Kapitola III: Fotovoltaika v dopravě (ČÁST 1)

Doprava je zodpovědná za více než 20% celkové spotřeby primární energie v Evropě a přispívá téměř třetinou emisí skleníkových plynů. Doprava představuje stále rostoucí sektor, v souvislosti s využíváním nových materiálů a současně se vzrůstajícími nároky na spotřebu energie pro používání vozů. Energetická spotřeba vzrostla v období mezi lety 1990 a 2003 o 26,3%. Doprava v Evropě se spoléhá na fosilní paliva z více jak 98%. I když strategický plán EU má za cíl zvýšení podílu biopaliv  na 10 % v roce  2020 [1]. Problémy související s dopravou jako je znečišťování ovzduší, hluk, dopravní zácpy dopadají na kvalitu života v evropských městech. Z tohoto důvodu se rozšiřují snahy o používání také jiných zdrojů energie pro dopravu, jako je bionafta, zkapalněný zemní plyn, použití vodíku, ale také fotovoltaika. Následující stránky přiblíží možnost použití fotovoltaiky jako zdroje energie pro rozmanité druhy použití v dopravě.
Fotovoltaika využívá přímé přeměny světelné energie na elektrickou energii v polovodičovém prvku označovaném jako fotovoltaický neboli také solární článek (Obr. 3.1). Nejběžnější typ solárního článku je vyroben z krystalického křemíku,  multikrystalického anebo monokrystalického křemíku.

Obr. 3.1: Princip činnosti solárního článku z krystalického křemíku [2].

Princip křemíkového článku je založen na principu velkoplošné diody s alespoň jedním PN přechodem. V osvětleném solárním článku jsou dopadajícími fotony generovány elektricky nabité částice (páry elektron – díra). Elektrony a díry jsou separovány vnitřním elektrickým polem k PN přechodu. Rozdělení náboje má za následek napěťový rozdíl mezi „předním“ (-) a „zadním“ (+) kontaktem solárního článku. Vnějším obvodem zapojeným mezi oba kontakty potom protéká stejnosměrný elektrický proud, jež je přímo úměrný ploše solárního článku a intenzitě dopadajícího slunečního záření [2].
Fototvoltaický jev byl objeven již v roce 1839 Alexandrem Edmondem Becquerelem. V roce 1904 jej fyzikálně popsal Albert Einstein a v roce 1921 mu byla za „práci pro rozvoj teoretické fyziky, zejména objev zákona fotoelektrického efektu“ udělena Nobelova cena. Prvotní pokusy s fotovoltaické články spadají do 19. století, kdy byly poprvé zjištěny změny vodivosti selenu při jeho osvětlení a kolem roku 1883 byl sestrojen první selenový fotovoltaický článek s tenkou vrstvou zlata (Charles Fritts, účinnost pod 1 %). První skutečný fotovoltaický článek s 6 % účinností byl vyroben z krystalického křemíku v roce 1954 v Bellových laboratořích (G.L. Pearson, D. Chapin, C. Fuller) v New Persey (Obr. 3.2) [3].

Obr. 3.2: Efektivita komerčně vyráběných solárních panelů [4].

3.1    Technologický vývoj fotovoltaiky
Velký rozvoj fotovoltaiky nastal v šedesátých letech minulého století s nástupem kosmického výzkumu. Sluneční články sloužily jako zdroj energie pro družice. První družicí využívající sluneční energii byl americký Vanguard 1, který byl vynesen do vesmíru 17.3.1958. Celosvětová ropná krize v sedmdesátých letech odstartovala zájem o alternativní zdroje energie. To mělo za následek také rozvoj výzkumu a vývoje v oblasti fotovoltaiky pro pozemní účely [5]. Vývoj solárních článků dospěl k celé řadě technologií, které lze rozdělit do tří základních generací:
-    prví generace solárních článků je založena na zpracování krystalického křemíku;
-    druhá generace solárních článků je založena na depozici velmi tenkých mikrometrických vrstev na nosnou podložku;
-    třetí generace solárních článků vychází z druhé generace a je založena na přípravě nových materiálů jako jsou nanomateriály, fotocitlivá barviva, polymerní vrstvy nebo vícevrstvé struktury [3].
Třetí generace fotovoltaických článků překonává Shockleyův-Queisserův limit účinnosti. K přeměně na elektřinu lze využít pouze část dopadajícího slunečního záření. Plně jsou využity pouze fotony, jejichž energie odpovídá šířce tzv. zakázaného pásu, například pro křemík 1,1 eV. Fotony s nižší energií buď článkem projdou nebo jsou v materiálu pohlceny bez užitku, jejich energie se přemění na teplo. U fotonů s vyšší energií je využita pouze část odpovídající šířce zakázaného pásu, přebytek energie se rovněž přemění na teplo [6].
Porovnání teoretických limitů a dosahovaných parametrů u ostatních polovodičových materiálů je uvedeno na Obr. 3.3.Uvedené limitní hodnoty platí pro jednovrstvé články první a druhé generace při intenzitě slunečního záření 1000 W/m2. Pro články třetí generace, které využívají vícevrstvé struktury nebo při vyšší intenzitě slunečního záření jsou limity vyšší [6].

