Kombinací dvou technologií vznikl solární článek, který prokazatelně vyrábí elektřinu i během temné noci. Jde ovšem o laboratorní „trik“, který se v praxi rozšíření těžko dočká. Alespoň v dohledné době.
Výroba elektřiny za slunečního záření je dnes běžná. Panely mohou být (a podle všeho brzy budou) ještě levnější a zřejmě i účinnější, na principu se ovšem nic nezmění. Články vyrábí elektřiny díky tomu, že některé atomy mohou zachytit fotony slunečního světla, a pak v reakci vyzářit volný elektron. Díky vhodné konstrukci prostředí v článku se tyto elektrony hromadí v jedné vrstvě článku. V druhé vrstvě je pak převaha „děr“ po elektronech, a mezi oběma vrstvami v důsledku vzniká napětí.
V noci tak z principu nemohou fotovoltaické paney fungovat – nebo alespoň ne dobře. Během velmi jasných nocí s úplňkem lze na panelech naměřit velmi malé množství výkonu. Napříkald kutilovi CodyDon Reederovi se podařilo během jednoho „superúpňku“ ze soustavy několika panelů o celkovém výkonu 1,8 kilowattu napájet malý digitální budík. (Ale třeba malou LEDku už ne.)
Větších výkonů lze dosáhnout jen fyzikálním podvodem, tedy nasvěcováním panelů nějakým zdrojem světla. Jde ovšem o krajně neúčinný proces, který se – navzdory obecnému přesvědčení – zřejmě neděl ani v dobách vysokých výkupních cen z fotovoltaiky.
Hojně medializovaná noční výroba ze solárních elektráren ve Španělsku v objemu dokonce několika gigawatthodin, byla podle dalších vyšetřování kolosální chyba. Chyba daná do značné míry tím, že majitelé fotovoltaiky zjevně vůbec nedbali na to, aby si hlídali, kdy elektřinu do sítě posílají. Na výkupní cenu to nemělo žádný vliv, a tak čát například měla na svých měřácích poledne nastavené jako půlnoc.
Existuje ovšem solárních panely, která dokáže vyrobit elektřinu, tedy trochu elektřiny, i během bezměsíční noci – pomáhá si ovšem trikem: takový článek dokáže vyrobit elektřinu nejen ze světla, nýbrž i z tepla. Jak v praxi funguje, popsala nedávná práce vědců ze Stanfordovy univerzity.
Pomáhá v noci i ve dne
Základem jejich zařízení je běžný křemíkový článek. Autoři práce ho v podstatě pouze doplnili o jednoduchý termoelektrický generátor. Jde o jednoduché zařízení, které slouží k přímé přeměně tepla v elektřinu.
Tento tepelný stroj má velké výhody v tom, že je levný, jednoduchý, robustní a spolehlivý, protože neobsahuje vůbec žádné pohyblivé součásti. A má také jednu obří nevýhodu: celý proces je velmi málo účinný. Typická účinnost těchto zařízení se pohybuje někde nad pět procent. Což je tak málo, že praktické využití takových zdrojů energie je velmi omezené.
Někteří odborníci ovšem stále chovají naději, že se může podařit najít dostatečně levné, a přitom účinné materiály, díky kterým by se termoelektrické generátory mohly dočkat výrazně většího rozšíření. Nejspíše by samozřejmě mohly sloužit k výrobě elektřiny z tepla, které je „zadarmo“, tedy tepla odpadního.
Přesně to je případ i jejich využití ve fotovoltaických panelech. Ty se během dne na slunci pochopitelně zahřívají. To nejen snižuje jejich účinnost, ale teoreticky také dává příležitost termoelektrickým systémům, aby svou měrou přispěly k výrobě elektřiny. Panely jsou totiž teplejší než okolí, a tohoto rozdílu teplot dokáže termoelektrický generátor využít.
Autoři ze Stanfordovy univerzity potvrdili obecně známý a celkem jasný fakt, že tmavé „sluneční panely“ se na slunci skutečně dobře zahřívají. Jejich experimentální „duální“ panel byl (během měření v říjnu loňského roku) zhruba o 15 °C teplejší než okolí. Výroba panelu se ovšem zvýšila pouze zhruba o 1,3 wattu na metr čtvereční – tedy o méně než jedno procento. To dobře demonstruje, jak neúčinné jsou dnes termoelektrická zařízení.
