VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE V ČR RENEWABLE RESOURCES OF ENERGY IN CZECH REPUBLIC

Transcript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE V ČR RENEWABLE RESOURCES OF ENERGY IN CZECH REPUBLIC BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR ĽUBOŠ DUBOVÝ DOC. ING. JAN FIEDLER, DR. BRNO 2008

2

3 ABSTRAKT Obsahem této bakalářské práce je odborná rešerše, která pojednává o obnovitelných zdrojích energie v České republice se zaměřením na sluneční energii. Práce obsahuje základní charakteristiku a problematiku sluneční energie, jako i její využití v České republice. Dále je uvedený konkrétní popis vybraného solárního systému. Klíčová slova obnovitelné, zdroje, energie, geotermální, vítr, voda, slunce, biomasa ABSTRACT The content of this bachelor study is the technical recherche, which deals with renewable resources of energy in Czech Republic with a view to the solar energy. The study contents basic charakteristic and disputableness of solar energy as well as its exploitation in Czech Republic. Then there has been introduced description of chosen concrete solar system. Key words renewable, resources, energy, geothermal, wind, water, sun, biomass BIBLIOGRAFICKÁ CITACE DUBOVÝ, Ľ.. Brno: Vysoké učení technické v Brně,, s., Vedoucí práce Doc. Ing. Jan Fiedler, Dr.

4

5 ČESTNÉ PREHLÁSENIE Prehlasujem, že som bakalársku prácu na téma Obnoviteľné zdroje energie v ČR vypracoval samostatne s použitím odbornej literatúry a prameňov, uvedených na zozname, ktorý tvorí prílohu tejto práce. V Brne, dňa 21. mája Ľuboš Dubový

6

7 POĎAKOVANIE Ďakujem týmto pánovi Doc. Ing. Jánovi Fiedlerovi za odborné vedenie, rady a venovaný čas pri tvorbe bakalárskej práce. Ďalej by som chcel poďakovať rodičom, ktorí mi umožnili štúdium a podporovali ma v ňom. Ďakujem.

8

9 Obsah: 1. ÚVOD OBNOVITEĽNÉ ZDROJE ENERGIE VŠEOBECNÉ VÝHODY A NEVÝHODY OBNOVITEĽNÝCH ZDROJOV ENERGIE OBNOVITEĽNÉ ZDROJE ENERGIE V PODMIENKACH ČR HLAVNÉ MOŽNOSTI VYUŽÍVANIA OBNOVITEĽNÝCH ZDROJOV ENERGIE V PODMIENKACH ČR ENERGIA VODNÝCH TOKOV Súčasný stav využitia v ČR Technické riešenia využitia vodnej energie Vplyv MVE na životné prostredie ENERGIA VETRA Súčasný stav využitia v ČR Technické riešenia využitia veternej energie Vplyv veternej elektrárne na životné prostredie ENERGIA BIOMASY Súčasný stav využitia v ČR Technické riešenia využitia biomasy Vplyv biomasy na životné prostredie GEOTERMÁLNA ENERGIA Súčasný stav využitia v ČR Technické riešenia využitia geotermálnej energie Vplyv využívania geotermálnej energie na život. prostredie ENERGIA SLNKA Vysokovýkonné solárne elektrárne Súčasný stav využitia v ČR Astrofyzikálne poznatky o slnku Využitie priameho slnečného žiarenia Fototermálna premena žiarenia Fotovoltaické systémy Princíp funkcie fotovoltaického článku Základné polovodičové materiály pre solárne články Konštrukcia a komponenty solárnych systémov Popis vybraného fotovoltaického systému Prehľad veľkých fotovoltaických panelov v ČR ZÁVER Zoznam použitej literatúry...47 Zoznam použitých skratiek a symbolov

10 1. Úvod 1.1. Obnoviteľné zdroje energie Obnoviteľné zdroje energie (OZE), sú energetické zdroje, ktoré sú človeku v prírode voľne k dispozícií a ich zásoba je z ľudského pohľadu nevyčerpateľná na rozdiel od tradičných fosílnych či jadrových energetických zdrojov, ktoré sa vytvárali v rozpätí niekoľkých geologických období. Principiálne je možno OZE rozdeliť do troch základných skupín podľa energie, na ktorej sú založené. 1. Zdroje založené na rotačnej a gravitačnej energií Zeme a okolných vesmírnych telies (prílivová energia) 2. Tepelná energia zemského jadra 3. Energia dopadajúceho slnečného žiarenia Energia dopadajúceho slnečného žiarenia je využiteľná priamo ako energia priameho, či rozptýleného slnečného žiarenia alebo v transformovaných formách energia vody, vetra, biomasy atď. Tabuľka 1: Základné rozdelenie v súčasnosti využívaných obnoviteľných zdrojov energie Základný obnoviteľný energetický zdroj Odvodené, či premenené OZE, využiteľné pre výrobu tepla, či elektrickú energiu Rotačná energia Zeme a gravitačná energia Zeme, Mesiaca a Slnka Prílivová energia (E) Energia zemského jadra Geotermálna energia (E, T) Dopadajúce slnečné žiarenie Priame slnečné žiarenie (E, T) Energia vetra (E) Energia morských vĺn (E) Tepelná energia prostredia (T) Energia biomasy (E, T) Energia vodných tokov (E) Možno využiť pre: E elektrickú energiu, T tepla 12

11 1.2. Všeobecné výhody a nevýhody obnoviteľných zdrojov energie Neobnoviteľné zdroje energie (ropa, uhlie, zemný plyn,...) sa pomaly, ale isto míňajú. Tým, že budeme svoje energetické potreby viac pokrývať obnoviteľnými zdrojmi energie, môžeme výrazne prispieť ku spomaľovaniu postupného vyčerpávania neobnoviteľných prírodných zdrojov. Oproti klasickým zdrojom, pri využívaní OZE nevznikajú jadrové odpady, škodlivé emisie (z pravidla oxidov síry a dusíku, spôsobujúce mimo iné tzv. kyslé dažde) a hlavne oxid uhličitý, ktorý je spojovaný s tzv. skleníkovým efektom a hroziacimi globálnymi klimatickými zmenami. V neposlednom rade môže využitie OZE mať i priaznivé sociálne dopady vznikajú nové pracovné miesta pri výrobe technológií na využitie OZE a pri príprave a spracovaní palív založených na obnoviteľných zdrojoch (pestovanie energetických rastlín a plodín, výroba). Obnoviteľné zdroje majú oproti klasickým zdrojom energie i svoje nevýhody, ktoré vyplývajú priamo z ich podstaty energia, ktorú zachycujú, má obvykle malú plošnú alebo priestorovú hustotu, a preto zariadenie s kapacitou zrovnateľnou so zdrojom klasickým, je oveľa väčšie, technologicky náročnejšie a z hľadiska počiatočnej investície i drahšie. Naviac je energia, dodávaná obnoviteľnými zdrojmi, v niektorých prípadoch časovo premennou veličinou, závislou na prírodných podmienkach (slnečný svit, vietor) a je nutné ju akumulovať. Práve ekonomická efektívnosť a konkurencieschopnosť s klasickými zdrojmi z hľadiska ceny energie vyrobenej z obnoviteľných zdrojov, sú zatiaľ hlavnými prekážkami brániacimi ich širšiemu využívaniu. Vedľa ekologických prínosov môže mať využívanie obnoviteľných zdrojov energie radu priaznivých priamych i nepriamych ekonomických a sociálnych prínosov. Pri úvahách o využívaní OZE sa prelínajú tieto hlavné prístupy: 1. Vďaka využití OZE dôjde k úsporám energie dodávanej z tradičných zdrojov a v prípade, kde je obnoviteľný zdroj ekonomicky konkurencieschopný, tiež k ekonomickým úsporám. 2. OZE sú, na rozdiel od klasických zdrojov, v prevažnej miere využívané decentralizovane (tj. vyrobená energia je v lokalite i spotrebovaná). Vyššie využitie miestnych zdrojov energie prispieva ku zníženiu strát pri prenose a rozvode energie, k vyššej miere sebestačnosti a bezpečnosti v zásobovaní obce, mesta, či regiónu energiou a má pozitívny vplyv na zamestnanosť. 3. Pri náhrade klasických zdrojov energie obnoviteľnými zdrojmi (napr. kotolne na tuhé palivá kotolňami na biomasu) odpadnú alebo sa podstatne znížia poplatky za emisie znečisťujúcich látok do ovzdušia. 4. Využitie OZE môže výrazne prispieť k zviditeľneniu a zlepšeniu image podniku či firmy, ale i obce, mesta alebo regiónu a môže byť do určitej miery prestížnou záležitosťou, vyjadrujúcou pozitívny vzťah k životnému prostrediu bez ohľadu na okamžitý ekonomický efekt. 5. Dobre spracovaný a ekonomicky návratný projekt OZE (napr. obecná kotolňa na biomasu, veterná farma, malá vodná elektráreň) môže byť sám o sebe vhodným podnikateľským zámerom. 13

