Fotovoltaika překvapuje

JAN TŮMA  |  Věda
Fotovoltaika překvapuje

SE SLUNCEM TO NENÍ TAK ZLÉ

Pokud by chtěl každý z nás pro sebe vyrábět elektřinu touto cestou, musel by současnými křemíkovými panely pokrýt průměrně velkou rodinnou zahrádku. Solární panely, to je toho, řeknete si. Opak je ale pravdou. Panely, jež máme dnes, nejsou žádný zázrak. Drahý křemík však v dalších generacích nahradí supertenké, ohebné, průsvitné pásy a vývojáři už předvádějí prototypy kopírující i životodárnou fotosyntézu.

Když před půlstoletím americká družice Vanguard I. na oběžné dráze nastavila vstříc Slunci panely s monolitickými křemíkovými články, které s účinností kolem 15 % měnily jeho paprsky na elektřinu, neznala euforie z možného budoucího čistého a věčně se obnovujícího zdroje energie mezí. Podle dobových prognostiků měl odhadovaný výkon budoucích fotovoltaických elektráren pokrývajících namodralými panely zejména nekonečné plochy světových pouští na přelomu tisíciletí dosáhnout statisíce megawattů.

Nadšenci přehlédli, že na světě není pro takové množství panelů dostatek křemíku, a nepočítali s tím, že navzdory odhadovanému technologickému pokroku vzhledem k fyzikálně omezené účinnosti vyjde cena takto získávané kilowatthodiny v ideálních případech desetkrát dráž než z klasických tepelných a jaderných elektráren. To, že přibývá solárních panelů na střechách usedlostí, rodinných domů a veřejných budov zatím jako doplňujících „zelených“ zdrojů elektřiny, umožňuje až v posledních letech podle mnohých poněkud kontroverzní podpora energeticky prozíravých států.

Pokud si dnes pořídíte vlastní „sluneční elektrárnu“, což v současné době vyžaduje investici v rozsahu kolem 150 až 200 tisíc korun na každý kWp výkonu (kWp je špičkový výkon fotovoltaické elektrárny – kilowatt peak), bude vykoupena podle cenového rozhodnutí Energetického regulačního úřadu za garantovanou výkupní cenu 13,46 Kč/kWh (bez DPH, zvyšovaná o infl aci po dobu 20 let). Po odečtení všech nákladů si tak z větší střechy pokryté panely ročně přivyděláte 50 až 100 000 tisíc korun. Nebo vám tzv. zelený bonus uhradí ztrátu oproti téměř desetkrát nižší ceně, kterou jinak platíte za „špinavou“ elektřinu odebranou z veřejné rozvodné sítě.

Díky tomu, podpoře bank a ministerstva životního prostředí a nejrůznějším akcím (u nás „Slunce do škol“ nebo založení „Solární ligy“) se výkon fotovoltaických „elektráren“ a panelů na domovních střechách u nás právě vyhoupl nad 20 MWp. Nic moc proti Německu, Rakousku, Portugalsku a Španělsku, které se již pyšní 2700 MWp.

Aktuální globální výkon solární elektřiny, zejména zásluhou USA a Japonska, dosáhl odhadem 4000 MWp, což ale není víc než elektrický výkon dvou Temelínů. Na světové produkci elektřiny se fotovoltaika podílí méně než 0,1 %! Podporu ekologicky čisté „zelené elektřiny“ bez exhalací ovšem elektrárenské společnosti zčásti přehazují na bedra svých zákazníků v podobě zdražení elektřiny. V Německu to např. zdražuje cenu každé kilowatthodiny o 2 eurocenty, běžným domácnostem to zvyšuje měsíční účet asi o 6 eur, což nadšenci ale považují za přiměřenou cenu nastartování ekologické energetiky!

Boom křemíkových panelů

Současná fotovoltaika je zatím výhradně založena na technologicky zvládnutých solárních panelech z monokrystalického a polykrystalického křemíku v praktických hliníkových rámech s výkony kolem 50 W, umožňujících snadnou montáž a propojení na nosných konstrukcích. Jestliže začínající generace v sedmdesátých letech nebyla schopná vydat během životnosti ani tolik energie, kolik nárokovala jejich výroba, dnes nejrozšířenější křemíkové panely v klimatických podmínkách ČR zaručují energetickou návratnost během 4 let a při orientaci na jih s mírnou odchylkou k západu a optimálním sklonem 45° v létě a 60– 65° v zimě lze počítat s užitečným výkonem 80 až 120 kWh za rok na panelovou plochu 1 m2. Konstrukce odolává dešti, kroupám, silnému mrazu, vysokým letním teplotám i nejsilnějším větrům.

