TEPLO ZE SLUNEČNÍ ENERGIE

 

Měli bychom si především připomenout, že teplo je pohybová (kinetická) energie molekul. Sluneční záření se mění v teplo velmi snadno: světelný paprsek je v podstatě velmi rychle kmitající elektrická a magnetická síla. Při dopadu na hmotu (např. černý plech) elektrická síla světla rozkmitá její molekuly - jinými slovy - zahřeje ji. Tomuto procesu přeměny světla v teplo se říká absorpce (pohlcení) záření a černému plechu se říká absorbér. Čím více záření se pohltí, tím rychleji kmitají molekuly a tím více se absorbér zahřívá. Avšak nejen černý plech, ale celá planeta Země je obrovským absorbérem slunečního záření. Přeměna v černém plechu je však dokonalejší, neboť přemění téměř všechno dopadající záření. Naopak Země jako celek absorbuje jen 2/3 dopadajícího slunečního záření. Černá barva má proto při přeměně sluneční energie v teplo významnou roli ve všech zařízeních, o nichž se zmíníme.

Skleník

Nejjednodušším zařízením, ve kterém se mění sluneční záření v teplo, je skleník. Skleník má dvě důležité vlastnosti:

  1. ohřátý vzduch z něho nemůže uniknout;
  2. sklo nepropouští tepelné záření (tj. infračervené záření) ze skleníku ven.

Vzniká skleníkový jev. Teplo takto získané se používá nejen v zahradnictví, ale i na mnoha jiných místech, kde je třeba teplý vzduch, olej, voda či jiná tekutina. Používá se k sušení ovoce, obilí, burských oříšků, dřeva apod. Pomocí skleníkového jevu se slunečním zářením ohřívá voda pro domácnost, vytápějí se byty, čerpá se voda ze studní atd.

Na horním obrázku je skleník účelně využívající   "šikmého" jarního a podzimního sluníčka. Stěny jsou tepelně izolovány, vnitřní plochy severních stěn jsou černé. Skleník je zapuštěn do svahu, aby ztráty ochlazováním byly co nejmenší. Konstrukci je vhodné vybavit sklápěcí zateplovací deskou. Sklon jižního skla je přibližně 56°. Dolní obrázek ukazuje nevhodně postavený skleník. V předjaří a na podzim, když je slunce nízko nad obzorem, většina paprsků dopadajících na skleník prochází bez "tepelného efektu" severní stěnou.

Ohřívače na vysokou teplotu (páru). Tok záření dopadající na kolektor lze zesílit zrcadly.

Sluneční ohřívač vody

Teplo ze slunečního záření lze velmi účinně využít i k ohřevu vody v domácnostech, v zemědělství apod. Tím se ušetří značné množství energie zvláště pak v období od jara do podzimu. Někde již tyto ohřívače fungují. Můžete si je vyrobit i sami doma. Základním prvkem je tzv. sběrač (kolektor) slunečního záření. Účelem sběrače je ohřívat vzduch, vodu či jinou látku pomocí slunečního záření. Sluneční sběrač má 5 hlavních částí:

   1) Absorbér je nejdůležitější, neboť v něm probíhá přeměna záření na teplo. Je to obvykle černá plechová deska (z hliníku, mědi, železa apod.). Materiál i černý povrch má vydržet vyšší teploty.
   2) Schránka sběrače (např. bedna), v níž jsou umístěny všechny části sběrače. Může být z prken, překližky nebo z plechu. Musí být pevná a těsná, aby teplý vzduch zevnitř neunikal. Nemá být příliš těžká.
   3) Krycí materiál, který musí propouštět co nejlépe sluneční záření k absorbéru. Někdy se užívá fólie, která je sice levná a lehká, ale propouští infračervené záření absorbéru ven. Vhodnější je sklo, které působí skleníkový jev. Krycí materiál má být pevný, musí vydržet vysoké teploty a má být upevněn tak, aby nepraskal.
    4) Izolace, která vystýlá dno a 4 úzké boky sběrače. Je vhodná skelná vata, rotaflex, polyuretan a různé pěnové materiály, které snesou vyšší teploty (polystyren není vhodný). Izolace chrání absorbér, aby z něho neunikalo teplo vedením.

