Slnečná energia

Slnko ako jedna z hviezd našej galaxie predstavuje vysokostabilný a vysokovýkonný energetický zdroj, bez ktorého by sa život na Zemi nezaobišiel. Môžeme si ho predstaviť ako veľký jadrový reaktor, v ktorom prebiehajú termojadrové reakcie, ktorých základom je spaľovanie vodíka na hélium. Reakcia prebieha pri neuveriteľných teplotách až 14 miliónov °C, zatiaľ čo povrchová teplota Slnka dosahuje v priemere 6 000 °C. Tento reaktor má zásoby ešte približne 15 miliárd rokov.

Energia Slnka je zdrojom všetkej energie na Zemi. Množstvo dopadajúcej slnečnej energie na Zem je približne 14 000-krát väčšie ako celá energia spotrebúvaná ľudstvom v súčasnosti. Potom ako doputuje až k nám sa premieňa do mnohých podôb. Z časti zohrieva všetko čo sa nachádza na zemskom povrchu, z jednej časti sa mení na mechanickú energiu a takto dáva silu vetru alebo morským prúdom a z druhej časti sa mení na energiu chemických reakcií, ktoré prebiehajú vo všetkých organizmoch a to umožňuje život na Zemi.

1.1. Termojadrové reakcie
Aby mohla nastať syntéza atómových jadier, musia sa tieto k sebe dostatočne priblížiť. Pri vzájomnom zbližovaní sa jadrá najprv odpudzujú elektrickými silami, lebo ich náboje sú súhlasné. Keď sa však ich stredy priblížia na vzdialenosť ich polomerov, prejavia sa jadrové príťažlivé sily, ktoré sú oveľa väčšie ako elektrické a jadrá môžu splynúť. Najdôležitejšia z nich spočíva v tom, že jadrám dodáme energiu potrebnú na zblíženie vo forme tepelnej energie.

So zreteľom na dosť veľký počet ľahkých prvkov prebiehajú termonukleárne reakcie podľa mnohých schém (cyklov). Dva z nich vypracoval v roku 1938/39 H. A. Bethe. Prvý cyklus vychádza z protónov a končí vytvorením héliových jadier. Volá sa protónovo – protónový cyklus. Jeho prvý stupeň sa zapaľuje už pri T= 1.107 K, pre druhý a ďalšie stupne je potrebná teplota okolo 1,5.107 K. V Slnku sa spaľuje vodík v tomto cykle pri T=1,3.107 K.

1.2. Dopad slnečného žiarenia
Na zemský povrch neustále dopadá tok energie 1,725. 1017 W. Ak to prepočítame do časových jednotiek dostaneme závratné číslo 1,52. 109 TW.h.rok­¹. Slnko teda na zem vyžiari za jednu hodinu viac energie než ľudstvo spotrebuje za celý rok. Na 1 m2 dopadá 1.39 kW – toto číslo tiež nazývame solárna konštanta. Tento 1 kW predstavuje asi 50 % pôvodného slnečného žiarenia. (Obr. 1: Dopad slnečného žiarenia)

1.3. Slnečné žiarenie
Slnečná energia dopadá na zemský povrch vo forme slnečného žiarenia. Slnečné žiarenie je elektromagnetické žiarenie s vlnovými dĺžkami v rozsahu od 0,28 – 3,0 μm. Slnečné spektrum zahrňuje malý podiel ultrafialového žiarenia, viditeľného svetla a infračerveného žiarenia.
Slnečné žiarenie sa po dopade na zemský povrch premieňa na iné formy energie:
-na tepelnú energiu; takýmto spôsobom sa ohrieva zemský povrch – pôda, voda i vzduch;
-na mechanickú energiu; takto vznikajú vzdušné prúdy;
-na chemickú energiu; ktorá je prostredníctvom fotosyntézy viazaná v rastlinách a iných organizmoch.

1.3.1. Ultrafialové žiarenie
Ultrafialové žiarenie (290 nm – 380 nm) - tvorí 9% slnečného žiarenia a pred dopadom na zemský povrch sa zachytáva ozónovou vrstvou atmosféry. Nemá ako zdroj energie význam a dokázané sú jeho nepriaznivé (mutagénne) účinky na živé organizmy.

1.3.2. Viditeľné svetlo
Viditeľné svetlo (380 nm – 750 nm) - tvorí 45% slnečného žiarenia. Je primárnym zdrojom energie a jeho pôsobením začínajú primárne procesy fotosyntézy (fotochemická fáza). Prostredníctvom chlorofylu sa transformuje do energie chemických väzieb organických zlúčenín. Zelené rastliny majú rôzne nároky na dĺžku pôsobenia svetla počas dňa:
-heliofyty - svetlomilné rastliny – púšte, stepi, horské oblasti
-heliosciofyty - neutrálne rastliny – trávnaté a lesné spoločenstvá
-sciofyty - tieňomilné rastliny – rastliny lesného podrastu

1.3.3. Infračervené žiarenie
Infračervené žiarenie (nad 750 nm) - tvorí 46% slnečného žiarenia. Pri pohltení živými organizmami a pôdou sa mení na teplo, ktoré je nevyhnutnou podmienkou priebehu biochemických reakcií (látkovej premeny = metabolizmu). Teplota prostredia u rastlín priamo ovplyvňuje priebeh fotosyntézy a závisí od nej aj aktivita živočíchov s nestálou telesnou teplotou.

