Fotovoltaika v dopravě: proč nemají elektromobily na střeše solární panely?

Stručně řečeno, i ty nejvýkonnější solární panely mají příliš nízký výkon na to, aby jejich instalace na dopravní prostředky stála za to. Výhodnější je umístit fotovoltaiku stacionárně.

V souvislosti s rozvojem elektrických aut i obnovitelných zdrojů zaznívá často myšlenka: proč nemají elektrická auta na střeše solární panely? Na první pohled to vypadá logicky: na střechu vozidla na elektřinu, ať už elektromobilu, trolejbusu nebo třeba vlaku, umístíme solární panely a ty pak za slunečného počasí pomohou při nabíjení nebo pohonu vozidla. Přestože se jednotlivé případy objevují (např. Toyota), solární střecha běžným řešením nejspíš nebude. Proč?

První základní informace je: metr čtvereční fotovoltaiky má výkon za ideálních podmínek přibližně 200 wattů. Druhá základní informace je, že ideální podmínky na střeše auta nebo vlaku nastávají málokdy. Vlivem stínu, oblačnosti, teploty a neoptimální orientaci vůči slunci je výkon fotovoltaiky na střeše dopravního prostředku téměř vždy nižší.

• Fotovoltaika jako náhrada biopaliv v dopravě

Budeme tedy počítat, že solární panel na střeše dopravního prostředku poskytne za slunečného počasí výkon 150 wattů na metr čtvereční střechy. Takový výkon je dostačující pro rozsvícení několika LED žárovek, počítač, nebo třeba pro provoz menší ledničky. Obstojí i v dopravě?

Auto se solární střechou

Parkoviště jsou v létě plná sluncem rozpálených aut. Instalovat na jejich střechu fotovoltaický panel a dobíjet tak baterii se přímo nabízí. Ale opět se zde hraje roli výkonové omezení 150 W na metr čtvereční. Střecha auta bývá o něco větší, budeme tedy počítat s výkonem 300 Wattů na auto. S takovým výkonem není možné počítat z hlediska přímého pohonu motoru, ale může velmi dobře nabíjet baterii.

Solární střecha pro automobilový průmysl byla k vidění na veletrhu Intersolar 2019 v provedeních 200 W a 300 W.
Foto © TZB-info

Bude-li na solární střechu auta svítit slunce, vyrobí za hodinu 300 watthodin. Tímto tempem vyrobí jednu kilowatthodinu zhruba za 3 hodiny. Pokud je dobré počasí a auto stojí na dobře osluněném místě, může během dlouhého letního dne získat ze slunce až 4 kilowatthodiny. To je ideální případ – bude-li oblačno, kratší den, auto se bude pohybovat, nebo bude zaparkováno ve stínu (pod stromy, vedle domu), vyrobí solární střecha méně energie. A bude-li auto v garáži, nevyrobí střecha vůbec nic.

I pokud vezmeme z hlediska solární střechy nejlepší případ, tedy elektromobil zaparkovaný celý den na místě, kam svítí slunce od rána do večera, získáme za den čtyři kilowatthodiny. Tedy množství elektřiny, které průměrnému elektromobilu stačí na ujetí přibližně šestadvaceti kilometrů. Tolik elektřiny automobil získá z nejobyčejnější domácí nabíječky za hodinu a z rychlonabíječky za tři minuty nebo i rychleji. To vše za cenu necelých šesti korun (domácí tarif pro elektromobily D27d, ceny roku 2020).

Budeme-li počítat s normálními podmínkami, tzn. auto v pohybu, parkoviště s částečným stíněním nebo oblačnost, získáme denně spíše jednu až dvě kilowatthodiny. Dnešní elektromobily přitom mají baterie s kapacitou 30–100 kWh. Pokud bychom chtěli baterii nabít do plna jen z fotovoltaiky na střeše auta, museli bychom s ním parkovat na slunném místě minimálně měsíc, doufat v dobré počasí a nikam nejezdit. To není příliš reálný scénář.

Jako další se nabízí možnost úspory energie v letních dnech, kdy se může auto „zadarmo“ klimatizovat pomocí elektřiny ze slunce. Horkých letních dní však není tolik a úspory nejsou tak vysoké, aby se kvůli tomu vyplatilo dělat solární střechu přímo na autě. Co však kupodivu může dávat smysl, je i menší solární panel na autech se spalovacím motorem, zvláště u těch, která často startují, třeba poštovní dodávky. Zde může fotovoltaika i nízkým výkonem průběžně dobíjet startovací baterii a zlepšovat tak její kondici a spolehlivost.

