František Marčík | 21. 3. 2021

Unikátní výzkum chce novou solární revoluci díky spojení energetiky a informatiky

Představte si, jak za letního dne kráčíte po ulici města, zvednete hlavu vzhůru a spatříte okolo sebe moderní budovy. Budoucnost, v které by se vám naskytl výrazně jiný pohled než dnes, nemusí být tak daleko. Zdi, stěny, okna, žaluzie, vnější stínění, střechy a všechny další plochy budov získávají sluneční energii, která na ně dopadá, a využívají ji k přímé okamžité spotřebě uvnitř budov, například k automatizovanému chlazení, stínění a svícení.

Zároveň spolu vzájemně inteligentně komunikují a část této energie ukládají na dobu, až slunce zapadne. Rozvoje takové podoby měst a čistých zdrojů se podle týmu vědců z nizozemské technické univerzity v Delftu v následujícím desetiletí a to díky novému typu solárních panelů, takzvané fotovoltatronice.

Solární záření nosičem energie i informace současně

Až donedávna sloužily solární články pouze k výrobě a získávání energie. Vědci z remované technické univerzity v nizozemském Delftu věří, že energie ze slunce může být prostřednictvím solárních panelů využívána ještě jiným způsobem v rámci takzvané fotovoltatroniky. Toto slibně se rozvíjející odvětví propojuje oblast energetiky s informačními a komunikačními technologiemi, odtud také název, který vznikl spojením slov fotovoltaika a elektronika. Výzkumníci z Delftu soudí, že fotovoltatronika výrazným způsobem ovlivní budoucí podobu měst. Jeden ze spoluautorů studie Hesan Ziar k tomu podotýká: “Vize města, v kterém spolu komunikují jednotlivé části budov, na něž dopadají sluneční paprsky, je brzkou budoucností. A to proto, že chystáme zužitkovat všechny získané poznatky z této oblasti v novém výzkumném odvětví nazvaném fotovoltatronika.”

Fotovoltatronika vychází z jednoduchého vědeckého poznatku, že fotony i elektrony jsou po fyzikální stránce nosiči energie i informace současně. Fotovoltatronika tak v praktické rovině představuje mezioborový aplikovaný výzkum, který navrhuje a vytváří autonomní zařízení na výrobu elektřiny a výměnu informací v jednom. Jinými slovy inteligentní fotovoltaické panely a digitální technologie s cílem, získávat co největší množství energie a co nejefektivněji s ní také nakládat. Odborně řečeno je to odvětví, které prostřednictvím energie fotogenerických elektronů (eV) razí cestu od získávání energie fotonů (hν) k bitům informací (01). Profesor z TU Delft Miro Zeman vysvětluje základní principy fotovolatroniky takto: “Za běžných okolností solární články zachycují světlo a dodávají elektřinu. Částicí světla je foton a částicí dodávané elektřiny elektron. Jak fotony, tak elektrony jsou nositeli energie. Oba tyto typy částic ale mohou zároveň být nositeli informace. Náš záměr je najít chytrý způsob, jak tyto dvě vlastnosti obou zmíněných částic propojit a zkombinovat funkci nosiče energie a informace v jednom zařízení. To nám umožní navrhnout solární články tak, aby z nich vznikla nová součástka, která nejen že bude vyrábět elektřinu, ale bude také zpracovávat informace. Díky tomu budou moct spolu navzájem komunikovat jak jednotlivé solární články, tak jednotlivá zařízení a umožní tak zajistit, že vyrobená energie skončí přesně tam, kde bude v daný moment potřeba. Tímto způsobem spouštíme chytrou solární revoluci.”