1.4. Druhy žiarenia
Intenzita slnečného žiarenia sa prechodom cez atmosféru znižuje, a to práve vďaka premene žiarenia na jednotlivé formy energie a tiež vďaka rozptylu na jednotlivých časticiach atmosféry. Na zemskom povrchu preto registrujeme tri základné druhy slnečného žiarenia – priame slnečné žiarenie, rozptýlené (difúzne) žiarenie a žiarenie odrazené buď od zemského povrchu a iných objektov. Všetky tieto zložky zastúpené v rôznej miere vnímame voľným okom a sme schopní ich využiť pomocou solárnych systémov prostredníctvom slnečných kolektorov. (Obr. 2: Druhy žiarenia)

Intenzita priameho slnečného žiarenia nad zemskou atmosférou je približne 1 360 W/m2. Z toho atmosférou na zemský povrch prenikne pri priaznivých podmienkach približne 1 000 W/m2. Rozptylom priameho žiarenia na oblakoch a nečistotách v atmosfére a odrazom od terénu vzniká difúzne žiarenie. Súčet priameho a difúzneho žiarenia sa označuje ako žiarenie globálne. V strednej Európe v závislosti na ročnom období a stave atmosféry môže intenzita globálneho žiarenia v poludňajších hodinách kolísať od 100 do 1 000 W/m2. Pomer priameho a difúzneho žiarenia je závislý od geografických a mikroklimatických podmienok. Difúzne žiarenie v strednej Európe tvorí v celoročnom priemere 50-70 % z globálneho žiarenia, pričom v zime dosahuje až 90 %-ný podiel.

1.5. Podmienky v našich zemepisných šírkach
Akokoľvek nevhodný sa náš región na využívanie slnečnej energie môže zdať, solárne zariadenia tu fungujú spoľahlivo a môžu dodávať nemalé množstvo energie svojmu majiteľovi. Solárne zariadenia fungujú len v krajinách ako Grécko a podobne lebo len tam slnko svieti počas celého roka a obloha sa zatiahne iba ak na pár dní počas zimy. Lenže autori týchto výrokov si neuvedomujú že solárne zariadenia nepotrebujú aby sa do nich slnko opieralo celou silou 12 hodín denne, solárne zariadenia fungujú aj keď je zamračené, a dokonca aj počas zimy. Samozrejme že vtedy neprodukujú toľko energie ako počas krásneho letného slnečného dňa, ale to ešte neznamená že nefungujú vôbec. Naša republika sa nachádza približne medzi 48° a 50° stupňom zemepisnej šírky. Tok slnečného žiarenia na vodorovnej rovine tu dosahuje približne 1050 kWh na m2, z toho 806 kWh . m-2 pripadá na obdobie od apríla do septembra.

Ako príklad zanedbateľných rozdielov medzi severom a juhom krajiny uvádzame sumárny prehľad denného a ročného množstva slnečného žiarenia dopadajúceho na 1 m2 za rok v meste Komárno a v Kysuckom Novom Meste, kde rozdiel tvorí len 13%. Viac ako na región je preto potrebné zamerať sa skôr na samotné umiestnenie kolektorov na vhodnom nezatienenom a južne orientovanom mieste. Problematické môžu byť tiež úzke doliny s častou inverziou spôsobujúcou hmlisté počasie, brániace prieniku slnečných lúčov.

Tab. 1: Príklad množstva dopadajúceho slnečného žiarenia na 1 m2 pri optimálnom sklone.

	Komárno	Kysucké Nové Mesto
	[Wh / m2 . deň]	[Wh / m2 . deň]
Január	1476	1442
Február	2368	2263
Marec	3507	3246
Apríl	4777	4156
Máj	5318	4715
Jún	5586	4662
Júl	5930	5059
August	5331	4519
September	4542	3657
Október	3250	2926
November	1751	1563
December	1107	1066
Celoročný priemer	3752	3278
Rozdiel:		13%

1.6. Komplikácie využitia slnečnej energie
Slnko však svieti najviac práve v období, kedy je menší dopyt po energii. Zatiaľ nevieme energiu dlhodobo a bez strát ukladať a to je problémom aj bežných zdrojov energie. Ďalšou komplikáciou je, že slnečná energia má veľmi nízku koncentráciu a jej časové rozloženie je veľmi nepravidelné (deň - noc, ročné obdobia). Rozdielnosť miestnych klimatických podmienok a premenlivosť počasia spôsobujú, že nemôžeme rátať z určitými štandardmi.