Pozn.: a-Si - amorfní, c-Si - mikro/nanokrystalický, m-Si - monokrystalický, p-Si - poly/multikrystalický, t-Si – tenkovrstvý.

Obr. 3.3: Účinnost jednovrstvých fotovoltaických článků, současný stav a perspektivy ve srovnání s teoreticky dosažitelným maximem [6].
 

Nejvíce propracovanou a stabilizovanou je technologie založená na krystalickém křemíku. Přes 85% všech solárních panelů je vyrobeno s křemíkovými krystalickými články, jejichž obezný princip je znázorněn na Obr. 3.4. Křemík je velni vhodný materiál pro výrobu fotovoltaických článků, protože z hlediska šířky zakázaného pásu je u křemíku možno dosáhnou velmi vysoké účinnosti generace volných nosičů. Zároveň u křemíku, jako základního materiálu pro mikroelektroniku se podařilo velmi dobře zvládnout všechny operace potřebné k vytváření struktur. Teoretická účinnost křemíkového článku pro běžné spektrum a intenzitu slunečního záření, tzv. Shockleyův-Queisserův limit, je kolem 33 %, u experimentálních článků bylo dosaženo 24,7 %, nejlepší komerční články mají účinnost kolem 22 % [3,7].

Obr. 3.4: Schéma výrobního cyklu od surového křemíku až k instalaci fotovoltaického systému [4].

Výrobní proces fotovoltaického systému je založen na několika základních krocích. Po chemickém opracování (leptání, texturace, čištění) je jednostranně vytvořen přechod PN difúzí fosforu (n-dopand) nebo bóru (p-dopand) pro vytvoření p-n přechodu (dále PN) dle původní vodivosti křemíkového substrátu.  Po odstranění fosforsilikátového skla vzniklého při difúzi je povrch depozicí pokryt antireflexní vrstvou (SiNx nebo TiO2). Kontakty sběrnice jsou obvykle realizované pomocí vodivých past nanesených na povrch článků sítotiskovou metodou. Po depozici antireflexní vrstvy je na straně s přechodem PN (na vrstvu n+) sítotiskem nanesena sběrnice (Ag pasta) a na zadní stranu je sítotiskem nanesen kontakt (Al-Ag pasta). Po vysušení pasty následuje vypálení, při kterém dojde k rozrušení antireflexní nitridové vrstvy a vytvoření ohmických kontaktů. Pomocí této techniky byla výrazně zjednodušena a zlevněna technologie kontaktování článků (odstranění fotolitografie a vakuových depozičních technologií) [7].
Energetická účinnost přeměny slunečního záření na elektrickou energii je u současných hromadně vyráběných křemíkových solárních článků 13 – 21%. Účinnost u solárních článků připravených v laboratořích dosahuje až 25%. Články vynikají vysokou stabilitou výkonu a dlouhou životností (minimálně 30 let). Po zalaminování do panelů se jejich účinnost sníží na 11 - 19% [7].

Obr. 3.5: Solární články z monokrystalického a multikrystalického křemíku [2].

