Využití slunečního tepla
Aktivní a pasivní využití
Zařízením k přeměně sluneční energie na teplo se říká fototermická. Jejich základem je sluneční kolektor, který záření shromažďuje, pohlcuje a mění na teplo. Získané teplo se odvádí pomocí teplonosného média (vzduchu, plynu nebo kapaliny) k místu využití nebo uložení.
Průměrná intenzita slunečního záření je v České republice kolem 620 W/m2, každou sekundu bychom tedy mohli teoreticky získat z metru čtverečního energii 620 J. Čím větší bude plocha, ze které kolektor „sbírá“ energii, tím víc jí budeme mít k dispozici.
Teplo ze slunečního záření můžeme využívat pasivně (to je vlastně využití skleníkového jevu) nebo aktivně – ve spojení s dalšími technickými zařízeními. Pasivní metoda využití slunečního záření je levná a jednoduchá, ale má sama o sobě poměrně omezené uplatnění (skleníky, zimní zahrady, sušárny). Podívejme se tedy na aktivní využití.
Jak funguje sluneční kolektor
Sluneční kolektory můžeme rozlišovat podle různých hledisek. Podle tvaru se dělí na ploché, trubicové a koncentrační. Podle způsobu přenosu tepla rozlišujeme kolektory kapalinové, teplovzdušné a kombinované.
Plochý kolektor je uzavřená, tepelně izolovaná schránka, má horní stěnu ze skla, které propouští sluneční paprsky. Musí být pevné, vydržet vysoké teploty a bývá opatřené antireflexní vrstvou (proti odrazu paprsků). Uvnitř schránky je absorbér, ve kterém se záření přeměňuje na teplo. Bývá to černá plocha. Znáte to – v černém tričku je vám v létě mnohem větší vedro, než v bílém – černá barva absorbuje teplo, bílá odráží. K absorpční vrstvě kolektoru je připojen systém trubek obsahujících teplonosnou kapalinu nebo plyn, nejčastěji to bývá voda, olej, vzduch. I systém trubek může být pokrytý absorbérem (natřený na černo). Dno a boky schránky jsou izolované např. skelnou vatou, polyuretanem, či jinými materiály, které vydrží vysokou teplotu a zabrání úniku tepla ven. Musí odolávat teplotám do 200 °C a nesmí přijímat z okolního prostředí vlhkost.
Princip plochého solárního kolektoru
Zahřáté teplonosné médium se může přímo použít (např. voda do bazénu) nebo přenese teplo do tepelného výměníku.
Kolektor tedy funguje na principu skleníkového efektu. Viditelné světlo prochází krycím sklem a v absorbéru se mění na teplo. Dlouhovlnné tepelné záření však sklo nepropouští ven. Uvnitř kolektoru vzniká skleníkový jev, při kterém se zvyšuje teplota.
Solární kolektor musí mít pevnou konstrukci, aby dobře odolával různým přírodním vlivům (vítr, kroupy, sníh). Měl by být co nejblíže místu spotřeby ohřátého média, aby se co nejvíce omezily tepelné ztráty v rozvodném potrubí. I rozvodné trubky musejí mít dobrou tepelnou izolaci.
Nejvhodnější orientace v našich zeměpisných podmínkách je natočení směrem k jihu nebo jihozápadu, aby se využila největší intenzita slunečního záření. Sklon čelní stěny ke slunci se volí v rozmezí 35 ° – 45 °.
Samotný kolektor pro praktické využití sluneční energie nestačí – zahřátá teplonosná kapalina musí získané teplo přenést na místo spotřeby. Kapalina, ohřátá v solárním kolektoru, se přivádí do zásobníku nebo výměníku tepla, součástí instalace jsou ventily, oběhové čerpadlo, regulační a další technické prvky. Výsledná teplota vody či vzduchu v takových systémech dosahuje nanejvýš 200 °C, pro domácí použití nám samozřejmě stačí i méně.
Solární systém
Kdo chce ale slunce pořádně zapřáhnout, s improvizací se nespokojí. Pořídí si rovnou solární systém. Pro sezónní využití, například k ohřívání vody v zahradním bazénu, se používá jednoduchý jednookruhový solární systém, většinou s přirozeným oběhem. Studená voda přichází do solárního kolektoru, ohřívá se v něm a shromažďuje v tepelně izolovaném zásobníku nad kolektorem. Kolektor je prostě jen velká krabice a zásobník je jako bojler.
Sluneční kolektor funguje i v zimě, když na něj slunce zasvítí, ale početná rodina by se asi s málo teplem nespokojila. Proto je výhodné sluneční systémy pro ohřev vody pro použití v domácnosti kombinovat se zásobníkem s možností dodatečného přihřátí třeba ústředním vytápěním nebo elektřinou. Obvyklé prvky systému jsou: kolektor, potrubí, zásobník, tepelný výměník, oběhové čerpadlo, expanzní nádoba, regulační prvky atd., oběh teplonosné kapaliny může být samotížný nebo nucený, jednookruhový nebo dvouokruhový.
Takový systém už vám v domácnosti nebo domku zabere nějaké místo, ale věřte, že se vyplatí. Účinnost solárních kolektorů je až 80 %, čili více než 4krát vyšší než fotovoltaiky.
Sluneční tepelné elektrárny
Parková elektrárna
Je tvořena řadami či poli slunečních kolektorů různého tvaru (např. paraboly, koryta, Fressnelova zrcadla), které soustřeďují sluneční záření na centrální trubici, v níž proudí teplonosné médium. Nejznámější je elektrárna SEGS v Kalifornii s výkonem 30 MW, která má v pohyblivých rámech celkem 1,5 milionu zrcadlových obloukových ploch.
Věžová elektrárna
Zrcadla jsou umístěná v soustředných kruzích kolem vysoké věže, která je tak v ohnisku. Nejvíc takových experimentálních elektráren je postaveno v Kalifornii a Novém Mexiku v USA, kde mají v průměru 320 slunečných dnů v roce. Některé ohřívají vodu (až na teplotu páry 560 °C, některé používají olejový nebo štěrkový akumulátor tepelné energie, aby turbogenerátor mohl pracovat ještě chvíli i po západu Slunce. Například jedna z novějších věžových elektráren Crescent Dunes v Nevadě, USA, umožňuje uložit naakumulovanou energii až na 10 hodin.
Věžové solární elektrárny dosahují účinnosti max. 17 % a jsou stále jen ve stadiu pokusných zařízení. Nastavovací zrcadla jsou řízena počítači, ale i tak je technicky i finančně obtížné je přesně nastavit, zrcadla se také musejí stále čistit od pouštního prachu.
Sluneční pec
Čínský obr