12 2. Obnoviteľné zdroje energie v podmienkach ČR 2.1. Hlavné možnosti využívania obnoviteľných zdrojov energie v podmienkach ČR Národné hospodárstvo v Českej republike sa vyznačuje značne nepriaznivou skladbou primárnych energetických zdrojov, kde prevažujúci podiel majú tuhé palivá, prinášajúce následné negatívne dopady na životné prostredie. Hlavnými príčinami nízkeho zastúpenia OZE v energetickej bilancii Českej republiky sú hlavne: dlhodobá orientácia na tradičný tuzemský zdroj energie uhlie a jadrovú energiu, pretrvávajúce nízke ceny tradičných energetických zdrojov, predovšetkým uhlie, limitovaný potenciál OZE daný prírodnými podmienkami ČR V ČR prichádzajú k úvahe tieto hlavné možnosti využívania OZE: využitie energie vodných tokov v malých vodných elektrárňach, využitie energie vetru využitie slnečnej energie v aktívnych solárnych systémoch, pasívnej solárnej architektúre a fotovoltaických systémoch využitie geotermálnej energie a energie prostredia prevažne s použitím tepelných čerpadiel využitie pevnej biomasy, kvapalných biopalív a bioplynu. 14

13 2.2. Energia vodných tokov Súčasný stav využitia v ČR Vodné elektrárne sa na celkovom inštalovanom výkone v Českej republike podieľajú zhruba 17% a na výrobe elektriny necelými 4%. Technický využiteľný potenciál tokov v ČR je cca 3380 GWh/rok. Z toho v malých vodných elektrárňach (MVE) je využiteľný cca 1570 GWh/rok. Dnes využitý potenciál v MVE činí zhruba 30%, tj. cca 550 GWh/rok. V súčasnej dobe sú v ČR možnosti využívať vodnú energiu v nových veľkých vodných elektrárňach bezmála vyčerpané a navyše výstavba veľkých vodných diel je takmer vždy spojená i s pomerne zásadnými dopadmi na životné prostredie. V ČR však stále existuje rada lokalít, kde je možno využívať malé vodné elektrárne. Malé vodné elektrárne zaznamenali v posledných rokoch dramatický rozvoj a vzhľadom k tomu, že v rade lukratívnych lokalít už boli MVE realizované, doposiaľ nevyužité lokality môžu byť z pohľadu investičných nákladov menej výhodné. Investičné náklady na výstavbu nového vodného zdroja energie nie je možno vyjadriť mernou hodnotou sú špecifické v závislosti na umiestnení, nutných stavebných úpravách a doprovodnej infraštruktúry. 15

14 Technické riešenia využitia vodnej energie Malé vodné elektrárne (MVE) je podľa ČSN elektráreň s inštalovaným výkonom do 10 MW, využívajúca vodnú energiu pre výrobu elektrickej energie. MVE, ako zariadenie na premenu energie vodného toku na elektrickú energiu, sa delí na niekoľko kategórií, predovšetkým podľa rozsahu (zádržné a prietočné) a použitej technológie (typ turbíny). MVE je vhodné prevádzkovať hlavne v tých lokalitách, kde už v minulosti bola vodná energia využívaná (napr. mlyny, hamre). Malé vodné elektrárne je v zásade možné rozdeliť na: Prietočné MVE bez akumulácie vody, využívajúce prirodzený prietok. Zádržné MVE (akumulačné) s prirodzenou alebo umelou akumuláciou, so schopnosťou odberu vody podľa potreby energie pre určitý čas. Z hľadiska veľkosti spádu sa MVE delia na: nízkotlaké so spádom do 20m stredotlaké so spádom do 100m vysokotlaké so spádom nad 100m Najčastejšie sú používané turbíny typu: Bánkiho turbína rovnotlaká turbína s dvojnásobným prietokom obežného kolesa. Použiteľná pre spády od 5 do 60 m a prietoky od 0,01 m 3 /s až 0,09 m 3 /s), Kaplanova turbína pretlaková turbína, výborne regulovateľná, výrobne náročná, Pre spády od 1 do 20 m a prietoky od 0,1 až niekoľko m 3 /s. Francisova turbína v minulosti najpoužívanejšia pretlaková turbína. Dnes sa používa pre spády od 10m a pomerne vysoké prietoky. Peltonova turbína rovnotlaká turbína, použitie pre spády nad 30m a prietoky od 0,01 m 3 /s. SETUR turbína pracuje na princípe rotora, ktorý sa odvaľuje po vnútornom povrchu statora. Možno využiť pre spády od 3,5 do 20 m a prietoky od 0,004 m 3 /s do 0,02 m 3 /s Typy najčastejšie používaných turbín. 16

15 Vplyv MVE na životné prostredie Základným kritériom pre možné využitie vodnej energie, ktoré vyplýva z obecných fyzikálnych princípov, je dostatočný hydroenergetický potenciál lokality, ktorý je závislý na dvoch základných parametroch: využiteľnom spáde (ktorý je pri určitom zjednodušení daný výškovým rozdielom hladín na vtoku a odpadu z turbíny) a prietoku (prietočné množstvo vody v danom profile, ktorý chceme využiť(možné zistiť z tzv. odtokovej krivky)). Malú vodnú elektráreň obvykle nie je možné dimenzovať na plný prietok v danej lokalite, ale je nutné počítať s tzv. hygienickým minimom prietoku vody, ktorý je nutné ponechať v riečišti. Aby bola elektrická energia vyrobená v MVE skutočne šetrná k životnému prostrediu, a teda po všetkých stránkach zelená, je nutné, aby boli dodržiavané niektoré základné pravidlá: Dodržiavanie odberu zjednaného množstva vody a ponechanie dostatočného zbytkového prietoku v riečišti tak, aby bola zaistená funkcia riečneho systému. Odstraňovanie naplavenín vytiahnutých z vody Prevencia pred znečistením vody mazivami na báze ropných produktov. Minimalizácia hluku spôsobená MVE Vhodné začlenenie MVE do lokality tak, aby nebol narušený miestny krajinný ráz. Pri dodržaní všetkých uvedených pravidiel nemôže MVE svojou prevádzkou narušiť životné prostredie, naopak, môže prispieť k revitalizácií miestneho riečneho systému čistením a prevzdušňovaním toku Energia vetra Súčasný stav využitia v ČR Veterná energia je jedna z foriem slnečnej energie. Vzniká vďaka tomu, že slnko zahrieva Zem nerovnomerne. Medzi rôzne zahriatymi oblasťami vzduchu v zemskej atmosfére vznikajú tlakové rozdiely, ktoré sa vyrovnávajú prúdením vzduchu. Pod pojmom vietor rozumieme iba horizontálnu zložku prúdenia vzduchu, vo vrstve niekoľkých desiatok metrov nad zemou sú stúpavé vzdušné prúdy nevýznamné. Výhodou veternej energie je to, že ju na rozdiel napr. od energie biomasy, dokážeme pomerne ľahko premeniť na žiadanú elektrinu. Využívanie vetru tak môže napomôcť splneniu národného cieľu produkovať v roku 2010 z obnoviteľných zdrojov 8% celkovej spotreby elektriny. Potenciál veternej energie v ČR sa odhaduje na 4000 GWh/rok. To sú asi 4% celkovej spotreby elektriny v ČR. V bilancii celkovej energetickej spotreby ide asi o jedno percento. Napriek tomu, že ČR nemá tak výhodné podmienky pre využitie veternej energie ako prímorské štáty (napr. Dánsko, Veľká Británia, Holandsko), existuje i vo vnútrozemských podmienkach rada vhodných lokalít, kde možno inštalovať veterné elektrárne, a to i veľkých výkonov. Prírodné podmienky (za hranice využiteľnosti sa pre veľké veterné elektrárne považuje priemerná ročná rýchlosť vetra 5 m/s vo výške 10 m nad terénom) dovoľujú vybudovať mimo chránené oblasti cca veterných elektrárni. 17

