Pre samosprávy, ktoré vsadili na inteligentnú energetiku

Energia zo slnka

 

Všeobecné informácie
Pasívne využívanie slnečného žiarenia
Termické využívanie slnečného žiarenia
    Príprava teplej vody
    Vykurovanie a ohrev vody
    Solárne variče
Fotovoltaické využívanie slnečného žiarenia
    Ostrovné systémy
    Hybridné systémy
    Solárne elektrárne

 

Všeobecné informácie

Slnečná energia je hnacím motorom života na Zemi. Ohrieva povrch Zeme, oceány a atmosféru, vytvára vietor, spôsobuje odparovanie vody, poháňa vodné toky, dodáva životnú energiu a ich prostredníctvom aj živočíchom. Zo slnečnej energie pochádzajú aj fosílne palivá a ostatné obnoviteľné zdroje energie – veterná a vodná aj energia biomasy.

slnecne_ziarenieZemská atmosféra sa otepľuje v dôsledku priameho slnečného žiarenia priamo a nepriamo rozptylom žiarenia vo vzduchu (tzv. difúzne žiarenie). Množstvo dopadajúceho žiarenia na konkrétne miesto na Zemi však závisí od viacerých faktorov (zemepisnej polohy, denného času, počasia, ročného obdobia, sklonu povrchu k dopadajúcemu žiareniu, atď.)

Každý rok dopadne zo Slnka na Zem asi desaťtisíckrát viac energie, ako ľudstvo za toto obdobie spotrebuje. Slnečná energia, ktorá dopadne na územie Slovenska, je asi 200-krát väčšia oproti spotrebe všetkých primárnych energetických zdrojov u nás.

Energia, ktorá v našich zemepisných podmienkach dopadá na plochu 1 m2, má hodnotu 1000 - 1250 kWh/rok (to je asi 5 GJ). Pri 100-percentnej účinnosti využitia takéhoto množstva energie by sa dala z plochy 3 x 3,3 metra pokryť celá ročná spotreba tepla a teplej vody priemernej domácnosti na Slovensku. Aj keď v praxi sa absolútna účinnosť nedá dosiahnuť, uvedené čísla presvedčivo naznačuje potenciál ukrytý v slnečnej energii.

typy_ziarenia

Slnko je teda obrovský, nevyčerpateľný a takmer všade dostupný zdroj energie. Napriek tomu sa na Slovensku stále využíva iba veľmi nedostatočne. Pritom technológie na premenu slnečnej energie na teplo alebo elektrinu sú na trhu bežne k dispozícii, ich inštalácia je jednoduchá a rýchly technologický rozvoj tlačí ceny solárnych zariadení dole. Vďaka relatívne malým vplyvom využívania slnečnej energie na životné prostredie a klímu v porovnaní s inými spôsobmi získavanie energie sa zvyšuje verejná podpora pre solárne zariadenia.

V bežnej praxi existujú tri základné spôsoby využitia slnečnej energie: pasívne, termické a fotovoltaické. Každý z nich má veľa podôb v závislosti od účelu využívania slnečnej energie a použitých technológií.

 

Pasívne využívanie slnečného žiarenia

Vhodným architektonickým riešením budov je možné nielen maximálne využiť dopadajúce slnečné žiarenie, ale získanú energiu aj skladovať a distribuovať v interiéri. Tzv. pasívna solárna architektúra využíva rôzne technológie a materiály s cieľom zohrievať (resp. chladiť) a osvetľovať priestory budov. Integruje tradičné stavebné prvky (kvalitnú izoláciu, dobre izolujúce okná), orientáciu a umiestnenie budovy, dispozičné riešenie a rozmiestenie interiérových prvkov tak, aby sa dosiahol maximálny energetický účinok.

