Úsvit solárních oken – 2. díl

Do roku 2020 bude podle Freedonia Group celosvětově každý rok pokryto sklem 8,3 miliard čtverečních metrů na nových budovách.  Kdyby byla tato plocha pokryta solárními panely, její instalovaný výkon by byl více než 1 terawatt a během jednoho roku by dokázala vyrobit přibližně 2 200 TWh elektrické energie. To je zhruba 9 % světové spotřeby elektrické energie v roce 2016. K využití tohoto potenciálu a zachování původní funkčnosti by se dala využít solární okna.

Úsvit solárních oken – 1. díl

Využití perovskitu

Princip této technologie je podobný solárním oknům využívajícím organický materiál, tedy technologii, kterou vyvíjí společnost SolarWindow. V tomto případě je ale centrální vrstva namísto organického polymeru nahrazena perovskitovým materiálem. Na rozdíl od polymerové vrstvy, která je absorpční, jsou perovskity polovodiče. Ty umožňují díky elektronové vodivosti odstranit, anebo zmenšit ostatní nanášené podpůrné vrstvy, které zastávaly funkci vodivosti u polymerových vrstev.

Nevýhodou materiálu je náchylnost na vlhko. Britský startup, Oxford Photovoltaics, tvrdí, že řešení problému je vyvíjení méně senzitivních formulí a pevným zapouzdřením při instalaci. Oxford Photovoltaics se zabývá vývojem solárních oken, ovšem momentálně se společnost soustřeďuje na využití jejich nejpokrokovějšího produktu proti vlhkosti , semitransparentní perovskitové vrstvy, u klasických fotovoltaických panelů. Tím by došlo by k vytvoření tzv. „ tandemového článku“, jehož účinnost je okolo 25 %.

„Mým největším strachem bylo, že vytvoření fotovoltaického produktu, který by se dal integrovat přímo do budovy, bude trvat déle, než si můžeme dovolit,“ uvedl Chris Case, hlavní technolog firmy Oxford PV.

Jako s každým novým materiálem, zvětšení z prototypového článku o ploše 1 cm čtvereční na plochu o rozměru okna o velikosti 60 na 120 cm vyžaduje hodně práce. Společnost tedy nejprve zamýšlí zlepšit svoji výrobní technologii na malých plochách a doufá, že postup bude moci aplikovat na výrobu ploch běžných rozměrů oken. Firma očekává, že „tandemové články“ by se mohly objevit na trhu již v roce 2019, a perovskitová solární okna do několika let.

Sarah Kurtzová, fotovoltaický expert v Americké Národní laboratoři pro obnovitelné zdroje, uvedla, že účinnost malých zařízení založených na této technologii roste.

„Doufáme, že to bude úspěch, ale ještě jsem neviděla data, která by napovídala, že účinnost větších ploch perovskitových článků je vyšší než účinnost zavedených technologií,“ uvedla Kurtzová.

Chris Case (hlavní technolog Oxford Photovoltaics) by preferoval, kdyby jeho konkurenti přivedli solární okna na trh jako první. Vyřešili by tím základní regulační, architektonické a praktické problémy, které se objeví při zavádění na trh. Je si jistý, že jejich technologie bude nakonec mít vyšší účinnost než ostatní a bude nejvyužívanější.

Činská CNBM využívá kadmia telluridu

V listopadu 2017 otevřela CNBM (Chinese National Building Material) továrnu v Čcheng-tu, které je hlavním městem provincie S’-čchuan.

Skelná tabule o rozměrech 1,6 na 1,2 metru, vyrobená firmou CNBM, může vyrobit 260 KWh elektrické energie za rok. Továrna může ročně vyprodukovat solární okna o instalovaném výkonu až 80 MW.

