Obsah skript | Časopis BIOM, články a sborníky | Domovská stránka     

Přednáška IX.

Využití obnovitelných energetických zdrojů

Obnovitelné energetické zdroje:

• energie sluneční
• energie geotermální
• energie větrná
• energie vodní

1. Sluneční energie

Slunce je z energetického pohledu obrovský syntézní reaktor v jehož středové části se přeměňuje za extrémních tlakových a teplotních podmínek vodík v helium. Při této syntéze vzniká a vyzařuje se do kosmického prostoru energie elektromagnetického záření v oblasti velmi krátkých i dlouhých vlnových délek. Většina vyzářené energie je v délkách 0,3 - 2,6 m. Z této energie dopadá na zeměkouli nepatrná část - jedna desetimiliardtina. Na hranici zemské atmosféry dopadá na 1 m² plochy kolmé k paprskům energie 1,353 kW (sluneční konstanta). V okrajových vrstvách atmosféry je 30% této energie odraženo zpět do vesmíru. Při průchodu atmosférou dojde k zeslabení sluneční radiace rozptylem a odrazem na molekulách vzduchu, vodní páry a pevných částí a nečistot, zvláště v přízemních vrstvách atmosféry.

K stanovení příkonu radiace pro jeho zužitkování v určitém místě je třeba znát dlouhodobý průběh globálního (přímého i difúzního) slunečního záření včetně počtu hodin slunečního svitu v průběhu roku. V našich podmínkách představuje podíl přímého záření z globálního celoročně cca 50%.

Sluneční záření v různých částech světa:

Pozn.: 1 kWh = 3,6 MJ; (1250 kWh/m2/rok = 4500 MJ/m2/rok)

V klimatických podmínkách ČR není přímé využití slunečního záření tak výhodné, jako např. v rovníkových zemích, a to zejména vzhledem k nízkým teplotám v zimních měsících. Efektivně lze využívat sluneční záření od začátku dubna do konce září, t.j. asi 180 dnů. Účinnost využití solární energie ovlivňují tepelné ztráty. Jde jednak o ztráty vyzařováním (jsou ovlivňovány průsvitnými kryty absorpčních ploch kolektorů) a tepelné ztráty (úměrné rozdílu teplot ohřívaného media a okolí).

Sluneční kolektor je zařízení využívající skleníkový efekt k získání tepelné energie s účinností až do 80%.

Využití sluneční energie:

1. Sluneční kolektory pro ohřev (tepelná konverse):
   • klasické kapalinové,
   • textilní plastové absorbery pro ohřev vody
   • a vzduchové kolektory (pro příhřev vzduchu).
2. Zařízení pro přeměnu slunečního záření v elektrickou energii:
   • t. zv. fotovoltaika (fotoelektrická konverse).
3. Fotolýza nebo fotokatalýza vody (vodík vzniká přímým působením kvant fotonů slunečního záření na buněčné komponenty).
4. Tepelná konverze pro tepelné stroje pracující s termodynamickými cykly (Stirlingův motor).
5. Běžné využití v rostlinné výrobě (fotosyntetická asimilace oxidu uhličitého).
6. Využití v energetickém sytému skleníků.

ad a) Tepelná konverse:

Vzduchové kolektory se používají pro sušení produktů při nízkých teplotách. Vhodné jsou zejména pro dosušení sena a obilí vzduchem ohřátým jen na několik stupňů nad teplotu okolí. I v takovém případě se snižuje relativní vlhkost vzduchu a zvyšuje se sušící schopnost.

Vzduchové foliové kolektory se používají jen po dobu sklizňové sezóny a instalují se na ploché střeše nebo na zemi. U přetlakových kolektorů se vzduch dopravuje pod tlakem 100 - 600 Pa černým polyethylenovým rukávcem o délce 25-50 m a o průměru asi 0,7 m. Tento rukávec je vložen do dalšího rukávce z průhledné folie o průměru 0,8 m. Aby i tento válec byl napnutý uniká část vzduchu malým otvorem do prostoru mezi rukávci.

