(zveřejněno: úvod 01-10-2016; aktualizováno: 11-05-2018)
ÚVOD
Slunce, Země, lidé...
Poslední desetiletí se vyznačuje prudkým rozvojem technologií přímo využívajících sluneční energii. Ruku v ruce s technickým pokrokem v této oblasti se podstatně změnil také pohled společnosti na tyto tzv. Obnovitelné zdroje energie (dále jen OZE).
Množství dopadající energie je obrovské a za několik desítek minut dopadne na Zemi ze Slunce tolik energie, kolik lidstvo spotřebuje za celý rok. Logickým vyústěním tohoto stavu, spolu s vyspělými technologiemi, je tedy snaha o maximální využití této energie. Důležitou předností přímé sluneční energie je její čistota a všudypřítomnost na celém povrchu Země. Příroda nám tak nabízí ve slunečním záření energetický zdroj, který je prakticky neomezený nejen co do množství, ale i co do trvání.
Časový horizont, ve kterém bude Slunce ještě poskytovat lidem, zvířatům a rostlinám energii, je z hlediska délky lidského života nepředstavitelný. V následujícím seriálu článků bychom se chtěli pokusit nad touto oblastí energetiky zamyslet a také ji představit trochu podrobněji.
Člověk již odpradávna uctíval Slunce jako dárce života, světla a tepla. Udávalo rytmus všeho živého kolem a bylo patrně jedno z prvních věcí, kterým dal člověk jméno.
Slunce, jak jej poznala věda, je obrovská masa žhavých plynů s těmito parametry:
>>> vzdálenost od Země: cca 150.000.000 kilometrů
>>> tvar: koule
>>> průměr: 1.400.000 km (109 x víc jak průměr Země)
>>> objem: 1.300.000x větší než objem naší planety
>>> teplota ve středu: 13.000.000 K
>>> teplota na povrchu: 6.000 K
>>> zářivý výkon: 4 x 1023 kW = 400 YW [yottawatt]
>>> chemické složení: vodík s příměsí helia a nepatrné množství dalších prvků
>>> sluneční konstanta: cca 0,14 W/cm2/min (celkové množství energie dopadající na plochu ve vzdálenosti 150.000.000 kilometrů od Slunce)
Energetický motor naší planety
Veškerá sluneční energie vzniká a zároveň se také uvolňuje při termonukleární syntéze v nitru, neboli jádru Slunce, při které se, zjednodušeně řečeno, vodík mění v helium. Při tomto procesu vzniká obrovské množství energie, která je ve formě zářivé energie vyzařována do okolního vesmíru. Na Zemi přitom dopadá pouze asi 1/10.000.000.000 sluneční zářivosti. Nejpodstatnější vliv pro život člověka má biosféra, neboli vrstva Země, ve které existuje život. Sluneční záření v biosféře vyvolává řadu životně důležitých procesů a určuje všechny životní pochody, které jsou pro náš život nepostradatelné (např. déšť, vítr, mořské proudy atd.)
Z celkové sluneční energie dopadající na povrch naší planety přechází do biosféry přibližně pouze jedno promile. Celková roční produkce ústrojných látek rostlin na celém světě přitom činí desítky miliard tun zelené hmoty. Z ní žije celá biosféra včetně člověka.
Fotosyntéza
Název fotosyntéza znamená doslovně „ skládání pomocí světla“. Jde o skládání ústrojných sloučenin v zelených rostlinách pomocí molekul chlorofylu, neboli zeleně listové. Molekula chlorofylu řídí fotosyntézu podle následujícího schématu:
kysličník uhličitý + voda + světlo → ústrojné sloučeniny + kyslík
(ze vzduchu) (oceány, půda) (ze Slunce) (potrava) (do atmosféry)
Energie vázaná fotosyntézou do ústrojných látek rostlin se skládá ze dvou částí. Jednu zelené rostliny spotřebují pro vlastní pochody a druhou ukládají do organických látek v nové tkáni, odkud může kdykoliv vstoupit do řetězce výživy biosféry. Za normálních okolností jsou ústrojné látky vytvořené rostlinami stálé.
Působením vysoké teploty se však slučují se vzdušným kyslíkem a formou hoření uvolňují svoji chemickou energii ve formě tepla. Ústrojné látky, které byly po milióny let ukládány v zemi, jsou v posledních 150 letech hlavním zdrojem energie na naší planetě.
Fosilní paliva
Názory na zásoby fosilních paliv na Zemi se velmi liší, a to v řádech až stovek let. Zatím co ještě před několika lety někteří odborníci tvrdili, že zásoby např. ropy vydrží jen pár desítek let, dnes, mimo jiné také díky novým technologiím těžby, se uvádí, že zásoby jsou na stovky let. Jisté je však jedno, ať zásoby vydrží 100 nebo 500 let, nové se z pohledu ukládání do země již prakticky netvoří. Budoucí generace tak budou stát nevyhnutelně před vážným problémem, a totiž, jak pokrýt neustále se zvyšující energetické nároky lidstva. Je proto třeba začít hledat nové energetické zdroje, a to i mimo biosféru. Jedna z možností se přitom nabízí – přímé využití sluneční energie.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1.POKRAČOVÁNÍ
Lidé a příroda
V úvodu k problematice OZE jsme se zmínili o závislosti celé biosféry a tedy i člověka na slunečním záření. Patrně neexistuje druh rostlin nebo živočichů, kteří by nebyli nějakým způsobem slunečním zářením ovlivňovány. Na slunci a jeho činnosti je závislé také počasí, neboli okamžitý stav atmosféry, a do značné míry i podnebí.
