Slnečná energia je najdostupnejšia a najčistejšia forma obnoviteľnej energie ktorú môžeme získať. Počas dňa za bezoblačného počasia dopadne zo Slnka na zemský povrch v priemere 1000 W/m2. Celkovo tak na Slovensku za rok dopadne na vodorovnú plochu približne 950 – 1200 kWh na 1 m2. Existuje už mnoho princípov premeny slnečnej energie na inú formu energie, najčastejšie je to premena na elektrická a tepelnú energiu. Pri premene slnečnej energie na elektrickú rozlišujeme priamu a nepriamu premenu.

Princíp nepriamej premeny slnečnej energie

Princíp nepriamej premeny slnečnej energie na energiu elektrickú spočíva v premene energie Slnka na tepelnú energiu a následnú premenu pomocou vhodných zariadení na elektrickú energiu. Účinnosť nepriamej premeny slnečnej energie je vyššia ako pri fotovoltických systémoch, takže môžeme dosahovať vyššie výkony na jednotku plochy slnečnej elektrárne.

Na koncentráciu slnečného žiarenia sa používajú štyri základné typy [1]:

  • lineárne parabolické zrkadlá – koncentrujú slnečné žiarenie do rúrky, ktorá sa nachádza v ohnisku reflektora. V rúrke prúdi olej, ktorý sa zahrieva až na 400 °C a teplo je použité na výrobu pary a pre turbínu spojenú s elektrickým generátorom.
  • tanierové parabolické zrkadlá – koncentrujú slnečné žiarenie do absorbéra umiestneného v ohnisku taniera. Kvapalina (olej) sa tu zohreje na 650 °C a teplo sa využíva na výrobu pary pre malú parnú turbínu s elektrickým generátorom.
  • termálne solárne veže – okolo veže sú do kruhu rozložené zrkadlá ktoré sú natáčané vždy smerom k Slnku a koncentrujú slnečné lúče do zberača (kotol) umiestneného na veži. Teplota tu dosiahne vyše 1000 °C. Teplo je prostredníctvom termooleja privedené do parogenerátora, kde sa vyrába para pre pohon turbíny spojenej s elektrickým generátorom.
  • komínová slnečná elektráreň – princíp elektrárne spočíva v zachytávaní slnečnej energie v „skleníku“ uprostred ktorého je vysoký komín s turbínou. Vplyvom otepľovania vzduchu v skleníku sa vytvára vzduchové prúdenie, ktoré prúdi cez komín a tým poháňa elektrickú turbínu.

Lineárne parabolické zrkadlá

V potrubí prúdi kvapalina, ktoré pomocou zrkadiel Slnko ohrieva na takmer 400°C [6]. Kvapalina je prečerpávaná cez tepelné výmenníky, takže na konci uniká para s vysokou teplotou ktorá poháňa turbínu generátora vyrábajúceho elektrickú energiu. Potrubie v ohnisku parabolických zrkadiel je zo skla a celý systém je natáčaný smerom k slnku. Najväčší takýto systém bol postavený na začiatku 80.tych rokov a 1 z 9 zariadení malo výkon 13,8 MW. V roku 1990 boli dokončené ostatné s výkonom až 80 MW. Ako teplonosné médium sa používa olej. V dôsledku nízkych nákladov na prevádzku a údržbu sa solárne parabolické zrkadlá stali najlacnejšími a najspoľahlivejšími zariadeniami solárnej-termálnej výroby elektriny.

Obr.1 Lineárne parabolické zrkadlá. [2]

Tanierové parabolické zrkadlá

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° C, ktorá 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. Vysoká optická účinnosť a nízke straty energie robia z parabolických tanierov najúčinnejšie solárne zariadenia na výrobu elektriny.

Obr.2 Tanierové parabolické zrkadlá [2]

Termálne 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 teplo odoberá nielen na výrobu elektriny ale aj pre potreby priemyselných aplikácií. Teploty, ktoré sú dosahované v absorbátore sa pohybujú od 538° C do 1482° C.

Obr.3 Principiálna schéma solárnej vežovej elektrárne. [3]

Obr.4 Vľavo – solárna vežová elektráreň Solar Two, vpravo – detail ovládania zrkadiel [2]

Komínová slnečná elektráreň

Princíp slnečnej komínovej elektrárne spočíva v ohriatí vzduchu pod skleníkom. Slnkom zahriaty vzduch vytvára vzduchové prúdenie, ktoré stúpa cez komín smerom hore. Aby elektráreň mohla pracovať aj v noci, časť slnečného žiarenia ohrieva nádrže so slanou vodou, ktoré udržujú ťah vzduchu aj bez dopadu slnečného žiarenia. V súčasnosti je v Austrálii vo výstavbe komínová slnečná elektráreň, ktorá bude mať výkon 200 MW.

Obr.5 Vľavo – princíp komínovej slnečnej elektrárne, vpravo – celkový pohľad na elektráreň. [2]

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.

Princíp priamej premeny slnečnej energie

Fotovoltický článok alebo solárny článok je veľkoplošná polovodičová súčiastka, ktorá priamo premieňa slnečnú energiu na energiu elektrickú pomocou fotoelektrického javu. Fotovoltické články majú mnoho uplatnení. Používajú sa na napájanie malých zariadení (napr. kalkulačky, solárne hračky), v kozmickom priemysle a taktiež vo veľkom sa začínajú využívať v energetickom priemysle.

