Obnovitelný zdroj energie na Technické fakultě ČZU

Podíl energie získané z obnovitelných zdrojů ve většině zemí světa stoupá. Stále rostoucí ceny energií a současná válka na Ukrajině zájem o tuto problematiku ještě více umocňují. Na Technické fakultě se ekologickými obnovitelnými zdroji zabývá hned několik vědeckých týmů, kteří zkoumají mimo jiné využití solární a vodní energie, energie biomasy či energie zemního masivu.

V roce 2015 byl na střeše Technické fakulty instalován síťový fotovoltaický systém. Získaná data se ukládají a systém dokáže odhalit podezření na různé typy poruch díky monitorovacímu systému dat, na jehož vývoji se podíleli přímo členové z katedry fyziky. Čtyřicet fotovoltaických panelů je instalováno na pevném stojanu a orientováno na jih se sklonem 35°. Panely jsou zapojeny do dvou nezávislých sekcí, které jsou připojeny k distribuční síti přes měniče.

„Fotovoltaický systém funguje na naší fakultě bez významných problémů už sedmým rokem a podle našich zkušeností získaných z řady podobných elektráren se dá předpokládat, že je v polovině své životnosti. Vliv stárnutí fotovoltaických panelů se zatím na hodnotě vyrobené elektrické energie projevuje minimálně, ale musíme počítat s tím, že k tomu bude docházet po zhruba deseti letech provozu a zvýší se i pravděpodobnost závažných poruch,” komentuje instalovaný systém vedoucí katedry fyziky profesor Martin Libra.

Výstupní výkon celého systému je cca 10 kWp. „Zatím nejvyšší hodnoty dosáhla výroba v roce 2019, kdy poskytla 12 210 kWh.rok^-1. Přispěl k tomu nejen slunečný červen, ale hlavně slunečný duben, kdy už byly dostatečně dlouhé dny, a přitom bylo ještě chladno. Nižší teplota zvyšuje účinnost fotovoltaické přeměny energie, jak plyne z fyzikální teorie polovodičů,” dodává profesor Libra.

Význam obnovitelných zdrojů prý na fakultě nepřeceňují a uvědomují si, že uvedené množství vyrobené elektrické energie je možná z hlediska spotřeby celého areálu univerzity ne tak významné. Domnívají se ale, že obnovitelné zdroje mají důležité místo jak v současném energetickém mixu, tak na ČZU, kde svědčí o ekologickém chování univerzitních pracovišť. Na katedře fyziky Technické fakulty už byla vyvinuta řada nových konstrukčních prvků pro zvýšení efektivity fotovoltaických systémů. Šlo zejména o sledovače Slunce pro automatické pohyblivé stojany fotovoltaických panelů a o zrcadlové koncentrátory záření. Členem katedry fyziky je také profesor Vladislav Poulek, jehož skupina se v posledních letech zaměřila na vývoj fotovoltaických panelů nové generace, které mají delší životnost a lze je použít i v lokalitách s extrémními klimatickými podmínkami.

„Životnost fotovoltaických panelů mnohem více limituje materiál zapouzdření fotovoltaických článků v panelu než samotné články. Proto je důležitý vývoj materiálů stabilních při dlouhodobém ozařování a změnách teploty, které mohou být použity k vývoji nových fotovoltaických panelů. Tento materiál zcela obklopuje zapouzdřené články a chrání je před vlhkostí, tepelným a mechanickým poškozením a poskytuje dobrý optický kontakt mezi povrchem článku a ochranným vnějším krytím,” uvedli oba zástupci katedry.

Dnes standardně vyráběné fotovoltaické panely mají články zapouzdřené do etylvinylacetátu. Ukazuje se ale, že životnost těchto panelů v podmínkách mírného klimatického pásu nedosahuje plánovaných 20–25 let. Během provozu panely postupně degradují a jejich reálná doba života je kolem zhruba poloviční. V tropických či polárních oblastech je situace ještě horší, panely se zahřívají na teploty vyšší než 80 °C, při kterých se degradace etylvinylacetátu velmi urychluje. Naopak při teplotách nižších než -40 °C etylvinylacetát ztvrdne a neplní funkci měkkého zapouzdření fotovoltaických článků. V rozsáhlých oblastech Sibiře, severní Kanady a Antarktidy bývají běžně teploty i nižší.

Právě proto na katedře fyziky pracují na vývoji zmíněných fotovoltaických panelů nové generace se zapouzdřením článků do silikonového gelu a jejich první výsledky už byly publikovány také v několika odborných pracích.

„Ukázalo se, že koroze fotovoltaických článků zapouzdřených do silikonového gelu je zanedbatelná v porovnání se zapouzdřením do etylvinylacetátu i v extrémních podmínkách zvýšených teplot až 110 °C a při ozáření intenzivním UV zářením. Rovněž se potvrdilo zanedbatelné snížení účinnosti přeměny energie těchto nových panelů po víceletém provozu. Na rozdíl od etylvinylacetátu je transparence silikonového gelu podstatně lepší zejména v oblasti vlnových délek 350÷700 nm. Pokles transparence silikonového gelu způsobený UV zářením je v porovnání s etylvinylacetátem velmi malý. Předpokládáme, že panely se zapouzdřením do silikonového gelu by mohly pracovat až 50 let s poklesem výkonu do 15 % v porovnání s počáteční hodnotou, protože silikonový gel má mnohem nižší korozi, která bývá hlavním důvodem poruch panelů se zapouzdřením do etylvinylacetátu. V případě zapouzdření do silikonového gelu očekáváme i podstatně menší poškození článků a jejich propojení v důsledku zlomů, protože gel je měkký, pružný a vykazuje menší pnutí během teplotních cyklů fotovoltaických panelů v porovnání s etylvinylacetátem, a to i při extrémně nízkých teplotách pod -40 °C, při kterých už etylvinylacetátu zcela tvrdne. Tyto unikátní fotovoltaické panely tak budou vhodné i pro regiony s extrémními klimatickými podmínkami a pro fotovoltaické systémy se zrcadlovými koncentrátory záření,” uzavírá profesor Vladislav Poulek.