Stirlingův solární motor

Stirlingův solární motordoc. Ing. Josef Kameš, DrSc.,
Česká zemědělská univerzita, Technická fakulta

Úvod

Hlavní hnací silou využívání obnovitelných zdrojů energie v zemích mimo USA jsou jejich národní závazky dosáhnout dohodnutého snížení emisí skleníkových plynů v rámci Kjótského protokolu. Kjótský protokol formálně nabyl účinnosti jeho nedávným podpisem Ruska. Evropská komise stanovila pevné cíle do roku 2010, tj. dosáhnout 12% podílu energie vyrobené z obnovitelných zdrojů a zvýšit podíl elektrické energie ze stejných zdrojů na 22,1 %.

Obr. 1. Koncentrátory sluneční energie, Barstow, Kalifornie (10 MW)

Zpráva IPCC 2001 (Intergovernmental Panel on Climate Change) potvrdila, že podnebí Země se mění v důsledku lidské činnosti, zejména využíváním fosilních zdrojů energie, a že další změna je nevyhnutelná. Přirozený ekosystém se již přizpůsobil změnám a je zřejmé, že lidské zdraví a přirozené prostředí budou rovněž celosvětově ovlivněny. Nehledě na budoucí činnost člověka bude svět pokračovat ve změnách ještě po nějakou dobu, ale přizpůsobení fauny a flory tomuto vlivu bude pro lidstvo osudové. V mnoha ohledech je tento stav již patrný.

Klimatické změny by mohly ovlivnit i současné světové zásoby obnovitelné energie, zdroje, výkon a možnosti jejich využití. Zatím ještě není pociťován celosvětový nedostatek levných fosilních paliv v jejich různé formě. Zásoby nafty, uhlí, zemního plynu a uranu jsou více než dostačující, a proto jsou nadále vyčerpávány i přesto, že zatím nebyl nalezen způsob, jak je v dohledné době nahradit. Ačkoliv lze zásoby zemního plynu a ropy čerpat dalších padesát let, je zřejmé, že přechod k udržitelným variantám energetických zdrojů se musí uskutečnit s dostatečným předstihem před fyzickým a ekonomickým vyčerpáním těchto cenných zdrojů energie. Otázka geotermálního tepla (rychlost vyprazdňování – rychlost doplňování) nebo jaderné energie – problém bezpečného ukládání radioaktivního odpadu (jaderné elektrárny jako cíl teroristů) je problematická, navíc oba jmenované zdroje jsou vyčerpatelné. Orientace na převažující využívání fosilních paliv, dominující v posledním století, bude třeba opustit.

Obr. 2. Systém Dish-Stirling pro přeměnu sluneční energie v elektrickou SBP DISTAL 1

Je nutné obnovit využívání sluneční energie dopadající na zemský povrch ve všech jejích formách.

Sluneční energie představuje veškerou zemskou energii (kromě jaderné) – prehistorickou od ropy, zemního plynu, přes geotermální energii po obnovitelnou energii vody, větru a bioenergii, jež jsou využívány v současnosti.

Pro přechod k využívání obnovitelných zdrojů energie je nutný rozvoj těchto zdrojů i všech technologií, ne jen nejlevnější z nich, tj. energie větru, ale i solární.

Sluneční energie nashromážděná v podobě biomasy může být kontinuálně uvolňována jako palivo pro vozidla nebo k produkci elektřiny, tedy může fungovat jako energetický záložní zdroj určený k vyrovnávání přerušované dostupnosti obnovitelných zdrojů energie, jako slunečního záření a energie větru.

Sluneční energie

Fotovoltaická transformace slunečního záření je v současnosti významný postup výroby elektrické energie v oblasti využívání obnovitelných zdrojů.

Měřeno měrnými náklady na vyrobenou jednotku elektrické energie je patrně nejdražší technologií. Fotovoltaická (PV) energie je nejuniverzálněji použitelná, přímo poskytuje elektrický proud v místě konečné spotřeby či v jeho blízkosti a instalace a údržba potřebných zařízení jsou nejjednodušší. Pro možnost nepřerušovaného využívání PV energie je rozhodující stálý růst účinnosti vlastní konverze.