Pasívny dom spotrebuje v porovnaní s klasickým objektom asi desaťkrát menej tepla na vykurovanie. Vďaka tomu nepotrebuje klasickú vykurovaciu sústavu, ale počas väčšiny roka si vystačí s tepelnými ziskami od osôb, spotrebičov, slnečného žiarenia, tepla vznikajúceho pri vnútornej prevádzke a podobne. Pasívny dom má niekoľko charakteristických znakov:

  • dobrý architektonický návrh
  • kompaktný tvar bez zbytočných výčnelkov
  • južná orientácia presklených plôch
  • vynikajúce zasklenie
  • nadštandardná tepelná izolácia a vzduchotesnosť domu
  • dôsledne eliminované tepelné mosty
  • regulácia vykurovania využívajúca tepelné zisky
  • strojové vetranie s rekuperáciou tepla
  • klasický vykurovací systém môže úplne chýbať
  • potreba energie na vykurovanie je max. 15 kWh/m2.rok

pasivnedomy_graf  

Energetické potreby a ich pokrytie - platí sa iba za červený stĺpec. Zdroj: EkoWATT

 

Termické využívanie slnečného žiarenia

Klasickým spôsobom využívania slnečnej energie je zohrievanie vody slnkom. Zariadenia, ktoré sa pre takéto účely používajú, sa nazývajú slnečné kolektory. Sú to jednoduché zariadenia s dlhou životnosťou a vyžadujú si minimálnu údržbu. Iným typom zariadení využívajúcim slnečné žiarenie, sú solárne variče.


Príprava teplej vody

Princíp výroby tepla v solárnom zariadení je jednoduchý. Vyžiarená slnečná energia sa v kolektore premení na teplo a zohreje nemrznúcu kvapalinu, ktorá ho potrubím pomocou cirkulačného čerpadla prenesie do výmenníka tepla. Ohriata kvapalina odovzdá vo výmenníku teplo studenej vode a ochladená tečie znovu späť do kolektora. Priemerná hodnota slnečného žiarenia na strednom Slovensku je asi 1 150 kWh/m2.rok. To stačí na efektívnu prevádzku solárneho zariadenia, ktoré môže vyrábať teplo buď na prípravu teplej vody alebo aj na podporu vykurovania interiéru.

Až 75 % ročného slnečného žiarenia dopadne na Zem od apríla do septembra. Ak toto žiarenie zachytíme, získame z neho teplo na prípravu teplej vody na 60° C počas minimálne 6 mesiacov v roku. Vo zvyšnom čase je treba vodu zohrievať alebo dohrievať napríklad centrálnym kúrením alebo v bojleri. Takto sa dá vyrobiť asi 70 % tepla na prípravu teplej vody v bežnom rodinnom dome. Pre 4-člennú domácnosť úplne stačí solárne zariadenie, ktoré tvorí 5 až 6 m2 plochých kolektorov alebo 4 m2 vákuových kolektorov a 200 až 300 l solárny bojler. Životnosť zariadenia je najmenej 25 rokov a počas tohto obdobia sa dá ušetriť až 60 000 kWh a 25 ton emisií CO2.

schema4_ohrevTUV


Náklady na kúpu a inštaláciu jednoduchej kompletnej solárnej sústavy na prípravu teplej vody s 2 kolektormi, ktorá počas 7 až 9 mesiacov v roku pokryje dennú spotrebu 200 litrov teplej vody, sú asi 2 400 EUR  (vrátane DPH). Takýto systém sa počas svojej životnosti zaplatí asi 3-krát, pretože za „palivo“ (slnečné žiarenie) netreba platiť.


Vykurovanie a ohrev vody

Solárne zariadenia na prípravu teplú vodu a vykurovanie miestností zásobujú na jar a na jeseň dom teplom a v zime podporujú vykurovací systém (napr. kotol). To výrazne šetrí výdavky, palivo aj emisie. Pritom sa kombinuje solárne zariadenie s vykurovacím systémom (kotlom, pecou, atď.) a akumulačným zásobníkom. Pre priemerný rodinný dom so 130 m2 obytnej plochy je treba asi 15 až 20 m2 plochých kolektorov a solárny zásobník s objemom asi 1 500 l. Počas svojej životnosti vyrobí takéto solárne zariadenie 100 - 120 000 kWh energie (25 až 30 % spotreby tepla) a ušetrí až 50 ton emisií CO2.

schema5_ohrevTUVvyk

Náklady na kúpu a inštaláciu takejto jednoduchej kompletnej solárnej sústavu na prípravu teplej vody a prikurovanie s 5 kolektormi, ktorá zabezpečí v priebehu v priebehu 7 až 9 mesiacov v roku teplú vodu pre 4 až 6 osôb a vo vykurovacom období podporuje vykurovací systém, sú približne 5 000 EUR (vrátane DPH). Takýto systém sa počas svojej životnosti zaplatí 2 až 3-krát.