Pokrok společnosti byl vždy těsně spjat s využitím energie. Avšak rostoucí úroveň společnosti znamená také stále rostoucí spotřebu energie a tedy i rychlejší úbytek tradičních zdrojů energie, tzv. fosilních paliv. Jedním z nepříznivých důsledků zvyšování životní úrovně a tedy i spotřeby energie je narušování rovnováhy v přírodě a neodvratné poškozování a ničení životního prostředí.
Trvale udržitelný rozvoj
Omezenost energetických zdrojů biosféry a nejistota z následků narušení přírodní rovnováhy a poškozování životního prostředí nutí moderní společnost se přizpůsobit a další rozvoj postavit na principech tzv. trvale udržitelného rozvoje. Sem patří i hledání nových zdrojů energie.
Řízené štěpné jaderné reakce již dlouho slouží jako vydatné energetické zdroje v atomových elektrárnách. Další, zatím spíše jen teoretickou možností, je řízená termonukleární reakce neboli fúze. Zatím co v nitru Slunce termojaderná fúze probíhá díky obrovským tlakům a teplotám samovolně, v laboratorních podmínkách na Zemi se zatím nedaří, když naráží na základní problém, jak udržet na dlouhou dobu horkou plazmu. Tak se z technického hlediska a z hlediska čistoty prostředí jeví jako nejvýhodnější přímé využití sluneční energie.
Přímé využití sluneční energie
Přímé využití sluneční energie je vlastně zachycení slunečního záření a jeho přeměna ve vhodnou formu energie. I když množství dopadající energie ze Slunce je obrovské, přece jen jeho využití naráží na některé nevýhodné vlastnosti slunečního záření.
>>> Energie slunečního záření je rozprostřena na velkou plochu a má tedy malou hustotu. Na plochu 1 m2 dopadá za ideálních podmínek kolem 1 kW sluneční energie. Pokud vezmeme v úvahu, že například průměrná účinnost zařízení na přeměnu elektrické energie je mezi 15 – 20%, musí mít naše zařízení reálně plochu 8 – 10 m2, aby mohlo za daných okolností dodávat špičkový výkon 1 kW.
>>> Další nepříznivou vlastností slunečního záření je jeho přerušovanost. Střídání dne a noci a dále jasné a zatažené oblohy znamená, že dodávka slunečního záření nemůže být trvalá pro žádné místo na zemském povrchu. Pouze v kosmickém prostoru odpadá střídání dne a noci a oblačnost, takže tok sluneční energie může být využíván nepřetržitě.
>>> Zeměpisná šířka a klimatické podmínky jsou třetím omezujícím faktorem pro využití sluneční energie. Podnebí s vysokou oblačností a severní a jižní šířky nad 50° nejsou vhodné pro přímé využití sluneční energie.
Nejobvyklejšími způsoby přímého využití jsou tedy:
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
2.POKRAČOVÁNÍ
Jak jsme si již v úvodu našeho seriálu o obnovitelných zdrojích zmínili, veškerá sluneční energie vzniká a zároveň se také uvolňuje při termonukleární syntéze v nitru, neboli jádru Slunce. A dále, že za několik desítek minut dopadne na Zemi ze Slunce tolik energie, kolik lidstvo spotřebuje za celý rok. Sluneční záření nám neposkytuje pouze teplo, ale je možné ho využít i na výrobu elektrické energie. Z hlediska ochrany životního prostředí se jedná o mimořádně čistý způsob výroby, při němž nevznikají žádné škodlivé emise ani hluk a jeho primární energie je prakticky nevyčerpatelná. Fotovoltaická zařízení představují nejjednodušší způsob, jak sluneční paprsky přeměnit na elektřinu.
Možnost přeměnit světlo na elektřinu – dávná historie
Tento fyzikální jev vůbec poprvé pozorovali v roce 1876 William Grylls Adams a Richard Evans Day. O rok později jej popsal jako fotoelektrický jev Heinrich Hertz. Pozoroval z pohledu tehdejší fyziky nevysvětlitelné chování elektromagnetického vlnění při dopadu na povrch kovu. Správné vysvětlení poskytl až Albert Einstein v roce 1905, když na základě předchozích objevů Maxe Plancka v oblasti záření absolutně černého tělesa poukázal, že pouze předpoklad, že světlo se vlastně sestává z jednotlivých kvant, může záhadný fotoelektrický jev vysvětlit. Einstein za vysvětlení fotoelektrického jevu a za svůj přínos k teoretické fyzice dostal Nobelovu cenu v roce 1921.
