Solceller fungerer under vand, men uden beskyttelse gror panelerne til. Kan man designe en maling, som lader sollys passere, samtidig med at den holder sig fri for alger og rurer?
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder
(læs originalartiklen her)
Af Søren Kiil, Narayanan Rajagopalan og Claus E. Weinell, The Hempel Foundation Coatings Science and Technology Center (CoaST), DTU Kemiteknik
Undervandsdroner, alt efter typen, opererer i kortere eller længere tid i verdenshavene. Anvendelserne spænder fra udforskning af havbunden (inklusiv geopolitiske formål for eksempel i Arktis), over foranstaltninger mod miner til overvågning og inspektioner. Fremdriftssystemet, sensorer og kameraer er drevet af batterier, som lades op, når dronen lægger sig i overfladen med et eller flere solpaneler vendt mod lyset. Den optiske effektivitet er imidlertid svær at opretholde over en længere periode, fordi alger, bakterier, rurer og tang vokser ind på panelerne. På samme måde er planer om elektrisk udstyr og solcelleparker under vand, det såkaldte Internet of Underwater Things, afhængige af begroningshæmmende foranstaltninger [1].
En fordel ved undervandssolceller er, at de holdes nedkølede ved en stabil temperatur og opnår højere effektivitet end ved en landplacering. Desuden undgår man støv og ekskrementer på panelerne; at optage landbrugs- eller rekreative arealer, og at bygninger eller beplantning skygger for sollyset. Til gengæld er de sværere at komme til, skal kunne holde til stærk havstrøm, og altså være begroningsfri.
Solceller til brug under havoverfladen er en lidt anderledes teknologi end dem på land, fordi man kun udnytter synligt lys, da ultraviolet og infrarød stråling henholdsvis spredes og absorberes af vand. Under meget klare forhold kan solceller fungere ned til 30 meter, men mere normalt vil det være at placere dem 20-50 centimeter under vandoverfladen [2]. Solpaneler kan også placeres på flydende platforme, der følger bølgernes bevægelser, men også her, i ”splash-zonen”, kan begroning være et problem [3]. I 2030 forventes den globale installerede kapacitet af flydende solceller på havet i øvrigt at stige fra de nuværende 4.000 til 30.000 MW [3], og panelerne placeres for eksempel på den (delvis) frie plads mellem havvindmøller, så vind og sol kan få gavn af den samme offshore infrastruktur.
I et projekt finansieret af The Office of Naval Research, under den amerikanske flåde, har vi designet, formuleret og testet en lysgennemtrængelig, selvpolerende antifoulingmaling til undervandssolceller. Indeværende artikel gengiver de vigtigste resultater, mens detaljer kan findes i Rajagopalan og Kiil [4].
Selvpolerende bundmaling
Omkring 90 procent af den kommercielle skibsfart anvender kemisk aktive bundmalinger (antifoulingmalinger), som er komplekse produkter, der består af pigmenter, bindere, fyldstoffer og additiver. Binderfasen er en reaktiv polymer, der i kombination med et eller flere vandopløselige pigmenter får malingen til at polere i havvand, og der etableres et pigmentudludet lag på måske 10 µm som vist i figur 1.
Da opløseligt Cu2O-pigment (biocid) er kraftigt lysabsorberende og det udludede lag og ZnO-partikler spreder sollyset, er malingen heldækkende, så hvordan gør man den gennemtrængelig for sollys? Tabel 1 viser udfordringen.
Meget små partikler af Cu2O (og ZnO) reducerer lysspredning og refleksion, men øger lysabsorptionen. På samme måde vil en lav partikelkoncentration og filmtykkelse være godt for lysgennemtrængeligheden, men umiddelbart være uhensigtsmæssigt for malingens effekt mod begroning og dens levetid. Derudover vil en vis grad af uklarhed i malingen, der skaber en længere transmissionsvej for fotoner, faktisk øge effektiviteten af solcellerne. Spørgsmålet melder sig: Kan egenskaberne balanceres, så man opnår en effektiv solcellemaling?
Nanoteknologi i malingsbøtten
Vores malingsidé udspringer af en mere end 20 år gammel simuleringsartikel, der forudsagde, at det udludede lag af en selvpolerende antifoulingmaling ville forsvinde og poleringshastigheden blive kraftigt forøget, hvis diameteren af Cu2O-pigmentet i malingen blev reduceret til nanostørrelse (figur 2).
Resultatet skyldes, at nanopigmenter, når de opløses, efterlader et meget stort overfladeareal per volumen i det porøse udludede lag, som øger binderens mulighed for at reagere hurtigt med havvandet [5].
Nanopartikler af Cu2O og ZnO (16-18 nm) kan købes på nettet og med et ultralydsapparat dispergeres i malingen. Partiklerne koster (i små mængder) 20 gange så meget som ”almindelig” Cu2O med partikelstørrelser i mikrometerområdet, til gengæld (viste det sig) skal der bruges meget lidt stof (<0,1 vol.%) i malingen. For at booste antibegroningseffekten tilsættes også et transparent organisk biocid. Alle ingredienser er således kommercielt tilgængelige, og vores teknologi består i at kombinere dem på den rette måde.
Virker solcellemalingen mod begroning?
