Fotovoltaika překvapuje

Narůstající investice do fotovoltaických elektráren s křemíkovými panely na střechách i na fasádách podnítil vývoj možná ještě účinnějších systémů se supertenkými, ohebnými nebo i průsvitnými panely. Je možné, že v budoucnu přijdou autoři i s jinými principy, z nichž čerpá fotosyntéza. Když před půl stoletím americká družice Vanguard I. na oběžné dráze otevřela 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 světové pouště, 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 kWh v ideálních případech desetkrát dráž, než z klasických tepelných a jaderných elektráren. Aby se křemíkové panely objevily na střechách rodinných domů a veřejných budov zatím jako doplňující „zelený“ zdroj elektřiny, dopomohla 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 200 000 Kč na každý kWp výkonu, a najdete pro vyrobené kWh odběratele, získáte podporu v podobě tzv. garantované výkupní ceny 13,46 Kč/ kWh (bez DPH, zvyšovaná o inflaci po dobu 20 let). Pokud jí spotřebujete sami, tzv. zelený bonus vám uhradí ztrátu oproti ceně, kterou jinak zaplatíte za „špinavou“ elektřinu odebranou z veřejné rozvodné sítě. Světově se podílí fotovoltaika na produkci elektřiny zatím méně než 0,2 %! Co je to kWp? Výkonnost FV článků a panelů závisí zejména od nastavení pozice vůči slunci, atmosférických podmínek, a proto kvůli objektivnímu porovnávání je zavedena jednotka kilowatt peak (kWp). Udává max. výkon článku nebo panelu při testovacích podmínkách 25 °C, definované tloušťce atmosféry a v místě závislém úhlu dopadu (37°) Boom s křemíkovými panely Současná fotovoltaika je založena na technologicky zvládnutých solárních panelech většinou z krystalického křemíku v praktických hliníkových rámech s výkony kolem 50 W, umožňujících vzájemné propojení na nosných konstrukcích. Nominální výkon klesne po 12 letech na 90 %, po 25 letech na 80 %. Jestliže začínající generace nebyla schopná vydat během životnosti ani tolik energie, kolik nárokovala jejich výroba, současná produkce v klimatických podmínkách ČR zaručuje energetickou návratnost během čtyř 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 i vysoké letní teplotě i nejsilnějším větrům. Výstupní napětí 12 nebo 24 V se s výjimkou ostrovních systémů (objekty ležící mimo rozvodnou síť, akumulující přebytek výkonu do akumulátorů), převádí tzv. střídače (měniče napětí) na střídavých 230 V/50 Hz. 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 řádově do megawattů. 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, pokud se dohodnou tak jako např. v Hrobci na okraji Prahy, kde uvedli do provozu elektrárnu s výkonem 25 kWp. Bušanovice na Prachaticku se zase pyšní největší FVE nejen v ČR, ale výkonem 600 kWp i ve střední Evropě. Architekti a stavbaři spolu s výrobci FVE zjednodušují instalaci panelů (např. i v podobě střešních tašek) do krajnosti. Střechy přestávají stačit a fotovoltaické panely se stávají součástí fasád na jižní straně objektů. Pražané se nazlátlými plochami fotovoltaiky mohou kochat poprvé na fasádě hotelu Corinthia Panorama. Plocha 66 m2 má hotelu ročně ušetřit odběr 4600 kWh. Boom fotovoltaiky se utěšeně rozrůstá. K 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… Ohebné solární panely Monokrystalický nebo polykrystalický křemík nemusí být jen sevřen skleněnými deskami. Fotovoltaické panely by se výrobně i montážně zlevnily kdyby nosným podkladem byla pružné fólie. Do vývoje „srolovatelných“ FV článků se dravě pouštějí Američané. Fotovoltaická fólie Powersheet vynalezená společností Nanosolar, která si odnesla ocenění Popular Science