16 Mapa priemernej veternej aktivity v ČR. V poslednej dobe v ČR veterných elektrární pribúda. Dôvodov je viac: pomerne priaznivé výkupné ceny a hlavne zákonom daná garancia, že tieto ceny budú pevné po dobu 20 rokov od spustenia. Ďalším dôvodom môže byť možnosť získania dotácie, i keď väčšina veľkých veterných elektráreň sa stavia aj bez dotácií Technické riešenia využitia veternej energie V súčasnej dobe sa vietor využíva k výrobe elektrickej energie v moderných veterných elektrárňach s vodorovnou osou rotoru, založených na vztlakovom princípe. Z hľadiska konštrukcie, výkonu a pripojení do siete je nutné rozlíšiť veterné elektrárne malého výkonu (minielektrárne do cca 5 kw), ktoré môžu slúžiť predovšetkým ako decentralizované zdroje nízkeho napätia pre rekreačné objekty, rodinne domy a pod., a elektrárne veľkých výkonov, ktoré sú určené k dodávke energie do verejnej siete. Malé veterné elektrárne je výhodne využiť predovšetkým v miestach bez prípojky elektrickej energie. Vyrobená energia obvykle slúži k nabíjaniu sady akumulátorov, z ktorých sú napájané spotrebiče pripojiteľné na jednosmerné napätie 12 alebo 24 V (osvetlenie, TV, chladničky,..) alebo cez menič i bežné spotrebiče na striedavé napätie 230 V. Vyrobenú elektrinu je možné využiť i pre ohrev teplej vody a vhodne tak vyrobenú energiu akumulovať. Veľké veterné elektrárne, vhodné pre použitie vo vnútrozemských podmienkach, mávali ešte donedávna obvyklý jednotkový inštalovaný výkon 600 kw až 1 MW. V súčasnosti však rada svetových výrobcov začína ponúkať i pre vnútrozemské použitie elektrárne o výkonoch 1-3 MW. 18

17 Priemer rotoru (obvykle trojlistý) sa pohybuje v závislosti na výkonových charakteristikách elektrárne od 50 do 100 m. Výška veže sa pohybuje obvykle od 60 do 100 m. Otáčky rotoru sú regulovateľné, dané nerovnomernosťami v rýchlosti vetra. V súčasnej dobe prevládajú dva typy regulácie: Regulácia Stall (pasívna): rotor má pevné listy a pre reguláciu využíva odtrhnutie prúdnice vzduchu od listu rotoru pri určitej rýchlosti vetra. Regulácia Pitch (aktívna): využíva natáčanie celého listu rotora podľa okamžitej rýchlosti vetru. Základné časti veternej elektrárne: 1 rotor s rotorovou hlavicou; 2 brzda rotoru; 3 planétová prevodovka; 4 spojka; 5 generátor; 6 servo-pohon natáčania strojovne; 7 brzda strojovne; 8 ložisko strojovne; 9 čidlá rýchlosti a smeru vetra; 10 veža elektrárne; 11 betónový základ elektrárne; 12 elektrorozvádzače silnoprúdového a riadiaceho obvodu; 13 elektrická prípojka Schéma veternej elektrárne Vplyv veternej elektrárne na životné prostredie I keď sú veterné elektrárne často symbolom ekologickej výroby elektriny, sú im vytýkané i niektoré negatíva: Hlučnosť súčasných strojov je pomerne nízka. Elektrárne sú naviac stavané v dostatočnej vzdialenosti od obydlia. Hluková štúdia býva súčasťou dokumentácie nutnej ku stavebnému povoleniu. Rušenie zveri podľa praktických skúseností nenastáva. Dokladom sú ovce a kravy, ale aj divoká zver pasúca sa v tesnej blízkosti elektrárne. Rušenie televízneho signálu môže nastať. Závisí na pozícií televízneho vysielača, elektrárne a domov, ktoré majú anténu. Týka sa len blízkeho okolia elektrárne. Narušenie krajinného rázu je pravdepodobne najvýraznejší problém. Niekomu sa veterné elektrárne môžu ľúbiť, niekomu nie. Často je rozoberané narušenie krajinnej panorámy. 19

18 2.4. Energia biomasy Súčasný stav využitia v ČR Energia získavaná zo spaľovania biomasy je historicky najstarším energetickým zdrojom, ktorý ľudstvo využíva. Biomasa je organická hmota rastlinného alebo živočíšneho pôvodu. V súvislosti s energetickým využitím zahrňuje tento pojem predovšetkým palivové a odpadné drevo, slamu, a ďalší poľnohospodársky a lesný odpad, zámerne pestované dreviny, byliny či plodiny, ale tiež odpady biologického pôvodu, ako napr. hnoj hospodárskych zvierat, kaly z ČOV a produkty ich spracovania (bioplyn). Základnou výhodou biomasy je jej nefosílny pôvod a obnoviteľnosť. Z hľadiska emisií oxidu uhličitého, ktorý je hlavným plynom, spôsobujúcim tzv. skleníkový efekt, sa biomasa chová neutrálne pri udržateľnom prístupe, kde nie sú zdroje biomasy extrémne vyčerpané sa jedná o uzavretý cyklus, kde je CO 2 uniknutý do atmosféry pri spaľovaní pohltený novo dorastajúcou biomasou, ktorú je možno ďalej využiť. Biomasa je v súčasnej dobe obnoviteľným zdrojom s najvyšším podielom na spotrebe primárnych energetických zdrojov. Biomasa má zo všetkých druhov OZE v ČR najvyšší potenciál využitia a tiež najvyšší súčasný podiel v energetickej bilancií. V roku 2004 mala iba biomasa cca 2,2% podiel na spotrebe primárnych energetických zdrojov. Ten má naviac rastúcu tendenciu. ČR patrí podľa rôznych analýz medzi zeme s relatívne vysokým potenciálom biomasy. Podľa údajov združenia CZ BIOM sa dostupný potenciál biomasy a bioplynu pohybuje vo výške cca 134 PJ, čo je cca 7,2 % súčasnej spotreby energetických zdrojov. Významný podiel na celkovom potenciálu biomasy majú energetické rastliny a plodiny. Tabuľka 3: Dostupný potenciál využitia biomasy v ČR. Druh biomasy Energia celkom Z toho teplo Elektrina V % PJ PJ GWh drevo a drevný odpad 24 33,1 25,2 427 slama obilnín a olejnín 11,7 15,7 11,9 224 energetické rastliny 47, ,7 945 bioplyn 16,5 21,8 15,6 535 celkom ,6 100, Zdroj: CZ BIOM 20

