Určitě jste někdy zkusili soustředit spojnou čočkou sluneční paprsky na černý papír nebo na kůži své ruky. V prvním případě začal z papíru za chvíli stoupat proužek kouře a možná, že papír začal dokonce hořet. Ve druhém případě jste za chvilku pocítili na ruce pálení a raději jste pokus přerušili. Přesvědčili jste se však, že soustředěním slunečních paprsků v ohnisku čočky se dá snadno dosáhnout vysoká teplota.
Náš pokus proběhl "v malém", do ohniska se soustředily paprsky z plochy jen několik centimetrů čtverečních. Jak by to asi dopadlo, kdybychom mohli soustředit paprsky z plochy třeba několika desítek metrů čtverečních? Odpověď najdeme při návštěvě několika výzkumných solárních zařízení.
Elektřinu můžeme ze slunečního záření získat buď přímo (fotovoltaické články), nebo "oklikou" přes tepelnou energii. Princip slunečních tepelných elektráren je v podstatě jednoduchý:
Energie slunečního záření, soustředěného sběračem, se v absorbéru přemění na teplo a teplonosná kapalina se zahřeje na vysokou teplotu. V tepelném výměníku předá teplo vodě, která se přemění na páru pohánějící parní turbínu. Ta roztáčí generátor elektrického proudu.
Z tohoto popisu je zřejmé, že se v podstatě jedná o běžnou tepelnou elektrárnu, v níž dodává potřebnou energii Slunce. Účinnost systému opět závisí na schopnosti solárních kolektorů soustředit co nejvíce dopadající sluneční energie.
Teplo se ze slunečního záření získává v zásadě dvěma metodami. První je založena na pohlcování záření černou absorpční plochou solárního kolektoru a uplatňuje se hlavně při ohřívání vody nebo vzduchu. Výkon těchto topných systémů a výsledná teplota vody či vzduchu dosahuje nanejvýš 200 °C. Druhý způsob spočívá v soustředění (koncentraci) paprsků z velké plochy do plošky co nejmenší. Využívá se odrazu světla od vhodně tvarovaných a orientovaných zrcadel. Základním prvkem slunečních elektráren jsou fokusační sběrače nebo heliostaty.
Žlabový sběrač - má tvar žlabu s parabolickým průřezem a černě natřenou trubicí - absorbérem. Trubice s teplonosnou kapalinou je upevněna tak, aby procházela ohnisky jednotlivých úseků parabolického žlabu. V trubici se kapalina (např. olej) zahřívá na teplotu několika stovek °C. Pro zvýšení výkonu se žlabové kolektory spojují do větších soustav. Sběrače se během dne automaticky natáčejí za Sluncem.
Diskový sběrač - jedná se o obdobu parabolického automobilového reflektoru. Sluneční paprsky se opět soustřeďují do ohniska, kde je umístěný absorbér. Zahřátá kapalina zahřátá v absorbéru se potrubím odvádí do místa dalšího využití. Má-li mít parabolické zrcadlo velký průměr, sestavuje se z většího počtu vhodně sestavených menších zrcadel. Parabola se automaticky natáčí za Sluncem.
Heliostaty - skupina vhodně rozmístěných pohyblivých rovinných zrcadel. Každé zrcadlo se během dne automaticky natáčí tak, aby paprsky od něho odražené dopadaly vždy na absorbér. Heliostaty se nejčastěji používají k soustřeďování světla do ohniska tzv. slunečních pecí a věžových slunečních elektráren.
Sluneční elektrárny SEGS - USA
Největší sluneční elektrárna se systémem žlabových sběračů je vybudována v Mojavské poušti v Kalifornii. Jedná se o skupinu sedmi elektráren SEGS III - IX, postupně budovanou od roku 1985. V současné době (2006) je rozmístěno 400 000 zrcadel na ploše 400 hektarů. Celkový výkon elektráren je 325 MW. Při zatažené obloze a v noci se vyrábí pára pro pohon turbín spalováním zemního plynu.
Ukázky konstrukce žlabových sběračů (kliknutím se snímky zvětší):
Detail žlabových sběračů s absorpční trubicí v ohnisku (1) - Celkový pohled na areál elektráren SEGS (2) - Detail sběračů na výzkumné stanici ve Španělsku (3) - Detail natáčení zrcadla (4).