Auta techniků na letišti v Mnichově se solárními panely. Standardní solární panel zde nepohání motor, ale napájí vybavení auta. Foto © TZB-info

A konečně jsou zde karavany, které potřebují elektřinu zejména, když stojí. Zde je použití solárních panelů na místě, slouží zde však nikoli k pohonu vozidla, nýbrž k napájení vybavení karavanu.

Závodní speciál na solární pohon. Foto © Panasonic

Větší smysl než elektrárny přímo na autech dává pevná instalace solárních elektráren v blízkosti parkovišť a nabíječek. Ideální model je v tomto případě parkoviště zastřešené solárními panely, tzv. carport. Auta jsou ve stínu, takže je není potřeba tolik chladit a mohou se dobíjet elektřinou ze slunce, která se vyrobí hned nad nimi. Stacionární fotovoltaika má lepší podmínky pro výrobu elektřiny a tedy i vyšší výkon a kromě slunce chrání auta stojící pod ní i před deštěm nebo krupobitím.

Navzdory výše uvedenému existují i auta na solární pohon. Spíše než o klasické automobily se však jedná o speciální vozítka na ekozávody, ne o vozidla, která by byla určena na běžný provoz.

Vlak se solární střechou

Střecha vlaku může mít plochu 300–500 metrů čtverečních. Pokud bychom celý vlak pokryli solárními panely, dostaneme výkon okolo 75 kilowattů (podle délky vlaku). To není úplně málo, ale motor lokomotivy vyžaduje elektrický příkon v řádu jednotek tisíc kilowattů. Pro pohon vlaku tak fotovoltaika představuje zcela zanedbatelný výkon, který je navíc dostupný jen za dobrého počasí. 75 kW ale přece není k zahození. Nemohl by takový výkon znatelně přispět alespoň ke snížení spotřeby klimatizace vagónů v horkých letních dnech? Mohl, na druhou stranu horkých letních dnů je v roce jen pár a kvůli nim se nevyplácí instalovat a vozit 500 m² fotovoltaiky celý rok, včetně dlouhých zimních nocí. Znamená to, že fotovoltaika je v železniční dopravě k ničemu? Vůbec ne. Jen nebude umístěná na střeše vlaku.

Na rozdíl od elektromobilů jsou elektrické vlaky permanentně připojeny k elektrické síti (nepočítáme-li dieselelektrické lokomotivy). Fotovoltaická elektrárna proto spíše než na střeše vlaku může stát kdekoli na vhodném místě v blízkosti železniční tratě. Oproti elektrárně na vlaku může být větší, panely budou mít výhodnější sklon vůči slunci, minimální stínění a nejspíš i lepší chlazení – tedy celkově vyšší výkon. Fotovoltaika tedy bude využita mnohem lépe, než na střeše vlaku. Vyrobenou elektřinu může elektrárna posílat přímo do trolejí a tím i do všech vlaků, které jsou na troleji připojené.

Protihluková stěna ze solárních panelů představuje dvě řešení v jednom. Foto © Solar Energy Application Centre

Další variantu představují protihlukové stěny, které se staví kolem železničních tratí. Ty mohou být tvořeny z oboustranných fotovoltaických panelů a kromě odstínění hluku vyrábět elektřinu, kterou lze využít k provozu vlaků nebo nádraží.

Solární kolo

Co nestačí pro pohon vozidel s hmotností v řádu tun, může vyhovovat k pohonu dopravního prostředku o váze desítek kilogramů. Elektrokolo je mnohem lehčí, než ostatní motorové dopravní prostředky a kromě elektromotoru část výkonu dodává cyklista (v případě elektrokola tak můžeme hovořit o hybridním pohonu). Nároky na výkon se u motoru elektrického kola pohybují v řádu stovek wattů, což hezky koresponduje s výkonem běžných solárních panelů. Kam ale na kole umístit fotovoltaiku?

Něco málo se vejde na nosič, který může být vepředu i vzadu, obvyklým řešením pro solární kola ale bývá fotovoltaický přívěs - vozík za kolo se solárními panely. S takto vybavenými koly se i jezdí závod The Sun Trip, kterých se již v roce 2013 (a následně i v letech 2015 a 2018) zúčastnila česká posádka Czech Solar Team.

