Inovace ve využití solární energie

Článek se zabývá současnými inovacemi ve využití sluneční energie. Nosná část článku popisuje inovace v oblasti fotovoltaických technologií, a tedy přeměny slunečního záření na elektrickou energii. Další část je věnována přímo využití sluneční energie v oblasti architektury a technologickém zabezpečení budov – zejména chlazení a vytápění.

Poslední dvě desetiletí ve světě přinesly značné rozšíření využití sluneční energie v celé řadě lidských činností. Fotovoltaika (dále FV) se stala běžnou a uznávanou součástí energetiky. Tento čas však nepřinesl pouze dramatické snížení ceny samotných FV komponent, zejména panelů, ale také změnu ve využití této technologie.

Vliv na inovace FV technologií

Inovace nejen donesly nová řešení, ale „pohřbily“ i stará. Základním motivem inovací FV technologií byla klesající cena modulů založených na krystalickém křemíku. Rapidní pokles je vidět na obr. 1. [1][2] Například na Slovensku od začátku podpory OZE (rok 2009) poklesla cena krystalického křemíku z cca 3 €/Wp na 0,3 €/Wp.

Tento pokles zapříčinil, že množství inovativních technologií přestalo dávat ekonomický smysl. Obětí se staly například koncentrační technologie, sledovače Slunce (trackery) a více tenkovrstevné (Thin Film) technologie.

Obr. 1 Pokles ceny FV technologií Obr. 2 Podíl FV technologií na instalacích
Obr. 1 Pokles ceny FV technologií
Obr. 2 Podíl FV technologií na instalacích | Zdroj: archiv autora

Druhým vlivem byla standardizace rozměrů panelů – šedesát modulů při 1,65 x 1 m a dvaasedmdesát modulů 2 x 1 m. Taková standardizace umožnila vývoj širokého sortimentu nosných systémů. Na obr. 2 je možné vidět dominanci křemíkových technologií a zejména monokrystalických panelů.[1]

Z tohoto grafu je také vidět, že původní podíl tenkovrstevných technologií významně klesl, ale zejména díky obrovskému nárůstu celkového instalovaného výkonu obou krystalických technologií. Jiný pohled na tento vývoj dává obr. 3.[1]

Obr. 3 Podíl FV technologií na instalacích v procentech celku Obr. 4 Simulace výkonnosti různého rozložení panelů Obr. 5 Princip chlazení FV panelů
Obr. 3 Podíl FV technologií na instalacích v procentech celku
Obr. 4 Simulace výkonnosti různého rozložení panelů
Obr. 5 Princip chlazení FV panelů
| Zdroj: archiv autora

Inovace použití FV technologií

V počátcích nasazování FV technologií bylo nejdůležitější maximálně využít výtěžnosti FV panelů. Avšak s klesající cenou bylo možné začít řešit i jiné optimalizace. Například instalace na ploché střechy s panely s malým sklonem otočené na východ a západ. Nebo využití na střechách otočených k východu a západu (dopolední a odpolední slunce) (obr. 4). [3]

Chlazení panelů se stává zajímavou možností zvyšování výkonu FV instalací. [4]

Agrofotovoltaika: zajímavé spojení pěstování zemědělských produktů a výroby elektřiny. Při zvyšování teploty pomáhá tento způsob dvěma produktům najednou – zvyšování výnosu agrární produkce díky menšímu vypařování a vysušování a výrobě elektřiny (obr. 6). [5]

FV na vodní ploše uplatňuje podobný princip jako agrofotovoltaika, avšak tentokrát je podkladem vodní plocha. Vhodné plochy jsou zejména různé technologické nádrže (zásobníky na hašení, odkaliště atp.) nebo jiné, např. na pitnou vodu (obr. 7). [6]

Obr. 6 Agrofotovoltaika Obr. 7 Plovoucí fotovoltaika
Obr. 6 Agrofotovoltaika
Obr. 7 Plovoucí fotovoltaika
| Zdroj: archiv autora

BIPV (Build-in Photovoltaics) a fotovoltaická okna je další rozvíjející se technologie. Zejména FV okna slibují dynamický rozvoj, ta umí nejen produkovat elektřinu, ale i v případě nutnosti stínit procházející sluneční energii.

