SLUNCE A ELEKTŘINA
Bez elektřiny si už vůbec neumíme
život představit. Zdrojem užívané
elektrické energie jsou většinou fosilní
paliva (především uhlí) tedy dávná sluneční energie zachycená fotosyntézou.
Ale i ve vodních a větrných elektrárnách je zdrojem sluneční
energie, nepřímo skrytá v síle vodních toků a větrů. Elektřinu lze získat ze
sluneční energie různými způsoby, přímo i nepřímo.
1. Přímá přeměna využívá fotovoltaického jevu.
Je to jev, při kterém se v látce působením světla (fotonů) uvolňují elektrony. Tento důležitý jev může nastat v
některých polovodičích (např.
křemíku, germaniu, sirníku kadmia aj.) Fotovoltaický
článek je tvořen nejčastěji tenkou destičkou nařezanou z monokrystalu
křemíku. Lze použít i polykrystalický materiál, neboť získání monokrystalu je
pracné a nákladné. Destička je z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (např. bóru) a z druhé
strany atomy pětimocného prvku (např. arzenu). Když na destičku dopadnou fotony,
uvolňují se záporné elektrony a po nich zbývají kladně nabité "díry".
Přiložíme-li na obě strany destičky elektrody
a spojíme je drátem, začne protékat elektrický
proud. Jeden cm2 dává proud kolem 12 mW (miliwattů). Jeden m2
slunečních článků může dát v letní poledne až 150 W stejnosměrného proudu.
Sluneční články se zapojují bud' za sebou (sériově), abychom dosáhli potřebného
napětí (na jednom článku je 0,5 V), nebo vedle sebe (paralelně), abychom získali
větší proud. Spojení mnoha článků vedle sebe a za sebou se nazývá sluneční panel. Na
družicích nebo kosmických lodích dodávají potřebnou energii pro všechny
přístroje na palubě právě takové panely.
|
 |
|
Člověk přeměňuje energii
slunečního záření v jiné potřebné formy energie, a to buď přímo (vlnovka), nebo
nepřímo (čáry). Sluneční záření můžeme měnit v energii chemickou, tepelnou,
elektrickou a mechanickou. |
2. Nepřímá přeměna je založena na získání tepla. Teplo získáváme snadno pomocí slunečních
sběračů. V ohnisku sběračů umístíme termočlánky, které mění teplo v elektřinu. Zmiňme se o přímých
přeměnách tepla v elektřinu: termoelektrické a termoemisní. Termoelektrická
přeměna spočívá na tzv. Seebeckově jevu. V obvodu ze dvou
různých drátů vzniká elektrický proud, jestliže jejich spoje mají různou teplotu.
Takové jednoduché zařízení ze dvou různých drátů spojených na koncích se
nazývá termoelektrický článek.
Jeho účinnost závisí na vlastnostech obou
kovů, z nichž jsou dráty vyrobeny, a na rozdílu teplot mezi teplým a studeným
spojem. Větší množství termoelektrických článků vhodně spojených se nazývá termoelektrický
generátor. Teplo pro zahřívání teplého spoje se získává hořením
fosilních paliv nebo z radioaktivních
látek či ze slunečního záření. Při využívání slunečního záření se teplý
spoj umístí v ohnisku fokusačního sběrače. Studený spoj může být ve vodě či v
půdě.
Fotovoltaické elektrárny
Na plochu velikou 1 m2 a vodorovně položenou dopadá u nás přibližně
1200 kWh sluneční energie za rok. Na stejně velkou plochu nad zemskou atmosférou a
postavenou kolmo ke slunečním paprskům dopadá ročně 12 000 kWh, tedy 10x více než
k nám. V kosmickém prostoru se nestřídá den a noc, nejsou žádná oblaka, sluneční
záření není ničím zeslabováno. Napadá nás proto otázka, zda by bylo možné
sbírat sluneční záření mimo zemskou atmosféru, přeměnit je tam v elektrickou energii a tu pak posílat na povrch
Země.
 |
|
Geostacionární družice se
slunečními články ve výšce 36 000 km nad Zemí oběhne naší planetu přesně za 24
hodin. |
|
Kam v prostoru umístit takovou sluneční
elektrárnu, aby nespadla na Zemi nebo neodletěla pryč do vesmíru? Ve výšce 200
km je rychlost družice 8 km/s. Zemi oběhne jednou za půldruhé hodiny. Nás zajímá, v
jaké výšce oběhne družice Zemi právě za 24 hodiny. Vypočteme, že je to ve výšce
36 000 km nad zemským povrchem. To znamená, že ve výšce 36 000 km oběhne družice
Zemi za 24 hodiny - to je za stejnou dobu, za kterou se Země otočí lx kolem své osy.
