUNECNÍ ENERGIE
Lidstvo na celé Zemi spotrebuje každou vterinu 10 TW (terrawattu), což je 10 000 000 000 000 wattu. Z ceho tuto energii vlastne získáváme? Po zralé úvaze dojde vetšina z nás zrejme k názoru, že prevážne z fosilních paliv. Ale dnes je už jasné, že tyto zdroje energie nemají žádnou budoucnost. Za prvé jsou necisté, drahé, znecištují životní prostredí a za druhé jich velmi rychle ubývá. Dnešním tempem vycerpáme ložiska fosilních paliv za velmi krátkou dobu. Už je opravdu na case poohlédnout se po jiném zdroji energie. Dnes jsou již vyvinuté technologie získávání energie z jiných zdroju, kterým se obecne ríká alternativní zdroje energie. Jeden z techto zdroju se nachází prímo nad námi a vidíme ho takrka každý den. Je to Slunce. A tímto alternativním zdrojem energie bych se v této práci chtel zabývat. Jak už jsem rekl, spotrebujeme všichni dohromady každou vterinu 10 TW. V paprscích slunce na nás ale každou vterinu dopadá 180 000 TW. Pritom slunecní energie je cistá (vuci zemi) a je jí zatím dostatek (zásoby vodíku ve Slunci stací na deset miliard roku). Slunecní energie se dá premenit na všechny potrebné druhy energie. Zatím si zbytecne nicíme vzduch, pudu, vodu a potraviny místo abychom se snažili co nejvíce využívat alternativní zdroje energie. Možná nekdo z Vás namítne, že máme jaderné elektrárny, ale ty jsou porád ješte velkým nebezpecím a potom je tu problém jaderného odpadu. Jediný bezpecný jaderný reaktor je Slunce. Ve fosilních palivech je vlastne také uložena slunecní energie, ale je uložena nevyhovujícím zpusobem. Ze slunecního zárení se dá težit energie bez znecištování životního prostredí. Nekolik zpusobu využití slunecní energie bych tu ted rád priblížil. Chemická energie ze slunce Preskupování atomu v molekulách nazýváme chemické reakce. Pomocí chemické reakce mužeme získat látky bohaté na energii. Takovým látkám se ríká chemické palivo a slunecní zárení muže být onou energií, potrebnou k tomu, aby daná reakce probehla. Rozklad vody pomocí Slunce Pomocí slunecního zárení mužeme rozložit vodu na vodík a kyslík. Vodík je výborné chemické palivo. Dá se jím nahradit benzín, zemní plyn a kerosen. Muže se prevádet na velké vzdálenosti pomocí již existujících plynovodu a na rozdíl od fosilních paliv neznecistuje životní prostredí. Horením jednoho kilogramu vodíku se uvolní dvaapulkrát více energie než horením jednoho kilogramu zemního plynu.
Voda se rozkládá pomocí slunecního zárení nekolika zpusoby:
Nejdríve premeníme slunecní zárení na elektrický proud za pomoci slunecních clánku. Potom rozložíme vodu prutokem stejnosmerného elektrického proudu (o napetí vetším než 2 V). Rozklad vody za teplot vetších než 2 500 K (ve slunecní peci lze dosáhnout teploty až 4 000 K). Postupný rozklad vody pri stredních teplotách. Vodu lze rozložit i pri stredních teplotách, kterých lze dosáhnout ve fokusacních sberacích (fokusacní sberac soustreduje slunecní paprsky do jednoho místa). Rozklad probíhá za prítomnosti bromidu vápenatého a rtuti. Biologický rozklad. U nekterých organismu obsahujících chlorofyl muže být fotosyntéza ovlivnena tak, že se pri ní uvolnuje vodík. Zatím není jasné, které z uvedených postupu by se daly v budoucnosti užívat ve velkém merítku. Každopádne duležitost vodíku jako chemického paliva stále roste. V budoucnu muže zcela nahradit fosilní paliva a jeho získávání z vody pomocí slunecního zárení se nabízí jako vhodný zpusob. Biomasa Dalším, dnes již využívaným zdrojem energie, je biomasa. Biomasa zahrnuje všechny živé organismy na zemi. Každou sekundu se pomocí fotosyntézy ukládá do biomasy 90 terrajoulu (tedy príkon se rovná 90 terrawattu). Každý den pritom mnoho organismu odumírá a zustávají na zemi ve forme organických zbytku. Tyto organické zbytky obsahují mnoho chemické energie, která muže být využita bud prímo (napríklad horením), nebo neprímo (tj. napred se premení na nejakou vhodnejší formu energie, lepší pro dopravu i použití). V nekterých zemedelských