Nové inovativní možnosti využití fotovoltaických systémů

Blíží se rok 2020 a hlavním cílem pro toto období jsou budovy „s téměř nulovou spotřebou energie“. S ohledem na tyto cíle Liza Young ze Swansea University vede průkopnický výzkum integrované fotovoltaiky a unikátní způsoby uchovávání tepla pro použití po celý rok.

„Každý den na planetu Zemi dopadá tolik energie, která by stačila na napájení planety po dobu 27 let, a přesto se nám nedaří ji využívat v náš prospěch“, uvádí Dave Worsley, ředitel výzkumu na Sustainable Product Engineering Centre for Innovation in Functional Coatings (SPECIFIC) zabývající se inovativními funkčními průmyslovými povlaky na Swansea University. Věří, že tento obnovitelný zdroj energie má potenciál, aby napájel inteligentní budovy budoucnosti.

Cílem je dodávat 100 % tepla pro vytápění, které budova celoročně spotřebuje, pomocí solárních vzduchových kolektorů (Solar Air Collectors) v kombinaci s účinnou metodou akumulace tepla.

Fotovoltaika se stává stále více tradičním zdrojem. Centrum se proto zaměřuje zejména na vývoj skla s povlakem nebo ocelové produkty, které zachycují, ukládají a uvolňují solární energii – budova se touto cestou stává efektivním zdrojem energie.

Worsley říká, že nejlepší způsob, jak zmírnit rostoucí tlak na naše elektrické sítě a dosáhnout „téměř nulové“ spotřeby energie v budovách do roku 2020, je z fasád budov učinit funkční prvky. To znamená využívat velkých povrchů fasád k výrobě energie prostřednictvím integrované fotovoltaiky (BIPV – Building Integrated Photovoltaics) a solárních vzduchových kolektorů a tuto energii následně s využitím baterií nebo prostřednictvím tepelné akumulace uchovat pro pozdější použití.

Budovy se stávají elektrárnami

„Budovy mají velký povrch – sklo, kov a obklady, které tam jen tak sedí a čekají na déšť. Ony jsou to vlastně hloupé produkty – pouze zabezpečují, aby počasí zůstalo mimo budovu. Víme, že slunce nesvítí každý den, proto jsme vyvinuli způsoby ukládání solární energie v bateriích nebo tepelnou akumulaci pro letní období a následné využití tepla v období zimy,“ popisuje potenciál budov jako zdrojů Dave Worsley.

Místo toho, aby byly budovy čistými spotřebiteli elektrické energie, měly by se stát čistými výrobci, podobně jako malé elektrárny, uvádí Worsley.

SPECIFIC, spolu s mnoha akademickými a komerčními partnery, vyvíjí řadu fotovoltaických článků a technik zpracování, které umožní výrobu tenkovrstvých fotovoltaických článků s vysokou účinností za použití dostupných  a levných materiálů. Tým také provádí výzkum solární tepelné akumulace pomocí termochemických materiálů.

Perovskit a ohřívání v blízkosti infračerveného spektra

Prosklené fotovoltaické panely, které jsou vidět na tzv. Solcer house, byly vytvořeny vložením fotovoltaických článků mezi dvě vrstvy skla. Nicméně, vývoj šel kupředu a byl vyvinut perovskitový tenkovrstvý fotovoltaický článek, který je lehký, flexibilní a lze ho vytisknout přímo na sklo nebo kov.

Tisk perovskitu na sklo vytváří polotransparentní povlak, který je ideální pro aplikace BIPV, jež jsou schopné pokrýt významný podíl spotřeby elektrické energie budovy přímo ze slunečního záření. Aby tato technologie byla komerčně životaschopná, musí být výroba perovskitových článků rychlá a levná, říká Worsley. Jednou z největších výrobních překážek je žíhání aktivní perovskitové vrstvy, která může trvat až 90 minut v sušárně při teplotě 100 ° C.

