Obnoviteľné zdroje energie

Obnoviteľné zdroje energie
 
SLNEČNÁ ENERGIA:  
Slnečné žiarenie vytvára základné podmienky života človeka i celej živočíšnej  a rastlinnej ríše. Slnečné žiarenie pomocou fotosyntézy poskytuje energiu pre celý biologický systém vrátane človeka a v budúcnosti sa môže stať významným energetickým zdrojom.
Slnko nepretržite vyžaruje energiu do okolitého priestoru a časť z nej dopadá na Zem. Táto energia podporuje priebeh prírodných procesov. Slnečnú energiu , ktorej zdrojom sú jadrové reakcie prebiehajúce na Slnku, možno využiť v týchto formách:
-ako klasické palivá - uhlie,ropa, plyn,
-energia teplotných gradientov oceánov
-energia morských vĺn a prúdov,
-veterná energia,
-potenciálna energia vody,
-energia obsiahnutá v telách rastlín a živočíchov,
-priama slnečná  radiácia
K prednostiam slnečnej energie patrí:
-slnečná energia je rozdelená po celej planéte. Dopadajúce množstvo slnečnej energie závisí od meteorologických, klimatických a geografických podmienok.
-slnečná energia prichádza na Zem zadarmo,
-Slnko má ešte pred sebou ešte niekoľko miliard rokov existencie, preto je nevyčerpateľná
Proti využitiu slnečnej energie :
-premenlivosť slnečnej energia od meteorologických podmienok a striedanie dňa s nocou,
-malá intenzita slnečnej energie a teda potreba veľkých plôch na jej zachytávanie,
-ťažkosti s priamym hromadením slnečnej energie,
-malá účinnosť premien slnečnej energie na inú energiu
Z uvedených nedostatkov vyplýva, že cena energie získaná z energie slnečného žiarenia je vyššia, ako cena energie získanej niektorým klasickým spôsobom.

SLNKO:  
Slnko nepretržite vyžaruje energiu do okolitého priestoru a časť z nej dopadá na Zem.  V severnej Európe je slnečné žiarenie v zimných mesiacoch len desatinou hodnoty letných masiacov.
Slnko ako ústredné teleso našej slnečnej sústavy je k nám najbližšia hviezda a preto je najjasnejším telesom na oblohe.
Hmotnosť: kg
Polomer:696 000 km ( 108 zemských polomerov )
Chemické zloženie:75% H, 23% He,  0,03%C,  0,5% ostatné prvky
Tlak v strede: Pa
Tlak na povrchu: asi 600 Pa
Teplota v strede: asi K
Výkon slnečného žiarenia:  W
Vek: asi  rokov
Obeh okolo stredu galaxie: asi  rokov
Rýchlosť obehu: 230 km/s
Zdanlivý obeh okolo Zeme: 365,2422 dní
Podľa najpravdepodobnejšej teórie je Slnko rovnomerne praujúcim jadrovým reaktorom.Energia je dôsledkom niekoľkých termojadrových reakcií,ktoré vyzerajú asi takto:
 
- jadrá vodíka sa preskupuju a vzniká jeden atóm hélia,pozitróny a energia,ktorú potom môžeme využiť ako zdroj energie.
 
Slnečné žiarenie sa dostáva cez atmosféru na zemský povrh,pritom je v atmosfére pohlcované,rozptyľované a odrážané,takže zemský povrh je ožarovaný inou intezitou slnečného žiarenia,ako je nad zemskou atmosférou.
Priame slnečné žiarenie postupuje od Slnka k zemskému povrchu bez zmeny smeru. Difúzne žiarenie zmenilo svoj smer v dôsledku rozptylu a viacnásobnému odrazu v atmosfére. Globálne žiarenie je súčet priameho a difúzneho žiarenia.
Človek usmerňuje a využíva čoraz väčšie množstvo energie na svoje ciele. Jedna z možností je zachytiť slnečnú energiu ešte vo forme fotónov a premeniť ju na iné užitočné formy energie: tepelnú, mechanickú, elektrickú alebo chemickú.