Termické solárne systémy sú vhodné na výrobu tepla nielen pre rodinné domy a verejné budovy, ale aj pre ohrievanie vody v bazénoch, pre poľnohospodárske a potravinárske objekty, objekty na sušenie dreva, sena alebo iných plodín.


Solárne variče

Antropológovia považujú za jeden z najvýznamnejších míľnikov vo vývoji človeka „ovládnutie ohňa“ – teda to, že sa naši predkovia naučili využívať oheň (jeho vysokú teplotu) na tepelnú úpravu potravín. Jej podstatou je schopnosť tepla štiepiť zložité a dlhé organické molekuly (cukry a bielkoviny) na jednoduchšie, kratšie, a teda lepšie stráviteľné molekuly. Vďaka tomu dokážeme z toho istého množstva varenej potravy získať oveľa viac živín ako zo surovej (niektorú potravu by sme bez tepelného spracovania vôbec nemohli jesť – napr. neuvarená fazuľa je pre človeka jedovatá).

Výrazne účinnejšie využívanie výživných látok a energie z potravín umožnilo rast mozgu – orgánu, ktorý je veľmi náročný na spotrebu kalórií. Našim predkom umožnila aj venovať oveľa viac času iným činnostiam – napr. zdokonaľovaniu nástrojov alebo sociálnej komunikácii, ktorá urýchľovala rozvoj reči. Naši najbližší živočíšni príbuzní – šimpanzy a gorily – potrebujú denne oveľa viac času na žuvanie a jedenie potravy ako my. Na získanie toho istého množstva živín a energie jej musia požuť a stráviť oveľa viac.

Schopnosť variť je teda pre život ľudí zásadne dôležitá. Zo zákonov optiky vieme, že dosahovať vysoké teploty a variť môžeme aj bez ohňa a palív. Ak poznáme princíp a postup, stačí nám vhodný materiál, aby sme vedeli energiu slnečného žiarenia v jednoduchom zariadení – solárnom variči – skoncentrovať do hrnca s potravinami.

  • Výkon variča (a rýchlosť varenia) určuje najmä veľkosť odrazovej plochy. Intenzita poludňajšieho slnečného žiarenia je v lete asi 1 kW/m2 a maximum dosahuje medzi 10:00 a 14:00 (rýchlovarná kanvica má príkon asi 2 kW). Ak je odrazová plocha príliš malá, neočakávajte rýchle varenie, ani nevarte väčšie objemy jedla alebo vody.
  • Solárne varenie je síce pomalšie ako varenie na ohni alebo elektrine. Ale nevyžaduje si vás pri varení – ráno môžete postaviť hrniec na varič a poobede máte uvarené. Oveľa jednoduchšie je aj umývanie hrncov.
  • Solárne varenie je účinné vtedy, keď váš tieň je kratší ako výška. V zásade teda môžete variť dve jedlá denne (obed a večeru).
  • Dbajte na správne umiestnenie variča – „pohyb“ tieňov budov a stromov počas dňa môže vaše varenie prerušiť alebo spomaliť.

K štiepeniu molekúl potravy na lepšie stráviteľné kratšie reťazce nepotrebujeme tak vysoké teploty, ako vznikajú pri horení napríklad dreva alebo plynu. K denaturácii niektorých bielkovín dochádza už pri teplote okolo 70 °C – vtedy je štiepenie molekúl síce pomalšie a varenie trvá dlhšie, ale je možné. Koncentračné solárne variče však dokážu bežne vyrobiť aj teploty vyššie ako 200 °C, čo stačí nielen na varenie a dusenie potravín, ale dokonca aj na ich pečenie a grilovanie.


Využitie solárnych varičov

V rozvojových krajinách – napr. v Afrike s dostatkom slnečného žiarenia počas roka – umožňujú tieto lacné a dostupné technológie chudobným ľuďom šetriť peniaze a zároveň znižujú potrebu rúbať dreviny kvôli získavaniu paliva na varenie. To je dôležité nielen pre zabezpečenie výživy populácie, ale aj pre ochranu lesov a stromov v suchých oblastiach.

