Prečo solárna energia?

Cena ropy sa od roku 2006 zdvojnásobila, cena uhlia stúpala ešte vyšším tempom a podobné nárasty zaznamenali aj ostatné konvenčné zdroje na výrobu energie, ako sú plyn či urán... Každý z nás si uvedomuje, že k svojmu životu potrebuje energiu – či už vo forme tepla, svetla, pohonných hmôt resp. iných jej foriem. Málokto z nás je však ochotný uznať, že súčasný spôsob využívania rôznych palív – uhlia, ropy, plynu a uránu je časovo ohraničený a, že žijeme na úkor prírody. Len málo ľudských činností ovplyvňuje životné prostredie v takej závažnej miere ako náš súčasný spôsob využívania energie. Prejavuje sa to narastajúcou hrozbou globálnych klimatických zmien, nehodami jadrových elektrární alebo kyslými dažďami a smogom v našich mestách.

Sú to pravé klasické energetické zdroje a spôsob akým ich využívame, ktoré spôsobujú nenapraviteľné škody na prírode a zdraví ľudí. Veď práve príroda je biologická základňa pre život, a nie ekonomické štatistiky, ktorá určí našu životnú úroveň v budúcnosti. Ekologické ohrozenie v súčasnosti je oveľa vážnejšie ako ohrozenie vojenské. Napriek tomu sa dnes investuje ročne do vojenských programov viac ako 900 miliárd dolárov, na ochranu životného prostredia je to len 14 miliárd dolárov. Tento pomer poukazuje najmä na nezmyselné plytvanie prírodnými zdrojmi, ktorého sme dnes svedkami na celom svete. Využívanie solárneho systému je jednou s ciest chápania ochrany prírody ako celku. Samozrejme, že využívanie solárnej energie má aj iné výhody jednou z nich je hlavne úspora peňazí, ktoré by sme inak vynaložili na úmyselné ničenie prírody. Slnko je jediným zdrojom energie na, ktorý sa ľudstvo môže plne spoľahnúť. Slnečná energia nám dokáže poskytnúť všetko, čo z hľadiska energie potrebujeme, a to často veľmi jednoducho.

Slnko je obrovská pec vyžarujúca svoju energiu do vesmíru. Jedna tisícina milióntiny slnečného výkonu t.j. cca 400 biliónov MW dopadá na Zem. Približne 30% tejto energie sa odráža späť do vesmíru. Zvyšok je absorbovaný atmosférou, pôdou a oceánmi. Ľudia od nepamäti využívali slnečné žiarenie na ohrev vody v nádobách. Začiatky experimentálneho využívania absorbcie slnečnej energie spadajú do 17. storočia, kedy sa v strednej Európe rozšírili skleníky na pestovanie tropických rastlín. O dvesto rokov neskôr sa objavil prvý komerčný „slnečný produkt“ - ohrievač vody v USA. Obrovský rozmach slnečných aplikácií nastal po ropnej kríze v roku 1973 – za sedemnásť rokov sa len v USA zvýšil obrat firiem ponúkajúcich slnečné kolektory, fotovoltaické články alebo solárne termálne elektrárne z dvoch miliónov na 200 miliónov dolárov. Poznáme tri základné spôsoby využitia solárnej energie:

- Pasívna slnečná architektúra, kde tvar a výstavba budov je navrhnutá tak, aby dopadajúce žiarenie, jeho skladovanie a distribúcia po budove dosiahla maximálneho efektu.
- Aktívne slnečné systémy – kolektory – na zohrievanie vody a vykurovanie priestorov resp. parabolické zrkadlá a iné systémy koncentrujúce slnečné žiarenie.
- A fotovoltaické články vyrábajúce elektrický prúd priamo zo slnečného žiarenia.