Vyšší účinnost mají podtlakové kolektory z fixačních folií s výstupky naplněnými vzduchem. Dva páry takových folií se přiloží na sebe výstupy, spodní folie je černá a tvoří adsorbér, horní je průsvitná, mezi obě folie se vloží perforovaná plastová trubka, do které se nasává ohřátý vzduch.

Pro pevné vzduchové kolektory může být střecha z černě natřeného materiálu využita jako absorbér, pod nímž se po celé ploše vytvoří vzduchový kanál. Pro zvýšení účinnosti je možné nad střechu umístit světlopropustný kryt (polyesterový laminát nebo teflonovou folii) a prostor mezi tímto krytem a absorbérem může sloužit jako paralelní vzduchový kanál.

Kolektory pro ohřev kapaliny

Hlavní část kolektoru je absorbér, který přijímá sluneční záření a přeměňuje je v teplo. Pro snížení tepelných ztrát je umístěn v kolektorové skříni. Ta je na spodní straně a bocích tepelně izolována. Její přední stěnu tvoří průhledný kryt (sklo, plasty). Součástí kolektoru mohou být odrazné desky, usměrňující záření na povrch adsorbéru. Kolektory mohou být ploché, válcové nebo koncentrující. Sluneční záření se zpravidla koncentruje umístěním trubkového absorbéru do ohniska paraboloidu. Tímto způsobem je možno dosáhnout vysokých teplot teplonosné kapaliny nebo i přehřáté vodní páry. Takové zařízení může pohánět absorpční chlazení nebo solární motory. Takové kolektory se však musí neustále otáčet ve směru slunce.

Solární systémy používající kapalinové solární kolektory jsou vybaveny zpravidla solárním bojlerem (též Puffer). V některých kolektorech je zahříváno místo vody nehomogenní mrazu odolné teplonosné medium. Jakmile teplota v kolektorech stoupne na určitou hodnotu vyšší než je ve spodní části solárního bojleru, zapne se cirkulační čerpadlo a teplonosná tekutina z kolektoru ve výměníku tepla odevzdá teplo pro ohřev vody a odtéká ochlazená do kolektoru. Solární bojler bývá doplněn zpravidla přídatnou elektrickou spirálou nebo dalším výměníkem pro doplňující výhřev konvenční energií. Předpokládá se automatická regulace včetně automatického zapínání náhradního zdroje.

ad b) Fotoelektrická konverse (voltaika):

Používá se křemíkových nebo polovodičových fotočlánků s účinností 12-15% (při použití GaAs, CdS až 25%). Paralelně zapojených 20 000 křemíkových elementů může dosáhnout výkonu až 2 kW. Využití v zemědělství např. pro elektrické ohradníky. Průsvitné elektrody a elementy fotočlánků je možno zabudovat do okenních tabulí (např. u skleníků).

2. Energie geotermální

Množství tepla v hloubce 5-15 km pod pevninami převyšuje tisícnásobně tepelný obsah fosilních paliv. Tepelný gradient na 1 km je 20°-30°C. V hloubce 7 km byla zjištěna teplota (na Sibiři) pouze 120°C. Účinnost získání této tepelné energie pro otop a výrobu elektřiny je velmi nízká. V oblastech s vulkanickou činností je tepelný gradient daleko vyšší a vodu o teplotě 50°C je možno získávat i vrty o hloubce 1 km. Kromě geotermálních vod je možno využít i tepla suchých hornin. Geotermální elektrárny pracují na řadě míst zejména na Novém Zélandu, USA a Itálii.

3. Větrná energie

Příčinou proudění vzduchu je nehomogenní rozložení tlaku vzduchu v horizontální rovině. Mechanickou energii pohybujících se vzdušných hmot je možno využít větrnými motory (větrné elektrárny, čerpání vody, větrné mlýny a pod.). Využití větru je vhodné zvláště v příměstských oblastech se stálým větrem.