SLNEČNÝ KOLEKTOR:  
Konečná forma po všetkých premenách slnečnej energie je vždy teplo, ktoré je vyžarované do kozmického priestoru ako infračervené žiarenie. Pomocou kolektorov slnečného  žiarenia možno túto prirodzenú premenu zdokonaliť tak, že získané teplo môže byť oveľa väčšie. Kolektory tvoria základňu mnohých zariadení navyužitie slnečnej energie. V nich sa slnečné žiarenie zachytáva a ohrieva pracovnú látku. Energia sa prenáša žiarením a vedením tepla. Kolektory svojou prijímacou plochou premieňajú priame a difúzne slnečné žiarenie na tepelnú energiu.
 
Kolektory rozdeľujeme: podľa konštrukcie na ploché a koncentračné
 podľa teplonosnej látky vo vnútri na kvapalinové a plynové
 podľa spôsobu upevnenia na pevné a pohyblivé
 podľa umiestnenia možu byť na budove alebo mimo nej
Kolektory sú umiestnené vonku, v dosahu slnečného žiarenia. Sú vystavené rôznym vplyvom počasia. Preto je nutné zabezpečiť ich spoľahlivosť a dlhú životnosť.
 
Slnečný plochý kolektor sa skladá z týchto častí: - absorbér slnečnej energie
 - rám alebo nosná konštrukcia
 - tepelná izolácia
 - priezračné pokrytie
Absorbér je najdôležitejšou časťou slnečného kolektora. Je pokrytý čiernym materiálom, aby sa zvýšila pohltivosť žiarenia. Ohrieva sa a odovzdáva teplo prostredníctvom teplonostnej látky do rozvodného potrubia. Je spojený so systémom rúrok, ktoré musia mať vysokú tepelnú vodivosť.
V plochom slnečnom kolektore prebiehajú všetky tri spôsoby prenosu tepla:
Žiarením: všetky látky vyžarujú energiu vo forme elektromagnetického vlnenia. Látky, na ktoré toto vlnenie dopadne, časť odrazia, pohltia alebo prepustia. Pohltene žiarenie sa mení na teplo.
Vedením: teplo sa šíri prostredníctvom termického pohybu molekúl.
Prúdením: v kvapalinách sa prenos tepla urýchľuje mechanickým premiestňovaním častíc kvapaliny prúdením.
 
Účinnosť daného kolektora nám udáva, aká veľká časť slnečného žiarenia sa využila na ohrev pracovnej látky.
Účinnosť kolektora nie je stála, ale závisí od rôznych faktorov:
- od uhla dopadu slnečného žiarenia na kolektor
- od okamžitej intenzity ožiarenia plochy kolektora
- od výstupnej teploty teplonostnej látky
- od teploty okolia.
Najrozšírenejšími nízkoteplotnými slnečnými zariadeniami sú ohrievače vody. Základom tohto systému je slnečný kolektor a zásobník vody a zariadenie na cirkuláciu vody.
 
Prvá slnečná elektráreň na svete v Odeillo (Francúzsko)
Zariadenie sa skladá zo 63 heliostatov, identických a usporiadaných v päticiach na 8 terasách. Každý heliostat má veľkosť 45 m2 (7,5 x 6m)  a skladá sa zo 180 štvorhranných rovinných zrkadiel, pripevnených na pevnom ráme do tvaru rovinného zrkadla. Každý heliostat sa otáča za Slnkom v dvoch rovinách pomocou hydraulického pohonu, riadeného fotoelektrickým regulačným zariadením. Zariadenie sa pohybuje za Slnkom asi 8 h denne.