Pro vyšší teploty použijeme parabolický válec, v jehož ohnisku je černá trubka.

5) Pracovní látka, která přebírá teplo z absorbéru a přenáší je k využití. Jako pracovní látka slouží vzduch, voda, olej ( i "vyjetý" z auta), nemrznoucí směs. U sběračů s vodou se na zimu musí přidat fridex. Ohřátá voda se vede ze sběrače do zásobní nádoby. Zásobní nádoba je umístěna nad sběračem. Voda, která se ve sběrači ohřeje, je lehčí a stoupá do zásobní nádoby a na její místo proudí chladnější. Tomuto způsobu oběhu vody v ohřívači se říká oběh samotíží. Voda takto obíhá a ohřívá se do té doby, pokud teplo přijímané sběračem ze Slunce je větší než ztráty tepla z celého ohřívače ( to je ze zásobní nádoby, z přívodního potrubí a ze sběrače). Jak je patrné z obrázku, jsou dvě možná uspořádání ohřívače vody: v prvém případě dostaneme ohřátou vodu ze zásobní nádoby tak, že připouštíme vodu studenou: ze zásobní nádoby nahoře přetéká horká voda, kterou potřebujeme. V druhém případě je zásobní nádoba pouze výměníkem tepla, jako pracovní látku v rovinném sběrači lze použít nemrznoucí směs, olej apod. Toto uspořádání je vhodné zejména pro zimní období. V rovinných ohřívačích obyčejně zahřejeme kapalinu na teploty od 30 až do 80 stupňů C.

Méně často se k ohřívání vody používá komolý kužel

Dosažená teplota závisí na tom, zda je jasno nebo oblačno, na množství dopadajícího záření, na teplotě okolního vzduchu, na větru, na izolaci sběrače, akumulační nádoby a spojovacích trubek, na těsnění a pokrytí sběrače, na selektivním povrchu absorbéru, na velikosti sběrače, na druhu zapojení (vedle nebo za sebou) a na množství ohřívané vody.

Sluneční sušička

Ve sběrači můžeme ohřívat vzduch. Absorbér (černý plech) bývá zvlněn, takže v průřezu vypadá jako zuby od pily. Ohřívač vzduchu je základním článkem ve sluneční sušičce. Každá sluneční sušička má nejméně jeden ohřívač vzduchu. Nejjednodušší sušička je samotný ohřívač, do něhož se naskládá sušený produkt. Vysoušení nastává jednak teplým vzduchem, jednak přímým slunečním zářením. Dokonalejší je sušička, která sestává z více ohřívačů vzduchu, ze kterých se ohřátý vzduch vede do sušicí komory. Sušicí komora je uzavřený prostor se síty, na kterých je rozložen produkt k sušení. Horký vzduch z ohřívačů odebírá vlhkost, ochlazuje se a sestupuje dolů. Jeho vlhkost, tj. množství páry v 1 m3 vzduchu, přitom vzrůstá. Při dodatečném ochlazení na spodku sušicí komory se vlhkost vysráží jako voda, která se pak odstraní. Chladný vzduch proudí zpět do ohřívače vzduchu, kde se ohřívá. Tím klesne jeho relativní vlhkost a horký vzduch pak proudí opět do sušicí komory, aby nabral novou vlhkost atd. Sušení probíhá samovolně (samotíží), neboť chladný vzduch je těžší, takže klesá dolů, a horký lehký vzduch stoupá nahoru.

Sušička je buď otevřená, nebo uzavřená. Otevřená je jednodušší a pracuje dobře za pěkného slunečného počasí. Uzavřená sušička je náročnější, ale pracuje za každého počasí.

