Wraz z rozwojem cywilizacji energia potrzebna do wspierania naszego stylu życia wzrasta każdego dnia, co wymaga od nas znalezienia nowych i innowacyjnych sposobów wykorzystania naszych odnawialnych zasobów, takich jak światło słoneczne, w celu wytworzenia większej ilości energii dla naszego społeczeństwa, aby kontynuować Postęp.
Światło słoneczne zapewniało i umożliwiało życie na naszej planecie od wieków. Bezpośrednio lub pośrednio słońce umożliwia wytwarzanie prawie wszystkich znanych źródeł energii, takich jak paliwa kopalne, energia wodna, wiatr, biomasa itp. Wraz z rozwojem cywilizacji energia potrzebna do utrzymania nasz styl życia rozwija się każdego dnia, co wymaga od nas znalezienia nowych i innowacyjnych sposobów wykorzystania naszych odnawialnych zasobów, takich jak światło słoneczne, w celu wytworzenia większej ilości energii dla naszego społeczeństwa, aby kontynuować Postęp.
Już w starożytnym świecie byliśmy w stanie przetrwać dzięki energii słonecznej, wykorzystując światło słoneczne jako źródło energii pochodzące z budynków zbudowanych ponad 6000 lat temu, ustawiając dom tak, aby światło słoneczne przechodziło przez otwory, które działają jako forma ogrzewania Tysiące lat później Egipcjanie i Grecy zastosowali tę samą technikę, aby latem chłodzić swoje domy, osłaniając je przed słońcem [1]. Duże okna z pojedynczą szybą są używane jako okna solarno-termiczne, umożliwiając wnikanie ciepła słonecznego, ale zatrzymujące ciepło wewnątrz. Światło słoneczne było nie tylko niezbędne do wytwarzania ciepła w starożytnym świecie, ale było również wykorzystywane do konserwacji i konserwowania żywności poprzez sól. Podczas zasolenia słońce jest wykorzystywane do odparowywania toksycznej wody morskiej i pozyskiwania soli, która jest zbierana w basenach słonecznych [1]. W późnym renesansie Leonardo da Vinci zaproponował pierwsze przemysłowe zastosowanie wklęsłych lustrzanych koncentratorów słonecznych jako podgrzewaczy wody, a później Leonardo zaproponował również technologię spawania copper wykorzystując promieniowanie słoneczne i umożliwiając rozwiązania techniczne do obsługi maszyn włókienniczych [1].Wkrótce podczas rewolucji przemysłowej W. Adams stworzył coś, co obecnie nazywa się piekarnikiem słonecznym. Piekarnik ten ma osiem symetrycznych srebrnych luster szklanych, które tworzą ośmiokątny reflektor. skoncentrowany przez lustra w drewnianej skrzynce pokrytej szkłem, w której zostanie umieszczony garnek i niech się gotuje [1]. Szybko do przodu o kilkaset lat, a słoneczny silnik parowy został zbudowany około 1882 roku [1]. Abel Pifre użył wklęsłego lustra 3.5 m i skupił się na cylindrycznym kotle parowym, który wytwarzał wystarczającą moc do napędzania prasy drukarskiej.
W 2004 roku w Sewilli w Hiszpanii powstała pierwsza na świecie komercyjna skoncentrowana elektrownia słoneczna Planta Solar 10 do zasilania ponad 5500 domów. Prawie dekadę później, w 2014 r., w Kalifornii w USA otwarto największą na świecie elektrownię słoneczną. W elektrowni zastosowano ponad 300 000 sterowanych luster i umożliwiono produkcję 377 megawatów energii elektrycznej do zasilania około 140 000 domów [ 1].
