SLUNCE A ELEKTŘINA

Bez elektřiny si už vůbec neumíme život představit. Zdrojem užívané elektrické energie jsou většinou fosilní paliva (především uhlí) tedy dávná sluneční energie zachycená fotosyntézou. Ale i ve vodních a větrných elektrárnách je zdrojem sluneční energie, nepřímo skrytá v síle vodních toků a větrů. Elektřinu lze získat ze sluneční energie různými způsoby, přímo i nepřímo.

1. Přímá přeměna využívá fotovoltaického jevu. Je to jev, při kterém se v látce působením světla (fotonů) uvolňují elektrony. Tento důležitý jev může nastat v některých polovodičích (např. křemíku, germaniu, sirníku kadmia aj.) Fotovoltaický článek je tvořen nejčastěji tenkou destičkou nařezanou z monokrystalu křemíku. Lze použít i polykrystalický materiál, neboť získání monokrystalu je pracné a nákladné. Destička je z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (např. bóru) a z druhé strany atomy pětimocného prvku (např. arzenu). Když na destičku dopadnou fotony, uvolňují se záporné elektrony a po nich zbývají kladně nabité "díry". Přiložíme-li na obě strany destičky elektrody a spojíme je drátem, začne protékat elektrický proud. Jeden cm2 dává proud kolem 12 mW (miliwattů). Jeden m2 slunečních článků může dát v letní poledne až 150 W stejnosměrného proudu. Sluneční články se zapojují bud' za sebou (sériově), abychom dosáhli potřebného napětí (na jednom článku je 0,5 V), nebo vedle sebe (paralelně), abychom získali větší proud. Spojení mnoha článků vedle sebe a za sebou se nazývá sluneční panel. Na družicích nebo kosmických lodích dodávají potřebnou energii pro všechny přístroje na palubě právě takové panely.

Člověk přeměňuje energii slunečního záření v jiné potřebné formy energie, a to buď přímo (vlnovka), nebo nepřímo (čáry). Sluneční záření můžeme měnit v energii chemickou, tepelnou, elektrickou a mechanickou.

2. Nepřímá přeměna je založena na získání tepla. Teplo získáváme snadno pomocí slunečních sběračů. V ohnisku sběračů umístíme termočlánky, které mění teplo v elektřinu. Zmiňme se o přímých přeměnách tepla v elektřinu: termoelektrické a termoemisní. Termoelektrická přeměna spočívá na tzv. Seebeckově jevu. V obvodu ze dvou různých drátů vzniká elektrický proud, jestliže jejich spoje mají různou teplotu. Takové 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. Teplo pro zahřívání teplého spoje se získává hořením fosilních paliv nebo z radioaktivních látek či ze slunečního záření. Při využívání slunečního záření se teplý spoj umístí v ohnisku fokusačního sběrače. Studený spoj může být ve vodě či v půdě.

Fotovoltaické elektrárny

Na plochu velikou 1 m2 a vodorovně položenou dopadá u nás přibližně 1200 kWh sluneční energie za rok. Na stejně velkou plochu nad zemskou atmosférou a postavenou kolmo ke slunečním paprskům dopadá ročně 12 000 kWh, tedy 10x více než k nám. V kosmickém prostoru se nestřídá den a noc, nejsou žádná oblaka, sluneční záření není ničím zeslabováno. Napadá nás proto otázka, zda by bylo možné sbírat sluneční záření mimo zemskou atmosféru, přeměnit je tam v elektrickou energii a tu pak posílat na povrch Země.

Geostacionární družice se slunečními články ve výšce 36 000 km nad Zemí oběhne naší planetu přesně za 24 hodin.