Solárne variče majú praktické využitie aj v našich zemepisných šírkach. Dajú sa dobre využiť nielen pri kempovaní, na dovolenkách, aj na bežné varenie doma. Treba iba poznať zásady solárneho varenia. Napríklad, na rozdiel od konvenčného varenia (na ohni) vám jedlo väčšinou neprihorí, a tak obsah hrnca nemusíte vôbec miešať. Solárne varenie zväčša nepotrebuje vodu (alebo len málo). Voda obsiahnutá v mäse, zelenine či zemiakoch na ich uvarenie stačí. Nižšie teploty síce predlžujú čas varenia, ale takéto varenie uchováva v potrave väčšinu vitálnych zložiek (vysokými teplotami pri tradičnom varení sa ničia). Varenie urýchlite, keď do hrnca dáte menšie množstvo potravín a pokrájate ich na menšie kúsky. Čím väčšiu „hmotnosť“ v hrnci varíte, tým viac energie a času potrebujete na jej uvarenie.

Existujú rôzne druhy solárnych varičov. Najrozšírenejšie sú krabicové, koncentračné a panelové variče.


Krabicové variče

Základ tvorí izolovaná krabica s čiernym vnútorným povrchom a preskleným vrchom, do ktorej sa vkladá čierny hrniec na varenie. Ak je horné presklenie dvojité, varič bude mať väčší výkon a „vyrobí“ vyššie teploty na varenie. Vďaka preskleniu okolo hrnca v krabici neprúdi vzduch a neochladzuje ho. Takýto varič sa ešte môže doplniť zrkadliacimi plochami, ktoré zo strán sústreďujú slnečné žiarenie do priestoru krabice.

Výhody:

  • využívajú priame aj nepriame (difúzne) slnečné žiarenie a preto ich počas varenia netreba otáčať za slnkom
  • väčší vnútorný priestor krabice umožňuje variť vo viacerých nádobách súčasne
  • sú ľahké a prenosné
  • jednoduchá obsluha – nevyžadujú časté otáčanie podľa zmeny polohy slnka
  • nenáročná konštrukcia, ľahko sa dajú vyrobiť svojpomocne

Nevýhody: menší výkon znamená nižšie varné teploty – nedá sa na nich piecť ani grilovať


Koncentračné variče

Koncentračné (reflexné) solárne variče odrážajú lesklým povrchom parabolického reflektora slnečné žiarenie koncentrovane do svojho ohniska, do ktorého sa vkladá čierny hrniec. Podľa zakrivenia paraboly môže byť ohnisko buď vnútri reflektora alebo mimo neho.

Zrkadliacim povrchom reflektora môže byť leštená kovová (hliníková) parabola alebo viac malých plochých zrkadiel pripevnených na parabolickom povrchu. Reflektor sa vkladá do stojana, ktorý umožňuje ľahko natáčať reflektor za slnkom. V ohnisku paraboly je držiak na stabilné položenie hrnca.

Výhody:

  • veľký výkon, a tým aj skrátenie doby varenia
  • umožňujú aj pečenie potravín a grilovanie
  • sériovo vyrábané výkonné solárne variče sú skladné, ľahké a rýchlo zmontovateľné (1 min.)

Nevýhody:

  • keďže reflexné variče využívajú len priame slnečné žiarenie, treba ich natáčať za slnkom (raz za pol hodinu); aj malá oblačnosť výrazne znižuje ich výkon
  • zaobchádzanie s reflexným varičom si vyžaduje istú skúsenosť
  • vysoké teploty môžu znepríjemniť manipuláciu s hrncom (oslepenie, popálenie)

Panelové variče

solar3Sú konštrukčne najjednoduchšie. Dobre sa prenášajú a skladujú. Ich výkon veľmi ovplyvňuje vietor, takže hrniec je treba vložiť do priesvitného vrecka alebo fólie na pečenie, ktoré odolávajú vysokým teplotám.

 
Svojpomocná výroba

Kvalitný parabolický koncentračný solárny varič je pomerne drahý. Takýto varič s výkonom 700 W sa dá kúpiť asi za 400 až 500 eur.

