Slnečná energia

SLUNEČNÍ ENERGIE

Lidstvo na celé Zemi spotřebuje každou vteřinu 10 TW (terrawattů), což je 10 000 000 000 000 wattů. Z čeho tuto energii vlastně získáváme? Po zralé úvaze dojde většina z nás zřejmě k názoru, že převážně z fosilních paliv. Ale dnes je už jasné, že tyto zdroje energie nemají žádnou budoucnost. Za prvé jsou nečisté, drahé, znečišťují životní prostředí a za druhé jich velmi rychle ubývá. Dnešním tempem vyčerpáme ložiska fosilních paliv za velmi krátkou dobu. Už je opravdu na čase poohlédnout se po jiném zdroji energie. Dnes jsou již vyvinuté technologie získávání energie z jiných zdrojů, kterým se obecně říká alternativní zdroje energie.

Jeden z těchto zdrojů se nachází přímo nad námi a vidíme ho takřka každý den. Je to Slunce. A tímto alternativním zdrojem energie bych se v této práci chtěl zabývat.

Jak už jsem řekl, spotřebujeme všichni dohromady každou vteřinu 10 TW. V paprscích slunce na nás ale každou vteřinu dopadá 180 000 TW. Přitom sluneční energie je čistá (vůči zemi) a je jí zatím dostatek (zásoby vodíku ve Slunci stačí na deset miliard roků). Sluneční energie se dá přeměnit na všechny potřebné druhy energie. Zatím si zbytečně ničíme vzduch, půdu, vodu a potraviny místo abychom se snažili co nejvíce využívat alternativní zdroje energie. Možná někdo z Vás namítne, že máme jaderné elektrárny, ale ty jsou pořád ještě velkým nebezpečím a potom je tu problém jaderného odpadu. Jediný bezpečný jaderný reaktor je Slunce.

Ve fosilních palivech je vlastně také uložena sluneční energie, ale je uložena nevyhovujícím způsobem. Ze slunečního záření se dá těžit energie bez znečišťování životního prostředí. Několik způsobů využití sluneční energie bych tu teď rád přiblížil.

Chemická energie ze slunce
Přeskupování atomů v molekulách nazýváme chemické reakce. Pomocí chemické reakce můžeme získat látky bohaté na energii. Takovým látkám se říká chemické palivo a sluneční záření může být onou energií, potřebnou k tomu, aby daná reakce proběhla.

Rozklad vody pomocí Slunce
Pomocí slunečního záření můžeme rozložit vodu na vodík a kyslík. Vodík je výborné chemické palivo. Dá se jím nahradit benzín, zemní plyn a kerosen. Může se převádět na velké vzdálenosti pomocí již existujících plynovodů a na rozdíl od fosilních paliv neznečisťuje životní prostředí. Hořením jednoho kilogramu vodíku se uvolní dvaapůlkrát více energie než hořením jednoho kilogramu zemního plynu.

Voda se rozkládá pomocí slunečního záření několika způsoby:

Nejdříve přeměníme sluneční záření na elektrický proud za pomoci slunečních článků. Potom rozložíme vodu průtokem stejnosměrného elektrického proudu (o napětí větším než 2 V). Rozklad vody za teplot větších než 2 500 K (ve sluneční peci lze dosáhnout teploty až 4 000 K). Postupný rozklad vody při středních teplotách. Vodu lze rozložit i při středních teplotách, kterých lze dosáhnout ve fokusačních sběračích (fokusační sběrač soustřeďuje sluneční paprsky do jednoho místa). Rozklad probíhá za přítomnosti bromidu vápenatého a rtuti. Biologický rozklad. U některých organismů obsahujících chlorofyl může být fotosyntéza ovlivněna tak, že se při ní uvolňuje vodík. Zatím není jasné, které z uvedených postupů by se daly v budoucnosti užívat ve velkém měřítku. Každopádně důležitost vodíku jako chemického paliva stále roste. V budoucnu může zcela nahradit fosilní paliva a jeho získávání z vody pomocí slunečního záření se nabízí jako vhodný způsob.

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 terrajoulů (tedy příkon se rovná 90 terrawattů). Každý den přitom mnoho organismů odumírá a zůstávají na zemi ve formě organických zbytků. Tyto organické zbytky obsahují mnoho chemické energie, která může být využita buď přímo (například hořením), nebo nepřímo (tj. napřed se přemění na nějakou vhodnější formu energie, lepší pro dopravu i použití).

V některých zemědělských usedlostech používají k topení a vaření metan získávaný z hnoje. Metan se z hnoje uvolňuje takzvaným anaerobním kvašením, tj. bakterie rozkládají hnůj bez přístupu vzduchu. Tyto usedlosti vlastně nepřímo využívají

sluneční energii uloženou v organických zbytcích. Využití biomasy jako zdroje energie je jednoduché a výhodné hlavně pro zemědělské usedlosti, kde je stále dost organických zbytků (hnůj, kompost a jiné).

Elektrická energie ze slunce
Přímá přeměna
Přímá přeměna slunečního záření na elektřinu využívá fotovoltaického jevu, který nastává v některých polovodičích (např. křemíku, germaniu aj.). Nejpoužívanější je krystalický křemík buď jako jeden krystal, nebo jako mnoho malých krystalů. Nutno dodat, že zatím je získávání čistého monokrystalu pracné a nákladné.

Tenké destičky nařezané z krystalu se pokryjí z jedné strany pětimocným prvkem (např. fosforem) a z druhé strany trojmocným prvkem (např. arzenem). Takto pokrytá destička se nazývá sluneční článek. Jestliže na sluneční článek dopadá sluneční záření, oddělí se od sebe kladné a záporné náboje.

Vnějším okruhem spojujícím obě strany destičky pak teče proud. Jeden cm2 dává proud asi 12 mW (miliwattů). Jeden m2 může na zemi v letní poledne dát až 150 wattů. V kosmickém prostoru je to až 250 wattů. Sluneční články se zapojují za sebou, abychom dosáhli potřebné napětí (na jednom článku je 0.5 V) a vedle sebe, abychom dosáhli potřebný proud. Spojením mnoha článků za sebou a vedle sebe vznikne sluneční panel.

Elektřina z vesmíru?
Na vodorovně položenou plochu o obsahu 1 m2 dopadá na zemi přibližně 1 200 kWh sluneční energie za rok. Nad zemskou atmosférou je to 12 000 kWh ročně, je to tedy desetkrát více. Nebylo by možné získávat elektřinu ze slunečního záření v kosmickém prostoru a posílat ji pak na Zem? Ve vesmíru nejsou oblaka, nestřídá se den a noc a sluneční záření by tedy nebylo ničím omezováno. Ve výšce 36 000 km nad zemským rovníkem oběhne družice zemi jednou za 24 hodin, to jest doba, za kterou se Země jednou otočí a družice tedy "visí" stále nad stejným místem. Takové družici říkáme geostacionární.

Taková družicová elektrárna by se samozřejmě nestavěla na zemi, ale v kosmickém prostoru, materiál by byl přivážen raketoplány a celé staveniště by "plavalo" ve stavu beztíže. Plánované solární panely mají velikost 5 x 12km. Těmito panely by protékalo 84 000 000 kW ve dne i v noci. Tento proud by se měnil na velmi krátké rádiové vlny a vysílal k Zemi. Na zemi by se tyto vlny zachytávaly, měnily na střídavý proud a ten by se rozváděl do normálních sítí. Tento proud by měl hodnotu asi 10 000 000 kW. Čtyři až pět takových družic by zcela pokrylo veškerou energetickou spotřebu našeho státu.

Dnes je tento projekt pořád ještě ve fázi snů, ale zítra to už může být realita. Pozemní fotovoltaické elektrárny už fungují například v Saudské Arábii.

Nepřímá přeměna
Elektřinu lze ze slunečního záření získávat také nepřímo, přes teplo. Termoelektrická přeměna spočívá v tzv. Seebeckově jevu. V obvodu z dvou různých vodičů vzniká elektrický proud, jestliže jejich spoje mají různou teplotu. Účinnost tohoto zařízení, kterému se říká termoelektrický článek, závisí na rozdílu teplot a na vlastnostech vodičů.

Spojením většího množství termoelektrických článků vzniká termoelektrický generátor. Při využití slunečního záření se jeden spoj umístí do ohniska fokusačního sběrače a druhý může být ve vodě nebo v půdě.

Sluneční tepelné elektrárny
Mluvil jsem zde již o sluneční elektrárně fotovoltaické. Bohužel je toto zařízení zatím velmi nákladné.

Mnohem levnější je sluneční elektrárna tepelná, ve které se elektřina získává nepřímo, přes teplo a pohybovou energii. Je to vlastně obyčejná tepelná elektrárna, ale k ohřívání vody se zde používá sluneční energie.

V ohnisku velkého fokusačního sběrače je umístěn kotel s vodou. Sluneční záření se soustřeďuje na kotel pomocí mnoha otáčivých zrcadel. V kotli vzniká horká pára, která pohání turbínu, turbína pohání generátor a generátor vytváří elektrický proud.

