Využitie slnečnej energie, slnečná energia - história vývoja, klady a zápory

Móda alternatívnej energie naberá na obrátkach. Okrem toho sa dôraz kladie na obnoviteľné zdroje energie – príliv a odliv, vietor, slnko. Solárna energia (alebo fotovoltaika) je považovaná za jeden z najrýchlejšie rastúcich priemyselných odvetví. Pomerne často veľmi optimistické vyhlásenia typu fakt, že všetka energia budúcich čias, nie menej, bude založená na slnečnej energii.

Prísne vzaté, energia hviezdy zvanej Slnko je v „konzervovanej“ forme prítomná vo všetkých druhoch fosílnych palív – uhlie, ropa, plyn. Táto energia sa začína hromadiť v štádiu rastu rastlín, ktoré spotrebúvajú slnečné svetlo a teplo, ktoré sa v dôsledku zložitých biologických procesov menia na uhlíkové fosílie. Energiu vody, jej cirkuláciu podporuje aj Slnko.

Hustota slnečnej energie na hornej hranici atmosféry je 1350 W/m2, nazýva sa to «slnečná konštanta». Keď slnečné lúče prechádzajú zemskou atmosférou, časť žiarenia sa rozptýli.Ale aj na samotnom povrchu Zeme je jeho hustota dostatočná na možné využitie aj pri zamračenom počasí.

História vývoja

Fotovoltaický efekt (tj objavenie sa stacionárneho prúdu v homogénnom materiáli s jeho homogénnou fotoexcitáciou) objavil v roku 1839 francúzsky fyzik Alexandre-Edmond Becquerel. O niečo neskôr Angličan Willoughby Smith a Nemec Heinrich-Rudolph Hertz nezávisle na sebe objavili fotovodivosť selénu a ultrafialovú fotovodivosť.

V roku 1888 bolo v Amerike patentované prvé „zariadenie na obnovu slnečného žiarenia“. Prvé úspechy ruských vedcov v oblasti fotovodivosti sa datujú do roku 1938. Vtedy v laboratóriu akademika Abrama Joffeho prvýkrát vznikol prvok na premenu slnečnej energie, ktorý sa plánoval využiť v slnečnej energii.

Rozvoju pozemskej slnečnej energie predchádzalo veľké množstvo práce vedcov (vrátane fyzikov Leningradsko-Petrohradskej vedeckej školy Borisa Kolomice a Jurija Maslakovca) v oblasti solárnych batérií na vesmírne účely. Vytvorili v Leningradskom inštitúte fyziky a technológie fotobunky zo síry tália, ktorých účinnosť sa rovnala 1% - skutočný rekord tej doby.

Abram Joffe sa stal aj autorom dnes populárneho inštalačného riešenia fotobunky na strechách (hoci táto myšlienka sa najprv veľmi neujala jednoducho z toho dôvodu, že v tom čase nikto nepociťoval nedostatok fosílnych palív). Krajiny ako Nemecko, USA, Japonsko, Izrael dnes čoraz častejšie inštalujú solárne panely na strechy budov, čím vznikajú „energeticky efektívne domy“.

Slnečná energia sa začala viac zaujímať v druhej polovici 20. storočia.Vďaka praktickému vývoju v tejto oblasti vznikli tepelné elektrárne, kde sa chladivo ohrieva priamym slnečným žiarením a paru vznikajúcu v kotli poháňa turboelektrický generátor.

S hromadením poznatkov a pokrokom od teórie k praxi vyvstáva otázka rentability solárnej výroby. Úlohy solárnej energie spočiatku nepresahovali rámec zásobovania miestnych objektov, napríklad ťažko prístupných alebo vzdialených od centrálneho elektrického systému. Už v roku 1975 bol celkový výkon všetkých solárnych zariadení na planéte iba 300 kW a cena špičkového kilowattu výkonu dosiahla 20-tisíc dolárov.

Princíp činnosti solárnych elektrární:

Ako sa slnečná energia premieňa na elektrinu

Bežné typy solárnych panelov

Spustenie solárnej energie zo zeme – aj bez zohľadnenia ekonomickej zložky – si samozrejme vyžadovalo výrazne vyššiu účinnosť. A podarilo sa im to trochu dosiahnuť. Účinnosť moderných kremíkových polovodičových generátorov je už 15-24% (pozri — Účinnosť solárnych článkov a modulov), preto (ako aj ich pokles ceny) je dnes neustály dopyt.

Výrobu solárnych panelov zvládli významné svetové spoločnosti ako Siemens, Kyocera, Solarex, BP Solar, Shell a ďalšie. Náklady na jeden watt inštalovaného elektrického výkonu polovodičových solárnych článkov klesli na 2 doláre.

Už v sovietskych časoch sa odhadovalo, že 4 000 km2 solárnych modulov bolo schopných pokryť ročnú potrebu elektriny celého sveta. A účinnosť batérií v tom čase nepresiahla 6%.

