Fotovoltika včera, dnes a zajtra

V odvetví, ktoré sa vo veľkom obhajuje aj zatracuje, sa ukazuje smer ďalšieho vývoja. Nové technológie, nové konštrukčné riešenia a vyššie účinnosti. Zároveň optimálne spôsoby výroby energie, jej využívania a uchovávania. To všetko sú výzvy pre súčasnú a budúcu fotovoltiku.

Za uplynulých päť desaťročí sa posunul vývoj fotovoltických článkov (vznik prvého použiteľného článku z kryštalického kremíka datuje do 50. rokov minulého storočia) obrovským smerom vpred. Neustále sa zdokonaľujú technológie, ktoré sú odolnejšie, prispôsobivejšie a výkonnejšie, aj montážne systémy, umožňujúce slobodnejšiu inštaláciu v podstate kdekoľvek. Cieľom výrobcov je ponúknuť spoľahlivé technológie, ktoré z hľadiska zdrojov a výrobných procesov predstavujú minimálnu záťaž pre životné prostredie. Tlak jednoznačne vplýva aj na ceny panelov, pri ktorých, samozrejme, okrem efektu zo zavedenia hromadnej a sériovej výroby (posun smerom dole) hrá svoju úlohu aj požiadavka na vývoj nových a dokonalejších technológií. Dnes už nie je problém fotovoltický článok zabudovať priamo do strešnej konštrukcie namiesto strešnej krytiny, alebo do fasády objektu.

V uplynulom období došlo na trhu s fotovoltikou k významným zmenám – či už z hľadiska legislatívnych úprav, alebo z pohľadu konkurencieschopnosti, keďže tržné prostredie otvára vo všeobecnosti príležitosti len tým najlepším, ktorí majú čo ponúknuť. Zdanlivo stabilná situácia sa síce javí v ponuke výrobcov, ktorí zotrvávajú pri monokryštalických a polykryštalických moduloch (založených na kryštalickom kremíku, ktorý je najúčinnejší), posun však nastáva inde. Hlavným smerom vývoja sú konštrukčné riešenia a zvyšovanie účinností. Sortiment sa významne rozširuje o nové technológie, z ktorých sa v súčasnosti umiestňujú na čele rebríčka tenkovrstvové technológie. Tenkovrstvové moduly možno z hľadiska ich podstaty rozčleniť do troch základných skupín: na moduly vyrábané z mikromorfného/amorfného kremíka, na moduly, pri ktorých sa používa technológia CdTe, ktorá však obsahuje ťažké kovy, a do tretice na moduly založené na technológii typu CIGS/CIS.

Technológia mikromorfného kremíka
Amorfné/mikromorfné moduly vznikajú zjednodušene nanášaním veľmi tenkej vrstvy kremíka na podkladový nosič. Vďaka tenkovrstvovej technológii sa spotreba kremíka oproti konvenčným modulom výrazne znižuje (pri kryštalickej metóde sa vrstva kremíka pohybuje okolo 100 μm, pri amorfnej technológii okolo 2 μm).
Výroba navyše menej závisí od doplnkových materiálov, najčastejšie od skla a hliníka. Ďalšou výhodou tenkovrstvovej technológie je nižšia kolísavosť výkonu panelov v závislosti od prevádzkovej teploty, aj pri vysokom zahriatí vykazujú moduly dobré výsledky. Životnosť panelov sa predlžuje a škodlivé emisie spojené s výrobou sa minimalizujú. Táto technológia zároveň nezahŕňa použitie ťažko odbúrateľných prvkov. Moduly sú ľahšie, vďaka čomu možno vytvárať aj väčšie formáty. Možnosti sa tu preto otvárajú aj v oblasti dizajnu, povrch je čistý, homogénny, s možnosťou úprav pomocou laseru. Tenkovrstvová technológia je v podstate predurčená na vertikálne využitie pri oknách, dverách, posuvných systémoch, teplých aj studených fasádach a aj na zasklenie svetlíkov. Vďaka mikromorfnej/amorfnej báze totiž moduly využívajú širšie spektrum denného žiarenia a efektívne pracujú aj pri pôsobení tzv. difúzneho svetla. Tenkovrstvové moduly ponúkajú zároveň výborné celoročné konzistentné výkony aj pri rozptýlenom svetle. V tom je rozdiel oproti tradičným fotovoltickým systémom založeným na kryštalickej báze, ktoré sú netransparentné a vyžadujú priame slnečné žiarenie z juhu, ideál­ne pod odporúčaným sklonom 32 až 37° (v našich podmienkach).

