Auf dem Meer schwimmende Photovoltaikkraftwerke. Sind wir in Zukunft auf die Nahrungsaufnahme aus dem Meer angewiesen?

Können Solarmodule nur auf dem Festland verlegt werden? NEIN! Sie können auch auf der Meeresoberfläche verlegt werden. Vor Kurzem wurde in Lianyungang (Jiangsu) offiziell mit dem Bau des größten Offshore-Photovoltaikprojekts meines Landes begonnen: dem 2-Millionen-Kilowatt-Photovoltaik-Demonstrationsprojekt Tianwan der China National Nuclear Corporation. Nach der vollständigen Fertigstellung des Projekts wird es mit dem Kernkraftwerk Tianwan der China National Nuclear Corporation gekoppelt, um eine groß angelegte Basis für saubere Energie mit einer installierten Gesamtleistung von mehr als 10 Millionen Kilowatt zu bilden, die den Kohlendioxidausstoß jährlich um 1,77 Millionen Tonnen reduzieren kann.

Das ist unglaublich; Denken Sie nur daran, wie groß der Ozean ist. Wenn wir dieser Idee folgen und mehr Solarmodule auf der Meeresoberfläche platzieren, kann das Energieproblem erheblich gemildert werden. Sie sehen also, dass es sich bei dem oben erwähnten Projekt lediglich um ein „Demonstrationsprojekt“ handelt. Das heißt, es handelt sich hierbei um das derzeit größte Offshore-Photovoltaikkraftwerk in meinem Land, es ist lediglich ein Modell. Die Prüfung ist abgeschlossen und der nächste Schritt besteht darin, die Replikation einzuführen. In der Offshore-Photovoltaik ist noch viel Raum für Fantasie.

Welche konkreten Vorteile bietet die Errichtung von Photovoltaik-Kraftwerken auf See? Welche Herausforderungen werden uns begegnen? Wie sollten wir reagieren? Lassen Sie uns dies im Folgenden kurz besprechen.

Lassen Sie uns zunächst über die Vorteile der Offshore-Photovoltaik sprechen, die sich wie folgt auf vier zusammenfassen lassen: Erstens können Offshore-Photovoltaikkraftwerke die Landressourcen an Land erheblich einsparen, was einer ihrer bedeutendsten Vorteile ist. Derzeit sind die Landressourcen in vielen Ländern und Regionen knapp, insbesondere in Städten und industriell entwickelten Gebieten. Der Bau großer Photovoltaikkraftwerke ist häufig mit dem Problem der Flächenknappheit verbunden. Durch die Verlagerung von Photovoltaik-Kraftwerken ans Meer können nicht nur Flächenkonkurrenzen mit der Landwirtschaft, der Stadtbebauung und anderen Bereichen vermieden, sondern auch mehr Platz für andere wichtige Nutzungen an Land freigemacht werden. So können beispielsweise landwirtschaftliche Flächen weiterhin für die Nahrungsmittelproduktion genutzt werden und städtische Flächen können zu Wohn- und Gewerbegebieten ausgebaut werden, wodurch die Nutzung der Landressourcen optimiert wird.

Zweitens können Offshore-Photovoltaikkraftwerke Landnutzungskonflikte wirksam vermeiden. Der Bau landgestützter Photovoltaikkraftwerke erfordert häufig die Installation von Photovoltaikmodulen auf großen Landflächen, was zu Konflikten mit Industriezweigen wie der Landwirtschaft, Viehzucht und Forstwirtschaft führen und sogar zu Schäden am Ökosystem führen kann. Bei Offshore-Photovoltaikkraftwerken treten diese Probleme überhaupt nicht auf. Sie schwimmen auf dem Meer, besetzen kein Land und beeinträchtigen nicht die ursprüngliche Nutzung des Landes. Daher können Offshore-Photovoltaikkraftwerke große Mengen sauberer Energie liefern, ohne die bestehende Ökologie und die Wirtschaftstätigkeit zu beeinträchtigen, und so tatsächlich eine grüne und nachhaltige Entwicklung erreichen.

