Solárna termika: Využívanie slnečného tepla pomocou systémov zberu a uskladnenia

Solárna termálna technológia ponúka výkonný a všestranný spôsob využívania slnečnej energie. Na rozdiel od fotovoltických (FV) systémov, ktoré premieňajú slnečné svetlo priamo na elektrinu, solárne termálne systémy zachytávajú slnečné teplo na výrobu horúcej vody, horúceho vzduchu alebo pary. Táto tepelná energia sa potom môže použiť priamo na vykurovanie a chladenie, alebo na výrobu elektriny prostredníctvom parných turbín. Kľúčovou výhodou solárnej termiky je navyše jej schopnosť integrácie so systémami akumulácie tepelnej energie (TES), čo umožňuje uskladnenie energie a jej využitie, keď slnečné svetlo nie je k dispozícii, čím sa riešia problémy s prerušovanou dodávkou, ktorým čelia iné obnoviteľné zdroje energie.

Pochopenie zberu solárnej termálnej energie

Jadrom každého solárneho termálneho systému je kolektor, ktorý je zodpovedný za absorpciu slnečného žiarenia a jeho premenu na využiteľné teplo. Existujú rôzne typy kolektorov, z ktorých každý je vhodný pre špecifické aplikácie a teplotné rozsahy.

Typy solárnych termálnych kolektorov

• Ploché kolektory: Ide o najbežnejší typ solárnych termálnych kolektorov, ktoré sa zvyčajne používajú na ohrev teplej úžitkovej vody a vykurovanie priestorov. Skladajú sa z tmavo sfarbenej absorbčnej dosky, často s pripojenými rúrkami alebo kanálikmi, pokrytej priehľadným zasklením. Absorbčná doska absorbuje slnečné žiarenie a prenáša teplo na kvapalinu (vodu alebo nemrznúcu zmes), ktorá cirkuluje v rúrkach. Ploché kolektory majú relatívne jednoduchý dizajn, sú nákladovo efektívne a vhodné pre aplikácie s nižšími teplotami (do 80°C).
• Vákuové trubicové kolektory: Tieto kolektory ponúkajú vyššiu účinnosť ako ploché kolektory, najmä v chladnejších klimatických podmienkach a pri vyšších teplotách. Skladajú sa z jednotlivých sklenených trubíc obsahujúcich vákuum. Vákuum minimalizuje tepelné straty konvekciou a vedením, čo umožňuje dosiahnuť vyššie prevádzkové teploty. Vákuové trubicové kolektory sa často používajú na ohrev teplej úžitkovej vody, vykurovanie priestorov a pre priemyselné procesné teplo.
• Koncentračné solárne kolektory (CSP): Tieto kolektory používajú zrkadlá alebo šošovky na sústredenie slnečného svetla na menší prijímač, čím koncentrujú solárnu energiu a dosahujú oveľa vyššie teploty. Technológie CSP sa zvyčajne používajú na výrobu elektriny a priemyselné procesné teplo. Príklady technológií CSP zahŕňajú:
  • Parabolické žľabové kolektory: Tieto kolektory používajú zakrivené zrkadlá na sústredenie slnečného svetla na prijímaciu trubicu umiestnenú pozdĺž ohniskovej čiary žľabu. Teplonosná kvapalina (HTF), ako napríklad olej alebo roztavená soľ, cirkuluje cez prijímaciu trubicu a absorbuje koncentrovanú solárnu energiu. Parabolické žľabové systémy sa vo veľkej miere používajú na výrobu elektriny.
  • Solárne veže: Tieto systémy využívajú pole zrkadiel (heliostatov) na odrážanie slnečného svetla na centrálny prijímač umiestnený na vrchu veže. Koncentrovaná solárna energia ohrieva pracovnú kvapalinu (vodu, roztavenú soľ alebo vzduch) v prijímači, ktorá sa potom používa na výrobu elektriny.
  • Taniere/motorové systémy: Tieto systémy používajú parabolické tanierové reflektory na sústredenie slnečného svetla na prijímač, ktorý je priamo spojený s tepelným motorom (napr. Stirlingovým motorom). Tepelný motor premieňa tepelnú energiu na mechanickú energiu, ktorá sa potom používa na výrobu elektriny.