Mechanická energie ze slunce
Sluneční motor
Slunečním motorem rozumíme zařízení, které jakýmkoliv způsobem (tj. přímo i nepřímo) mění sluneční energii na mechanickou.

Přímá přeměna není příliš účinná. Setkáváme se s ní zatím jen ve futuristických vizích a v technických hříčkách (např. sluneční větrník). Daleko účinnější je přeměna nepřímá - přes elektřinu nebo teplo.

Princip tepelného slunečního motoru je velmi jednoduchý. Teplo získané ve slunečním sběrači ohřívá pracovní látku, ta se mění na páru a pohání turbínu. Potom se ochladí, zkondenzuje, je znovu vedena výparníku a tak pořád dokola. Jako pracovní látka se užívá čpavek, propan, butan, oxid uhličitý a jiné.

V praxi se sluneční motor dnes již využívá na více než sto místech jako pohon pro vodní čerpadlo. Voda čerpaná ze studny zároveň ochlazuje kondenzátor a sluneční sběrače přitom slouží i jako účinná klimatizace, protože prostor pod nimi se neohřívá. Tyto pumpy pracují obvykle v místech se silným slunečním zářením (Sahara, Mexiko, středoasijské republiky).

Sluneční automobil
Většinu automobilů dnes pohánějí fosilní paliva. Ale je zde několik důvodů, kvůli kterým bychom tyto zdroje energie neměli využívat a raději je nahradit jinými - třeba slunečním zářením.

Existuje několik způsobů jak pohánět automobily přímo či nepřímo sluneční energií. Tady je několik z nich.

Opilá auta
V Brazílii už jezdí mnoho automobilů, které mají vzadu nápis Movido a alcohol. Jsou to obyčejná auta, ale místo benzínu používají alkohol, například líh. Alkohol získávají kvašením cukrové řepy, kasavy (americká rostlina pěstovaná pro jedlé hlízy) nebo ananasů. Z výfuku pak vychází vodní pára a oxid uhličitý. Nutno dodat, že benzínový motor se dá snadno předělat na motor lihový.

Auto na vodík
Rozložením vody získáme vodík a kyslík. Směs vodíku se vzduchem se potom dá v autech užít místo směsi benzínové. Prototyp vodíkového automobilu zatím vyvinula firma Mercedes. Protože vodík je velmi výbušný, užívá se v autech vodík vázaný na nějaký prvek (tj.

ve formě hydridů).

Elektrický pohon z vody
Automobil můřeme pohánět i pomocí chemické a následně elektrické energie a to následujícím způsobem.

Rozložíme vodu pomocí slunečního záření na vodík a kyslík. Potom oba plyny znovu sloučíme (tj. okysličíme vodík) a vznikne znovu voda. Nahromaděná energie se přitom uvolní ve formě elektřiny. Elektřinou z palivového článku napájíme elektromotor nebo akumulátor. Pokud elektrický proud z palivového článku napájí přímo motor, proud je většinou slabý a auto jede jen když svítí slunce. Lépe se zatím osvědčilo nabít nejdříve akumulátor a tím pak pohánět automobil. Pomocí vhodných akumulátorů se dá najezdit až 300 km při rychlosti do 90 km/h. Potom se akumulátor vybije a je třeba vyměnit ho za nabitý. Pro normální ježdění je tento akční rádius i rychlost zcela dostačující. Přitom elektromobil jezdí potichu a neznečišťuje životní prostředí.

To byly způsoby získávání energie ze slunce. A teď bych se chtěl zmínit o několika možnostech jednoduchého využití sluneční energie v současnosti.

Sluneční ohřívač vody
Sluneční ohřívač vody pracuje na velmi jednoduchém principu pohlcování světla. Za černým materiálem (dále sběrač), který dobře vede teplo proudí studená voda. Sběrač pohlcuje sluneční záření a tím ohřívá sebe a následně i vodu. Teplá voda stoupá vzhůru do zásobní nádoby a odtud je vedena do vodovodu. Na její místo proudí voda studená. Takto voda obíhá a ohřívá se, dokud je teplo přijaté sběračem větší než tepelné ztráty celého ohřívače. Zvláště v období od jara do podzimu ušetří tento ohřívač značné množství energie.

Sluneční sušička
Stejně jako voda se dá v takovémto ohřívači ohřívat i vzduch. Ten v tomto systému cirkuluje stejně jako voda a v sušící komoře se může sušit jakýkoliv materiál.

Slunce vytápí dům
Pasivní sluneční topení
Každý dům je vlastně sběrač slunečního záření. Toto sbírání však většinou není moc účinné. Je několik způsobů jak je vylepšit.

