ann a lise DIPLOMOVÁ PRÁCA EXTERIÉROVÉ SVIETIDLO S ALTERNATÍVNYM ZDOROJOM ENERGIE EVID. Č. ZP FA /2010 BC.

Transcript

1 ann a lise DIPLOMOVÁ PRÁCA EXTERIÉROVÉ SVIETIDLO S ALTERNATÍVNYM ZDOROJOM ENERGIE EVID. Č. ZP FA /2010 BC. MARTIN ČOP

2 téma diplomovej práce: Exteriérové svietidlo s alternatívnym zdorojom energie odbor: DIZAJN vypracoval: BC. MARTIN ČOP ročník: 2./2. stupeň školiteľ: DOC. AKAD. SOCH. PETER PALIATKA oponent: CLU_FOUNDATION evidenčné číslo zp: FA akad. rok: 2009/2010 ČESTNÉ VYHLÁSENIE Dolupodpísaný Martin Čop vyhlasujem, že som diplomovú prácu na tému Exteriérové svietidlo s alternatívnym zdorojom energie vypracoval samostatne s použitím uvedených informačných zdrojov. Som si vedomý zákonných dôsledkov v prípade, ak hore uvedené údaje nie sú pravdivé. v Bratislave 11.mája

3 OBSAH ÚVOD Z histórie svietidiel Alternatívne zdroje energie Slnečná energia a možnosti využitia PRODUKT Predstavenie produktu Dizajn Systémy TECHNOLOGICKOSt Konštrukcia Mechanizmy Materiály ZÍSKAVANIE A TRANSFORMÁCIA ENERGIE Premena slnečnej energie na tepelnú Premena tepelnej energie na mechanickú Premena mechanickej energie na elektrickú ÚSCHOVA A DISTIRBÚCIA ENERGIE Batérie Distribúcia energie Komunikácia OSVETLENIE A SVIETIVOSt LED technológia Prizma a optymalizovanie svetelného rozptylu VYUŽITIE Faktory vplývajúce na účinnosť sol. zariadenia Miesta využitia na zemi Konkrétne riešenia ZÁVER Vizualizácie Zoznam použitej literatúry 1

4 ÚVOD Keď som začal uvažovať nad svojou diplomovou prácou pýtal som sa sám seba, čo by som mohol zmeniť, ako by som pomôcť tomu, že ľudia sa správajú čoraz bezohľadnejšie nielen voči sebe ale hlavne voči svojmu prostrediu a okoliu. Tlak a manipulácia obrovských koncernov kontrolujúcich spoločnosť, lobovanie prostredníctvom masmédií až konečný stav nevedomosti ľudí upevňujúci ich postavenie na vrchole. Úmyselné brzdenie alternatívnych technológií z dôvodu momentálne najväčšieho zisku. Téma Hi-Tech ma zaujala a snažil som sa zistiť a uplatniť čo najviac informácii z nových poznatkov vedy a výskumu najmä čo sa týka alternatívnych a obnoviteľných zdrojov energie. Na svojej ceste za poznaním som znovu objavil technológie známe už cele desaťročia nevyužité, zapadnuté prachom a vízia krajšej a čistejšej budúcnosti sa premieňa na Hi- Tech realizáciu už dnes. Inšpiroval som sa samotnou prírodou a využil som slnečnú energiu, tak ako rastliny rozkvitajú a čerpajú energiu zo slnka tak sa môj návrh ráno prebúdza a vstáva za slnečným svitom aby načerpal energiu na nočné osvetlenie. 2

5 Z HISTÓRIE SVIETIDIEL PRVÁ LAMPA Prvá lampa bola vynájdená okolo roku 70 tisíc pred Kristom. Dutú skalu, mušľu alebo lastúru a iné prírodné útvary, ktoré praveký človek našiel, naplnil machom alebo podobným materiálom napusteným zvieracím tukom a potom ich zapálil. Neskôr boli prírodné materiály nahradené keramikou, alabasterom alebo kovom a boli pridané aj knôty kvôli kontrole rýchlosti horenia. Okolo 7. storočia pred Kristom začali Gréci vyrábať lampy z terakoty, čím nahradili fakle. Slovo lampa je odvodený z gréckeho slova lampas, čo znamená pochodeň alebo fakľa. OLEJOVÉ LAMPY V 18. storočí bol vynájdený centrálny horák, ktorý významne prispel k skvalitneniu lampového dizajnu. Zdroj paliva bol teraz pevne uzatvorený v kove a nastaviteľná kovová rúrka bola použitá na ovládanie intenzity spaľovania paliva a intenzitu svetla. Približne v tej istej dobe boli k lampe pridané sklenené cylindre na ochranu pred plameňom a kontrolu prúdiaceho vzduchu do plameňa. Ami Argand, švajčiarsky chemik, v roku 1783 ako prvý vyvinul princíp použitia olejovej lampy s dutým kruhovým knôtom obklopeným skleneným cylindrom. PALIVÁ NA SVIETENIE Prvé palivá obsahovali olivový olej, včelí vosk, rybí tuk, veľrybí olej, sezamový olej, orechový olej a podobné látky. Jednalo sa o najčastejšie používané palivá až do konca 18. storočia. Avšak, v starovekej Číne používali na osvetlenie zemný plyn, ktorý plnili do zvieracích kožiek. V roku 1859 začínajú vrty pre ropné oleje a populárne sa stávajú kerozínové lampy (kerozíny -deriváty ropy ), po prvýkrát predstavené v Nemecku v roku Rozšírené boli aj lampy na báze svietiplynu a zemného plynu. Svietiplyn bol ako palivo v plynovej lampe prvýkrát použitý v roku PLYNOVÉ OSVETLENIE V roku 1792 začalo prvé komerčné využitie plynového osvetlenia, keď William Murdoch použil svietiplyn na osvetlenie svojho domu v Redruthe, Cornwall. Nemecký vynálezca Freidrich Winzer ako prvý patentoval osvetlenie na báze svietiplynu v roku 1804 a tzv. termolampa používajúca plyn získaný z dreva bola patentovaná v roku Prvý patent v USA na plynové osvetlenie získal v roku 1810 David Melville. Začiatkom 19. storočia väčšina veľkomiest v Spojených štátoch a Európe mala ulice osvetlené plynom.plynové osvetlenie na uliciach predurčilo 3

6 Z HISTÓRIE SVIETIDIEL cestu k nízkotlakovému sodíkovému a vysokotlakovému ortuťovému osvetleniu v 30.rokoch 20. storočia a vývoj elektrického osvetlenia na prelome 19. a 20. storočia nahradil v domácnostiach pôvodné plynové osvetlenie. ELEKTRICKÉ OBLÚKOVÉ LAMPY Sir Humphrey Davy v Anglicku vynašiel prvú elektrickú uhlíkovú oblúkovú lampu v roku Uhlíková oblúková lampa pracuje na princípe pripojenia dvoch uhlíkových elektród k zdroju elektrického napätia. Na opačných koncoch elektród umiestnených v správnej vzdialenosti, bude pretekať elektrický prúd cez oblúk odparujúceho sa uhlíka vytvárajúceho intenzívne biele svetlo. Všetky oblúkové lampy využívajú tok elektrického prúdu v rôznych druhoch plynnej plazmy. A.E. Becquerel, francúzsky chemik, v roku 1857 teoreticky opísal vývoj žiarivky. Nízkotlakové oblúkové osvetlenie používa veľké skúmavky naplnené plazmou pri nízkom tlaku a zahŕňa: žiarivkové osvetlenie a svetelné reklamy. PRVÉ ELEKTRICKÉ ŽIAROVKY Prvé elektrické žiarovky vynašli Angličania Sir Joseph Swann a Thomas Alva Edison v 70. rokoch 19. storočia. Žiarovky pracujú týmto spôsobom: elektrický prúd preteká cez vlákno, ktoré je vo vnútri žiarovky a má určitý elektrický odpor, vlákno sa prechodom elektrického prúdu rozžeraví na vysokú teplotu a potom vyžaruje svetlo. Všetky žiarovky pracujú na základe rozžeravenia použitého vlákna. Prvou komerčne úspešnou lampou používajúcou na osvetlenie žiarovku sa stala lampa T. A. Edisona v roku 1879.Edison získal americký patent na žiarovku v roku Dodnes sa žiarovky používajú v našich domácnostiach. ŽIAROVKY Na rozdiel od všeobecného presvedčenia, Thomas Alva Edison ako prvý nevynašiel žiarovku, ale vylepšil 50 rokov starú myšlienku. Napríklad: Dvaja vynálezcovia, ktorí patentovali žiarovku pred Edisonom boli Henry Woodward a Matthew Evan. Podľa Národnej rady pre výskum v Kanade: Henry Woodward z Toronta súčasne z Matthewom Evansom patentoval žiarovku v roku Bohužiaľ, týmto dvom objaviteľom žiarovky sa nepodarilo získať finančné prostriedky na komercionalizáciu ich vynálezu. Podnikavý Američan Thomas Alva Edison, ktorý predtým pracoval na rovnakej myšlienke, kúpil práva na ich patent. 4

7 Z HISTÓRIE SVIETIDIEL Kapitál nebol pre Edisona žiadny problém. Edison mal podporu syndikátu priemyselných záujmov, ktorý investoval 50 tisíc amerických dolárov, čo bola v tej dobe značne vysoká suma. Použitím menšieho elektrického prúdu a malého uhlíkového vlákna a vylepšeného vákua vo vnúti žiarovky, Edison úspešne demonštroval svietiacu žiarovku v roku 1879 a ako sa hovorí, to ostatné je už história. PRVÉ POULIĆNÉ LAMPY Charles F. Brush zo Spojených štátov amerických vyniešiel prvé uhlíkové oblúkové pouličné lampy v roku VÝBOJKOVÉ SVIETIDLÁ Američan Peter Cooper Hewitt patentoval ortuťové výbojkové lampy v roku Bola to oblúková lampa, ktorá používala pary ortuti uzavreté v sklenenej banke. Ortuťové lampy boli predchodcami žiariviek. Vysokotlakové oblúkové svetlá používajú malé banky naplnené plynom pod vysokým tlakom a zahŕňajú: výbojky ortuťové, vysokotlakové sodíkové oblúkové lampy, a oblúkové lampy používajúce halogenidy kovov. SVETELNÉ REKLAMY Georges Claude z Francúzska vynašiel neónové lampy v roku Američan Irving Langmuir nahradil uhlíkové vlákna wolfrámovými vláknami a v roku 1915 vynašiel elektrické wolfrámové lampy naplnené plynom. Toto bola žiarovka, ktorá používala vo vnútri žiarovky wolfrámové vlákno namiesto uhlíkového alebo iných kovových vláken a stala sa štandardom. Skoršie lampy s uhlíkovými vláknami boli málo účinné a krehké a čoskoro boli nahrádzané lampami s wolfrámovými vláknami. ŽIARIVKY Friedrich Meyer, Hans Spanner, and Edmund Germer patentovali žiarivku v roku Rozdiel medzi ortuťovými výbojkami a žiarivkami je ten, že žiarivky sú na vnútornej strane potiahnuté nejakým prvkom pre zvýšenie účinnosti. Spočiatku bol používaný ako povlak berýlium, avšak bol príliš jedovatý a bol nahradený bezpečnejšími fluorescenčnými chemikáliami. 5

