Slnečná a Veterná energia

Obnoviteľné zdroje Zeme
Slnečná energia

Slnko je len jednou z biliónov hviezd, ale je pritom zdrojom energie každého známeho živočícha a samotnej Zeme. Slnečná energia, ktorá sa dostáva na Zem každých 40 minút, stačí k tomu, aby uspokojila celoročné energetické potreby každého človeka. Fosílne palivá – ropa a uhlie – sa využívajú v takej miere, že zásoby budú vyčerpané niekedy v druhej polovici nasledujúceho storočia. Jadrové elektrárne, kedysi považované za dobrú alternatívu, sa ukázali riskantné. Dôkazom toho bola jadrová katastrofa, ku ktorej došlo v roku 1986 v Černobyle, v Sovietskom zväze. Slnečná energia je jednou z najčistejších a najbezpečnejších náhrad za fosílne palivá. Približne 30% slnečného žiarenia dopadajúceho na Zem je odrážané atmosférou a ďalších 20% je pohltených. Iba 50% teda prenikne k zemskému povrchu, je to však ekvivalent výkonu zhruba 170 miliónov najväčších elektrárni na svete. V modernej solárnej peci sú slnečné lúče sústredené na tavenie kovov. Jedna takáto pec sa nachádza vo Francúzsku, v Mont Louis. Jedna jej strana je vytvarovaná a pokrytá reflektormi tak, aby vytvárala obrovské zakrivené zrkadlo. V ohnisku pred zrkadlom je komora, ktorú môže takto usmernené slnečné žiarenie zahriať až na 3000°C, čo už je teplota dostatočne vysoká k roztaveniu väčšiny kovov.
V dnešnej dobe sa slnečná energia využíva aj na tzv. priame solárne vytápanie domácností. Taký dom má veľké okná na strane kde svieti poludňajšie slnko, a omnoho menšie okná na druhej, chladnejšej strane. Slnečná energia sa ďalej využíva aj k ohrevu vody. Slnko ohrieva vodu pretekajúcu plochými panelmi, ktoré pracujú ako obrátené radiátory – absorbujú žiarenie na ohrev vody. Panely sú obvykle umiestnené na streche domov a natočené tak, aby zachytili čo najviac priameho slnečného žiarenia. Studená voda sa pumpuje cez panely a ohrieva žiarením, ktoré panely absorbujú. Solárne články
Solárne články sú elektrické zariadenia, ktoré využívajú fotogalvanický efekt k tomu, aby premenili svetlo na elektrické napätie. Každý článok produkuje ale len malé napätie, preto sú pre zaistenie dostatočnej dodávky elektriny potrebné súbory prepojených článkov. Články sú vyrobené z polovodivého materiálu, obvykle silikónu. Svetlo v tomto materiále uvádza do pohybu pozitívne a negatívne náboje (fotoefekt). Vnútorné elektrické pole tieto náboje uvoľňuje. Takto vzniká medzi novými kontaktami, ktoré sú umiestnené na vrchnej časti solárneho článku, napätie.

Vonkajší okruh je tým uzavretý, preteká ním elektrický prúd – jednosmerný. U niektorých solárnych článkov sa využíva iný polovodič zvaný gáliový arsenid. Tieto články sú menej výkonné než tie zo silikónu, ale sú schopné fungovať pri omnoho vyšších teplotách. Vďaka tomu sú vhodné na použitie v satelitoch, ktoré sú vystavené silným slnečným lúčom vo vesmíre. Solárne články poháňajú väčšinu umelých satelitov ale používajú sa aj do kalkulačiek a hodiniek.
Doteraz boli vyvinuté 3 tipy solárnych článkov:
1.monokryštalické články – majú najvyššiu účinnosť, až 16% (v laboratórnych podmienkach 24%)
2.polykryštalické články – premieňajú si 11 – 14% slnečnej energie na elektrinu (zostatok sú u všetkých typov straty)
3.amorfné články – polovodičový materiál je nalisovaný na 1/1 000 milimetra hrubý nosný materiál (sklo, umelá hmota). Ich výroba je najlacnejšia, avšak aj účinnosť je veľmi nízka (len 5 – 6%).
V roku 1981 preletelo ľahké lietadlo Solar Challenger kanál La Manche, pričom jediným zdrojom jeho energie bolo slnečné žiarenie dopadajúce na slnečné články pokrývajúce jeho krídla, a energia z nich získaná poháňala elektricky riadené vrtule. Na Floride, v USA, existuje verejná telefónna búdka poháňaná súborom solárnych článkov umiestnených na streche. Solárne články sú veľmi spoľahlivé. Akonáhle sa namontujú, nepotrebujú v podstate žiadnu údržbu a môžu byť ponechané v chode niekoľko rokov bez kontroly. V Spojenom kráľovstve sú solárnymi článkami poháňané niektoré ľuďmi neobsluhované majáky. Súbory týchto článkov sa používajú aj na pohon niektorých neobsluhovaných meteorologických staníc pozdĺž pobrežia. Elektrická energia získaná zo solárnych článkov nie je závislá na teplote, ale na svetle. Preto je možné pomocou solárnej energie udržiavať v chode maják s výkonom 360 kW, dôležitý pre pristávanie lietadiel na zamrznutých pustatinách Aljašky. Súbory fotogalvanických článkov sa od 60. rokov používajú k výrobe elektrickej energie pre komunikačné satelity. Solárny modul skladajúci sa zo sady silikónových fotogalvanických článkov, spojených v sérii, aby zvýšili napätie vyvolané keď na ne dopadne slnečné žiarenie, dosahuje maximálny výkon približne 2A pri 17V, takže výsledná energia je 34 Wattov. V budúcom storočí by nám ambiciózny projekt predložený Dr. Petrom Glaserom, mohol zaistiť energiu z vesmíru. Predstava Dr. Gasera je taká, že by sme mali na obežnej dráhe okolo Zeme flotilu 40. satelitov, vybavených obrovskými súbormi solárnych článkov.

