Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde onderwijs in het voortgezet onderwijs.
’s Werelds grootste schip op zonne-energie
Bron: Technisch Weekblad
Datum: 19-03 2010
Onderzoekers presenteerden onlangs in het Duitse Kiel de grootste boot ter wereld die zonne-energie gebruikt om te varen. Het schip heet de PlanetSolar.
Knierim Yachbau werkte dertien maanden lang aan de grootste boot ter wereld. De PlanetSolar wordt volledig aangedreven door zonne-energie. Deze catamaran is 31 meter lang, 15 meter breed, 7,5 meter hoog en heeft een massa van slechts 60 ton. De PlanetSolar heeft fotovoltaïsche zonnecellen, die een oppervlak van 470 vierkante meter bedekken. De zonnecellen wekken een vermogen op van 120 KW. De elektromotoren van het schip behoeven een vermogen van circa 20 KW.
De PlanetSolar staat voor de grote uitdaging om in 2011 nog éen wereldrecord te vestigen. Het schip moet als eerste zonne-energie aangedreven boot om de wereld reizen. Experts verwachten dat de boot een gemiddelde snelheid van acht knopen zal hebben, oftewel bijna 15 km per uur. De reis zal naar verwachting 140 dagen beslaan, waarin een afstand van 40.000 km wordt afgelegd.
De catamaran is grotendeels gebouwd van koolstofcompositiet, zodat het schip niet te licht is. De boot benodigt niet veel bemanning. Maar twee personen zullen als bemanning de reis maken. Het schip biedt aan maximaal vijftig mensen plaats.
Het project moet volgens het PlanetSolar-team koolstofdioxideneutraal blijven. Hierdoor moeten de kantoren en de server van de PlanetSolar-website zonne-energie gebruiken. Bovendien gebruiken werknemers sinds 2009 uitsluitend elektrische fietsen en energiezuinige computers.
De Planetsolar zal na het einde van de wereldreis beschikbaar zijn voor privédoeleinden.
Vragen en opdrachten
Het vermogen van het zonlicht bedraagt op een mooie dag in Nederland maximaal 1,0 kW/m2.
a) Bereken hiermee het rendement van de zonnecellen.
b) Waarom moet het geleverde piekvermogen veel groter zijn dan het vermogen dat de elektromotoren vragen?
c) Wat moet er dus gebeuren met de overtollige energie?
Uit de gegevens in het artikel is een schatting te maken over de wrijvingskracht die het schip ondervindt op zijn wereldreis.
d) Schat de grootte van de wrijvingskracht.
e) De uitkomst lijkt erg hoog. Wat is je conclusie?
Om de wrijvingskracht zo klein mogelijk te maken, zijn er tijdens de reis maar twee mensen aan boord, terwijl er plaats is voor meer.
f) Hoe komt het dat de wrijvingskracht groter wordt met meer mensen aan boord?
Er staat dat elektrische fietsen niet bijdragen aan CO2-uitstoot.
g) Aan welke voorwaarde moet dan wel voldaan zijn?
Uitwerking vraag (a)
Het invallend vermogen is gelijk aan 470 x 1,0 kW = 470 kW. Het uitgaande elektrisch vermogen is 120 kW. Hieruit volgt η = Puit/Pin = 120/470 = 0,26=26%.
Uitwerking vraag (b)
De zon schijnt niet 24 uur per dag, niet altijd even fel en valt niet loodrecht in op de zonnecellen.
Uitwerking vraag (c)
Die moet opgeslagen worden in accu’s.
Uitwerking vraag (d)
Het vermogen van de elektromotoren is 20 kW. De snelheid is 15 km/h = 4,2 m/s.
Invullen levert P = Fv, dus 20 x 103 = F x 4,2. Dit geeft F = 4,7 x 103 N.
Uitwerking vraag (e)
Dit getal is erg groot. Het kan zijn dat het gegeven vermogen het piekvermogen is, en dat de snelheid de gemiddelde snelheid is. Dus bij dit vermogen hoort een grotere snelheid en dit levert een kleinere wrijvingskracht.
Uitwerking vraag (f)
Het schip komt dan dieper in het water te liggen, waardoor het meer weerstand heeft.
Uitwerking vraag (g)
De elektriciteit moet dan wel opgewekt worden zonder CO2-uitstoot, dus met zonne-energie of windenergie.
