Pravda o sluneční energii

Sluneční energie (sluneční záření, solární radiace) představuje drtivou většinu energie, která se na Zemi nachází a využívá. Vzniká jadernými přeměnami v nitru Slunce. Vzhledem k tomu, že vyčerpání zásob vodíku na Slunci je očekáváno až v řádu miliard let, je tento zdroj energie označován jako obnovitelný.

Na zemský povrch však dopadá kromě přímého záření i tzv. difuzní záření, které je vlastně zbytkovým zářením po průchodu atmosférou, rozptýlené atmosférickými plyny, aerosoly a oblačností. Součet těchto obou radiačních toků (vztažené na jednotku horizontální plochy) se nazývá globální záření a představuje celkový příkon sluneční energie na zemský povrch.

Mezi projevy sluneční energie na Zemi tak patří:

• Energie fosilních paliv, která vznikla v dávné minulosti z rostlinné nebo živočišné biomasy
• uhlí
• ropa
• zemní plyn
• Energie větru - lišící se intenzita ohřevu jednotlivých částí planety vyvolává větrné proudění. Vítr může navíc vyvolávat na vodní hladině vznik vln.
• Energie biomasy, vzniklá přeměnou sluneční energie na energii chemických vazeb v organických sloučeninách fotosyntézou. Sem patří nejen energetické využití biomasy při spalování, ale i potravní využití živočichy (konzumenty).
• Vodní energie, kde sluneční energie představuje hybnou sílu pro koloběh vody.
• Teplo, které je většinou projevem ztrát při energetických přeměnách
• Nepřeměněné elektromagnetické záření Slunce, o které bude řeč v tomto článku.
• Sluneční vítr - proud elementárních částic a jader helia ze Slunce

Mezi projevy sluneční energie na Zemi nepatří:

• Geotermální energie a její projevy (tato energie pochází z období vzniku Země a sluneční soustavy - vzniká jaderným rozpadem a působením slapových sil)
• termální prameny
• projevy posunu litosférických desek - zemětřesení, sopečná činnost, vlny tsunami
• teplotní ohřev hlouběji položených míst (v praxi je využíván tepelnými čerpadly)
• Energie gravitačních sil, především kinetická energie soustavy Měsíc - Země - Slunce, projevující se jako příliv
• Energie atomových jader, vznikající při radioaktivním rozpadu prvků těžších než železo nebo naopak slučování prvků lehčích
• Energie kosmického záření, pocházející ze zdrojů mimo sluneční soustavu

Sluneční energie je energií elektromagnetického záření. Spektrum slunečního záření lze rozdělit na:

• záření ultrafialové (vlnová délka pod 380 nm)
• záření viditelné (vlnová délka 380 až 780 nm)
• záření infračervené (vlnová délka přes 780 nm)

Viditelné záření tvoří asi 45 % dopadajícího záření, přičemž jeho podíl je vyšší při zatažené obloze (může dosáhnout až 60 %). V rostlinné fyziologii se používá též pojem fotosynteticky aktivní záření, což je záření o vlnových délkách přibližně odpovídajících viditelnému záření (většinou se udává rozsah 380 - 720 nm).
Příkon záření dopadajícího na povrch zemské atmosféry činí 1 373 W/m2[1]. Toto množství se nazývá solární konstanta. Ve skutečnosti není konstantní, neboť oběžná dráha Země kolem Slunce je eliptická, a to způsobuje kolísání ve velikosti solární konstanty přibližně 3 % (asi 40 W/m2). Malé změny solární konstanty jsou též spjaty s cykly sluneční aktivity, ty ale dosahují maximálně desetin procenta.

Část záření je pohlcena atmosférou. Pohlcení se týká ovšem jen některých vlnových délek:

• prakticky celé nejkratší části ultrafialového záření (do vlnové délky 290 nm je pohlceno zcela, od 290 do 320 nm zčásti) - pohlcuje ozónová vrstva
• vybraných vlnových délek infračerveného záření (pohlcení především oxidem uhličitým a vodou)

Ve viditelné oblasti je pohlcení jen částečné a závisí na síle vrstvy atmosféry, kterou musí záření projít. Při stejné výšce slunce nad obzorem se tedy větší pohlcení odehrává v rovníkových oblastech, naopak menší v polárních oblastech a na horách. Pohlcení v polárních oblastech je ovšem zároveň zvětšeno tím, že sluneční paprsky pronikají do atmosféry pod ostrým úhlem a musí tak proniknout delší vrstvou.