Obr. 3. Přijímač tepla systému Dish-Stirling

Technologie produkující fotovoltaickou energii využívá monokrystalické, polykrystalické a multikrystalické křemíkové články. Ty umožňují ústup od použití produktů vyžadujících vzácné nebo toxické materiály. Křemíkové články jsou zatím nejrozšířenější a velmi stálé, ověřeny mnoha lety provozu ve velkém počtu aplikací. V několika posledních letech se na trhu objevily tenkovrstvé PV články, jejichž výroba je snazší a lze je lépe přizpůsobit skleněnému nebo pružnému substrátu. Schopnost tenkých polovodičových filmů zachycovat celé spektrum slunečního záření potenciálně umožňuje tenkovrstvým PV článkům přiblížit se účinnosti odpovídající účinnosti článků s krystalickými vrstvami.

Někteří výrobci (např. v Japonsku) již dosáhli u velkokapacitních solárních článků na bázi krystalického křemíku účinnosti konverze 20 %. Při běžné hromadné výrobě je to 14 až 17 %, u laboratorního vzorku až 28 %. Náklady na výrobu PV elektrické energie jsou konstantní po celou dobu životnosti systému; obvykle 20 až 25 let, skutečná může být až dvojnásobně dlouhá.

PV moduly lze využít ve velkém počtu aplikací, např. k napájení kalkulaček, telefonů, dopravních výstražných světel, k pohonu čerpadel, dobíjení akumulátorů apod.

Obr. 4. Tok energie v přijímači motoru Stirling a v generátoru

Centrální elektrárny využívající rozlehlá pole koncentrátorů sluneční energie, pevně instalovaných na zemi, se v budoucnosti stanou jedním z nejvýkonnějších zdrojů elektrické energie (obr. 1). Elektrický výkon zde dosahuje desítek až stovek megawattů. Pro zvýšení výkonnosti mohou být pevná pole koncentrátorů nahrazena parabolickými koncentrátory orientovanými na pohyb slunce.

Zde instalovaná zrcadla jsou dlouhá (válcová) parabolického tvaru, sestavená v řadách a orientovaná tak, aby soustředila sluneční paprsky do ohniska, kde je umístěn přijímač tepla. Z něho je energie odváděna teplosměnnou tekutinou (vzduchem) zahřátou na velmi vysokou teplotu do termoelektrického generátoru. Energie může být využívána i pro přímou solárně termickou výrobu vodíku dvoustupňovým termochemickým cyklem štěpení vody (termolýza vody).

Soustředěnou sluneční energii lze přímo využít k ohřevu teplé strany výměníku Stirlingova motoru. Jeho výkon je dále využitelný např. k pohonu čerpadel, generátoru na výrobu elektřiny apod.

Obr. 5. Tepelný motor Stirling

Stirlingův motor je přímo upevněn na vlastní tříosý sledovací heliostat, jenž je ve třech osách orientován na okamžitou polohu slunce (obr. 2). Cílem vývoje Stirlingova motoru je bezporuchový a bezúdržbový provoz po dobu 50 až 100 tisíc provozních hodin (tj. šest až dvanáct let).

Spojení Strilingova motoru s heliostatem (Dish-Stirling) již bylo ověřeno na prototypu o výkonu motoru 27 kW s výstupním výkonem generátoru 12 kW. Donedávna tato kombinace držela světové prvenství v největší účinnosti konverze sluneční energie na elektrickou energii (35 %) mezi všemi solárními teplotními systémy. Koncem dvacátého století byl zkušebně postaven takovýto malý systém, který měl vyhovět místním potřebám. Schlaich, Bergermann a Partner (SBP) postavili první Dishovu-Stirlingovu jednotku DISTAL 1 o výkonu 9 kW pro dlouhodobou zkoušku. Ta úspěšně splnila vytyčené požadavky. Trvalý provoz od roku 1992 skončil po 29 000 hodinách v roce 1997.