JiangMeng, technický inspektor společnosti, uvedl, že jejich technologie spočívá v nanášení kadmia telluridu (CdTe) na skelný povrch. Tento materiál je díky dobrému převodu optické energie na elektrickou vhodný pro přípravu solárních článků vyšší generace. Účinnost CdTe článků je vyšší než u křemíkových článků, což by se mohlo odrazit ve výrobě elektrické energie ze solárních oken. CdTe fotovoltaiky jsou používány například v solárním parku Topaz Solar Farm. V životním cyklu má CdTe nejmenší uhlíkovou stopu a nejkratší návratnost investice. Bohužel toxicita kadmia vytváří obavy z hlediska životního prostředí při recyklaci modulů na konci jejich životnosti.

Meng také uvedl, že velikost fotovoltaické skelné tabule, kterou vyrábějí, je zatím největší na světě – 1,92 metru čtverečních. Doposud největší vyrobená skelná tabule měla plochu o rozměru 0,72 metrů čtverečních. Firma již obdržela dvě velké objednávky ze zahraničí na množství solárních oken o instalovaném výkonu 170 MW. Jedním z objednávajících je společnost Ford Motor, druhá dodávka je pro solární projekt ve Skotsku. Na domácí půdě bylo zatím objednána okna o instalovaném výkonu 63 MW.

Úspory energie a návratnost investic dle společnosti Onyx Solar

Společnost Onyx Solar, jeden z předních výrobců fotovoltaických oken, uvádí návratnost investice a úsporu elektrické energie po nainstalování jejích produktů. Jak je uváděno, tak fotovoltaické okno přináší úspory nejenom díky výrobě elektrické energie ale i díky izolačním vlastnostem.

Zdroj: Onyx Solar

Ve výše uvedené tabulce jsou výpočty pro zastavěnou plochu o velikosti 18 202 metrů čtverečních s plochou fotovoltaického skla 3442 metrů čtverečních. Budova se nachází v Praze – jedná se o provedení skylight. Všechny  výše uvedené údaje počítají se životností projektu ve výši 30 let a uvažují s úsporou nákladů na provoz budovy za vytápění, ventilaci a klimatizaci (HVAC). Onyx Solar nabízí různé konfigurace oken (zobrazuje levý sloupec) – solární sklo s transparentností 10-30 % + vzduchová nebo argonová mezera + jednoduché sklo nebo low-e sklo.

Můžeme vypozorovat, že solární okna vybavená low-e vrstvou v kombinaci s mezerou plněnou argonem přináší úsporu hlavně díky tepelné izolaci, což je znázorněno ve čtvrtém sloupci. Výroba elektrické energie pomocí solárních oken klesá s transparentností a pohybuje se od 3 500 MWh do 2 559 MWh. Izolační vlastnosti okna uspoří 5100-5400 MWh elektřiny.  Z těchto údajů lze vyčíst, že 1 metr čtvereční, vyrobí cca 1 MWh během 30 let a okolo 34 kWh ročně.

Následující graf uvádí celkovou úsporu nákladů na energie. První sloupec představuje výchozí stav – klasické okno se dvěma tabulemi. Tepelná izolace díky low-e sklu se podílí více jak 50 % na celkové úspoře (na grafu znázorňují světle modré sloupce -Energy Savings).  Výroba elektrické energie solárními okny je na grafu znázorněna tmavě modrými sloupci – PV Energy Production.  V případě 3. sloupce dochází k úspoře provozu budovy ~ 11 % u 5. a 7. sloupce je to ~ 10 %. U sloupců pouze s fotovoltaickým sklem, bez low-e skla (pouze PV Energy Production), dochází k úspoře mezi 3-4 %.

Zdroj: Onyx Solar

Následující tabulka uvádí prostou dobu návratnosti (ROI) pro období 30 let. ROI je několika násobně vyšší u konfigurace s low-e sklem. Třetí konfigurace uvádí (fotovoltaické okno s transparentností 10 % + argonová 12 mm mezera + low-e sklo) dosažené úspory na metr čtvereční ve výši 436,29 €. Zastavěná plocha je 3442 metrů čtverečních, úspora na celkové ploše je tedy potom 1 501 712 €, jak bylo uvedeno výše. Náklady na metr čtvereční dosahují 104,38 €, a 357 188 € pro celkovou plochu. ROI je následně určeno jako (celková úspora – celkové náklady)/celkové náklady. Návratnost investice v tomto případě bude menší než 8 let. IRR (vnitřní výnosové procento) uvádí průměrnou roční návratnost během investice ve výši 12 %. Poslední sloupec uvádí, kolikrát se během časového období znásobí investovaná částka.