Vyprodukovaná elektrina bude premenená na mikrovlny a zoslaná do prijímacích staníc na Zemi, kde budú opäť premenené na elektrickú energiu. Podľa Európskej vesmírnej agentúry (ESA) by mohlo 40 satelitov do roku 2040 zabezpečiť štvrtinu požadovaného množstva elektriny pre Európu. Vedci však aj tu našli úskalia. Silné mikrovlné žiarenie zo satelitov by doslova uvarilo akýkoľvek druh vtáctva alebo nekovové lietadlo ním prelietajúce. Mnohí sú ale presvedčení, že značná časť našej energie bude v budúcnosti prichádzať z týchto vesmírnych elektrární. Využitie energie vetra

Na rozdiel od priameho slnečného žiarenia, ktorého je nedostatok najmä v energeticky náročnejšom období – v zime – je energia vetra dostupnejšia práve v tomto čase. Využitie vetra nie je novou myšlienkou, energia vetra sa využíva už mnoho storočí. Ako prvá dokázala vietor využiť lodná doprava. Asi v 17. storočí sa začal vietor využívať na pevnine – postavili sa prvé veterné mlyny. V niektorých oblastiach sveta sa vietor využíva na pohon vodných čerpadiel. Systémov, ktoré premieňajú silu prúdenia vzduchu na rotačný pohyb existuje niekoľko. Najväčšie zastúpenie však majú systémy s listovým horizontálnym rotorom umiestneným na vysokej veži nad terénom krajiny. Po desiatkach rokov testovania sa ako najspoľahlivejšie a najefektívnejšie ukázali trojlistové vrtule. Ich lopatky môžu pracovať na odporovom princípe, sú jednoduchšie, ale premena je menej efektívna. Modernejšie riešenie je využitie vztlakového princípu podobne ako pri leteckých vrtuliach. Súčasné priemyselne vyrábané veterné elektrárne so strednými a vyššími výkonmi využívajú práve vztlakový princíp pohybu listov. Napriek relatívne veľkému výskytu vetrov počas roka nie každá oblasť je vhodná na stavbu veternej elektrárne. V hornatom teréne, aký je charakteristický pre Slovensko, je vzduchové prúdenie pomerne nerovnomerné. V dôsledku terénnych prekážok sa mení intenzita i smer vetra, vznikajú nevhodné turbolencie. Preto na posúdenie danej lokality treba niekoľkoročné účelové meranie s registračným anemometrom, ešte lepšie je však špecializované dynamicko-klimatologické meranie s následnou odbornou analýzou. Veľmi dobré lokality u nás sú len vo Vysokých a Nízkych Tatrách, najdostupnejšia z nich je napr.: na Chopku. Všetky sa však nachádzajú na území národných parkov v nedostupnom teréne. Medzi priateľné lokality Slovenska patria hrebene Malých a Bielych Karpát, oblasť Devínskej brány, Košická kotlina, Malá a Veľká Fatra a hrebene horských oblastí.

Z existujúcich funkčných komerčných riešení na Slovensku je nám známa len veterná elekrtáreň v lokalite Kokinda na Východnom Slovensku s inštalovaným výkonom 20kW. V príprave je veterná farma v lokalite Cerová na západnom Slovensku s inštalovaným, výkonom 4x 600kW. Testované využitie plytkých pobrežných reliéfov pri brehoch európskych krajín počíta s nasadením turbín 1,5 – 5MW na betónových ostrovčekov priamo v mori. Na ilustráciu: turbína s výkonom 630kW má priemer listov 40 m a je osadená na stožiari vysokom 40 m. Turbíny nad 1MW používajú rotory s priemerom až 70 m. Bežné turbíny sú navrhnuté (a teda aj efektívne) pri rýchlosti vetra približne 6 – 16 m/s. Lokality na Slovensku však len zriedka dosahujú aspoň minimálne rýchlosti. Rozbehové rýchlosti bývajú 2 – 3,5 m/s. Najrozvinutejšou krajinou v oblasti veternej energetiky je v súčasnosti Nemecko s inštalovaným výkonom 6 113MW( údaj z roku 2001). Nasledujú USA, Dánsko, Španielsko (všetky po cca 2 000MW) a ďalšie pobrežné štáty.

Zdroje:

Vedecké časopisy -