usedlostech používají k topení a varení metan získávaný z hnoje. Metan se z hnoje uvolnuje takzvaným anaerobním kvašením, tj. bakterie rozkládají hnuj bez prístupu vzduchu. Tyto usedlosti vlastne neprímo využívají slunecní energii uloženou v organických zbytcích. Využití biomasy jako zdroje energie je jednoduché a výhodné hlavne pro zemedelské usedlosti, kde je stále dost organických zbytku (hnuj, kompost a jiné). Elektrická energie ze slunce Prímá premena Prímá premena slunecního zárení na elektrinu využívá fotovoltaického jevu, který nastává v nekterých polovodicích (napr. kremíku, germaniu aj.). Nejpoužívanejší je krystalický kremík bud jako jeden krystal, nebo jako mnoho malých krystalu. Nutno dodat, že zatím je získávání cistého monokrystalu pracné a nákladné. Tenké desticky narezané z krystalu se pokryjí z jedné strany petimocným prvkem (napr. fosforem) a z druhé strany trojmocným prvkem (napr. arzenem). Takto pokrytá desticka se nazývá slunecní clánek. Jestliže na slunecní clánek dopadá slunecní zárení, oddelí se od sebe kladné a záporné náboje. Vnejším okruhem spojujícím obe strany desticky pak tece proud. Jeden cm2 dává proud asi 12 mW (miliwattu). Jeden m2 muže na zemi v letní poledne dát až 150 wattu. V kosmickém prostoru je to až 250 wattu. Slunecní clánky se zapojují za sebou, abychom dosáhli potrebné napetí (na jednom clánku je 0.5 V) a vedle sebe, abychom dosáhli potrebný proud. Spojením mnoha clánku za sebou a vedle sebe vznikne slunecní panel. Elektrina z vesmíru? Na vodorovne položenou plochu o obsahu 1 m2 dopadá na zemi približne 1 200 kWh slunecní energie za rok. Nad zemskou atmosférou je to 12 000 kWh rocne, je to tedy desetkrát více. Nebylo by možné získávat elektrinu ze slunecního zárení v kosmickém prostoru a posílat ji pak na Zem? Ve vesmíru nejsou oblaka, nestrídá se den a noc a slunecní zárení by tedy nebylo nicím omezováno. Ve výšce 36 000 km nad zemským rovníkem obehne družice zemi jednou za 24 hodin, to jest doba, za kterou se Zeme jednou otocí a družice tedy "visí" stále nad stejným místem. Takové družici ríkáme geostacionární. Taková družicová elektrárna by se samozrejme nestavela na zemi, ale v kosmickém prostoru, materiál by byl privážen raketoplány a celé stavenište by "plavalo" ve stavu beztíže. Plánované solární panely mají velikost 5 x 12km. Temito panely by protékalo 84 000 000 kW ve dne i v noci. Tento proud by se menil na velmi krátké rádiové vlny a vysílal k Zemi. Na zemi by se tyto vlny zachytávaly, menily na strídavý proud a ten by se rozvádel do normálních sítí. Tento proud by mel hodnotu asi 10 000 000 kW. Ctyri až pet takových družic by zcela pokrylo veškerou energetickou spotrebu našeho státu. Dnes je tento projekt porád ješte ve fázi snu, ale zítra to už muže být realita. Pozemní fotovoltaické elektrárny už fungují napríklad v Saudské Arábii. Neprímá premena Elektrinu lze ze slunecního zárení získávat také neprímo, pres teplo. Termoelektrická premena spocívá v tzv. Seebeckove jevu. V obvodu z dvou ruzných vodicu vzniká elektrický proud, jestliže jejich spoje mají ruznou teplotu. Úcinnost tohoto zarízení, kterému se ríká termoelektrický clánek, závisí na rozdílu teplot a na vlastnostech vodicu. Spojením vetšího množství termoelektrických clánku vzniká termoelektrický generátor. Pri využití slunecního zárení se jeden spoj umístí do ohniska fokusacního sberace a druhý muže být ve vode nebo v pude. Slunecní tepelné elektrárny Mluvil jsem zde již o slunecní elektrárne fotovoltaické. Bohužel je toto zarízení zatím velmi nákladné. Mnohem levnejší je slunecní elektrárna tepelná, ve které se elektrina získává neprímo, pres teplo a pohybovou energii. Je to vlastne obycejná tepelná elektrárna, ale k ohrívání vody se zde používá slunecní energie. V ohnisku velkého fokusacního sberace je umísten kotel s vodou. Slunecní zárení se soustreduje na kotel pomocí mnoha otácivých zrcadel. V kotli vzniká horká pára, která pohání turbínu, turbína pohání