Slnecná energia

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.