2. Využívanie slnečnej energie
Rozlišujeme tri základné spôsoby využitia slnečnej energie:
-pasívne využitie
-kolektory
-výroba elektrickej energie

2.1. Pasívne využitie slnečnej energie
Solárna architektúra môže v budovách prispieť až 15%-tami k úsporám energie, ktorú je potrebné vynaložiť na vykurovanie. Hlavnou zásadou je orientovať všetky veľké okná na juh. Takto navrhnutá stavba spotrebuje až o 20% menej energie na vykurovanie oproti domu, ktorý je orientovaný na východ, či západ. Ďalšou zásadou je umiestňovať obytné priestory (obývacie a detské izby) na juh a ostatné časti (kuchyňa, kúpeľňa, skladovacie priestory, chodba) v severných častiach domu, či bytu. Veľké okná sa kombinujú s tieniacimi prvkami, ktoré v lete zabránia nadmernému oslneniu.

2.2. Kolektory
Typický slnečný kolektor pracuje ako miniatúrny skleník, ktorý zachytáva teplo pod skleneným (alebo iným priesvitným) krytom. Keďže slnečné žiarenie má difúznu povahu a jeho intenzita je relatívne nízka, kolektorová plocha býva zvyčajne dosť veľká (niekoľko m2). (Obr. 3: Napojenie konektoru na zásobník tepla)

2.2.1. Umiestnenie kolektorov
Nemali byť vystavené vetru lebo to jednak namáha nosnú konštrukciu a tiež to vedie k ich ochladzovaniu a čiže ku tepelným stratám. Umiestnenie kolektorov je jeden z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich účinnosť celého systému. Je niekoľko všeobecných pravidiel podľa ktorých sa riadime pri inštalácii.

2.2.1.1. Orientácia na juh
Kolektory je vhodné orientovať na juh a mierne na západ. Najväčšia intenzita slnečného žiarenia síce dopadá z južného smeru, ale najväčší výkon kolektory podávajú okolo 14 hodiny, keď sú priemerné teploty vyššie ako doobeda a tak dochádza k menšiemu ochladzovaniu telesa kolektoru. Práve preto je vhodné ich mierne pootočiť do západného smeru, navyše táto orientácia umožňuje využitie lúčov aj pri západe Slnka.

2.2.1.2. Sklon kolektorov
Sklon kolektorov závisí od toho, v ktorom ročnom období potrebujeme získať najväčší výkon. Pohybuje sa medzi 250 a 500. Pre celoročnú prevádzku sa odporúča sklon 450. Je to vlastne kompromis medzi maximálnym možným využitím zimného slnka nízko nad horizontom a znížením výkonu v letných mesiacoch, keď je slnko vysoko. Znižuje sa tak možnosť prehriatia kolektorov a vyvarenia teplonosnej kvapaliny, čo je vlastne havária systému. Na jar a na jeseň je tento sklon ideálny.

2.2.2. Druhy používaných slnečných kolektorov
Poznáme viac druhov slnečných kolektorov. Poznáme viacero druhov kolektorov, môžeme ich rozdeliť na základe ich využitia podľa rôznych kritérií.

2.2.2.1. Podľa režimu prevádzky
- so sezónnou prevádzkou - ohrievaná voda je zároveň teplonosnou kvapalinou a prúdi z kolektora priamo do zásobníka na zimu sa tento systém musí vypúšťať.
- s celoročnou prevádzkou - medzi kolektorom a spotrebičom musí byť zaradený výmenník tepla, systém má teda dva okruhy, ako teplonosná kvapalina musí byť použitá nemrznúca zmes.

2.2.2.2. Podľa spôsobu obehu teplonosnej kvapaliny
- samospádový systém - kvapalina v systéme sa pohybuje na základe jednoduchých fyzikálnych zákonov, už ohriata voda stúpa do zásobníka a studená čiže hustejšia a ťažšia voda klesá do kolektora.
- presná regulácia - väčšia účinnosť.

2.2.2.3. Podľa počtu okruhov
- jednookruhový systém - kolektory sú napojené na spotrebič priamo a teplonosná kvapalina je rovnaká v celom okruhu, zásobník na vodu musí mať výmenník tepla na oddelenie vody od nemrznúcej teplonosnej kvapaliny.
- dvojokruhový systém - primárny okruh naplnený teplonosnou nemrznúcou kvapalinou odvádza teplo z kolektorov ku výmenníku tepla a tam sekundárny okruh naplní vodou teplo preberá a vedie ho ku spotrebiču.