Jeden príklad za všetky Na trhu je dostupná novinka modulu so špeciálnou viacvrstvovou konštrukciou tvorenou vrstvami skla, kremíka a krycej laminátovej fólie s minimálnou hrúbkou – len 8 mm. Čelné sklo, vybavené transparentnou vrstvou (TCO – Transparent Conductive Oxide), ktorá spoločne s kontaktnou vrstvou elektricky prepojuje vrstvy kremíka produkujúce elektrický prúd, má hrúbku 3,2 mm. Hrúbka zadnej sklenenej vrstvy sa odlišuje podľa konkrétnych statických parametrov. Kombinácia povrchovej úpravy vrchného skla s vrstvami amorfného a mikromorfného kremíka vedie k efektívnej výrobe elektrickej energie. Prúd vzniká transformáciou slnečného žiarenia v oboch kremičitých vrstvách, v jednej z amorfného (a-Si:H) a v druhej z mikrokryštalického kremíka (μc-Si:H). Obe vrstvy spolu využívajú výrazne širšie svetelné spektrum a vytvárajú charakteristický tmavý vzhľad. Zadné sklo, čelné sklo a elektricky účinné tenké vrstvy tvoria spolu so špeciálnou krycou laminátovou fóliou (PVB) pevný homogénny celok. Z hľadiska rozmerov možno jednotlivo inštalovať moduly s rozmermi od 200 × 300 mm (š × v) do 2 200 × 2 600 mm. Pri stavebnicovom riešení možno objednať aj maxi rozmer 2 000 × 4 000 mm (š × v). Semitransparentný modul s voliteľným stupňom priehľadnosti 0 – 50 % dosahuje výkon až 80 Wp/m². Tenkovrstvové moduly podobného zloženia sa použili napríklad na opláštení obchodno-administratívnej budovy spoločnosti ESU electronic solutions ulm GmbH & Co. KG v nemeckom Neu-Ulme. 24 transparentných modulov s celkovou rozlo­hou 60 m2 s inštalovaným výkonom 2,23 kWp vyrobí za rok približne 1 570 kWh, ktoré možno odvádzať aj do siete. Firme to prináša roč­né úspory v podobe 355 litrov vykurovacieho oleja a približne 835 kg CO2. Tri slepé moduly slúžia ako zariadenie na odvod dymu a tepla. Z vonkajška sú však dokonale integrované do štruktúry fasády tak, aby nedošlo k narušeniu celistvosti. Aj keď plocha modulov nepokryje celkové energetické potreby budovy, ide o veľký krok vpred v oblasti trvalej udržateľnosti a architektúry budúcnosti.

Nové možnosti pre architektúru
Od tenkovrstvových technológií sa odvíjajú aj úplne nové možnosti inštalácie fotovoltických panelov v rámci opláštenia budov. Homogénny povrch prírodnej hnedej alebo čiernej farby (konvenčné kryštalické moduly charakterizuje typický mriežkový/sieťový vzor modrastého odtieňa), voliteľné stupne transparentnosti, možnosť potlače logom a rôznorodé tvary týchto modulov znamenajú potenciál architektúry 21. storočia. K dispozícii sú už moduly, ktoré možno aplikovať v podstate vo všetkých oblastiach opláštenia objektov, a to nielen v komerčnej sfére. Moduly ponúkajú unikátny prirodzený vzhľad, homogénnu štruktúru, najrozličnejšie tvary a rozmery skiel a aj rozličné stupne transparentnosti (pomocou laseru sa vo vrstve kremíka vytvárajú stupne priehľadnosti od 0 do 20 %), čo je dôležité najmä pri použití modulov ako okenných systémov, ktoré prepájajú vnútorné a vonkajšie prostredie.

