Solární energie z oken, v noci, z vesmíru... aneb novinky v solární energetice

Agrovoltaika: Solární panely a zemědělství v dokonalé synergii

Agrovoltaika není úplná novinka. Představuje elegantní řešení jednoho z největších dilemat moderní energetiky – konfliktu mezi výrobou čisté elektřiny a zachováním zemědělské půdy pro pěstování potravin. Místo stavění panelů na zelené louce se fotovoltaika integruje přímo nad pěstované plodiny. V praxi se nejčastěji využívají vyvýšené konstrukce ve výšce přes dva metry, které pod sebou bez problémů nechají projít běžnou zemědělskou techniku, nebo vertikální oboustranné panely, jež tvoří jakési solární ploty a zachovávají mezi řadami dostatek místa pro obdělávání či pastvu.

Tento přístup přináší oboustrannou synergii. Stín z panelů snižuje odpařování vody z půdy až o 30 %, což v horkých letních měsících chrání plodiny před suchem a úpalem, zatímco při krupobití fungují naklápěcí panely jako ochranný štít. Zároveň odpařovaná vlhkost z rostlin přirozeně ochlazuje samotné panely. Díky tomuto mikroklimatu dosahují křemíkové články vyšší účinnosti výroby elektřiny než na přehřáté střeše či asfaltu.

Legislativa v ČR: Zelená pro sady, chmelnice i vinice

V České republice prošla agrovoltaika zásadním právním posunem díky novele Zákona o ochraně zemědělského půdního fondu. Klíčovou změnou je, že zemědělci již nemusí půdu vyjímat ze zemědělského fondu ani platit vysoké poplatky za změnu jejího využití. Pozemek oficiálně zůstává zemědělskou půdou, což výrazně zjednodušilo celý schvalovací a investiční proces.

Česká legislativa směřuje agrovoltaiku primárně tam, kde přináší rostlinám prokazatelný užitek, tedy na chmelnice, vinice, ovocné sady a vybrané zeleninářské plochy. Aby byly splněny přísné podmínky ochrany půdy, musí zůstat minimálně 95 % celkové plochy plně obhospodařovatelných bez masivních betonových základů. Zákony rovněž požadují podchozí výšku alespoň 210 cm u vyvýšených systémů a plnou reverzibilitu stavby, což znamená, že po skončení životnosti panelů musí být možné celou konstrukci odvézt bez trvalých následků na krajinu.

Když panely zabírají vodní hladinu místo půdy

Plovoucí fotovoltaika (v angličtině známá pod názvem Floatovoltaics či zkratkou FPV) představuje další elegantní způsob, jak vyrábět čistou energii ze slunce bez zabírání cenné orné půdy. Solární panely se v tomto případě montují na speciální plováky z odolných recyklovatelných plastů, které tvoří jakési plovoucí ostrovy ukotvené ke dnu nebo k břehům pomocí pružných lan. Instalují se především na průmyslové a nevyužívané vodní plochy, jako jsou zatopené štěrkovny, odkalovací nádrže, nádrže čistíren odpadních vod nebo vodní přehrady.

Unikátní výhody: Voda chladí panely, panely chrání vodu

Běžné fotovoltaické panely s rostoucí teplotou ztrácejí účinnost (čím jsou v létě rozpálenější, tím méně elektřiny vyrobí). Mikroklima nad vodní hladinou však panely neustále ochlazuje, díky čemuž plovoucí fotovoltaika dosahuje v horkých měsících o 5 až 15 % vyššího výkonu než stejný systém na zemi či na střeše.

Ochrana vody před odparem a sinicemi: Zakrytí vodní hladiny panely snižuje odpařování vody až o 70 %, což je obrovská výhoda pro vodní nádrže v suchých oblastech. Stínění pod panely navíc omezuje pronikání slunečního svitu do hloubky, což potlačuje masivní kvetení sinic a řas a zlepšuje kvalitu vody.

Perfektní spojení s vodními elektrárnami: Stavba plovoucí fotovoltaiky přímo na přehradních nádržích vytváří takzvaný hybridní hydro-solární systém. Přes den fotovoltaika vyrábí energii a šetří vodu v nádrži. Voda se pak pouští přes turbíny večer a v noci, když slunce nesvítí. Obě technologie navíc sdílejí stejné drahé trafostanice a kabely pro připojení do sítě.

Jaký má potenciál v ČR?

V České republice se plovoucí fotovoltaika skvěle hodí do regionů prošlých těžbou uhlí. Zatopené lomy a nově vznikající jezera na Mostecku, Sokolovsku či Karvinsku nabízí rozsáhlé vodní plochy bez turistického využití. První pilotní projekty u nás už vznikly (např. na horní nádrži href https://www.cez.cz/nextcez/cs/o-cez/vyrobni-zdroje/obnovitelne-zdroje/slunce/provozovane-fotovoltaicke-elektrarny/plovouci-fotovoltaicka-elektrarna-stechovice-181047vodní elektrárny Štěchovice nebo na štěrkovnách), kde úspěšně testují odolnost konstrukcí vůči zimnímu ledu, mrazu a silnému větru.