2.2.3 Voľba typu kolektora
Ohrievanie vody na nízke teploty ako to býva pri bazénoch nevyžaduje kvalitný drahý kolektor. V lete keď je veľká intenzita slnečného žiarenia a nedochádza takmer ku žiadnym stratám tepla ochladzovaním kolektora prostredím, úplne postačí najlacnejší druh kolektora bez krycieho skla. Zasklenie by len zbytočne znižovalo účinnosť a zvýšilo cenu.
Pri ohrievaní vody alebo dlážkovom vykurovaní zväčša stačí kolektor z jednoduchým zasklením a bez špeciálnej selektívnej vrstvy, tá ale môže priniesť výrazné zvýšenie účinnosti (hlavne v zime) pri zanedbateľnom cenovom rozdiele.
Pri vykurovaní s klasickým vykurovacím systémom sú potrebné kolektory, ktoré zohrievajú vodu na vyššie teploty medzi 60 ºC a 80 ºC, postačiť môžu aj kvalitné kolektory z dobrou úpravou povrchu ale najspoľahlivejšie sú vákuové kolektory, ktoré dosahujú aj teploty okolo 100 ºC.
V tzv. veľkej energetike sa používajú koncentračné kolektory, ktoré dosahujú teploty rádovo v tisíckach stupňoch Celzia. (Obr. 4: Princíp koncentračných kolektorov)

2.3. Výroba elektrickej energie
Fotovoltaika je po technickej stránke nesmierne komplikovaná ale aj fascinujúca moderná technológia. V poslednej dobe sa v tejto oblasti zaznamenáva dynamický rozvoj. Fotovoltaika je predovšetkým lákavým prísľubom inej budúcnosti. Nielen vedcov, výskumníkov a nadšencov pre techniku predstava malého čistého a lacného zdroja energie priťahuje.

2.3.1. Fotovoltaické systémy
Fotovoltaické systémy rozoznávame tri typy, z ktorých každý je vhodný na iné použitie, do iných podmienok:
-autonómne - je nutné ich vybaviť akumulátormi, používajú sa tam kde nie je prístup ku elektrickej sieti, často však aj v prípadoch keď sa prevádzkovateľ chce vyhnúť komplikáciám spojeným z pripojením na sieť.
-hybridné - obsahuje nielen samotnú fotovoltaickú jednotku ale aj jeden alebo viac pomocných generátorov, obsahuje taktiež jednu alebo viac batérií, vyžaduje zložitejšie regulačné a riadiace prvky.
-pripojené na sieť - zvyčajne nepotrebuje akumulátor, najjednoduchšie systémy potrebujú okrem fotovoltaickej jednotky len menič, ktorý musí pracovať v celom rozsahu napätí ktoré môžu panely produkovať. Pri zložitejších vysokonapäťových systémoch je nutné použitie transformátorov, ochranných prvkov a aj výkonových spínačov, v mnohých prípadoch je potrebná aj harmonická filtrácia a korekcia fázy. Všetky tieto prvky je nutné použiť z dôvodu pripojenia na sieť.

2.3.2. Ukladanie elektrickej energie
Ukladanie energie je jedna z najväčších prekážok, ktoré čakajú človeka pevne rozhodnutého začať využívať obnoviteľné zdroje energie. Túto otázku zväčša riešime pri využití vetra, slnka alebo iného nestáleho zdroja energie. Prírodné živly totiž ešte stále odmietajú fungovať podľa našich predstáv. Zatiaľ čo vietor sa aspoň niekedy môže trafiť práve do momentu kedy nám ho najviac treba, napríklad slnko so železnou pravidelnosťou svieti najviac práve v dobe kedy býva naša spotreba najnižšia.

3. Náš názor na využívanie slnečnej energie
Slnečná energia má značný potenciál, ale nie je dostatočne využívaná. Hlavne u nás je veľmi malá informovanosť o možnostiach využitia tejto energie. Náročná je aj finančná situácia, keďže ceny energií sú u nás nízke a inštalácia slnečných zariadení je veľmi problematická z hľadiska počiatočných investícií, ktoré si bežný občan nemôže dovoliť. Preto by bolo lepšie začať propagovať využívanie slnečných kolektorov vo veľkých firmách, ktoré majú dostatočnú finančnú základňu a preto aj možnosť inštalácie takýchto systémov. Hlavne treba zlepšiť informovanosť verejnosti a podnikateľov, aby sa dozvedeli, že slnečné kolektory je možné využívať aj v našich klimatických podmienkach.

Slnečná energia má veľkú budúcnosť, pretože to je ekologicky čistá energia, len si k nej postupne musíme nájsť cestu. Neznečisťuje životné prostredie, čo je z hľadiska dnešného množstva spotreby energie a tepla výhodné hlavne do budúcnosti, kde sa bude klásť veľký dôraz na spôsoby znečisťovania a jeho minimalizácie.