19 Technické riešenia využitia biomasy Biomasu môžeme rozdeliť podľa obsahu vody na: Suchá predovšetkým drevo a drevný odpad, slama a ďalšie suché zbytky z pestovania poľnohospodárskych plodín. Možno ju spaľovať priamo, prípadne po dosušení. Mokrá predovšetkým tekuté odpady, ako hnoj a ďalšie odpady zo živočíšnej výroby a tekuté komunálne odpady, Nemožno ju spaľovať priamo, využíva sa spravidla v bioplynových technológiách. Špeciálna biomasa olejniny, škrobové a cukornaté plodiny. Využívajú sa v špeciálnych technológiách k získavaniu energetických látok predovšetkým bionafty alebo liehu. Z energetického hľadiska možno energiu z biomasy získavať takmer výhradne termochemickou premenou, teda spaľovaním. Výhrevnosť je daná množstvom tzv. horľaviny (organická časť bez vody a popolovýn, zmes horľavých uhľovodíkov celulózy, hemicelulózy a lignínu). Biomasa je podľa druhu spaľovaná priamo alebo sú spaľované kvapalné či plynné produkty jej spracovania. Od toho sa odvíjajú základné technológie spracovania a prípravy ku spaľovaniu: Tabuľka 4: Základné technológie spracovania biomasy. Termicko chemická premena Bio chemická premena Mechanicko chemická premena Pyrolýza (produkcia plynu, oleja) Splyňovanie (produkcia plynu) Fermentácia, alkoholové kvasenie (produkcia etanolu) Anaerobné vyhnívanie, metánové kvasenie (produkcia bioplynu) Lisovanie olejov (produkcia kvapalných palív, oleja) Esterifikácia surových bio-olejov (výroba bionafty a prírodných mazív) Štiepanie, drvenie, lisovanie, peletácia, mletie (výroba pevných palív) Pre energetické využitie sú v súčasnosti najpoužívanejšie tuhé biopalivá: odpady z poľnohospodárskej výroby, lesníctva, drevospracujúceho a papierenského priemyslu (stebľoviny, rastlinné zbytky, odpadové drevo), hmota z pestovaných energetických rastlín. 21

20 Zariadenia pre spaľovanie tuhej biomasy možno podľa výkonu a technického riešenia rozdeliť na: Klasické kachle predchodca moderných technológií spaľovania, rýchly zisk tepla, nedokonalé spaľovanie (nižšia účinnosť, viac škodlivín do ovzdušia) Tehlové pece sú používané už veľmi dlho. Obvykle tvoria súčasť interiéru, majú pomerne vysokú účinnosť i akumulačnú schopnosť. Malé kotle (do 100kW), pre vytápanie rodinných domov či budov, palivo sa najprv splyňuje a až potom sa plyn spaľuje. V kotloch sa spaľuje polenové drevo, drevené brikety, drevený odpad či drevené pelety, ktoré umožňujú bez obslužnú prevádzku. Kotle nad 100 kw používajú sa pre priemyselné aplikácie alebo systémy centrálneho zásobovania tepla. Spaľujú najčastejšie drevené odštiepky alebo balíky slamy. Obvykle sú vybavené automatickým prikladaním paliva a sú schopné spaľovať menej kvalitnú a vlhkú biomasu Vplyv biomasy na životné prostredie Masívne a najmä živelné využívanie biomasy na energetické účely môže popri nezanedbateľných sociálnych a ekonomických prínosoch predstavovať aj značné hrozby a riziká. Medzi ne patrí napríklad neudržateľné zvyšovanie ťažby dreva z lesov na energetické využitie, čistenie lesov od drevných zvyškov, nárast kamiónovej dopravy vyvolaný koncentráciou výroby paliva z biomasy na jednej strane a na strane druhej rozvozom paliva na veľké vzdialenosti, chemizácia pozemkov, na ktorých sa pestujú energetické plodiny a rýchlorastúce dreviny, dekapitalizácia zaostávajúcich vidieckych oblastí s dostatkom biomasy v dôsledku jej vývozu na krytie energetických potrieb veľkých urbanizovaných celkov a podobne. Biomasa na energetické využitie sa nesmie ťažiť ani zbierať v chránených územiach s prísnejším režimom ochrany, ani v ochranných lesoch, kde je ponechávanie časti odumretej biomasy nevyhnutné pre zachovanie biodiverzity týchto území. Biomasa by sa nemala ťažiť ani na málo úrodných a extrémnych stanovištiach, v suchých oblastiach a na miestach s veľmi tenkou vrstvou pôdy. Plantáže energetických plodín a drevín by nemali výrazne narúšať krajinný ráz. Energetické plodiny a dreviny by sa mali vysádzať iba na plochách, ktoré už boli v minulosti poľnohospodársky využívané a obrábané. Plantáže energetických plodín nesmú mať negatívny vplyv na biodiverzitu územia. Aj keď biodiverzita plantáží energetických plodín môže byť vyššia v porovnaní s intenzívne využívanými poľnohospodárskymi plochami, výrazne zaostáva za biologickou rozmanitosťou prirodzených ekosystémov (najmä lesných). 22

21 2.5. Geotermálna energia Súčasný stav využitia v ČR Územie ČR nemá príliš vhodnú situáciu pre využívanie významných zdrojov geotermálnej energie. Tzv. vysokopotenciálne geotermálne zdroje, umožňujúce využitie geotermálneho tepla priamo pre výrobu elektrickej energie alebo pre centrálne zdroje vykurovania, ktoré sú úspešne využívané napríklad na Islande alebo v Taliansku, sa na území ČR prakticky nenachádzajú. V ČR je však možno veľmi úspešne využívať tzv. nízkopotenciálne teplo prostredia v systémoch, ktoré využívajú tepelné čerpadlá. Za pomocou tepelných čerpadiel je prevádzané nízkopotenciálne teplo na vyššiu teplotu. Takto produkované teplo môže byť z pravidla využité pre vykurovanie budov alebo na ohrev TV, prípadne i pre iné účely (ohrev vody v bazénoch, vzduchotechnické ohrievače, skleníky, vykurovanie terás a parkovísk). Potenciál pre využitie geotermálnej energie v ČR Technické riešenia využitia geotermálnej energie Za pomoci tepelných čerpadiel je možno využívať suchého zemského tepla z vrtov, teplo povrchových vrstiev pôdy, podzemných i povrchových vôd či vonkajšieho vzduchu, ale i odpadné teplo priemyselných technológií. Základným princípom tepelného čerpadla je prečerpávanie tepla z nižšieho na vyššiu teplotnú hladinu za dodávky časti energie z vonkajška. V zásade sa jedná o obrátený princíp, ako u chladiacich zariadení alebo klimatizačných jednotiek. Tepelné čerpadlá potrebujú ku svojej prevádzke energiu dodávanú zvonku. U najčastejšie používaných kompresorových tepelných čerpadiel je touto spotrebovanou energiou elektrina, ktorá slúži k pohonu kompresoru. Bežné tepelné čerpadlá dodajú dvakrát až štyrikrát viac tepla, než spotrebujú elektriny. Pomer vyrobenej tepelnej energie k množstvu spotrebovanej hnacej energie, vyjadrený v rovnakých jednotkách sa nazýva topný faktor a základnou charakteristikou tepelného čerpadla. 23