Relativně velmi slibné je pro zvýšení účinnosti se jeví používání výchozího materiálu typu N, kde vzhledem k řádově nižší rychlosti rekombinace (v porovnání s materiálem typu P) je možno dosáhnout vyšší účinnost fotovoltaických článků. Zatím se výchozí materiál typu N používá u zhruba 4,5% vyráběných fotovoltaických článků [7].
Pro zvyšování účinnosti se také realizují nestandardní struktury článků, např. přenesením všech kontaktů na zadní stranu článku. Touto technologií jsou vyráběné dosud nejúčinnější komerčně dostupné panely. Jsou z monokrystalického křemíku od americké firmy SunPower. Jedná se o jediný typ panelů, jehož účinnost se blíží 20 % (účinnost jednotlivých monokrystalických křemíkových článků na tomto panelu je až 22 %) [8].
Současný vývoj technologie naznačuje, že krystalický křemík zůstane nejdůležitějším materiálem pro výrobu fotovoltaických článků minimálně v následujících pěti letech, a to vzhledem k pokračujícímu snižování cen vstupního materiálu, snižování energetické náročnosti a dalšímu zdokonalování technologie a s ohledem na vysokou spolehlivost a životnost modulů s články z krystalického křemíku [7].
Výzkum a vývoj tenkovrstvých solárních článků vychází z technologie přípravy tenkých filmů (rovněž také nanovrstev) deponovaných na nosnou podložku. Depozicí na sklo, flexibilní substrát nebo ocelový plech, je nanesen fotoaktivní materiál, nejčastěji se užívá amorfní křemík (a-Si). Historicky nejstarší jsou články z amorfního křemíku, jsou již přímé zkušenosti s jejich více než 20letým fungováním v reálných podmínkách. V poslední době i účinnost těchto velmi levných panelů stoupla z cca 5 % k 6 - 7 % [8].

Obr. 3.6: Solární panel z amorfního křemíku [9].

Historie solárních panelů z tenkých vrstev začíná v roce 1976, kdy vědci z RCA laboratoří Carlson a Wronski vyrobili první fotovoltaický článek z amorfního křemíku o tloušťce cca 0,5 mm. Po velmi rychlém pokroku (10% účinnosti u laboratorních článků o velikosti 1 cm2 bylo dosaženo již v roce 1982) a uvedení do hromadné výroby těchto článků (především pro drobnou spotřební elektroniku - kalkulačky), došlo ke stagnaci jak ve výrobě tak i v průmyslově dosažené účinnosti, typická účinnost fotovolatických panelů stagnuje na hodnotě 5 - 6 % [10]. Důvodem je proces (vratné) degradace (tak zvaný Staebler-Wronski efekt) který způsobuje, že při určité úrovni osvětlení a určité provozní teplotě se v amorfním křemíku ustaví rovnovážná koncentrace defektů, která neumožňuje dosažení vyšší účinnosti. Tento, po zhruba jednom roce již stabilizovaný článek dále nedegraduje, v letních měsících naopak jeho účinnost roste a v zimě zase klesá [10].
Tloušťky solárních článků z tenkých filmů jsou podstatně menší (až 100x) než u klasické křemíkové technologie. Oproti klasické křemíkové technologie se vyrábí přímo solární panel bez mezivýrobku solárního článku. Podíl tenkovrstvé technologie na celosvětovém trhu dosahuje asi 10 %. Tenkovrstvé křemíkové články se vyrábějí, třemi způsoby: s absorbérovou vrstvou z amorfního křemíku, z mikrokrystalického křemíku nebo z křemíku rekrystalizovaného. Žádný z těchto způsobů neumožňuje výrobu článku o vyšší účinnosti než 10%, ale je východiskem k vývoji multi-vrstvových tenkovrstvých článků s vyšší účinností. Využití efektu „light trapping“, tj. rozptylu světla na (nano)hrubém rozhraní mezi skleněnou podložkou pokrytou hrubou vrstvou SnO2 či ZnO (vodivá průhledná elektroda). Tímto způsobem je dosaženo zvýšení absorpce ve velmi tenké křemíkové vrstvě (cca 300 nm) a tím i zvýšení generovaného proudu [10,11].
Zvýšení účinnosti v průmyslové výrobě nastalo s příchodem tandemových tenkovrstvých článků amorfní křemík/mikrokrystalický křemík. Zde již účinnost průmyslově vyráběných článků přesáhla 8 % a očekává se růst nad 10 %. Řadí se do 3 generace článků. Jednotlivé články se skládají na sebe (propojením přes tunelovací PN přechod) tak, aby každý článek využíval část slunečního spektra a tím došlo ke zvýší výsledného napětí naprázdno vícekrát než dojde ke snížení proudu nakrátko [10].
Vyšší účinnosti lze dosáhnout použitím více vrstev, z nichž každá využívá pouze část slunečního spektra - fotony, jejichž energie je vyšší než šířka zakázaného pásu dané vrstvy - a ostatní záření propouští do nižších vrstev. Amorfní křemík má vysokou absorpci v oblasti modré, zelené a žluté části spektra, mikrokrystalický křemík pak dobře absorbuje i v oblasti červené a infračervené. Základní podmínkou pro dobrou funkcí vícevrstvých článků (Obr. 3.7) je, aby každý z článků generoval stejný proud. V opačném případě, horší (příp. nejhorší) z článků limituje dosažitelnou účinnost. Výsledné napětí je pak dané součtem obou (příp. všech) článků. Článek typu n-i-p složené ze 2 až 3 článků na bázi amorfního křemíku a jeho slitin s germaniem [10,11]. Tato technologie byla vyvinuta a uvedena do průmyslové realizace firmou Unisolar [12].