Ale solárny varič si môžete vyrobiť s takmer nulovými nákladmi aj sami a rýchlo. Na ich výrobu môžete využiť materiál, ktorý doma alebo u susedov nájdete alebo bez problémov zoženiete. Svojpomocne vyrobené variče síce nebudú tak elegantné ani výkonné ako kúpené a poskytnú o niečo menej pohody pri varení, ale môžu byť aj tak veľmi užitočné.

Na výrobu jednoduchého krabicového variča potrebujete dostatočne veľkú a hlbokú krabicu (z dreva, plastu alebo kartónu), ktorú zvnútra oblepíte hliníkovou fóliou alebo podobným reflexným materiálom. Zvnútra oblepte aj jej horné veko (ak má) – to zostane počas varenia otvorené a mierne sklonené tak, aby odrážalo lúče na pokrievku hrnca. Na dno krabice položte drevenú dosku alebo hranolčeky tak, aby bol hrniec trochu vyššie a bližšie k ohnisku krabice (drevo tiež odizoluje krabicu, ktorá by sa mohla od horúceho hrnca poškodiť). Pri varení krabicu zhora prekryte plochým sklom alebo priesvitnou fóliou na pečenie, ktoré zabránia „vetraniu“ vo variči.

Pri výrobe koncentračného variča postupujte podľa niektorého návodu dostupného na internete, v ktorom sú aj presné rozmery paraboly a jej ohniska. Musíte byť presní, lebo potrebujete sústrediť čo najviac slnečných lúčov do ohniska reflektora. Na zhotovenie reflektora potrebujete kartón z jednej alebo viac veľkých krabíc, hliníkovú fóliu (napr. alobal), lepidlo (na väčšie plochy stačí pomaly schnúce lepidlo na tapety a na lepenie kartónov, kde musia byť spoje odolné a musia rýchlo zaschnúť, môžete použiť Herkules). Okrem toho budete potrebovať materiál na výrobu stojana a držiaka na hrniec.

Výborným zdrojom informácií sú napr. portály www.solarcooking.org/plans/ alebo http://solarcooking.wikia.com/wiki/Category:Solar_cooker_plans. Podobne si môžete nájsť návod na výrobu panelového solárneho variča.

Zadovážte si vhodné tmavé hrnce s tmavými priliehajúcimi pokrievkami a naučte sa obsluhovať varič a zistite si, ako slnko „cestuje“ na mieste, kde chcete variť.

Fotovoltaické využívanie slnečného žiarenia 

Fotovoltaické systémy zabezpečujú priamu premenu svetelného žiarenia na elektrinu v tzv. fotovoltaických článkoch. Tieto články sa vyrábajú z polovodičových materiálov na báze kremíka. Účinnosť premeny slnečnej energie na elektrinu v bežne dostupných článkoch sa pohybuje okolo 10 ať 15 %, v laboratórnych článkoch však už prekročila 20 %. Fotovoltaické články možno spájať do rôznych modulov, z ktorých sa dajú poskladať aj veľké slnečné elektrárne. Inštalovaný výkon najväčšej slnečnej elektrárne v kalifornskej Carrisa Plain je 5 MW.

Fotovoltaický článok pracuje na fyzikálnom princípe toku elektrického prúdu medzi dvoma prepojenými polovodičmi s rozdielnymi elektrickými vlastnosťami, na ktoré dopadá svetelné žiarenie. Sústava článkov vytvára modul alebo panel, ktorý je vzhľadom na svoje elektrické vlastnosti zdrojom jednosmerného prúdu. Tento prúd využíva časť jednoduchých elektrických zariadení (napr. prenosné elektrospotrebiče na batérie). Väčšina bežných elektrospotrebičov však potrebuje striedavý prúd, aký dodáva verejná distribučná sieť. Preto tam, kde sa vyžaduje striedavý prúd, je potrebné zaradiť do fotovoltaického systému menič napätia, ktorý z jednosmerného prúdu vyrába striedavý.