FOTOSYNTÉZA A FOTOCHEMICKÉ PREMENY SLNEČNEJ SÚSTAVY: Základom života na Zemi je v rastlinách ustavične prebiehajúci proces, ktorému hovoríme fotosyntéza. Nevyhnutné časti priebehu fotosyntézy sú : voda, kysličník uhličitý, svetlo a teplo. Listy rastlín sú dokonalým slnečným kolektorom. Dokážu premeniť tepelnú energiu slnečného žiarenia na inú formu energie - chemickú energiu. Táto energia sa môže využiť rozličným spôsobom, napr. na výrobu vodíka, alkoholu, metanolu z rastlín a pod.
Aby  mohla v bunkách rastlín prebehnúť fotosyntéza, musia  byť splnené určité predpoklady:
-dostatočný prívod oxidu uhličitého k rastlinám
- dostatočné množstvo rastlín (napr. plantáže)
- dostatočná žiarivá energia
Vplyv teploty na priebeh fotosyntézy je veľmi veľký. Od teploty závisí otváranie prieduchov listov, výrazne zvyšuje dýchanie. Pri veľmi vysokých teplotách dochádza k uzavretiu prieduchov, ktoré je spojené s vysúšaním listov. Relatívny obsah vody vyjadruje hydratačný stav listu a pokles obsahu vody má vplyv na uzatváranie prieduchov a obmedzenie fotosyntézy.
Účinnosť fotosyntézy je pomerne malá a v najlepších prípadoch dosahuje 5%. Je to spôsobené tým, že obdobie vegetácie je obmedzené iba na časť roka, časť zachytenej energie rastliny využívajú na vlastný rast a rastliny nie sú schopné využívať slnečné žiarenie s príliš veľkou intenzitou.
 
ENERGIA VETRA:
Využitie pohybovej energie vzduchu ma len miestny význam, hoci bolo známe už v dávnej minulosti. Pohyb vzduchu (vietor) vzniká  nerovnomerným ohrievaním atmosféry slnečným žiarením. Táto nerovnomerná teplota vzduchu vyvoláva rozdiely v hustote vzduchu, čím vzniká rozdiel tlakov a pohyb vzduchu z miest vyššieho tlaku do miest s nižším tlakom. Energiu pohybu vzduchu využívalo ľudstvo už v dávnej minulosti na pohon lodí a veterných mlynov.
Z celkovej energie slnečného žiarenia, ktoré dopadá na zem, len 2,5% sa premieňa na pohybovú energiu vzduchu.

Kinetická energia je daná vzťahom:
Kde ,,v“ je rýchlosť vzduchu a ,,m“ je hmotnosť vzduchu pôsobiaceho na plochu. V minulosti sa vietor využíval ako zdroj mechanickej energie pri čerpaní vody, na pohon píl na spracovanie dreva.V súčasnosti narastá záujem o využitie energie vetra v súvislosti s výrobou elektrickej energie. Ich použitie je vhodné v oblastiach vzdialených od rozvodných sietí elektrickej energie alebo čerpanie vody. Ich účinnosť je viac ako 50% a získaná elektrická energia je cenovo na úrovni ceny elektriny z klasických elektrární.
 
ENERGIA TEPLOTNÝCH SÁDOV OCEÁNOV:
Tropické a polárne moria a oceány umožňujú nepriamo využiť energiu slnečného žiarenia. V trópoch dosahuje povrchová teplota vody oceánov  30°C, v hĺbke 300 m má teplota 10°C a v hĺbke 1000 m len 5 °C. Účinnosť takýchto elektráni dokážeme vypočítať pomocou vzorca:
 
-do vzorca musíme dosadiť teploty v kelvinoch (K) pričom vieme,že 1K=270°C
-T1 sa rovná maximálnej teplote,ktorú voda dosiahne. V tomto prípade je to 30°C.
-T2 sa rovná minimálnej teplote,ktorú voda dosiahne. A to je 5°C
-takže výpočtom sme zistili,že účinnosť teplotných spádov oceánov pri takýchto teplotách je 8.3%
-rozdiel teplôt musí byť veľlký,aby aj účinnosť bola veľká.Tento spôsob výroby energie nie je až tak účinný,pretože rozdiel maximálnej a minimálnej teploty oceána nie je až tak veľký.

