Panele fotowoltaiczne kojarzą się przede wszystkim z dachami, farmami słonecznymi i pustynnymi terenami. Naukowcy z Chin pokazali jednak zupełnie inne zastosowanie tej technologii. Opracowane przez nich ogniwa słoneczne potrafią produkować energię 10 metrów pod powierzchnią morza. Co ważne, nie był to wyłącznie eksperyment laboratoryjny. Specjalnie przygotowane moduły zostały sprawdzone w otwartym morzu i zasilały baterie oraz diody LED.
Fotowoltaika działa tam, gdzie światła jest bardzo mało
Na pierwszy rzut oka pomysł umieszczenia paneli słonecznych pod wodą wydaje się sprzeczny z zasadą działania fotowoltaiki. Im głębiej znajduje się urządzenie, tym mniej światła dociera do niego z powierzchni. Woda pochłania i rozprasza promieniowanie, a dodatkowo zmienia jego widmo.
Na głębokości około 5–10 metrów dominują przede wszystkim fale światła z zakresu niebieskiego i zielonego. Zwykłe ogniwo fotowoltaiczne nie jest więc optymalnym rozwiązaniem.
Zespół z Yunnan University zastosował dlatego ogniwa perowskitowe o szerokiej przerwie energetycznej, dostosowane do widma światła dostępnego pod wodą. W opracowaniu wykorzystano perowskit o przerwie energetycznej około 1,96 eV oraz specjalny dodatek polimerowy, który poprawiał właściwości materiału i jego stabilność.
W warunkach laboratoryjnych ogniwa osiągnęły sprawność 34,71 proc. przy oświetleniu odpowiadającym warunkom panującym na głębokości 10 metrów. Nie oznacza to jednak, że pod wodą generują więcej energii niż klasyczne panele na powierzchni. Sprawność odnosi się tutaj do energii światła, która faktycznie dociera do ogniwa. Pod wodą tej energii jest po prostu znacznie mniej.
Pierwszy test w prawdziwym morzu
Najważniejsze jest jednak to, że naukowcy wyszli poza laboratorium.
Większe moduły perowskitowe zamontowano na urządzeniach pracujących pod wodą i przetestowano w rejonie wysp Weizhou na Morzu Południowochińskim. Moduły pracowały na głębokościach 2, 6 oraz 10 metrów.
Panel o powierzchni aktywnej 115 cm² na głębokości 10 metrów wygenerował w ciągu dwóch godzin 324 mWh energii. Wystarczyło to do naładowania akumulatorów litowo-jonowych i późniejszego zasilenia diody LED. Na głębokości 6 metrów uzyskano 752 mWh, a na 2 metrach – 1416 mWh w tym samym czasie.
To niewielkie ilości energii z punktu widzenia gospodarstwa domowego czy sieci energetycznej. I właśnie dlatego określenie „podwodna elektrownia” należy traktować przede wszystkim jako efektowny opis eksperymentu. Technologia nie jest obecnie konkurencją dla naziemnych farm fotowoltaicznych.
Jej znaczenie może być zupełnie inne.
Po co komu energia słoneczna pod wodą?
Najbardziej oczywistym zastosowaniem są autonomiczne urządzenia podwodne, które muszą działać przez długi czas z dala od brzegu.
Mogą to być na przykład czujniki monitorujące temperaturę, zasolenie, jakość wody czy poziom zanieczyszczeń. Podwodna fotowoltaika może również zasilać kamery obserwujące środowisko morskie, systemy komunikacyjne czy urządzenia wykorzystywane do monitorowania hodowli ryb i innych organizmów wodnych.
To może być szczególnie istotne w przypadku infrastruktury, do której trudno regularnie dotrzeć.
Zamiast wyciągać urządzenie z wody w celu wymiany baterii, można wykorzystać panel do jej okresowego doładowywania. W takim scenariuszu ogniwo fotowoltaiczne nie musi dostarczać dużej mocy przez cały czas. Wystarczy, że powoli gromadzi energię w akumulatorze, który później zasila czujnik, kamerę albo system komunikacyjny.
Podwodny Internet rzeczy
To prowadzi do jeszcze szerszej koncepcji. Naukowcy wskazują na możliwość stworzenia autonomicznej infrastruktury Internetu rzeczy pod wodą.
Wyobraźmy sobie sieć niewielkich urządzeń rozmieszczonych na obszarze akwenu. Każde z nich może zbierać dane, zapisywać je w pamięci, okresowo komunikować się z innymi urządzeniami i przesyłać informacje na powierzchnię.
Dotychczas jednym z podstawowych ograniczeń takich systemów było zasilanie.
Podwodne panele mogłyby częściowo rozwiązać ten problem. Nie zapewnią oczywiście nieograniczonej energii, ale mogą pozwolić na wielokrotne ładowanie akumulatora i znacznie wydłużyć czas autonomicznej pracy urządzenia.
Drony i roboty podwodne też mogą na tym skorzystać
Technologia może znaleźć zastosowanie również w robotyce.
Autonomiczne pojazdy podwodne, niewielkie drony czy roboty wykorzystywane do obserwacji dna morskiego potrzebują energii do pracy czujników, kamer, komputerów pokładowych i systemów komunikacyjnych.
W przyszłości podwodna fotowoltaika mogłaby być jednym z elementów ich systemu energetycznego. Nie musi sama zasilać napędu. Może za to doładowywać baterie podczas postoju lub powolnego przemieszczania się.
Taki model działania przypominałby bardziej podwodną stację ładowania niż klasyczny panel słoneczny znany z dachu domu.
Naukowcy chcą zejść jeszcze głębiej
Jednym z najważniejszych pytań pozostaje jednak głębokość, na której technologia przestaje mieć sens.
Na 10 metrach światła jest już niewiele, a wraz z kolejnymi metrami jego ilość nadal spada. Dlatego nie można zakładać, że rozwiązanie będzie można po prostu przenieść na głębokość kilkudziesięciu czy kilkuset metrów.
Naukowcy planują kolejne eksperymenty na większych głębokościach. Chcą ustalić granicę, przy której podwodna fotowoltaika nadal będzie w stanie produkować użyteczne ilości energii. Zamierzają również opracować standardowe metody testowania takich ogniw.
Istotna jest także trwałość. Badania przyspieszone wskazują, że ogniwa mogą zachować 80 proc. początkowej wydajności przez około 5,49 roku w warunkach odpowiadających oświetleniu na głębokości 10 metrów. To jednak prognoza wynikająca z testów przyspieszonych, a nie dowód, że każdy panel będzie faktycznie działał przez 5,5 roku w prawdziwym morzu.
Foto: ChaGPT Image/AI.