V súčasnosti je najvyužívanejší materiál na výrobu fotovoltaických článkov kremík. Táto surovina je štvrtá najpoužívanejšia surovina na svete. Na výrobu solárnych panelov sa však využíva približne len 1 % z tohto množstva. Používa sa v niekoľkých podobách ktoré závisia od použitej výrobnej technológie. Sú to tieto podoby: monokryštalický kremík, polykryštalický kremík, multikryštalický kremík a hydrogenizovaný amorfný kremík. Na výrobu fotovoltaických článkov sa tiež používajú iné prvky či zlúčeniny. Patrí medzi ne napr. arzenid gália, telurid kademnatý, sulfid kademnatý a v neposlednom rade rýchlo sa rozvíjajúce organické zlúčeniny.

Mechanická konštrukcia fotovoltických článkov

Aby sa dosiahlo vysokej životnosti, musia sa články chrániť pred ničivými vplyvmi okolitého prostredia [4]. Solárne články sa spravidla vkladajú do etylenvinylacetátovej (EVA) fólie. Predná strana sa navyše chráni vysoko priehľadným, špeciálne tvrdeným sklom, aby články boli chránené pred vetrom, dažďom, krupobitím a inými poveternostnými vplyvmi. Súčasne má sklo prepúšťať na článok čo najviac slnečného svetla. Zadná strana sa uzavrie viacvrstvovou, vysoko pevnou fóliou z umelej hmoty alebo druhou sklenenou doštičkou a priestor medzi sklami sa utesní.

Väčšina modulov sa pre zvýšenie stability a lepšiu manipuláciu opatrí kovovým rámom väčšinou z hliníka. V poslednej dobe sa vo väčšej miere začínajú používať bezrámové moduly (tzv. lamináty), pretože sa dajú racionálne montovať a okrem toho možno vynechaním rámu ušetriť materiál, a tak ušetriť energiu pri výrobe a tým pádom aj náklady. Okrem štandardných modulov sa vyrábajú aj flexibilné moduly a to najmä pre kempovanie a karavany. Vďaka kvalitnému spracovaniu je dnes trvanlivosť solárnych modulov natoľko dobrá, že výrobcovia môžu dávať záruky na zachovanie výkonu v rozmedzí 5 až 25 rokov.

Obr.6 Mechanická konštrukcia solárneho modulu s rámom: 1. hliníkový rám, 2.tesnenie, 3. tvrdené sklo, 4. fólia EVA, 5. fotovoltický článok, 6. Vodotesná fólia z umelej hmoty [5]

Zvyšovanie účinností fotovoltických modulov

Priehľadné kontakty – odvod elektrického prúdu zo spodnej vrstvy fotovoltického článku (spodný kontakt nepredstavuje problém, ale zberné kontakty (mriežka) na vrchnej strane ale zatieni určitú časť dopadajúceho žiarenia. Jednou z možností je použiť priehľadné elektricky vodivé vrstvy (spravidla oxidy cínu)

Obojstranné moduly – dobrá možnosť ako zvýšiť množstvo žiarenia dopadajúce na p-n prechod fotovoltického článku, je použiť obojstranné fotovoltické panely a nechať svetlo dopadať z oboch strán. Pokiaľ je panel nainštalovaný napr. bielej, alebo striebornej streche, je množstvo žiarenia dopadajúceho zo zadnej strany dostatočné, zvýšenie produkcie je okolo 30%. Takéto panely sa dobre uplatnia v spojení so zrkadlovým koncentrátorom a stojanom umožňujúcim natáčanie za Slnkom.

Natáčanie modulov za Slnkom – významné zvýšenie dennej produkcie elektriny (až 30%) možno dosiahnuť montážou fotovoltických panelov na pohyblivú konštrukciu, ktorá sleduje Slnko a zaistí trvalý kolmý dopad slnečného žiarenia v priebehu dňa.

Solárny generátor

K produkcii väčšieho výkonu, ako je možné dosiahnuť s jedným FV modulom, je možné prepojiť medzi sebou niekoľko FV modulov a tak vytvoriť solárny generátor (elektráreň). Tieto moduly je možné zapojiť sériovo (pre zvýšenie napätia), či paralelne (pre zvýšenie prúdu), alebo použiť kombináciu oboch zapojení.

Pri menších izolovaných zariadeniach sa moduly zapájajú spravidla paralelne, pretože systémové napätie je dané bežným napätím akumulátorových batérií 12V.

Ak je potrebné vyššie napätie ako napätie FV modulov, musí sa niekoľko modulov zapojiť do série. To je prípad najmä zariadení pripojených na verejnú rozvodnú sieť, pri ktorých sa z dôvodov prúdového obmedzenia pracuje s napätím niekoľko stoviek voltov. Niekoľko modulov zapojených do série sa nazýva reťazec alebo „string“. Pri sériovom zapojení niekoľkých modulov je napätie reťazca rovné súčtu napätí jednotlivých modulov a prúd reťazca sa rovná prúdu jedného modulu.

Použitá literatúra:

(1)   http://www.elektrarne.qsh.sk/ine_solarne.htm

(2)   http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k23.htm

(3)   http://www.seas.sk/encyklopedia/elektrina-sposob-vyroby/slnecna-elektraren/

(4)   Henze, A., Hillebrand, W.: Elektrický proud ze Slunce. 1.vyd. Ostrava: HEL, 2000. 136 s. ISBN 80-86167-12-7

(5)   http://www.neosolar.cz/userfiles/image/eva%20folie%202.jpg

(6)   http://www.elektrarne.qsh.sk/ine_solarne.htm