Solární cestovní tříkolky týmu Czech Solar Team. Foto © Czech Solar team

Vzali dvě lehokola-tříkolky a doplnili k nim 750W elektromotor s baterií. Tříkolky pak zastřešili pěti solárními panely a dalších pět panelů přidali na solární přívěs za každé kolo. Každá souprava tak získala zdroj o výkonu 520 Wp a k němu baterii s kapacitou jedné kilowatthodiny. S takto vybaveným kolem bylo možné ujet i 300 kilometrů za den – pokud svítilo slunce.

Podobně jako u automobilů na solární pohon se i zde jedná o speciální modely, nikoli běžná řešení. Solární pohon může dobře posloužit při jízdě s těžkým kolem na dlouhých trasách mimo civilizaci. Pro běžný provoz je však mnohem snadnější, praktičtější i levnější elektrokolo vybavit větší baterií a tu dobíjet ze sítě, než za kolo připevňovat vozík se solárními panely.

Fotovoltaika na lodích

Jestli někde dávají solární panely na dopravním prostředku smysl, je to na lodích. Lodě jsou největšími dopravními prostředky a zároveň většinou plují i kotví pod otevřeným nebem, kde oproti vlakům a autům nehrozí stínění kopců, stromů a budov. Navíc se díky častějšímu větru solární panely méně přehřívají. Lodě zpravidla nejsou poháněny elektřinou (samozřejmě existují výjimky), fotovoltaika tak obstarává elektřinu pro podružné systémy a proto nemusí mít – na rozdíl od aut a vlaků – vysoký výkon.

Fotovoltaika je na loď vhodná podobně jako na karavan.
Foto © TZB-info

Závodní plachetnice Malizia II se solárními panely na střeše kajuty se proslavila zejména dopravou švédské aktivistky Grety Thunbergové z Evropy do USA. Foto © Borisherrmannracing.com

Solární letadlo

Existuje. Jmenuje se Solar Impulse 2, pochází ze Švýcarska a v roce 2016 mu podařilo obletět Zemi bez jediné kapky paliva. A opět se nejedná o standardní dopravní prostředek, ale o speciál, který velmi efektně ukazuje možnosti sluneční energie. Jeho hlavními vlastnostmi jsou velká plocha křídel – na letadlo se vejde 200 metrů čtverečních solárních panelů – a nízká hmotnost, pouhé 2,3 tuny.

Solární letadlo Solar Impulse 2 při přeletu nad Egyptem v roce 2016. Foto © aroundtheworld.solarimpulse.com

Výkon letadla je nastaven tak, aby letadlo uneslo právě jednoho člověka, sadu baterií pro noční let, navigační systémy a pár výzkumných přístrojů. Cestovní rychlost se pohybuje okolo 80 km/h. Je zřejmé, že takový model nemůže sloužit pro dopravní letadlo. Může se však uplatnit u letadel průzkumných, případně pro telekomunikační nebo meteorologické drony.

Pokusy se solárními letadly probíhají již od konce 80. let (SolarFlight), postupně se zvyšují možnosti jejich využití a přibývají další projekty (SolarStratos). K tomu značnou měrou přispívá i rozvoj lehčích a levnějších baterií.

Technicky možné, výkonově neoptimální

Solární střecha dopravních prostředků je technicky dostupné řešení, které může být i estetické, ale nevyplatí se energeticky ani finančně. Solární panel musí být vhodný na střechu dopravního prostředku, což s sebou nese vyšší nároky na pevnost, bezpečnost a tvar, které se navíc u různých dopravních prostředků liší. Výkon takové fotovoltaiky nebude příliš vysoký, protože auta a vlaky nejezdí a neparkují v časech a místech, kde je nejlepší osvit, ale tehdy a tam, kde je to zrovna potřeba.

Naproti tomu pro solární elektrárnu umístěnou na zemi nebo na střeše parkoviště stačí standardní fotovoltaický panel instalovaný na obvyklou konstrukci. Taková elektrárna je obvykle postavená s ohledem na místní podmínky osvitu, aby poskytovala optimální výkon. Je tak mnohem levnější a má výrazně lepší podmínky pro svůj provoz.

Solární parkoviště neboli carport je ideální řešení. Solární střecha chrání auta před sluncem i deštěm, vyrábí čistou elektřinu a pro instalaci velké fotovoltaiky nebylo potřeba zabírat žádnou půdu. Foto © Schletter Solar

Aktualizováno 8. 9. 2020 - doplněna zmínka o další účasti českého týmu na SunTripu a informace o solárních letadlech SolarFlight a SolarStratos.