1

5 VYUŽITIE SLNEČNEJ ENERGIE

2

5.1 Slnko – ako základný zdroj energie

Slnečné žiarenie je základom pre obnoviteľné zdroje energie ako:

- biomasa, vodná, veterná a slnečná energia.

Fakty o Slnku

- hviezda (plynná, žeravá guľa) o priemere 1,4.10

6

km

- stredná vzdialenosť Slnka od Zeme je 149,6.10

6

km

- hmotnosť Slnka je 1,9891 x 10

30

kg, čo je 98 % hmotnosti Slnečnej sústavy

(planéty, mesiace planét, asteroidy, meteority, kométy a prach),

http://www.ta3.sk/~zkanuch/apvv/wwwheslar/pdf/1205224343_Slnko.pdf

http://www.astropresov.sk/ss_cisla.html

http://astronomy.wz.cz/info_slnko.php

http://www.youtube.com/watch?v=6Adt2BjZcqA&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=JWcSz6dlZfs

- vek Slnka, podobne ako celej Slnečnej

sústavy, sa odhaduje na 4,6 miliardy rokov

- zloženie Slnka: 74 % vodíka, 23 % hélia

a 3 % ostatných prvkov

- teplota povrchu Slnka je 5 780 K.

3

- Energia Slnka vzniká v jeho jadre, v ktorom prebiehajú

termojadrové reakcie

- Slnečné jadro je "jadrová pec " s teplotou až 15.10

6

ºC a hustotou 160 krát väčšou

ako je hustota vody.

- pri takýchto podmienkach sa navzájom narážajúce jadrá vodíkových atómov zlučujú a

menia sa na jadrá hélia. Výsledný atóm je o niečo ľahší ako atóm pôvodný, zvyšok

hmoty sa uvoľní vo forme energie.

- každú sekundu sa v Slnku premení cca 600 mil. ton vodíka na cca 596 mil. ton hélia

http://sk.wikipedia.org/wiki/Vod%C3%ADk/

Deutérium: izotop vodíka (

2

H), Konfigurácia: 1 protón, 1 neutrón, 1 elektrón

Trícium: izotop vodíka (

3

H), Konfigurácia: 1 protón, 2 neutróny, 1 elektrón

Izotopy chemického prvku sú atómy tohto prvku s rovnakými protónovými číslami, ale s rôznymi počtami

neutrónov (teda s rôznymi nukleónovými číslami). Nukleonové číslo predstavuje celkový počet nukleónov (teda

protónov a neutrónov) v atómovom jadre.

4

5

- každú sekundu sa teda 4,3.10

6

ton slnečnej hmoty premení na energiu

vyžiarenú do okolitého vesmíru (podľa Einsteinovho vzťahu E=m.c

2

, to

predstavuje uvoľnenú energiu 3,839.10

26

J)

- výkon tohto obrovského „termojadrového“ reaktora je teda

3,839.10

26

W

- z tohto výkonu dopadá vzhľadom na uhlový rozmer Zeme na jej povrch tok

slnečného žiarenia len

1,725.10

17

W

(na hranici atmosféry).

- je to asi 10 000 krát viac než v súčasnosti ľudstvo potrebuje.

- Energia Slnka teda pochádza z termojadrovej reakcie premeny vodíka na hélium

(jadrová fúzia), ktorá bude prebiehať podľa odhadov ešte 5 až 7 miliárd rokov

http://www.ta3.sk/~zkanuch/apvv/wwwheslar/pdf/1205224343_Slnko.pdf

http://www.astropresov.sk/ss_cisla.html

http://astronomy.wz.cz/info_slnko.php

6

Integrálna hodnota spektra (súčet energií všetkých spektrálnych zložiek) na hranici

atmosféry sa nazýva

solárna konštanta a má hodnotu cca 1 367 W/m

2

.

Slnečné žiarenie

je elektromagnetické žiarenie s vlnovými dĺžkami v rozsahu od 250

do 2500 nm.

1)

Ultrafialové žiarenie

(od 250 do 380 nm)

2)

Viditeľné svetlo

(od 380 do 780 nm)

3)

Infračervené žiarenie

(780 – 2500 nm)

Energetické spektrum slnečného žiarenia

Spektrálne vlastnosti slnečného žiarenia

7

http://chartsgraphs.wordpress.com/2009/11/12/understanding-the-science-of-co2%E2%80%99s-role-in-
climate-change-1-introduction/

Výpočet solárnej konštanty:

8

Veľkosť solárnej konštanty sa nepatrne mení v závislosti na:

http://www.skepticalscience.com/NASA-scientists-expect-more-rapid-global-warming-in-the-very-
near-future-part-2.html

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Seasons1.svg

http://www.enerpoint.net/photovoltaic_technology_1.php

- aktuálnej vzdialenosti Zeme a Slnka

(dráha pohybu je mierne eliptická)

- zmenách aktivity slnečných škvŕn

(11-ročný cyklus)

152 mil. km

147 mil. km

9

- tvar krivky slnečného spektra sa dá aproximovať krivkou žiarenia absolútne čierneho

telesa (Planckov zákon).

