Energie, která nepodraží: Slunce, Sonne, Solnce, Sun

Energie, která nepodraží: Slunce, Sonne, Solnce, Sun

Ze slunečního výkonu 3,8.1023kW dostává naše modrá planeta Země jen nepatrnou část, asi jednu dvoumiliardtinu, a z ní se ještě 53 % atmosférou absorbuje nebo odrazí zpět do vesmíru. Pouze 47 % sluneční energie "přidělené" Zemi pohltí zemský povrch. Asi polovina se při tom změní v teplo, zbytek je spotřebován na vypařování vody z oceánů, atmosférickou cirkulaci a na procesy v biosféře.
Spálením 140 kilogramů koksu nebo 310 kilogramů hnědého uhlí se uvolní asi 1200kWh. Stejnou hodnotu má sluneční energie, která dopadne ve středních Čechách za rok zcela zdarma na vodorovně položenou plochu 1m2. Ještě více dostanou od Slunce jihomoravské vinice (1340kWh/m2), horské oblasti zůstávají naopak pod průměrem (1100kWh/m2). Je snadné spočítat, že celkově sluneční energie dopadne na střechu rodinného domku více, než je třeba, abychom v něm měli po celý rok příjemné teplo.

Sluneční energie v tepelnou

Podstatou ohřevu látky slunečním zářením je přeměna energie světelných paprsků na pohybovou energii atomů nebo molekul. Čím více záření se pohltí (absorbuje), tím rychleji atomy kmitají, a tím více se látka (absorbér) zahřívá.
Jak známo, k přeměně energie slouží sběrače (kolektory) slunečních paprsků. Jejich nejdůležitější částí je absorbér. V něm se sluneční záření zachycuje a mění v teplo, které pak ohřívá pracovní látku (vodu, olej, vzduch, propan, butan aj.). Dosahované teploty 40 až 100 řC, stačí k ohřevu užitkové vody a na přitápění bytů. Pro získání vyšších teplot je třeba tok slunečního záření koncentrovat pomocí zrcadel nebo čoček.
K nejrozšířenějším zařízením na využití sluneční energie patří ohřívače vody (nádrže na střechách domů) a vzduchu (zdvojené střechy). V zemích, kde je dostatek slunce, avšak chybí kvalitní pitná voda, jsou vyráběny jednoduché sluneční destilátory. Destilace slaných, odpadních nebo bakteriologicky závadných vod se stala na mnoha místech naší planety rozhodujícím předpokladem lidské existence.
Extrémně vysokých teplot lze dosáhnout ve slunečních pecích. Jsou to optická zařízení, v nichž se záření dopadající na velkou sběrnou plochu zrcadla soustřeďuje do malé plošky v ohnisku. Proslulá je sluneční pec u městečka Odeillo ve východních Pyrenejích 2000 metrů nad mořem. Teploty v ohnisku se pohybují kolem 3000 až 4000 řC. Pec je vhodná k tavení těžko tavitelných látek. Sluneční paprsky koncentrované pomocí kulových nebo parabolických zrcadel se používají nejen k průmyslovým aplikacím, ale např. k vaření tam, kde není po ruce jiný zdroj energie. Na slunečním vařiči lze vodu na kávu uvařit během 10 minut, kilogram rýže za půl hodiny.
Díky Slunci přibyl v poslední době do technického slovníku také termín sluneční dům. Slouží k označení objektu, v němž se spotřeba tepla (pro ohřev vody, vytápění atd.) kryje zčásti ze slunečního záření. Velmi jednoduchá varianta byla vyvinuta ve Francii. Jižní stěna domu je z litého betonu, asi 35 cm tlustá a na venkovní straně začerněná. Před ní je skleněná tabule. Stěna plní tak nejen nosnou funkci, ale působí i jako rovinný sběrač, od něhož se vzduch zahřívá. Stěna zároveň absorbuje a akumuluje teplo na ohřev domu v noci. Systém se osvědčil především v chatách a budovách jen dočasně obývaných. Přirozená cirkulace nevyžadující žádnou obsluhu chrání objekty před vymrzáním a vlhkostí.
Jiné typy slunečních domů postavené nejen v jižní Evropě, ale třeba i v německých Cáchách nebo v jihošvédském Lundu, mají na střechách velké sběrače (20 až 80 m2), které vyhřívají byty a přebytečné teplo uskladňují do objemných tepelných akumulátorů (např. několik desítek m3 vody).