Ak sa skombinuje tenkovrstvová technológia s dômyselnými montážnymi systémami, nie je problém nahradiť fotovoltickými panelmi nielen fasádne prvky, ale napríklad aj strešnú krytinu. Moduly možno integrovať priamo do strešnej konštrukcie. Okrem inštalácií do šikmých strešných konštrukcií sú v ponuke aj systémy na efektívne využitie priestoru plochých striech, nezávisle od dnes už prekonanej jednosmernej orientácie na juh, ako to je pri kryštalických moduloch. Medzi ideálne industriálne priestory patria v tomto prípade veľké haly, logistické centrá a ďalšie objekty, do ktorých sa dá umiestniť strešná inštalácia alebo predsadená fasáda. Výnimku netvoria ani poľnohospodárke objekty so živočíšnou výrobou, firmy už ponúkajú panely, ktoré sú certifikované na odolnosť proti korózii a pôsobeniu amoniaku.

Energiu vyrábať, uchovávať a využívať
Platí, že energiou treba nielen šetriť, dôležité je ju aj optimálne vyrábať a efektívne využívať, ideálne s možnosťou jej uchovania. Výrobcovia preto pracujú na vývoji výkonných batérií, ktoré by umožnili uchovať energiu a dokonca aj rozpoznať, kedy je najvýhodnejšie predať ju do siete, spotrebovať v danom objekte alebo uložiť do batérií. Dochádza tak k decentralizovanej výrobe energie, ktorá sa využíva tam, kde je to práve najvýhodnejšie. Medzi sledované ciele patrí minimalizácia transakčných strát, znižovanie nákladov a zvýšená ochrana životného prostredia. Na ich základe vznikla napríklad inteligentná jednotka, ktorá riadi využívanie energie vyprodukovanej zo slnka, a to predovšetkým vďaka možnosti jej uchovania a čerpania počas večera, keď slnko nesvieti, či druhý deň. Jednotka sama vyhodnotí, kedy je ekonomicky najvýhodnejšie čerpať energiu v domácnosti cez integrovaný menič, kedy je lepšie ju uchovať v batériách jednotky alebo predať do verejnej siete.

V každej priemernej domácnosti totiž spravidla dochádza k tomu, že z celkového času, keď sa slnečná energia počas dňa vyrába, sa priamo využije množstvo energie, ktoré zodpovedá len 30 % tohto času. Riadiaca jednotka môže celý proces zásadne zlepšiť vďaka možnosti uchovania zvyšnej energie, ktorú nemožno spotrebovať priamo. V modeli spoločnosti Schüco na to slúži vysoko výkonná batéria založená na lítium-ionto-grafitovej technológii. Uloženú energiu možno vyčerpať počas noci či druhý deň ráno. Za príklad budúcnosti môže slúžiť rodinný domček s fotovoltickou inštaláciou 5,5 kWP, ktorý si bude schopný sám zabezpečiť až 80 % ročne spotrebovávanej energie. Medzi benefity patria významná nezávislosť od externých dodávateľov, príspevok k ochrane životného prostredia a predovšetkým finančné úspory, keďže vlastná slnečná energia je pri neustále sa zvyšujúcich cenách dodávok externej elektrickej energie veľmi výhodná.