jako „vynález roku 2007“, je složená 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). Fólie má sice o něco menší účinnost přeměny, ale obejde se s minimem křemíku, jehož globální nedostatek již několik let fotovoltaickou techniku brzdí a zdražuje. Jestliže výkon 1 Wp u současných křemíkových panelů z USA přijde přibližně na 3 dolary, stejný výkon produkují panely Nanosolar v demonstrační FVE spuštěné v září 2008 za 1,14 dolarů. Fólie PowerFilm Solar se vyrábějí v rolích o délce 70 m se šířkou 33 cm. Do polymerového podkladu lehkého a tenkého jako papír, jsou při pásové výrobě implementovány PIN diody z amorfního křemíku. Lepší účinnost, zejména při zatažené obloze, vykazují články Uni-Solar díky trojici polovodivých přechodů nad sebou, reagujících postupně na složky slunečního záření RGB. Nosnou fólií je nerezová ocel, sloužící jako spodní záporná elektroda. Když je německá firma Alwitra nedávno pokryla střešní hydroizolační fólií Evalon, otevřela se jim okamžitě cesta do praxe - a to i u nás. Solární články jsou navařeny na fólii Evalon, která je snášenlivá s asfaltovými nátěry střech, což výrazně zlevňuje instalaci. Termoplastický pás na bázi teflonu 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. Na obzoru tištěné polymerní články Teprve objev polovodivých polymerů, za které si odnesli roku 1977 Nobelovu cenu H. Shirakawa, A. Diarmid a A. Heeger), umožnil k výrobě fotovoltaických článků využít nejrozšířenější levné a ohebné materiály jaké svět zná. Na levnou plastovou fólii se daří nanášet velkoplošným tiskem funkční elektrické obvody i svítivé a světlocitlivé body. 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 k akceptoru, musí být materiál co nejtenčí. To lze zvládnout jen v nanostrukturách. První praktické fotovoltaické fólie Power Plastic® vyvinuté firmou Konarka Technologies mají tloušťku 50 až 250 mikrometrů. Horní vrstvu /zápornou elektrodu tvoří supertenká hliníková fólie, následují aktivní mezivrstvy využívající fullerenů (legendární struktura tvaru fotbalového míče s 60 atomy uhlíku) a podkladem je PETfólie. Účinnost je zatím jen okolo 5 %, ale na vývoji, z něhož čerpají i výrobci OLED-displejů, se podílí nejdravější americké, japonské, britské a německé laboratoře. Nosným podkladem, jak se ukazuje, mohou být i umělohmotné textilie! Budou solární články kopírovat fotosyntézu? O vývoj článků kopírujících nejrozšířenější proces na naší planetě – fotosyntézu v rostlinách – usiluje od roku 1988 prof. Michael Grätzel na univerzitě v Laussane. Rozdělení párů nosičů nábojů uvolněných po dopadu fotonů světla v nich probíhá na rozhraní mezi elektrolytem a do něho ponořeným polovodičem. Supertenká vrstvička oxidu titaničitého barvivem na bázi ruthenia v jódovém roztoku zastává roli membrány rostlinných buněk. Sběrné elektrody téměř průhledného článku tvoří povlak oxidu cíničitého na vnitřní ploše skleněných nebo plastových destiček, tvořících obal článku.Poněkud podivínský profesor, který po léta tvrdošíjně odmítal stále zdokonalované články oficiálně předvádět a testovat, se díky spolupráci s koncernem ABB dopracoval k výsledku až v posledních letech. Předváděné Grätzelovy články (oficiálně označované jako DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) se obejdou bez křemíku, jsou průsvitné, ohebné a testovaná účinnost se pohybuje kolem 11 %. Laboratorní výrobky mohou mít jakoukoliv barvu a pokud se prosadí ve stavebnictví, budou konkurovat černým ohebným pásům výše zmíněných fólii svou barevností, i možností pokrýt okna a skleněné fasády, stanové střechy apod. Jan Tůma Fotoarchiv autora