FOTO: Technická univerzita Delft

Aktivní města díky solární energii

Vizí fotovoltatroniky je velkokapacitní plošné využití fotovoltaických technologií umístěných ve městech v kombinaci s elektronickými, fotonickými a digitálními technologiemi. V čem tedy tkví přínos fotovoltatroniky v praktické rovině? Ve zkvalitňování vnitřního prostředí, elektromobilitě, propojení chytrých řešení, ukládání energie a komunikace, v mezioborovém aplikovaném výzkumu a vývoji nových energetických zařízeních vhodných zejména do městského prostředí. V propojování solárních panelů s chytrými bateriemi, autonomními řídícími prvky a domotice (automatizovaných ovládacích prvcích, reagujících např. na pohyb, hlas či heslo), bezdrátové komunikační kanály a dalšími komponenty moderního stavitelství.

Panely se tak z pasivních dílů vyrábějících energii změní na aktivní samořídící prvky. Například transparentní solární články zabudované do okenních skel budou schopné automaticky regulovat zatmavení oken a stínění vnitřních prostor podle míry světla, které na ně a do vnitřních prostor budovy bude dopadat. Dokonce se nabízí možnost designu chytrého nábytku, například pohovky z fotovoltaických geotextilií, která v sobě zároveň bude mít zakomponovanou baterii, z níž pak můžete dobíjet laptop, telefon či jiná zařízení, či solární lampy, která se automaticky zapne, jakmile v místnosti nebude dostatek světla. Jinými slovy řada indoorových zařízení se může díky fotovoltatronice stát bezdrátovými.

Autoři studie popsali celkem pět oblastí, na které se fotovoltatronika může zaměřit s cílem vytvářet multifunkční chytré energetické agenty na bázi fotovoltaiky (PV-IEA). První z nich se týká modelování a mapování vrstev pro co nejvyšší energetické zisky na konkrétním místě; návrhu chytrých multifunkčních fotovoltaických panelů PV-IEA pro dodávání optimální elektrické energie včetně rekonfigurovatelných elektrických topologií FV generátorů, (pasivních) chladicích prvků, elektroniky, senzorů ovládání, zabezpečení a flexibility dodávek elektřiny pomocí zabudovaného úložiště energie; bezdrátového přenosu elektřiny prostřednictvím nového typu FV elektrod, světelné komunikace (LiFi) propojením a řízením světelných zdrojů, jako jsou například světelné diody (LED).

Druhá oblast se věnuje vývoji chytrých multifunkčních fotovoltaických panelů (PV-IEA,) které by pomocí senzorů a čidel dodávaly optimalizované množství a druh (elektřina, světlo, chlazení) energie dle aktuální potřeby. V této oblasti chytré multifunkční panely nebudou s tou patrně konkurovat čím dál levnějším jednoduchým solárním panelům, ale při instalacích ve větším měřítku už se budou moci časem vyplácet.

Třetí oblast se věnuje bezpečnosti, stabilitě a flexibilitě dodávek elektřiny v kombinaci s jejím ukládáním. Největší překážkou jsou měnící se teploty, které významně ovlivňují funkčnost chytrých multifunkčních fotovoltaických panelů se zabudovanou baterií.

Čtvrtá oblast se týká bezdrátového přenosu elektrického proudu, např. na bázi elektromagnetické indukce, s cílem posunout bezdrátový přenos energie do dalších oblastí a úrovní praktického využití.

Pátá oblast fotovoltatroniky se zabývá komunikací na bázi světla (tzv. LiFi) v kombinaci s elektřinou získávanou pomocí fotovoltaických panelů s cílem vyvinout a vyrobit jednotky, které fungují zároveň jako zdroje energie a komunikační a umí se přizpůsobit vnitřním i venkovním světelným podmínkám.