FV na zařízeních je využití nestandardních rozměrů, nebo dokonce FV vyráběných ve speciálních zakázkových rozměrech. Předchůdcem těchto možností byly malá FV moduly s amorfním křemíkem na kalkulačkách.

FV a nabíjení elektromobilů: překrytí parkovacích míst a využití pro nabíjení elektromobilů slibuje možnost rozvoje na místech, která se jeví jako jinak nevyužitelná – parkoviště u nákupních center (obr. 8). [7]

Obr. 8 Přestřešení parkoviště – carport FV Obr. 9 Princip BiFacial FV panelů
Obr. 8 Přestřešení parkoviště – carport FV
Obr. 9 Princip BiFacial FV panelů
| Zdroj: archiv autora

Inovace konstrukcí FV panelů

Zlevnění ceny samotných FV panelů bylo umožněno i rozvojem různých přístupů ke zvyšování účinnosti. Výměna svodičů elektřiny (BackWire), různé řezy FV buněk (HIT panely) či 3D-struktura krycího skla. V posledních letech se rozvinuly také tzv. BiFacial panely. Ty dovolují použít panely v pozicích, které byly donedávna nemyslitelné, např. svislé montování, nebo získávat dodatečnou energii z odraženého či rozptýleného světla (obr. 9). [8]

Obr. 10 Rozvoj účinnosti FV technologií
Obr. 10 Rozvoj účinnosti FV technologií |

Inovace FV panelů

Roky snižování cen byly poznamenány i nebývalým zvyšováním účinnosti stávajících technologií (cSi a CdTe), ale také vznikem nových – Perovskit a Multilayer polovodiče (obr. 10). [1]

Využití sluneční energie je na obrovském vzestupu. Koneckonců lidstvo by mohlo být zásobeno Sluncem jako jediným zdrojem – k tomu ovšem, bohužel, zatím nemáme dostupné odpovídající technologie.

Příspěvek byl přednesen na konferenci Energetický manažment 2022 a uveřejněn ve stejnojmenném sborníku, jehož vydavatelem je SSTP.

Od partnerů ASB

Ing. Pavel Šimon, CSc.

Autor působí na Žilinské univerzitě v Žilině, v Institutu Aurela Stodola, na Fakultě elektrotechniky a informačních technologií.

Text vyšel v časopisu TZB 2/2022.

Literatura

[1]       Fraunhofer ISE, „Photovoltaics Report,“ 2021. [Online]. Available: https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf.

[2]       M. Schachinger, „pv magazine,“ 2021. [Online]. Available: https://www.pv-magazine.com/module-price-index/.

[3]       F. Pérez, „Simulating east-west configurations with pvDesign,“ [Online]. Available: https://ratedpower.com/blog/east-west-solar-panels/.

[4]       E. Bellini, „Cooling down PV panels with water,“ [Online]. Available: https://www.pv-magazine.com/2020/03/31/cooling-down-pv-panels-with-water/.

[5]       Encyclopedia, „Agrivoltaic System,“ [Online]. Available: https://encyclopedia.pub/entry/13901.

[6]       Intersolar Europe, „Floating PV: On the Rise in Europe,“ [Online]. Available: https://www.intersolar.de/market-trends/floating-pv-europe.

[7]       STEAG Solar Energy Solutions GmbH, „PV carports for companie,“ [Online]. Available: https://www.sens-energy.com/en/portfolio/.

[8]       DNV, „Bifacial PV technology: technical considerations,“ [Online]. Available: https://www.dnv.com/article/bifacial-pv-technology-technical-considerations-186095.