Slnečná energia Slnko ako jedna z hviezd našej galaxie predstavuje vysokostabilný a vysokovýkonný energetický zdroj, bez ktorého by sa život na Zemi nezaobišiel. Môžeme si ho predstaviť ako veľký jadrový reaktor, v ktorom prebiehajú termojadrové reakcie, ktorých základom je spaľovanie vodíka na hélium. Reakcia prebieha pri neuveriteľných teplotách až 14 miliónov °C, zatiaľ čo povrchová teplota Slnka dosahuje v priemere 6 000 °C. Tento reaktor má zásoby ešte približne 15 miliárd rokov. Energia Slnka je zdrojom všetkej energie na Zemi. Množstvo dopadajúcej slnečnej energie na Zem je približne 14 000-krát väčšie ako celá energia spotrebúvaná ľudstvom v súčasnosti. Potom ako doputuje až k nám sa premieňa do mnohých podôb. Z časti zohrieva všetko čo sa nachádza na zemskom povrchu, z jednej časti sa mení na mechanickú energiu a takto dáva silu vetru alebo morským prúdom a z druhej časti sa mení na energiu chemických reakcií, ktoré prebiehajú vo všetkých organizmoch a to umožňuje život na Zemi. 1.1. Termojadrové reakcie Aby mohla nastať syntéza atómových jadier, musia sa tieto k sebe dostatočne priblížiť. Pri vzájomnom zbližovaní sa jadrá najprv odpudzujú elektrickými silami, lebo ich náboje sú súhlasné. Keď sa však ich stredy priblížia na vzdialenosť ich polomerov, prejavia sa jadrové príťažlivé sily, ktoré sú oveľa väčšie ako elektrické a jadrá môžu splynúť. Najdôležitejšia z nich spočíva v tom, že jadrám dodáme energiu potrebnú na zblíženie vo forme tepelnej energie. So zreteľom na dosť veľký počet ľahkých prvkov prebiehajú termonukleárne reakcie podľa mnohých schém (cyklov). Dva z nich vypracoval v roku 1938/39 H. A. Bethe. Prvý cyklus vychádza z protónov a končí vytvorením héliových jadier. Volá sa protónovo – protónový cyklus. Jeho prvý stupeň sa zapaľuje už pri T= 1.107 K, pre druhý a ďalšie stupne je potrebná teplota okolo 1,5.107 K. V Slnku sa spaľuje vodík v tomto cykle pri T=1,3.107 K. 1.2. Dopad slnečného žiarenia Na zemský povrch neustále dopadá tok energie 1,725. 1017 W. Ak to prepočítame do časových jednotiek dostaneme závratné číslo 1,52. 109 TW.h.rok¬¹. Slnko teda na zem vyžiari za jednu hodinu viac energie než ľudstvo spotrebuje za celý rok. Na 1 m2 dopadá 1.39 kW – toto číslo tiež nazývame solárna konštanta. Tento 1 kW predstavuje asi 50 % pôvodného slnečného žiarenia. (Obr. 1: Dopad slnečného žiarenia) 1.3. Slnečné žiarenie Slnečná energia dopadá na zemský povrch vo forme slnečného žiarenia. Slnečné žiarenie je elektromagnetické žiarenie s vlnovými dĺžkami v rozsahu od 0,28 – 3,0 μm. Slnečné spektrum zahrňuje malý podiel ultrafialového žiarenia, viditeľného svetla a infračerveného žiarenia. Slnečné žiarenie sa po dopade na zemský povrch premieňa na iné formy energie: -na tepelnú energiu; takýmto spôsobom sa ohrieva zemský povrch – pôda, voda i vzduch; -na mechanickú energiu; takto vznikajú vzdušné prúdy; -na chemickú energiu; ktorá je prostredníctvom fotosyntézy viazaná v rastlinách a iných organizmoch. 1.3.1. Ultrafialové žiarenie Ultrafialové žiarenie (290 nm – 380 nm) - tvorí 9% slnečného žiarenia a pred dopadom na zemský povrch sa zachytáva ozónovou vrstvou atmosféry. Nemá ako zdroj energie význam a dokázané sú jeho nepriaznivé (mutagénne) účinky na živé organizmy. 1.3.2. Viditeľné svetlo Viditeľné svetlo (380 nm – 750 nm) - tvorí 45% slnečného žiarenia. Je primárnym zdrojom energie a jeho pôsobením začínajú primárne procesy fotosyntézy (fotochemická fáza). Prostredníctvom chlorofylu sa transformuje do energie chemických väzieb organických zlúčenín. Zelené rastliny majú rôzne nároky na dĺžku pôsobenia svetla počas dňa: -heliofyty - svetlomilné rastliny – púšte, stepi, horské oblasti -heliosciofyty - neutrálne rastliny – trávnaté a lesné spoločenstvá -sciofyty - tieňomilné rastliny – rastliny lesného podrastu 1.3.3. Infračervené žiarenie Infračervené žiarenie (nad 750 nm) - tvorí 46% slnečného žiarenia. Pri pohltení živými organizmami a pôdou sa mení na teplo, ktoré je nevyhnutnou podmienkou priebehu biochemických reakcií (látkovej premeny = metabolizmu). Teplota prostredia u rastlín priamo ovplyvňuje priebeh fotosyntézy a závisí od nej aj aktivita živočíchov s nestálou telesnou teplotou. 