Zdroj: Onyx Solar

Závod o využití stávajících zasklených ploch

Zpětné aplikování této technologie na již existující budovy je vzhledem k nutnosti výměny oken komplikované a nákladné. Společnosti stále zkoumají ekonomicky přijatelné možnosti, jak aplikovat technologii na stávající okna. Je zřejmé, že perovskiho materiál a LSK metoda od UbiQD má stále několik let vývoje před sebou. Společnost Solar Window se svoji technologií polymerových vrstev by mohla přijít na trh již tento rok.

Proces o soběstačnost budov probíhá již více než dvě desetiletí. V průběhu 90. let 20. století Sir Norman Foster použil inovativní architektonický přístup a vytvořil v Berlíně jednu z prvních „zero-energy“ budov – Reichstag. Jeho slova o tom, proč potřebujeme takové inovace, jsou známá a zdůrazňují, proč by solární okna mohla být důležitým krokem v naší společnosti.

„Solární architektura není o módě, ale spíše o přežití.“ Sir Norman Foster

Zdroj úvodního obrázku: Wikimedia.



Jedna odpověď na Úsvit solárních oken – 2. díl

  1. Milan Vaněček napsal:

    V článku (díl 1 a2) je ukázán obrovský potenciál využití oken a skleněných fasád pro výrobu elektřiny. Jen bych rád pár věcí upřesnil, z fyzikálního i komerčního hlediska.
    1) V současnosti již existují realizované komerční projekty se solárními zasklenými plochami, využívající dvojskla velkých rozměrů mezi nimiž jsou zalaminovovány fotovoltaické články z krystalického či amorfního křemíku, tak, že zakrývají cca polovinu plochy. Propustnost světla je tudíž omezena.
    2) Jsou dva fyzikální přístupy jak neomezit (resp jen slabě omezit) prostup viditelné části slunečního záření oknem a současně využít tuto plochu pro výrobu elektřiny. Prvý představují tenké luminiscenční vrstvy nanesené na ploše okna, které dovedou i převést část ultrafialového a infračerveného záření na světlo přenesené skleněnou tabulí jako světlovodem do fotovoltaického článku umístěného na hraně skla.
    3) Druhý přístup, zde nepopsaný, využívá specifických vlasností organických fotovoltaických článků. Ty mají, na rozdíl od běžných anorganických článků úzké absorpční pásy a tak lze připravit článek absorbující jen infračervenou část spectra, který je propustný ve viditelné části. Realizace je zatím jen v oblasti laboratorních zkoušek.
    4) V druhém dílu popisované perovskitové články (CH3NH3PbX3, kde X=Cl, Br nebo I a material má krystalickou strukturu nerostu perovskitu) jsou velmi perspektivní. A to především pro tandemové články perovskit/krystalický křemík, kde tenký perovskitový článek představuje “okénko” pro vstup infračerveného záření absorbovaného spodním Si článkem. Tyto (složené, tandemové, multispekrální) články pak mají potenciál pro dosažení vice než 30% účinnosti a lze je očekávat ve výrobě za cca 10 let. Změnou halogenu (Cl, Br, I či jejich směs) lze ladit polohu absorpční hrany.
    5) Obecně lze říci, že lze regulovat propustnost oken pomocí specielně nanesených tenkých vrstev aby okna měla žádané vlastnosti v infračervené, viditelné a ultrafialové části spectra a navíc i vyráběla elektrickou energii. V praxi se uplatní jen to co lze vyrábět levně, v obrovských seriích.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *