Fotovoltika sa pre mnohých majiteľov rodinných domov stáva primárnym riešením na ceste k energetickej nezávislosti. Kým väčšina inštalácií u nás končí na šikmých a rovných strechách, čoraz častejšie sa objavujú aj alternatívne formy umiestnenia solárnych panelov. Medzi tie najdiskutovanejšie vo svete dnes patrí pozemná a inovatívna plávajúca fotovoltika. Hoci sú plávajúce systémy doménou skôr väčších vodných plôch než súkromných jazierok v záhradách, vedecký výskum oboch týchto technológií prináša dôležité zistenia o tom, ako okolité prostredie, teplota a vlhkosť priamo ovplyvňujú životnosť a reálny výkon vašich panelov.
Pozemná fotovoltika a dôležitosť správnej výšky
Pozemné inštalácie sú obľúbené najmä u majiteľov veľkých pozemkov, ktorí nechcú alebo nemôžu inštalovať panely na strechu svojho domu. Pri návrhu takéhoto systému sa často rieši sklon, orientácia či využitie priestoru pod panelmi pre poľnohospodárstvo. Vedecké štúdie však ukazujú, že jedným z kritických parametrov je aj samotná výška modulov nad terénom.
Výskumný tím pri analýze pozemných fotovoltických systémov zistil, že solárny modul umiestnený vo výške 1,1 metra nad zemou trvalo podáva najlepší výkon, pričom dosahuje špičkový výkon 39,1 W a priemerná účinnosť sa pohybuje na úrovni 6,67 % [1]. Ak boli moduly inštalované nižšie, vo výške 0,7 metra, priemerný výkon klesol na 25,34 W s účinnosťou 5,35 % [1]. Pri výške 1,6 metra sa nameral priemerný výkon dokonca len 19,70 W a priemerná účinnosť padla na 4,29 % [1]. Tento lepší výkon pri ideálnej výške 1,1 metra vedci pripisujú optimálnemu prúdeniu vzduchu a strednej hodnote odrazivosti (albeda) povrchu, čo prirodzene znižuje teplotu článkov a zvyšuje ich elektrický výkon [1].
Základné princípy a výhody plávajúcej fotovoltiky
Alternatívou k systémom upevneným v pôde sú plávajúce fotovoltické systémy (FPV – Floating Photovoltaic), ktoré sa umiestňujú priamo na vodné hladiny jazier, nádrží či umelých kanálov. Táto technológia zažíva obrovský boom a jej najväčším benefitom je takzvaný chladiaci efekt vody.
Tepelná masa podložnej vodnej plochy dokáže udržať prevádzkové teploty solárnych panelov o 4 až 6 °C nižšie v porovnaní so systémami inštalovanými na zemi [2]. Prečo je to dôležité? Štandardné kryštalické kremíkové panely strácajú približne 0,3 až 0,5 % svojho výkonu s každým jedným stupňom Celzia, o ktorý sa zahrejú nad hodnoty štandardizovaných testovacích podmienok [2]. Už len samotný fakt, že panely sú chladnejšie o 5 °C, tak prináša dodatočný nárast celkového výkonu približne o 1,5 až 2,5 % [2].
Výskumy v rôznych klimatických podmienkach potvrdzujú, že v horúcom a tropickom podnebí dokáže plávajúca fotovoltika vygenerovať o 5 až 15 % viac energie ako ekvivalentný systém na zemi [2]. Štúdia zameraná priamo na štyri rôzne lokality v Indii zaznamenala pri plávajúcich systémoch konzistentnú výhodu vo výkone o 6 až 7 % [2]. Ďalším benefitom vodnej hladiny sú nižšie výkyvy denných maxím teploty článkov a celkovo menšie denné kolísanie teplôt, čo znižuje teplotné namáhanie materiálu [3].
Problémy s prachom a mýtus o vysokej vlhkosti
Pre majiteľov solárnych elektrární je bežnou rutinou ich pravidelné čistenie. Aj v tomto smere majú systémy nad vodou určitú výhodu. Pozemné systémy v suchých a prašných oblastiach čelia výrazným stratám spôsobeným znečistením. Nahromadenie prachu na povrchu panelov dokáže znížiť ich výkon o 1 až 2 % za jediný týždeň, pokiaľ nie sú čistené [2]. Počas dlhých období sucha môže táto strata narásť až na 20 či dokonca 25 % [2].
Na rozdiel od toho, plávajúce systémy umiestnené nad vodou trpia usadzovaním prachu podstatne menej, za čo vďačia najmä vlhkej mikroklíme tesne nad vodnou hladinou [2]. To sa premieta do menších strát spôsobených znečistením – kým pri plávajúcich systémoch ide zvyčajne o 1 až 3 % ročne, pozemné systémy v podobne suchých a teplých podmienkach prichádzajú kvôli špine ročne o 3 až 8 % výkonu [2]. Aj tu sa ukazuje, aká je pravidelná údržba fotovoltiky a čistenie panelov kľúčová pre zachovanie optimálneho výkonu.
