Unikátní solární panel může přinést revoluci. Vyrábí totiž elektřinu i teplo a zároveň dokáže chladit

Vědci spojili tři funkce do jediného zařízení

Fotovoltaické panely dnes najdeme na střechách rodinných domů, průmyslových hal i administrativních budov. Jejich hlavním úkolem je přeměňovat sluneční záření na elektrickou energii. Vedle nich existují solární termické kolektory, které využívají sluneční energii k ohřevu vody nebo jiného média.

Vědci z německého Karlsruhe Institute of Technology (KIT) přišli s řešením, které možnosti solárních technologií posouvá ještě dál. Vyvinuli hybridní systém, který dokáže současně vyrábět elektřinu, získávat teplo a zajišťovat pasivní chlazení. Výzkumný tým své řešení úspěšně otestoval v reálných venkovních podmínkách.

Jak může jedno zařízení současně topit a chladit?

Na první pohled to působí jako protimluv. Abychom získali teplo, potřebujeme sluneční záření zachytit. Při chlazení se naopak snažíme přebytečné teplo odvádět pryč. Vědci ale našli způsob, jak oba procesy využívat současně.

Základem jejich řešení je speciální průhledná vrstva tvořená deskou z oxidu křemičitého. Ta je dále potažena silikonovým polymerem označovaným jako PDMS (polydimethylsiloxan). Tato vrstva propouští většinu dopadajícího slunečního záření, ale zároveň dokáže vyzařovat vlastní teplo v infračervené oblasti spektra. A právě zde se uplatní pozoruhodný fyzikální princip.

Zemská atmosféra totiž obsahuje takzvané atmosférické okno – rozsah infračerveného záření, který může relativně snadno procházet atmosférou do vesmíru. Pokud materiál dokáže v tomto frekvenčním rozsahu účinně vyzařovat teplo, může se za vhodných podmínek ochladit dokonce pod teplotu okolního vzduchu. Tomuto jevu se říká pasivní radiační chlazení.

Sluneční záření prochází chladicí vrstvou a vyrábí elektřinu

Tím ale celý systém nekončí. Sluneční světlo, které projde průhlednou chladicí vrstvou, dopadá na Fresnelovu čočku. Ta soustředí záření na menší fotovoltaicko-termický kolektor, který z něj současně získává elektrickou energii a teplo. Fresnelova čočka je speciální optický prvek tvořený soustavou soustředných segmentů. Dokáže soustředit světlo podobně jako běžná čočka, ale může být výrazně tenčí a lehčí. Právě uspořádání jednotlivých částí je klíčem k celému řešení.

Chladicí vrstva se nachází nad optickým systémem, zatímco zahřívaný kolektor je umístěn níže. Obě části jsou tak prostorově oddělené a mohou pracovat při rozdílných teplotách. Jedna plocha tedy současně využívá energii slunečního záření a umožňuje odvádět teplo prostřednictvím infračerveného vyzařování. Výzkumníci tento princip výstižně popisují jako „spojení ohně a ledu“.

Výsledky překvapily: Chlazení o 6,5 stupně a teplo přes 100 °C

Při venkovním testování vědci naměřili zajímavé hodnoty:

Průhledná chladicí vrstva se dokázala ochladit až o 6,5 °C pod teplotu okolního prostředí. Současně dosáhl fotovoltaicko-termický kolektor teploty téměř 111 °C a elektrické výkonové hustoty 60,6 W/m². To jsou pozoruhodné výsledky – především proto, že všech tří parametrů bylo dosaženo v rámci jednoho systému.

Je však potřeba správně chápat, co naměřené hodnoty znamenají. Teplota chladicí vrstvy o 6,5 stupně nižší než okolní vzduch neznamená, že zařízení dokáže automaticky ochladit celý dům o stejnou hodnotu. Podobně dosažení teploty kolektoru 111 °C samo o sobě nevypovídá o množství tepla, které lze prakticky využít. A výkonová hustota 60,6 W/m² je zatím výrazně nižší než u současných běžných fotovoltaických panelů.

Hlavní předností technologie tedy není rekordní výkon jednotlivých funkcí, ale jejich souběžné využití na jediné ploše.

Jednou by mohly podobné systémy pokrývat střechy a fasády budov

Vědci už mají představu, kde by se jejich technologie mohla uplatnit. Jednou z možností jsou střechy a fasády budov, které by se proměnily v aktivní energetické plochy. Místo pouhé výroby elektřiny by mohly současně přispívat k vytápění, přípravě teplé vody a omezení přehřívání budov.

Zajímavou oblastí využití mohou být také datová centra. Ta spotřebovávají značné množství elektřiny a současně potřebují účinné chlazení výpočetní techniky. S rostoucím využíváním umělé inteligence navíc požadavky na jejich energetickou infrastrukturu dále rostou.

Technologie, která dokáže současně získávat energii a odvádět část tepla, by proto mohla být zajímavým doplňkem současných systémů. To ale zatím neznamená, že by novinka mohla nahradit klasickou klimatizaci nebo běžné solární elektrárny.

Kdy se novinka objeví na střechách našich domů?

Na tuto otázku zatím vědci odpověď nemají. Přestože experiment potvrdil funkčnost navrženého řešení v reálných podmínkách, stále jde „pouze“ o výzkumný prototyp. Před případným komerčním využitím bude nutné vyřešit především výrobní náklady, životnost jednotlivých vrstev, možnosti instalace a celkovou energetickou účinnost.

Důležitá bude také otázka, zda se takové zařízení ve srovnání s kombinací běžných fotovoltaických panelů, solárních kolektorů a samostatných chladicích systémů vůbec ekonomicky vyplatí. Zatím tedy nemůžeme očekávat, že si podobné zařízení v dohledné době jednoduše objednáme a necháme namontovat na střechu.

Realizovaný experiment každopádně ukázal, že může jedna plocha současně sloužit ke třem různým energetickým účelům. A právě to může být do budoucna velmi zajímavé. Zvlášť ve městech, kde je využitelná plocha střech a fasád omezená a každý metr čtvereční má svou (stále rostoucí) cenu.

Zdroj: Cell.com, KIT, Green Building Consulting & Engineering