Fotovoltaický jev
Fotovoltaická zařízení představují nejjednodušší způsob, jak sluneční paprsky přeměnit na elektřinu. Pracují na principu fotoelektrického jevu. Světelný foton s dostatečnou energií může po dopadu na vhodný materiál uvolnit elektron z valenční sféry atomu do vodivostního pásu a polovodičová struktura článku zajišťuje uspořádaný pohyb elektronů. Jsou-li elektrody propojeny vnějším obvodem, vzniká na PN přechodu napětí a proud, přechod se stává zdrojem elektřiny. Fotovoltaický článek je základním prvkem ve fotovoltaice a umí přeměnit dopadající sluneční záření na tok elektronů prostřednictvím výše popsaného fotoelektrického jevu.
Fotovoltaický článek
Fotovoltaický resp. solární článek je velkoplošná polovodičová dioda schopná přeměňovat světlo na elektrickou energii. Využívá při tom fotovoltaický jev. Po sérii pokusů ve čtyřicátých letech minulého století se současná podoba solárních článků zrodila v roce 1954 v Bell Laboratories. Při experimentech s obohaceným křemíkem byla objevena jeho vysoká citlivost na osvětlení. Výsledkem byla realizace fotovoltaického článku s účinností kolem šesti procent. Prvního a doposud nejzásadnějšího využití se fotovoltaický článek, resp. fotovoltaický panel dočkal v kosmonautice, kde fotovoltaika tvoří prakticky jediný zdroj elektrické energie pro umělé družice Země. První družicí se solárními články byla americká družice Vanguard I, vypuštěná na oběžnou dráhu v březnu 1958. Na začátku sedmdesátých let se fotovoltaické články dostaly z laboratoří a z kosmu i do průmyslové výroby a postupně nastal rozvoj jejich využití. Nejrozšířenější články jsou vyráběny z krystalického křemíku a mají účinnost 15 – 20%. Energie vložená do výroby fotovoltaických panelů je těmito panely získaná zpět za cca 2 – 4 roky a jejich životnost se pohybuje v rozmezí 20 – 25 let.
Využití fotovoltaiky
Fotovoltaika má v dnešní společnosti velmi široké uplatnění. Zatím co z počátku nacházely fotovoltaické systémy největší uplatnění v místech, kde nebyla v dosahu elektřina ze sítě (samostatné, neboli ostrovní systémy), dnes je již v podobě fotovoltaických elektráren rozšířena po celém světě a instalované výkony solárních výroben podstatně ovlivňují celkovou bilanci výroby elektřiny. Dále jsou fotovolaické panely využívány jako malé domácí výrobny elektřiny, a to jak autonomní systémy, tak i připojené do sítě.
Solární elektrárny
Největší rozmach ve výstavbě solárních elektráren u nás nastal po roce 2009, a to hlavně díky masivní státní podpoře obnovitelných zdrojů. ČR se řadí na špičku výroby solární energie v Evropě v přepočtu na počet obyvatel. Z tohoto pohledu se naše republika řadí hned za Německo a Itálii. V současné době je u nás v provozu téměř 30.000 fotovoltaických elektráren všech typů a velikostí o celkovém instalovaném výkonu přes 2100 MW. Podstatná část tohoto výkonu pochází od největších solárních elektráren, kterých je na našem území cca 100. Zbytek jsou menší systémy a zejména pak malé domácí fotovoltaické výrobny.
V podstatě je možnost připojit domácí fotovoltaickou elektrárnu ve třech režimech:
>>> Výrobna s nulovým přetokem do distribuční soustavy (DS) - off-grid
>>> Výrobna s možnými přetoky do DS, nesloužící k podnikání - on-grid
>>> Výrobna dodávající elektřinu do DS a sloužící k podnikání - on-grid
Specifická řešení solárních elektráren
Preferencí je umístění takové domácí fotovoltaiky na střeše objektu, popřípadě na fasádní systémy. Novinkou je systém s fotovoltaickou střešní krytinou. Oblast "domácí fotovoltaiky" si v posledních letech prochází velkým boomem, dochází ke vzniku nových technologických postupů (standardně používané monokrystalický křemík a polykrystalický křemík, méně rozšířené technologie amorfního křemíku a-Si, mikromorfního křemíku μ-Si a A-Si, teluridu kademnatého CdTe, dvojselenidu mědi a india CIS) a rovněž k jejich výraznému zlevnění. Konečně si snad přijdou na své i architekti, kteří mají možnost tyto vyloženě funkční prvky začlenit do svých projektů. Projektant má tak volnější ruce v uspořádání modulů, rozdělení větví, koncepci zapojení, umístění střídačů atd. U novostaveb potom musí vyznamně zvážit umístění a tvar celkového architektonického řešení.
V oblasti dotačních podpor proběhla a dále se předpokládá úprava podmínek pro poskytování dotace na výše uvedené fotovoltaické systémy. Konkrétně by měla být odstraněna podmínka na poměrně vysokou účinnost, kterou by tyto systémy dosahovaly jen s obtížemi vzhledem ke své specifické konstrukci, většinou s omezenými možnostmi natáčení panelů.
GrexEnergia podporuje využívání solární energie a zpracovává energetické posudky k dotačním programům