8 Z HISTÓRIE SVIETIDIEL HALOGÉNOVÉ SVETLÁ Americký patent bol udelený Elmerovi Fridrichovi a Emmettovi Wileymu za wolfrámovú halogénovú lampu zdokonalený typ žiarovky, v roku Kvalitnejšie halogénové svetlo lampy vynašiel v roku 1960 elektroinžinier Fredrick Moby, ktorému bol udelený patent USA za jeho halogénovú A - lampu, ktorá bola vhodná do štandardnej elektrickej zásuvky. V 70. rokoch 20. storočia inžinieri pre výskum elektrickej energie vymysleli lepší spôsob na výrobu wolfrámových halogénových lámp.v roku 1962 General Electric patentoval oblúkovú lampu s názvom lampa s parami viacerých halogenidov kovov. 6

9 ALTERNATÍVNE ZDROJE ENERGIE Obnoviteľné zdroje energie, ktorých základom je slnečné žiarenie (biomasa, vodná, veterná a slnečná energia), sú schopné úplne pokryť spotrebu všetkých druhov energie prakticky v každej krajine sveta. Sú ekologické a neznečisťujú prostredie. Zmenšujúce sa zásoby fosílnych palív, poškodzovanie životného prostredia a zdravia ľudí rovnako ako etický rozmer problému súvisiaci s tým, či máme morálne právo vyťažiť a spáliť všetky zásoby ropy a odkázať budúce generácie len na spomienky, si vyžadujú premýšľať nad zmenou súčasného stavu. Snaha o zmenu si však vyžaduje nové technológie, a tie si vyžadujú nový spôsob myslenia. Cestná doprava je v súčasnosti založená na technológii motora s vnútorným spaľovaním - technológii, ktorá sa vo svojej podstatne objavila pred sto rokmi a pretrváva dodnes. Spôsob ako spotrebovávame energiu sa musí zmeniť. Teplo aj elektrinu nie je ťažké vyrobiť. Súčasný spôsob výroby z uhlia, ropy, zemného plynu alebo uránu však nie je ani čistý ani trvalo udržateľný, pretože sa využívajú len fosílne zdroje palív. Zabezpečenie trvalo udržateľného rozvoja a spoľahlivého zásobovania palivami však vyžaduje vyrábať energiu využívaním obnoviteľných (alternatívnych) zdrojov energie. Dnes je zrejmé, že obnoviteľné zdroje energie by boli schopné plne nahradiť fosílne palivá.. 7

10 SLNEČNÁ ENERGia A MOŽNOSTI VYUŽITIA SLNEČNÁ ENERGIA Každý rok dopadne zo Slnka na Zem asi 10 tisíckrát viac energie, ako ľudstvo za toto obdobie spotrebuje. Množstvo dopadajúcej slnečnej energie na územie Slovenska je asi 200-násobne väčšie, ako je súčasná spotreba primárnych energetických zdrojov u nás. Je to obrovský, doposiaľ takmer úplne nevyužitý potenciál. Využívanie slnečnej energie je dnes najčistejším spôsobom využívania energie vôbec a na rozdiel od iných zdrojov (aj obnoviteľných) sú dopady na okolité životné prostredie zanedbateľné. Slnko neustále produkuje obrovské množstvo energie - približne 1,1 x 10E20 kw/h každú sekundu (jedna kilowatthodina je množstvo energie, ktoré spotrebuje 100 W žiarovka po dobu desať hodín). Vrchná vrstva atmosféry prijíma asi dve miliardtiny Slnkom vytvorenej energie, čo je asi 1,5 x 10E18 kw/h za rok. V dôsledku odrazu, rozptylu a absorpcie plynmi a aerosólmi v atmosfére dopadá na zemský povrch len asi 47% z tejto energie (7 x 10E17 kw/ h). Okamžitý výkon slnečného zdroja predstavuje v atmosfére 1,7 x 10E17 W. V našich zemepisných podmienkach to znamená, že energia dopadajúca na plochu 1 m2 dosahuje hodnotu 1000 až 1250 kwh/rok (cca 5 GJ). Z uvedenej intenzity žiarenia vyplýva, že teoreticky pri 100% účinnosti využitia tejto energie by sme z plochy 3 x 3,3 metra mohli získať dostatok energie na pokrytie celoročnej spotreby tepla a teplej vody pre priemernú domácnosť na Slovensku. Bariéru pre takéto využitie nepredstavuje len nerealizovateľná 100 %-ná účinnosť zariadenia, ale aj odchýlky v množstve dopadajúceho žiarenia v priebehu roka a jeho energetickej hustote. Hustota slnečného žiarenia je totiž mnohonásobne nižšia ako v prípade fosílnych palív, na druhej strane je však toto žiarenie homogénnejšie rozložené ako zásoby klasických palív na Zemi. SLNEČNÉ ŽIARENIE Slnečné žiarenie je elektromagnetické žiarenie s vlnovými dĺžkami v rozsahu od 0,28 do 3,0 µm. Slnečné spektrum zahrňuje malý podiel ultrafialového žiarenia (0,28 0,38 µm), ktoré je pre ľudské oko neviditeľné a predstavuje asi 2 % solárneho spektra. Viditeľné svetlo má vlnové dĺžky od 0,38 do 0,78 µm a predstavuje asi 49% spektra. Zvyšok tvorí infračervené žiarenie s vlnovými dĺžkami 0,78 3,0 µm. emisia absorbcia reflexia latentné teplo 8

11 SLNEČNÁ ENERGia A MOŽNOSTI VYUŽITIA SLNEČNÉ KONCENTRÁTORY Slnečné koncentrátory vyrábajú teplo využitím sústavy reflektorov, šošoviek alebo zrkadiel, ktoré koncentrujú slnečné žiarenie do ohniska, v ktorom sa nachádza teplonosné médium. Keďže takto vyrobené teplo je možné skladovať, zariadenia sú schopné vyrábať elektrickú energiu aj v noci alebo pri zatiahnutej oblohe. Zrkadlá pokrývajúce obrovskú plochu dokážu koncentrovať slnečné žiarenie do takej intenzity, že voda nachádzajúca sa v ohnisku (bodovom alebo čiarovom) sa mení na paru poháňajúcu turbínu elektrického generátora. Účinnosť premeny energie dosahuje asi 15 %. Typický koncentračný systém pozostáva z koncentrátora, teplonosného média, ohniskovej jednotky, potrubí, generátorov elektrického prúdu a skladovacieho systému. Slnečné žiarenie môže byť koncentrované viacerými technológiami ako sú napr. parabolické korytá, parabolické taniere alebo solárne veže. Keďže všetky tieto systémy obsahujú teplonosné médiá môžu byť kombinované aj s inými fosílnymi palivami (záložný systém). Výhodou takýchto hybridných systémov je, že elektrina môže byť vyrábaná nielen v čase keď svieti Slnko, ale hlavne vtedy keď je to potrebné, čo zvyšuje ekonomickú hodnotu vyrábanej elektrickej energie a znižuje priemerné výrobné náklady. SOLÁRNE PARABOLICKÉ KORYTÁ Tieto systémy využívajú parabolické zrkadlá v tvare koryta, ktoré koncentruje slnečné žiarenie do potrubia umiestneného do ohniska zariadenia. V potrubí prúdi kvapalina, ktorá sa ohrieva na takmer 400 stupňov Celzia a je prečerpávaná cez sústavu tepelných výmenníkov tak, že na konci vzniká para s veľmi vysokou teplotou, ktorá poháňa turbínu generátora vyrábajúcu elektrinu. Potrubia v ohnisku solárnych parabolických korýt sú zo skla a celý systém býva počas dňa natáčaný jedno alebo dvoj osovým natáčacím zariadením smerom ku Slnku. Najväčší takýto solárny systém na svete postavila firma Luz International začiatkom 80-tych rokov v púšti Mojave. Vyrobená elektrická energia je dodávaná do verejnej siete. Prvé z deviatich zariadení (SEGS I) s výkonom 13,8 MW bolo uvedené do prevádzky v roku Ako teplonosné médium bol použitý olej, ktorý sa zohrieva v potrubí na 343 stupňov Celzia. SEGS I bol doplnený zásobníkom tepla s kapacitou 6 hodín a ako záložný systém výroby elektriny bol použitý generátor spaľujúci zemný plyn. Firma Luz neskôr postavila ďalšie takéto zariadenia SEGS II až VII, každé s výkonom 30 MW. V roku 1990 boli dokončené zariadenia SEGS VIII a IX v Harper Lake, každé s výkonom 80 MW. Cenové náklady na výrobu elektriny by mali byť vďaka nižšej účinnosti a tým aj nižšej prevádzkovej teploty zariadenia o niečo vyššie, ako v prípade systémov solárnych veží alebo solárnych tanierov (pozri nižšie), avšak v dôsledku nízkych nákladov na prevádzku a údržbu a tiež inováciu technológie sa solárne parabolické korytá stali najlacnejšími a najspoľahlivejšími zariadeniami solárnej termálnej výroby elektriny. 9

