Formy sluneční energie

Pár slov na úvod

Energie Slunce k nám putuje téměř výhradně v podobě elektromagnetického záření, a to nejen ve viditelné oblasti spektra. Tento neustálý tok energie proudí ze Slunce na naší planetu nepřetržitě už přibližně 4,5 miliardy let. Kdybychom byli důslední, pak naše centrální hvězda ovlivňuje naší planetu také svou gravitací. Tuto sílu můžeme vnímat třeba při pobytu na pobřeží jako příli a odliv (zde má díky své blízkosti mnohem větší vliv náš Měsíc). V neposlední řadě však Slunce ovlivňuje naší planetu nejrůznějšími projevy své aktivity, čímž se mění intenzita elektromagnetického záření (rentgenového, extrémně ultrafialového apod.), které na povrch planety díky atmosféře nedostane. Nesmíme však také zapomenout na změnu rychlosti a hustoty slunečního větru, prakticky neustálého proudu nabitých částic směřujících od Slunce do meziplanetárního prostoru. V této části se však budeme stručně zabývat pouze viditelným zářením, které proniká zemskou atmosférou a můžeme je zachytit a případně energeticky využít na povrchu naší planety.

Formy energie Slunce

Sluneční záření, které k Zemi dorazí po zhruba osmi a půl minutách minutách od okamžiku uvolnění daného fotonu ze sluneční atmosféry, se přibližně z jedné třetiny odrazí od atmosféry, povrchu, či vody zpět do meziplanetárního prostoru. Zbývající část je nějakým způsobem pohlcena a nějak využita v rámci složitého planetárního systému (atmosféra, vody, pevniny aj.).

Celý systém přeměn, distribuce a využití sluneční energie v pozemských systémech není vůbec jednoduchý a teprve v posledních letech začínáme mít určitou, zatím velmi hrubou, představu o tom, jak to přibližně funguje. Jak jsme výše uvedli, přibližně 67 % sluneční energie (v podobě záření) dopadající na planetu Zemi je planetou resp. jednotlivými složkami (atmosférou, kontinenty, vodou, aj.) pohlceno. Potřeby lidstva, ba i celé biosféry jsou neuvěřitelně malé k tomu, co nám velkoryse a bezúplatně Sluníčko ve formě svého záření poskytuje (viz další kapitola). Zatím to vypadá velmi dobře. Z praktického a komerčního pohledu však existuje celá řada problémů, které způsobují značné omezení možností efektivního využití tohoto na první pohled nevyčerpatelného potenciálu.

V současné době kryje lidstvo naprosto drtivou většinu svých energetických potřeb využíváním fosilních paliv, se všem negativnímiu důsledky (zátěž pro životní prostedí při těžbe, dopravě, spalování, přeměnách). V posledních několika desítkách let však roste snaha lidstva pokrývat větší podíl svých energetických potřeb obnovitelnými zdroji, které téměř všechny mají původ ve sluneční energii. Cesty ke zvyšování využití sluneční energie jsou různé a bohužel ne vždy optimální a ohleduplné.

Využití energie Slunce

Vraťme se však k energii, která je naší planetou nějakým způsobem pohlcena. Na co je tato energie využita? Přibližnou bilanci vidímě na snímku vlevo. Z původně cca 67 % slunečního záření, které je pohlceno planetou je zhruba polovina pohlcena pevným povrchem a vodou, tato energie obojí prostředí ohřívá.

Nesmímě zapomenou ani na sluneční energii, která je spotřebována pro vypařování vody. Aby mohlo dojít k odpaření kapaliny, musíme do systému dodávat teplo. V tomto případě dodávku energie zajišťuje Slunce.

Zbývající část energie (tedy asi 20 %) je pohlcena zemskou atmosférou, kde je využita k jejímu nerovnoměrnému ohřevu. Ovšem nerovnoměrný ohřev vzdušných mas (ať už přímý nebo zprostředkovaný díky ohřevu povrchu kontinentů či kapalné vody) vede ke vzniku oblastí s rozdílným tlakem. Tyto tlakové rozdíly vedou ke vzdušnému proudění, způsobují vítr.

Jak málo stačí

Vraťme se ještě chvíli k zajímavým poměrům a číslům. Pokud bychom si vzali množství sluneční energie, které je celou planetou pohlceno (tedy oněch 67 % z celkové energie dopadající na planetu) jako 100 %, podívejme se kolik energie v tomto porovnání potřebuje celé lidstvo. Možná vás výsledky trochu překvapí.