Obr. 3.7: Schéma struktury trojitého složeného multispektrálního článku [12].

Kadmium tellurid (CdTe) a měď indium selen (Cu(In,Ga)Se2, zkráceně CIS) jsou dva reprezentanti (bez Si) tenkovrstvých technologií. Fotovoltaické panely na bázi teluridu kadmia (CdTe) se již vyrábějí s účinností v rozmezí 10-11 %. Jejich zásadním problémem však je obsah nebezpečných kovů, především kadmia, které z nich po vyřazení z provozu učiní nebezpečný odpad. Proto je v prodejní ceně článků zahrnuta i jejich kompletní recyklace (viz. firma First Solar). Navíc, Evropská unie směřuje k úplnému vyloučení kadmia z elektronické výroby, dosud s jedinou výjimkou, a to jsou právě CdTe fotovoltaické články. Jejich hromadná výroba se stále rozšiřuje, ale z dlouhodobé perspektivy tyto články nemohou konkurovat článkům křemíkovým [8].
Dvouvrstvé články mohou dosáhnout teoreticky účinnosti 42 %, třívrstvé 49 %, šestivrstvé kolem 65 %. Limit pro nekonečný počet vrstev je 68 %. Epitaxní multispektrální sluneční články na bázi polovodičů typu A3B5 (případně užívající jako nejspodnější článek germaniový substrát) dosahují již v současné době rekordních účinností fotovoltaické přeměny sluneční energie. Účinnost těchto laboratorních epitaxních článků se třemi PN přechody je v současnosti těsně pod hranicí 40% [13] a při použití ještě komplexnější struktury je plánováno dosažení ještě vyšších účinností, viz. Obr. 3.8 [13,14].

Obr. 3.8: Multispektrální GaInP/GaInAs/Ge pro kosmické aplikace, optimalizovaný pro radiační odolnost s 3 p-n přechody na 100 mikrónů tenkém germaniovém substrátu [13,14].