Fotovoltaické články sú perspektívnou a výhodnou alternatívou ku klasickým palivám. Fotovoltaický článok premieňajúci svetlo na elektrinu nemá žiadne pohyblivé časti. To zvyšuje jeho spoľahlivosť a výrazne znižuje nároky na údržbu a prevádzku. Fotovoltaické články sú schopné vyrábať elektrinu v každom dennom počasí (ich výkon pri čiastočne zatiahnutej oblohe dosahuje 80 % maximálneho výkonu a pri úplne zatiahnutej oblohe počas dňa 30 %).

Fotovoltaické systémy boli v minulosti ekonomicky výhodné najmä tam, kde by inak bolo potrebné predĺžiť sieť elektrického vedenia (odľahlé miesta, oblasti bez elektrického vedenia, elektrické ploty na farmách, pohon cirkulačných zariadení vody alebo klimatizačných jednotiek, kozmické lode a satelity a podobne). Vzhľadom na akútnu potrebu nahrádzať fosílne palivá čistými zdrojmi energie, ktoré neemitujú skleníkové plyny a neznečisťujú ovzdušie a vďaka odstráneniu časti deformácií trhu s energiami, sa však fotovoltaické systémy stávajú konkurencieschopné a ich používanie začína byť masové.

Kremíkové články Bežná účinnosť
[%]
Max. laboratórna účinnosť
[%]
Energetický zisk
[kWh/m2/rok]
Monokryštalické 14 – 17 25 176
Polykryštalické 13 – 16 20 154
Amorfné 5 – 7 
 
12 88

Zdroj: EkoWATT


Výkon panelov sa vyjadruje hodnotou tzv. špičkového výkonu (Wp). Watt je jednotka používaná na vyjadrenie schopnosti zariadenia generovať prúd alebo tiež vyjadruje schopnosť spotrebovávať prúd nejakým elektrickým zariadením. 1 Wp je výkon zariadenia pri intenzite slnečného žiarenia 1000 W/m2 dopadajúceho na článok pri nominálnej teplote 25 °C. Tieto podmienky sú dosiahnuté pri dobrom počasí v čase, keď sa Slnko nachádza v najvyššom bode na oblohe. Bežný fotovoltaický článok veľkosti 10 x 10 cm s účinnosťou 10 % dokáže za jasného a slnečného dňa na Slovensku vyrobiť 1 Watt elektrickej energie. Takéto články sa montujú do panelov, v ktorých sú navzájom poprepájané a chránené skleneným krytom. Čím väčšia je plocha panelu a intenzita žiarenia, tým väčší prúd nimi tečie.

Panely s rozmermi 100 x 40 cm majú bežný špičkový výkon 40 až 50 Wp. Veľkú časť dňa je však intenzita slnečného žiarenia nižšia ako 1000 W/m2 a okrem toho fotovoltaický panel sa tiež zohrieva nad nominálnu teplotu. To znižuje výkon panelu. Pre typické podmienky strednej Európy sa dá očakávať priemerný denný zisk 6 Wh (2000 Wh za rok) z každého Wp. Pre porovnanie: 50 W žiarovka spotrebuje 5 Wh za 6 minút (50 W x 0,1 hod. = 5Wh); malé prenosné rádio so spotrebou 5 W spotrebuje to isté množstvo energie za jednu hodinu (5 W x 1 h =  5Wh).

Podľa spôsobu využitia sa fotovoltaické systémy rozdeľujú do ostrovné, hybridné systémy a solárne elektrárne.


Ostrovné systémy

Dodávajú elektrinu vyrobenú vo fotovoltaických článkoch do vzdialených alebo izolovaných objektov, ktoré nie sú pripojené k rozvodnej sieti. Podľa toho, koľko a akej elektrickej energie si spotrebiče umiestnené v zásobovanom objekte vyžadujú, sa do takéhoto systému navrhujú batérie s regulátormi dobíjania a menič napätia.

FV_ostrov


Hybridné systémy

Pozostávajú z kombinácie slnečných článkov a iných zdrojov energie napr. z elektrickej rozvodnej siete alebo z dieselových alebo veterných generátorov prúdu.

FV_grid



Solárne elektrárne

Sú to sústavy článkov pripojených na sieť elektrického vedenia. Vyrobenú elektrinu dodávajú priamo do siete.

FV_elektraren 
 

 

 
 

energoplan3