Jak je vidět, lidstvu k pokrytí všech jeho energetických potřeb stačí velmi malé množství z celého množství slunečního záření pohlceného planetou - pouhá jedna setina procenta (!). Vypadá to velmi jednoduše, ale realita je podstatně horší. Množství energie dopadající na zemský povrch velmi silně kolísá jak s časem (denní rytmus, roční ryytmus, atd.), tak s místem, kde se na Zemi nacházíme. Kromě toho bychom museli řešit celou řadu další technických i jiných problémů. Navíc hustota energie dopadající na jednotku plochy není příliš vysoká.

Na oběžné dráze kolem Země je intenzita slunečního záření dopadajícího na plochu 1 metru čtverečního umístěného kolmo ke směru šíření záření necelých 1,4  kW m⁻² (tuto hodnotu označujeme jako sluneční konstantu, i když už dnes víme, že se tato hodnota s časem mírně mění). Na povrchu Země je intenzita slunečního záření ještě podstatně menší. Pokud bychom začali srovnávat hustotu výkonu na jednotku plochy v případě klasických fotovoltaických elektráren a porovnali to s klasickými tepelnými, vodními či jadernými elektrárnami, zjistíme, že je velmi nízká. To je také jedna z nevýhod tohoto způsobu výroby elektřiny. Navíc účinnost přímé přeměny slunečního záření na elektřinu v dnešních zařízeních (fotovoltaických panelech) činí obvykle kolem 15-17 % a zlepšuje se to jen velmi pomalu.

Další přeměny

• přímá sluneční energie (sluneční záření)
• biomasa
• energie vody
• energie větru

Ale pokud se nad tím zamyslíte, všechny vyjmenované druhy využívají energie Slunce. 

Pokud pomineme přímé sluneční záření, kde je to jednoznačné, podívejme se velmi stručně na ostatní vyjmenované druhy obnovitelných zdrojů energie.

Energetické využívání biomasy je staré téměř jako lidstvo samo. Ano, je to například dřevo, ale také potraviny, které ke svému životu a pohybu potřebují všichni živočichové včetně člověka. Energie je v biomase uložena ve formě složitějších organických chemických látek, do kterých je ukládána v průběhu procesu zvaného fotosyntéza, která je klíčovým procesem a vlastně vstupní branou energie do celé biosféry.

Energii uloženou v biomase můžeme uvolnit třeba lavinovitě tzv. hořením (oxidací), při kterém se teplo (energie) uvolňuje nebo postupně a pomalu díky štěpení složitějších látek na látky jednodušší s uvolněním energie (příjem a zpracování potravy u živočichů).

Energie vody je také jen jiná forma energie Slunce. Zdrojem energie nezbytné k odpařování je sluneční záření. Abychom mohli využít kinetické energie vodních mas tekoucích z výše položených míst do níže položených míst, musíme z oblastí intenzivního odpařování vody dostat vodní páry nad hory, tedy výše položená místa na pevninách. K tomu slouží pohyby vzdušných mas (vítr) ženoucí vlhčí vzduch nad pevniny. Zde vlhké vzdušné masy stoupají podél horských úbočí nahoru, do chladnějších míst, kde dochází ke kondezaci vodní páry a vzniku malých kapiček či ledových krystalků. Při dostatečné velikosti kapiček či ledových krystalků začnou z oblaků vypadávat směrem dolů - prší nebo sněží. A pak už voda postupně stéká z malých stružek do větší, pak potůčků a potoků až do řek, kde lidé stavějí jezy či přehrady a energii vody (formou přeměněné energie Slunce) využívají.

O energii větru jsme se již zmiňovali. I zde se jedná o formu energie Slunce. Nerovnoměrný ohřev povrchu způsobuje vznik tlakových rozdílů. V některých místech Slunce svítí více, a více tak ohřívá povrch, roste teplota vzduchu a klesá jeho hustota... teplý vzduch stoupá nahoru a na jeho místo se z okolních chladnějích míst tlačí chladnější vzduch. A vzdušný proud (vítr) je na světě.

Dnes ještě využíváme pomocí speciálních zařízení (tepelných čerpadel) také nízkopotenciální teplo okolí. Tedy teplo obsažené ve vzduchu, vodě či zemině. I toto okolí je ohříváno slunečním zářením.

Více o technice a praktických záležitostech využívání energie Slunce v podmínkách praxe najdete v části Využití sluneční energie.