Nominální výkon klesá po 12 letech na 90 %, po 25 letech na 80 %. Výstupní napětí 12 nebo 24 V, s výjimkou u tzv. ostrovních systémů (objektů ležících mimo rozvodnou síť, střádajících přebytek výkonu do akumulátorů), převádí tzv. střídače (měniče napětí) na střídavých 230 V/ 50 Hz. Pokud by chtěl za této situace každý z nás pro sebe vyrábět elektřinu touto cestou, musel by současnými křemíkovými panely pokrýt přibližně 600 m2, tedy průměrně velkou rodinnou zahrádku. Nejrůznější dotace, a zejména garantovaná cena odkupu nebo zelené bonusy, umožnily boom rozvoje tzv. síťových systémů neboli fotovoltaických elektráren (FVE) nejrůznějších výkonů od 5 kW až po megawatty (MW). Pořizují si je soukromníci, firmy, instituce i města. Desítka firem u nás je schopná vypracovat zájemcům projekt, instalaci i údržbu. Do „solárky“ mohou nejnověji investovat i skupinky občanů, dohodnou-li se tak, jako např. v Hrobci na okraji Prahy, kde uvedli do provozu elektrárnu s výkonem 25 kWp.

Architekti a stavbaři spolu s výrobci FVE zjednodušují instalaci panelů

A co okopírovat fotosyntézu?

Polovodičové články využívají jen poměrně úzkou oblast světelného spektra slunečního záření a svou účinností beznadějně zaostávají za rostlinami, které jí s úspěchem ke svému životu využívají stovky milionů let. Zelené listy přeměňují tzv. fotosyntézou sluneční energii s účinností asi 40 %, některé vodní rostliny dokonce až 90 %! Napodobit zdánlivě jednoduchý proces k tomu, aby výstupem byl elektrický proud, se již léta pokouší skupiny vědců v Německu, USA, Japonsku a Austrálii. Snaží se seskupit molekuly vybraných organických pigmentových struktur po vzoru zelených listů tak, aby dokázaly absorbovat fotony světla v nejširším spektru. Týmy Univerzity v Sydney a Arizonské univerzity to zkoušejí manipulací s molekulami porfyrinových pigmentů podle vzoru DNA šroubovic. Do krajnosti. Střechy přestávají stačit a fotovoltaické panely se stávají součástí fasád na jižní straně objektů. Boom fotovoltaiky se utěšeně rozrůstá.

Fotovoltaika překvapuje

U nás dominujícímu Solartecu se přidávají i domácí výrobci prvků pro sluneční elektrárny, například aktivních sledovačů panelů, měničů, speciálních kabelů a konektorů, ILV z Příchovic překvapilo atraktivními registračními LCD displeji.

Přibývá solárních farem

Německo se pyšní největší fotovoltaickou elektrárnou v Bavorsku s výkonem 12 MWp, která letos překonala portugalskou FVE u městečka Serpa s 11 MWp, čerpající ovšem z polohy v mnohem teplejším pásmu Evropy. Ta má na ploše odpovídající 80 fotbalovým hřištím instalováno 52 tisíc FV panelů PowerLight na takzvaných trackerech, natáčejících je automaticky za sluncem. Roční produkce 20 GWh pokryje spotřebu 30 tisíc domácností a ušetří 30 000 tun emisí CO2 oproti uhelné elektrárně. Saharské země a Spojené arabské emiráty připravují ambiciózní projekty – kombinace termických solárních elektráren věžových (s turbogenerátory na páru vyvíjenou kotli, na které je zrcadly soustřeďováno sluneční světlo) s fotovoltaickými farmami, které by na pouštích vyrobenou elektřinou čerpaly z hlubiny vodu nebo odsolovaly přiváděnou mořskou vodu a využily k zavlažování obřích skleníků, táhnoucích se v podobě pásů. V Německu, USA, Japonsku a Číně vyrůstají automatizované továrny na výrobu tenkostěnných panelů (Sharp plánuje závratnou produkci až 1 GW ročně), investoři počítají s tím, že do roku 2013 klesne především cena křemíku o polovinu. Solární průmysl již dnes zaměstnává globálně kolem 75 000 pracovníků.