Přeměna na energii mechanickou

Tlak, kterým působí částice slunečního záření (fotony) při svém dopadu, je pro přímou přeměnu na mechanickou energii z praktického hlediska bezvýznamný. Přesto má téměř všechna mechanická práce na povrchu Země sluneční původ. Bez ohřevu povrchu vodních ploch i pevnin bychom nemohli využívat ani potenciální energii vodního koloběhu, ani kinetickou energii větru. Každá energie (kromě energie jaderné), s níž se v životě setkáváme, je na konci řetězce přeměn, který začíná ve slunečním nitru.
Na mechanickou energii se dá teplo slunečního záření přeměnit ve slunečních motorech - tepelných motorech spojených s rovinným nebo fokusačním slunečním kolektorem. Neocenitelné jsou zvláště v pouštních a polopouštních oblastech bohatých na sluneční svit, kde slouží k pohonu slunečních čerpadel. Jedna z nejznámějších saharských pump, která čerpá vodu pro tři tisíce obyvatel mauritánského městečka Chinguetti, má výkon kolem 10 tisíc litrů za hodinu. V tropech se také zkoumají možnosti získat alespoň trochu energie z té, kterou Slunce odevzdává vodním plochám. Teplotní rozdíl mezi vodní hladinou a chladnými hlubokými vrstvami lze principiálně využít k pohonu oceánských slunečních motorů.

Na energii elektrickou a chemickou

K transformaci sluneční energie na elektrickou je v současné době známo několik postupů. Nejznámější je přímá přeměna pomocí fotovoltaického jevu.
Elementární fotovoltaický článek se skládá z polovodičové destičky, v níž je těsně při povrchu vytvořen plošný přechod p-n, a ze dvou elektrod spojujících destičku s vnějším obvodem. Při dopadu fotonů vhodné energie vznikají v blízkosti povrchu dvojice "záporný elektron a kladná díra". Tyto volné nosiče náboje jsou uvedeny do pohybu elektrickým polem přechodové vrstvy. Z hlediska energetiky jsou významnější články na bázi polovodičů Si, GaAs, CdS. Účinnost přeměny sluneční energie na elektrickou je teoreticky asi 30%, běžně dostupné články mají však účinnost zhruba poloviční. Za velmi perspektivní materiál, a to z hlediska účinnosti i ceny, je považována soustava CuInSe2. Jestliže chceme získat vyšší napětí nebo proud, spojují se články do série nebo paralelně; tak vzniká sluneční baterie (panel). Levné sluneční články na bázi amorfního křemíku pro solární kalkulačky mají účinnost kolem 5 %.
Další alternativou je přeměna sluneční energie na elektrickou z tepla. Mezičlánkem může být už zmíněná energie mechanická nebo některé fyzikální jevy (termoelektrický, termoemisní, magnetohydrodynamický). Sluneční záření je i na počátku výroby elektrické energie z energie chemické, a to buď nepřímo přes teplo, nebo přímo pomocí palivových článků.
Přeměna sluneční energie na elektrickou se už dávno dostala ze stadia laboratorních pokusů do průmyslové praxe, v provozu je řada slunečních elektráren (helioelektráren) tepelných i fotovoltaických. U některých typů tepelných elektráren je sluneční záření, odražené velkým počtem rozměrných rovinných otáčivých zrcadel (heliostatů), fokusováno na absorbér s teplonosnou kapalinou; přehřátá pára pak pohání turbogenerátor stejně jako v normální tepelné elektrárně. K nejznámějším zařízením tohoto druhu patří elektrárna Themis u obce Targassonne v Pyrenejích. Byla projektována s 350 zrcadly o ploše 50m2 a přijímačem tepla na vrcholku osmdesátimetrové věže naproti heliostatovému poli. Základem druhého typu tepelných helioelektráren je systém parabolických zrcadlových žlabů, od nichž se sluneční záření odráží na trubky absorbéru. To je princip slunečních elektráren SEGS (Solar Electric Generating System) budovaných izraelsko-americkou firmou Luz v Kalifornii. Počátkem devadesátých let byl jejich celkový výkon 354 MW. (Na jihozápadě USA se nyní vyrábí téměř polovina veškeré světové sluneční elektřiny.)