22 Princíp funkcie tepelného čerpadla Je definovaný vzťahom: Q ε =, kde E Q je dodané teplo [kwh] E je energia pre pohon TČ [kwh] Z prevádzkového hľadiska je najvýhodnejšie kombinovať tepelné čerpadlo s nízkoteplotnou vykurovacou sústavou (teplotný spád 55/50 C), s podlahovým vykurovaním (teplotný spád 35/30 C) alebo s ich kombi- náciou. Tepelné čerpadlo je možné kombinovať s akýmkoľvek ďalším zdrojom tepelnej energie (napr. elektrokotlom, plynovým kotlom) ktorý môže slúžiť ako doplnkový alebo záložný zdroj. V takom prípade hovoríme o tzv. bivalentnom systéme. Zdroje tepla pre tepelné čerpadlá: Okolný vzduch široké využitie, investične nenáročné TČ, vzduch sa ochladzuje vo výmenníku mimo budovy, nutnosť použitia ventilátoru hlučnosť. Povrchová voda využitie toku alebo rybníka, voda je ochladzovaná tepelným výmenníkom, umiestneným priamo vo vode. Podpovrchová voda voda sa odoberá zo sacej studne a po ochladnutí sa vypúšťa do druhej, tzv. vsakovacej studne. Pôda veľmi rozšírený spôsob, pôde je ochladzovaná tepelným výmenníkom v pôdnom kolektore, ten je umiestnený v nezamŕzajúcej hĺbke. Hlbinné vrty využíva sa teplo hornín v podloží, na 1 kw výkonu tepelného čerpadla je potrebných 12 až 18 m hĺbky vrtu. Typy tepelných čerpadiel a vhodnosť ich použitia: vzduch/voda univerzálny typ, pre ústredné kúrenie vzduch/vzduch doplnkový zdroj tepla, teplovzdušné vykur., klimatizácia voda/voda využitie odpadného tepla, geotermálna energia, ústredné kúrenie nemrznúca kvapalina/voda univerzálny typ pre ústredné kúrenie, zdrojom tepla je najčastejšie vrt, alebo pôdny kolektor Voda/vzduch teplovzdušné vykurovacie systémy Vplyv využívania geotermálnej energie na život. prostredie Využívanie geotermálnej energie nemá význačný negatívny vplyv na životné prostredie. Výroba elektriny metódou hlbokých vrtov má mnoho výhod. Zásadne nenaráža na problémy z titulu ochrany prírody. Nie je závislá na podnebí ako solárna, veterná a vodná energia a energia z biomasy. Má veľkú výhodu nie len z hľadiska skleníkových plynov, ale tiež nie sú žiadne problémy s NO X a ďalšími polutantmi. 24

23 2.6. Energia slnka Slnko je základným a nepostrádateľným zdrojom energie pre celú našu planétu. Slnečné žiarenie zasahuje povrch Zeme z časti priamo (priame žiarenie), z časti odrazom od mrakov, častíc vodnej pary a aerosólových častíc v atmosfére (difúzne žiarenie) a z časti odrazom od okolných povrchov (odrazené žiarenie). Množstvo energie, ktoré získava zemský povrch zo slnečného žiarenia, prevyšuje približne krát súčasnú celosvetovú spotrebu energie. Slnečné žiarenie tak predstavuje obrovský zdroj energie ponúkajúci sa k využitiu. Slnečnú energiu možno priamo využívať k výrobe tepla, chladu a elektriny, nepriamo ako energiu vodných tokov, vetru, morských vĺn, tepelnú energiu prostredia. Najvýznamnejšie je využitie slnečnej energie uskladnenej v rastlinách a inej živej hmote biomase Vysokovýkonné solárne elektrárne V miestach, s dostatočnými podmienkami a vhodným okolím (Španielsko, USA,...) vznikajú veľké solárne elektrárne o vysokých výkonoch. Jednou z nich je tzv. Solárna veža. Takáto elektráreň obsahuje ako hlavné členy, vežu a zrkadlá. Tieto zrkadlá (heliostaty) odrážajú slnečný svit do jedného bodu na vrchole veže pomocou počítačom riadeným natáčaním. Schematické zapojenie jednotlivých členov v elektrárni typu Solárna veža V tomto mieste je následne ohrievaná vhodná látka (olej, tekutá soľ) na teplotou okolo 500 až 1500 C. Z tohto miesta sa látka ďalej pohybuje do okruhu, kde ohrieva vodu, ktorá sa následne odparuje, vzniká horúca para, ktorá poháňa parnú turbínu a tá vyrába elektrickú energiu. Ochladená voda sa vracia cez okruh späť do miesta ohrevu. Ohriate pracovné médium, sa mô-že zo solárnej veže odvádzať do špeciálnych izolačných nádob, kde sa táto látka, aj s tepelnou energiou uchováva pre neskoršie použitie v noci, alebo pri väčšej oblačnosti. Tieto elektrárne sú vhodné pre výkony od 30 do 400 MW. 25

24 Ďalšia vysokovýkonná solárna elektráreň Solárne žľaby - je založená na parabolických zrkadlách. Tieto zrkadlá majú v ohniskovej vzdialenosti umiestnené trubice, cez ktoré prechádza teplonosná látka (voda, olej), tá sa zahrieva na teplotu okolo 300 C. Látka prúdi obvodom a v danom mieste ohrieva vodu, ktorá sa odparuje a poháňa turbínu. Elektrárne takéhoto typu dosahujú vysokých výkonov, až 350 MW. Takéto elektrárne sa nachádzajú prevažne v USA, ale uvažuje sa využitie aj pre Európu, pre ktorú by sa postavila elektráreň takéhoto typu na Sahare, a do Európy by sa energia viedla pomocou veľkých káblov. Solárna elektráreň typu Solárne žľaby v Kalifornií Menšou variantou solárnych žľabov je tzv. Solárny tanier, kde sa slnečná energia fokusuje niekoľkými zrkadlami do spoločného ohniska. Dosahuje sa tu teplôt od 600 do 800 C a výkonov od 5 do 25 kw. Pre výrobu elektrickej energie sa používa obvykle Stirlingov motor, poháňajúci parogenerátor. Solárny tanier 26

25 Súčasný stav využitia v ČR Podľa údajov Solárnej ligy bolo v ČR do roku 2006 inštalovaných cca m 2 funkčných solárnych termických systémov a cca 300 kw fotovoltaických systémov. Ročný príkon slnečnej energie na horizontálnu plochu sa v podmienkach ČR pohybuje od do kwh/m 2 za rok, z toho v období od apríla do októbra cca 75% a od októbra do apríla cca 25% energie. V oblastiach so silne znečistenou atmosférou je nutné počítať s poklesom globálneho žiarenia o 5 10%, niekedy až %. Pre oblasti s nadmorskou výškou od 700 do n.m. možno počítať naopak s 5% nárastom globálneho žiarenia. Ročný príkon slnečnej energie na horizontálnu plochu. V prípade ČR je väčšie využitie slnečnej energie zatiaľ na počiatku svojho rozvoja. V priebehu poslednej dekády minulého storočia sa v ČR obmedzilo na ostrovné systémy pre nezávislé napájanie objektov a zariadení v lokalitách bez pripojenia na rozvodnú sieť. Prvá slnečná elektráreň o výkone 10kW bola uvedená do prevádzky až v roku 1998 na vrchole hory Mravenečník v Jeseníkach (dnes je umiestnená ako demonštračné zariadenie v areáli JE Dukovany ako súčasť informačného centra). Štátna správa a miestna samospráva zavádzajú podporné nástroje na podporu fotovoltaiky od roku 2000 a to ako podporou demonštračných projektov, tak podporou vývoja a výskumu. Príkladom je vládou schválený Národný program na podporu úspor a využívania obnoviteľných zdrojov energie alebo Štátnym fondom životného prostredia vyhlásený program Slnko do škôl. U súčasne prevádzkovaných slnečných elektrárňach o inštalovaných výkonoch od 2,6kW do 36kW ide väčšinou o napájanie aplikácií bez pripojenia k rozvodnej sieti. V súlade s cieľmi EU by celkový inštalovaný výkon solárnych panelov v ČR mal do roku 2010 dosiahnúť 84 MW a do roku MW. 27

26 Doposiaľ najväčší projekt solárnej elektrárne v ČR bol v tomto roku spustený v juhočeskej obci Bušanovice. Predošlá Inštalácia o výkone 693 kw P bola zložená z panelov a zaberala plochu 6 170m 2. V súčasnosti je zapojená druhá časť celku o výkone 600 kw P, ktorá je zložená z panelov o ploche m 2. Celkový výkon týmto pokoril hranicu jedného megawattu a dostal sa na hodnotu 1,361 MW P. Solárna elektráreň Bušanovice. Ďalšie výkonné elektrárne sa nachádzajú v Jaroslaviciach pri Znojme (900 kwp), v Ostrožskej Lhote pri Uherskom Hradišti (702 kwp), Dubňanoch (572 kwp), Úšteku (550 kwp). Solárna elektráreň Hrádek. Ostatné zariadenia v ČR sú podstatne menšie. Okrem drobných inštalácií na rodinných domoch bolo doposiaľ spustených niekoľko elektrární o kapacite v rádoch desiatok kw inštalovaného výkonu. Napríklad elektráreň v Hrádku nad Nisou(61 kw P ), Opatov (60 kw P ) alebo na pražskej budove Ministerstva životného prostredia (26 kw P ). 28