Solární články v oknech

Průhledné solární články

Průhledné solární články představují technologii, která mění pasivní okna a skleněné fasády v aktivní zdroje čisté energie. Vývojářům (pionýrský výzkum – Michigan State University (MSU): tým profesora Richarda Lunta) se podařilo vyřešit zdánlivě nemožný fyzikální paradox, tedy jak vyrobit elektřinu ze skla, které musí zůstat plně průhledné pro lidské oko. Řešení spočívá v využití neviditelného světelného spektra. Speciální organické molekuly nanesené na tabuli skla pohlcují pouze ultrafialové (UV) a blízké infračervené (NIR) záření, zatímco viditelné světlo nechávají volně procházet. Zachycená neviditelná energie se uvnitř skla přesměruje k okrajům rámu, kde jsou ukryté tenké fotovoltaické pásky, které ji promění v elektrický proud.

Obrovský potenciál této technologie spočívá v rozloze moderní městské zástavby. Zatímco střešní plochy výškových budov bývají velmi omezené, skleněné pláště mrakodrapů zabírají tisíce čtverečních metrů.

Významným vedlejším přínosem je i úspora energie za chlazení – tím, že okna pohlcují infračervené paprsky odpovědné za přenos tepla, přirozeně zabraňují přehřívání interiéru v letních měsících. Přestože plně čirá fotovoltaická okna dosahují kvůli propustnosti viditelného světla nižší účinnosti (aktuálně kolem 5 až 10 % oproti klasickým černým panelům), tento hendikep bohatě kompenzují gigantickou plochou, na kterou je lze bez jakýchkoliv estetických ústupků nainstalovat.

Průhledná fotovoltaická okna se dnes nacházejí ve fázi, kdy se reálně instalují na velkých pilotních komerčních projektech, ale na masový vstup do běžných domácností si ještě musíme počkat.

Poloprůhledné fólie

Zatímco fotovoltaická okna vyžadují kompletní výměnu celých okenních systémů již při stavbě budovy, solární fólie přinášejí možnost takzvaného retrofitu, tedy dodatečného vylepšení jakékoliv již stojící struktury. Jedná se o tenkovrstvé, nejčastěji organické nebo perovskitové články, které se nanášejí v mikroskopických vrstvách na pružný plastový podklad. Tento proces probíhá podobně jako tisk novinového papíru (z role na roli), což technologii předurčuje k velmi nízkým výrobním nákladům. Výsledkem je extrémně lehký materiál vážící méně než jeden kilogram na čtvereční metr, který se na stávající povrchy jednoduše nalepuje bez nutnosti jakéhokoliv vrtání.

Díky své ohebnosti a zanedbatelné hmotnosti otevírají fólie zcela nové možnosti využití tam, kde by klasické křemíkové panely selhaly. Jednou z nejslibnějších aplikací jsou solární venkovní žaluzie, lamely pokryté perovskitovou vrstvou během dne stíní interiér a zároveň vyrábějí elektřinu pro provoz budovy. Fólie rovněž řeší problém lehkých střech průmyslových hal nebo historických budov, jejichž konstrukce by masivní zátěž klasických panelů neusnesly. Bez problémů je lze přizpůsobit i pro zakřivené architektonické prvky, prosklené kopule, střechy karavanů či kapoty elektromobilů.

Z hlediska komerční dostupnosti mají fólie k běžnému trhu o něco blíže než fotovoltaická skla. Výrobci jako německá společnost Heliatek nebo polská Saule Technologies již své organické a perovskitové fólie dodávají pro reálné stavby. Hlavní technologickou výzvou však zůstává jejich dlouhodobá stálost. Přestože fólie dosahují solidní účinnosti v rozmezí 8 až 13 % a výborně fungují i při slabém či rozptýleném světle, organické materiály v nich podléhají rychlejší degradaci vlivem vlhkosti a UV záření, kvůli čemuž zatím nedosahují třicetileté životnosti klasických křemíkových panelů chráněných sklem.

Když slunce vyrábí elektřinu i v noci

Koncentrační solární energie

Fascinující větví solární energetiky, která funguje na zcela odlišném principu než běžné fotovoltaické panely, je koncentrační solární energie (CSP). Místo přímé přeměny světla na elektrický proud využívá stovky až tisíce počítačem řízených zrcadel, takzvaných heliostatů, které odrážejí a soustředí sluneční paprsky do jediného ohniska, většinou na vrchol vysoké věže.

