Kapitola III: Fotovoltaika v dopravě (ČÁST 2)

Zvyšuje se počet projektů, které se snaží přijít se „zeleným“ přístupem k získávání elektrické energie pro dobíjecí stanice pro elektromobily, které jsou poháněné pouze pomocí solární energie nebudou zatěžovat energeticku síť.
Příkladem může být projekt Mercedes-Benz España SA a španělské společnosti Acciona, který se zabývá volnou mobilitou vozů s elektromotorem v oblasti Madridu. V pilotním projektu Mercedes poskytne k pronájmu 42 aut s elektrickým pohonem zatímco Acciona nainstaluje infrastrukturu pro 121 dobíjecích stanic, které budou dodávat ze 100% z obnovitelných zdrojů energie. Projekt bude trvat 4 roky. Automobily se budou využívat ve společnostech k běžné činnosti. Nabíjecí stanice budou umístěny v prostorách těchto společností, na soukromých adresách lidí, kteří budou používat tyto automobily a na některých strategických bodech s přístupem veřejnosti [29].
Společnost Evergreen Solar nainstaloval novou solární nabíjecí stanici v dopravním uzlu ve Frankfurtu nad Mohanem. Dobíjecí stanice (Obr. 3.13) na solární energii poskytují bezplatné dobíjení baterií pro elektrických vozidel včetně Velotaxis, Segways, elektrické motorky a skútry [30].

Obr. 3.13: Dobíjecí stanice elektrických motorek a skútrů [30].


Rovněž společnost Toyota uveřejnila svou představu o slunečních dobíjecích stanicích, které mají vzniknout v okolí města Toyota (21 stanic na 11 místech; nabíjecí stanice vyprodukuje 1.9kW ze sluneční energie, která je uložena v baterii s kapacitou 8.4 KWh), Envision Solar vyvinula solární park, který může být instalován přímo na parkovištích (Obr. 3.14) atd. [30].

Obr. 3.14: Solární čerpací stanice [30].
Existují rovněž spojení napájecích stanic s nákupními centry jako jsou představy společností Geotectura s tzv. Green Gasoline Station nebo až futuristické představy parkovišť v solární lesy (představa designéra Neville Marse, Obr. 3.15).


Obr. 3.15: Solární napájecí parkoviště [30].


Jako zdroj fotovoltaické energie lze využít také dálnice (Obr. 3.16). Se zajímavým konceptem využití solárních panelů u dálnic jakožto zdrojů energie přišla australská společnost Going Solar. V pilotním projektu spustila program, ve kterém podél australských dálnic podél Tullamarine Calder Interchange nainstalovala 500 m zvukových bariér, ze solárních panelů. Dálnice je umístěna poblíž obytné oblasti, a tak vyprodukovaná elektřina je hned na místě spotřebovávána. Ročně solární články vyrobí asi 18,7 MW energie [31].
 
Obr. 3.16: Solární dálnice [31].

Od dálnic není daleko k dopravnímu značení. Zde se solární panely uplatňují v systémech malých instalací dobíjejících baterie pro dopravní značky zvyšující bezpečnost chodců (Obr. 3.17).
 
Obr. 3.17: Typ FV panelu: SOLARTEC SI 72-106 [32].

3.2.2    Letecká doprava
Počátky letadel poháněných pomocí solární energie sahají až do sedmdesátých let dvacátého století. Nejdříve se zkoušely malé lehké modely. První let letadla poháněného sluncem se konal 4.11.1974, kdy se vznesl dálkově ovládaný Sunrise II, navržený Robertem J. Boucherem, který vzlétnul po spuštění z katapultu. Dalším z průkopníků solárních letadel byl Paul B. MacCready, ze společnosti AeroVironment, který v roce 1980 sestavil letadlo, jemuž dal název Gossamer Pinguin (Obr. 3.18). Letadlo mělo rozpětí křídel 21,6 metrů a váhu bez pilota 68 kg [33].

javascript:void(0)

Obr. 3.18: Gossamer Pinguin a Solar Challenger [33, 34].