- teplota absolútne čierneho telesa s rovnakým žiarivým výkonom ako Slnko potom udáva

efektívnu teplotu

T

eff

slnečnej fotosféry, ktorá je 5780 K.

Planckov zákon - každé teleso, ktoré má teplotu vyššiu ako nula (0) K, vyžaruje

energiu. Čím vyššia teplota telesa, tým je maximum krivky vyžarovania pri nižších

vlnových dĺžkach.

Energetické spektrum slnečného žiarenia

Spektrum žiarenia absolútne čierneho telesa

(Planckov zákon)

10

http://www.daa.fmph.uniba.sk/index.php?utid=64&id=110

Zo slnečného žiarenia dopadajúceho na vonkajšie vrstvy atmosféry Zeme sa na Zemský

povrch dostane iba časť v dôsledku

odrazivosti

Zemskej atmosféry a

absorpcie

molekulami

v atmosfére (atmosféra má filtračný účinok - hlavne v UV oblasti):

Slnečné spektrum nad atmosférou a na povrchu Zeme

-v ultrafialovej oblasti spektra dominuje absorpcia molekulami ozónu

O

3

v ozónovej vrstve (absorpčné pásy),

-v infračervenej oblasti je časť žiarenia absorbovaná najmä molekulami

vodnej pary H

2

O a tiež molekulami CO

2

(absorpčné pásy).

Percentuálny podiel solárneho

spektra na povrchu Zeme

Na povrch Zeme (kolmo k Slnku) teda dopadá pri peknom
počasí okolo poludnia maximálne

1000 W/m

2

.

11

Medzi ďalšie faktory, ktoré ovplyvňujú veľkosť žiarivej energie na Zem je:
- nadmorská výška (žiarenie prechádza tenšou vrstvou atmosféry)

- znečistenie vzduchu (spôsobuje rozptyl alebo absorbovanie žiarenia)

- oblačnosť

- uhol dopadov lúčov Slnka, ktorý závisí od:

- miesta na zemskom povrchu

- času

12

Energetické spektrum slnečného žiarenia

AM 0 – Slnečné žiarenie na hranici atmosféry (cca 1366 W/m

2

)

AM 1.5 – Spektrum slnečného žiarenia na zemskom povrchu dopadajúceho pod

uhlom 48,2° oproti kolmici. Slnečné žiarenie prechádza hrúbkou 1.5xAM.

Pozn. Testovanie fotovoltických článkov sa realizuje pri spektre AM 1.5, teplote 25°C, intenzite slnečného

žiarenia

I

= 1000 W.m

-2

Pokles žiarenia je tiež závislý na uhle dopadu lúčov a tým aj na hrúbke atmosféry, ktorou

musí prejsť.

Preto sa používa tzv. AM (Air Mass factor) – optická hrúbka atmosféry, ktorá vyjadruje

násobok hrúbky atmosféry, ktorou musí svetlo prejsť.

Optická hrúbka atmosféry – AM (Air Mass factor)

AM 1 - Slnko je kolmo k zemskému povrchu, slnečné žiarenie prechádza hrúbkou

atmosféry (1xAM).

Hodnota AM pre danú polohu

Slnka na oblohe

13

http://www.volker-quaschning.de/articles/fundamentals1/index.php

Definícia uhlov pre opis polohy slnka



s

- elevačný (výškový) uhol - uhol medzi horizontom a

stredom Slnka)



s

– azimut - uhol, meraný v smere hodinových

ručičiek, medzi zemepisným severom a bodom na

horizonte priamo pod slnkom

Pozícia Slnka a hodnoty AM v čase poludnia (t.j. v

čase, keď je Slnko počas dňa najvyššie – max.



s

)

pre rôzne dni v Berlíne (Nemecko) a Káhire (Egypt)

Pozn.: Hodnota AM závisí od zemepisnej

polohy, od dátumu a času.

Je zrejmé, že v Káhire je v tom istom

čase hodnota AM vždy menšia ako v

Berlíne.

14

Diagram dráhy Slnka pre Berlín

čas poludnia

(12:00)

15

- slnečné žiarenie prichádza v inom uhle k

zemskému povrchu na póloch než na rovníku.

- v dôsledku toho je oblasť, ktorú zväzok lúčov

pokrýva, najmenšia na rovníku a zväčšuje sa k

pólom (oblasť b je väčšia než oblasť a).