Umístíme-li tedy družici do vzdálenosti 36 000 km nad zemský rovník, bude stále nad
stejným místem, jako by tam "visela". Takové družici se říká geostacionární
(tj. stojící nad určitým bodem zemského povrchu). Umělé družice jsou ve stavu
beztíže a to má dvojí význam: umělá družicová elektrárna může mít velikost
mnoha kilometrů čtverečných a lze ji snadno natáčet tak, aby byla stále kolmo ke
slunečním paprskům. Družicová elektrárna nebude konstruována na Zemi, ale v
kosmickém prostoru ve stavu beztíže, ve výšce nad 200 km a odtud pak bude vynesena do
vzdálenosti 36 000 km nad rovník. Při konstrukci družicové elektrárny bude tedy
celé "staveniště" i s materiálem a montéry létat kolem Země v
beztížném stavu, neboť jen tak se dají zkonstruovat rozsáhlé panely pro
fotovoltaickou přeměnu. Dopravu materiálu na oběžnou dráhu bude zajišťovat
raketoplán. Družicových elektráren je plánováno několik. Navržené panely mají
rozlohu 5 km x 12 km, tedy 60 km2. Na sluneční články panelů bude dopadat
sluneční záření 60 000 000 m2 x 1,4 kW/mz = 84 000 000 kW, a to ve dne v noci. Tato
družicová elektrárna by měla vyrábět elektřinu ze slunečního záření koncem
tohoto desetiletí a v té době bude už pravděpodobně účinnost fotovoltaických článků přes 20 %.
Celkový výkon obou panelů dohromady by tedy
byl 16 000 000 kW ve formě stejnosměrného proudu. Stejnosměrný proud z panelů se
bude měnit na decimetrové rádiové vlny, které budou vysílány směrem k Zemi.
Decimetrové vlny snadno procházejí atmosférou i oblaky. Na Zemi bude energie
decimetrových vln zachycena přijímací anténou a přeměněna ve střídavý proud
rozváděný normální sítí. Po všech přeměnách by z původních 84 milionů kW
záření mělo být v síti na Zemi 10 000 000 kW. Pro srovnání uveďme, že
přibližně 7 takových družic by mohlo zcela krýt veškerou energetickou potřebu
našeho státu.
 |
|
Palivový článek. |
|
Palivový článek
Elektřinu lze získávat ze
slunečního záření také přes energii
chemickou. Nakonec i klasické tepelné
elektrárny využívající uhlí představují způsob, jak chemickou energii uhlí (tj. fosilní energii sluneční) změnit v
teplo a teplo v elektřinu. Chemickou
energii můžeme však měnit přímo v elektřinu například tak, že pomocí
slunečního záření rozložíme vodu na vodík a kyslík. Tím se původní energie
záření uskladní jako energie chemická do obou plynů. Při slučování obou plynů
tj. při okysličování vodíku vzniká opět voda. Nahromaděná energie se přitom
uvolní bud jako teplo (při hoření), nebo jako elektrický
proud (v palivovém článku). Palivový
článek je měnič, ve kterém se energie chemická mění v energii elektrickou. Na rozdíl od ostatních
elektrochemických článků (primárních, jako je baterie do svítilny, a
sekundárních, jako je akumulátor),
palivový článek dostává látky a katalyzátor, aby mohl pracovat. Na obrázku je
znázorněn vodíko-kyslíkový článek. Z jedné strany se do něho přivádí vodík, z druhé kyslík. Vzniklá voda je odváděna z článku
pryč. Elektrony, které odevzdává vodík katodě, se pohybují vnějším obvodem ke
kyslíkové anodě, kde je přebírá kyslík.
To je tedy elektrický proud získaný z energie chemické.
|
 |
|
Na vodorovně umístěnou plochu
jednoho metru čtverečního v našich krajinách dopadá za rok více než 1 000 kWh
sluneční energie. Obrázek znázorňuje podrobné rozložení po republice. Údaje jsou
v MWh. Nejvíce slunečního záření dopadá na jižní Moravě. |
Palivové články budou pravděpodobně důležitým zdrojem elektrické energie v
budoucnosti. Představují uskladněnou sluneční energii a lze je získávat v
neomezeném množství. Účinnost palivových
článků je vysoká (až 90 %), zatímco generátory
elektráren na fosilní paliva dosahují pouze 35 % účinnosti. Provoz palivových
článků je čistý, neboť jejich produktem je voda.
Palivové články pracují zcela bezhlučně, jelikož neobsahují žádné pohyblivé
části. Pomocí palivových článků lze získávat elektřinu pro domácnost (s
výkonem 12 kW). Vyrábějí se však už baterie mnoha palivových článků s výkonem
až 13 000 kW (užívají se zejména v astronautice).
Sluneční tepelné elektrárny
Sluneční tepelná elektrárna je
zařízení, ve kterém se mění sluneční záření na elektrickou energii ve velkém
měřítku. Sluneční tepelná elektrárna je vlastně obyčejná tepelná elektrárna, která potřebné teplo
získává přímo ze slunečního záření. Za tím účelem je kotel sluneční elektrárny umístěn na věži v
ohnisku velkého fokusačního (ohniskového) sběrače. Sluneční
záření se soustřeďuje na kotel zvaný absorbér
pomocí mnoha otáčivých rovinných zrcadel - tzv. heliostatů. V kotli
se získává horká pára, která pak pohání turbínu,
turbína pohání generátor a generátor
dává elektrický proud - tedy jako v
obyčejné tepelné elektrárně.
|