1.4. Druhy žiarenia Intenzita slnečného žiarenia sa prechodom cez atmosféru znižuje, a to práve vďaka premene žiarenia na jednotlivé formy energie a tiež vďaka rozptylu na jednotlivých časticiach atmosféry. Na zemskom povrchu preto registrujeme tri základné druhy slnečného žiarenia – priame slnečné žiarenie, rozptýlené (difúzne) žiarenie a žiarenie odrazené buď od zemského povrchu a iných objektov. Všetky tieto zložky zastúpené v rôznej miere vnímame voľným okom a sme schopní ich využiť pomocou solárnych systémov prostredníctvom slnečných kolektorov. (Obr. 2: Druhy žiarenia) Intenzita priameho slnečného žiarenia nad zemskou atmosférou je približne 1 360 W/m2. Z toho atmosférou na zemský povrch prenikne pri priaznivých podmienkach približne 1 000 W/m2. Rozptylom priameho žiarenia na oblakoch a nečistotách v atmosfére a odrazom od terénu vzniká difúzne žiarenie. Súčet priameho a difúzneho žiarenia sa označuje ako žiarenie globálne. V strednej Európe v závislosti na ročnom období a stave atmosféry môže intenzita globálneho žiarenia v poludňajších hodinách kolísať od 100 do 1 000 W/m2. Pomer priameho a difúzneho žiarenia je závislý od geografických a mikroklimatických podmienok. Difúzne žiarenie v strednej Európe tvorí v celoročnom priemere 50-70 % z globálneho žiarenia, pričom v zime dosahuje až 90 %-ný podiel. 1.5. Podmienky v našich zemepisných šírkach Akokoľvek nevhodný sa náš región na využívanie slnečnej energie môže zdať, solárne zariadenia tu fungujú spoľahlivo a môžu dodávať nemalé množstvo energie svojmu majiteľovi. Solárne zariadenia fungujú len v krajinách ako Grécko a podobne lebo len tam slnko svieti počas celého roka a obloha sa zatiahne iba ak na pár dní počas zimy. Lenže autori týchto výrokov si neuvedomujú že solárne zariadenia nepotrebujú aby sa do nich slnko opieralo celou silou 12 hodín denne, solárne zariadenia fungujú aj keď je zamračené, a dokonca aj počas zimy. Samozrejme že vtedy neprodukujú toľko energie ako počas krásneho letného slnečného dňa, ale to ešte neznamená že nefungujú vôbec. Naša republika sa nachádza približne medzi 48° a 50° stupňom zemepisnej šírky. Tok slnečného žiarenia na vodorovnej rovine tu dosahuje približne 1050 kWh na m2, z toho 806 kWh . m-2 pripadá na obdobie od apríla do septembra. Ako príklad zanedbateľných rozdielov medzi severom a juhom krajiny uvádzame sumárny prehľad denného a ročného množstva slnečného žiarenia dopadajúceho na 1 m2 za rok v meste Komárno a v Kysuckom Novom Meste, kde rozdiel tvorí len 13%. Viac ako na región je preto potrebné zamerať sa skôr na samotné umiestnenie kolektorov na vhodnom nezatienenom a južne orientovanom mieste. Problematické môžu byť tiež úzke doliny s častou inverziou spôsobujúcou hmlisté počasie, brániace prieniku slnečných lúčov. Tab. 1: Príklad množstva dopadajúceho slnečného žiarenia na 1 m2 pri optimálnom sklone. Komárno Kysucké Nové Mesto [Wh / m2 . deň] [Wh / m2 . deň] Január 1476 1442 Február 2368 2263 Marec 3507 3246 Apríl 4777 4156 Máj 5318 4715 Jún 5586 4662 Júl 5930 5059 August 5331 4519 September 4542 3657 Október 3250 2926 November 1751 1563 December 1107 1066 Celoročný priemer 3752 3278 Rozdiel: 13% 1.6. Komplikácie využitia slnečnej energie Slnko však svieti najviac práve v období, kedy je menší dopyt po energii. Zatiaľ nevieme energiu dlhodobo a bez strát ukladať a to je problémom aj bežných zdrojov energie. Ďalšou komplikáciou je, že slnečná energia má veľmi nízku koncentráciu a jej časové rozloženie je veľmi nepravidelné (deň - noc, ročné obdobia). Rozdielnosť miestnych klimatických podmienok a premenlivosť počasia spôsobujú, že nemôžeme rátať z určitými štandardmi. 2. Využívanie slnečnej energie Rozlišujeme tri základné spôsoby využitia slnečnej energie: -pasívne využitie -kolektory -výroba elektrickej energie 2.1. Pasívne využitie slnečnej energie Solárna architektúra môže v budovách prispieť až 15%-tami k úsporám energie, ktorú je potrebné vynaložiť na vykurovanie. Hlavnou zásadou je orientovať všetky veľké okná na juh. Takto navrhnutá stavba spotrebuje až o 20% menej energie na vykurovanie oproti domu, ktorý je orientovaný na východ, či západ. Ďalšou zásadou je umiestňovať obytné priestory (obývacie a detské izby) na juh a ostatné časti (kuchyňa, kúpeľňa, skladovacie priestory, chodba) v severných častiach domu, či bytu. Veľké okná sa kombinujú s tieniacimi prvkami, ktoré v lete zabránia nadmernému oslneniu.