Vícevrstvé články jsou výrobně výrazně náročnější než články jednovrstvé, tomu odpovídá i jejich cena, která v přepočtu na watt výkonu je asi 2 až 3krát vyšší než u současných technologií. V řadě případů jsou používány suroviny, jejichž dostupnost pro předpokládaný rozvoj fotovoltaických systémů není v dlouhodobém horizontu zajištěna.
Doménou vícevrstvých článků jsou systémy pro napájení družic, kde je vyšší cena vysoce vyvážena lepším poměrem výkonu k hmotnosti [8]. Pro použití v pozemských aplikacích, pro výrazné snížení celkové ceny fotovoltaického sytému, jsou používány ve spojení s koncentrátory slunečního záření [13].
Koncentrátorové články se řadí do třetí generace solárních článků. Jsou založeny na koncentraci světelného záření pomocí zrcadla nebo Fresnelovy čočky, které jsou neporovnatelně levnější než polovodičové články. Pro jejich použití hovoří dva důvody. Především lze při vyšších intenzitách slunečního záření dosáhnout vyšší účinnosti. Teoreticky 41 % pro jednovrstvé, 55 % pro dvojvrstvé a 63 % pro třívrstvé články, limit pro nekonečný počet vrstev je 86 %. V praxi dosáhly třívrstvé články účinnosti přes 40 %. Druhým důvodem je cena vícevrstvých článků, která je výrazně vyšší než cena dnes nejběžnějších článků jednovrstvých. K jejich výrobě lze použít obecně dostupné materiály. Spotřeba drahých polovodičových materiálů na samotné články může klesnout až o dva řády [6].
V současnosti je rozpracovávána celá řada konceptů, které slibují do budoucna výrazné zvýšení účinnosti. Většina z nich je pouze ve fázi teoretického odhadu dosažitelné účinnosti, není však známo, jak je realizovat v praxi. Úplný výčet by byl dlouhý, více informací lze najít na stránkách výzkumných center. Níže jsou uvedeny jen některé z těch, u nichž již byly realizovány první experimenty [6]:
•    speciální nanostruktury, tzv. supermřížky, umožňující řídit šířku zakázaného pásu (quantum dot, quantum well), cílem výzkumu je vytvořit takové struktury z levných a dostupných materiálů, například křemíku
•    luminofory, které konvertují široké sluneční spektrum do užší oblasti, která lépe odpovídá šířce zakázaného pásu použitého fotovoltaického článku (up/down converters)
•    termo-fotovoltaické články, selektivní absorber ohřívaný slunečním zářením vyzařuje dlouhovlnné záření v úzkém pásmu, které odpovídá šířce zakázaného pásu použitého fotovoltaického článku.
S rozvojem nanotechnologií a se studiem jedno a dvou dimensionálních systémů, vznikla možnost použít nových vlastností těchto materiálů (kvantových jam či teček) pro posuv hrany optické absorpce a pro ovlivnění pravděpodobnosti optického přechodu. Se zmenšováním rozměrů se posouvá absorpční hrana křemíku směrem do viditelné a nakonec až do UV oblasti a současně roste pravděpodobnost optického přechodu [14,15]. Pro praktickou realizaci těchto článků, které mohou dosahovat teoretické účinnosti blížící se 50%,  je však třeba vyřešit řadu problémů základního výzkumu. Především je málo známo jak budou „defekty“ a neuspořádanost v distribuci (velikostí a vzájemných vzdáleností) kvantových teček ovlivňovat vlastnosti „syntetických materiálů“ tvořených těmito kvantovými tečkami. Výzkum v tomto směru by však měl přinést velké zvýšení účinnosti fotovoltaické přeměny sluneční energie, při zachování velmi nízké materiálové spotřeby jednoho z nejrozšířenějších prvků - křemíku.
S nástupem nanotechnologií v materiálovém a fyzikálním výzkumu se otevírá celá řada možností i pro fotovoltaickou přeměnu sluneční energie. Nové materiály, jako například uhlíkaté nanotrubky (nanotrubičky) lze použít v kompozitních slunečních článcích na bázi polymerů (zvýšení stability) či lze z nich vytvořit průhledné elektricky vodivé vstupní elektrody polymerních článků [16].
Další skupinou tenkovrstvých fotovoltaických článků jsou tzv. "dye sensitized cells", ty ovšem ještě nenalezly uplatnění v běžné aplikační sféře. Hlavním důvodem je jejich nestabilita. Přesto jsou perspektivními materiály pro výrobu solárních fotovoltaických (PV) článků a to díky jejich snadné aplikovatelnosti, vynikající mechanické flexibilitě a v neposlední řadě výrazně nižším pořizovacím nákladům [18].
Funkčnost organických materiálů ve fotovoltaických článcích je založena na účinném přenosu náboje na fázovém rozhraní mezi látkou, která je po absorpci světla donorem elektronu, a jiným typem materiálu s velkou elektronovou afinitou, který je akceptorem. Účinnost článku závisí na velikosti plochy tohoto rozhraní v objemu vzorku a kontinuitě jednotlivých fází, zajišťujících účinný transport náboje k příslušné elektrodě. Zároveň je třeba vzít v úvahu rozpor mezi krátkou difúzní délkou excitonu, která se pohybuje v řádu 10 nm a penetrační hloubkou světla, která dosahuje v těchto materiálech až 100 nm. Foton, který je absorbován ve větší vzdálenosti od rozhraní donor-akceptor, než je difúzní délka excitonu, je proto z hlediska energetické bilance článku ztracen. Proto je v polymerních fotovoltaických článcích důležitý "photon management", který zajistí efektivní využití absorbovaných fotonů. K účinné fotogeneraci náboje je třeba docílit maximální absorpce v blízkosti rozhraní donoru a akceptoru [18].
Barvivem citlivé sluneční články („dye-sensitized solar cells“, DSSC) jsou fotovoltaické články založené na nanoporézní tlusté vrstvě (typicky 10-20 mikrometrů) TiO2 na nějž jsou navázány molekuly organických barviv, jako jsou ftalocianiny či porfiriny zinku či komplexnější struktury obsahující atomy ruthenia. Někdy jsou nazývány po svém objeviteli a propagátorovi Gratzel cells [19]. Jsou to jediné fotovoltaické články, jež lze zhotovit „amatérským způsobem“, bez použití složitých technologických zařízení, z běžně dostupných surovin.