V tomto ohnisku vzniká extrémní teplo dosahující 500 °C až 1000 °C, které ohřívá teplonosné médium, nejčastěji roztavenou sůl. Obrovskou výhodou roztavené soli je její schopnost udržet si vysokou teplotu po mnoho hodin. Horká sůl následně přivádí vodu k varu. Vzniklá pára pohání klasickou turbínu. Díky tomuto integrovanému tepelnému úložišti dokáže CSP elektrárna vyrábět elektřinu stabilně 24 hodin denně, tedy i hluboko v noci.

Tato technologie má však své klimatické limity. Vyžaduje totiž přímé sluneční záření bez mraků a mlhy, protože rozptýlené (difúzní) světlo zrcadla nedokážou efektivně zkoncentrovat. Z tohoto důvodu se s těmito obřími „slunečními vařiči“ nesetkáme v mírném pásu České republiky, ale v pouštních oblastech Španělska, Severní Afriky, Blízkého východu či na jihozápadě USA a v Číně.

Využití tepla proudícího do vesmíru

Další pozoruhodnou novinkou z výzkumných laboratoří je takzvaná termoradiativní fotovoltaika. Inženýři z University of California dokázali vyvinout speciální články, které dokážou vyrábět elektřinu i uprostřed noci.

Zatímco klasické fotovoltaické panely fungují tak, že pohlcují světlo přicházející ze Slunce, tyto noční články fungují v obráceném režimu. Během noci je povrch Země teplejší než chladný okolní vesmír. Zařízení směřující k noční obloze tak vyzařuje teplo ve formě infračerveného záření směrem do vesmíru. Speciální polovodičový materiál dokáže tento tok odcházejícího tepla zachytit a přeměnit jej na malý, ale stabilní elektrický proud. Přestože je výkon nočních článků ve srovnání s denním sluncem zlomkový, v kombinaci s klasickými panely by v budoucnu mohly zajistit, že solární systémy nikdy plně nevypnou.

Tato technologie je v tuto chvíli ve fázi teorie. K reálnému využití má daleko. Pokud se technologii podaří zefektivnit, její první reálné využití bude v oblastech tzv. Energy Harvestingu – tedy napájení drobných senzorů, meteostanic nebo zařízení internetu věcí (IoT) na odlehlých místech, kde stačí malé množství energie pro trvalý provoz bez nutnosti měnit baterie.

Vesmírná solární energetika: Elektřina z oběžné dráhy bez ohledu na počasí

Principy vesmírné fotovoltaiky spočívají v umístění obřích solárních satelitů na geostacionární oběžnou dráhu Země (ve výšce přibližně 36 000 kilometrů). V této výšce slunce nikdy nezapadá, atmosféra nerozptyluje sluneční paprsky a panely nejsou ovlivňovány počasím. Výsledkem je, že solární panel ve vesmíru dokáže zachytit až osmkrát více energie než stejný panel na zemském povrchu a dodávat ji nepřetržitě 24 hodin denně, 365 dní v roce.

Klíčovou výzvou vždy bylo, jak dostat takto vygenerovanou energii dolů na Zemi bez použití drátů. Řešením je bezdrátový přenos pomocí mikrovln nebo laseru. Satelit přemění vyrobenou elektřinu na neviditelný mikrovlnný paprsek, který bezpečně projde atmosférou i mraky a dopadne na přijímací stanici (tzv. rectennu) na Zemi. Tato přijímací síť, která může mít podobu např. jemného pletiva rozprostřeného nad krajinou, přemění mikrovlny zpět na elektrický proud a pošle ho do sítě.

Že nejde jen o teoretický koncept, dokázal nedávný experiment vědců z Kalifornského technologického institutu (Caltech), kterým se poprvé v historii podařilo úspěšně přenést solární energii z prototypu na oběžné dráze přímo na Zemi.

Zdroje:

ZHAO, Yimu, Benjamin BARRETTE, Garret M. WILLIAMS a Richard R. LUNT. Near‐Infrared Harvesting Transparent Luminescent Solar Concentrators. Advanced Optical Materials [online]. 2014, roč. 2, č. 7, s. 606–611. ISSN 2195-1071. Dostupné z: https://doi.org/10.1002/adom.201400103 – pilotní výzkum průhledných solárních panelů

DEPPE, Tristan a Jeremy N. MUNDAY. Nighttime Photovoltaic Cells: Electrical Power Generation by Emitting Infrared Light. ACS Photonics [online]. 2020, roč. 7, č. 1, s. 1–9. ISSN 2330-4022. Dostupné z: https://doi.org/10.1021/acsphotonics.9b00679 – pilotní výzkum k termoaktivní fotovoltaice

Caltech Space Solar Power Project (SSPD-1 / demonstrátor MAPLE): Projekt Kalifornského technologického institutu, kterému se podařilo bezdrátově přenést solární energii z oběžné dráhy na Zemi.

Iniciativa SOLARIS (ESA): Výzkumný program Evropské vesmírné agentury posuzující proveditelnost vesmírných elektráren pro Evropu.