generátor a generátor vytvárí elektrický proud. Mechanická energie ze slunce Slunecní motor Slunecním motorem rozumíme zarízení, které jakýmkoliv zpusobem (tj. prímo i neprímo) mení slunecní energii na mechanickou. Prímá premena není príliš úcinná. Setkáváme se s ní zatím jen ve futuristických vizích a v technických hríckách (napr. slunecní vetrník). Daleko úcinnejší je premena neprímá - pres elektrinu nebo teplo. Princip tepelného slunecního motoru je velmi jednoduchý. Teplo získané ve slunecním sberaci ohrívá pracovní látku, ta se mení na páru a pohání turbínu. Potom se ochladí, zkondenzuje, je znovu vedena výparníku a tak porád dokola. Jako pracovní látka se užívá cpavek, propan, butan, oxid uhlicitý a jiné. V praxi se slunecní motor dnes již využívá na více než sto místech jako pohon pro vodní cerpadlo. Voda cerpaná ze studny zároven ochlazuje kondenzátor a slunecní sberace pritom slouží i jako úcinná klimatizace, protože prostor pod nimi se neohrívá. Tyto pumpy pracují obvykle v místech se silným slunecním zárením (Sahara, Mexiko, stredoasijské republiky). Slunecní automobil Vetšinu automobilu dnes pohánejí fosilní paliva. Ale je zde nekolik duvodu, kvuli kterým bychom tyto zdroje energie nemeli využívat a radeji je nahradit jinými - treba slunecním zárením. Existuje nekolik zpusobu jak pohánet automobily prímo ci neprímo slunecní energií. Tady je nekolik z nich. Opilá auta V Brazílii už jezdí mnoho automobilu, které mají vzadu nápis Movido a alcohol. Jsou to obycejná auta, ale místo benzínu používají alkohol, napríklad líh. Alkohol získávají kvašením cukrové repy, kasavy (americká rostlina pestovaná pro jedlé hlízy) nebo ananasu. Z výfuku pak vychází vodní pára a oxid uhlicitý. Nutno dodat, že benzínový motor se dá snadno predelat na motor lihový. Auto na vodík Rozložením vody získáme vodík a kyslík. Smes vodíku se vzduchem se potom dá v autech užít místo smesi benzínové. Prototyp vodíkového automobilu zatím vyvinula firma Mercedes. Protože vodík je velmi výbušný, užívá se v autech vodík vázaný na nejaký prvek (tj. ve forme hydridu). Elektrický pohon z vody Automobil mureme pohánet i pomocí chemické a následne elektrické energie a to následujícím zpusobem. Rozložíme vodu pomocí slunecního zárení na vodík a kyslík. Potom oba plyny znovu sloucíme (tj. okyslicíme vodík) a vznikne znovu voda. Nahromadená energie se pritom uvolní ve forme elektriny. Elektrinou z palivového clánku napájíme elektromotor nebo akumulátor. Pokud elektrický proud z palivového clánku napájí prímo motor, proud je vetšinou slabý a auto jede jen když svítí slunce. Lépe se zatím osvedcilo nabít nejdríve akumulátor a tím pak pohánet automobil. Pomocí vhodných akumulátoru se dá najezdit až 300 km pri rychlosti do 90 km/h. Potom se akumulátor vybije a je treba vymenit ho za nabitý. Pro normální ježdení je tento akcní rádius i rychlost zcela dostacující. Pritom elektromobil jezdí potichu a neznecištuje životní prostredí. To byly zpusoby získávání energie ze slunce. A ted bych se chtel zmínit o nekolika možnostech jednoduchého využití slunecní energie v soucasnosti. Slunecní ohrívac vody Slunecní ohrívac vody pracuje na velmi jednoduchém principu pohlcování svetla. Za cerným materiálem (dále sberac), který dobre vede teplo proudí studená voda. Sberac pohlcuje slunecní zárení a tím ohrívá sebe a následne i vodu. Teplá voda stoupá vzhuru do zásobní nádoby a odtud je vedena do vodovodu. Na její místo proudí voda studená. Takto voda obíhá a ohrívá se, dokud je teplo prijaté sberacem vetší než tepelné ztráty celého ohrívace. Zvlášte v období od jara do podzimu ušetrí tento ohrívac znacné množství energie. Slunecní sušicka Stejne jako voda se dá v takovémto ohrívaci ohrívat i vzduch. Ten v tomto systému cirkuluje stejne jako voda a v sušící komore se muže sušit jakýkoliv materiál. Slunce vytápí dum Pasivní slunecní topení Každý dum je vlastne sberac slunecního zárení. Toto sbírání však vetšinou není moc úcinné. Je nekolik zpusobu jak je vylepšit. Sokratuv dum Za tímto pojmem se skrývá budova, která má (pokud možno co nejvetší) dvojité okno (nebo okna) obrácené k jihu. Svetlo projde oknem, zmení se na teplo a to už oknem neprojde. Strecha Sokratova domu nad jižním oknem precnívá tak, aby bylo okno vystaveno slunecnímu zárení v léte nejméne a v zime nejvíce. Ohrívání pres strechu Další jednoduchý zpusob ohrívání domu pomocí slunecního zárení spocívá v umístení cerných vaku s vodou ci jinou vhodnou látkou na rovnou, vodivou strechu. Ve dne se zárení nahromadí ve forme tepla do vaku. Na noc se vaky prikryjí izolacními deskami, aby teplo neunikalo ven, ale pronikalo skrz strechu dovnitr. V parném léte muže tento systém sloužit naopak jako klimatizace. Vaky se v noci odkryjí a vyzarováním se zchladí a ve dne prikryjí a ochlazují budovu. Sudy jako topení Zajímave je vytápení rešeno v takzvaném Baerove dome v Albuquerque (v Novém Mexiku). Tento dum má velké dvojité okno obrácené ke slunci a za tímto oknem je stena ze sudu. Tyto sudy jsou postavené na sebe a jsou cerné smerem k oknu a bílé smerem do domu. Pres den akumulují slunecní zárení a na noc jsou prikryté izolacní deskou a vyzarují teplo do domu. Využití skleníku Mnoho lidí pestuje zeleninu ve skleníku. Ale skleník muže sloužit i k vytápení domu. Kombinace skleníku a vytápení domu už byla realizována na mnoha místech a mnoha zpusoby. Pro príklad uvedme domek zvaný P.E.I.Ark postavený v Kanade v roce 1976. Rozsáhlý dum je spojen s velkým a dlouhým skleníkem. Tento skleník dovoluje pestovat zeleninu i jiné rostliny po celý rok a zároven vyhrívá dum a bazén pro chov ryb. Rodina, která zde žije získává elektrinu z vetrné elektrárny. Prodejem ryb a zeleniny získává peníze na nákup potrebných vecí. Tento biologický systém je témer sobestacný a hlavne nemá žádné negativní vlivy na okolí. Doufejme, že se tyto stavby brzy rozšírí. Slunce cistí vodu Slunecní destilátor Na mnoha místech zeme je nedostatek pitné vody. Proto se už delší dobu užívají tzv. slunecní destilátory. Slunecní destilátor je schopen vycistit znecištenou, slanou ci jinak závadnou vodu. Jeho princip je velmi jednoduchý. V ploché nádobe s cerným dnem i stenami je nalita nebo zvolna protéká znecištená voda. Nádoba je prikryta nakloneným sklem. Slunecní zárení ohrívá cerné dno a steny a ty ohrívají vodu. V dusledku skleníkového efektu se voda vyparuje a stoupá vzhuru. Na chladném skle se potom sráží a stéká po nem do pripravené nádoby. Duležité je, že necistoty se neodparí a tak je vysrážená voda cistá. Budoucnost slunecní energie Slunce je vhodným zdrojem energie pro budoucnost. Ale její využívání ve velkém bude vyžadovat i zmenu životního stylu. Budeme si muset odpustit zbytecné spotrebice energie a naucit se žít skromneji. Ted sice mužeme žít v prepychu, ale na úkor naší Zeme. Položme si ted otázku: "Kam tento svet pod vedením lidí vlastne speje?" I když si to mnoho lidí nechce pripustit, v hloubi duše všichni víme, že do zkázy. Presto dál žijeme v luxusu, chleba si krájíme elektrickým nožem, kupujeme si naparovací žehlicku W.S.Profesional, která vyžehlí ctyri ubrusy pod sebou a pereme košile s uzlem na rukávu. Denne pálíme další a další tuny fosilních paliv a znecištujeme tak další a další tuny již tak dost špinavého vzduchu. Zeme se ale naštestí sama brání tím, že nám fosilních paliv dala omezené zásoby. A tyto zásoby jsme již témer vycerpali. Za krátkou dobu budeme muset prejít na jiné zdroje energie, protože staré budou zcela vycerpány. V blízké budoucnosti bude muset energetickou spotrebu Zeme zajištovat jaderná a slunecní energie. Ale jaderná energie je porád velkou hrozbou at už její zastánci ríkají cokoliv. A problém jaderného odpadu ješte stále není uspokojive vyrešen. Proto cím dríve od ní budeme moci upustit, tím lépe. Smírit se s menší spotrebou energie bude pro mnoho lidí težké, ale bude to asi nevyhnutelné. A o co pozdeji s tím zacneme, o to vetší to pro nás bude potom šok.