Sluneční stěna

Ohřívačů vzduchu lze využít i k jednoduchému vytápění bytů, chat apod. K tomu slouží např. francouzská sluneční stěna, zvaná též Trombeho stěna. Absorbérem je celá jižní stěna domu, která je černá a matná, aby dobře pohlcovala sluneční záření. Před stěnou je sklo, obyčejné okenní tabule, zasazené do dřevěné (kovové) mříže. Chladný vzduch proudí otvorem dole při podlaze místnosti před zahřátou stěnou. Stykem se stěnou se ohřívá a stoupá nahoru. Nahoře při stropu místnosti je další otvor, kterým teplý vzduch vniká do místnosti. Předává své teplo, ochladí se, klesne k podlaze a otvorem je znovu vyváděn mezi stěnu a sklo. Ohřívání probíhá samovolně (samotíží) a není potřeba žádných větráků. Pohlcené sluneční záření z poloviny zahřívá vzduch a druhá polovina se uchovává ve stěně jako teplo. Vyhřívání pokračuje od teplé stěny ještě celou noc. V létě by nám mohlo být v domku s Trombeho stěnou nepříjemně teplo. Proto se záklopkou uzavře otvor u stropu a tím se uvolní otvor ven. Horký vzduch stoupá a uniká otevřeným otvorem ven. Na jeho místo proudí do místnosti chladný vzduch otvorem v severní stěně. Severní stěna je ve stínu, často je u ní zahrada, kde je vzduch nejen chladný, ale i svěží. Dům s Trombeho stěnou se v létě nejen nepřehřívá, ale naopak je jednoduchým způsobem klimatizován. Na základě dlouholetých zkušeností s Trombeho stěnou lze říci, že v jižní Francii uspoří celoročně asi 1/2 spotřeby paliva. I u nás by tento jednoduchý, bezpečný a automatický způsob slunečního vytápění mohl uspořit část paliva, i když ne tolik jako v jižní Francii.

Schéma kombinace slunečního a klasického (v tomto případě pomocného) topení v jednoduchém slunečním aktivním domě. 1) sluneční kolektor, 2) čerpadlo, 3) akumulace tepla, 4) pomocné topení, 5) topné těleso.

Sluneční dům

V rodinném domku se spotřebuje za rok asi 60 - 80 metrických centů uhlí. Z něho se uvolní během hoření přibližně 30 milionů kcal, což je přibližně 35 000 kWh nebo 126 000 MJ. Z mapky rozložení sluneční energie České republiky (obrázek na str. 5) zjistíme, že na 1 m2 dopadá u nás za rok více než 1000 kWh. Na střechu našeho domu dopadne za rok celkem 80 - 100 tisíc kWh slunečního záření (podle velikosti střechy a podle oblasti, kde žijeme). Kdybychom jen polovinu dopadajícího záření přeměnili na teplo, stačilo by nám na celoroční topení. Domek, ve kterém se topí nebo alespoň přitápí sluneční energií, se jmenuje sluneční dům. Už je jich po celém světě mnoho tisíc a začínají se stavět i u nás. Je zajímavé, že i ve Skandinávii, kde mají méně slunečního záření než my ve střední Evropě, mají se slunečními domy dobré zkušenosti. Je však potřeba mít na paměti, že potřebujeme nejvíce tepla právě v zimě, tedy v době, kdy k nám dopadá nejméně slunečního záření. Jsou tu dvě možnosti, jak vyřešit tento nedostatek. Nejlépe by bylo nasbírat hodně sluneční energie v době, kdy je dostatek slunečního záření, abychom ji pak mohli využívat v době nepříznivého počasí.

Domy vyhřívané po celý rok sluneční energií opravdu existují. Avšak uschovávání (akumulace) tepla na delší dobu je nákladné a nemáme s ním zatím mnoho zkušeností. Jinou možností je přitápění fosilními palivy.
   Teplo pro sluneční dům se obvykle získává pomocí rovinných sběračů umístěných na jižním svahu střechy. Horká voda se skladuje (akumuluje) ve velké cisterně, dobře izolované a uložené ve sklepě. Vodní oběh je nucený, tzn. poháněný čerpadlem, protože zde nemůže pracovat samospád jako u ohřívače vody. Pro topení však můžeme odebírat teplou vodu z cisterny samospádem, jak pochopíme z obrázku. U nás asi budeme nejprve stavět jednoduchý typ slunečního domu. To znamená, že sluneční energií budeme jen přitápět - tak ušetříme palivo.