12 SLNEČNÁ ENERGia A MOŽNOSTI VYUŽITIA SOLÁRNE PARABOLICKÉ TANIERE Tieto systémy využívajú sústavu parabolických zrkadiel v tvare tanierov (podobných satelitným anténam), ktoré koncentrujú slnečné žiarenie do absorbátora umiestneného v ohnisku taniera. Kvapalina v absorbátore sa zohrieva až na 1000 stupňov Celzia a je využívaná priamo na výrobu elektriny v malej turbíne (napr. v Stirlingovom motore) pripojenej k absorbátoru. Výhodou týchto zariadení je aj ich stavebnicový charakter, ktorý umožňuje ich použitie na odľahlých miestach. V USA bolo skonštruovaných viacero prototypov s výkonmi od 7 do 25 kw. Vysoká optická účinnosť a nízke straty energie robia z parabolických tanierov najúčinnejšie solárne zariadenia na výrobu elektriny. Systém inštalovaný v roku 1984 v americkom Rancho Mirage (Kalifornia), ktorý využíval Stirlingov motor, dosiahol najvyššiu účinnosť premeny slnečného žiarenia na elektrinu na svete - 29%. Jedno z úspešných zariadení (STEP) bolo postavené americkom štáte Georgia. Pozostávalo zo 114 solárnych tanierov, každý s priemerom 7 metrov a pracovalo od roku 1982 do Systém vyrábal vysokotlakovú paru na výrobu elektriny, strednotlakovú paru na pohon textilných strojov a nízkotlakovú paru na pohon klimatizačného zariadenia pre blízku textilnú fabriku. V roku 1989 bola prevádzka tohto zariadenia zastavená v dôsledku zlyhania hlavnej turbíny a nedostatku financií na opravu. Sandia National Lab. a Cummins Power Generation sa v súčasnosti snaží vyvinúť prvé komerčné zariadenie tohto druhu s výkonom 7,5 kw. SOLÁRNE VEŽE Solárne veže využívajú kruhové pole osadené veľkými zrkadlami natáčanými smerom k Slnku a koncentrujúcimi lúče do ohniska centrálnej veže. Absorbované teplo sa odovzdáva kvapaline, z ktorej sa v parogenerátore vyrába para poháňajúca turbínu vyrábajúcu elektrinu. Natáčanie je riadené počítačom a dvojosové zariadenie zaisťuje, že zrkadlá neustále smerujú lúče do ohniska veže. Kvapalina cirkulujúca v absorbátore odovzdáva teplo tiež termálnemu zásobníku, z ktorého sa odoberá nielen na výrobu elektriny ale aj pre potreby priemyselných aplikácií. Teploty, ktoré sú dosahované v absorbátore sa pohybujú od 538 stupňov Celzia do 1482 stupňov Celzia. Prvá solárna veža Solar One bola postavená v americkom Barstow v južnej Kalifornii a úspešne demonštrovala túto technológiu výroby elektriny. Zariadenie s výkonom 10 MW pracovalo od polovice 80-tych rokov a využívalo vodu a paru pod vysokým tlakom ako teplonosné médium. V roku 1992 bola voda nahradená roztokom roztavených solí a zariadenie bolo doplnené o nový skladovací systém tepla. Tento roztok je prečerpávaný z chladnejšej nádrže s teplotou 288 stupňov Celzia do absorbátora vo veži, kde sa zohrieva na 565 stupňov Celzia a vracia sa do horúcej nádrže, z ktorej sa odoberá na výrobu elektriny. Tento nový zásobník, ktorý v súčasnosti umožňuje skladovať solárne teplo po dobu 3 až 13 hodín, výrazne zlepšil parametre celého zariadenia, nakoľko výroba elektriny je možná vtedy, keď si to vyžaduje potreba elektrickej siete. Vyťaženosť zariadenia tak stúpla na 65%. Ďalšia solárna veža Solar Two postavená v roku 1996 s výkonom 10 MW je v súčasnosti testovaná s cieľom overiť technológiu pre komerčné využívanie. Očakáva sa, že prvé komerčné zariadenia tohto typu by mali mať inštalovaný výkon v rozsahu 30 až 200 MW. 10

13 SLNEČNÁ ENERGia A MOŽNOSTI VYUŽITIA SOLÁRNE ABSORPČNÉ NÁDRŽE Vyššie opísané solárne koncentračné technológie majú nevýhodu v tom, že bez zariadení na skladovanie energie alebo zálohových systémov na klasické palivá nedokážu vyrábať elektrinu v noci. Skladovanie tepla je však možné aj v prírodných nádržiach, ktoré sa pre tento účel využívajú na výrobu elektriny. Niektoré prírodné vodné nádrže (napr. Mŕtve more) majú relatívne veľmi vysoký obsah solí, pričom ich koncentrácia rastie smerom od povrchu ku dnu. Charakteristické pre takéto nádrže je, že tu nedochádza k výraznému premiešavaniu a koncentrácia solí zostáva nerovnomerne rozložená. V dôsledku toho dochádza k vyššej absorpcii slnečného žiarenia pri dne nádrže, kde je vysoká koncentrácia solí. Voda s vyššou koncentráciou solí je totiž hustejšia, a preto sa nepremiešava s vyššie položenou vodou. Zohrieva sa natoľko, že dochádza takmer k varu, pričom povrch nádrže je relatívne chladný. Táto horúca spodná voda môže byť využitá ako zásobník, z ktorého sa teplo odvádza cirkulačným potrubím s kvapalinou do turbíny vyrábajúcej elektrickú energiu. Teplotný rozdiel medzi hornou a spodnou vrstvou nádrže je na mnohých miestach dostatočný na výrobu elektrickej energie. Takéto zariadenie bolo inštalované v Beit Ha Arava (Izrael) blízko Mŕtveho mora. Izrael je krajinou, kde je technológia solárnych absorbčných nádrží v súčasnosti najviac rozvinutá. Firma Ormat Systems Inc. do dnešnej doby postavila viacero takýchto zariadení v blízkosti Mŕtveho mora. Najväčšie z nich malo inštalovaný elektrický výkon 5 MW a rozkladalo sa na ploche 20 hektárov. Účinnosť premeny slnečnej energie na elektrickú bola však len 1 %. Hoci zariadenie pracovalo úspešne niekoľko rokov, bolo v roku 1989 z ekonomických dôvodov zatvorené. Najväčšia solárna absorpčná nádrž v USA je inštalovaná v texaskom El Paso, kde sa rozkladá na ploche 0,3 hektára a úspešne pracuje od roku Zariadenie má elektrický výkon 70 kw a okrem elektriny vyrába aj litrov odsolenej vody za deň pre miestny potravinársky podnik. Pri dne tejto prírodnej vodnej nádrže sa neustále udržuje teplota okolo 90 C. Umelé jazero s gradientom (rozdielne koncentrácie) obsahu soli vo vode bolo postavené aj v americkom Miamisburgu (Ohio) a v súčasnosti sa využíva na ohrev vody pre miestne kúpalisko a rekreačné budovy. SLNEČNÁ PEC Slnečná pec je technologické zariadenie pracujúce na princípe sústreďovania slnečnej energie pomocou sústavy zrkadiel do jedného bodu. Teplota ktorú možno takýmto spôsobom dosiahnuť je okolo C. 11

14 SLNEČNÁ ENERGia A MOŽNOSTI VYUŽITIA POROVNANIE TECHNOLÓGIÍ Ako vyplýva z tabuľky porovnania troch termálnych solárnych systémov na výrobu elektrickej energie najvýhodnejšími pre pripojenie do verejnej elektrickej siete sú technológie solárnych veží a solárnych parabolických korýt. Výkony týchto zariadení sa pohybujú od 30 do 200 MW, kým systémy solárnych parabolických tanierov sú vhodné pre izolované a menšie aplikácie. Najrozvinutejšou technológiou v súčasnosti sú parabolické korytá, u ktorých sa v blízkej budúcnosti predpokladá ich širšie komerčné využívanie. Solárne veže však majú perspektívu uplatniť sa vo výrobe elektriny práve vďaka prepracovanému systému skladovania tepla umožňujúcemu výrobu elektriny počas celého dňa. Solárne veže aj taniere poskytujú možnosť dosiahnuť vyššie účinnosti premeny slnečnej energie na elektrinu ako solárne korytá, avšak otázkou zostáva či sa pri týchto technológiách podarí znížiť investičné náklady, ktoré súvisia hlavne s výrobou zrkadiel. Solárne taniere si vyžadujú vývoj špeciálneho motora na výrobu elektriny a lacnejších koncentrátorov žiarenia (tanierov). Cena elektriny vyrobenej solárnymi termálnymi elektrárňami závisí na viacerých faktoroch ako sú investičné náklady, náklady na prevádzku a údržbu a účinnosť zariadenia. Ukazuje sa, že cena je relatívne vysoká hlavne pre menšie zariadenia a konkurencie schopnosť v porovnaní s klasickými palivami sa objavuje až pri väčších zariadeniach. Veľkou výhodou však je, že sú schopné vyrábať elektrickú energiu v čase jej potreby (vo dne v noci) a to buď cestou skladovania energie alebo použitím hybridných systémov kombinujúcich výhody slnečnej energie zálohovanej fosílnym palivom. Parabolické korytá Solárne taniere Solárne veže Elektrický výkon MW 5-25 kw MW Prevádzková teplota ( Co ) Vyťaženosť počas roka % 25 % % Maximálna účinnosť 20 % ( d ) 29,4 % ( d ) 23 % ( p ) Priemerná účinnosť % ( d ) % ( p ) 7-20 % ( d ) Stav vývoja Komerčný typ Demonštračné zariadenie Demonštračné zariadenie Riziká technológie Nízke Vysoké Stredné Možnosť skladovania energie Obmedzená Batérie Áno Hybridný typ ( solar/ fosil) Áno Áno Áno Použitie Výr. el. do verejnej siete, výr. tepla pre priemysel malé elektrárne Výr. el. do verejnej siete, výr. tepla pre priemysel Investičné náklady USD/W 2,7-4,0 1,3-12,6 2,5-4,4 12

15 ann a lise

16 ann a lise

17 PRODUKT ANN A LISE je exteriérové svietidlo na alternatívny pohon. Snúbi v sebe dizajn s eko prístupom. Je poháňané slnečnou energiou využívajúc elementárne fyzikálne zákony vo svoj prospech na hranici technickej dokonalosti spracovania použitých materiálov a technológií. Využitím dostupných foriem v reťazci výroby a optimalizovaných nastavení dosahuje vysoké účinnosti pri premene slnečnej energie na elektrickú. Na premenu slnečnej energie využíva paraboly, ktoré zohrievajú stirlingov motor, ktorý poháňa alternátor. Z alternátora je energia transformovaná do batérií, ktoré sú umiestnené v tele svietidla. Batérie zabezpečujú nielen osvetlenie v čase bez dostatku slnečného žiarenia. Ráno rozklápajú parabolu a následné večer zaklápajú v nočných hodinách svietia a pomáhajú aj pri štarte stirlingovho motora. Lampy sú zapojene na sieť čo umožňuje ich okamžitú kontrolu prostredníctvom počítača a zabezpečujú si vzájomnú distribúciu energie v prípade že sa niektoré nachádzajú v permanentnom tieni alebo sa vyskytol iný závažný problém 15

18 SKICE 16

19 SYSTÉMY 350 celková účinná plocha paraboly je približne 0,5m led technológia prizma a rozptyl svetla paraboly rozklápací mechanizmus stirlingov motor alternátor chladenie konštrukcia plášť Ø 156 batérie 17

20 SYSTÉMY led technológia prizma a rozptyl svetla paraboly rozklápací mechanizmus stirlingov motor alternátor chladenie konštrukcia plášť batérie 18