Pasívna slnečná architektúra je postavenie budovy tak aby mal čo najnižšiu spotrebu energie. Pasívne využitie slnečného žiarenia znamená, že pomocou vhodnej architektúry a umiestnenia budovy môžeme výrazne znížiť spotrebu energie. Napr. miesto pre takúto stavbu by malo byť slnečné a chránené pred vetrami. Stromy alebo prirodzený val dokážu chrániť dom pred studenými vetrami. Vhodne umiestnené listnaté stromy chránia dom pred prehriatím v lete a nebránia slnečnému svitu v zime. Budovy s veľkými na juh orientovanými oknami a s malými, na sever orientovanými oknami, môžu pri dobrej tepelnej izolácii absorbovať značnú časť dopadajúceho žiarenia. Toto bezplatné teplo je možné ďalej rozvádzať vedením alebo sálaním, udržujúc pri tom dostatočnú teplotu vo vnútri i pri poklese teplôt vonku. Využívanie denného svetla súčasne znižuje nároky na umelé osvetlenie a na klimatizáciu. Orientácia budovy východno - západným smerom umožňuje umiestniť, veľké na juh orientované okná, fasády i strechu a absorbovať tak veľkú časť dopadajúceho žiarenia. Bez akýchkoľvek dodatočných úprav spotrebuje takto upravený dom o 5% menej energie ako dom orientovaný severo - južným smerom, nehovoriac o ďalších možnostiach využitia slnečného svitu.
Takto je možné jedným ťahom v stavbe nového domu ušetriť veľkú časť energie. Umiestnenie miestností by malo umožniť tok slnečného žiarenia tam, kde je to najpotrebnejšie. Napr. vchodové dvere by mali byť umiestnené na sever alebo na východ aby sa neobetovala východná južná strana. Kuchyňa orientovaná na sever môže znížiť spotrebu chladničky (spotreba je podstatne vyššia ak na ňu svieti slnko). Spálňa by mala byť orientovaná na východ, aby obyvateľov domu mohlo zobúdzať ranné slnko. Obývačka na juh, aby mohli užívať slnko i počas večerného oddychu. Okná by mali byť veľké, hlavne v prípade, keď sú orientované na juh. Týmto sa vytvára v miestnosti skleníkový efekt. Pri odchýlení orientácie okien z južného smeru o 20% sa znižuje zisk energie o 5%. Na oknách by mali byť rolety čím sa zabráni prehriatiu miestností v lete a stratám energie v zime. Obzvlášť výhodná je tepelná izolácia stien, tak aby teplo neprenikalo von, ale bolo odrazené späť do miestností.
Okrem tepla v miestnostiach potrebujete pre svoju potrebu aj teplú vodu zvyčajne 40 až 60 st. Celzia. Je to podstatne viac ako je izbová teplota, ktorú nám čiastočne môže zabezpečiť pasívne využívanie slnečného žiarenia v tomto prípade je potrebné urobiť čosi viac, aby sme dokázali slnko využiť aj pre tento účel.

Riešením sú tvz. solárne kolektory. Mohlo sa vám stať, že ste sa popálili v stojacom aute na priamom slnku o volant, tak ste sa vlastne nedobrovoľne zoznámili s činnosťou solárneho kolektora v praxi. Slnečné žiarenie prechádzajúce sklom sa absorbuje v materiáli a v ňom sa premieňa na teplo. V slnečnom kolektore sa toto teplo absorbuje napr. do vody prúdiacej v trubkách kolektora, ktorá energiu ďalej odovzdáva do zásobníka teplej vody. Absorbátor je z vnútornej časti tepelne izolovaný a do vody sa primiešava nemrznúca zmes, čo umožňuje zohrievať vodu i v zime. Tepelný výmenník je v takomto prípade nevyhnutný (nemrznúcu kvapalinu predsa nechceme mať v teplej vode).

Na prípravu teplej vody pre štvorčlennú domácnosť je potrebných cca 6-8 m štvorcových solárnych kolektorov. Teplú vodu týmto dokážeme zabezpečiť prakticky od apríla až do októbra. Bojler na prípravu teplej vody je síce nevyhnutný, ale úspora energie a peňazí môže dosiahnuť až 40%, nehovoriac o ekologických prednostiach solárneho „paliva“. Na trhu existuje veľa typov solárnych kolektorov, ktoré sa líšia svojou konštrukciou a parametrami. Sú to nízkoteplotné, strednoteplotné a vysokoteplotné kolektory. Nízkoteplotné kolektory sú schopné vyrobiť 300 - 400 kWh na meter štvorcový za rok. Sú to kolektory z plastických hmôt, odolné voči ultrafialovému žiareniu s pracovnými teplotami od 15 - 30 st. Celzia. Tieto kolektory by sa dali veľmi efektívne využiť na kúpaliskách. Problémom však zostáva, že prevádzkovatelia kúpalísk alebo výrobcovia tovarov si zvýšené náklady na energiu radšej premietnu do ceny služby alebo tovaru, ako by inštalovali alternatívne zariadenia na úsporu energie napr. na báze slnečného kolektora.

Stredoteplotné kolektory sú schopné vyrobiť 400 - 500 kWh na meter štvorcový za rok. Sú to štandardné kolektory s kovovým absorbérom, priesvitným pokrytím a tepelnou izoláciou. Tieto kolektory sa využívajú na prípravu teplej úžitkovej vody v obytných domoch. To je v súčasnosti najrozšírenejším spôsobom využitia slnečných kolektorov vo svete. Najčastejšie sa kolektory montujú na strechy budov, pričom najlepšie sú južne orientované strechy zo sklonom 30-50 st. a to z dôvodov ktoré už boli uvedené. Širšiemu použitiu solárnych kolektorov u nás bráni ich relatívne vysoká cena – 20 až 40 tisíc Sk (663.88 € až 1327.76 €) pre priemerný dom. Rozhodujúca je však návratnosť vložených investícií, ktorá sa pohybuje od troch do desiatich rokov, pričom náklady sú zanedbateľné.

Vysokoteplotné kolektory sú schopné vyrobiť 500 až 600 kWh na meter štvorcový za rok. Sú to kolektory s vákuovými trubkami a vysokocitlivým kovovým absorbérom zohrievajúce vodu až na 150 st. Celzia. Používajú sa na prípravu teplej a horúcej úžitkovej vody. Nevýhodou je opäť vysoká cena. Možnosti vykurovania domov slnečnou energiou sú v strednej Európe značne obmedzené. Obzvlášť v zime, keď je spotreba energie na vykurovanie najväčšia, je príkon slnečného žiarenia najnižší. Pokiaľ niekto uvažuje o vykurovaní domu slnečnou energiou je treba vziať do úvahy, že plocha kolektorov musí byť omnoho väčšia ako je to v prípade kolektorov na ohrev teplej vody. Táto plocha predstavuje približne 50% vykurovanej obytnej plochy. Tiež zásobník vody musí byť primerane veľký 2000 až 5000 litrov. Na vykurovanie je možné použiť len veľkoplošné vykurovacie telesá (podlahové kúrenie), ktoré umožňujú využívať vodu s nižšou teplotou. V jarných a jesenných mesiacoch je slnečná energia veľkou pomocou pri vykurovaní domu.
Fotovoltaické články umožňujú priamu premenu slnečného žiarenia na elektrickú energiu. Tento proces je založený na tzv. fotovoltaickom efekte v roku 1839 Edmundom Bequerelom. Uvedený jav je charakterizovaný priamym vyrazením elektromu zo svojej obežnej dráhy fotónom slnečného žiarenia. Prvý fotovoltaický článok bol vyvinutý fimou Bell Telephone Labs (USA) v roku 1954. Fotovoltaický článok veľkosti 100 centimetrov štvorcových s 10% účinnosťou dokáže za jasného dňa vyrobiť 1 wat elektrickej energie. Po prvý krát bol tento proces využitý vo vesmírnych družiciach ako zdroj energie pre inštalované prístroje. V dnešnej dobe jednoznačne dominuje uplatnenie v pozemských podmienkach.

V súčasnosti sa na trhu presadzujú tvz. amorfné kremíkové články nanesené na podklad vo forme tenkého filmu o hrúbke tisíciny milimetra. Tým, že sa vyžaduje len tak málo aktívneho materiálu, je jeden gram kremíka schopný, počas svojej životnosti vyrobiť porovnatelné množstvo elekriny ako jeden gram uránu v atómovej elektrárni. Navyše kremík sa v zemskej kôre vyskytuje 5000 krát častejšie ako urán a pri jeho využití sa neprodukuje rádioaktívny odpad. Kremíka je na zemi viac ako dosť - až polovicu hmotnosti piesku predstavuje kremík. Podľa tohto všetkého sú na aktívne využívanie slnečnej energie najvhodnejšie fotovoltaické články, ktoré (ako už bolo spomenuté) priamo premieňajú slnečné lúče na elektrickú energiu. Ľudia v mojom okolí využívajú tieto články rôznymi spôsobmi napríklad Ako podlahové kúrenie – funguje to na princípe ohrievania vody solárnou energiou, ako stropné chladenie, ale aj na ohrievanie teplej úžitkovej vody.

Toto využitie solárnej energie má aj jednu nevýhodu: slnko nemôžete vypnúť aby prestalo svietiť, takže pri ohrievaní vody sa vám môže stať, že sa voda ohreje viac než sa mala. S týmto prípadom som sa stretol a vyriešili ho tak, že jednoducho z horúcej vody odpustili. Voda môže presiahnuť teplotu 60 st. Celzia v tomto prípade teplota vody stúpla až na 96 st. Celzia. V takýchto vysokých teplotách sa ťažko manipuluje aj s vodovodným kohútikom a mohlo by dôjsť aj k úrazu respektíve popáleninám. Preto pri zavádzaní tohto systému si musíte dobre premyslieť aké veľké a výkonné články potrebujete. Často sa vám môže stať, že vyprodukujete viacej elektrickej energie ako potrebujete. Bolo by výhodné keby sa dala energia ktorá sa vyrobí navyše nejako uskladniť. Energia sa môže ukladať viacerými spôsobmi, obvykle sa využíva spôsob chemický, k čomu dobre poslúžia rôzne akumulátory.

Na trhu sú dostupné mnohé typy akumulátorov na rôzne účely. Od klasických autobatérií, ktoré ale nezvládajú nestabilný priebeh napätia až po zariadenia vhodné práve pre majiteľov solárnych panelov. Nevýhodou je vyššia cena a výhodou je zasa to, že lepšie odpovedajú predpokladanému nepravidelnému režimu týchto zariadení. Nedochádza teda ku skracovaniu ich životnosti a tiež lepšie spolupracujú s ostatnými zapojenými zariadeniami. Pri výbere akumulátora budete pravdepodobne postavení pred dilemu, či je vhodnejších 12 alebo 24 V. Ak počítate s kúpou meniča potom je vhodnejších 24 V a to z jednoduchého dôvodu, pri vyššom napätí môže obvodom pretekať nižší prúd bez toho aby sa zvyšovali odporové straty. Na druhej strane ak ste sa rozhodnete pre 12 V môžete si svoj dom jednoduchšie vybaviť vhodnými spotrebičmi tohto napätia jednoducho preto lebo ich je na trhu väčšia ponuka.

Menič je zariadenie potrebné v prípade že nechcete alebo nemôžete používať výhradne spotrebiče s napätím aké získavate zo svojho zdroja. To je dá sa povedať naprostá väčšina prípadov okrem prípadov kedy je energia využívaná na nejaký úzko špecifikovaný účel. Menič mení napätie 12 respektíve 24 V jednosmerného prúdu na klasických 220 V striedavých. Pri kúpe meniča je potreba veľkej opatrnosti. Ak zakúpite nevhodný typ môže vám to spôsobiť nemalé komplikácie. Môže byť zdrojom rušenia rádia, TV a inej spotrebnej elektroniky. Nemusí byť schopný rozbehnúť zariadenia so zvýšeným nábehovým prúdom. Taký menič vám bude nanič. Okrem akumulátorov je tu ešte jedna možnosť a to tzv. vodíkové hospodárstvo. Je to možnosť ktorá sa ešte len presadzuje, ale predstavuje vysoko efektívny a čistý spôsob ako energiu "konzervovať".
Nápad použiť vodík na ukladanie energie vôbec nie je nový, akokoľvek prevratne táto idea môže znieť. Prvý krát s ním prišiel francúzky vedec zapálený pre slnko a využitie jeho energie už koncom 19. storočia. Využitie vodíka na ukladanie energie je založené na tom že ak vodík reaguje z kyslíkom vzniká voda a uvolňuje sa pri tom relatívne veľké množstvo energie. Vodík sa pritom nachádza na zemi vo veľkých množstvách a teda nehrozí vyčerpanie zásob ako je tomu pri fosílnych palivách. Treba ho však odtiaľ získať a to prebieha za dodávania energie. Z toho teda vyplýva že vodík vlastne nie je zdroj energie ale iba médium kde ju môžeme veľmi výhodne ukladať. Ak chceme tento spôsob "konzervovania" energie použiť v praxi, tak potom stačí vyrobenú energiu použiť na získanie vodíka (napríklad z vody) a keď ju neskôr potrebujeme jednoducho necháme vodík zreagovať z kyslíkom a uvoľnenú energiu môžeme znovu použiť.

Vzhľadom k tomu, že v mojom okolí sa nenachádza žiadne zariadenie na zachytávanie slnečnej energie, pokúsim sa predstaviť si, aké by to malo výhody a nevýhody. Myslím si, že výhod by to malo viacej ako nevýhod, najvýznamnejšia by bola samozrejme úspora fosílnych energií, čiže aj úspora peňazí. Prečo sa tu ešte spomínajú fosílne energie? Pretože nedajú sa zatiaľ nepoužívať úplne slnko nesvieti neustále na našu pologuľu a vtedy, keď potrebujeme energiu najviacej a to v zimnom období tak je slnečné žiarenie dopadajúce na našu časť zeme najmenšie. Dalo by sa fosílne energie nepoužívať úplne keby boli solárne elektrárnene na miestach, kde svieti slnko najviacej dní v roku a zaviedlo by sa viacej aj veterných elektrární, ktoré by ľuďom dodávali energiu v noci a v zime. Ale skončil som pri zavedení solárneho systému na náš dom.

Takže, najviacej sa u nás využíva plyn a to na vykurovanie miestností, varenie a na ohrievanie úžitkovej vody. Solárne paneli by mohli toto všetko zabezpečiť okrem sporáku na varenie ten by sa dal nahradiť (keby sme chceli byť úplne ekologický) sporákom na tuhé palivo, ale to už by sme boli zase pri využívaní fosílnych energií, no ale budeme sa stým musieť zatiaľ zmieriť, už len tým, že zavedieme solárny systém šetríme našu prírodu. Ďalej sa u nás samozrejme spotrebúva aj elektrická energia tá by sa takisto dala vyrobiť fotovoltaickými článkami. Celkovo by sa dalo povedať, že solárny systém by pokryl väčšinu nákladov na energie, ktoré v domácnosti využívame. Solárny systém nieje dokonalý, ale mohol by byť keby na myšlienku stavania solárnych elektrární a zavádzanie článkov na strechy domov pristúpila väčšina ľudí, pretože takýmto spôsobom akým narábame energiami teraz sa nám môže vypomstiť. Pomaly ale iste sa nám rúti ekologický systém, myslím, že toto je ten najlepší argument na zavedenie tohto systému. Zastavenie ničenia toho s čoho sme vzišli aj my ľudia.

	Tento článok bol vytlačený zo stránky https://referaty.centrum.sk