- preto Zem prijíma viac žiarenia na jednotkovú

plochu na rovníku než na póloch.

http://www.boinc.sk/projekty-knihy/zaklady-klimatologie

Priemerná denná hodnota (7/1983-6/2005)

slnečného žiarenia vo svete v kWh/m

2

/deň

Celková ročná hodnota slnečného žiarenia vo svete

v kWh/m

2

/rok

http://www.inforse.org/europe/dieret/Solar/solar.html

16

Kolísanie množstva slnečnej energie počas roka

http://scienceblogs.com/startswithabang/2011/02/10/never-a-miscommunication/

http://solargis.info/doc/103

- na severnej pologuli sú: dni dlhšie v lete ako v zime, uhol dopadu žiarenia je viac

kolmý v lete ako v zime

- čím sme bližšie k rovníku, tým sú menšie rozdiely medzi zimným a letným polrokom

- spôsobuje hlavne sklon zemskej osi.

- pri obehu Zeme okolo Slnka je viac ožiarená raz severná a raz južná pologuľa

17

Kolísanie množstva slnečnej energie počas roka

http://scienceblogs.com/startswithabang/2011/02/10/never-a-miscommunication/

http://solargis.info/doc/103

18

Kolísanie množstva slnečnej energie počas roka

http://www.physicalgeography.net/fundamentals/6i.html

19

Kolísanie množstva slnečnej energie dňa

- spôsobuje rotácia Zeme okolo svojej osi

http://vudeevudeewiki.blogspot.sk/2012_01_01_archive.html

Priebeh slnečného žiarenia počas dňa na 45 ° severnej šírky

- 21.jún (letný slnovrat) - najdlhší deň v roku na severnej pologuli (čím severnejšie, tým

kratší deň), najkratší deň v roku na južnej pologuli. Na severnej pologuli začína leto,

na južnej pologuli zima.

- 21.december (zimný slnovrat) - najkratší deň v roku na severnej pologuli, najdlhší deň

v roku na južnej pologuli. Na severnej pologuli začína zima, na južnej pologuli leto.

- 21. marec (jarná rovnodennosť), 23. september (jesenná rovnodennosť). Zemská os

je kolmá na spojnicu Zem-Slnko

20

21

Celkové množstvo žiarenia prijímaného Zemou zo Slnka je určené zemským

prierezom (



r

2

), ale ako planéta rotuje, je táto energia distribuovaná na celý zemský

povrch (4



r

2

).

Z toho dôvodu je priemerná hodnota množstva slnečného žiarenia (tzv. insolácia

rovná jednej štvrtine slnečnej konštanty – okolo 342 W/m².

Priemerná hodnota množstva slnečného žiarenia prijímaného Zemou

22

Vplyvom prekážok v atmosfére a na zemskom povrchu registrujeme tri základné druhy

slnečného žiarenia:

1) priame slnečné žiarenie

, ktoré pri prechode zemskou atmosférou nezmenilo svoj

smer,

2) difúzne žiarenie

, ktoré pri prechode atmosférou interakciou s jej vrstvami,

molekulami obsiahnutých materiálov a ich častíc

(oblakoch, nečistotách v atmosfére)

zmenilo svoj smer. Pôsobí zo všetkých strán oblohy,

3) odrazené žiarenie

, pôsobiace od povrchu Zeme a iných objektov.

Súčet týchto troch zložiek žiarenia je

celkové (globálne) slnečné žiarenie

,

ovplyvňujúce návrh a výkon slnečných energetických systémov.

http://www.siea.sk/materials/files/poradenstvo/publikacie/brozury/ako_vybrat_kolektor/SIEA_brozura_Ako_vybrat_kolektor_WEB.pdf

Pozn.: Solárny systém pracuje aj vtedy, keď je

obloha zatiahnutá – vtedy využíva difúzne a

odrazené žiarenie.

Priame, difúzne, globálne slnečné žiarenie

23

Pozn.: V našich zemepisných podmienkach je celková doba slnečného svitu bez

oblačnosti zhruba 1200 – 2000 hodín ročne, v závislosti od výskytu hmiel a inverznej

oblačnosti.

Intenzita slnečného žiarenia

a podiel difúzneho žiarenia

pri rôznych poveternostných

podmienkach

Priemerná ročná hodnota (4/2004-3/2010) slnečného

žiarenia v Európe v kWh/m

2

/rok

- ročne dopadne na naše územie na 1 m

2

cca 1100 kWh

- z toho 75 % v dobe od apríla do októbra, 25 % v ostatnom čase roku

24

Podiel priameho a difúzneho slnečného žiarenia na globálnom žiarení na území SR:

Globálne slnečné žiarenie na území SR

Priame slnečné žiarenie na území SR

Difúzne slnečné žiarenie na území SR

25

Priemerná ročná hodnota (4/2004-3/2010)

slnečného žiarenia v Poľsku v kWh/m

2

/rok

http://solargis.info/doc/71#P

Priemerná ročná hodnota (4/2004-3/2010) slnečného

žiarenia na Slovensku v kWh/m

2

/rok