V našich podmínkách činí globální radiace na vodorovném povrchu:

• v letním poledni max. 1 000 až 1 050 W/m2
• v zimním poledni max. 300 W/m2
• při souvisle zatažené obloze max. 100 W/m2
• v noci (při úplňku) max. 0,01 W/m2

Teoreticky může být hodnota krátkodobě i přes 1 100 W/m2, a to pokud jsou na obloze rozptýlená světlá oblaka, od nichž se záření silně odráží.

Slunečním svitem lze označit interval mezi východem a západem slunce, kdy je intenzita toku přímého slunečního záření na plochu kolmou k paprskům vyšší než 120 W/m2

V praxi se energie rozděluje na teplou a studenou, přičemž za teplou energii považujeme:

• Energii z fosilních paliv,
• Jadernou energii,

tzn. energii, která vzniká vyčerpáním energie z jiného zdroje, který se tím spotřebovává.

Za studenou energií naopak považujeme například:

• Větrnou energii,
• Sluneční energii,
• Vodní energii,

tzn. energii, která vzniká využitím uvedených zdrojů, bez toho, aniž by se spotřebovávaly.

Účinnost přeměny slunečního záření na elektřinu umožňuje získat se současnými solárními systémy z jednoho metru aktivní plochy cca 100 kWh elektrické energie za rok. V našich podmínkách je ve srovnání se současnými klasickými zdroji elektrická energie ze solárních systémů však stále ještě podstatně dražší.

Technologie slunečních elektráren však má teoreticky neomezený růstový potenciál a vyspělé státy s ní do budoucna počítají. Celosvětový meziroční nárůst výroby solárních panelů se po roce 2000 pohybuje okolo 35 %. Celkový instalovaný výkon slunečních elektráren na světě byl v roce 2010 přes 30 000 MW. Z téměř 90 % se na tomto čísle podílely Německo, Japonsko a Spojené státy.

Podíl fotovoltaiky na celkové produkci elektrické energie ve světě představuje však pouze asi 0,01 %.

Princip sluneční elektrárny

Elektrickou energii lze získat ze sluneční energie různými způsoby, přímo a nepřímo.

Přímá přeměna využívá fotovoltaického jevu, při kterém se v určité látce působením světla (fotonů) uvolňují elektrony. Tento jev může nastat v některých polovodičích (např. v křemíku, germaniu, sirníku kadmia aj.). Fotovoltaický článek je tvořen nejčastěji tenkou destičkou z monokrystalu křemíku, použít lze i polykrystalický materiál. Destička je z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (např. bóru), z druhé strany atomy pětimocného prvku (např. arzenu). Když na destičku dopadnou fotony, záporné elektrony se uvolňují a zbývají kladně nabité "díry". Přiložíme-li na obě strany destičky elektrody a spojíme je vodičem, začne protékat elektrický proud. Jeden cm2 dává proud okolo 12 mW (miliwattů). Jeden metr čtvereční slunečních článků může dát v letní poledne až 150 W stejnosměrného proudu. Sluneční články se zapojují bud' za sebou, abychom dosáhli potřebného napětí (na jednom článku je 0,5 V), nebo vedle sebe tak, abychom získali větší proud. Spojením mnoha článků vedle sebe a za sebou vzniká sluneční panel.

Nepřímá přeměna je založena na získání tepla pomocí slunečních sběračů. V ohnisku sběračů umístíme termočlánky, které mění teplo v elektřinu. Termoelektrická přeměna spočívá na tzv. Seebeckově jevu (v obvodu ze dvou různých drátů vzniká elektrický proud, pokud jejich spoje mají různou teplotu). Jednoduché zařízení ze dvou různých drátů spojených na koncích se nazývá termoelektrický článek. Jeho účinnost závisí na vlastnostech obou kovů, z nichž jsou dráty vyrobeny, a na rozdílu teplot mezi teplým a studeným spojem. Větší množství termoelektrických článků vhodně spojených se nazývá termoelektrický generátor.