Obr. 3.9: Gratzel cells [20].

I když hranice 11% jejich účinnosti byla překonána již před řadou let, stále je třeba vyřešit řadu zásadních problémů, jako je stabilita barviva, nahrazení kapalného elektrolytu polymerem (to se podařilo ale účinnost klesla na 4%) [19].
V ideálním případě je oxid titaničitý dielektrikem − tedy nevodičem, ovšem v důsledku výskytu tzv. bodových poruch v jeho krystalové mřížce se chová jako polovodič. Obecnou vlastností TiO2 je schopnost fotoexcitace. Pokud na jeho povrch dopadne záření o dostatečné energii (s vlnovou délkou přibližně 365 nm, tedy v UV oblasti), vytrhne elektrony z jejich valenční oblasti a ty přeskočí do oblasti vodivostní. Vytržené elektrony za sebou zanechávají kladně nabité elektronové vakance (díry), které mají značně vysoký oxidační potenciál [21].

3.2    Použití solárních článků v dopravě
Fotovoltaické panely z krystalického křemíku nachází své uplatnění v dopravě velmi těžko a to hlavně z důvodu poměrně velké velikosti (ploše) a hlavně váze. V dopravním průmyslu se využívají v převážné míře hlavně tenkovrstvé fotovoltaické panely a to i přesto, že nedosahují dostatečně velkého výkonu vztaženého na jednotku plochy panelu.
3.2.1    Automobilová doprava
Jednu z možností snížení ekologické zátěže dopravnými prostředky představují hybridní osobní elektromobily. Osobný automobil je poháněný asynchronními trakčními motory, které čerpají elektrickou energii ze sekundárního článku, který je napájen z veřejné energetické sítě, diesel generátoru nebo fotovoltaickými či palivovými články [22]. Způsob přímého dobíjení baterií z fotovoltaického článku se v současnosti omezuje pouze na konstrukce solárních vozítek pro speciální závody. Takto poháněné automobily mají „nulové emise“ [22].

 
Obr. 3.10: Fotovoltaický panel jako zdroj elektrické energie pro trakční aplikace [22].

Pokud bychom použili v současnosti stále nejpoužívanější olověné elektrické trakční baterie (ETB), jejichž princip je znázorněn na Obr. 3.10, z hlediska jejich finanční nenáročnosti, je jejich energetická hustota cca 30 – 40 Wh.kg-1. V porovnaní s benzínem, který má energetickou hustotu 3000 Wh.kg-1, je malá. Nevýhodu nutnosti dobíjení ETB, který si vyžaduje čas 4 – 12 hodiny na doplnění energetické kapacity z 30% na 100%, pomáhá redukovat energetická činnost fotovoltaických článků, která představuje trvalý přísun elektrické energie v průběhu osvitu. Velká část realizovaných cest osobným automobilem v městské a příměstské dopravě nepřesahuje 80 km denně. Při předpokladu maximální doby do příjezdu do práce i s parkováním 1,5 hod. se během pracovní doby mohou dobíjet ETB z fotovoltaických článků cca 10 hod. Takto získaná energie uchovaná v ETB může podpořit  trakční požadavky hybridního elektromobilu. Z hlediska délky dojezdu je výhodnější použít 6V baterie, které mají vyšší specifickou hustotu energie. Z hlediska výkonu se upřednostňují 12V baterie. Některé používané typy ETB v elektromobilech jsou uvedené v následující tabulce (Tab. 3.1) [22].