21 TECHNOLOGICKOST KONŠTRUKCIA Konštrukcia je zostavenie jednotlivých častí plánu do celku podľa určitého výpočtu. Hlavnou úlohou tohto odstavca je spresniť ako je lampa skonštruovaná a zdôrazniť niektoré konštrukčné detaily. TORZNÁ TYČ Nosná časť (kostra) je zhotovená z ocele triedy 11. Tato oceľ sa v bežnej praxi využíva na konštrukčné dielce. Je dostatočne pevná a pružná keďže treba počítať aj s vplyvom poveternostných podmienok. Hlavnou časťou nosnej kostry je torzná tyč, ktorá siaha od spodného ukotvenia k zemi až ku stirlingu. Stirling je k tyči uchytený pomocou tlmiacich prvkov. Týmto spôsobom je zabezpečené pohlcovanie vybráci od stirlingovho motora. PLÁŠŤ Plášť je vyrobený z ľahkého penového hliníka. Tento materiál je ideálnym riešením kôli svojim špecifickým vlastnostiam. Má schopnosť absorbovať veľké množstvo deformačnej energie pri nízkom napätí, tlmí hluk a pohlcuje vibrácie. Je vhodný aj ako chladiace zariadenie pre stirlingov motor a významne dopĺňa funkciu chladiča, ktorý je súčasťou lampy. Hlavnou súčasťou správneho fungovania plášťa je jeho povrchová úprava aby sa dosiahla čo najväčšia trvanlivosť materiálu a tým aj odolnosť samotnej lampy voči nepriaznivému prostrediu. VNÚTORNÁ ŠTRUKTÚRA Vnútorná štruktúra lampy, kde sú použité rôzne mechanizmy a malé stroje akým je napríklad stirlingov motor a alternátor sú vyrobené klasickými výrobnými metódami. Kde sú už zohľadnené všetky zaťaženia a otestované konkrétne materiály tak aby sa dosahovali čo najvyššie účinnosti prihliadnuc na ekolologickosť s nákladmi na výrobu. Tieto mechanizmy by bolo najoptymálnejšie kupovať od externých dodávateľov pretože know-how potrebné na výskum a testovanie prototypov by mohlo ďaleko presiahnuť celkové náklady na výrobu. PARABOLY Paraboly sú zhotovené z vysokoleštenej korozivzdornej (nerezovej) ocele. Vysokoleštený materiál veľmi dobre odráža slnečnú energiu a pri testovaní zrkadiel dosiahol najväčšiu účinnosť čo sa týka odrazu tepelnej energie. Je zároveň nárazu vzdorný a je veľmi vhodný pretože je dostatočne tvrdý a jeho vlastnosti plne vyhovujú extrémnym poveternostným podmienkam. Je vhodný aj z dôvodu pôsobenia erozívnej činnosti prachu a piesku pričom si zanecháva svoju povrchovú štruktúru až niekoľko rokov. To znamená že náklady na údržbu týchto lámp nepresahujú náklady na údržbu klasických neónových lámp. 19

22 TECHNOLOGICKOST parabola plášť chladenei torzna tyc 20

23 TECHNOLOGICKOST MECHANIZMY Celý návrh som sa snažil koncipovať na princípe jednoduchosti, avšak nevyhol som sa niektorým zložitým mechanizmom z dôvodu zvýšenia efektivity a konečného výkonu lampy pri zachovaní estetickej pôsobivosti. Najzložitejším prvkom na lampe je princíp rozkladania a skladania paraboly. Tu som využil miniatúrne elektro-motorčeky, ktoré sa napríklad využívajú aj v mobilných telefónoch ako vybračné moduly. Elektro-motorčeky pracujú na princípe krokových motorov aby dokázali komunikovať so senzormi zabezpečujúcimi zistenie polohy slnka. Toto natáčanie paraboly zvyšuje výkon stirlingu a tým aj konečný výkon alternátora. Funguje to na princípe odrazu svetla, pretože čím kolmejšie lúče dopadajú tým viacej energie sa dokáže odraziť od zrkadla a tým väčšiu energiu si fotóny dokážu zanechať. To znamená že teplota dosiahnutá na absorbátore sa výrazne zvýši. ROZKLADANIE A SKLADANIE PARABOLY Je zabezpečené mikro-elektro-motorčekmi. Podobne mikro-motorčeky sa využívajú napríklad v mobilných telefónoch. Dosahujú dostatočný výkon aby dokázali roztvoriť parabolu. Pretože je parabola vyrobená z ľahčených materiálov nie je potrebne použiť zbytočne veľkostne obmedzujúce elektromotory. CHLADENIE Chladenie jednej časti stirlingovho motora je práve tak potrebne ako zohrievanie jeho druhej časti, aby sa zabezpečil dostatočný rozdiel teplôt na dosiahnutie optimálneho výkonu. Na chladenie je použitý veľký pasívny chladič vyrobený z hliníka. Pričom sa využíva jeho veľmi dobrá tepelná vodivosť. rozkladanie chladenie 21

24 TECHNOLOGICKOST MATERIÁLY OCEl TRIEDY 11 Konštrukčná nelegovaná oceľ s predpísanými mechanickými vlastnosťami a zaručenými hodnotami uhlíku, síry a fosforu. Vyrába sa aj ako automatová oceľ. Ich vlastnosti sú dané obsahom uhlíka, ktorý neprevyšuje 0,7 % - čím je obsah vyšší, tým úmerne rastie pevnosť a tvrdosť ocele, zároveň klesá húževnatosť, ťažnosť a tvárnosť. Fe, 0,07-0,75% C, 0,15-0,55% Si, 0,40-1,60% Mn, < 0,05% P, < 0,05% S Použitie: klince, skrutky, kolíky, strojové súčiastky, konštrukčné dielce, nity, reťaze, oceľ na mierne alebo hlboké ťahanie, svorníky, čapy, matice, kľukové hriadele, menej namáhané ozubené kolesá. OCEl TRIEDY 17 Ušľachtilá zliatinová vysoko legovaná oceľ určená pre ďalšie tepelné spracovanie s obsahom mangánu, chrómu, vanádu, volfrámu, niklu, kremíka, titánu. Sú nehrdzavejúce a žiaruvzdorné. Korozivzdorné (nerezové) ocele sú ocele obsahujúce 10,5-30 % Cr, legované ďalšími prvkami najmä Ni, Mn, Mo, Cu, Ti, Al, Si, Nb, N. Obsah uhlíka je 0,03 % - 1,0 %. Vysoká oxidačná-rezistencia vzduchu pri izbovej teplote sa zvyčajne dosiahne s doplnkom z minimálne 13% (hmotnosti) chrómu a až 26% sa používa pre drsné prostredie. Pasivácia vrstvou Cr2O3. Táto vrstva je príliš tenká aby bola viditeľná a kov zostáva lesklý. Táto vrstva je odolná voči vode a vzduchu a chráni kov. Aj táto vrstva rýchlo koroduje, keď je poškriabaný povrch. Tento jav sa nazýva pasivácia a je videný v iných kovov, ako sú hliník a titán. Korózna-rezistencia môže byť nepriaznivo ovplyvnená, ak je zložka používaná v neokysličenom prostredí. Použitie: chirurgické nástroje, ventily motorov, nerezové dielce, potravinársky priemysel, chemický priemysel, prúdové motory, tepelná a jadrová energetika, automobilový priemysel PENOVÝ HLINÍK Penový hliník je špeciálnym spôsobom pripravený vysoko porézny materiál na báze hliníka a jeho zliatin, dosahujúci hustotu v intervale 0,3-1 g.cm-3. Vyznačuje sa vysokou tuhosťou, schopnosťou absorbovať veľké množstvo deformačnej energie pri nízkych napätiach, tlmí hluk, vibrácie a umožňuje tieniť elektromagnetické vlnenie. Tieto vlastnosti spolu s odolnosťou voči zvýšeným teplotám, nehorľavosťou, recyklovateľnosťou a zdravotnou nezávadnosťou mu dávajú veľký potenciál na uplatnenie v ľahkých konštrukciách, najmä v dopravnom priemysle a v stavebníctve. Ďalšie použitie penového hliníka: ľahké odliatky strojov s lepším tlmením zvuku a vibrácií, komponenty absorbujúce nárazovú energiu pre autá, zdvíhacie a transportné systémy, tuhé súčiastky strojov so značne zníženou váhou, skrine elektronických zariadení zabezpečujúce elektromagnetické a tepelné tlmenie, trvalé jadra pre odliatky, nahradzujúce pieskové jadrá, izotropné jadrá pre sendvičové panely a škrupiny, výplne dutých tvarou na zamedzenie namáhania vzperom, tepelné šírenie a zapuzdrenie, plávajúce štruktúry pri zvýšených teplotách a tlakoch. 22

25 ZÍSKAVANIE A TRANSFORMÁCIA ENERGIE PREMENA SLNEČNEJ ENERGIE NA TEPELNÚ Na premenu slnecnej energie na tepelnu som vyuzil koncentrator a to konkretne parabolicke zrkadlo. Pri uplatneni tohoto zakladneho fyzikalneho fenomenu som dospel k teoretickej ciastkovej ucinnosti 75%. ZRKADLÁ Zrkadlo je optická plocha, odrážajúca väčšinu žiarenia, ktoré na ňu dopadá. Zrkadlo je dostatočne hladký povrch odrážajúci svetlo, čím vzniká obraz predmetov nachádzajúcich sa pred zrkadlom. Zrkadlo je obvykle tvorené lesklou kovovouplochou (leštená kovová platňa, kovová vrstva na skle a pod.). Zrkadlom je teda akákoľvek plocha majúca reflexné vlastnosti, väčšinou na prechode dvoch opticky rozdielnych prostredí s rôznymi optickými vlastnosťami. Vo všeobecnosti sa využíva hlavne odraz viditeľného žiarenia (svetla) od zrkadla, ale existujú aj zrkadlá odrážajúce iné druhy žiarenia. Guľová plocha alebo sférická plocha môže byť:v geometrii: množina bodov, ktoré majú od pevného bodu rovnakú vzdialenosť, teda povrch gule v optike: lomná alebo odrazná plocha, ktorá je časťou gule PARABOLICKÉ ZRKADLÁ Súčasné zrkadlá sú tvorené tenkou vrstvou hliníka naneseného na zadnú stranu sklenenej tabule. Pretože vrstva je nanesená zozadu, zrkadlo je trvanlivejšie, za cenu o málo nižšej kvality obrazu. Tento typ zrkadla odráža asi 95% dopadajúceho svetla. Zadná strana je natrená ochrannou vrstvou proti korózii odrazovej kovovej vrstvy. V náročných optických aplikáciách sa používajú dielektrické zrkadla, kde odrazová vrstva nie je tvorená kovom, ale vrstvou dielektrika. Na základe Huygensovho princípu je možné odvodiť, že lúč svetla sa odráža od zrkadla pod uhlom, ktorý je rovný uhlu jeho dopadu. Podľa tvaru odrazovej plochy rozlišujeme: 1.Rovinné zrkadlo, 2.Duté (konkávne) zrkadlo, 3.Vypuklé (konvexné) zrkadlo, 4.Krivé zrkadlo Rovinné zrkadlo je tvorené rovinnou plochou. po dopade mení rovnobežný lúč svetla svoj smer, pričom je zachovaný uhol a stále zostává rovnobežný - obrazy vzniknuté v rovinnom zrkadle sú zdanlivé obrazy s rovnakými rozmermi ako pôvodný objekt. ODRAZ V PARABOLICKOM ZRKADLE Duté a vypuklé zrkadlo je také, ktorého plocha je tvorená geometricky rotačne pravidelným objektom (kružnica (guľa, valec),parabola (rotačný paraboloid), hyperbola (rotačný hyperboloid)). V dutých a vypuklých zrkadlách mení rovnobežný lúč na zbiehavý resp rozbiehavý. Krivé zrkadlo je zrkadlová plocha nepravidelného tvaru, vytvárajúca nepravidelne skreslený obraz. POVRCH GUlOVÉHO ODSEKU Vypočítame ako súčet obsahu podstavy Sp a obsahu guľového vrchlíka Sv. Pre výpočet obsahu plochy, ktorá sa podieľa na zisku energie stačí vypočítať obsah guľového vrchlíka: S = 2.π.r.v, r = ρ2 + v2/2.v 23