Drittens tragen die einzigartigen Umweltbedingungen von Offshore-Photovoltaikkraftwerken dazu bei, die Stromerzeugungseffizienz von Photovoltaikmodulen zu verbessern. Erstens kann die hohe Reflektivität der Meeresoberfläche die Menge an Sonnenlicht erhöhen, die von Photovoltaikmodulen empfangen wird, und so die Effizienz der Stromerzeugung verbessern. Zweitens ist die Umgebungstemperatur des Ozeans relativ stabil und die Wasseroberfläche kann einen natürlichen Kühleffekt für Photovoltaikmodule bieten, wodurch die negativen Auswirkungen hoher Temperaturen auf die Leistung der Photovoltaikmodule vermieden werden. Hohe Temperaturen verringern die photoelektrische Umwandlungseffizienz von Photovoltaikmodulen. Auf See werden Photovoltaikmodule durch die kühlende Wirkung der Meeresbrise und des Wassers beeinflusst und die Temperatur ist relativ niedrig, wodurch eine höhere Effizienz bei der Stromerzeugung gewährleistet wird. Darüber hinaus ist die Luft auf See frischer und enthält weniger Staub und Schadstoffe. Außerdem ist die Oberfläche der Photovoltaikmodule sauberer und kann die Sonnenenergie effizienter absorbieren.

Viertens sind Offshore-Photovoltaikkraftwerke deutlich umweltfreundlicher. Im Vergleich zu Photovoltaikkraftwerken an Land haben Offshore-Photovoltaikkraftwerke geringere Auswirkungen auf die ökologische Umwelt. Sie besetzen keine ökologisch sensiblen Landflächen, etwa wichtige Ökosysteme wie Wälder, Feuchtgebiete und Grasland, und können Schäden an Tier- und Pflanzenlebensräumen wirksam vermeiden. Darüber hinaus können Offshore-Photovoltaikkraftwerke durch eine sinnvolle Anordnung und wissenschaftliche Konzeption die Auswirkungen auf das Meeresleben und die Ökosysteme minimieren. Einige Entwürfe berücksichtigen sogar den Lebensraum der Meereslebewesen und verwenden umweltfreundliche Materialien und Strukturen, um ein harmonisches Zusammenleben der Photovoltaik-Kraftwerke mit der sie umgebenden ökologischen Umwelt zu ermöglichen und so eine wirklich harmonische Entwicklung zwischen Mensch und Natur zu erreichen.

Aus den oben genannten Vorteilen können wir ersehen, dass Offshore-Photovoltaikkraftwerke tatsächlich eine der wichtigsten Richtungen für die Entwicklung sauberer Energie in der Zukunft darstellen, da sie neue Lösungen für die globale Energiewende und den Umweltschutz bieten. Allerdings ist diese Lösung auch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Natürlich hat der Aufenthalt auf See viele Vorteile, aber auch viele Nachteile. Sie sind: In der Meeresumwelt ist die hohe Salzkonzentration eine der größten Herausforderungen für Photovoltaikkraftwerke.

Das Salz im Meerwasser und die Meeresbrise bilden Salznebel, der an der Oberfläche der Photovoltaikanlage haftet und ernsthafte Korrosionsprobleme verursacht. Wenn Metallteile wie Halterungen, Anschlusskästen und Kabel längere Zeit Salznebel ausgesetzt sind, kommt es zu Oxidationsreaktionen, die zu einer verringerten Materialfestigkeit, strukturellen Schäden und sogar elektrischen Kurzschlüssen führen können. Diese Korrosion verkürzt nicht nur die Lebensdauer Ihrer Geräte, sondern erhöht auch die Wartungs- und Austauschkosten. Untersuchungen zufolge hat Salznebel eine besonders starke Auswirkung auf elektronische Komponenten, da dies zu schlechtem Kontakt und einer Verschlechterung der elektrischen Leistung führen kann.