Solární panel s baterií
Zdroj: Technická univerzita Delft

Nová generace solárních článků

Konverzní účinnost solárních článků zůstává klíčovým tématem pro vývojáře a technology s cílem zvýšit výnosnost a efektivitu panelů a snížit jejich cenu. Fotovoltaika přímo přeměňuje energie elektromagnetického záření, například slunečního, na elektřinu. Na trhu běžně dostupné panely na bázi křemíkových článků mají průměrnou účinnost 18-20 %, ty nejvyšší pak přibližně 27 %. Cena těchto zdrojů v minulém desetiletí poklesla o stovky procent. V laboratorních podmínkách dosahuje účinnost běžných panelů téměř 30 %. Aby se podařilo využít co potenciálu, který skýtá sluneční energie je třeba, aby byla vyvinuta nová generace chytrých zařízení na bázi fotovoltaických panelů. Teoretická - daná fyzikálními limity - hranice efektivity tandemových dvouvrstvých solárních článků je více než 45 %. K téměř dvojnásobně účinnějším panelům, než jsou ty dnes běžně dostupné na trhu, je nutné experimentovat s novými absorbčními materiály, strukturou tandemových (vícevrstvých) solárních buněk a koncepty pro využití celého spektra slunečního záření. V tomto ohledu je důležité modelování budoucího prostředí a s ním spojené optimální typ solárního panelu, ať už na bázi krystalického křemíku (c-Si), amorfního křemíku, kadmium–telurida, měď–indium–galium–selenida (CIGS) či perovskitu, mají také zásadní dopad na provozní výkon panelů.

Nové typy panelů ale samy o sobě k vyšším energetickým ziskům ve městech stačit nebudou, zároveň je třeba reflektovat přesná data a poznatky o konkrétních lokalitách. O efektivitě panelu a skutečných energetických ziscích totiž rozhoduje realita na místě, na kterou mají vliv sezónní výkyvy, zastínění z mraků, okolních budov a zeleně, vlhkost či opar. Aby se podařilo vylepšit výkon panelů v konkrétních instalacích, je třeba optimalizovat jejich výkon či zvolit správný typ panelu na základě statistických dat a informací z map sluneční iradiace a s tím souvisejícího zahřívání jednotlivých lokalit. Nedávno zveřejněná mapa pro výběr vhodných fotovoltaických panelů a mapa citlivosti panelů mohou významně ulehčit výběr vhodných technologií. Zejména mapa pro výběr vhodných fotovolatických panelů, která obsahuje informace o toleranci zastínění jednotlivých panelů a tepelný koeficient pro jednotlivé typy solárních technologií (účinnost řady solárních článků se paradoxně s vyšší teplotou snižuje), skýtá další velkou příležitost pro velkokapacitní rozšíření chytrých solárních panelů ve městech.

Základy energetické proměny

Solární energie sehraje do roku 2050 při naplňování Zelené dohody pro Evropu i dalších plánů na snižování uhlíkové stopy ekonomik klíčovou roli. Podle odhadů Mezinárodní agentury pro obnovitelné zdroje IRENA by měla sluneční energie v půlce století pokrývat přibližně čtvrtinu celkové energetické spotřeby lidstva. Ale než se tak stane, bude třeba překonat ještě několik velkých překážek. Jednou z hlavních výzev je, jak získávat co největší prospěch ze slunečního záření, které dopadá v městském prostředí a jak takovou energii můžeme rovnou využít v budovách. Podle autorů studie se výše uvedené typy chytrých multifunkčních fotovoltaických technologií mohou v následujícím desetiletí stát plnohodnotnou součástí budov, zejména v oblasti přenosu energie a informací. Přestože se zatím fotovoltatronika nachází v zárodku, výzkumníci z Delftu očekávají, že se oblast aplikovaného výzkumu čeká intenzivní rozvoj, což dokládají mimo jiné rostoucím počtem studií věnovaných tomuto odvětví. Svoje poznatky o novém oboru a vizi jeho budoucího vývoje popsali ve vědecké studii, kterou zveřejnili v časopise Energy & Environmental Science. Aby nové vynálezy a zařízení mohly rozšířit a začít být využívány také na trhu a v běžném životě, bude třeba také vytvořit novou legislativu a normy tak, aby byla zajištěna bezpečnost a trvanlivost jejich provozu.

Zdroj: TU Delft, Energy & Environmental Science

Autor: František Marčík

FOTO: pixabay.com