26 ZÍSKAVANIE A TRANSFORMÁCIA ENERGIE PREMENA TEPELNEJ ENERGIE NA MECHANICKÚ Pri transformovaní tepelnej energie na mechanickú som využil stirlingov motor. Stirling sa presadil v ťažkej konkurencii spaľovacích motorov a s účinnosťou 29% sa zaradil na prvé miesto ako najlepšia možná variant tejto premeny. STIRLINGOV MOTOR Stirlingov motor je piestový spaľovací motor s vonkajším spaľovaním, pri ktorom sa energia pre pracovný cyklus privádza prestupom tepla z vonkajšieho zdroja. Bratia Róbert a James Stirlingovci zostrojili v roku 1816 tepelný stroj, ktorý bol (je) bezpečný, jednoduchý a najmä hospodárny. V tom čase bol využívaný predovšetkým na odčerpávanie vody z baní. Účinnosť Stirlingovho motora bola vtedy porovnateľná s účinnosťou parného stroja, ide o druhý stroj v histórii, ktorý mení tepelnú energiu na mechanickú. Na prelome devätnásteho a dvadsiateho storočia, keď hlavné požiadavky na motor boli výkon, jeho regulovateľnosť a rýchly nábeh, podľahol Stirlingov motor mohutnému tlaku spaľovacích motorov s vnútorným spaľovaním (Ottov a Dieselov motor) ktorý vlastne trvá až dodnes. Až v ostatných rokoch sa začali využívať nové pracovné látky (napr. hélium...), druhy tesnení, zdokonalené typy výmenníkov tepla a poznatky v oblasti prúdenia, až do takej miery, že Stirlingov motor začalo byť výhodné používať opäť - ako napr. súčasť kogeneračných zariadení a je ho možné vo všeobecnosti nazvať ekologickým motorom 21. storočia. Piest sa nachádza v dolnej úvrati. Na začiatku je všetka pracovná látka plyn - pri nízkej teplote a tlaku v hornej časti valca. Piest sa posunie smerom nahor do hornej úvrate, vytlačí pracovný plyn, ktorý voľne obtečie okolo piesta, do dolnej časti. Dolná ( teplá ) časť motora je ohrievaná vonkajším zdrojom tepla. Teplota plynu vo vnútri valca vzrastie plyn zväčší svoj objem, čo je sprevádzané zväčšením tlaku plynu vo valci. V ďalšej fáze sa piest opäť presunie do dolnej úvrate, horúci plyn sa presunie do hornej časti, ktorá je nepretržite ochladzovaná, plyn sa ochladí, zmenší objem a tlak a teplota v sústave klesne. V reálnom zariadení namiesto U trubice sa nachádza pracovný (tesný) piest, ktorý sa pohybuje vo svojom pracovnom valci vplyvom zmeny tlaku pracovného plynu. Pohyby piestov sú navzájom prepojené mechanizmom. Piest sa presunie do dolnej úvrate a horúci plyn je ním vytlačený do hornej časti valca, pracovný piest v dôsledku zmeny tlaku (zväčšenie) sa posunie do dolnej úvrate. V ďalšom cykle dôjde k odobratiu tepla (Q2) z valca a poklesu tlaku vo valci. V dôsledku podtlaku je pracovný piest posúvaný k hornej úvrati. Súčasne sa piest presúva do hornej úvrate a z priestoru vytláča pracovný plyn do dolnej časti. VLASTNOSTI Jedná sa o zariadenie s vysokou flexibilitou, všestranným použitím a univerzálnosťou. Má vysokú teoretickú účinnosť porovnateľnú so Ottovým a Dieselovým motorom. Ako z popisu vyplýva, nejedná sa o motor s vnútorným spaľovaním, kde sa využíva uvoľnené teplo zo špeciálneho paliva privedeného do motora (Ottov, resp. Dieselov motor), ale tepelná energia, ktorá sa transformuje na mechanickú, sa privádza z vonka motor s vonkajším spaľovaním, resp. s vonkajším prívodom tepla najlepšie skúsenosti sú s plynovými horákmi z dôvodu ich dobrej regulovateľnosti a účinnosti. Vonkajšie spaľovanie je 24

27 ZÍSKAVANIE A TRANSFORMÁCIA ENERGIE pritom dokonalejšie (lepšie využitie paliva), s menším množstvom škodlivých splodín[chýba citácia]. (Žiaden z iných doposiaľ skonštruovaných motorov nie je schopný využiť tak širokú skupinu energií ako práve Stirlingov motor.) Je to, ako vyplýva z termodynamického popisu cyklu, uzatvorený termodynamický systém, žiadna látka do motora nevstupuje, ani z neho nevystupuje, teda je možné použiť najvhodnejšiu pracovnú látku ako náplň do valca. Nepotrebuje olej, ktorý sa pri dvojtaktných spaľovacích motoroch primiešava do paliva a tým sa uvoľňuje do ovzdušia menej škodlivín. Z konštrukčného hľadiska má Stirlingov motor ďalšie výhody. Je to robustné zariadenie, ktoré sa ľahko obsluhuje, nie je komplikované ako spaľovacie motory. Z dôvodu jednoduchej konštrukcie, pomalých otáčok, robustnosti a malého množstva pohyblivých častí má zariadenie tichý chod. Zariadenie je celé zapuzdrené, tesné, bezpečné a spoľahlivé je ho možné použiť napr. vo výbušnom prostredí, vie pracovať pod vodou, vo vákuu. Keďže nedochádza k spaľovaniu paliva vo vnútri motora, nevzniká zbytočný hluk a vibrácie motor má vyššiu životnosť, jeho súčiastky sú menej namáhané ako pri spaľovacích motoroch. Za predpokladu, že Stirlingov motor je správne navrhnutý a zostrojený je jeho účinnosť minimálne taká ako pri najlepších dieselových motoroch. Za predpokladu použitia keramických častí motora, jeho účinnosť a výkon vzrastie. Jednou z neoceniteľných predností, ako už bolo vyššie spomenuté je, že na pohon motora je možné použiť rôzne palivá, aj menej ušľachtilé, čo má veľký význam pri viacpalivových prevedeniach: zemný plyn, tuhé palivo, aj odpad, tekuté a plynné palivá využitie regeneratívnej energie z biomasy - odpad v poľnohospodárstve, rastlinné zvyšky, drevné štiepky, piliny, kôra, slama, seno, bioplyn - plyn zo skládok, z čistiarní odpadových vôd, koksový plyn, banský plyn, slnečná energia, geotermálne energia, odpadové teplo. Stirlingov motor je možné využiť aj ako chladiaci stroj bez FCKW plynov, ale aj na skvapalňovanie plynov. Tak ako každé zariadenie má aj Stirlingov motor svoje pozitíva a negatíva. Negatívne vlastnosti zariadenia sa prejavia najmä vtedy, keď technické riešenie motora a jeho aplikácie nie je vhodne zvládnuté čiže nejedná sa ani tak o negatívum motora samotného jeho princípu, ako o konštrukčné a technické problémy pri jeho návrhu a výrobe. Za predpokladu, že je potrebné napr. navrhnúť a vyrobiť motor malých rozmerov a hmotnosti - je potrebné aby tlak pracovného plynu v motore bol cca 15 MPa a relatívne vysoké pracovné otáčky ( ot/min.). S tým sú spojené problémy charakteru kvalitné tesnenie a materiály pre teplú časť motora. 1-2 izotermická expanzia 2-3 adiabatická expanzia 3-4 izotermická kompresia 4-1 adiabatická kompresia POUŽITIE V KOGENERÁCIÍ Je možné zostrojiť motor o relatívne malom výkone až niekoľko wattov (demonštračné funkčné zariadenie, kde rozdiel teplôt, ktorý uvedie motor do pohybu je niekoľko stupňov Celzia rádove (5-6) C ale to je krajný extrém), čo ponúka určité možnosti nasadenia práve Stirlingovho motora v tzv. mikrokogenerácii t.j. tam, kde je síce potreba elektrickej energie, ale pri splnení požiadavky 6000 prevádzkových hodín, nie je možné použiť z dôvodu nízkej trvalej potreby elektrickej energie bežné kogeneračné jednotky na báze spaľovania zemného plynu, ktoré sa vyrábajú až od výkonu 5-6 kwel, čo predstavuje výkon, ktorý nie je možné využiť počas roka. 25