Co je ekologické, je i morální a ekonomické

Ve zprávě The First Global Revolution, vydané v roce 1992 Římským klubem akademiků a předních světových vědců, se uvádí:
"Mnozí z nás byli dlouho nešťastní v souvislosti se zvyšujícím se počtem jaderných elektráren pro jejich zřejmé nebezpečí, jakož i pro problémy spojené s ukládáním jaderných odpadů. V současné době váhavě přiznáváme, že používání uhlí a ropy je snad pro společnost ještě nebezpečnější než jaderná energie, a to vzhledem k produkci CO2."
Není opravdu nejvyšší čas omezit spotřebu sluneční energie z fosilních paliv, především z uhlí, kam se kondenzovala milióny let? Ostatně bez topení uhlím se naši předkové obešli vlastně až do minulého století. V Praze si dal prý první kamna na uhlí patentovat alchymista Christoph Bergner v roce 1766. Dlouho v nich však netopil. Stížnosti sousedů, že jim kouř z Bergnerova komína otravuje vzduch, nemohla tehdejší městská rada ignorovat. Komise s policejním doprovodem kamna zapečetila, pokrok (z dnešního hlediska poněkud problematický) musel ještě nějaký rok počkat.
Třebaže se odhady zásob uhlí, ropy a plynu rozcházejí, je konečnost nejdůležitějších pozemských zdrojů fosilních paliv neodvratná. Přitom na Zemi dopadá alespoň dvacettisíckrát více sluneční energie, než potřebuje všechno lidstvo na konci dvacátého století.
Dnes už známe řadu fyzikálních principů využívání sluneční energie a ve většině případů také jejich přijatelná technická řešení. Víme, jak se dá sluneční energie uskladnit, změníme-li původní formu - záření - na energii tepelnou, mechanickou, elektrickou či chemickou. K akumulaci tepla lze využít např. ohřev vody nebo latentní teplo tání některých látek. Mechanická energie se dá uschovat do stlačeného vzduchu, pohybu velkých setrvačníků nebo do vody přečerpané ve vysoko položených nádržích. Elektrickou energii umíme převést na chemickou v akumulátorech, popřípadě ji dodat supravodivému magnetu, a tím trvale udržet ve formě energie magnetického pole. A pokud jde o přeměny sluneční energie v chemickou, platí, že jsou zároveň její akumulací. Příkladem takových chemických reakcí je fotosyntéza, kterou se ročně akumuluje do biosféry asi 2,5.1021 J sluneční energie.
Je možné diskutovat o tom, na kterém místě naší planety už je, nebo bude ekonomicky výhodné měnit sluneční záření na jiné užitečné formy energie, nikdo však nepochybuje, že jenom Slunce je nevyčerpatelným zdrojem energie naprosto čisté a bezpečné. Na ní závisí existence příštích generací. Hledání cest, jak sluneční energii co nejefektivněji využít, je proto morální povinností fyziků, chemiků i technologů. Evropské země řeší tento úkol společně na jihu Španělska u města Almeria v mezinárodním zkušebním centru Plataforma Solar de Almeria. IVO KRAUS