Přeskočit na obsah

Budoucnost fotovoltaiky s vysokou účinností očima odborníka Marka Lavorentiho

Fotovoltaické panely na bázi křemíku mají účinnost okolo 20 %. Dokáží tedy přeměnit jen pětinu sluneční energie na elektřinu. Řada vědců proto ve vývoji stále usiluje o panely s účinnosti přesahující 45 %. Přečtěte si, jak budoucnost ve fotovoltaice vidí doktorand z Nizozemského institutu pro základní energetický výzkum Marek Lavorenti.

Fotovoltaické články (panely) prošly za posledních 50 let nepřetržitým vývojem. Vědci přišli s mnoha typy, konstrukcemi a otestovali různé materiály pro výrobu panelů s vidinou nenáročné a levné výroby, která přinese nejlepší využití v praxi.

Pusťte si díl našeho seriálu Posviťme si na soláry, kde se dozvíte více o fotovoltaice s vysokou účinností a o ukládání energie do palivových článků.

Fotovoltaické panely první generace

První generaci fotovoltaických článků tvoří destičky z monokrystalického křemíku. Při výrobě vznikají tažením z monokrystalu. Tento panel je na výrobu dražší, zato je účinnější než polykrystalický (cca 20 %) při jasném slunečním záření.

monokrystalicke-panely-na-rovne-strese

Monokrystaliské panely instalované na rovné střeše.

„Křemíkové panely mají své limity. Nedokonale absorbují sluneční světlo celého spektra. Představme si to, jako kdybychom sbírali vodu ze střechy bez okapu. Když necháme kdesi pod střechou kýbl, sice se naplní, ale systém bude neefektivní. Pokud ale použijeme okap, využijeme celý potenciál střechy a veškerou vodu svedeme do jednoho místa. Takovou střechu s okapem představují u solárů vícepřechodové články třetí generace tvořené dvěma a více vrstvami polovodičů,“ vysvětluje Marek Lavorenti, odborník a Ph.D. student Nizozemského institutu pro základní energetický výzkum.

Výhody mokrystalických solárních panelů

  • dobrá a stabilní účinnost beze ztrát
  • menší nároky na prostor
  • dlouhá životnost
  • různá barevná provedení

Nevýhody monokrystalických solárních panelů

  • dražší výrobní proces
  • nedokonale absorbují sluneční záření

Druhá generace: levnější ale s nižší účinností

Tuto generaci panelů spojuje snaha o nižší náklady na výrobu. Technologii zlevňuje použití menšího množství křemíku v tenkovrstvých článcích a způsoby výroby. Nejběžnější jsou:

  • fotovoltaické články z polykrystalického křmeíku (vznikají lisováním rozdrceného křemíku),
  • mikrokrystalické články (vyrábí se napařením tenké vrstvy křemíku na podklad),
  • nebo fotovoltaické články z amorfního křemíku (vzniká díky rozkladu sloučenin křemíku ve vodíkové atmosféře a nemá pravidelnou, krystalickou strukturu).

Jejich výroba je jednodušší a levnější, účinností se ale monokrystalickým nevyrovnají. Hodnoty účinnosti polykrystalických panelů se pohybují mezi 14 a 17 %.

Výhody polykrystalických solárních panelů

  • levnější výroba
  • dobrá účinnost při horším počasí nebo při nutné montáži na hůře osvětlenou plochu střechy

Nevýhody polykrystalických solárních panelů

  • nižší výkon ve srovnání s monokrystalickými panely
  • nedokonale absorbují sluneční záření
  • vyšší nároky na prostor

Vícepřechodové fotovoltaické články třetí generace

Vícepřechodové nebo také multispektrální články se vyrábí z několika vrstev materiálu tak, aby každá z nich pohltila jinou vlnovou délku slunečního záření. Tyto panely jsou zatím nejúčinnější a používají se ve vesmíru a v koncentrované solární technologii. Ta využívá zrcadla nebo čočky, aby na panel soustředila co nejvíce slunečního záření. Klidně v síle pěti set až tisíci sluncí. Díky tomu získáte daleko větší napětí a proudy než u běžných technologií.

viceprechodovy-clanek-s-odrazovym-cverhranem

Takto vypadá vícepřechodový článek s odrazovým čtverhranem v laboratořích Nizozemského institutu pro základní energetický výzkum.

„Představte si, že na už zmíněné střeše použijeme okapy a svedeme veškerou vodu do jednoho místa. Přesně takto u solárů fungují vícepřechodové články tvořené dvěma a více vrstvami polovodičů včetně germania. A mají jen 1 centimetr čtvereční. Takové články pak pohlcují sluneční paprsky ve vrstvách a vykrývají téměř celé solární spektrum od UV až po IR záření. Ve vesmírném výzkumu se dnes používají fotovoltaické články s účinností přesahující 45 % a v budoucnosti tyto hodnoty jistě porostou,“ popisuje Marek Lavorenti.

