Łodzie solarne

Tomasz Gos

Łodzie solarne, czyli napędzane energią słoneczną, to odmiana jednostek pływających o napędzie elektrycznym. Pierwsze łodzie o napędzie elektrycznym zaczęły powstawać na początku XIX wieku. Jednak zainteresowanie na większą skalę napędami elektrycznymi zaczęło się w latach 80., kiedy pojawiła się możliwość miniaturyzacji silników elektrycznych przy jednoczesnym zachowaniu ich dużej wydajności.

Szybko okazało się, że dobrym źródłem zasilania tych silników może być światło słoneczne. W tamtych latach panele fotowoltaiczne (nazywane również solarnymi lub słonecznymi) były jednak na tyle drogie, że ich wprowadzenie do sprzedaży na większą skalę nie miało sensu. Sytuacja zmieniła się w XXI wieku. Rozwój fotowoltaniki przemysłowej spowodował spadek cen paneli słonecznych i większą ich dostępność na rynku. Ta tendencja utrzymuje się przez cały czas, powodując stopniowe obniżanie cen paneli fotowoltaicznych.

Słońce na wodzie

Połączenie elementów solarnych z napędem elektrycznym najbardziej rozwija się w branży morskiej. Związane jest to przede wszystkim z tym, że efektywność układów solarnych zależy od powierzchni, na którą padają promienie słoneczne. Na jednostce pływającej stosunek masy tej jednostki do powierzchni paneli, jakie można na niej zamontować, jest z reguły bardziej korzystny niż w przypadku pojazdów lądowych.

Panele solarne są obecnie często wykorzystywane w przemyśle jachtowym i motorowodnym, ale głównie jako układy wspomagające – stanowią alternatywny sposób pozyskiwania energii. Jeszcze kilka lat wspomagały głównie szeroko pojętą elektronikę na małych jednostkach pływających (na przykład oświetlenie). Nie wspomagały jednak układów napędowych. Obecnie powoli się to zmienia. Przetworzona energia słoneczna wykorzystywana jest do napędzania silników. Światowym liderem produkującym silniki elektryczne do jednostek pływających jest niemiecka firma Torqeedo. To ona w dużym stopniu spopularyzowała te silniki i w sensie technologicznym doprowadziła ich działanie do perfekcji. Dopasowała również ich energochłonność do optymalnej współpracy z bateriami morskimi.

W łodziach solarnych cały układ napędowy składa się z trzech elementów: paneli solarnych, baterii morskich, które kumulują energię elektryczną i silnika elektrycznego. Potrzebny jest też moduł sterujący całym tym układem, który potrafiłby zarówno monitorować go, jak optymalizować jego parametry.

Panel w sprayu

Największą zaletą paneli fotowoltaicznych jest to, że dostarczają swojemu użytkownikowi darmowej energii czerpanej ze światła słonecznego. Pozyskana w ten sposób energia może napędzać silniki elektryczne, które praktycznie pracują w sposób bezgłośny i nie emitują żadnych zanieczyszczeń.

Wadą większości dostępnych na rynku paneli fotowoltaicznych jest to, że poszczególne ogniwa tego panelu łączone są w szereg. Oznacza to, że w razie uszkodzenia jednego ogniwa lub zabrudzenia go (na przykład przez odchody ptaka), praktycznie cały panel przestaje działać, szczególnie w najstarszych typach paneli. Nowe rozwiązania zabezpieczane są na ten wypadek. Z doświadczeń regatowych wynika jednak, że panel taki nie utrzymuje swoich parametrów i widoczne są spadki mocy generowanej przez niego. Dlatego też panele przez cały czas ich eksploatacji muszą być utrzymywane w czystości. Nanotechnologia pozwala już dzisiaj na budowę szkła, które samo się oczyszcza, ale tego typu konstrukcje są bardzo kosztowne. Są też próby wprowadzenia na rynek paneli z bardzo wytrzymałych materiałów, ale póki co, to jeszcze produkty trochę eksperymentalne – wyjaśnia dr inż. Wojciech Leśniewski z Wydziału Oceanotechniki i Okrętownictwa Katedry Mechaniki Morskiej Politechniki Gdańskiej. Mirosław Skwarek, szef firmy Green Dream Boats, która zajmuje się produkcją łodzi solarnych dodaje jednak, że na łodziach produkowanych przez jego firmę są już montowane panele nowej generacji, gdzie uszkodzenie jednego ogniwa nie powoduje wadliwości działania całego panelu.

Producenci określają trwałość paneli solarnych na około 25 lat. „W praktyce panele tego typu jeśli są właściwie eksploatowane mogą pracować przy pełnej sprawności około 15 lat. Technologia solarna szybko się jednak rozwija i za kilka lub kilkanaście lat sprawność paneli słonecznych może być dużo większa. Poza tym wchodzą na rynek nowe technologie, które mają być bardziej wydajne, mniej kosztowne i o szerszym zastosowaniu niż tradycyjne panele fotowoltaiczne. Przykładem takim jest specjalna powłoka w sprayu i folia fotowoltaiczna, opatentowana przez Norwegów wraz z naukowcami z Uniwersytetu w Leicester, która pełni rolę podobną do tej, jaką pełnią panele słoneczne. Spray czy folię można nanieść na zwykłą szybę, która staje się ogniwem i z której można pozyskiwać energię słoneczną jak z paneli fotowoltaicznych. Te cienkofilmowe ogniwa nazywane są ogniwami trzeciej generacji.

Polski wynalazek

W 2013 roku za sprawą polskiej fizyk Olgi Malinkiewicz nastąpiło przełomowe wydarzenie w dziedzinie ogniw solarnych – zaczęto pracę nad ogniwami bazującymi na perowskitach. Są to materiały o specyficznej strukturze atomów. Kilka lat temu zostały uznane za obiecującą alternatywę dla stosowanego obecnie krzemu, ponieważ są w stanie absorbować światło nawet w bardzo cienkich warstwach.

Olga Malinkiewicz stworzyła nową architekturę ogniwa perowskitowego, która umożliwiła wyeliminowanie wysokich temperatur z procesu produkcji. Dzięki temu, zamiast szkła można wykorzystać elastyczne podłoże. Może to zmienić cały przemysł, ponieważ ogniwa są elastyczne i lżejsze, więc o wiele tańsze od ogniw bazujących na szkle. Mają także o wiele bardziej uniwersalne zastosowanie. W sektorze morskim można je zainstalować na elementach łodzi, ale także wykorzystać na żaglach, zapewniając dostęp do prądu w trudnych warunkach, nawet podczas ograniczonego nasłonecznienia. Ogniwa opracowane przez Saule Technologies, firmę założoną przez Olgę Malinkiewicz, Artura Kupczunasa i Piotra Krycha, działają także przy użyciu sztucznego światła. Obecnie mogą generować na jednym metrze kwadratowym do 100 watów energii. Jednak technologia stale jest rozwijana i w przyszłości efektywność może być jeszcze lepsza – mówi Daniel Kucharski specjalista ds. komunikacji i PR Saule Technologies.

Firma kończy już etap badań i rozpoczyna drugą rundę inwestycyjną, która umożliwi masową produkcję. Spółka szuka partnerów i inwestorów, którzy wesprą budowę linii produkcyjnej. To duże wyzwanie, ponieważ wcześniej nikt nie skomercjalizował takiej technologii. Wszystko trzeba zaprojektować samodzielnie. Saule Technologies prowadzi również rozmowy z wieloma firmami na temat implementacji swojej technologii w ich urządzeniach i rozwiązaniach.

Pełna wersja artykułu w magazynie MSiO 9-10/2017