Solární tepelná energie: Využití slunečního tepla pomocí systémů pro sběr a ukládání

Solární tepelná technologie nabízí výkonný a všestranný způsob využití sluneční energie. Na rozdíl od fotovoltaických (PV) systémů, které přeměňují sluneční světlo přímo na elektřinu, solární tepelné systémy zachycují sluneční teplo k výrobě horké vody, horkého vzduchu nebo páry. Tato tepelná energie může být poté přímo využita pro vytápění a chlazení, nebo k výrobě elektřiny pomocí parních turbín. Klíčovou výhodou solární tepelné energie je navíc její schopnost integrace se systémy akumulace tepelné energie (TES), což umožňuje energii ukládat a využívat, když sluneční svit není k dispozici, a řešit tak problémy s přerušovaností, kterým čelí jiné obnovitelné zdroje energie.

Porozumění sběru solární tepelné energie

Jádrem každého solárního tepelného systému je kolektor, který je zodpovědný za pohlcování slunečního záření a jeho přeměnu na využitelné teplo. Existují různé typy kolektorů, z nichž každý je vhodný pro specifické aplikace a teplotní rozsahy.

Typy solárních tepelných kolektorů

• Ploché deskové kolektory: Jedná se o nejběžnější typ solárních tepelných kolektorů, které se obvykle používají pro ohřev užitkové vody a vytápění prostor. Skládají se z tmavé absorpční desky, často s připojenými trubkami nebo kanálky, zakryté průhledným zasklením. Absorpční deska pohlcuje sluneční záření a předává teplo kapalině (vodě nebo nemrznoucí směsi), která cirkuluje v trubkách. Ploché deskové kolektory jsou relativně jednoduché konstrukce, nákladově efektivní a vhodné pro aplikace s nižšími teplotami (do 80 °C).
• Vakuové trubicové kolektory: Tyto kolektory nabízejí vyšší účinnost než ploché deskové kolektory, zejména v chladnějším podnebí a při vyšších teplotách. Skládají se z jednotlivých skleněných trubic obsahujících vakuum. Vakuum minimalizuje tepelné ztráty konvekcí a kondukcí, což umožňuje dosáhnout vyšších provozních teplot. Vakuové trubicové kolektory se často používají pro ohřev užitkové vody, vytápění prostor a pro průmyslové procesní teplo.
• Koncentrační solární kolektory (CSP): Tyto kolektory používají zrcadla nebo čočky k soustředění slunečního světla na menší přijímač, čímž koncentrují sluneční energii a dosahují mnohem vyšších teplot. Technologie CSP se obvykle používají pro výrobu elektřiny a průmyslové procesní teplo. Příklady technologií CSP zahrnují:
  • Parabolické žlabové kolektory: Tyto kolektory používají zakřivená zrcadla k soustředění slunečního světla na přijímací trubici umístěnou podél ohniskové linie žlabu. Teplonosná kapalina (HTF), jako je olej nebo roztavená sůl, cirkuluje přijímací trubicí a pohlcuje koncentrovanou sluneční energii. Parabolické žlabové systémy jsou široce využívány pro výrobu elektřiny.
  • Solární věže: Tyto systémy používají pole zrcadel (heliostatů) k odrážení slunečního světla na centrální přijímač umístěný na vrcholu věže. Koncentrovaná sluneční energie ohřívá pracovní tekutinu (vodu, roztavenou sůl nebo vzduch) v přijímači, která se poté používá k výrobě elektřiny.
  • Systémy s parabolickým zrcadlem a motorem: Tyto systémy používají parabolické talířové reflektory k soustředění slunečního světla na přijímač, který je přímo spojen s tepelným motorem (např. Stirlingovým motorem). Tepelný motor přeměňuje tepelnou energii na mechanickou energii, která se poté používá k výrobě elektřiny.