Letadlo poháněl elektrický motor, který byl napájen 541 watty ze solárních panelů skládajících se z 3 920 křemíkových solárních článků [33]. Prvním pilotem se kvůli své nízké hmotnosti stal konstruktérův třináctiletý syn Marshall, který vážil 36 kg. Prvním oficiálním pilotem byla Jenice Brownová, která řídila 7. srpna 1980 letadlo Gossamer Pinguin II poháněné pouze solární energií bez přídavných baterií. Let trval 14 minut a 21 sekund a letadlo uletělo zhruba 3 km.  Následující projekt Solar Challenger, kde již byly solární články osazené v plášti křídla se uskutečnil 7. července 1981. Pilotovaný letoun přeletěl kanál z Francie do Anglie za 5 hodin a 23 minut, což se považuje za začátek létání s pohonem na solární energii [33].
Navazující projekty byly již zaměřeny na bezpilotní letadla pro lety ve vysokých výškách Pathfinder, Pathfinder plus, Hélios, Centurion, Zephyr® (Obr. 3.19). Většinu získané energie z fotovoltaických článků musí letadla ukládat do baterií, tak aby mohla využívat tento výkon pro noční lety ve vysokých výškách (nad 18 300 metrů). Letadla byla navrhována tak, aby  mohla plnit různé mise jako jsou měření, sledování silných bouří, monitoring pro zemědělství, analýza signálů pro telekomunikaci. Technické parametry těchto solárních letadel jsou specifikovány v Tab. 3.2. Tyto projekty povedou k uskutečnění dlouhotrvajících bezpilotních letů. První plánované mise se očekávají v období let 2010 až 2015 [33,35].

        Pathfinder                                                       Centurion

        

Helios                                                      Zephyr®
Obr. 3.19: Bezpilotní letadla [33,35].

Tabulka č. 3.2: Parametry solárních letadel [33,35]:

 

Rozpětí křídel

(m)

Délka

(m)

Váha

(kg)

Rychlost letu

(km/h)

Výstupní max. výkon

(W)

Výkon motoru

(kW)

Gossamer Pinguin

21,641

 

30,8

 

541

 

Solar Challenger

14.8

9.22

152.8

40- 54

2 700

1 x 2.7

Pathfinder

29.5

3.6

252

27- 32

7 500

6 x 1.25

Pathfinder-Plus

36.3

3.6

315

27- 32

12 500

8 x 1.5

Centurion

61.8

3.6

862

27- 33

31 000

14 x 2.2

Zephyr®

18

 

30

 

 

 

 
Společnost Aurora, spolu s partnery BAE Systems, CS Draper Laboratory, a Sierra Nevada Corporation byla nedávno vybraná na výzkum bezpilotního letadla pro Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), v rámci programu "Vulture". Cílem projektu je vyvinout bezpilotní letadlo pro lety ve vysoké výšce tak, aby letoun vydržel ve vzduchu po dobu 5 let bez nutnosti přistání. Může vykonávat následující úkoly: zpravodajství, sledování, průzkum (ISR) a komunikace v rámci vojenských misí nad oblastí zájmu. Ve skutečnosti bude letadlo mít pseudo-satelitní schopnosti, globální změny klimatu výzkum, sledování počasí a telekomunikací v regionálním měřítku. V rámci projektu se snaží vyvinout takový integrovaný systém, který dovolí použití solárních článků nejen ve dne, ale také jejich využití infračerveného záření v noci. Pro zdroj energie pro měřící a sledovací systémy se zkoušejí lithiové mikrobaterie z tenkých filmů. Při zkouškách vykazují vyšší výkon a životnost než běžně užívané baterie. Tento projekt je nyní do své druhé fázi, která zahrnuje snížení rizik bezpilotního letu a testování má vyvrcholit v polovině roku 2012 (s tříměsíčním nepřetržitým letem) [36].

 
Obr. 3.20: Vzhled budoucího letadla projekt Odyseus pro dlouhotrvající lety a), b) letadlo vyvinuté v rámci programu The SunLight Eagle [36,37].