Faktory ovplyvňujúce výkon kolektora

Výkon solárnych termálnych kolektorov ovplyvňuje niekoľko faktorov, vrátane:

• Slnečné ožiarenie: Množstvo slnečného žiarenia dopadajúceho na povrch kolektora priamo ovplyvňuje množstvo absorbovaného tepla.
• Okolitá teplota: Vyššie okolité teploty môžu znížiť účinnosť kolektora, pretože teplotný rozdiel medzi kolektorom a okolím sa zmenšuje.
• Orientácia a sklon kolektora: Uhol a orientácia kolektora voči polohe slnka významne ovplyvňujú množstvo zachyteného slnečného žiarenia. Optimálna orientácia a uhly sklonu sa líšia v závislosti od zemepisnej šírky a ročného obdobia.
• Účinnosť kolektora: Účinnosť kolektora určuje, koľko dopadajúceho slnečného žiarenia sa premení na využiteľné teplo.
• Počasie: Oblačné alebo zamračené podmienky znižujú slnečné ožiarenie a negatívne ovplyvňujú výkon kolektora.

Systémy akumulácie tepelnej energie (TES)

Akumulácia tepelnej energie (TES) je kľúčovou súčasťou mnohých solárnych termálnych systémov, ktorá umožňuje uskladnenie tepla na neskoršie použitie. To umožňuje využívať solárnu energiu aj vtedy, keď nie je k dispozícii slnečné svetlo, napríklad v noci alebo počas zamračených dní. TES môže výrazne zlepšiť spoľahlivosť a regulovateľnosť dodávky solárnej termálnej energie, čím sa stáva životaschopnejšou alternatívou k fosílnym palivám.

Typy akumulácie tepelnej energie

• Akumulácia citeľného tepla: Toto je najbežnejší typ TES, ktorý zahŕňa ukladanie tepelnej energie zvýšením teploty akumulačného média, ako je voda, olej, kameň alebo betón. Množstvo uloženej energie závisí od mernej tepelnej kapacity akumulačného materiálu, jeho hmotnosti a zmeny teploty. Akumulácia citeľného tepla je relatívne jednoduchá a nákladovo efektívna, ale môže vyžadovať veľké objemy zásobníkov.
• Akumulácia latentného tepla: Tento typ TES využíva teplo absorbované alebo uvoľnené počas fázovej premeny materiálu, ako je topenie alebo tuhnutie. Materiály s fázovou premenou (PCM) môžu uložiť podstatne viac energie na jednotku objemu ako materiály na akumuláciu citeľného tepla. Bežné PCM zahŕňajú parafínové vosky, hydráty solí a organické zlúčeniny. Akumulácia latentného tepla ponúka vyššiu hustotu energie v porovnaní s akumuláciou citeľného tepla, ale PCM môžu byť drahšie a vyžadujú si starostlivý návrh na zabezpečenie efektívneho prenosu tepla.
• Termochemická akumulácia: Tento typ TES zahŕňa ukladanie energie prostredníctvom reverzibilných chemických reakcií. Keď sa aplikuje teplo, chemická reakcia absorbuje energiu, a keď sa reakcia obráti, energia sa uvoľní. Termochemická akumulácia ponúka potenciál pre veľmi vysoké hustoty energie a dlhodobé skladovanie, ale ide o zložitejšiu technológiu, ktorá je stále vo vývoji.

Faktory ovplyvňujúce výkon TES

Výkon systémov akumulácie tepelnej energie ovplyvňuje niekoľko faktorov, vrátane:

• Kapacita akumulácie: Množstvo tepelnej energie, ktoré môže systém akumulácie udržať.
• Účinnosť akumulácie: Percento uloženej energie, ktoré je možné získať späť.
• Rýchlosti nabíjania a vybíjania: Rýchlosť, akou sa energia môže ukladať a uvoľňovať.
• Doba akumulácie: Dĺžka času, počas ktorého môže byť energia uložená bez významných strát.
• Vlastnosti akumulačného materiálu: Tepelná vodivosť, merná tepelná kapacita a ďalšie vlastnosti akumulačného materiálu.

Aplikácie solárnej termálnej technológie

Solárna termálna technológia má širokú škálu aplikácií, ktoré zahŕňajú rezidenčný, komerčný, priemyselný a energetický sektor.

Rezidenčné a komerčné aplikácie

• Solárny ohrev vody: Toto je najbežnejšia aplikácia solárnej termálnej technológie, ktorá sa používa na ohrev teplej úžitkovej vody pre domácnosti a podniky. Solárne systémy na ohrev vody môžu výrazne znížiť spotrebu energie a znížiť účty za energie. Príkladom sú solárne ohrievače vody široko používané v krajinách ako Izrael a Cyprus.
• Solárne vykurovanie priestorov: Solárne termálne systémy sa môžu tiež použiť na priame vykurovanie budov pomocou solárnych vzduchových ohrievačov alebo cirkuláciou horúcej vody cez radiátory alebo podlahové vykurovacie systémy.
• Solárne chladenie: Solárna termálna energia sa môže použiť na pohon absorpčných chladičov alebo desikantných chladiacich systémov, čím sa zabezpečuje klimatizácia budov. Toto je obzvlášť atraktívne v horúcich klimatických podmienkach, kde je slnečné žiarenie hojné. Príkladom sú solárne chladiace systémy na niektorých univerzitách na Blízkom východe.
• Solárny ohrev bazénov: Solárne kolektory sa môžu použiť na ohrev bazénov, čím sa predlžuje plavecká sezóna a znižujú sa náklady na energiu.