27 Dostupný potenciál je však výrazne vyšší. V súčasnosti sa odhaduje na GWh vyrobenej elektriny ročne pri celkovom inštalovanom výkone zariadenia 5,5 GW P. Ak predpokladáme ďalšie zvyšovanie účinnosti fotovoltaických technológií, môže byť i vyšší. Či a ako rýchlo sa bude v ČR potenciál solárnej výroby elektriny využívať, je však otázkou. Na rozdiel od rady európskych krajín tu zatiaľ chýba dostatočná systémová podpora zo strany štátu. Minimálne výkupné ceny elektriny z obnoviteľných zdrojov majú byť podľa zákona stanovené s ohľadom na pätnásťročnú dobu návratnosti investície. Reálne však tieto ceny odpovedajú skôr ekonomike investíc veľkých, kapitálovo silných investorov, ktorí majú možnosť získať výhodne úročené úvery. Menším investorom sa do obnoviteľných zdrojov zatiaľ vyplatí investovať iba v prípade, že časť investície pokryjú dotáciou Astrofyzikálne poznatky o slnku Naše slnko je celkom obyčajná hviezda. Vo vnútri slnka prebieha samoregulovaná termonukleárna reakcia, pri ktorej sa vodík tvoriaci základný stavebný materiál tejto hviezdy, zlučuje za extrémnych podmienok (stovky miliónov stupňov a pascalov) v hélium. Uvoľnená energia má podobu elektromagnetického žiarenia o frekvencií rádovo Hz, ide teda o veľmi tvrdé (vysokofrekvenčné) žiarenie. Môžeme tiež povedať, že ide o fotón, s vysokou energiou (v rádoch 10-8 J). Tento fotón bol generovaný v blízkosti stredu hviezdy. Fotón sa vzápätí zráža s ďalšími časticami, obsiahnutými v nesmierne hustej látke slnečného jadra, predáva tak svoju energiu a sám zaniká, pričom vzniká ďalší fotón s energiou o niečo nižšou. Tento postup sa mnohokrát opakuje a napokon ubehne najmenej desať miliónov rokov, než je fotón (energeticky už veľmi ochudobnený) zo slnečného povrchu vyžiarený. V tomto štádiu má fotón energiu asi J a frekvenciu približne Hz. Celkový žiarivý tok, resp. výkon, ktorý opúšťa povrch Slnka, je odhadovaný na 3, W. Slnečné svetlo, vnímané zrakom sa nazýva biele svetlo. Vieme však, že ide o zmes jednoduchých farebných svetiel, ktoré možno pozorovať i oddelene, napr. pri rozklade svetla hranolom. To je významná skutočnosť, pretože výsledok vzájomného pôsobenia svetla a jeho receptoru (oko, fotovoltaický článok) závisí na tom, ako je ktorý receptor na rôzne farby citlivý. Napríklad fotovoltaický kolektor prijíma z dopadajúceho svetla rôznofarebné zložky s rôznou účinnosťou, pretože nízkoenergetické, čiže infračervené zložky slnečného svetla neprejdú obyčajným sklom, ale sú v ňom pohltené. Zo známej hodnoty strednej teploty povrchu slnka (5712 K) možno z Wienovho posunovacieho zákona vypočítať frekvenciu svetla, pri ktorej je spektrálna hustota žiarivej energie najväčšia. Je to 5, Hz, čomu odpovedá vlnová dĺžka zeleného svetla 507 nm. Okolo tejto hodnoty sa rozprestiera obor viditeľného svetla (od 380 do 800 nm). Energie svetla po priechode zemskou atmosférou sa znížia v dôsledku rozptylových a absorpčných javov. Takisto odraz svetla na rozhraní atmosféry a vesmírneho vákua nie je zanedbateľný. Celková ročná dávka ožiarenia na povrchu Zeme v ČR sa pohybuje v medziach od do MJ/m 2. 29

28 Zoslabenie energie slnečného žiarenia z jej mimozemskej hodnoty na hodnotu na zemskom povrchu je ovplyvnené niekoľkými významnými procesmi: rozptyl svetla na malých centrách (molekuly plynov vzduchu a ich zhluky vyvolané fluktuáciami hustoty plynov), tzv. Rayleighov rozptyl(modrá obloha) rozptyl svetla na mikroskopických časticiach (10 až 100 nm) rozptyl na makroskopických časticiach (hmly, pary, prach, dym) rozptyl na parách o teplote tesne nad bodom kondenzácie a na koloidných časticiach Využitie priameho slnečného žiarenia Slnečné žiarenie môžeme využívať pomocou: Fototermálnej premeny žiarenia (výroba tepla) Fotovoltaických systémov (výroba elektrickej energie) Fototermálna premena žiarenia Fototermálna premena energie slnečného žiarenia je jednou z možností, ako využívať slnečné žiarenie a premeniť ho v tepelnú energiu. Z hľadiska spôsobu využitia tepelnej energie sa slnečné či solárne tepelné systémy delia na: Aktívne tepelná energia je odvádzaná z povrchu cielene a transportovaná teplonosným médiom k akumulátorom tepla alebo priamo spotrebiču. Podľa použitého teplonosného média je možno aktívne systémy ďalej rozdeliť na kvapalinové a vzduchové. Pasívne tepelná energia je využívaná priamo v mieste výroby a nie je aktívne transportovaná (využitie slnečného žiarenia v budovách pomocou architektonických prvkov). Hybridné tepelná energia je využívaná v mieste výroby s transportom za podpory zariadenia s elektrickým pohonom (rysy pasívneho systému). Aktívne systémy Aktívne solárne systémy sa od pasívnych odlišujú tým, že zberné zariadenie kolektor a zariadenie pre akumuláciu energie sú riešené ako separátne technické inštalácie len voľne súvisiace s budovou. Transport energie u nich prebieha za pomoci rozvodného systému, vyžadujúceho import energie (elektriny k pohonu ventilátorov, čerpadiel a regulačných zariadení). Fototermické aktívne solárne systémy sa najčastejšie využívajú pre ohrev úžitkovej vody (TÚV), ohrev vody v bazénoch alebo temperovanie či prikurovanie budov. Pre ohrev vody, prípadne v menšej miere pre kombinované využitie, teda k ohrevu TÚV a prikurovanie budov na jar a jeseň sa najčastejšie používajú systémy s kvapalinovými solárnymi kolektormi. Tie premieňajú slnečné žiarenie zachytené absorbérom kolektoru na tepelnú energiu, ktorá sa koncentruje v teplonosnej kvapaline, ktorá ju odvádza do miesta spotreby (napr. solárny zásobník TUV). 30

