Sluneční termální elektrárny
Historie využití slunečního tepla
První solární termální elektrárnu postavil v roce 1913 americký inženýr Frank Shuman v Meadi v Egyptě. Použil parabolické žlaby k napájení motoru o síle 60 až 70 koňských sil, který čerpal vodu z Nilu pro zavlažování bavlníkových plantáží.
Systém sériově pospojovaných parabolických žlabů, v jejichž ohnisku se nachází trubka s teplonosnou látkou, byl použit i při stavbě solární elektrárny s výrobou elektrické energie v Mohavské poušti v Kalifornii. Devět elektráren s celkovým instalovaným výkonem 354 MW je stále v provozu.
Pasivní a aktivní solární systémy
Solární konstanta
Solární konstanta je množství sluneční energie procházející plochou 1 m2 kolmou na směr toku záření za 1 sekundu ve vzdálenosti jedné astronomické jednotky (střední vzdálenost Země od Slunce). Její hodnota je 1 367 Wm-2, mění se v řádech 1 promile v závislosti na sluneční aktivitě a v průběhu jedenáctiletého slunečního cyklu. Na zemském povrchu pak je průměrná roční hodnota výkonu dopadajícího záření 170 Wm-2. Nejvyšší je na zemském rovníku a nejnižší na pólech, ale protože oblasti kolem rovníku jsou často skryty za mraky, nachází se ideální oblast pro solární energetiku v pásu mezi 15 a 40 stupněm zemské šířky. Za rok dopadne na povrch Země 7 500násobek roční světové spotřeby, která k roku 2010 činila 450 EJ.
Princip práce solárních elektráren
Bez ohledu na typ použité koncentrační solární elektrárny je jejím výstupem teplonosné médium ohřáté na teplotu několika stovek stupňů Celsia. Tuto energii je třeba dále přeměnit na energii elektrickou. Nejvhodnějším systémem je parní turbína. Médium předá ve výměníku svou energii vodě, která se změní na přehřátou páru a ta v klasickém Rankinově cyklu pohání turbínu. Tento systém vyžaduje chlazení, což nemusí být v pouštních oblastech, kde se elektrárny často stavějí, jednoduché zajistit. Žlabové elektrárny vyžadují až 3 000 litrů chladicí vody na 1 MWh, což je srovnatelné s jadernou elektrárnou. Věžové elektrárny mají spotřebu vody nižší a diskové koncentrátory nejčastěji chladí vzduchem.
Elektrárny jsou optimalizované na střední osvětlení, takže při maximálním oslunění vyrábí více tepla, než kolik je jejich turbína schopná zvládnout. Přebytečné teplo ukládají do zásobníku, který může tvořit štěrkové lože, minerální oleje nebo nejčastěji směs roztavených solí. Teplo naakumulované v zásobníku pak pohání turbínu v noci nebo při nepříznivém počasí a díky tomu je výkon dodávaný koncentrační sluneční elektrárnou podstatně vyrovnanější než u elektráren fotovoltaických. Španělské žlabové elektrárny mají například zásobník s roztavenými solemi, který jim umožňuje vyrábět elektřinu až 7 hodin po západu slunce. Bez akumulačního zásobníku může věžová solární elektrárna vyrábět cca 25 % v roce, se zásobníkem je to až 65 %.
Typy slunečních termálních elektráren
Výroba několikametrových celých odrazných ploch je náročný proces, proto se jednotky větších výkonů skládají z menších zakřivených zrcadel, uspořádaných vedle sebe do formy větší paraboly. Určitým nedostatkem diskových koncentrátorů je nutnost dvouosového natáčení za Sluncem. Nosný mechanizmus musí být dimenzován nejen na hmotnost samotných zrcadel, ale i na hmotnost tepelného spotřebiče v ohnisku paraboly, protože ten je součástí pohyblivé konstrukce se zrcadly.
Nejčastěji se jako spotřebič v solárním zařízení používá Stirlingův plynový motor. V něm je uzavřeno konstantní množství plynu, vodíku nebo helia, které se v jednom místě zahřívá, rozpíná se a na jiném místě motoru zase ochlazuje a v rámci tohoto procesu koná práci, která se převádí na pohyb elektrického generátoru. Absorbér v ohnisku v tomto případě slouží jako zdroj tepla pro motor.
Náročnost masivní konstrukce parabolických koncentrátorů nedovoluje stavbu jednotek velkých výkonů. Jedna parabola má výkon do desítek kW. Častěji se vyskytují ve formě parků s desítkami až stovkami menších samostatných jednotek. Při tak velkém množství jednotek obsahujících pohyblivé části jsou samozřejmě kladeny větší nároky na údržbu celého systému.
Odrazivou plochu tvoří podkladový materiál (sklo nebo plast) a tenká nanesená vrstvička lesklého kovu (stříbro nebo hliník). Odrazivost koncentrátorů dosahuje při použití postříbřených skel více než 90 %.
Celková účinnost diskových parabolických koncentrátorů při přeměně dopadajícího slunečního záření na elektrickou energii dodanou do sítě je přibližně 30 %. V jejich ohnisku je možno dosáhnout i teplot vyšších než 1 000 °C.
Například solární parabolický koncentrátor o průměru 10 metrů dokáže při stabilním oslunění 1 000 W/m2 zásobovat energií motor o výkonu 25 kWe.