Vďaka inteligentnému softvéru, ktorým je riadiaca jednotka vybavená, majú prevádzkovatelia/majitelia systému prístup k aktuálnym údajom, akými sú výkon, spotreba energie či stav batérie, a to všetko v podstate nepretržite a odkiaľkoľvek cez počítač, tablet či inteligentný telefón. Aj potrebné aktualizácie softvéru sa vykonávajú jednoducho, stačí on-line pripojenie.

Rodinné domy budúcnosti V budúcnosti sa napríklad firma Schüco chystá ponúknuť dva druhy riadiacich jednotiek s rozličnými zásobovacími kapacitami. Jednotka s akumuláciou na 4 kWh bude určená pre rodinné domy. Pri priemernej ročnej energetickej spotrebe štvorčlennej domácnosti s fotovoltickou inštaláciou 5,5 kWP a kapacitou zásobníka až 4 500 kWh bude podiel spotreby vlastnej elektrickej energie 55 %. Prvé takéto jednotkyby sa mali začať predávať koncom tohto roka. Druhý model s kapacitou batérií 8 kWh možno využiť na napájanie ďalších elektrických spotrebičov v environmentálne zmýšľajúcich domácnostiach, napríklad na napájanie tepelného čerpadla alebo elektromotorov. Pri tomto type inštalácie potom dochádza až k 80 % využitia vlastnej vyprodukovanej energie. Uvedenie na trh sa očakáva na budúci rok.

Kombinované využitie fotovoltiky a tepelného čerpadla
Mnoho majiteľov rodinných domov rozmýšľa o kúpe tepelného čerpadla alebo o umiestnení fotovoltickej inštalácie na strechu rodinného domu. Obe technológie však možno spojiť a zabezpečiť si tak vlastnú ekologickú energiu na prípravu teplej vody, vykurovanie aj klimatizáciu objektu. Riešenie prinášajú kombinované sety, ktoré možno zostaviť podľa konkrétnych parametrov a požiadaviek. Prepojením tepelného čerpadla voda – vzduch so splitovou jednotkou s fotovoltickými panelmi sa dosiahne maximálne využitie vlastnej vyrobenej obnoviteľnej energie a zníženie závislosti od externých dodávateľov. Podstatou napojenia fotovoltickej inštalácie na tepelné čerpadlo je využitie energie nielen na prípravu teplej vody, ale v závislosti od ročného obdobia aj na vykurovanie a klimatizáciu domu. Spo­treba energie z fotovoltickej inštalácie sa tak zvýši až o ďalších 7 %. To všetko pri samostatnom chode vďaka inteligentnej riadiacej technológii. Systém je ideálny predovšetkým pre novostavby, kde ho možno implementovať už do vznikajúceho projektu. Odporúča sa pritom využiť vzájomnú kompatibilitu jednotlivých komponentov jedného výrobcu a nezabudnúť ani na to, že ideálny set možno nastaviť na mieru pre akýkoľvek objekt.

Záver
Ešte pred niekoľkými rokmi boli mnohí architekti do istej miery skeptickí k projektom so zabudovanou fotovoltikou. Niet divu, byť limitovaný v dizajne aj neštandardných konštrukčných riešeniach je, samozrejme, demotivujúce. Tieto časy sú však preč a výrobcovia solárnych technológií sa za posledné roky predháňajú na svetových veľtrhoch v prezentácií riešení, ktoré odbornú verejnosť doslova nabádajú na reakciu a začlenenie do plánovaných projektov. Inovované fasádne systémy so zabudovanou fotovoltikou aj samostatne stojace solárne jednotky sú totiž nielen vysoko adaptabilné a dizajnovo atraktívne, ale objektom prinášajú aj významný environmentálny a ekonomický benefit. Okrem toho sa jednoznačne, ako ukázala aj naša anketa v TZB Haustechnik č. 4/2010, hodnotia ako najperspektívnejšie typy inštalácie fotovoltiky (poznámka redakcie).

(sf)
Spracované v spolupráci so spoločnosťou Schüco International KG.
Foto: Schüco International KG

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.