 
Společnost Aurora také vyvinulo v rámci programu The SunLight Eagle letadlo pro létání ve vysokých výškách (Obr. 3.20), které má nízkou hmotnost a je určeno pro dlouhodobé mise. Projekt, jehož realizace začala v roce 2008, si slibuje využití stroje pro možnosti komunikace nebo jeho využití jako levného satelitu [37].
Nejslavnějším pilotovaným solárním letadlem současnosti je Solar Impulse (Obr. 3.21) z roku 2003 a je pod patronátem Evropské komise za technické podpory, Evropské kosmické agentury a švýcarského technologického institutu ETH. Za projektem stojí Bernard Piccard, jenž je proslulý svým obletem zeměkoule bez zastávky v balonu v roce 1999 a konstruktér André Borschberg. Projekt Solar Impulse má ukázat, čeho lze již dnes dosáhnout pomocí nových technologií pro použití bezemisních energií, bez minimálního zatížení přírodních zdrojů. Cílem projektu je v roce 2010 obletět svět za 20 dní [38].
Letadlo je projektováno tak, aby bylo schopno nejen letět během dne pouze s pohonem na solární energii, ale také v noci. Křídla jsou dlouhá sedmdesát metrů a na povrchu jsou opláštěny solárními články. Pravděpodobná rychlost letadla dosáne 70 km/h. Použitých 10 748 solárních článků  z monokrystalického křemíku je silných 130 mikrometrů. S touto tloušťkou vybírány právě pro svoji lehkost a výkonnost. K zajištění nočního letu budou použity akumulátory, které tvoří ¼ celkové váhy letadla. Letadlo bude rovněž zajišťovat stálou teplotu v kabině a to i přesto, že letoun bude schopen vystoupat až do výšky 12 000 metrů [38,39].
Obr. 3.21: První vzlet letadla Solar Impuls [38,39].
 
Letoun má již za sebou první zkušební let, který byl realizován dne 7.4.2010 vzletem z letiště Payerne. Vzneslo se do výšky 1 200 metrů a bylo ve vzduchu 87 minut. Během letu se testovaly reakce letounu na různé letecké manévry tak, aby se ověřila ovladatelnost letounu dle počítačových simulací [38].
Za dalším projektem Sunseeker stojí letecký konstruktér Eric Raymond, který představil svůj lehký solární letoun Sunseeker I již v roce 1990 (Obr. 3.22). Několikrát s ním přeletěl celé území USA. Nyní se opět objevuje na scéně s notně vylepšenou verzí Sunseeker II. Maximálních rychlost letounu dosahuje 130 km/h. [40].
+

Obr. 3.22:Solární letoun Sunseeker I [40].

Z projektem vzdálené budoucnosti přichází dvojice španělských nadšenců sdružených ve společnosti Turtle Airships. Snaží se přivést na svět vizi transatlantické solární vzducholodě a nyní připravují funkční prototyp, který by chtěli ukazovat případným investorům (Obr. 3.23) [41].

Obr. 3.23:Vize transatlantické solární vzducholodě [41, 42].

Vnější plášť vzducholodí má být pokryt solárními články, tenkovrstvými panely na bázi kadmium-indium-germanium, a to právě pro lehkost těchto prvků. Tenkovrstvé solární panely by měly dodat až 45 kW výkonu, čímž by zajišťovaly rychlost 65 km/h při normálních podmínkách. Zároveň chtějí do svých vzducholodí namontovat alespoň jeden, lépe však dva dieselové agregáty. Důvodem je skutečnost, že vzducholodě budou létat relativně nízko a byly by tak závislé na počasí.

Agentura americká DARPA se také zajímá o možnost využití automatických stratosférických vzducholodí. Měly by v obranném systému USA zastoupit především sledovací družice, které se vznášejí buď příliš vysoko, nebo nad místem prolétají až příliš rychle. Tyto plavidla v konceptu HAA (high-altitude airship) by měla operovat ve výšce 18 km až jeden měsíc a sledovat při tom plochu o průměru 970 kilometrů [42].