Solární články jako kobereček

Teprve objev polovodivých polymerů, za které si odnesli v roce 2000 Nobelovu cenu A. Heeger, H. Shirakawa a A. Diarmid, umožnil k výrobě fotovoltaických článků využít nejrozšířenější levné a ohebné materiály, jaké svět zná. Sám Alan Heeger hledal potřebný plastický materiál, vodivý jako kov i jako polovodič, již od roku 1977. To se mu podařilo až po deseti letech, když pro aktivní mezivrstvu článků využil tzv. fullerenů se strukturou tvaru fotbalového míče s 60 atomy uhlíku, kterou bylo možné tisknout na PET fólie. Na své nedávné přednášce na VUT v Brně prozradil, že první úspěšné tenké a ohebné články se naučil tisknout polymerovým inkoustem na svém počítači. Potom již bylo jasné, že solární články by se tímto způsobem daly tisknout na širší pásy na novinové rotačce. Našel investory a při Univerzitě v Massachusetts založil společnost, které dal jméno po indické bohyni světla Konarka.

Z laboratoří bohyně Konarka

Vývojářům Konarka Technologies se podařilo během tří let rozběhnout výrobu tištěných elastických solárních fólií Solar Plastic velkoplošným tiskem funkčních elektrických obvodů i světlocitlivých bodů. Fotoelektrický jev v nich však funguje složitěji.

Elektron a „díra“, která se v nich vytvoří po absorpci světla, jsou totiž vázány Coulombovou silou, a aby elektrony stačily doběhnout, kam mají, musí být materiál co nejtenčí. To se podařilo zvládnout jen v nanostrukturách. První praktické fotovoltaické fólie Power Plastic vyvinuté společností Konarka Technologies mají tloušťku od 50 do 250 mikrometrů. Horní vrstvu tvoří supertenká průhledná fólie. Účinnost přeměny se pohybuje zatím jen okolo 5 %, ale na vývoji, z něhož čerpají i výrobci OLED displejů, se podílejí nejdravější americké, japonské, britské a německé laboratoře. Konarka Technologies našla partnery, jako je Siemens, Textronic a Chevron, a každý měsíc překvapuje novými, stabilnějšími a účinnějšími ohebnými solárními panely; nosným podkladem, jak se ukazuje, budou i umělohmotné textilie.

Nanosolar trumfuje cenou, Uni-Solar účinností

Do vývoje „srolovatelných“ FV článků se nejzuřivěji pustili Američané. Fotovoltaická fólie Powersheet vynalezená společností Nanosolar je složena z pěti vrstev. Jednu elektrodu tvoří hliníková fólie, druhou zinkoxidová vrstva. P-N přechod zprostředkovává nanotechnologií nanášený „inkoust“ obsahující měď, indium, galium a selen (CIGS). Díky tištěné technologii se obejde s minimem křemíku a je cenovým hitem. Jestliže výkon 1 Wp u současných křemíkových panelů z USA přijde výrobně přibližně na 3 dolary, stejný výkon produkují panely Nanosolar v demonstrační FVE spuštěné v září 2008 za 1,14 amerického dolaru. Do polymerového podkladu lehkého a tenkého jako papír jsou při pásové výrobě implementovány PIN diody z amorfního křemíku.

Až o třetinu lepší účinnost, zejména při zatažené obloze, kdy ve stínu převládá červená složka světla ®, vykazují matově namodralé články Uni-Solar díky trojici polovodivých přechodů nad sebou, reagujících postupně na složky slunečního záření RGB (červená, zelená, modrá). Nosnou fólií je nerezová ocel, sloužící jako spodní záporná elektroda. Když je německá firma Alwitra nedávno nanesla na střešní hydroizolační fólii Evalon, otevřela se jim okamžitě cesta do praxe – a to i u nás. Tato fólie je totiž snášenlivá s asfaltovými nátěry střech, což výrazně zlevňuje instalaci.

Termoplastický pás na bázi tefl onu má vysokou chemickou i mechanickou odolnost, takže odpadají složité nosné a podpůrné konstrukce, bez kterých se neobejdou skleněné křemíkové panely. Posledním slovem jsou solární panely H-AS (H-Alpha Solar) s ještě slabší vrstvou polymorfního křemíku, vyráběné levněji v dlouhých pásech.

Bláznivý profesor kopíruje přírodu

Zajímavým směrem inspirován přírodou se již před 30 lety vydal Michal Grätzel, profesor Polytechnické univerzity v Lausanne. Polovodivou bariéru, na níž se v křemíkových článcích rozdělují nosiče nábojů (elektron-díra), v jeho článcích nahrazuje rozhraní mezi elektrolytem a do něho ponořeným polovodičem. Spolu s americkým kolegou Brianem O’Reganem po léta zdokonalují sendvičový typ článku, v němž velmi tenká vrstva oxidu titaničitého s barvivem a kapalný jodový elektrolyt mezi vodivými skleněnými