Kam v prostoru umístit takovou sluneční elektrárnu, aby nespadla na Zemi nebo neodletěla pryč do vesmíru? Ve výšce 200 km je rychlost družice 8 km/s. Zemi oběhne jednou za půldruhé hodiny. Nás zajímá, v jaké výšce oběhne družice Zemi právě za 24 hodiny. Vypočteme, že je to ve výšce 36 000 km nad zemským povrchem. To znamená, že ve výšce 36 000 km oběhne družice Zemi za 24 hodiny - to je za stejnou dobu, za kterou se Země otočí lx kolem své osy. Umístíme-li tedy družici do vzdálenosti 36 000 km nad zemský rovník, bude stále nad stejným místem, jako by tam "visela". Takové družici se říká geostacionární (tj. stojící nad určitým bodem zemského povrchu). Umělé družice jsou ve stavu beztíže a to má dvojí význam: umělá družicová elektrárna může mít velikost mnoha kilometrů čtverečných a lze ji snadno natáčet tak, aby byla stále kolmo ke slunečním paprskům. Družicová elektrárna nebude konstruována na Zemi, ale v kosmickém prostoru ve stavu beztíže, ve výšce nad 200 km a odtud pak bude vynesena do vzdálenosti 36 000 km nad rovník. Při konstrukci družicové elektrárny bude tedy celé "staveniště" i s materiálem a montéry létat kolem Země v beztížném stavu, neboť jen tak se dají zkonstruovat rozsáhlé panely pro fotovoltaickou přeměnu. Dopravu materiálu na oběžnou dráhu bude zajišťovat raketoplán. Družicových elektráren je plánováno několik. Navržené panely mají rozlohu 5 km x 12 km, tedy 60 km2. Na sluneční články panelů bude dopadat sluneční záření 60 000 000 m2 x 1,4 kW/mz = 84 000 000 kW, a to ve dne v noci. Tato družicová elektrárna by měla vyrábět elektřinu ze slunečního záření koncem tohoto desetiletí a v té době bude už pravděpodobně účinnost fotovoltaických článků přes 20 %. Celkový výkon obou panelů dohromady by tedy byl 16 000 000 kW ve formě stejnosměrného proudu. Stejnosměrný proud z panelů se bude měnit na decimetrové rádiové vlny, které budou vysílány směrem k Zemi. Decimetrové vlny snadno procházejí atmosférou i oblaky. Na Zemi bude energie decimetrových vln zachycena přijímací anténou a přeměněna ve střídavý proud rozváděný normální sítí. Po všech přeměnách by z původních 84 milionů kW záření mělo být v síti na Zemi 10 000 000 kW. Pro srovnání uveďme, že přibližně 7 takových družic by mohlo zcela krýt veškerou energetickou potřebu našeho státu.

Palivový článek.

Palivový článek

   Elektřinu lze získávat ze slunečního záření také přes energii chemickou. Nakonec i klasické tepelné elektrárny využívající uhlí představují způsob, jak chemickou energii uhlí (tj. fosilní energii sluneční) změnit v teplo a teplo v elektřinu. Chemickou energii můžeme však měnit přímo v elektřinu například tak, že pomocí slunečního záření rozložíme vodu na vodík a kyslík. Tím se původní energie záření uskladní jako energie chemická do obou plynů. Při slučování obou plynů tj. při okysličování vodíku vzniká opět voda. Nahromaděná energie se přitom uvolní bud jako teplo (při hoření), nebo jako elektrický proud (v palivovém článku). Palivový článek je měnič, ve kterém se energie chemická mění v energii elektrickou. Na rozdíl od ostatních elektrochemických článků (primárních, jako je baterie do svítilny, a sekundárních, jako je akumulátor), palivový článek dostává látky a katalyzátor, aby mohl pracovat. Na obrázku je znázorněn vodíko-kyslíkový článek. Z jedné strany se do něho přivádí vodík, z druhé kyslík. Vzniklá voda je odváděna z článku pryč. Elektrony, které odevzdává vodík katodě, se pohybují vnějším obvodem ke kyslíkové anodě, kde je přebírá kyslík. To je tedy elektrický proud získaný z energie chemické.

Na vodorovně umístěnou plochu jednoho metru čtverečního v našich krajinách dopadá za rok více než 1 000 kWh sluneční energie. Obrázek znázorňuje podrobné rozložení po republice. Údaje jsou v MWh. Nejvíce slunečního záření dopadá na jižní Moravě.

Palivové články budou pravděpodobně důležitým zdrojem elektrické energie v budoucnosti. Představují uskladněnou sluneční energii a lze je získávat v neomezeném množství. Účinnost palivových článků je vysoká (až 90 %), zatímco generátory elektráren na fosilní paliva dosahují pouze 35 % účinnosti. Provoz palivových článků je čistý, neboť jejich produktem je voda.
Palivové články pracují zcela bezhlučně, jelikož neobsahují žádné pohyblivé části. Pomocí palivových článků lze získávat elektřinu pro domácnost (s výkonem 12 kW). Vyrábějí se však už baterie mnoha palivových článků s výkonem až 13 000 kW (užívají se zejména v astronautice).

Sluneční tepelné elektrárny

Sluneční tepelná elektrárna je zařízení, ve kterém se mění sluneční záření na elektrickou energii ve velkém měřítku. Sluneční tepelná elektrárna je vlastně obyčejná tepelná elektrárna, která potřebné teplo získává přímo ze slunečního záření. Za tím účelem je kotel sluneční elektrárny umístěn na věži v ohnisku velkého fokusačního (ohniskového) sběrače. Sluneční záření se soustřeďuje na kotel zvaný absorbér pomocí mnoha otáčivých rovinných zrcadel - tzv. heliostatů. V kotli se získává horká pára, která pak pohání turbínu, turbína pohání generátor a generátor dává elektrický proud - tedy jako v obyčejné tepelné elektrárně.