Při průmyslovém využití ale tyto články narážejí na nákladnost jejich výroby. Cenu křemíkových článků totiž převyšují několikanásobně. Výroba se prodražuje zejména:

  • nanášením tenkých vrstev polovodičů v atomovém měřítku
  • vysokou cenou germania, na které se vrstvy nanáší.

„Jsem přesvědčený, že díky neustálému vývoji dojde k přechodu na levnější materiály a vícepřechodové články si jednou najdou i cestu k domácnostem. Také proto, že významně sníží plochu, kterou bychom potřebovali k zisku stejného výkonu oproti křemíku,“ doplňuje Marek Lavorenti.

Výhody vícepřechodových solárních panelů

  • vyšší účinnost
  • využitelnost celého spektra slunečního záření
  • odolnější a lehčí konstrukce
  • minimální plocha konstrukce

Nevýhody vícepřechodových solárních panelů

  • struktura snižuje protékající proud
  • drahý materiál i výroba, které nedokáží konkurovat levnému křemíku

Když se spojí vícepřechodové články s vodíkem

Díky vyšší účinnosti vícepřechodových článků se také nabízí jejich spojení s decentralizovanou výrobou vodíku. Vodík tak může sloužit k uchování elektrické energie ve formě chemických vazeb.

„V projektu SUNtoX převádíme ze sluneční energie plyny – v našem případě vodík. Pracujeme s membránovou elektrolýzou, kde elektrody fungují jako houby. Ty nasáknou vzdušnou vlhkost, ze které vyrábíme vodík a kyslík na druhé straně. Díky tomu nepotřebujeme ani žádnou recirkulaci vody. To znamená, že tento způsob elektrolýzy využijeme i v pouštních oblastech, kde je jen vlhkost, ale žádný zdroj vody,“ vysvětluje Marek Lavorenti.

PV-elektrolyza-3

Fotovoltaika lze spojit se dvěma principy elektrolýzy.

Součástí projektu je i výzkum skladování vodíku v tekutých materiálech na bázi křemíku, to je totiž mnohem bezpečnější než jeho tlakování. I z takové formy jej lze následně využít, například jako:

  • palivo do vozidel,
  • záložní zdroj energie,
  • v potravinářství,
  • k výrobě amoniaku
  • nebo pro recyklaci plastů.

„Místo baterií byste u elektrárny měli pouze zásobník s vodíkem, který byste mohli čerpat do plynovodu nebo ho při nedostatku elektrické energie přeměnili zpět pomocí palivových článků. A pokud vám tato představa zní utopicky, přečtěte si třeba o Microsoftu, který přechází k vodíku jako záložnímu zdroji energie pro vlastní servery,“ shrnuje optimisticky Marek Lavorenti.

Zásadní význam těchto technologií v energetice vnímá i Petr Pešek, jednatel firmy Pešek & Mudra a odborník na energetiku. „V dnešní době je třeba zdokonalovat akumulaci elektrické energie různými způsoby. Zároveň potřebujeme uskladněnou energii efektivně využívat. To přesně nabízí systémy elektrolýzy a palivové články, které dokáží přeměnit vodík zpět na elektřinu. A i když to zatím není využitelné pro domácnosti, své místo tyto technologie mají v průmyslu a energetice. Například pro uskladnění levně vyrobené energie na horší časy,“ dodává.

Autor

Marek Lavorenti

Marek Lavorenti

                  

S Petrem Peškem se známe od útlého věku a společně jsme studovali na Gymnáziu Rokycany. Já jsem poté pokračoval na VŠCHT v Praze se zaměřením na vodíkové a membránové technologie. Před ukončením magisterského studia jsem absolvoval roční stáž v Toyota Motor Europe (Brusel), kde jsem se podílel na výzkumu a vývoji katalyzátorů pro palivové články. Také jsem absolvoval zahraniční stáže na univerzitě v Padově a KU Leuven. Momentálně jsem doktorandem na TU Eindhoven v Nizozemském institutu pro základní energetický výzkum (DIFFER), kde vyvíjím a testuji systémy pro přímou elektrolýzu pomocí slunečního záření. Podílím se i na projektech k vývoji elektrod pro PEM a alkalickou elektrolýzu vody, testování membrán a charakterizaci použitých materiálů. 

Chci nezávaznou nabídku


Zpět
Sdílejte

Mohlo by vás zajímat

Jak u rodinného domu optimálně vyřešit ohřev vody pomocí fotovoltaiky

10 minut čtení

6. 5. 2024

Jak u rodinného domu optimálně vyřešit ohřev vody pomocí fotovoltaiky

Celý článek
[Solární magazín] Petr Pešek byl hostem podcastu o fotovoltaice

16 minut čtení

29. 3. 2024

[Solární magazín] Petr Pešek byl hostem podcastu o fotovoltaice

Celý článek
Od 15. 2. 2024 se upravuje dotační podpora fotovoltaiky v Nové zelené úsporám

4 minuty čtení

2. 2. 2024

Od 15. 2. 2024 se upravuje dotační podpora fotovoltaiky v Nové zelené úsporám

Celý článek

Získejte zdarma energetický model fotovoltaické elektrárny pro svůj dům včetně nacenění