Sluneční vařič a sluneční pec

Pomocí otočného parabolického zrcadla (slunečního vařiče) lze dosahovat vysokých teplot..

Dosud jsme hovořili o rovinných sběračích. Užívají se na ohřev vody a vzduchu. U rovinných sběračů absobér pohlcuje záření, tak jak na něj dopadá. Dosažená teplota v rovinných sběračích je 30 °C - 80 °C, ve výjimečném případě až 150 °C. Teplo při takové teplotě nazýváme nízkopotenciální. Druhou skupinu slunečních sběračů tvoří různé druhy sběračů fokusačních. Fokus (ohnisko) je místo, kde se soustřeďují paprsky a kde je umístěn absorbér. Ve fokusačních sběračích je absorbér vždy menší než sběrač. U některých sběračů je pouze 2x menší, ale u velikých fokusačních sběračů zvaných sluneční pec je absorbér několiktisíckrát menší. Tomuto číslu, které udává, kolikrát je plocha absorbéru menší než plocha sběrače, se říká fokusační poměr. U rovinných sběračů je tedy fokusační poměr 1 a u slunečních pecí je několik tisíc. Fokusační sběrače se musí natáčet za Sluncem, aby soustředěné záření padalo stále na absorbér. Naopak rovinné sběrače využívají i rozptýleného slunečního záření, za Sluncem se zpravidla neotáčejí a pracují i tehdy, když je Slunce za oblaky. Fokusační sběrače se nejčastěji užívají k vaření - odtud název sluneční vařič. Takový vařič je vlastně parabolické zrcadlo, v jehož ohnisku je umístěna nádobka na vaření (kotlík). Zrcadlo může být uděláno ze sklolaminátu a jeho vnitřní stěna se polepí staniolem (hliníkovou fólii, alobalem). Vařič se otáčí kolem osy, která je rovnoběžná se zemskou osou. Otáčením vařiče kolem osy dosáhneme toho, že sluneční paprsky po odrazu od zrcadla stále dopadají na kotlík. Vaření pomocí slunečního vařiče se osvědčuje všude tam, kde není po ruce jiný zdroj energie, např. v pouštích Středního východu, na menších ostrovech, v horách atd. Sluneční vařič můžeme užívat jen tehdy, když slunce svítí. Pro zajímavost voda na kávu se v něm uvaří asi za 10 minut, kilo rýže asi za půl hodiny.

Sluneční pec v Pyrenejích.

Sluneční pec

Největší fokusační sběrače se nazývají sluneční pece. Je to velké parabolické zrcadlo o průměru několika metrů až desítek metrů. Parabolické zrcadlo pece je nehybné. Je otočeno vždy k severu (na severní polokouli). Jedno nebo několik rovinných zrcadel zvaných heliostaty se otáčí za Sluncem. Každý heliostat se otáčí automaticky za Sluncem tak, aby paprsky od něho odražené směřovaly vždy k jihu, to znamená na parabolické zrcadlo. Od parabolického zrcadla se všechny paprsky odrážejí do ohniska pece, které se nachází uvnitř uzavřeného prostoru. Tím se zamezí ztrátám tepla. Ve světě bylo vybudováno několik slunečních pecí (např. v Japonsku, Francii, SSSR, USA). Nejznámější je sluneční pec, kterou vybudoval profesor Trombe v městečku Odeillo v Pyrenejích. Na svahu je umístěno celkem 63 heliostatů, které odrážejí sluneční paprsky k parabolickému zrcadlu. Každý heliostat je složen ze 180 čtvercových zrcadel o straně 1/2 metru. Parabolické zrcadlo je 54 metrů široké a 40 metrů vysoké. Je složeno z 9 000 čtvercových zrcadel o straně 45 cm. Když svítí Slunce, je do ohniska pece soustředěno asi 1 000 kW. Ohnisko se nachází v hliníkovém válci, v jehož základně je otvor pro záření. Válec musí být chlazený vodou, neboť teplota v ohnisku je 3000 - 4 000 K.