V noci je pak situace přesně opačná: panely jsou o něco chladnější než okolí. Týká se to především bezmračných nocí, při kterých dochází k jevu známému jako sálání proti obloze. Každý člověk, budova a objekt na Zemi vyzařuje teplo, ale naše atmosféra se chová jako deka, záření z velké části zachycuje, a teplo tedy zadržuje.
Pro infračervené záření určitých délek (8 až 13 mikrometrů) je naše atmosféra je pro ně dobře průhledná, a tak snadno unikají do chladného vesmíru. Pod jasnou noční oblohou tedy mohou být povrchy o něco chladnější než okolí – jak moc, to záleží na tom, kolik záření o těchto vlnových délkách „vyzáří“. (Dají se postavit materiály, které jsou v tomto pásu velmi „aktivní“, o tom dále.)
Fotovoltaické panely nejsou samozřejmě stavěny primárně na to, aby v noci byly co nejchladnější. Přesto bývají. Během oněch několika nocí, ze kterých máme od autorů práce dostupné výsledky měření, byla teplota panelů o zhruba 3 °C nižší než teplota okolí.
Rozdíl je tedy výrazně nižší než ve dne, z čehož samozřejmě plyne, že nižší jsou také naměřené hodnoty výroby elektřiny. A to výrazně nižší: termoelektrický generátor z tohoto rozdílu teplot dokázal vyrobit zhruba 0,05 wattu na metr čtvereční. To je výkon, který lze velmi spolehlivě měřit a prokázat, ale praktický význam v podstatě nemá.
Jak uznávají i sami autoři, při takovém výkonu se mnoho upotřebení najít nedá. Možná by to mohlo stačit na napájení nějakého slabšího LED světla. I když celý experimentální systém byl velmi jednoduchý a levný, praktické využití si pro něj těžko představit.
Výrobci fotovoltaických panelů se sice neustále snaží posouvat výkony svých zařízení, ale podobná vylepšení musí být taková, aby je bylo možno co nejjednodušeji integrovat do procesu výroby. Přidat do ní další, úplně nový krok kvůli tak malému navýšení výkonu velký smysl nedává.
Ale na chlazení?
Stejná skupina, která zkoušela článek s termoelektrickým generátorem, ovšem před několika lety ukázala jiný zajímavý způsob, jak by se „sálání proti obloze“ dalo využít pro ukojení lidského hladu po energiích (technologii jsme již popisovali ve starších textech).
Mělo by to být možné s pomocí tzv. „superchladivých“ materiálů. Jejich podstata je přitom jednoduchá: v podstatě jde o materiály, které odrážejí co nejvíce světla ve všech oblastech spektra mimo 8–13 µm části infračerveného spektra. To jen proto, aby se na běžném světle tento materiál nezahříval příliš. Ve vybrané oblasti naopak teplo z okolí přímo „hltá“. Ovšem pouze proto, aby ho pak mohl vyzářit přímo do vesmíru, samozřejmě za podmínky, že panely jsou pod širým nebem a namířeny do vesmíru.
Materiály tak ve dne i v noci mohou být výrazně chladnější než okolní vzduch, přičemž během noci rozdíl znatelnější. Rozdíl může činit až 10 °C v suchých a horkých oblastech. Tam, kde je vzduch vlhčí, což by byl případ třeba našich zeměpisných šířek, efekt není tak výrazný.
Nápad na využití tohoto typu sálání k pasivnímu chlazení lze podle článku v časopise Nature vystopovat k práci tehdy doktoranda Aaswatha Ramana z roku 2012. Během příprav dizertace se vlastně se tak trochu „bokem“ začala čistě teoreticky zajímat o to, jaké vlastnosti by musel mít materiál, který by se dokázal tímto způsobem pasivně ochladit i na přímém slunce.
Jeho výpočty odhalily, že aby takový zatím jen hypotetický materiál více vyzařoval dost, stačí, aby byl odrazivější než běžná bílá barva. Jinak řečeno, měl by reflektovat alespoň 94 % dopadajícího slunečního záření v pásmu od 200 nanometrů do 2,5 mikrometrů. V již zmíněném infračerveném pásmu „chladivého okna do vesmíru“ (tedy v pásmu 8–13 mikrometrů) by pak musel být materiál prakticky dokonalý: musí se vyzářit prakticky 100 procent veškerého dopadajícího záření v této oblasti. Stačí jen o něco méně a materiál se bude ohřívat.