Zum anderen stellt die hohe Luftfeuchtigkeit im Meeresraum auch erhebliche Herausforderungen an den Betrieb von Photovoltaik-Kraftwerken dar. Bei hoher Luftfeuchtigkeit kann der Wasserdampf in der Luft leicht zu Wassertropfen im Inneren der Geräte und elektrischen Anschlüsse kondensieren, wodurch Kondenswasser entsteht. Diese Kondensation kann zu einer Verschlechterung der elektrischen Isolierung führen und das Risiko von Stromlecks und Kurzschlüssen erhöhen. Darüber hinaus führt eine über längere Zeit feuchte Umgebung dazu, dass die Verpackungsmaterialien in Photovoltaikmodulen altern und sich ablösen, was sich auf die Effizienz der photoelektrischen Umwandlung und die allgemeine Zuverlässigkeit der Photovoltaikmodule auswirkt. Insbesondere in Umgebungen mit großen Temperaturunterschieden verschlimmern Kondensations- und Verdunstungszyklen, die durch den Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht verursacht werden, die Alterung und Beschädigung der Geräte.

Obwohl die Temperatur an der Meeresoberfläche im Vergleich zum Festland relativ stabil ist, stehen Offshore-Photovoltaikkraftwerke bei starker Sonneneinstrahlung immer noch vor der Herausforderung, hohe Temperaturen zu erzeugen. Die elektrische Leistung von Photovoltaikmodulen nimmt in Umgebungen mit hohen Temperaturen erheblich ab, was sich hauptsächlich in einer verringerten Ausgangsleistung und einem geringeren Wirkungsgrad äußert. Gemäß dem Temperaturkoeffizienten von Photovoltaikmodulen verringert sich die Effizienz von Photovoltaikmodulen bei jedem Temperaturanstieg um 1 Grad Celsius um 0,4 bis 0,5 Prozent. Darüber hinaus beschleunigen hohe Temperaturen die Alterung von Photovoltaikmaterialien, beispielsweise durch thermische Oxidation der Backplane-Materialien und thermisches Versagen der Verpackungsmaterialien, was zu einer verkürzten Lebensdauer der Geräte führt. Dies stellt den langfristigen Betrieb und die Wirtschaftlichkeit von Offshore-Photovoltaikkraftwerken auf eine harte Probe.

Neben den oben genannten Faktoren stellen auch die dynamischen Eigenschaften der Meeresumwelt eine der Herausforderungen dar, denen sich Photovoltaikkraftwerke stellen müssen. Veränderungen des Windes und der Wellen auf der Meeresoberfläche führen dazu, dass die mechanische Struktur der Photovoltaikanlage zusätzlichen dynamischen Belastungen ausgesetzt ist. Insbesondere bei stürmischem und welligem Wetter müssen Photovoltaikmodule und -halterungen über ausreichende Festigkeit und Robustheit verfügen, um den Stößen und Schwüngen von Wind und Wellen standzuhalten. Darüber hinaus beeinträchtigen die steigenden und fallenden Gezeiten des Meeres die Stabilität des schwimmenden Systems des Photovoltaikkraftwerks.

Um die oben genannten Herausforderungen zu meistern, müssen wir daher große Anstrengungen in die Materialauswahl, Forschung und Entwicklung, Strukturgestaltung, Systemgestaltung und Schutzgestaltung stecken. Angesichts des Korrosionsproblems in der salzhaltigen Meeresumwelt müssen wir einige spezielle korrosionsbeständige Materialien verwenden und den Schutz durch Korrosionsschutzbeschichtungen und eloxierte Materialien verstärken. Wenn wir in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit mit Problemen hinsichtlich Wasser- und Feuchtigkeitsbeständigkeit konfrontiert werden, müssen wir in den folgenden Bereichen ausreichend Vorbereitungen treffen: Abdichtung, Feuchtigkeitsbeständigkeit und Entfeuchtung. In wichtigen Teilen wie Photovoltaikmodulen und elektrischen Anschlusskästen werden hocheffiziente Dichtungsmaterialien wie Silikondichtringe und Butylkautschuk verwendet, um das Eindringen von Wasserdampf in das Innere der Geräte zu verhindern. Insbesondere an Kabelverbindungen und Anschlüssen muss auf eine vollständige Abdichtung geachtet werden, um Kondenswasserbildung und Kurzschlüsse zu vermeiden.