3.2.3    Železniční doprava
Se solární energií se lze také překvapivě setkat v železniční dopravě. Přes pozitivní enviromentální a ekonomické výhody se fotovoltaické technologie dosud neaplikovaly na železničních vagónech. Projekt PVTrain prokázal použitelnost fotovoltaické technologie ve vlacích [1].
V Itálii společnost Trenitalia instalovala solární panely z amorfního křemíku ve formě dlaždic do střechy vagónu pěti osobních vozů a na dvou lokomotivách a třech nákladních vagónech, které byly zapouzdřeny v polymeru a položeny na ocelový plech (Obr. 3.24). Solární panely sloužily k dobíjení akumulátorů a pomocných zařízení v průběhu cesty aniž by byly závislé na hlavním elektrickém systému. Energie vyrobená fotovoltaickými panely mohou v osobních vagónech a lokomotivách dobíjet akumulátory pro osvětlení a klimatizaci. U nákladních vozů slouží akumulátory jako napájecí zdroj pro zámky na ochranu přepravovaného zboží [1].
 

Obr. 3.24: Fotovoltaika na střechách vagónů [1].

Obdobně jako u protihlukových stěn u dálnic, které by měly pokrývat solární panely, se také uvažuje o zakrytí železnic v subtropických oblastech solárními panely (Obr. 3.25). Ty by přispívaly energií do trolejového vedení. S tímto projektem solárního vysokorychlostního vlaku z Tucsonu do Phoenixu přišla společnost Solar Bullet. Maximální rychlost vlaku by měla být 355 km/h a vzdálenost necelých 190 km mezi zmíněnými dvěma městy by měl urazit během půl hodiny. Celkový výkon panelů by byl 110 MW. Odhadované náklady na vybudování tak odvážného projektu jsou 27 mld. Dolarů [43].

Obr. 3.25: Zastřešená rychlodráha [43].

3.2.4    Lodní doprava
V lodní dopravě se fotovoltaika objevuje spíše jako doplňkový zdroj energie pro různé pomocné systémy nebo pro hybridní pohony. Čistě solárním pohonem je napájen solární katamarán Sun21 (Obr. 3.26), kterého pohánějí dva elektromotory s výkonem 8 kW. O dodávky elektřiny se starají 520 Ah a 48 V baterie, jejichž životnost dosahuje 12-ti hodin bez přísunu energie z fotovoltaických panelů. Loď je 14 m dlouhá a 6,6 m široká. Fotovoltaické panely jsou zavěšeny mezi trupy. Pokrývají plochu 65 m2 a jejich výkon představuje 2 x 5 kW. Loď má maximální rychlost sedm uzlů, přičemž běžná cestovní rychlost je 5 - 6 uzlů (10-12 km/h). Tato rychlost je srovnatelná s průměrnou rychlostí plachetnic. Tento katamarán má na svém kontě první přeplavání Atlantiku solární lodí [44].

Obr. 3.26: Katamarán [44].

V současnosti snad nejznámější projekt je katamarán PlanetSolar (Obr. 3.27), který je poháněn pouze sluneční energií. Solární energie je získávána z  fotovoltaických panelů položených na 536 m2 povrchu lodě, s maximálním výkonem 93,5 kW a účinností solárních panelů z krystalického křemíku 18,8 %. Délka lodi je  31 m, šířka 15 m a výška 6,1 m. Průměrná rychlost katamaránu je 14 km/h a maximální 25 km/h. Cílem plavby je jako v případě projektu Solar Planet zpopularizovat možnosti alternativních zdrojů. V roce 2011 se má vydat na cestu kolem svět a překonat více než 50 000 km [45].

Obr. 3.27: Katamarán Solar Planet [45].

Fotovoltaika se velmi osvědčila při použití napájení navigačních systémů u sportovních plachetnic (Obr. 2.28). Příkladem může být solární panel z monokrystalického křemíku s výkonem 50 W vyvinutý pro jachtu Davida Křížka, ten se zúčastnil extrémního celosvětového závodu přes Atlantik - TRANSAT 6.50, kde se umístil na 3. místě [46].

Obr. 3.28: Sportovní plachetnice Davida Křížka [46].
Tento panel musel splňovat několik specifických vlastností: být co nejlehčí, mít dostatečně vysoký výkon a současně odolávat extrémním podmínkám na moři (odolnost vůči slané vodě, mechanickému namáhání panelu při bouřích).
 