Faktory ovlivňující výkon kolektoru

Výkon solárních tepelných kolektorů ovlivňuje několik faktorů, včetně:

• Sluneční ozáření: Množství slunečního záření dopadajícího na povrch kolektoru přímo ovlivňuje množství pohlceného tepla.
• Okolní teplota: Vyšší okolní teploty mohou snížit účinnost kolektoru, protože se zmenšuje teplotní rozdíl mezi kolektorem a prostředím.
• Orientace a sklon kolektoru: Úhel a orientace kolektoru vůči poloze slunce významně ovlivňují množství zachyceného slunečního záření. Optimální úhly orientace a sklonu se liší v závislosti na zeměpisné šířce a ročním období.
• Účinnost kolektoru: Účinnost kolektoru určuje, kolik dopadajícího slunečního záření je přeměněno na využitelné teplo.
• Povětrnostní podmínky: Zatažené nebo oblačné podmínky snižují sluneční ozáření a negativně ovlivňují výkon kolektoru.

Systémy akumulace tepelné energie (TES)

Akumulace tepelné energie (TES) je klíčovou součástí mnoha solárních tepelných systémů, která umožňuje ukládání tepla pro pozdější použití. To umožňuje využívat solární energii i v době, kdy sluneční svit není k dispozici, například v noci nebo během zatažených dnů. TES může výrazně zlepšit spolehlivost a dispečerskou regulovatelnost solární tepelné energie, což z ní činí životaschopnější alternativu k fosilním palivům.

Typy akumulace tepelné energie

• Akumulace citelného tepla: Jedná se o nejběžnější typ TES, který spočívá v ukládání tepelné energie zvýšením teploty akumulačního média, jako je voda, olej, kámen nebo beton. Množství uložené energie závisí na měrné tepelné kapacitě akumulačního materiálu, jeho hmotnosti a změně teploty. Akumulace citelného tepla je relativně jednoduchá a nákladově efektivní, ale může vyžadovat velké objemy pro skladování.
• Akumulace latentního tepla: Tento typ TES využívá teplo pohlcené nebo uvolněné během fázové přeměny materiálu, jako je tání nebo tuhnutí. Materiály s fázovou přeměnou (PCM) mohou uchovávat výrazně více energie na jednotku objemu než materiály pro akumulaci citelného tepla. Mezi běžné PCM patří parafínové vosky, hydráty solí a organické sloučeniny. Akumulace latentního tepla nabízí vyšší hustotu energie ve srovnání s akumulací citelného tepla, ale PCM mohou být dražší a vyžadují pečlivý návrh pro zajištění účinného přenosu tepla.
• Termochemická akumulace: Tento typ TES spočívá v ukládání energie prostřednictvím reverzibilních chemických reakcí. Při dodání tepla chemická reakce absorbuje energii, a když je reakce obrácena, energie se uvolňuje. Termochemická akumulace nabízí potenciál pro velmi vysoké hustoty energie a dlouhodobé skladování, ale jedná se o složitější technologii, která je stále ve vývoji.

Faktory ovlivňující výkon TES

Výkon systémů akumulace tepelné energie ovlivňuje několik faktorů, včetně:

• Kapacita akumulace: Množství tepelné energie, které může systém akumulace pojmout.
• Účinnost akumulace: Procento uložené energie, které lze získat zpět.
• Rychlost nabíjení a vybíjení: Rychlost, jakou lze energii ukládat a uvolňovat.
• Doba akumulace: Doba, po kterou lze energii skladovat bez významných ztrát.
• Vlastnosti akumulačního materiálu: Tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita a další vlastnosti akumulačního materiálu.

Aplikace solární tepelné technologie

Solární tepelná technologie má širokou škálu aplikací, které zahrnují rezidenční, komerční, průmyslové a energetické sektory.

Rezidenční a komerční aplikace

• Solární ohřev vody: Toto je nejběžnější aplikace solární tepelné technologie, která se používá k ohřevu užitkové vody pro domácnosti a podniky. Solární systémy na ohřev vody mohou výrazně snížit spotřebu energie a snížit účty za energie. Příkladem jsou solární ohřívače vody hojně využívané v zemích jako Izrael a Kypr.
• Solární vytápění prostor: Solární tepelné systémy lze také použít k přímému vytápění budov pomocí solárních vzduchových ohřívačů nebo cirkulací horké vody přes radiátory nebo podlahové topné systémy.
• Solární chlazení: Solární tepelnou energii lze použít k pohonu absorpčních chladičů nebo desikantních chladicích systémů, které poskytují klimatizaci pro budovy. To je obzvláště atraktivní v horkém podnebí, kde je sluneční záření hojné. Příkladem jsou solární chladicí systémy na některých univerzitách na Blízkém východě.
• Solární ohřev bazénů: Solární kolektory lze použít k ohřevu bazénů, čímž se prodlouží plavecká sezóna a sníží náklady na energii.