Solární stromy

Kyocera Solar prosazuje solární střechou zakrytá městská parkoviště, obvykle pro 8 automobilů, a označuje je za „solární stromy“, protože kromě energie odvádějí a filtrují dešťovou vodu a ochlazují městský asfalt. IBM jde jinou cestou – použitím předsádky koncentrátorů soustřeďuje paprsky na malé články, naučila se je chladit, a tak v každém centimetru čtverečním fotovoltaického terčíku hodlá čerpat až 70 W elektřiny. Destičkami hrají obdobnou roli jako membrány rostlinných buněk. Vrstvičky oxidů narůstají do keříkovitého tvaru, a tím rozhraní získává tisíckrát větší aktivní plochu, na které barvivo zachytává fotony přicházející z nejrůznějších úhlů. Současně funguje i jako katoda, převádějící elektrony k vodivé skleněné elektrodě. Poněkud podivínský profesor po léta publikoval svoje objevy a teorie, ale tvrdošíjně odmítal je ofi ciálně předvádět a testovat. Konkurenční týmy a laboratoře ho začaly podezírat a tvrdily, že elektrolyt i barvivo budou postupně difundovat, v elektrolytu vzniklé bublinky zkrátí životnost článku na pouhé měsíce. Další problémy začal po roce 2001 řešit s významnými podniky – ABB, Sandoz aj., spolupráci s koncernem ABB dokončil až v posledních letech.

Když je konečně roku 2003 poprvé představil, testy prověřily, že dosahují účinnosti kolem 11 % a výrobně přijdou na čtvrtinu toho, co křemíkové články. Současné Grätzelovy články, ofi ciálně označované jako DSSC (Dye Sensitized Solar Cell), se obejdou bez křemíku, jsou průsvitné a ohebné. Zatím jen laboratorní výrobky mohou mít jakoukoli barvu, a pokud se prosadí ve stavebnictví, budou konkurovat černým ohebným pásům výše zmíněných fólií svou barevností i možností pokrýt okna a skleněné fasády, stanové střechy apod. Při své nedávné přednášce v AV ČR v Praze profesor Grätzel ve shodě s testy potvrdil, že články využívají světlo ze všech úhlů a nevadí jim zahřívání.

Fotovoltaika překvapuje

Výkonnost sice po tisíci hodinách klesá asi o 6 %, avšak díky nanotechnologiím se budou dále vylepšovat. Výrobu barvivových, a tím i barevných a průhledných článků „Dye“, v současné době rozbíhá několik výrobců – zejména Solaria Nano a Konarka Technologies ve formátu až do 30×30 cm. Grätzel údajně pracuje i na další revoluční novince – jeho průhledné barvivové články totiž mohou zjednodušit konstrukci hodinek a menších displejů mobilů, navigátorů a kalkulátorů, protože roztok v supertenké mezeře kolem 10 m „pracuje“ i mezi jejich zdvojenými sklíčky. Sám vynálezce k úspěšným Dye článkům lakonicky přiznává: „Proti slunečním článkům v listech každé rostliny mají jen jedinou nevýhodu – při poškození se samy neopraví. To dokáže opravdu jen příroda!“Podporu ekologicky čisté „zelené elektřiny“ bez exhalací elektrárenské společnosti zčásti přehazují na bedra svých zákazníků v podobě zdražení elektřiny.

CO JE TO KWP A MWP?

Výkonnost FV článků a panelů závisí zejména na nastavení pozice vůči slunci, atmosférických podmínkách, a proto je kvůli objektivnímu porovnávání zavedena jednotka kilowatt peak (kWp). Udává maximální výkon článku nebo panelu při testovacích podmínkách 25 °C, defi nované průhlednosti atmosféry, výkonové hustotě 1 kW/m2, při stanoveném úhlu dopadu. Výkony elektrárenských systémů se udávají tisícinásobkem této jednotky – MWp. Žebříček fotovoltaických instalací v ČR roku 2008 1. Ostrožská Lhota (okr. Uher. Hradiště) 1,6 MWp 2. Bušanovice (okr. Prostějov) 1,36 MWp 3. Hrádek (okr. Znojmo) 1,0 MWp 4. Jaroslavice (okr. Znojmo) 0,9 MWp 5. Dubňany (okr. Hodonín) 0,5 MWp 6. Úštek-Habřina (okr. Litoměřice) 0,5 MWp 7. Přimda (západní Čechy) 0,44 MWp 8. Zápy (okr. Praha-východ) 75 kWp 9. Opatov (okr. Svitavy) 60 kWp 10.

ČVUT Praha 40 kWp

Do „solárky“ mohou nově investovat i skupinky občanů, dohodnou-li se tak, jako např. v Hrobci, kde uvedli do provozu elektrárnu s výkonem 25 kWp. Poněkud podivínský profesor po léta publikoval svoje objevy a teorie, ale tvrdošíjně odmítal je oficiálně předvádět a testovat.

Nejčtenější