Žlabové sluneční kolektory patří do skupiny koncentračních kolektorů. Využívají princip soustředění slunečního záření z větší plochy do co nejmenšího ohniska s absorbérem. Tím dosahují teplot kolem 400 °C a jsou vhodné na výrobu elektrické energie v parkových slunečních elektrárnách. Alternativním způsobem využití může být například zásobování technologických procesů teplem.
Konstrukčně je žlabový kolektor vlastně dlouhé parabolické zrcadlo s tmavým trubkovým absorbérem umístěným v ohnisku. Sluneční paprsky jsou poměrně velkou parabolickou zrcadlovou plochou odráženy a koncentrovány v ohnisku, kde ohřívají teplonosné médium. Trubka s teplonosným médiem, kterým je ve většině případů olej, může být kvůli minimalizaci ztrát konstrukčně řešena jako Dewarova nádoba – termoska s vakuovou izolací Termická účinnost žlabových kolektorů dosahuje při kvalitní odrazné ploše až 90 % a výstupní teplota nezřídka dosahuje 400 °C.
Zapojením mnoha žlabových kolektorů za sebou vzniká žlabový sběrač tvořící základní jednotku parkové sluneční elektrárny. Orientace žlabových kolektorů i celých sběračů bývá nejčastěji severo-jižním směrem s tím, že celý kolektor se během dne otáčí v podélné ose a sleduje zdánlivou polohu Slunce na obzoru. Systém orientovaný ve směru východ-západ má nižší účinnost, ale na druhou stranu nepotřebuje každodenní natáčení žlabů, jenom malé sezónní úpravy polohy kolektorů podle aktuální výšky Slunce.
Největší sluneční elektrárnou se žlabovými kolektory je SEGS (Solar Energy Generating Systems) – skupina devíti elektráren v Mohavské poušti v Kalifornii, které se nachází ve třech lokalitách: Daggett, Kramer Junction a Harper Lake. Realizace začala již v roce 1985 a dnes má instalovanou kapacitu 354 MW. Přibližně 90 % energie je v elektrárně generováno ze sluneční energie. Pro případ, kdy je slunečního svitu nedostatek, může elektrárna spalovat zemní plyn.
Kromě USA používají žlabové sběrače také sluneční elektrárny ve Španělsku a Itálii. Další se budují v Egyptě, Alžíru, Maroku nebo Spojených arabských emirátech. Andasol 1 s instalovaným výkonem 50 MWe je první komerční žlabová elektrárna v Evropě.
Celková účinnost žlabových parabolických elektráren při přeměně dopadajícího slunečního záření na elektrickou energii dodanou do sítě je přibližně 15 až 20 %.
Konstrukce a výroba žlabových kolektorů je ekonomicky náročná, levnější variantu představuje solární systém využívající tzv. fresnelových zrcadel. Funguje podobně jako fresnelova čočka, kterou známe například z osvětlení zubařských křesel. Plochá zrcadla jsou v tomto případě natáčena tak, aby odrážela sluneční paprsky do absorbéru.
Věžové sluneční elektrárny, patřící do skupiny koncentračních solárních systémů, soustřeďují sluneční záření z velké plochy do malé oblasti absorbéru, umístěného na vrcholku věže. Sluneční energie je do malého prostoru absorbéru koncentrována pomocí rovinných zrcadel – heliostatů, rozmístěných kolem centrální věže. Každý heliostat má vlastní dvouosý systém sledování polohy Slunce. Počítač kontinuálně počítá polohu Slunce a každých pár sekund upravuje pozici heliostatu tak, aby se sluneční záření odráželo vždy do jednoho bodu na vrcholku věže.
V absorbéru se buď přímo přehřívá teplonosná látka, která pohání turbínu s elektrickým generátorem, nebo je část sluneční energie ukládána do tepelných akumulátorů obsahujících roztavené soli.
Celá konverzní technologie je umístěna v centrální věži. Vzhledem k velké koncentraci dopadající energie jsou v absorbéru dosahovány poměrně vysoké teploty, přesahující 500 °C. Tím se zlepšuje i efektivita využití tepla při konverzi na elektrickou energii.
První experimentální sluneční elektrárny s centrální věží a heliostaty byly ve světě stavěny v osmdesátých letech. Nejvýznamnější byla pilotní experimentální elektrárna Solar One v Mohavské poušti v Kalifornii s výkonem 10 MW, využívající vodu v roli teplonosné látky a olejový kamenný akumulátor. Stavba zahrnovala 1 818 heliostatů, každý s plochou zrcadel 40 m2. V polovině devadesátých let byla elektrárna upravena na ověření funkčnosti technologie s roztavenými solemi a přejmenována na Solar Two. Na základě úspěšného provozu Solar One a Solar Two je v Španělsku stavěna další verze Solar Tres Power Tower s výkonem 15 MW. K výkonnějším komerčním elektrárnám tohoto typu patří taky španělské věžové elektrárny PS 10 a PS 20 s výkony 11 a 20 MW.
Termoelektrický generátor využívá nepřímou přeměnu slunečního záření na elektrickou energii prostřednictvím spojení většího množství termoelektrických článků. Termočlánek je jednoduché zařízení ze dvou různých drátů, generující elektrickou energii při rozdílu teplot mezi studeným a teplým spojem. Jedná se o takzvaný Seebeckův jev. Teplý spoj generátoru se ohřívá v ohnisku koncentrických slunečních sběračů.