Na využitie tohto teplotného spádu vybudoval B.Claud pred II. Svet. Vojnou na pobreží Slonoviny v Afrike zariadenie s využitím rozdielu teplôt 20 °C. Teplá povrchová voda sa čerpala do odparovačov, kde sa vyparovala pri tlaku 4 kPa. Vyrobená para s teplotou iba 40 °C expandovala v turbíne. V kondenzátore para kondenzovala ochladením studenou vodou, ktorá sa čerpala z hĺbky oceánu. V polárnych oblastiach je rozdiel medzi priemernou  ročnou teplotou vzduchu a priemernou teplotou vody nepatrný. Využitie teplotných spádov vody a vzduchu ja pre malú koncentráciu energie málo efektívne a obmedzuje sa na ojedinelé pokusy. Na druhej strane rozloha tropických oceánov je veľká a nahromadené množstvo tepla je neobmedzené. Pretože je takmer neustále k dispozícií, jeho využitie neznečisťuje ani chemicky, ani tepelne životné prostredie, predstavuje perspektívny energetický zdroj.
 
ENERGIA MORSKÉHO PRÍBOJA:
Morský príboj alebo vlnobitie je výsledkom pôsobenia vetra a v menšej miere kmitanie vodných častíc, ktoré nastáva vplyvom príťažlivosti  mesiaca, slnka a iných telies našej slnečnej sústavy. Výška vĺn dosahuje až 16m a pri súčasnom pôsobení prílivu až 25m. Na využitie príboja  bolo navrhnutých viacej konštrukcií. Japonská konštrukcia je so zakotveným plavákom. Pohyb plaváka nahor a nadol sa prenáša lanami, pomocou kladiek a prevodov na generátor s výkonom 50 kW.  Anglické riešenie sa skladá z plutiev spojených kĺbami a vyvíjajú tlak na piesty protibežných valcov. Tieto poháňajú kvapalinové motory spojené s generátormi striedavého prúdu. Zariadenie ja umiestnené 20km od západného pobrežia Škótska, kde sa nachádza najväčšie vlnové pole na svete. Výkonnosť plošiny je asi 2 MW.

Ďalšími možnými alternatívnymi zdrojmi energie možu byť geotermálna energia alebo energia prílivu,odlivu a morského prúdu. Tieto spôsoby energie už ale nesúvisia so Slnkom a jeho žiarením.
 
ENERGIA PRÍLIVU A ODLIVU:
Morský príliv a odliv vzniká pôsobením príťažlivosti mesiaca, slnka a rotácie zeme. Príliv a odliv je cyklický úkaz. Rozdiel hladín sa pohybuje v rozsahu 2 až 4m, no sú známe miesta, kde je rozdiel až 16m. Rozdiel vodných hladín medzi prílivom a odlivom sa dá použiť na pohon vodných turbín. Využitím členitosti morského pobrežia sa dajú postaviť hrádze, cez ktoré sa môže striedavo napĺňať a vyprázdňovať umelá nádrž. Problém pri takomto spôsobe výroby energie je v tom,že morská soľ opotrebáva a ničí turbíny a steny elektrárne a tak znižuje ich životnosťý.

GEOTERMÁLNA ENERGIA:
Geotermálnou energiou rozumieme energiu vulkanického pôvodu zo sopečných žriedel a energiu získanú z prirodzeného zemského tepla.
Vulkanické teplo je dôsledokochladzovania zemského magmatu. Na zemský povrch sa dopravuje vodou, vodnou parou alebo plynmi. Najznámejšie žriedla sa nachádzajú na Novom Zélande, Islande, Japonsku, Taliansku, Mexiku, USA a v Rusku na Kamčatke. Prirodzená teplota zeme sa zväčšuje na každých 100m o 2,5 – 3 ºC. V hĺbkach 6000 m pri ropných vrtoch sa zistila teplota 150 – 200 ºC. Prirodzené teplo zeme sa dá teoreticky využiť tak, že do vrtu sa čerpá voda a spätným potrubím prúdi voda alebo para. Na Slovensku bolo v roku 1990 evidovaných 1 236 minerálnych a termálnych prameňov, z toho sa 17 využíva v kúpeľoch. O využití geotermálnej energie rozhoduje akosť vody a pary získanej zo zeme a najmä obsah chemických látok, vody a plynov v pare. Horúce pramene sa dajú využívať priamo, alebo pomocou výmenníkov a tepelných čerpadiel.