V minulom storočí vznikli 10-megawattové solárne elektrárne (SPP) v USA, Francúzsku, Španielsku, Taliansku a ďalších „slnečných“ krajinách. V ZSSR bola prvá experimentálna solárna elektráreň s výkonom 5 MW postavená na Kerčskom polostrove, kde je počet slnečných dní v roku jeden z najvyšších v regióne.

Niektoré z týchto staníc sú stále v prevádzke, mnohé prestali fungovať, no dá sa povedať, že v zásade nemôžu konkurovať moderným solárnym fotovoltaickým systémom.

Solárne elektrárne:

Typy solárnych elektrární

Plávajúce solárne elektrárne

Solárne koncentrátory

profesionálov

Silné stránky slnečnej energie sú všetkým zrejmé a nepotrebujú podrobné vysvetlenie.

Po prvé, zdroje Slnka vydržia dlho – životnosť hviezdy odhadujú vedci na približne 5 miliárd rokov.

Po druhé, využívanie slnečnej energie neohrozuje emisie skleníkových plynov, globálne otepľovanie a všeobecné znečistenie životného prostredia, t.j. neovplyvňuje ekologickú rovnováhu planéty.

Fotovoltaická elektráreň s výkonom 1 MW ročne vyrobí cca 2 mil. kW, čím sa zabráni emisiám oxidu uhličitého v porovnaní so spaľovacou elektrárňou v objemoch: na plyne cca 11 tisíc ton, na ropných produktoch 1,1-1,5 tisíc ton, na uhlí 1,7-2,3 tisíc ton...

Zápory

Medzi slabé miesta solárnej energie patrí po prvé, stále nie dostatočne vysoká účinnosť a po druhé, nie dostatočne nízke náklady na kilowatthodinu – niečo, čo vyvoláva otázky o rozšírenom využívaní akéhokoľvek obnoviteľného zdroja energie.

K tomu sa pridáva fakt, že poriadna časť slnečného žiarenia na zemskom povrchu sa nekontrolovateľne rozptýli.

Prísne sa spochybňuje aj bezpečnosť životného prostredia — veď stále nie je jasné, čo s likvidáciou použitých prvkov.

Napokon, stupeň štúdia slnečnej energie – nech už hovoria čokoľvek – je stále ďaleko od dokonalosti.

Najslabším článkom solárnej energie je nízka účinnosť batérií; riešenie tohto problému je len otázkou času.

Použitie

Áno, získavanie energie zo Slnka nie je najlacnejší projekt. Po prvé, za posledných tridsať rokov sa jeden watt vyrobený pomocou fotobuniek desaťkrát zlacnel. A po druhé, želanie európskych krajín znížiť závislosť od tradičných zdrojov energie zohráva úlohu solárnej energie. Tiež nezabudnite na Kjótsky protokol. Teraz môžeme povedať, že solárna energia sa rozvíja stabilným tempom tak z pohľadu vedy, ako aj z pohľadu obchodu.

Dnes sa slnečná energia najaktívnejšie využíva na tri účely:

• kúrenie a teplá voda a klimatizácia;

• premena na elektrickú energiu pomocou solárnych fotovoltaických konvertorov;

• výroba energie vo veľkom meradle založená na tepelnom cykle.

Slnečná energia sa nemusí premieňať na elektrickú energiu, ale je celkom možné ju využiť ako teplo. Napríklad na vykurovanie a ohrev vody v obytných a priemyselných objektoch.

Základom princípu fungovania konštrukcie solárnych vykurovacích systémov je ohrev nemrznúcej zmesi.Teplo sa potom odovzdáva do zásobníkov, ktoré sa zvyčajne nachádzajú v suteréne, a odtiaľ sa spotrebúva.

Jedným z najväčších potenciálnych spotrebiteľov fotovoltaickej energie je poľnohospodársky sektor, ktorý dokáže samostatne spotrebovať stovky megawattov špičkovej slnečnej energie ročne. K tomu možno pridať podporu navigácie, napájanie pre telekomunikačné systémy, systémy pre rezort a zdravotníctvo a cestovný ruch, ako aj vily, solárne pouličné osvetlenie a ďalšie.

Dnes sa vážne uvažuje o možnosti absolútne fantastických, z pohľadu laika, spôsobov využitia solárnej energie. Napríklad projekty na obežnú dráhu okolo solárnych staníc alebo ešte fantastickejšie solárne elektrárne na Mesiaci.

A skutočne existujú také projekty. Vo vesmíre je koncentrácia slnečnej energie v porovnaní s našou modrou planétou oveľa vyššia. Prenos energie na Zem je možný pomocou smerovaného svetla (laser) alebo ultravysokofrekvenčného (mikrovlnného) žiarenia.

Pokračovanie v téme: Pestujte slnečnú energiu vo svete