V dalším, zlepšeném typu DISTAL 2 (tab. 1) byl Stirlingův motor umístěn v ohnisku koncentrátoru, jehož průměr byl zvětšen na 8,5 m, a tak bylo dosaženo výkonu asi 850 W/m². Na povrchu přijímače tepla (obr. 3) byla teplota 820 °C, teplota pracovního plynu – helia – při tlaku 15 MPa byla asi 650 °C.

Výkon motoru činil 13 kW a maximální elektrický výkon 11 kW. Na obr. 4 je schéma tepelného toku přeměny sluneční energie na elektrickou energii systému Dish-Stirling. Redukovaná plocha sběrače (odečet stínu motoru a konstrukce) byla 42,7 m². Celková účinnost celého systému (včetně spotřeby elektromotoru pro pohyb a elektroniky) byla 22,3 %. Systém Dish-Stirling je vhodný pro místní potřebu o výkonech 5 až 50 kW.

Výkonnost motoru Stirling je velmi závislá na mrtvém prostoru potrubí pro přenos tepla spojující studený a teplý pracovní prostor (u motoru SPB 1080 cm³) – obr. 5. Stejné potrubí je tedy použito pro chlazení i pro absorpci slunečního záření a sdílení tepla mezi pracovním plynem. Tyto dva procesy jsou zcela různé a jejich zvláštní potřeby lze navzájem obtížně optimalizovat. Tento problém vyřešil tekutý sodík použitý pro sdílení tepla. V oddělených oblastech povrchu výměníku tepla je takto možné dosáhnout ohřevu, ale i chlazení pracovního plynu. Výzkum uvedeného problému pokračuje i v současné době.

Závěr

Obnovitelné zdroje energie poskytují již nyní řešení získávání elektřiny. Jsou to zdroje neznečišťující a nevyčerpatelné energie, které fungují v ustáleném souladu s přírodními ekosystémy a zemskými fyzikálními systémy.

Převažující orientace posledního století na využívání fosilních paliv – tedy naakumulované prehistorické sluneční energie, musí svět opustit. Klasické zdroje ropy mohou být vyčerpány během padesáti let, zásoby zemního plynu vydrží na asi 150 let – za předpokladu úrovně současné světové těžby. Věk fosilních paliv bude mít jistě významný vliv na budoucnost planety. Proto je nutné obnovit využívání sluneční energie dopadající na zemský povrch ve všech jejích formách. Vzhledem k šíři problematiky využívání různých druhů obnovitelné energie (vítr, voda, biomasa, geotermie) byly zde uvedeny pouze některé příklady přeměny sluneční energie na elektrickou energii.

Má-li být skutečně příznivě řešena globální změna klimatu naší planety, nelze uplatňovat řešení jen v ekonomicky rozvinutých zemích (Kjótský protokol), ale také v rozvojových zemích (Čína, Indie, Jižní Amerika a jiné), kde je otázka investic do technologií obnovitelné energie nebo současného využívání dostupných levných fosilních paliv velmi problematická.

Tyto země budou do zlevněné energie vkládat dostupnou technologii bez ohledu na emise škodlivin (odsiřování kouřových plynů apod.), stejně obtížný bude i nárůst podílu míšení obnovitelné energie s dostupnou a levnou energií vyráběnou z fosilních paliv, tak jak je tomu v rozvinutých zemích. Stále jen těžko lze předpokládat dostupnost „přeskokové technologie„, tj. využívání vodíku, popř. palivových článků, k získávání elektrické energie, chlazení a tepla pro dvě miliardy lidí žijících v rozvojových zemích.

Nyní, kdy jsou ještě dostupné snadno získatelné a levné fosilní zdroje energie, je nutné vyvinout nové technologie a nová zařízení – a tak zajistit trvalý a uspořádaný přerod celosvětové energetiky do její definitivní nové podoby.
[Solar Energy, 2004.]