Nie tylko buduje się i wykorzystuje fabryki, ale także konsumenci w sklepach detalicznych tworzą nowe technologie. Zadebiutowały panele słoneczne, a do gry weszły nawet samochody zasilane energią słoneczną, ale jednym z najnowszych osiągnięć, które nie zostały jeszcze ogłoszone, jest nowy panel słoneczny. zasilana technologia do noszenia. Integrując złącze USB lub inne urządzenia, umożliwia połączenie odzieży z urządzeniami, takimi jak źródła, telefony i słuchawki douszne, które można ładować w podróży. Zaledwie kilka lat temu zespół japońskich naukowców z Riken Institute i Torah Industries opisały opracowanie cienkiego organicznego ogniwa słonecznego, które nadrukowuje ubrania na gorąco na odzieży, pozwalając ogniwie absorbować energię słoneczną i wykorzystywać ją jako źródło zasilania [2] ].Mikroogniwa słoneczne to organiczne ogniwa fotowoltaiczne z termicznym stabilność i elastyczność do 120 °C [2].Członkowie grupy badawczej oparli organiczne ogniwa fotowoltaiczne na materiale o nazwie PNTz4T [3].PNTz4T to półprzewodnikowy polimer opracowany wcześniej przez firmę Riken w celustabilność środowiskowa i wysoka sprawność konwersji energii, a następnie obie strony ogniwa są pokryte elastomerem, materiałem gumopodobnym [3]. W procesie użyto dwóch wstępnie rozciągniętych elastomerów akrylowych o grubości 500 mikronów, które przepuszczają światło ogniwo, ale zapobiega przedostawaniu się wody i powietrza do ogniwa. Zastosowanie tego elastomeru pomaga zmniejszyć degradację samej baterii i przedłużyć jej żywotność [3].
Jedną z najbardziej zauważalnych wad w branży jest woda. Zwyrodnienie tych komórek może być spowodowane różnymi czynnikami, ale największym jest woda, wspólny wróg każdej technologii. Nadmiar wilgoci i długotrwałe przebywanie w powietrzu może negatywnie wpłynąć na wydajność organicznych ogniw fotowoltaicznych [4]. O ile w większości przypadków można uniknąć kontaktu z wodą na komputerze lub telefonie, o tyle nie można jej uniknąć ubraniem. Czy to deszcz, czy pralka, woda jest nieunikniona. Po różnych testach na wolnostojące organiczne ogniwo fotowoltaiczne i dwustronnie powlekane organiczne ogniwo fotowoltaiczne, oba organiczne ogniwa fotowoltaiczne zostały zanurzone w wodzie na 120 minut, stwierdzono, że moc wolnostojącego organicznego ogniwa fotowoltaicznego wynosiła Wydajność konwersji jest zmniejszona tylko o 5,4%. Komórki zmniejszyły się o 20,8% [5].
Rysunek 1. Znormalizowana sprawność konwersji mocy w funkcji czasu zanurzenia. Słupki błędów na wykresie reprezentują odchylenie standardowe znormalizowane przez średnią z początkowych sprawności konwersji mocy w każdej ze struktur [5].
Rysunek 2 przedstawia inny rozwój w Nottingham Trent University, miniaturowe ogniwo słoneczne, które można osadzić w przędzy, którą następnie wplata się w tkaninę [2].Każda bateria zawarta w produkcie spełnia określone kryteria użytkowania, takie jak wymagania 3 mm długości i 1,5 mm szerokości [2].Każda jednostka jest laminowana wodoodporną żywicą, aby umożliwić pranie w pralni lub z powodu pogody [2]. sposób, który nie wystaje ani nie podrażnia skóry noszącego. W dalszych badaniach stwierdzono, że w małym kawałku ubrania podobnym do 5cm^2 fragmentu tkaniny może znajdować się nieco ponad 200 ogniw, idealnie wytwarzając energię 2,5 – 10 woltów, a doszedł do wniosku, że jest tylko 2000 ogniw Komórki muszą być w stanie ładować smartfony [2].
Rysunek 2. Mikroogniwa słoneczne o długości 3 mm i szerokości 1,5 mm (zdjęcie dzięki uprzejmości Nottingham Trent University) [2].
Tkaniny fotowoltaiczne łączą dwa lekkie i tanie polimery, aby stworzyć tekstylia wytwarzające energię. Pierwszym z dwóch komponentów jest mikroogniwo słoneczne, które pozyskuje energię ze światła słonecznego, a drugi składa się z nanogeneratora, który zamienia energię mechaniczną na energię elektryczną [ 6]. Fotowoltaiczna część tkaniny składa się z włókien polimerowych, które są następnie pokrywane warstwami manganu, tlenku cynku (materiał fotowoltaiczny) i jodku miedzi (do zbierania ładunku) [6]. maleńki drut miedziany i zintegrowany z ubraniem.