29 V súčasnosti sú prevažujúcim, všeobecne dostupným a používaným spôsobom využitia slnečnej energie aktívne solárne systémy s plochými kvapalinovými kolektormi, ktoré sú vybavené hliníkovým alebo medeným absorbérom, obvykle pokrytým selektívnou vrstvou pre zlepšenie absorpcie slnečného žiarenia a tým i zvýšenie účinnosti. V súčasnej dobe dostupné solárne kolektory dokážu využiť i rozptýlené slnečné žiarenie (dokážu teda zhromažďovať energiu i v dobe, kedy je slnko pod mrakom ). Účinnosť plochy kolektorov sa obvykle pohybuje okolo 70%. Možné je i použitie drahších trubicových vákuových kolektorov, ktoré dosahujú vyššej účinnosti než ploché kolektory, alebo naopak lacnejších plastových kolektorov a absorbérov, ktoré sú však vhodné najmä pre ohrev vody v bazénoch, prípadne pre sezónne použitie (kempy, letné tábory apod.). Ďalšou možnosťou je využitie teplovzdušných kolektorov, u ktorých je zachytené teplo predávané vzduchom, ktorý je potom prirodzenou alebo nútenou cirkuláciou odvedený do vnútorných priestorov budovy alebo je využívaný napr. pre sušenie v priemysle či poľnohospodárstve. Slnečnú energiu je možné i dlhodobo akumulovať v zásobníkoch (vodných, štrkových a i. ). Najčastejšie sa používa krátkodobá akumulácia (niekoľkodenná) spolu s pružnými vykurovacími systémami, ktoré znížia výkon okamžite, ak sú v miestnosti solárne zisky presklením. V súčasnosti je najčastejšie využívaný solárny systém pre ohrev TÚV s kvapalinovými kolektormi obvykle konštruovaný ako bivalentný, tzn. Je doplnený o ďalší zdroj energie (elektrická vykurovacia vložka alebo elektrokotol, tepelný výmenník, plynový kotol), ktorý slúži k dohrievaniu TV v zásobníku v noci, v zimnom období a v období s nepriaznivými atmosférickými podmienkami. Systém je dimenzovaný na dopyt po vyrobenej TÚV v letnom období, kde sú zisky zo slnečného žiarenia najvyššie. Typicky je solárny systém dimenzovaný tak, že je schopný pokryť celoročne 35 55% dopytu po TÚV, v závislosti na typu, technickom prevedení a prevádzkovom režime možno však pokryť i viac ako 2/3 ročnej spotreby teplej vody. V podmienkach ČR sa typický energetický zisk v solárnom systéme s plochými kvapalinovými kolektormi pohybuje v rozmedzí cca kwh/m 2 za rok. Pasívne a hybridné systémy Pasívne solárne systémy nevyžadujú pre svoju činnosť žiadne špeciálne technické zariadenia zabezpečujúce transport energie v princípe pracuje pasívny systém iba s energiou dodávanou okolným prostredím. Pasívnym solárnym systémom je každá budova alebo jej časť, ktorá je navrhnutá tak, aby zachycovala slnečné žiarenie a premenila ju na teplo, ktoré je možno v budove ďalej využívať alebo využívajúca pasívne solárne prvky. Najčastejšie sa využívajú presklené plochy na južnej stene budovy, zimné záhrady, presklené lodžie, veľké solárne okná a verandy alebo tzv. Trombeho steny či transparentné tepelné izolácie. V praxi sa však ani pasívne systémy často nezaobídu bez mechanických zariadení, napríklad elektronickej regulácie alebo jednoduchých ventilátorov, ktoré podporujú distribúciu energie do vzdialenejších častí budovy. V prípade, kde je transport energie podporovaný prístrojmi s elektrickým pohonom, ale systém si inak zachováva rysy pasívneho systému, hovoríme o tzv. hybridných systémoch. Hybridné sústavy odstraňujú niektoré nevýhody pasívnych sústav umožňujú lepšie rozvádzanie tepla po celej budove a tiež účinnejšiu akumuláciu tepla v tepelných zásobníkoch. 31

30 Základné časti solárneho systému: Solárne sklo kolektoru je dôležitý primárny člen solárneho systému. Jeho parametre majú vplyv na veľkosť straty prestupom a odrazom. Kvalitné solárne sklá sú bezfarebné, bezželezité, s priepustnosťou žiarenia až 92%. Z dôvodu bezpečnosti a pevnosti sú kalené. Používajú sa sklá hrúbky 3 alebo 4 mm a to ako číre tak s rôznymi ornamentmi. Trubice vákuových kolektorov sú vyrobené z borosilikátového skla obdobných vlastností, u niektorých výrobcov sú opatrené zadnou reflexnou vrstvou či optickými zrkadlami.plošné namáhanie skla je väčšie ako 300 kg/m 2. Absorbér kolektoru je výkonným prvkom kolektoru. Slúži k premene dopadnutého tepelného solárneho žiarenia na využiteľné teplo a prevádza ho do trubkového registru naplneného solárnou teplonosnou kvapalinou. Môže byť zložený zo solárnych lamiel rôznej konštrukcie, vyrobených z hliníku alebo medi, tiež môže byť vyrobený ako tzv. celoplošný z jedného kusu plechu. Určujúcim faktorom výkonu kolektoru je typ povrchovej vrstvy absorbéru. U kvalitných kolektoroch je povrch opatrený tzv. spektrálne selektívnym povrchom. Selektívna vrstva je povrch, vytvorený galvanickým pokovovaním nosného materiálu lamely, v chemických lázniach s rôznymi prísadami. Kvalitné selektívne povrchy vykazujú až 96% absorptivitu (pohltenie) a minimálnu emisivitu (vyžiarenie). Zásadnou prednosťou selektívneho povrchu je absorpcia a využitie difúzneho žiarenia. Trubkový register absorbéru cirkuluje a ohrieva solárnu kvapalinu. Môže byť typu H, U alebo tvaru meandru vyrobeného väčšinou z medenej trubky. Slnečný kolektor obsahuje solárne sklo, absorbér, trubkový register a je výkonným prvkom solárneho systému. Skladá sa z rámu, do ktorého je vložená vhodná minerálna izolácia. Ďalej absorbéru Trubkový register a následne je zasklený do horného dilatačného rámu. Kolektory sú vybavené systémom odvetrávania ktorý zabraňuje možnému roseniu a tým straty účinnosti. Účinnosť kvalitných kolektorov sa pohybuje na hranici 80% a životnosť do 30 rokov. Vedľa plochých kolektorov sú v prevádzke vákuové trubicové kolektory. Sú určené na prikurovanie, preto sa ich vyšší výkon prejavuje predovšetkým v zime a prechodných obdobiach roku, kedy je nízka teplota okolia. Zvýšený výkon vákuových kolektorov je daný kvalitnejším izolovaním tepla získaného absorbérom a to vákuom. Z toho však plynie, že teplo, ktoré absorbér nezíska nejde izolovať a čím je okolná teplota vyššia, tým táto prednosť stráca na význame. Prierez slnečným kolektorom Solárna kvapalina tvorí náplň solárneho systému a je nositeľom energie, ktorú získa v absorbére. Moderné solárne kvapaliny sú na báze monopropylenglykolu s bodom tuhnutia okolo 30 C. Tieto kvapaliny súčasne chránia systém pred koróziou. 32

31 Elektronická regulácia je dôležitým prvkom solárneho systému. Riadi automatický chod celej sústavy a zabezpečuje ekonomickú prevádzku. Pomocou teplotných čidiel neustále vyhodnocuje rozdiel teplôt vody v zásobníku TÚV a teplotou kolektoru. Podľa nastavenej diferencie potom zabezpečuje spínanie obehového čerpadla, ktoré je hlavnou súčasťou solárnej hnacej jednotky. Solárna hnacia jednotka je vybavená obehovým čerpadlom, ďalej všetkými potrebnými istiacimi a meria- cimi prvkami, spätnými klapkami, guľovými uzávermi a prietokomerom. Na hnaciu jednotku je tiež pripojená vhodná expanzná nádoba, ktorá spolu s poistným ventilom istí celý systém. Solárny zásobník TÚV je opakom kolektoru. Tu sa získaná tepelná energia systému odovzdáva a ohrieva sa tak úžitková voda. Solárny rozvod a izolácia sú nemenej dôležitou časťou systému. Rozvod je zhotovovaný z medených trubiek. Rozvod by mal byť čo najkratší K izolácií solárneho rozvodu je nutné použiť kvalitnú solárnu izoláciu s tepelnou odolnosťou min. 150 C. Solárny zásobník TÚV Schéma fototermálneho systému. Schéma dvojokruhového fototermálneho systému s núteným obehom: 1 solárny kolektor, 2 solárny zásobník, 3 kotol ústredného vykurovania, 4 elektronická regulácia solárneho systému, 5 elektrické vykurovacie teleso, 6 výmenník tepla okruhu ústredného kúrenia, 7 výmenník tepla solárneho okruhu, 8 teplomery, 9 manometer, 10 expanzná nádrž, 11 obehové čerpadlo, 12 poisťovací ventil, 13 odvzdušňovací ventil, 14 výstup teplej vody, 15 uzatvárací ventil, 16 spätná klapka, 17 plniaci kohút, 18 vstup studenej vody z vodovodného radu. 33