28 ZÍSKAVANIE A TRANSFORMÁCIA ENERGIE PRÍKLAD Bežný rodinný dom bez bazénov, klimatizácie..., byt v čase neprítomnosti obyvateľov počas dňa, má trvalú potrebu el. energie veľmi nízku. V prevádzke je malý počet zariadení, ktoré pre svoju prevádzku potrebujú neustále byť pripojené na el. sieť chladnička, mraznička, zariadenia v tzv. spiacom režime..., po príchode obyvateľov - osvetlenie, zvlhčovač vzduchu, príprava teplej úžitkovej vody atď. A práve tam je možné použiť Stirlingov motor o potrebnom (malom) výkone. Elektrická účinnosť motora malého výkonu je relatívne nízka a pohybuje sa v rozsahu 10% (350 Wel),12,5% (800 Wel) a 25% (3000 Wel). V ďalšom je možné uvažovať o spojení Stirlingovho motora s tepelným čerpadlom, kde dôjde k lepšiemu využitiu tepelnej energie, resp. primárnych zdrojov. Tepelná účinnosť použiteľného Stirlingovho motora sa pohybuje v rozmedzí 60-70%, elektrická 20-30%, teda celková účinnosť je okolo 90% (použiteľný v zmysle prevádzkovom. Nemá totiž význam hovoriť o kogenerácií o výkone 350 W). Prevádzkový čas hodín bez údržby a dlhý čas po prvú generálnu opravu, čo je cca hodín zaručuje hospodárnu prevádzku kogenerácie aj zariadeniam o malom výkone (okolo 10 kwel), hospodárnejšiu ako pri použití Ottovho motora. Štúdia pre spoločnosť Forst & Sullivan poukázala na fakt, že za priaznivých okolností môžu byť Stirlingove motory na trhu skôr ako palivové články a to práve z dôvodu ich možnosti nasadenia ako viacpalivových zariadení (zemný plyn/iné palivo ako záloha) a jednoduchšej výrobe. KONFIGURÁCIA Existujú dva hlavné typy motorov Stirling, ktoré sa rozlišujú podľa toho, ako sa pohybujú vo vzduchu medzi teplou a studenou stranou valca: Dva piesty alfa typu konštrukcie piestov vo valcoch. Sú riadené nezávisle medzi teplou a studenou časťou piestu. Posunutie typológie Stirling motorov, známe ako beta a gama typ. Použité izolované mechanické prepúšťače posúvajú pracovné plyny medzi teplou a studenou stranou valca. Prepúšťač je dostatočne veľký k izolácii teplej a studenej strany aby mohol voľne premiestniť veľké množstvo plynu. Je treba mať dostatočný rozdiel medzi prepúšťačom a stenami fľaše, aby tok plynu okolo prepúšťača fungoval ľahko. ALFA STIRLING BETA STIRLING 26

29 ZÍSKAVANIE A TRANSFORMÁCIA ENERGIE PREMENA MECHANICKEJ ENERGIE NA ELEKTRICKÚ Transformácia mechanickej energie na elektrickú je zabezpečená prostredníctvom alternátora, ktorý následne dobíja akumulátory. Alternátor zabezpečuje aj reverzný proces, ktorý nastáva ráno keď sa stirlingov motor štartuje. Stirling potrebuje pomoc pri rozbiehaní sa. ALTERNÁTOR Alternátor je generátor, ktorý vyrába elektrický prúd. Ako alternátor, aj dynamo, patria do skupiny elektrodynamických zdrojov. V generátoroch sa premieňa kinetická energia na elektrickú energiu. Faradayov objav elektromagnetickej indukcie umožnil skonštruovať zariadenie, v ktorom možno získať elektrickú energiu na energetické účely. Tento spôsob výroby striedavého napätia a prúdu si vysvetlíme na príklade jednoduchého alternátora, v ktorom sa otáča vodivá slučka, prípadne cievka v homogénnom magnetickom poli. Cievka, alebo kotva, tvorí rotor generátora a permanentné magnety alebo elektromagnety, ktoré tvoria homogénne magnetické pole, nazývame stator. V energetike sa používa na výrobu elektrickej energie trojfázový alternátor. Trojfázové alternátory nachádzame vo väčšine elektrární. V elektrárňach bývajú alternátory zväčša spojené s hriadeľom hnacej turbíny. Celý agregát sa nazýva turboalternátor. Podľa druhu hnacej turbíny môžu byť turboalternátory vodorovné (v tepelných turbínach) alebo zvislé (väčšinou vo vodných turbínach). V atómových elektrárňach para, ktorá je zohriata teplom reaktora, putuje ku lopatkám turboalternátora a roztáča ho. Na tento istý princíp pracuje generátor aj v tepelných elektrárňach. Pri výrobe elektrickej energie sa využíva vnútorná energia pary. Vo vodných elektrárňach roztáča voda lopatky hydrogenerátora, ktorý poháňa alternátor. Pretože nemôžeme zaručiť, že sa alternátor bude točiť rovnomerne, tak bol skonštruovaný asynchrónny alternátor. Pretože frekvencia otáčania alternátora by mohla klesnúť pod 50 Hz (to by zapríčinilo veľké straty na sieti), pri točení mu pomáha mechanický prevod, alebo elektromotor, ktorý vykrýva tieto straty spôsobené nestálou rýchlosťou vody dopadajúcej na lopatky hydrogenerátora. Vo veterných elektrárňach sa alternátor nachádza vo veži veternej turbíny, ktorá je poháňaná energiou vetra. Trojfázový alternátor má dve hlavné časti. Stator je zložený z od seba navzájom izolovaných plechov, ktoré sú upevnené v kotve a majú tvar dutého valca, v drážkach sú uložené cievky pospájané tak, aby vzniklo trojfázové vinutie. Cievky sú vyrábané z medeného vodiča vysokej čistoty. Pri diagnostike sa kontroluje prúdová charakteristika, čiže prúd vo funkcii otáčok. 27

30 ÚSCHOVA A DISTIRBÚCIA ENERGIE Po získaní elektrickej energie premenou zo slnečného žiarenia nastáva ďalší krok - získanú energiu treba uskladniť. Na uskladnenie je ideálne využiť najnovšiu technológiu LiPo batérií. BATÉRIE Pre svoj produkt som si vybral Li-Poly batérie, ktoré sú zlomom v technológii uskladnenia napätia. Svojou životnosťou, rozmermi a cenou sú najvhodnejšou variantov pre môj produkt. Lítium iónové polymérové batérie sú dobíjacie batérie (sekundárne paralelne zapojených, na zvýšenie výkonu súčasnej kapacity. V porovnaní s lítium iónovou batériou, Li-poly má väčšiu životnosť. Avšak, v posledných rokoch, výrobcovia udávajú až 500 nabíjacích cyklov, aby kapacita klesla na 80% ( viď Sanyo ). Iný variant Li-Poly batérie poskytuje až nabíjacích cyklov. APLIKÁCIA Presvedčivou výhodou Li-poly článkov je, že výrobcovia môžu meniť tvar batérie takmer ako sa im zapáči, čo môže byť dôležité pre výrobcov mobilných telefónov neustále pracujúcich na menších, tenších a ľahších telefónoch.. Li-poly akumulátory sa tiež používajú tiež v PDA a prenosných počítačoch, ako napríklad Apple s MacBook family, Amazon s Kindle, Lenovo s Thinkpad X300 a Ultrabay batérie, sérieoqo z palmtopov, HP Mini a Dell produkty v D-Bay batériách. Môžu byť súčasťou aj malých digitálnych hudobných zariadení, ako sú ipody, Zunes a ďalších MP3 prehrávačov, ako aj Apple iphone, rovnako aj herných zariadení, ako je Sony Playstation 3.Sú vhodné hlavne do zariadení, kde je nutné použiť malé, ale energeticky bohaté batérie. KAPACITA Kapacita batérií sa vyjadruje v ampér hodinách (A h), alebo miliampér hodinách (ma h) ma / h batéria je rovnaká ako 1 A / h batéria: t.z., že bude dodávať elektrický prúd veľkosti 1 A po dobu 1 hodiny. C rating obyčajne spájaný s lítium iónovou batériou poukazuje na násobok kapacity batérie. Napríklad 1 A h, 20C batéria by mala byť schopná dodávať plynule 20 A bez poškodenia. Užitočný spôsob, ako vypočítať, ako dlho batérie vydržia aj pri veľkom zaťažení, je vynásobiť kapacitu v A h *60, aby sme získali ampér-minúty, takže 1 A h batéria je 60 ampér minútová batéria. Aby sme vypočítali koľko minút vydrží batéria, stačí vydeliť priemerným odberom prúdu, napríklad batéria 60 ampér- minút pri odbere prúdu 10A vydrží 60 / 10 = 6 minút. Jedna Ampér hodina sa rovná 3600 coulombov, t. j. štandardná jednotka pre veľkosť elektrického náboja v Medzinárodnej sústave jednotiek SI. Množstvo energie závisí od napätia. Napríklad batéria 10 A h s napätím 10 voltov by mala dodať náboj Coulombov (alebo 2, elektrónov), a 360 kj energie (360 kj = 100 W h). NABÍJANIE LiPoly batérie musia byť dôkladne dobíjané. Základný postup je dobíjanie konštantným prúdom, kým každý článok nedosiahne napätie 4,2 V. Nabíjačka potom musí postupne znižovať nabíjací prúd, aby sa v článku udržalo napätie 28

31 ÚSCHOVA A DISTIRBÚCIA ENERGIE 4,2 V a keď nabíjací prúd poklesne na 10% pôvodnej veľkosti, v tom okamihu je batéria na 100% nabitá. Rovnováha nabíjania jednoducho znamená, že nabíjačka monitoruje napätie jednotlivých článkov a všetky články sú nabité na rovnaké napätie. Nabíjanie by nemalo byť ukončené, kým napätie v článku nie je 4,2 V, pretože kapacita by dosiahla v tomto bode len 70% plnej kapacity. Je dôležité si uvedomiť, že nedostatočné nabíjanie nie je pre lítiové batérie prijateľné. Ale aj pri preťažení môže dôjsť k poškodeniu článkov. Väčšina výrobcov uvádza maximálne a minimálne hodnoty napätia 4,23 V a 3,0 V na článok. Ak akýkoľvek článok batérie bude mať napätie mimo limitu týchto hodnôt, zníži sa tým jeho kapacita a schopnosť dodávať stály prúd. Väčšina kvalitných lítium polymérových nabíjačiek používa kvôli bezpečnosti časovač nabíjania, a po uplynutom čase, obyčajne 90 minút, odpojí nabíjačku. DISTRIBÚCIA ENERGIE Distribúcia energie je zabezpečená pomocou medenej kabeláže. Nie je nutnosťou avšak s použitím prepojenia viacerých lámp sa dá zabezpečiť nielen ich komunikácia medzi sebou ale najmä sa dá využiť na dopĺňanie kapacity lámp s menším prístupom svetla. Respektíve sa dá zabezpečiť ich plné fungovanie napriek polohe v úplnom tieni a tým neobmedzene rozdistribuovať energiu práve tam kde je potrebná. Zvyšovanie efektivity prostredníctvom využitia počítačových sietí sa v poslednej dobe čoraz viac uplatňuje vo všetkých sférach produktového dizajnu, najmä z dôvodu ľahšej dostupnosti a kontroly. KOMUNIKÁCIA Komunikácia lámp zabezpečuje ľahší prístup a kontrolu údržby. Zároveň optimalizuje distribúciu a dobíjanie batérií v najbližšom okolí kde sa batérie nemajú možnosť dobíjať. Je dôležité pre optimalizovanie dobýjania batérií jednotlivých lámp a pre zabezpečenie plnej funkčnosti navrhnutého systému. Kde pomer zvýšenia nákladov k výslednému efektu funkčnosti sa ukazuje ako veľmi výhodný z dôvodu dlhodobej rentability projektu. 29