Priemyselné aplikácie

• Solárne procesné teplo: Solárne termálne systémy môžu poskytovať procesné teplo pre rôzne priemyselné aplikácie, ako je spracovanie potravín, textilná výroba a chemická výroba. To môže znížiť závislosť od fosílnych palív a znížiť emisie skleníkových plynov. Koncentrovaná solárna energia (CSP) sa čoraz viac používa na výrobu vysokoteplotného procesného tepla pre priemysel.
• Solárne odsoľovanie: Solárna termálna energia sa môže použiť na pohon odsoľovacích zariadení, čím sa zabezpečuje sladká voda v suchých a vodou chudobných regiónoch. Príkladom sú projekty solárneho odsoľovania v Austrálii a na Blízkom východe.

Aplikácie v energetickom priemysle

• Elektrárne s koncentrovanou solárnou energiou (CSP): Elektrárne CSP používajú veľké polia zrkadiel na koncentráciu slnečného svetla na prijímač, čím generujú vysokoteplotné teplo, ktoré sa používa na výrobu elektriny prostredníctvom parných turbín. Elektrárne CSP môžu zahŕňať akumuláciu tepelnej energie (TES) na poskytovanie elektriny aj vtedy, keď slnko nesvieti. Príkladom je solárna elektráreň Noor Ouarzazate v Maroku a Ivanpah Solar Electric Generating System v Kalifornii, USA.
• Diaľkové vykurovanie s podporou solárnej energie: Solárne termálne systémy môžu byť integrované do sietí diaľkového vykurovania, čím poskytujú horúcu vodu na vykurovanie a teplú úžitkovú vodu pre viacero budov v komunite. Príkladom sú systémy diaľkového vykurovania v Dánsku a Nemecku, ktoré zahŕňajú solárnu termálnu energiu.

Výhody solárnej termálnej technológie

Solárna termálna technológia ponúka početné výhody, čo z nej robí presvedčivé riešenie pre udržateľnú energetickú budúcnosť:

• Obnoviteľná a udržateľná: Solárna termálna energia je obnoviteľný a udržateľný zdroj energie, ktorý znižuje závislosť od fosílnych palív a zmierňuje klimatické zmeny.
• Energetická účinnosť: Solárne termálne systémy môžu byť vysoko energeticky účinné, premieňajúc významnú časť slnečného žiarenia na využiteľné teplo.
• Znížené emisie uhlíka: Solárna termálna technológia výrazne znižuje emisie uhlíka v porovnaní s energetickými systémami založenými na fosílnych palivách.
• Energetická bezpečnosť: Solárne termálne systémy môžu zvýšiť energetickú bezpečnosť znížením závislosti od dovážaných fosílnych palív.
• Tvorba pracovných miest: Solárny termálny priemysel vytvára pracovné miesta vo výrobe, inštalácii, údržbe a vo výskume a vývoji.
• Stabilita siete: Solárne termálne elektrárne s akumuláciou tepelnej energie (TES) môžu poskytovať regulovateľný výkon, čím prispievajú k stabilite a spoľahlivosti siete.
• Nákladová efektívnosť: Náklady na solárnu termálnu technológiu sa v posledných rokoch výrazne znížili, čo ju robí čoraz konkurencieschopnejšou voči energetickým zdrojom založeným na fosílnych palivách.

Výzvy solárnej termálnej technológie

Napriek svojim početným výhodám čelí solárna termálna technológia aj niektorým výzvam:

• Prerušovanosť: Solárna energia je prerušovaná, čo znamená, že jej dostupnosť sa líši v závislosti od poveternostných podmienok a dennej doby. Akumulácia tepelnej energie (TES) môže pomôcť zmierniť túto výzvu, ale zvyšuje náklady a zložitosť systému.
• Využitie pôdy: Elektrárne s koncentrovanou solárnou energiou (CSP) vyžadujú veľké plochy pôdy, čo môže byť v niektorých lokalitách problém.
• Spotreba vody: Niektoré elektrárne CSP používajú vodu na chladenie, čo môže byť problém v suchých oblastiach. Technológie suchého chladenia môžu znížiť spotrebu vody, ale môžu tiež zvýšiť náklady.
• Vysoké počiatočné náklady: Počiatočné investičné náklady na solárne termálne systémy môžu byť vyššie ako náklady na konvenčné energetické systémy, hoci tieto náklady rýchlo klesajú.
• Údržba: Solárne termálne systémy vyžadujú pravidelnú údržbu na zabezpečenie optimálneho výkonu.