Průmyslové aplikace

• Solární procesní teplo: Solární tepelné systémy mohou poskytovat procesní teplo pro různé průmyslové aplikace, jako je zpracování potravin, textilní výroba a chemická výroba. To může snížit závislost na fosilních palivech a snížit emise skleníkových plynů. Koncentrační solární elektrárny (CSP) se stále více používají k výrobě vysokoteplotního procesního tepla pro průmysl.
• Solární odsolování: Solární tepelnou energii lze použít k pohonu odsolovacích zařízení, která poskytují sladkou vodu v suchých a vodou chudých oblastech. Příkladem jsou projekty solárního odsolování v Austrálii a na Blízkém východě.

Aplikace v energetice

• Koncentrační solární elektrárny (CSP): CSP elektrárny používají velké soustavy zrcadel k soustředění slunečního světla na přijímač, čímž generují vysokoteplotní teplo, které se používá k výrobě elektřiny pomocí parních turbín. CSP elektrárny mohou zahrnovat akumulaci tepelné energie (TES) k poskytování elektřiny i v době, kdy slunce nesvítí. Příkladem jsou solární elektrárna Noor Ouarzazate v Maroku a Ivanpah Solar Electric Generating System v Kalifornii, USA.
• Solárně asistované dálkové vytápění: Solární tepelné systémy lze integrovat do sítí dálkového vytápění, které poskytují horkou vodu pro vytápění a ohřev užitkové vody pro více budov v komunitě. Příkladem jsou systémy dálkového vytápění v Dánsku a Německu, které zahrnují solární tepelnou energii.

Výhody solární tepelné technologie

Solární tepelná technologie nabízí řadu výhod, což z ní činí přesvědčivé řešení pro udržitelnou energetickou budoucnost:

• Obnovitelná a udržitelná: Solární tepelná energie je obnovitelný a udržitelný zdroj energie, který snižuje závislost na fosilních palivech a zmírňuje změnu klimatu.
• Energetická účinnost: Solární tepelné systémy mohou být vysoce energeticky účinné a přeměňovat významnou část slunečního záření na využitelné teplo.
• Snížené emise uhlíku: Solární tepelná technologie výrazně snižuje emise uhlíku ve srovnání s energetickými systémy založenými na fosilních palivech.
• Energetická bezpečnost: Solární tepelné systémy mohou zvýšit energetickou bezpečnost snížením závislosti na dovážených fosilních palivech.
• Tvorba pracovních míst: Průmysl solární tepelné energie vytváří pracovní místa ve výrobě, instalaci, údržbě a výzkumu a vývoji.
• Stabilita sítě: Solární tepelné elektrárny s akumulací tepelné energie (TES) mohou poskytovat dispečersky regulovatelný výkon, což přispívá ke stabilitě a spolehlivosti sítě.
• Nákladová efektivita: Náklady na solární tepelnou technologii v posledních letech výrazně klesly, což ji činí stále konkurenceschopnější vůči energetickým zdrojům založeným na fosilních palivech.

Výzvy solární tepelné technologie

Navzdory mnoha výhodám čelí solární tepelná technologie také některým výzvám:

• Přerušovanost: Solární energie je přerušovaná, což znamená, že její dostupnost se mění v závislosti na povětrnostních podmínkách a denní době. Akumulace tepelné energie (TES) může pomoci tuto výzvu zmírnit, ale zvyšuje náklady a složitost systému.
• Využití půdy: Koncentrační solární elektrárny (CSP) vyžadují velké plochy půdy, což může být na některých místech problém.
• Spotřeba vody: Některé CSP elektrárny používají vodu k chlazení, což může být problém v suchých oblastech. Technologie suchého chlazení mohou snížit spotřebu vody, ale mohou také zvýšit náklady.
• Vysoké počáteční náklady: Počáteční investiční náklady solárních tepelných systémů mohou být vyšší než u konvenčních energetických systémů, ačkoli tyto náklady rychle klesají.
• Údržba: Solární tepelné systémy vyžadují pravidelnou údržbu k zajištění optimálního výkonu.