32 OSVETLENIE A SVIETIVOSt LED TECHNOLÓGIA Light-emitting diode (LED) je polovodičový svetelný zdroj. LEDky sa používajú ako indikátory v mnohých zariadeniach a čoraz častejšie sa využívajú na svietenie. Na trh boli uvedené ako praktický elektronický komponent v roku 1962, čoskoro sa LEDky zmenili z červených LEDiek z nízkou svietivosťou na moderne verzie zahrňujúce LEDky vyžarujúce neviditeľné ultrafialové a infračervené žiarenie s vysokým jasom. Luminiscenčná dióda alebo svetelná dióda je polovodičová elektronická súčiastka, ktorá vyžaruje úzkospektrálne svetlo, keď ňou prechádza elektrický prúd v priepustnom smere. Svietiaci efekt je následkom žiarivej rekombinácie elektrón-dierového páru a je formou elektroluminiscencie. Farba vyžarovaného svetla závisí od chemického zloženia použitého polovodičového materiálu. Prvú prakticky použiteľnú LED diódu vyvinul v roku 1962 kanadský vedec Nick Holonyak. Najlacnejšie sa vyrábajú infračervené diódy, po nich najlacnejšie svietivé sú červené. Zelené sú o cca 20% drahšie ako červené. Modré sú podľa výrobcu aj niekoľkonásobne drahšie ako červené avšak ich cena v poslednom čase prudko klesá. Ultrafialové (UV) LED LED, ktorých špička vyžarovacieho diagramu leží pod 420 nm sa nazývajú UV LED. Výrobné technológie (voľné patenty pre trh a z bezpečnostných dôvodov) nedovoľujú uvádzať UV LED s výkonom nad 10 mw. V predajniach je možné najčastejšie dostať UV LED s vlnovými dĺžkami nm a nm. Infračervené (IR) LED Vyžarovací diagram týchto LED má výkonovú špičku nad 680 nm. Keďže ľudské oko (zrenička nie je schopná prepustiť žiarenie s vlnovou dĺžkou nad nm) a v podstate celá fyziológia človeka je na IR žiarenie imúnna je možné zaobstarať IR LED s výkonmi aj vysoko nad 10 mw. Bežne sa predávajú IR LED s vlnovou dĺžkou nm a nm, ktoré sú vhodné ako zdroje IR žiarenia do diaľkových ovládaní. Svetlo týchto diod sa nedá pozorovať voľným okom, avšak dá sa pozrieť napr. cez digitálny fotoaparát, ktorý je na IR svetlo citlivý. Jednofarebné (monochromatické) LED Každá LED vyrobená iba z jedného druhu polovodiča má svoju charakteristickú vlnovú dĺžku, na ktorej emituje svetlo (danú prevažne šírkou zakázaného pásma polovodiča). Tuto vlnovú dĺžku je možné nastaviť pomocou použitého druhu polovodiča (t.j. pomerom obsahu jednotlivých prvkov - zložiek - polovodiča) a u niektorých polovodičov (GaN) aj zmenou obsahu dotovacieho prvku. Takto je možné vyrobiť LED s tým istým substrátom v širokom spektre vlnových dĺžok. Prakticky je možné vyrobiť LED vyžarujúce svetlo s vlnovými dĺžkami od 250 do nm. LED s jedinou výkonovou špičkou sa nazýva monochromatická LED. Spektrálna krivka vyžiareného svetla má v ich prípade tvar Gaussovej krivky, ktorá nie je širšia ako +/-25 nm. Monochromatické LED vyžarujú minimálne 90% celého žiarivého výkonu v rozmedzí maximálne +/-10 nm. Reálne LED ale nemajú úplne ideálny spektrálny diagram a u niektorých typov sa prejavujú aj sekundárne maximá na iných vlnových dĺžkach. Avšak tieto sekundárne maximá nepredstavujú ani 1% z celkového výkonu. 30

33 OSVETLENIE A SVIETIVOSt Existujú dva typy bielych LED (tzv. white LED). Biele LED RGB LED Prvý typ je poskladaný z troch monochromatických LED, ktoré emitujú žiarenie vo farbách: červená, zelená, modrá. Takýmto LED sa hovorí RGB LED (z angl. skratiek pre red, green, blue). Ich výnimočnosťou je možnosť regulovať výkony jednotlivých zložiek (jednotlivých monochromatických LED) a tak dosiahnuť nie len biele svetlo, ale aj celé spektrum farieb, v rozpätí okrajových zložiek RGB LED. Klasické LED vs. vysoko svietivé LED Bežná LED má žiarivý výkon hlboko pod 5 mw. Je to spôsobené tým že vznikajúce elektrón-dierové páry v P-N priechode v homogénnom polovodiči pri zvyšujúcom sa prúde majú tendenciu rekombinovať nežiarivo (t.j. menia svoju energiu na teplo), a priechod sa prehrieva. Týmto je obmedzená prúdová hustota na priechode, a keďže polovodiče, z ktorých sa LED vyrábajú, majú pomerne veľkú hustotu porúch, a teda kvôli výťažnosti a spoľahlivosti je obmedzená maximálna možná plocha čipu na niekoľko mm², je tým obmedzený aj celkový prúd čipom. Navonok to z elektrického hľadiska vyzerá tak, že limitujúcou fyzikálnou vlastnosťou je sériový odpor a strmosť V-A charakteristiky v otvorenom stave. Ak chceme LED prinútiť emitovať viac svetla, musíme zvýšiť napájacie napätie, čím sa zvýši aj prúd pretekajúci LED. Po prekonaní kritickej hodnoty prúdu dochádza k degradácii P-N prechodu a doslova k jeho pretaveniu v dôsledku vysokej teploty (viac ako 1000 C). Preto kvôli zvýšeniu výkonu LED boli vypracované technológie, ktoré ich posúvajú ďaleko za hranice 5 mw vyžarovaného výkonu. Na dosiahnutie vyšších výkonov sa používajú polovodiče s menšou strmosťou V-A charakteristiky a s rozmernejším P-N prechodom alebo paralelizáciou P-N prechodov agregovaných (vrstvené P-N prechody) na tom istom čipe. Ďalej sa konštruujú multi-p-n prechodové LED, ktoré síce na úkor zvýšenia napájacieho napätia zvyšujú výsledný výkon. Najpodstatnejšou zmenou je však použitie tzv. heteropriechodu (t.j. P a N vrstvy sú z rozdielnych polovodičov), u ktorého je možné dosiahnuť vyššiu tzv. injekčnú účinnosť, následkom čoho viac elektróndierových párov rekombinujúcich žiarivo než nežiarivo aj u veľkých prúdov. Dnes je možné zohnať LED s výkonom aj viac ako 1 W! LED, ktoré dosahujú svietivosť viac ako 100 mcd sa hovorí vysokosvietivé (ultrabright) LED. Použitie LED sa tradične používajú najmä ako indikátory, a ako zobrazovacie prvky v segmentových zobrazovačoch a bodových maticových zobrazovačoch (známe ako bežiace nápisy ). Známe je aj ich použitie vo veľkoplošných zobrazovačoch používaných na reklamné účely. V poslednom čase s nástupom vysokosvietivých LED sa začalo ich využívanie na osvetľovacie účely a v dopravnej svetelnej signalizácii (cestné semafóry, železničné návestidlá). Pre svoju dlhú životnosť a otrasuvzdornosť sa uplatňujú aj v automobiloch dokonca aj ako náhrada koncových brzdových či smerových svetiel. Riešenia v interiéroch ako náhrada žiaroviek je zatiaľ veľmi drahá. 31

34 OSVETLENIE A SVIETIVOSt PRIZMA A OPTIMALIZOVANIE SVETELNÉHO ROZPTYLU ODKLON SVETLA POMOCOU OHYBU Odklonom alebo ohybom svetla nazývame každé odchýlenie svetla z priamočiareho šírenia podmienené len vlnovou vlastnosťou svetla. Pre všetky fenomény ohybu sa k popisu používa vlnová teória. Všeobecná definícia ohybu znie: ohyb je vo všeobecnom zmysle taký fenomén, pri ktorom sa vlny v dôsledku odrazu alebo lomu nešíria priamočiaro, ale sú určitým spôsobom odklonené. Pomocou nových technologických možností a na podklade mikroštruktúr môže byť dnes využitý fenomén ohybu difrakčný. OPTICKÝ HRANOL V optike prizma (anglicky prism ) alebo optický hranol je priehľadný optický element s plochými leštenými povrchmi, ktoré lámu svetlo. Presné uhly medzi povrchmi závisia na použití. Tradičným geometrickým tvarom je triangulárny hranol s trojuholníkovou základňou a pravouhlými stranami, a v hovorovej reči prizma obvykle značí tento typ. Niektoré typy optickej prizmy fakticky nemajú tvar geometrického hranola. Prizmy sa typicky vyrábajú zo skla, ale môžu byť z ľubovoľného materiálu, ktorý je transparentný (priehľadný) pre vlnové dĺžky, pre ktoré boli zostrojené. 32