Budúcnosť solárnej termálnej technológie

Budúcnosť solárnej termálnej technológie je svetlá, s prebiehajúcim výskumom a vývojom zameraným na zlepšenie účinnosti, zníženie nákladov a rozšírenie aplikácií. Kľúčové oblasti inovácií zahŕňajú:

• Pokročilé návrhy kolektorov: Vývoj účinnejších a nákladovo efektívnejších solárnych kolektorov.
• Zlepšená akumulácia tepelnej energie: Vývoj pokročilých materiálov a systémov TES s vyššou hustotou energie a dlhšou dobou skladovania.
• Pokroky v koncentrovanej solárnej energii (CSP): Zlepšenie účinnosti a zníženie nákladov na elektrárne CSP.
• Integrácia s inými obnoviteľnými zdrojmi energie: Kombinovanie solárnej termálnej energie s inými obnoviteľnými zdrojmi energie, ako je veterná a geotermálna energia, na vytvorenie hybridných energetických systémov.
• Integrácia do inteligentných sietí: Integrácia solárnej termálnej energie do inteligentných sietí na optimalizáciu distribúcie a riadenia energie.
• Nové aplikácie: Skúmanie nových aplikácií solárnej termálnej technológie, ako je výroba solárnych palív a priemyselné procesy poháňané solárnou energiou.

Globálne príklady a iniciatívy

Po celom svete rôzne krajiny a organizácie aktívne podporujú a implementujú solárne termálne technológie. Tu je niekoľko príkladov:

• Solárna elektráreň Noor Ouarzazate v Maroku: Táto elektráreň s koncentrovanou solárnou energiou (CSP) je jednou z najväčších na svete a využíva akumuláciu tepelnej energie na poskytovanie elektriny aj po západe slnka. Predstavuje významnú investíciu do obnoviteľnej energie pre Maroko.
• Systémy diaľkového vykurovania v Dánsku: Dánsko je lídrom v oblasti diaľkového vykurovania a mnohé z jeho systémov zahŕňajú solárnu termálnu energiu na poskytovanie teplej vody pre domácnosti a podniky. To pomohlo Dánsku znížiť svoju závislosť od fosílnych palív a znížiť emisie uhlíka.
• Projekty solárneho odsoľovania v Austrálii: Kvôli svojej suchej klíme investovala Austrália do projektov solárneho odsoľovania na zabezpečenie sladkej vody pre komunity. Tieto projekty využívajú solárnu termálnu energiu na pohon odsoľovacích zariadení, čím sa znižuje environmentálny dopad výroby vody.
• Indická národná solárna misia: Indická národná solárna misia si kladie za cieľ podporovať nasadenie solárnych energetických technológií, vrátane solárnej termiky, po celej krajine. Misia zahŕňa ciele pre solárny ohrev vody, solárne procesné teplo a koncentrovanú solárnu energiu (CSP).
• Plán pre solárnu termiku Európskej únie: Európska únia vypracovala plán pre solárnu termiku, ktorý načrtáva stratégie na zvýšenie nasadenia solárnych termálnych technológií v celej Európe. Plán zahŕňa ciele pre solárny ohrev vody, solárne vykurovanie priestorov a solárne diaľkové vykurovanie.

Záver

Solárna termálna technológia ponúka osvedčený a všestranný spôsob využívania slnečnej energie pre širokú škálu aplikácií. Zachytávaním a ukladaním slnečného tepla môžu tieto systémy poskytovať spoľahlivý a udržateľný zdroj energie pre domácnosti, podniky a priemysel. Ako technológia pokračuje v napredovaní a náklady klesajú, solárna termika je pripravená zohrávať čoraz dôležitejšiu úlohu v globálnom prechode na budúcnosť čistej energie. Integrácia akumulácie tepelnej energie (TES) je kľúčová pre riešenie prerušovanosti a zlepšenie regulovateľnosti dodávky solárnej termálnej energie, čím sa ďalej posilňuje jej pozícia ako kľúčovej súčasti diverzifikovaného a udržateľného energetického portfólia.