Raman své výsledky konzulovat s kolegou Shanhuiem Fanem (který je podepsaný i pod prací o kombinaci fotovoltaického panelu a termálního článku). A výsledek jejich debaty byl jasný – takový materiál by skutečně mohl vzniknout. Musí být ovšem být ovšem od základ navržený přesně s tím účelem: musí obsahovat takové „nanostruktury“, které umožní průchod jen světla těch vlnových délek, které má materiál pohlcovat.
Práce začala teoretickými výsledky. Vědci přesně spočítali, jak by povrch „superchladivého“ materiálu měl vypadat (výsledky vyšly v roce 2013 v odborném časopise Nano Letters). Na další práci se jim podařilo sehnat grant od americké agentury ARPA-E, jejímž úkolem je financovat trochu „šílené“ nápady, které sice nemusejí úspět, ovšem v případě úspěchu mohou znamenat velkou změnu.
Protože rozpočet nebyl neomezený, vědci proti původnímu návrhu materiál nakonec ještě zjednodušili. Využili osvědčených materiálů, když složili nad sebe vrstvy velmi odrazivého materiálu (oxid hafničitý) s méně odrazivými vrstvami (ty byly skleněné). Práce se vydařila: při slunečním příkonu byl panel z jejich „sendviče“ kolem 850 W/m2 byl o 5 °C chladnější než okolní vzduch. (Hodnota slunečního příkonu 850 W/m2 není nijak intenzivní slunce, protože během letního poledne v našich zeměpisných šířkách na povrch může dopadat až zhruba 1000 W/m2. Zadavatel grantu byl s výsledkem spokojen, a tak na základě tohoto výsledku v následujících letech dosáhlo na financování ještě několik dalších podobných projektů.
Uspěli i další
Jeden z nich byl například z díly Coloradské univerzity. Tamní skupině se podařilo výkony „superchladivých“ materiálů ještě vylepšit. Jejich panely dokázaly z jednoho metru čtverečního povrchu vyzářil i během poledne 93 wattů z metrů čtverečního místo 40 wattů Ramana a Fana.
Zajímavé bylo i složení vzniklého materiálu: podařilo se ho vytvořit totiž poměrně levně a jednoduše. Základní suroviny pro výrobu byly plast a skleněné kuličky s průměrem zhruba několika mikrometrů. To samozřejmě není náhodně zvolené číslo; při této velikosti totiž intenzivně vyzařují právě v pásmu 8–13 mikrometrů.
Jak se tedy ukazuje „superchladivé“ materiály nemusí být nijak superdrahé. Existuje totiž řada molekul s relativně běžnými chemickými vazbami (například uhlík-uhlík či uhlík-fluor), které v této oblasti intenzivně září. Jedním příkladem je vytvoření „superchladivého“ dřeva, které také vzniklo na Coloradské univerzitě.
Dřevo obsahuje makromolekuly, které mají vhodné vlastnosti, musí se ovšem vhodně upravit. Je nutné ovšem ho zbavit ligninu, tedy molekuly, která mimo jiné dává dřevu jeho typickou barvu. Vznikne tak bílé dřevo, které se na slunci téměř nezahřívá. Protože lignin také přispívá k pevnosti tohoto přírodního materiálu, je nutný ještě další krok. Materiál se musí stlačit, aby se zpevnilo.
Tento i další nápady na využití „superchladivých“ materiálů se dnes pokouší prosadit do praxe několik malých začínajících firem, obvykle akademických spin-offů. Zatím jde ovšem pouze o nesmělé kroky, protože technologie má pořád své problémy.
Například to, že chladí, i když se to nehodí. Když teploty klesnou, „superchladivé“ panely by mohly zvyšovat náklady na vytápění. Jedna skupina navrhovala tomu čelit tím, že póry v materiálu na zimu se vyplní izopropanolem. To změní vlastnosti natolik, že ten začne teplo naopak pohlcovat a tedy spíše pomáhat vytápět. Ale nevíme, zda a případně s jakým výsledkem se zkoušel postup v praxi.
Hlavní otázkou ovšem samozřejmě bude cena. Pokud probíhající experimenty ukážou, že podobné materiály mohou ve vhodném klimatu pomoci ušetřit svým majitelům peníze (tedy spíše na poušti než v českých luzích a hájích), nakonec si své místo na slunci najdou.