Parabolické sběrače slunečního záření
V ohnisku parabolických koncentrátorů je možno dosáhnout i teplot vyšších než 1000 °C. Také jejich účinnost je v porovnání s jinými typy největší - až 30 %. Jsou však náročné z konstrukčního hlediska a proto nedosahují rozměrů, potřebných pro velké výkony. Hlavní využití mají (kromě demonstračních účelů) jako malé zdroje elektrické energie a jako solární vařiče. Na posledním snímku je parabolický sběrač zdrojem tepla pro pohon experimentálního Stirlingova plynového motoru.
Konstrukce parabolických sběračů (kliknutím se snímky zvětší):
Parabolické zrcadlo s absorbérem v ohnisku (1) - Parabola z menších tvarovaných zrcadel (2) - Skupina menších parabol se společným ohniskem (3) - Stirlingův motor v ohnisku paraboly (4).
Věžové sluneční elektrárny
V roce 1983 byla v jihozápadním Španělsku, v Almérii, zahájena výstavba experimentálního zařízení pro výzkum možností využití sluneční energie. Jeho základem je 80 m vysoká sluneční věž CESA 1. 300 zrcadlových heliostatů o celkové ploše téměř 12 000 m2 odráží sluneční paprsky do ohniska ve věži, kde je umístěn parní generátor. Tepelný výkon zařízení je 7 MW. Pára o teplotě 520 °C pohání dvoustupňovou parní turbínu s generátorem elektrického proudu. Mimoto je v areálu umístěna řada dalších výzkumných aparatur.
V roce 1995 zahájila provoz velká věžová elektrárna Solar Two v Kalifornii. V jejím ohnisku se tepelná energie "ukládá" do roztavených solí a dále se využívá k výrobě vodní páry pro pohon turbíny. Výkon elektrárny je více než 10 MW.
Věžové elektrárny s heliostaty (kliknutím se snímky zvětší):
Na severním úbočí Pyrenejí byl u městečka Odeillo vybudován koncem 60. let minulého století vědecký komplex, tzv. sluneční pec. Skládá se z velkého nepohyblivého parabolického zrcadla, v jehož ohnisku je hliníkový válec s otvorem pro vstup záření. Parabolické zrcadlo je sestaveno z 9 000 čtvercových segmentů a má úctyhodné rozměry 54 m x 40 m. Na jižním svahu proti parabole je rozestaveno 63 heliostatů, odrážejících paaprsky rovnoběžně na parabolu. Výkon slunečního záření v ohnisku je asi 1 000 kW a dosahuje se zde teploty až 4 000 °C. Ve sluneční peci se zkoumá chování látek při extrémních teplotách.
Sluneční pec Odeillo (kliknutím se snímky zvětší):
Princip soustředění paprsků (1) - Hlavní parabolické zrcadlo (2) - Celkový pohled na areál (3) - Pohled na heliostaty z budovy pece (4).
Komínová sluneční elektrárna - Španělsko
V roce 1982 byla v Manzanares, asi 150 km jižně od Madridu, vybudována zvláštní sluneční elektrárna. Projekt i jeho financování zajistila německá vláda. Na ploše 46 000 m2 vznikl nízký zasklený sběrač energie, založený na skleníkovém jevu. Uprostřed sběrače stál 195 metrů vysoký komín o průměru 10 m. Sluncem zahřátý vzduch stoupal komínem vzhůru a cestou roztáčel vrtule větrných turbín v patě komínu. Aby elektrárna pracovala i v noci, částí slunečního záření se během dne ohřívaly nádrže se slanou vodou. V noci chládnoucí nádrže udržovaly v komíně tah vzduchu. Výkon této pokusné elektrárny byl pouhých 50 kW. Projekt byl ukončen v r. 1989, kdy byl komín poškozen při bouři.
V současné době se staví v Austrálii komínová elektrárna, která má po dokončení zásobovat elektřinou 200 000 domácností. Má opravdu úctyhodné parametry:
výška komínu: 1000 metrů
průměr komínu: 150 metrů
průměr sběrače - kolektoru: 5000 metrů
výkon elektrárny: 200 MW
Komínová elektrárna v Manzanares (kliknutím se snímky zvětší):
Princip komínové elektrárny (1) - Celkový pohled na elektrárnu (2) - Detail paty komínu v Manzanares (3) - Projekt obří elektrárny v Austrálii (4).
Určitě jste někdy zkusili soustředit spojnou čočkou sluneční paprsky na černý papír nebo na kůži své ruky. V prvním případě začal z papíru za chvíli stoupat proužek kouře a možná, že papír začal dokonce hořet. Ve druhém případě jste za chvilku pocítili na ruce pálení a raději jste pokus přerušili. Přesvědčili jste se však, že soustředěním slunečních paprsků v ohnisku čočky se dá snadno dosáhnout vysoká teplota.