35 OSVETLENIE A SVIETIVOSt HID SAG LENS OPTIKA lampa 150 W, systém 190 W LED SAG LENS OPTIKA lampa 90, systém 102 W 33

36 FAKTORY VPLÝVAJÚCE NA ÚČ. SOL. zariadenia ČAS A MIESTO Množstvo dopadajúceho slnečného žiarenia sa mení v dôsledku relatívneho pohybu Slnka. Tieto zmeny závisia na dennom a ročnom období. Vo všeobecnosti platí, že najviac žiarenia dopadá na Zem na poludnie, kedy poloha Slnka na oblohe je najvyššia a cesta prechádzajúceho slnečného žiarenia cez atmosféru je najkratšia. Tým dochádza k najmenšiemu rozptylu a absorpcii žiarenia v atmosfére. Množstvo dopadajúcej energie sa mení počas roka a predstavuje napr. menej ako 0,8 kwh/m2 za deň počas zimy v Severnej Európe až po viac ako 4 kwh/m2 za deň počas leta v tomto regióne. Tento rozdiel sa zmenšuje pre regióny, ktoré ležia bližšie k rovníku, kde je intenzita žiarenia najvyššia. Tak napr. priemerná hustota dopadajúceho žiarenia dosahuje v Strednej Európe 1100 kwh/m2 v Strednej Ázii asi 1700 kwh/m2 a v niektorých afrických krajinách asi 2200 kwh/m2 za rok. Je evidentné, že geografické a sezónne rozdiely sú značné a musia byť brané do úvahy pri navrhovaní solárnych aplikácií (pozri tabuľku). Zmeny intenzity dopadajúceho slnečného žiarenia v niektorých oblastiach sveta (sklon povrchu 30 stupňov). Z hľadiska používaných technológií nižšia energetická hustota znamená väčšie nároky na plochu zariadení. To spolu s problémom časovo meniacej sa intenzity dopadajúceho žiarenia predstavuje hlavnú nevýhodu v porovnaní s fosílnymi palivami, kde je energia uskladnená vo vysoko koncentrovanej forme. Pohyb Slnka po oblohe počas roka na 40 stupni severnej zemepisnej šírky ORIENTÁCIA SLNEČNÝCH KOLEKTOROV ALEBO PARABOL Orientácia (sklon) slnečných kolektorov je veľmi dôležitá z hľadiska optimálneho zisku energie. Zemská atmosféra pohlcuje a odráža značnú časť slnečného žiarenia, pričom najväčší zisk je možné dosiahnuť na poludnie, keď je priame žiarenie najmenej ovplyvnené atmosférou. Slnečné kolektory sa v našich podmienkach orientujú priamo na juh. Odchýlka o 20 stupňov na východ resp. západ však nemá veľký vplyv na zisk kolektora. Slnečné kolektory vybavené natáčacím zariadením, ktoré sleduje pohyb Slnka po oblohe, získajú asi o 20 % viac energie ako tie, ktoré sú pevne nasmerované na juh. Tento dodatočný zisk však zvyčajne nevykompenzuje vyššie náklady na celé zariadenie, a preto je lacnejšie inštalovať o 20 % väčšie slnečné kolektory, ako investovať do natáčacieho zariadenia. Miestne poveternostné podmienky (ranné hmly, oblačnosť) je tiež potrebné zohľadniť pri orientácii slnečných kolektorov. Ak miestne podmienky nepredstavujú problém, ale stavba budovy neumožňuje orientovať kolektory priamo na juh, orientácia smerom na západ je výhodnejšia (vzhľadom na poobedňajšie vyššie teploty) ako orientácia smerom na východ, pretože kolektor bude mať nižšie tepelné straty pri vyššej vonkajšej teplote. Keďže poloha Slnka sa na oblohe počas roka mení, kolektory by mali mať taký sklon, aby zisk energie najviac vyhovoval potrebám. Sezónne zmeny intenzity slnečného žiarenia sú značné, a preto musia byť zohľadnené pre všetky aplikácie kolektorov. Sklon (uhol ktorý kolektor zviera so zemou) napr. 50 stupňov znamená o niečo lepšie výsledky v zime, avšak tiež nižší zisk v lete. Preto sú systémy kolektorov určených na vykurovanie miestností smerované predovšetkým s ohľadom na polohu Slnka 34

37 FAKTORY VPLÝVAJÚCE NA ÚČ. SOL. zariadenia na oblohe v zime. Kolektory určené napr. na ohrev vody v bazéne dosahujú najvyšší zisk, keď ich sklon je nižší a sleduje vysokú polohu Slnka na oblohe v lete. Aj v týchto prípadoch však platí, že straty v dôsledku odchýlky od optimálneho sklonu kolektora na ktorúkoľvek stranu je najlepšie možné vykompenzovať väčšou plochou kolektora. Zemská atmosféra sa otepľuje v dôsledku priameho slnečného žiarenia priamo a nepriamo rozptylom žiarenia vo vzduchu (tzv. difúzne žiarenie). Súčet oboch týchto zložiek predstavuje globálne žiarenie. Množstvo dopadajúceho žiarenia na konkrétnom mieste však závisí na viacerých faktoroch ako sú napr.:, zemepisná poloha, miestna klíma, ročné obdobie, sklon povrchu k dopadajúcemu žiareniu. OBLAKY Meniace sa atmosferické podmienky majú výrazný vplyv na množstvo dopadajúceho slnečného žiarenia na Zem. Je evidentné, že množstvo energie klesá s narastajúcou oblačnosťou a najlepšie slnečné podmienky sa nachádzajú v púštnych oblastiach s minimálnou oblačnosťou v priebehu roka. Miestne geografické pomery tiež ovplyvňujú tvorbu oblačnosti. Tak prítomnosť kopcov, oceánov a veľkých jazier znamená, že intenzita dopadajúceho slnečného žiarenia sa môže líšiť od susedných miest. Napríklad kopcovité oblasti vykazujú nižšiu úroveň slnečného žiarenia ako rovinaté oblasti. Súvisí to s tým, že v kopcoch sa tvorí väčšia oblačnosť ako na rovinách. Prímorské oblasti sa taktiež líšia z hľadiska intenzity žiarenia od oblastí položených ďalej od pobrežia. V našich podmienkach sa intenzita globálneho slnečného žiarenia môže napoludnie meniť od asi 1000 W/m2 počas jasného dňa (za mimoriadne výhodných podmienok to môže byť ešte viac) po menej ako 100 W/m2 počas zamračeného dňa. ZNEČISTENIE OVZDUŠIA Tak prírodné ako aj človekom spôsobené javy môžu ovplyvňovať intenzitu dopadajúceho žiarenia. Znečistenie vzduchu v mestách, dym z lesných požiarov, čiastočky popola z vulkanickej činnosti a iné javy znižujú túto intenzitu v dôsledku absorpcie a rozptylu. Tieto faktory majú veľký vplyv hlavne na priamu zložku slnečného žiarenia. Intenzita priameho slnečného žiarenia v oblasti silne znečisteného ovzdušia napr. smogom môže byť znížená až o 40 %, kým globálna intenzita žiarenia sa zníži o 15% to 25%. Silné vulkanické erupcie dokážu znížiť intenzitu priameho žiarenia aj vo veľmi vzdialených oblastiach o 2 % a globálneho žiarenia o takmer 10% počas 6 mesiacov po erupcii. Hoci vulkanický popol z atmosféry postupne vypadáva, jeho úplné odstránenie môže trvať niekoľko rokov. POTENCIÁL Potenciál slnečného žiarenia je z celosvetového pohľadu obrovský a pri nulových nákladoch na palivo poskytuje až krát viac energie, ako sa je každoročne vo svete spotrebuje. Všetci obyvatelia Zeme ročne spotrebujú asi 8,5 x 10E13 kwh komerčnej energie. Okrem toho tiež spotrebovávajú energiu, ktorá sa neobjavuje v energetických štatistikách (hlavne biomasa používaná v rozvojových krajinách). Podľa niektorých expertov táto nekomerčná energia sa môže na celkovej spotrebe podieľať až jednou pätinou. Ale aj keby bol tento príspevok započítaný do spotreby energie, aj tak by celková spotreba 35

38 FAKTORY VPLÝVAJÚCE NA ÚČ. SOL. zariadenia predstavovala jednu sedem tisícinu energie dopadajúcej na Zem zo Slnka. Aj v takých vysoko energeticky náročných krajinách ako je napr. USA ( ročná spotreba 2,5 x 10E13 kwh) je množstvo dopadajúcej slnečnej energie niekoľko stonásobne väčšie ako spotreba. V mnohých krajinách by stačilo pokryť menej ako 1 % územia (napr. strechy budov, nevyužité plochy) slnečnými technológiami, aby bol zabezpečený dostatok energie pre celú krajinu. Z praktického hľadiska však nie je logické, aby pri existencii iných obnoviteľných zdrojov energií bola energetická spotreba výlučne pokrývaná takýmito technológiami. Podstatné je, že aj v našich klimatických podmienkach je potenciál slnečnej energie obrovský, veď len energia dopadajúca na strechu budovy vo väčšine prípadov presahuje spotrebu energie v nej. Intenzita slnečného žiarenia u nás predstavuje asi 1100 kwh/m2 za rok, kým priemerná spotreba v obytných domoch je len asi 150 kwh/m2 na vykurovanie a kwh/m2 na chod elektrospotrebičov a na varenie. Z uvedeného vyplýva, že množstvo dopadajúcej slnečnej energie je až 5-krát väčšie alebo vyjadrené inak je postačujúce na pokrytie spotreby až 5-poschodovej obytnej budovy (merané v hodnotách na m2 horizontálneho povrchu). Hoci slnečná energia je z hľadiska celoročného priemeru dostatočná na pokrytie spotreby energie v mnohých domácnostiach, jej praktické využitie je obmedzené premenlivosťou intenzity žiarenia v priebehu roka a obmedzenou možnosťou skladovania energie. Bez ohľadu na nevýhody, dnes existuje dostatok možností a technických zariadení, ktoré sú schopné veľmi účinne premieňať slnečnú energiu tak na teplo ako aj elektrinu a to aj pri relatívne nízkych investičných nákladoch. Napr. pre jednoduché solárne systémy (kolektory) vychádza, že v našich podmienkach sú schopné bežne pokryť 60-80% spotreby teplej vody a 25-50% spotreby energie na kúrenie pre priemerný dom. Intezita slnečného žiarenia v kwh/m2/rok v SR Graf slnečnej krivky pre 40º severnej šíirky Polohový uhol Azimutový uhol 36

39 ann a lise MIESTA VYUŽITIA NA ZEMI Vďaka najnovším technológiám a precíznej príprave s využitím skúsenosti z predošlých projektov sa konečna účinnosť premeny slnečnej energie na elektrickú zvýšila až na 30%. To v konečnom dôsledku znamená, že využitie ANN A LISE čo sa tyká percentuálneho využitia plochy na zemi je veľmi široké. Rentabilné uplatnenie využiteľnosti tohto systému či už z ekonomickej alebo ekologickej efektívnosti sa pohybuje v rozmedzí hranice mierneho pásma so širšou orientáciou najmä na južnú pologuľu. Patrí sem veľké územie južnej Afriky a Austrálie a niektoré oblasti južnej a severnej Ameriky mimo mierneho pásma. Vďaka tomu, že stirlingov motor má nadimenzované optimálne chladenie pozdĺž veľkej časti tela lampy čerpá dostatočné množstvo energie aj v zimných mesiacoch, keď slnečné lúče nedopadajú tak kolmo na zemský povrch. Dôsledkom toho sa znižuje teplota získaná zo slnka. Pomocou hliníkového chladiča sa udrží dostatočný rozdiel teplôt v stirlingu, aby sa dosiahol potrebný výkon pre nabitie batérií. Chladič s valcom tak vytvárajú akési rekuperačné zariadenie. Kovová konštrukcia zabezpečuje pevnosť aj v extrémnych poveternostných podmienkach a plášť z penového hliníka chráni lampu pred poškodením vzniknutým vibráciami. 37