Špičkovým zařízením větrného agregátu je německé TW 600 s trojlistým rotorem o průměru 43 m (600 kW). Zařízení vyprodukuje v podmínkách Německa ročně 840 000 kWh elektrického proudu.

4. Vodní energie

Voda jako přírodní zdroj je nositelem mechanické a tepelné energie. Při využití mechanické energie vody je rozhodující výškový rozdíl hladin vody. Pro technické využití je nejvhodnější energie vodních toků. Energie moří se projevuje ve vlnění a v přílivu a odlivu. Přílivové elektrárny jsou budovány v zálivech, které jsou snadno oddělitelné od moře pomocí hráze. K využití energie se používají nízkotlaké vodní turbíny s průtokem v obou směrech. Malé vodní elektrárny v našich podmínkách se budují od výkonu 35 kW. Tepelná energie vody se využívá pomocí tepelných čerpadel.

5. Tepelné čerpadlo

Teplo může proudit vždy jen z míst o vyšší teplotě do míst s nižší teplotou. Dodáváme-li do termodynamického oběhu další energii, můžeme dosáhnout opačného průběhu.

U tepelných čerpadel dodáváme další energii prostřednictvím kompresoru a teplonosné látky (chladiva), a s chladivem manipulujeme v uzavřeném okruhu tak, aby to odpovídalo určitým energetickým změnám.

V prostoru zdroje tepla je umístěn výparník. Ohřáté chladivo se adiabaticky stlačuje kompresorem do kondensátoru (srážníku), kde se chladivo isobaricky ochlazuje a zkapalňuje a teplo se odevzdává látce, která obklopuje kondensátor. Zkapalňené chladivo se vypouští škrtícím ventilem do výparníku, zde se odpařuje, a tím odnímá teplo z látky, která obklopuje výparník.

Podle umístění výparníku a kondensátoru v různých prostředích jsou tepelná čerpadla:

• vzduch-vzduch (např. u klimatizací)
• voda-vzduch (využití tepelné energie vody k ohřátí vzduchu)
• vzduch-voda (ohřívání vody odnímáním tepla ze vzduchu nebo odpadního tepla z klimatizace)
• voda-voda (využívání tepelné energie akumulované ve vodě a ohřátím např. slunečními kolektory nebo teplem z biologických procesů).

Tepelné čerpadlo lze využít k získávání tepla z vodních nádrží, z vodních toků, geotermální energie, při zpětném využití tepla ze sušáren, při využití tepla z chlazeného mléka a tepla z výkalů a splaškových vod. Zvlášť výhodné je využití tepelných čerpadel v nízkoteplotních kondenzačních sušárnách např. při sušení obilí. Kamna sušárny jsou upravena tak, aby všechen vzduch obíhal ze sušícího prostoru přes výparník a srážník tepelného čerpadla opět do sušícího prostoru.

6. Rekuperační výměníky

Rekuperační výměníky umožňují získávat odpadní teplo (spaliny, biologické teplo zvířat ze stájí a pod.) a vracet je zpět do technologických procesů.

Přímé rekuperátory deskové nebo trubkové výměníky.

Nepřímé rekuperátory přenos tepla z jednoho do druhého výměníku zprostředkovává teplonosná kapalina.

K nepřímým rekuperátorům patří tepelné trubice. Jsou to zpravidla svisle postavené hliníkové trubky s vylisovanými příčnými žebry plněné chladivem. Vzduch odcházející ze stáje ohřívá spodní části trubice, teplo se předává chladivu, které se odpařuje a páry stoupají do horní části trubice. Tudy se přivádí do stáje čerstvý chladný vzduch. Ten způsobuje, že páry chladiva kondenzují a chladivo v kapalné formě stéká po vnitřní stěně trubice do spodní části. Teplo uvolněné kondenzací par ohřívá čerstvý vzduch.

Rotační regenerátor akumuluje tepelnou energii ve spodní polovině pomalu se otáčejícího bubnu s lamelami. Lamely se v horní části ochlazují a předávají teplo čerstvému vzduchu.