Tabulka č. 3.1: Parametry vybraných druhů sekundárních článků – baterií [22]:

Typ baterie

Délka na jedno nabití

[km]

Doba nabíjení

[h]

Účinnost

[%]

Recyklovatelnost

[%]

Současné Pb

90

8-17

65

97

Budoucí Pb

150

 

 

100

NI-Cd

180

8

65

99

Nikl-iron

170

4-8

60

99

Nikl-hydrid

380

 

90

90

Lithium-ionic

300

 

 

50

Zavedení technologie energetických zdrojů hybridního elektromobilu brání zatím množství technických a ekonomických bariér. Přesto technologie fotovoltaických a palivových článků už svoje první nesmělé kroky udělaly a jejich razantnější nástup se předpokládá po roce 2010 [22]. Jedním z nejaktivnějších výrobců aut s hybridním pohonem je Toyota. Zvláště její model Prius (Obr. 3.11) zde vyniká. V rozšířené výbavě Toyoty Prius lze zakoupit také střešní solární panel, který slouží k produkci energie pro ventilační systém, když je auto zaparkované na slunci a lze takto zajistit uvnitř automobilu příjemnou teplotu. Solární panel Toyoty Prius se skládá z 36 krystalických křemíkových solárních článků s účinností 16,5 % s maximálním výkonem 50 W. Původně měl solární panel nabíjet baterii, ale tento nápad designéři zavrhli,  protože opakované nabíjení a vybíjejí baterie by mohlo baterii škodit. Cena solární střechy je přibližně 2000 dolarů navíc k ceně vozu [23].
 

Obr. 3.11: Solární panel použitý na střeše Toyoty Prius pro napájení klimatizace vozu [23].

Další výrobci automobilů rovněž uvažují o včlenění solárních článků do pláště vozu, ovšem stále se jedná pouze o pomocné dobíjení klimatizace nebo dodatečných systémů. Auta čistě na solární pohon se nyní „prohání“ pouze na speciálních závodech. Prvním takovým závodem byl Tour de Sol, jenž byl pořádaný v roce 1985. Ten nejznámější World Solar Challenge se jede z Darwinu do Adelaide více než 3000 km vyprahlou pouští. Solární vozítka (Obr. 3.12) zde dokážou vyvinout rychlost přes 100 km/h [24]. Pro solární vozy jsou každým rokem stanovena pravidla pro váhu používaných baterií (např. pro Li-ion baterie 21 kg [25]) a plochu solárních článků (např. pro fotovoltaické pole z křemíkových článků 6 m2 [25]). Tělo vozítek se skládá z uhlíkatých vláken. Pod "kapotou" se pak skrývá řada dalších pokročilých technologií, které snižují tření, zvyšují účinnost a lze očekávat jejich další využití nejen u budoucích elektromobilů. Například vývojáře Hondy inspirovalo navržené odpružení dvojitými lichoběžníkovými závěsy k jeho rozšíření na sériová vozidla [26].
Pro pohon sériově vyráběných vozidel na elektrický pohon lze pravděpodobně předpokládat využívání konceptu dobíjecích stanic. Modelování vhodného systému nabíjení autobaterií se řeší např. v rámci probíhajícího projektu EMSIS za spolupráce mezi Fraunhoferovým a Carnotovým ústavem. První výsledky prozatím odhalují obtíže spojené s provozem stanic a hledají se určitá nastavení dobíjení elektromobilů. Dobíjecí stanice musí být například schopny vyrovnat se s výkyvy generace energie z fotovoltaické instalace a přizpůsobit se nabíjecímu příkonu, zjistit stav dobití baterie automobilu, atd. [26,27].

   
Obr. 3.12:
Solární vozy účastnící se závodu World Solar Challenge [24,26,27].


 

There are currently no posts in this category.