Photovoltaikmodule werden in feuchtigkeitsdichten Verpackungen unter Verwendung hochwertiger Verpackungsmaterialien wie Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) verpackt, die über hervorragende feuchtigkeitsdichte Eigenschaften verfügen und Feuchtigkeit wirksam blockieren können. Installieren Sie Entfeuchtungsgeräte wie Heizungen oder Luftentfeuchter in Schaltschränken und Kontrollräumen, um die Innenumgebung trocken zu halten und Kondensation zu verhindern.

Als nächstes müssen wir bei Umgebungen mit hohen Temperaturen bessere Materialien für das Wärmemanagement kombinieren, um ein effizienteres Kühlsystem zu entwickeln, das Luft- und Wasserkühlung nutzt, um die Wärme aus dem Inneren des Geräts in die Außenumgebung zu übertragen und so die Effizienz der Wärmeableitung zu verbessern. Um den Herausforderungen der dynamischen Meeresumwelt gerecht zu werden, müssen Offshore-Photovoltaikkraftwerke über ein hohes Maß an mechanischer Stabilität und Anpassungsfähigkeit verfügen.

Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems sind folgende Struktursysteme:

Das Schwimmsystem kann Auftrieb und Stabilität gleichmäßig verteilen und die Widerstandsfähigkeit gegen Wind und Wellen verbessern. Gleichzeitig muss die schwimmende Plattform über eine gewisse Flexibilität verfügen, um sich an die Höhen und Tiefen der Wellen anzupassen.

Flexible Verankerungssysteme wie elastische Ankerketten und adaptive Verankerungstechnik sorgen dafür, dass das Photovoltaikkraftwerk bei Gezeitenwechseln sowie Wind- und Welleneinwirkungen stabil bleibt. Das Verankerungssystem muss entsprechend den geologischen Bedingungen des Meeresbodens optimal ausgelegt sein, um eine ausreichende Befestigungskraft bereitzustellen.

Wind- und wellenresistente Konstruktionen, wie beispielsweise eine erhöhte Steifigkeit der Halterung und der Einsatz von Vorrichtungen zur Schwingungsdämpfung, sorgen dafür, dass die Photovoltaikmodule auch bei starkem Wind und hohem Wellengang stabil bleiben.

Kurz gesagt: Es gibt viele Herausforderungen. Aber wenn Sie Ingenieur sind, sind Sie im Moment wahrscheinlich extrem aufgeregt. Wo es Herausforderungen gibt, gibt es auch Chancen, und wo es Chancen gibt, kann die Zukunft gestaltet werden. Je größer die Bühne, desto mehr Platz haben wir für unseren Auftritt! Apropos Entwicklungsspielraum: Der zukünftige Entwicklungsraum für die Stromerzeugung durch Photovoltaik erstreckt sich tatsächlich über weit mehr als nur die Meeresoberfläche. Es kommt auch auf Dächern, Wänden, Ackerland, Wüsten und sogar Gleisen vor!

Über dem Ackerland werden Photovoltaikmodule installiert. Höhe und Abstand der Module werden so angepasst, dass die Pflanzen ausreichend Licht erhalten. Gleichzeitig können Photovoltaikmodule die direkte Sonneneinstrahlung reduzieren, die Oberflächentemperatur und Verdunstung senken und so zu einer Steigerung von Ernteertrag und -qualität beitragen.

Über der Weide werden Photovoltaikmodule installiert, um die Weide mit Strom zu versorgen und dem Vieh Schatten und Schutz zu bieten. Photovoltaikmodule können die Grasverdunstung verringern, den Grasertrag steigern und die Nachhaltigkeit von Weiden verbessern. Beim Bau von Photovoltaikkraftwerken in der Wüste können ökologische Wiederherstellungstechnologien kombiniert werden, um die Wüstenumgebung zu verbessern und durch die Wiederherstellung der Vegetation und das Management der Wasserressourcen eine weitere Ausbreitung der Wüstenbildung zu verhindern. Mit diesem Modell lässt sich nicht nur die Nutzung erneuerbarer Energien realisieren, sondern auch der Umweltschutz fördern. Diese wurden alle einzeln überprüft. Weltraumgestützte Photovoltaikkraftwerke, ein Konzept, das es bisher nur in der Science-Fiction gab, werden nun Realität.

Installieren Sie große Photovoltaikanlagen in der Erdumlaufbahn, um mithilfe der hochintensiven Sonnenstrahlung im Weltraum Strom zu erzeugen. Da es keine Behinderung durch die Atmosphäre und keine Einschränkung des Tag- und Nachtwechsels gibt, können Weltraum-Photovoltaikkraftwerke 24 Stunden am Tag Sonnenenergie empfangen und ihre Stromerzeugungseffizienz ist wesentlich höher als die von Boden-Photovoltaiksystemen.

Der von der Weltraum-Photovoltaikanlage erzeugte Strom wird über Mikrowellen oder Laser an die Empfangsstation auf der Erde übertragen und dann in Strom für den menschlichen Gebrauch umgewandelt. Durchbrüche in der Technologie der drahtlosen Energieübertragung sind der Schlüssel zur Realisierung der Weltraumphotovoltaik und müssen zur Lösung der Probleme der Effizienz und Sicherheit der Energieübertragung herangezogen werden. Und dieses Schlüsseltechnologieproblem scheint gelöst zu werden.

Im vergangenen Juni demonstrierte das von Caltech entwickelte Microwave Array for Power Transfer Low Orbit Experiment (MAPLE) erfolgreich die drahtlose Übertragung elektrischer Energie aus dem Weltraum zur Erde. Mithilfe von Empfängern am Boden erhielten die Forscher die Bestätigung, dass MAPLE erfolgreich Energie an einen bodenmontierten Empfänger im Weltraum übertragen kann.

Die Testergebnisse zeigten, dass das Signal zur erwarteten Zeit und Frequenz auftrat und von einem Empfänger auf dem Dach des Gordon and Betty Moore Engineering Laboratory auf dem Campus des Caltech in Pasadena empfangen wurde. Nachdem das Empfänger-Array die Energie empfangen hatte, wandelten sie diese in Gleichstrom um und ließen ein Paar LEDs aufleuchten, um die komplette Abfolge der drahtlosen Energieübertragung über große Entfernungen im Weltraum zu demonstrieren. MAPLE hat diesen Test im Weltraum bestanden, indem es jede LED einzeln erfolgreich aufleuchten ließ und zwischen ihnen hin- und herschaltete.

Daher kommen wir der Möglichkeit immer näher, Solarstromanlagen in den Weltraum zu schicken, Sonnenlicht zur Erzeugung von Photovoltaikstrom im Weltraum zu nutzen, die elektrische Energie in Mikrowellen umzuwandeln, diese zur Erde zu übertragen und die Mikrowellen, nachdem sie von auf der Erde installierten Empfängern empfangen wurden, in elektrische Energie umzuwandeln. Auf diese Weise wird die Erzeugung von Photovoltaikstrom und die drahtlose Stromübertragung im Weltraum möglich – ein eher Science-Fiction-Konzept.

Natürlich beginnen tausend Meilen mit einem einzigen Schritt. Die Zukunft der Stromerzeugung durch Photovoltaik bietet unendliche Vorstellungskraft. Wir müssen weiterhin bodenständig bleiben und jeden Schritt gut machen!

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird

Autor: Gan Shudong, populärwissenschaftlicher Autor

Gutachter: Zuo Yuhua, Forscher, Institut für Halbleiter, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.