For at vurdere solcellemalingen eksponerede vi den på vores teststation i Hundested Havn (se figur 3). For detaljer om indretningen og mulighederne, se tidligere Dansk Kemi-artikel [6].
I figur 4 ses resultatet af eksponeringstests med malinger, hvor vi har anvendt den ”almindelige” Cu2O og ZnO (partikelstørrelser i mikrometerområdet).
Allerede efter to uger er panelerne i den øverste række begroet, mens det samme er sket efter seks uger i den nederste række. Til sammenligning, vist i figur 5, giver maling med nanopartiklerne bedre resultater. Nederste række viser en maling baseret på et bindermiks af Si-akrylat og harpiks, som sikrer tre måneders begroningsfri maling. Oceangående skibe er normalt malet med malinger, der giver 3-5 års tørdok-interval, så tre måneder kan lyde som kort levetid, men der findes ingen solcellemalinger på markedet, som kan fungere uden regelmæssig mekanisk afrensning af begroning.
Hvordan virker malingen?
På trods af det meget lave indhold (<0,1 vol.%) har nanopartiklerne en vigtig funktion i malingen. Diameteren er så lille, at antallet af partikler bliver tilsvarende højt, og det betyder, at afstanden mellem partiklerne er omkring fire gange mindre end i konventionelle antifoulingmalinger med 10 vol.% Cu2O. Vi forestiller os, at alger og bakterier ”mærker”, at overfladen er tæt besat med kobber, selvom de enkelte partikler næsten er punktformige. Med andre ord opleves overfladen omtrent som en ren Cu2O-overflade, der er yderst virksom mod begroning, fordi pigmentet langsomt opløses og frigiver Cu2+.
Kan de bemalede solceller producere energi?
Virkningsgraden af vores solcellemaling, efter statisk eksponering i vandet ud for Floridas kyst, blev testet af The Office of Naval Research og deres samarbejdspartnere ved Florida Institute of Technology. Figur 6 viser data over en periode på mere end tre måneder, hvor malingen holdt begroning væk og sikrede, at solcellepanelet leverede en effektivitet på 100 procent uden mekanisk afrensning.
I kommerciel henseende forestiller vi os, at den selvrensende maling påføres direkte på solpanelerne, alternativt på transparente, udskiftelige plastsubstrater, der klikkes fast på solpanelet.
Konklusion
Vi er lykkedes med at designe og formulere en undervands-solcellemaling, som sikrer, at effektiviteten af et solcellepanel ikke påvirkes over en periode på tre måneder. Floridas varme havvand er kendt for særdeles udfordrende begroning, og malingen fungerede uden mekanisk afrensning.
DTU’s Tech Transfer Office har patentansøgt opfindelsen og yderligere detaljer om solcellemalingen, kan findes i [4] og i en række udenlandske innovations- og teknikmagasiner, som uopfordret viderebragte nyheden om vores teknologi, da vi publicerede den videnskabelige artikel [7-11].
Støtte og tak
Tak til The Office of Naval Research, US Navy, for støtte til forskningsprojektet (Grant N000142112746).
E-mail:
Søren Kiil: sk@kt.dtu.dk
Referencer
1. Röhr, J., Sartor, B.E., Lipton, J., Taylor, A.D., A dive into underwater solar cells, Nature Photonics, 1 (2023), 747-754.
2. Röhr, J., Sartor, B.E., Lipton, J., Taylor, A.D., Efficiency limits of underwater solar cells, Joule, (2020) 840-849.
3. Wu et al., Discussion on the development of offshore floating photovoltaic plants, emphasizing marine environmental protection, Mini Review, Front. Marine Sci. (2024) 11:1336783.
4. Rajagopalan, N., Kiil, S., Self-sustaining antifouling coating for underwater solar cells, Prog. Org. Coat., 196 (2024) 108754.
5. Kiil, S., Weinell, C.E., Pedersen, M.S., & Dam-Johansen, K., Mathematical modelling of a self-polishing antifouling paint exposed to seawater: a parameter study. Chemical Engineering Research and Design, (2002), 80(1), 45-52.
6. Weinell, C.E., Rasmussen, T., Azizaddini, N., Forskning i bæredygtige begroningshindrende bundmalinger, Dansk Kemi, 103(1), 2022, 6-10.
7. Self-Cleaning Coating Makes UUV Underwater Solar Panels More Efficient, iHLS (Israel’s Homeland Security): https://i-hls.com/archives/125418.
8. These New Solar Cells Stay 100% Powerful Underwater With The U.S. Navy’s Coating Tech, Wonderful Engineering (US): https://wonderfulengineering.com/these-new-solar-cells-stay-100-powerful-underwater-with-the-u-s-navys-coating-tech/.
9. Solar cells stay 100% powerful underwater with US Navy’s new coating tech, Interesting Engineering (US): https://interestingengineering.com/innovation/new-coating-stops-biofouling-of-solar-cells.
10. Deze uitvinding maakt zonnepanelen onder water mogelijk, Bright.nl (The Netherlands): https://www.bright.nl/nieuws/1222138/deze-uitvinding-maakt-zonnepanelen-onder-water-mogelijk.html. 11. Un rivestimento anti-incrostrazioni per le celle solari sottomarine, Rinnovabili (Italy): https://www.rinnovabili.it/energia/fotovoltaico/celle-solari-sottomarine-proteggerle-incrostazioni/.