Budoucnost solární tepelné technologie

Budoucnost solární tepelné technologie je slibná, s probíhajícími výzkumnými a vývojovými snahami zaměřenými na zlepšení účinnosti, snížení nákladů a rozšíření aplikací. Klíčové oblasti inovací zahrnují:

• Pokročilé návrhy kolektorů: Vývoj účinnějších a nákladově efektivnějších solárních kolektorů.
• Zlepšená akumulace tepelné energie: Vývoj pokročilých materiálů a systémů TES s vyšší hustotou energie a delší dobou akumulace.
• Pokroky v koncentrační solární energii (CSP): Zlepšení účinnosti a snížení nákladů na CSP elektrárny.
• Integrace s jinými obnovitelnými zdroji energie: Kombinace solární tepelné energie s jinými obnovitelnými zdroji energie, jako je větrná a geotermální energie, k vytvoření hybridních energetických systémů.
• Integrace do inteligentních sítí: Integrace solární tepelné energie do inteligentních sítí pro optimalizaci distribuce a řízení energie.
• Nové aplikace: Zkoumání nových aplikací solární tepelné technologie, jako je výroba solárních paliv a průmyslové procesy poháněné solární energií.

Globální příklady a iniciativy

Po celém světě různé země a organizace aktivně propagují a implementují solární tepelné technologie. Zde je několik příkladů:

• Marocká solární elektrárna Noor Ouarzazate: Tato koncentrační solární elektrárna (CSP) je jednou z největších na světě a využívá akumulaci tepelné energie k poskytování elektřiny i po západu slunce. Představuje významnou investici do obnovitelné energie pro Maroko.
• Dánské systémy dálkového vytápění: Dánsko je lídrem v oblasti dálkového vytápění a mnoho jeho systémů zahrnuje solární tepelnou energii k poskytování teplé vody pro domácnosti a podniky. To pomohlo Dánsku snížit závislost na fosilních palivech a snížit emise uhlíku.
• Australské projekty solárního odsolování: Vzhledem ke svému suchému klimatu investovala Austrálie do projektů solárního odsolování, aby poskytla sladkou vodu komunitám. Tyto projekty využívají solární tepelnou energii k pohonu odsolovacích zařízení, čímž snižují dopad výroby vody na životní prostředí.
• Indická národní solární mise: Indická národní solární mise si klade za cíl podporovat zavádění technologií solární energie, včetně solární tepelné, po celé zemi. Mise zahrnuje cíle pro solární ohřev vody, solární procesní teplo a koncentrační solární elektrárny (CSP).
• Plán pro solární tepelnou energii Evropské unie: Evropská unie vypracovala plán pro solární tepelnou energii, který nastiňuje strategie pro zvýšení zavádění solárních tepelných technologií v celé Evropě. Plán zahrnuje cíle pro solární ohřev vody, solární vytápění prostor a solární dálkové vytápění.

Závěr

Solární tepelná technologie nabízí osvědčený a všestranný způsob využití sluneční energie pro širokou škálu aplikací. Zachycováním a ukládáním slunečního tepla mohou tyto systémy poskytovat spolehlivý a udržitelný zdroj energie pro domácnosti, podniky a průmysl. Jak technologie pokračuje v pokroku a náklady klesají, solární tepelná energie je připravena hrát stále důležitější roli v globálním přechodu na čistou energetickou budoucnost. Integrace akumulace tepelné energie (TES) je klíčová pro řešení přerušovanosti a zvýšení dispečerské regulovatelnosti solární tepelné energie, což dále upevňuje její pozici jako klíčové součásti diverzifikovaného a udržitelného energetického portfolia.