3.3    Navigační systémy v dopravě
Pro potřeby technického zabezpečení pravidelné dopravy a to především námořní a letecké, bylo nezbytné vyvinout vhodné navigační metody, umožňující vést dopravní prostředky po předem určených trasách. Fotovoltaika se uplatňuje u systémů využívajících satelity.
V současnosti jsou realizovány 3 projekty využívající satelitní systém GNSS (Global navigation satellite system). Projekt NAVSTAR – GPS, oficiálně zahájen 17. prosince 1973 v USA, GLONASS (Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistema), který začal budovat tehdejší Sovětský svaz v osmdesátých letech a zatím posledním je připravovaný projekt Evropské unie s názvem Galileo, jeho realizaci bylo rozhodnuto na přelomu roku 2000 a 2001. Zatímco první dva systémy vychází z vojenských systémů, projekt Galileo je čistě civilní [47].
Jak již bylo výše zmíněno navigace hraje důležitou roli v dopravě. Součástí dnes běžně používaného systému GPS navigace jsou tři části [47]:
1. Vesmírná: skládající se ze satelitů. Projekt GPS: 24 satelitů putujících kolem Země ve výšce 10 900 námořních mil (20 200km) nad povrchem. Na 6-ti orbitálních drahách se pohybují 4 satelity, které obletí Zemi v průběhu 12 hodin. Semisynchronní oběžná dráha;  projekt GLONASS (Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistema) satelity mají nižší oběžnou dráhu 19 100 km po kruhových oběžných dráhách se sklonem 64,8° a s oběžnou dobou 11 hod.; 30 družicemi rozmístěnými na třech oběžných rovinách na střední oběžné dráze cca 23 616 km. Oběžná doba družic bude tři dny. Sklon oběžných drah bude 56°, což spolu s oběžnou výškou zajistí dobré pokrytí signálu i v severních oblastech Evropy.
2. Kontrolní: Většinou bezobslužné monitorovací stanice umístěné po celém světě, sledující a monitorující satelity (obzvláště funkčnost, přesný čas a polohu).
3. Uživatelská: Přijímač signálu GPS vyhodnocující časový signál z několika satelitů současně, využívající triangulace (Triangulating) a umožňující určit velmi přesnou pozici zařízení [47,48].

Obr. 3.29: Princip navigačních satelitních systémů [48].

Solární články pro orbitální mise prošly velkým vývojem. Od prvních solárních článků na bázi křemíku použitých na sondě Vanguard 1 v roce 1958 s účinností 11% (Obr. 3.30) [5].
První články byly založeny na p-typovém monokrystalickém křemíku. Následně se přešlo na n-typový křemík a na jiné antireflexní vrstvy. Od krystalického křemíku se ustoupilo a pro zvýšení účinnosti se začaly používat multi-přechodové články na bázi GaInP/GaAs s účinností nad 22%. Nyní se používají solární články složené ze čtyř vrstev s účinností okolo 40 % [5].
Plocha solárních panelů musí obecně splňovat přísná kritéria. Panely musí vykazovat extremně vysokou spolehlivost v nehostinných podmínkách okolního vesmíru. Design musí být takový, aby panely vykazovaly odolnost hlavně vůči vesmírnému prachu a UV radiaci. Tok nabitých částic je zvláště škodlivý na orbitě při průchodu přes van Alenovy pásy elektronů a fotonů zachycovanými elektromagnetickým polem Země. Pokud by byly satelity na nízké orbitě, jsou nebezpečně ovlivňovány zbytkovou atmosférou. Ionizovaná plazma na povrchu způsobuje snížení výkonu, což může vést k poruchám a přítomnost atomů kyslíku způsobuje rozrušení exponovaného povrchu a může sondu brzdit. Vysoký poměr výkonu k váze je základním kritériem solárních panelů, protože každý kilogram váhy vyneseny na orbit je extrémně drahý a rovněž výroba takových panelů je velmi drahá [5].

Obr. 3.30:Sonda Vanguard 1, satelit pro systém GPS [49,50].

 

There are currently no posts in this category.