Za poslední čtyři roky, vyvinulo centrum ohřev, který své spektrum má v blízkosti infračerveného záření (near-infrared heating). To snížilo dobu žíhání perovskitových vrstev z 90 minut na méně než tři sekundy, a to pouze s malým dopadem na výkon. „Je důležité, že žíhání může být provedeno v rámci kontinuálního výrobního procesu podporující rychlý nástup na trh,“ dodává Worsley.

Výroba a akumulace tepla

Stejně jako pro výrobu elektrické energie, sluneční energie může být použita k ohřívání vzduchu pro vytápění nebo větrání. Solární vzduchové kolektory jsou instalovány jako dodatečný mikroperforovaný ocelový povrch na zeď nebo střechu a vytvářejí dutinu ohřátého vzduchu mezi budovou a kovem. Ohřátý vzduch je nasáván z dutiny a prochází nízkoenergetickým 0,5kW tepelným čerpadlem, které převádí nízkopotenciální teplo vzduchu na lépe využitelné teplo, které může být použito okamžitě nebo uloženo v akumulační nádrži pro pozdější použití.

Tato technologie byla vyzkoušena na demonstrátoru (SHED – Solar heat energy demonstrator), což je průmyslová jednotka v Port Talbot. Díky použití solárního vzduchového kolektoru o velikosti 590 metrů čtverečních v kombinaci s tepelnou akumulací o objemu 20 metrů krychlových v systému s tepelným výměníkem a tepelným čerpadlem mohl být z provozu vyřazen původní plynový kotel. Nyní 40 % energie potřebné pro vytápění budovy pochází přímo z kolektoru a 60% přes solární akumulaci.

Celosezónní akumulace tepla

Společnost rovněž rozvíjí způsoby ukládání nízkopotenciálního tepla v letních měsících a jeho zpětného využití v zimě. Tým pracuje s termochemickými materiály, které používají zcela vratné chemické reakce pro ukládání a uvolňování tepla.

SPECIFIC ve spolupráci s University of Nottingham a British Iron and Steel Federation (BISF) vytvořilo levný vermikulitový materiál, typ hygroskopické soli, která přijímá nebo uvolňuje vodu, tedy materiál vhodný pro vytvoření systému sezónní akumulace tepla.

„Sůl se v létě vysuší a následně, když je vystavena chladnému vlhkému vzduchu v zimě, vlhkost se nasaje do soli a při tomto procesu se uvolňuje horký vzduch,“ vysvětluje Worsley.

SPECIFIC nyní připravuje rozsáhlou demonstraci celosezónní akumulace na SHED. Skládá se ze střešního solárního kolektoru a suché vermikulitové směsi, která ukládá teplo v létě pro použití v zimním období.

Worsley říká: „Kompenzace naší omezené elektrické výrobní kapacity v zimě je pomocí akumulovaného tepla revoluční. Tento systém by mohl mít významný vliv na energetickou infrastrukturu Spojeného království, pokud bude realizován v několika set tisících nových domech, které vláda hodlá postavit v průběhu příštích dvou let.“

Budoucnost

Podle Worsleyho je toto řešení při využívání obnovitelných energií ideální pro velké průmyslové budovy a supermarkety, jelikož je méně rušivé pro obyvatele a levnější než izolace. „Náš tříložnicový dům Solcer stojí 125 000 liber. Je to demonstrátor, ale když budeme použité technologie vyrábět masově, může výsledná cena klesnout o 25 až 30%,“ říká Worsley.

SPECIFIC dále plánuje instalaci svých obnovitelných systémů do 108 nových a stávajících budov v průběhu příštích několika let, kdy hlavním cílem je testovat technologii a sbírat cenná data. Centrum má však velké ambice – jeho cílem je generovat 10 GW špičkového výkonu z BIPV (ekvivalent pěti velkých uhelných elektráren). Worsley dále uvádí, že technologie sníží emise oxidu uhličitého o šest milionů tun ročně v průběhu příštích 10 let.

Zdroj úvodní fotografie: Hanjin