Sokratův dům
Za tímto pojmem se skrývá budova, která má (pokud možno co největší) dvojité okno (nebo okna) obrácené k jihu. Světlo projde oknem, změní se na teplo a to už oknem neprojde. Střecha Sokratova domu nad jižním oknem přečnívá tak, aby bylo okno vystaveno slunečnímu záření v létě nejméně a v zimě nejvíce.

Ohřívání přes střechu
Další jednoduchý způsob ohřívání domu pomocí slunečního záření spočívá v umístění černých vaků s vodou či jinou vhodnou látkou na rovnou, vodivou střechu. Ve dne se záření nahromadí ve formě tepla do vaků. Na noc se vaky přikryjí izolačními deskami, aby teplo neunikalo ven, ale pronikalo skrz střechu dovnitř. V parném létě může tento systém sloužit naopak jako klimatizace.

Vaky se v noci odkryjí a vyzařováním se zchladí a ve dne přikryjí a ochlazují budovu.

Sudy jako topení
Zajímavě je vytápění řešeno v takzvaném Baerově domě v Albuquerque (v Novém Mexiku). Tento dům má velké dvojité okno obrácené ke slunci a za tímto oknem je stěna ze sudů. Tyto sudy jsou postavené na sebe a jsou černé směrem k oknu a bílé směrem do domu. Přes den akumulují sluneční záření a na noc jsou přikryté izolační deskou a vyzařují teplo do domu.

Využití skleníku
Mnoho lidí pěstuje zeleninu ve skleníku. Ale skleník může sloužit i k vytápění domu. Kombinace skleníku a vytápění domu už byla realizována na mnoha místech a mnoha způsoby.

Pro příklad uveďme domek zvaný P.E.I.Ark postavený v Kanadě v roce 1976. Rozsáhlý dům je spojen s velkým a dlouhým skleníkem. Tento skleník dovoluje pěstovat zeleninu i jiné rostliny po celý rok a zároveň vyhřívá dům a bazén pro chov ryb. Rodina, která zde žije získává elektřinu z větrné elektrárny. Prodejem ryb a zeleniny získává peníze na nákup potřebných věcí. Tento biologický systém je téměř soběstačný a hlavně nemá žádné negativní vlivy na okolí. Doufejme, že se tyto stavby brzy rozšíří.

Slunce čistí vodu
Sluneční destilátor
Na mnoha místech země je nedostatek pitné vody. Proto se už delší dobu užívají tzv. sluneční destilátory. Sluneční destilátor je schopen vyčistit znečištěnou, slanou či jinak závadnou vodu. Jeho princip je velmi jednoduchý. V ploché nádobě s černým dnem i stěnami je nalita nebo zvolna protéká znečištěná voda. Nádoba je přikryta nakloněným sklem. Sluneční záření ohřívá černé dno a stěny a ty ohřívají vodu. V důsledku skleníkového efektu se voda vypařuje a stoupá vzhůru. Na chladném skle se potom sráží a stéká po něm do připravené nádoby. Důležité je, že nečistoty se neodpaří a tak je vysrážená voda čistá.

Budoucnost sluneční energie
Slunce je vhodným zdrojem energie pro budoucnost. Ale její využívání ve velkém bude vyžadovat i změnu životního stylu. Budeme si muset odpustit zbytečné spotřebiče energie a naučit se žít skromněji. Teď sice můžeme žít v přepychu, ale na úkor naší Země. Položme si teď otázku: "Kam tento svět pod vedením lidí vlastně spěje?" I když si to mnoho lidí nechce připustit, v hloubi duše všichni víme, že do zkázy. Přesto dál žijeme v luxusu, chleba si krájíme elektrickým nožem, kupujeme si napařovací žehličku W.S.Profesional, která vyžehlí čtyři ubrusy pod sebou a pereme košile s uzlem na rukávu. Denně pálíme další a další tuny fosilních paliv a znečišťujeme tak další a další tuny již tak dost špinavého vzduchu.

Země se ale naštěstí sama brání tím, že nám fosilních paliv dala omezené zásoby. A tyto zásoby jsme již téměř vyčerpali.

Za krátkou dobu budeme muset přejít na jiné zdroje energie, protože staré budou zcela vyčerpány. V blízké budoucnosti bude muset energetickou spotřebu Země zajišťovat jaderná a sluneční energie. Ale jaderná energie je pořád velkou hrozbou ať už její zastánci říkají cokoliv. A problém jaderného odpadu ještě stále není uspokojivě vyřešen. Proto čím dříve od ní budeme moci upustit, tím lépe. Smířit se s menší spotřebou energie bude pro mnoho lidí těžké, ale bude to asi nevyhnutelné. A o co později s tím začneme, o to větší to pro nás bude potom šok.