32 Fotovoltaické systémy Fotovoltaika je premena svetla na elektrickú energiu. Elektrická energia získaná priamou premenou slnečného žiarenia je známa už z 19. storočia. Pojem fotovoltaika pochádza z dvoch slov, gréckeho phos = svetlo a z mena talianskeho fyzika Alessandra Volty. Objav fotovoltaického javu sa pripisuje Alexandrovi Edmondovi Becquerelovi, ktorý ho ako 19- ročný mladík odhalil pri experimentoch v roku V roku 1904 ho fyzikálne popísal Albert Einstein a v roku 1921 mu bola za prácu pre rozvoj teoretickej fyziky, predovšetkým objav zákona fotoelektrického efektu udelená Nobelova cena. Prvotné pokusy s fotočlánkami spadajú do sedemdesiatych rokoch 19. storočia, kedy boli po prvýkrát zistené zmeny vodivosti selénu pri jeho osvetlení a okolo roku 1883 bol zostrojený prvý selénový fotočlánok s tenkou vrstvou zlata (Charles Fritts, účinnosť pod 1%). Prvý patent na solárny článok bol podaný v roku 1946 Rusellom Ohlom, ktorý tiež stál na počiatku kremíkových solárnych článkov. Prvý skutočný fotovoltaický článok s 6% účinnosťou bol vyrobený z kryštalického kremíku v roku 1954 v Bellových laboratóriách, kde pôvodne skúmali PN prechody, pre zlepšenie vlastností polovodičových diód. Náhoda spôsobila, že po osvetlení polovodiču sa zistilo na výstupe napätie Princíp funkcie fotovoltaického článku Fotovoltaika je metodika, ktorá umožňuje priamu premenu energie slnečného žiarenia na energiu elektrickú pomocou fotoelektrického javu. K účelu získavania elektrickej energie sa hodí iba tzv. vnútorný fotoefekt, predovšetkým fotoefekt na hradlovej vrstve, pri ktorom sa využíva polovodičových elementov a dochádza v nich vplyvom kvánt slnečného žiarenia k vybudeniu elektrónu, na ktorom mieste vzniká elektrónová diera, do ktorej môže vstúpiť iný elektrón a dochádza tak ku vzniku vodivosti vnútri materiálu, ktorým je najčastejšie kremík. Aby sme však mohli elektrickú energiu z dopadajúceho žiarenia prakticky využiť, je nutné kremík upraviť na tzv. polovodičovú diódu. Toho sa docieli vytvorením a spojením dvoch typov polovodičov: typu N negatívny, ktorý je donorom darcom elektrónov, ktorý možno vytvoriť pridaním nepatrného množstva trojmocného prvku, napr. india do kremíku a typu P pozitívny, ktorý je akceptor prijímač elektrónov, čoho možno dosiahnuť dotáciou štvormocného kremíku päťmocným prvkom, napr. antimónom. Princíp funkcie fotovoltaického článku. 34

33 Krem ík absorbuje časť slnečného žiarenia a zahriatím alebo osvetlením dochádza k prudkému zvýšeniu jeho vodivosti. Pri absorpcii fotónu zo žiarenia dôjde k prenosu jeho energie na elektrón vo valenčnej sfére niektorého atómu kremíku. Slnečné lúče (fotóny) dopadom na kremíkový modul fotovoltaického panelu rozkmitajú elektróny v tzv. PN prechodovej vrstve a elektróny prechádzajú z vrstvy z ich väčším počtom do vrstvy, kde ich je menej. V dôsledku toho, sa objaví na PN prechode elektrické pole, ktoré oddeľuje elektróny a diery, vzniknuté absorpciou fotónu. Elektróny usmerní do N polovodiča a diery do P polovodiča. Vzájomným pôsobením slnečného žiarenia a hmoty dochádza k pohlcovaniu fotónov a uvoľňovanie elektrónov, v polovodiči potom vznikajú voľné elektrické náboje, elektrón diera, ktoré sú už ako elektrická energia odvádzané zo solárneho článku a cez regulátor dobíjané do akumulátoru, alebo ku spotrebiču. Veľkosť vyrobeného prúdu je priamo úmerná množstvu dopadajúceho svetla Základné polovodičové materiály pre solárne články O účinnosti a teda i výkone panelu rozhodujú vlastnosti solárnych fotovoltaických článkov. Tieto články sú vyrobené z polovodičových materiálov. O vhodnosti polovodiča pre použitie v solárnych článkoch rozhoduje jeho šírka zakázaného pásu energií. Táto hodnota by mala ležať v rozmedzí od 1,1 ev do 1,7 ev. Vyžaduje sa tiež, aby sa použité materiály vyznačovali veľkou pohyblivosťou a dlhou dobou života minoritných nosičov náboja. Existuje celá rada polovodičov, ktoré splňujú uvedené požiadavky. Sú to predovšetkým kremík (Si), arzenid gália (GaAs), telurid kadmia (CdTe), fosfid india (InP), antimonid hliníku (AlSb) a ďalšie. Kremík Prvé solárne články boli vyrobené z kremíka, ktorý zostal i v súčasnej dobe najznámejším a najvýznamnejším materiálom pre tento účel. Ako materiál pre fotovoltaické články má najdlhšiu históriu a najrozsiahlejšiu technologickú základňu, pričom stále dominuje na trhu, predovšetkým vo výkonových moduloch. Ako už bolo spomenuté v úvode, prvý fotovoltaický článok mal účinnosť 6%. Bol zhotovený na báze monokryštalického kremíku. Postupný vývoj posunul túto hodnotu na okolo 35%. V roku 1981, ako potreba zlacnenia výroby a výsledok výskumných prác, sa objavili prvé články z multikryštalického kremíku (ide o polykryštalický materiál s veľkými kryštálmi), s účinnosťou 12 až 14%, ktorý je oproti monokryštalickému kremíku podstatne lacnejší. Primárnou metódou výroby multikryštalického kremíku je technológia riadeného chladenia taveniny kremíku. Ingoty sú potom povrchovo opracované a rezané na dosky. Táto metóda vyúsťuje vo fotovoltaický menej účinný kremík, jeho výroba je však menej ekologicky náročná a umožňuje využiť menej čisté vstupné suroviny. Multikryštalické články majú menšiu účinnosť, danú predovšetkým stratami na hraniciach zŕn. Preto sa výrobcovia snažia zhotoviť multikryštalický kremík s čo najväčšími kryštálmi. Efektívnou náhradou za články na báze zmienených druhov kremíku sa ukázali byť tenkovrstvé slnečné články a z nich predovšetkým články na báze hydrogenizovaného amorfného kremíku (a-si:h). Vhodnosť hydrogenizovaného amorfného kremíku ako lacného materiálu pre fotovoltaické články spočíva v jeho optoelektronických vlastnostiach. Šírka pásu zakázaných energií je okolo 1,7eV a činiteľ absorpcie je vo viditeľnej časti optického spektra väčší ako 10-6 m -1, čo znamená, že značná časť dopadajúcej slnečnej energie sa absorbuje už vo vrstve tenšej ako 1μm, čo je významné z hľadiska spotreby kremíku. Takéto tenké vrstvy sa potom nanášajú na lacné podklady (sklo, oceľ, plast, a pod.). Články s amorfným kremí- 35