Paradox vplyvu vlhkosti na životnosť
Dlho sa predpokladalo, že panely priamo nad vodnou hladinou budú dramaticky trpieť zvýšenou vlhkosťou a degradovať oveľa rýchlejšie. Medzinárodný vedecký tím vedený výskumníkmi z Nórska sa preto podrobne pozrel na dáta a vytvoril komplexný model na porovnanie oboch prostredí [4]. Analyzovali viacročné meteorologické údaje zo siedmich vnútrozemských vodných plôch v krajinách ako Švédsko, Nórsko, Kanada či Nový Zéland a porovnali ich s blízkymi lokalitami na súši [4]. Dáta doplnili do modelov difúzie a simulovali vnikanie vlhkosti do panelov počas obdobia 25 rokov [4].
Výsledok tohto výskumu bol veľmi prekvapivý: vlhkosťou podmienený stres nie je nad vodou nevyhnutne horší ako nad pevninou [4]. Priemerné rozdiely teplôt okolia a samotných modulov medzi vodou a súšou boli absolútne minimálne, menej než 2 °C [4]. Zatiaľ čo relatívna vlhkosť vzduchu nad vodou sa v závislosti od lokality líšila od tej pozemnej maximálne o 9 percentuálnych bodov, denné kolísanie teploty a vlhkosti na súši bolo podstatne výraznejšie v dôsledku chýbajúceho stabilizačného efektu vody [4].
Čo je však najzaujímavejšie, modelovaný vnútorný obsah vlhkosti v samotných moduloch bol takmer vždy vyšší v pozemných (GPV) systémoch ako v plávajúcich (FPV), pričom priemerné koncentrácie vlhkosti boli pri pozemných paneloch vyššie až o 37 % [4]. Pre plávajúce inštalácie z toho vyplýva, že nie vždy nutne vyžadujú špeciálne prispôsobený dizajn panelov určený na zvládnutie zvýšenej vlhkosti [4].
Nevýhody plávajúcich systémov a sledovacích zariadení
Napriek sľubným výhodám má aj umiestňovanie panelov na vodu svoje zrejmé obmedzenia. Zatiaľ čo vo vlhkých tropických oblastiach FPV technológia exceluje, nesie so sebou vyššie riziko korózie pre kovové komponenty konštrukcie [2].
Významný rozdiel vzniká aj v optických vlastnostiach okolia. Ak uvažujeme o inštalácii obojstranných (bifaciálnych) solárnych panelov, ktoré dokážu zbierať svetlo aj odrazom zo spodnej strany, plávajúce systémy ťahajú za kratší koniec. Odrazivosť (albedo) bežnej vodnej plochy je veľmi nízka, približne na úrovni 0,1, čo je výrazne menej v porovnaní so štandardnou hodnotou 0,2 pri bežnom pozemnom povrchu [3].
V prípade, že sa k plávajúcemu systému pridajú aktívne sledovacie mechanizmy (takzvané trackery), ktoré otáčajú panely za slnkom, prináša to ďalšie komplikácie. Tieto mechanizmy spotrebúvajú elektrickú energiu prostredníctvom aktívnych motorov a v dlhodobom horizonte by sa v prostredí s vysokou vlhkosťou nad hladinou mohli opotrebovať oveľa rýchlejšie ako podobné komponenty inštalované na zemi [3]. Znamenalo by to častejšie zásahy údržby a tým pádom aj vyššie prevádzkové náklady na systém [3].
Potenciál a využitie v slovenských podmienkach
Na prvý pohľad by sa mohlo zdať, že plávajúca fotovoltika je určená výhradne pre prímorské či tropické štáty. V skutočnosti však popísaná medzinárodná štúdia skúmala jazerá vo Švédsku (Stortjärn, Erssjön, Erken) a Nórsku (Almbergasjön), čo sú klimatické zóny porovnateľné, a v mnohom ešte chladnejšie, so strednou Európou [4].
Klíma a návrh dizajnu majú často podstatne väčší vplyv na namáhanie panelov vlhkosťou než len samotný fakt, či sú umiestnené nad zemou alebo vodou [4]. Samotný dizajn plávajúceho systému zohráva obrovskú úlohu: napríklad výška modulu nad vodnou hladinou dokáže zmeniť priemernú koncentráciu vlhkosti v paneli až o 47 % a účinnosť prestupu tepla z konštrukcie o 42 % [4]. Na Slovensku, hoci zatiaľ nie sú plávajúce elektrárne bežnou realitou, predstavujú zatopené ťažobné jamy, štrkoviská či priemyselné vodné nádrže obrovský a zatiaľ nevyužitý energetický potenciál.
Pre bežného majiteľa rodinného domu na Slovensku zostanú hlavnou voľbou strešné a pozemné inštalácie. Zistenia o dôležitosti optimálnej výšky panelov pre prúdenie vzduchu, negatívach zachytávania prachu v suchých mesiacoch a dlhodobom namáhaní komponentov vonkajšími vplyvmi sú však aplikovateľné na akýkoľvek domáci systém. Ak uvažujete nad inštaláciou fotovoltiky a hľadáte optimálne technické riešenie ušité na mieru pre váš pozemok, overení špecialisti vo vašom okolí vám pomôžu vybrať ten najefektívnejší spôsob jej umiestnenia.