Sekret tych innowacji tkwi w przezroczystych elektrodach elastycznych urządzeń fotowoltaicznych.Przezroczyste elektrody przewodzące są jednym z elementów ogniw fotowoltaicznych, które umożliwiają przedostawanie się światła do ogniwa, zwiększając jego szybkość zbierania.Wykorzystywany jest tlenek cyny domieszkowany indem (ITO). do wytwarzania tych przezroczystych elektrod, które są wykorzystywane ze względu na idealną przezroczystość (>80%) i dobrą odporność arkusza, a także doskonałą stabilność środowiskową [7]. ITO ma kluczowe znaczenie, ponieważ wszystkie jego składniki są w niemal idealnych proporcjach. grubość w połączeniu z przezroczystością i rezystancją maksymalizuje wyniki elektrod [7].Wszelkie wahania stosunku będą miały negatywny wpływ na elektrody, a tym samym na wydajność. Na przykład zwiększenie grubości elektrody zmniejsza przezroczystość i rezystancję, prowadząc do pogorszenia wydajności. Jednak ITO jest ograniczonym zasobem, który jest szybko zużywany. Trwają badania mające na celu znalezienie alternatywy, która nie tylkoITO, ale oczekuje się, że przewyższy wydajność ITO [7].
Do tej pory popularność zyskały materiały takie jak podłoża polimerowe modyfikowane przezroczystymi przewodzącymi tlenkami. Niestety podłoża te okazały się kruche, sztywne i ciężkie, co znacznie zmniejsza elastyczność i wydajność [7].Naukowcy oferują rozwiązanie używanie elastycznych, podobnych do włókien ogniw słonecznych jako zamienników elektrod. Włóknista bateria składa się z elektrody i dwóch różnych metalowych drutów, które są skręcone i połączone z aktywnym materiałem w celu zastąpienia elektrody [7]. Ogniwa słoneczne okazały się obiecujące ze względu na ich niewielką wagę , ale problemem jest brak pola styku pomiędzy metalowymi drutami, co zmniejsza pole styku, a tym samym powoduje pogorszenie wydajności fotowoltaicznej [7].
Czynniki środowiskowe są również dużym motywatorem do dalszych badań. Obecnie świat w dużej mierze opiera się na nieodnawialnych źródłach energii, takich jak paliwa kopalne, węgiel i ropa naftowa. jest niezbędną inwestycją na przyszłość. Każdego dnia miliony ludzi ładują swoje telefony, komputery, laptopy, smartwatche i wszystkie urządzenia elektroniczne, a używanie naszych tkanin do ładowania tych urządzeń podczas marszu może zmniejszyć zużycie paliw kopalnych. błahe w małej skali 1, a nawet 500 osób, skalowane do kilkudziesięciu milionów mogłoby znacznie zmniejszyć nasze zużycie paliw kopalnych.
Wiadomo, że panele słoneczne w elektrowniach słonecznych, w tym montowane na dachach domów, pomagają w wykorzystywaniu energii odnawialnej i zmniejszają zużycie paliw kopalnych, które nadal są intensywnie wykorzystywane.Ameryka.Jednym z głównych problemów branży jest pozyskiwanie gruntów do budować takie farmy. Przeciętne gospodarstwo domowe może obsłużyć tylko określoną liczbę paneli słonecznych, a liczba farm słonecznych jest ograniczona. Na obszarach o dużej powierzchni większość ludzi zawsze niechętnie buduje nową elektrownię słoneczną, ponieważ na stałe zamyka to możliwość i potencjał innych możliwości na lądzie, takich jak nowe firmy. Istnieje duża liczba instalacji pływających paneli fotowoltaicznych, które mogą w ostatnim czasie generować duże ilości energii elektrycznej, a główną korzyścią pływających farm fotowoltaicznych jest redukcja kosztów [8]. grunty nie są wykorzystywane, nie trzeba martwić się o koszty instalacji na szczytach domów i budynków. Wszystkie obecnie znane pływające farmy fotowoltaiczne znajdują się na sztucznych zbiornikach wodnych, a w przyszłościs możliwości umieszczenia tych gospodarstw na naturalnych zbiornikach wodnych.Sztuczne zbiorniki mają wiele zalet, które nie są powszechne w oceanie [9]. Sztuczne zbiorniki są łatwe w zarządzaniu, a przy wcześniejszej infrastrukturze i drogach można po prostu instalować farmy. lądowe farmy fotowoltaiczne ze względu na wahania temperatury między wodą a lądem [9]. wydajność współczynników konwersji paneli słonecznych. Chociaż temperatura nie kontroluje ilości światła słonecznego odbieranego przez panel, ma ona wpływ na ilość energii otrzymywanej ze światła słonecznego. Przy niskich energiach (tj. niższych temperaturach) elektrony wewnątrz panelu słonecznego będą w stanie spoczynku, a następnie, gdy padnie światło słoneczne, osiągną stan wzbudzony [10]. Różnica między stanem spoczynku a stanem wzbudzonym polega na tym, ile energii jest generowane w napięciu.ht wzbudza te elektrony, ale może też nagrzewać się. Jeśli ciepło wokół panelu słonecznego zasila elektrony i wprowadza je w stan niskiego wzbudzenia, napięcie nie będzie tak duże, gdy światło słoneczne uderzy w panel [10]. Ponieważ ziemia pochłania i emituje cieplej łatwiej niż woda, elektrony w panelu słonecznym na lądzie prawdopodobnie będą w wyższym stanie wzbudzenia, a następnie panel słoneczny znajduje się na lub w pobliżu chłodniejszego zbiornika wodnego. Dalsze badania wykazały, że efekt chłodzenia woda wokół pływających paneli pomaga wytworzyć o 12,5% więcej energii niż na lądzie [9].
Jak dotąd panele słoneczne zaspokajają tylko 1% zapotrzebowania energetycznego Ameryki, ale gdyby te farmy słoneczne zostały umieszczone na maksymalnie jednej czwartej sztucznych zbiorników wodnych, panele słoneczne zaspokoiłyby prawie 10% zapotrzebowania energetycznego Ameryki. W Kolorado, gdzie pływają panele zostały wprowadzone tak szybko, jak to możliwe, dwa duże zbiorniki wodne w Kolorado straciły dużo wody w wyniku parowania, ale dzięki zainstalowaniu tych pływających paneli uchroniono je przed wysychaniem i wytwarzano energię elektryczną [11]. Nawet jeden procent człowieka Wykonane zbiorniki wyposażone w farmy słoneczne wystarczyłyby do wygenerowania co najmniej 400 gigawatów energii elektrycznej, co wystarczyłoby na zasilenie 44 miliardów żarówek LED przez ponad rok.
Rysunek 4a pokazuje wzrost mocy zapewniany przez pływające ogniwo słoneczne w stosunku do rysunku 4b. Chociaż w ciągu ostatniej dekady było niewiele pływających farm fotowoltaicznych, nadal mają one tak duży wpływ na wytwarzanie energii. W przyszłości, gdy pływające farmy słoneczne stają się bardziej obfite, mówi się, że całkowita wyprodukowana energia potroi się z 0,5 TW w 2018 r. do 1,1 TW do końca 2022 r. [12].
Z ekologicznego punktu widzenia, te pływające farmy słoneczne są bardzo korzystne pod wieloma względami. Oprócz zmniejszenia zależności od paliw kopalnych, farmy słoneczne zmniejszają również ilość powietrza i światła słonecznego docierającego do powierzchni wody, co może pomóc w odwróceniu zmian klimatycznych [9]. farma, która zmniejsza prędkość wiatru i bezpośrednie światło słoneczne padające na powierzchnię wody o co najmniej 10%, może zrównoważyć całą dekadę globalnego ocieplenia [9]. Jeśli chodzi o bioróżnorodność i ekologię, wydaje się, że nie stwierdzono dużych negatywnych skutków. Panele zapobiegają silnym wiatrom aktywność na powierzchni wody, zmniejszając tym samym erozję na brzegu rzeki, chroniąc i stymulując roślinność.[13]. zostały zanurzone pod panelami fotowoltaicznymi, aby potencjalnie wspierać życie morskie.[13]. Jednym z głównych problemów trwających badań jest potencjalny wpływ na łańcuch pokarmowy ze względu na instalację infrastruktury, takiej jakpanele fotowoltaiczne na otwartej wodzie, a nie w sztucznych zbiornikach. Ponieważ mniej światła słonecznego dostaje się do wód, powoduje to zmniejszenie tempa fotosyntezy, co powoduje masową utratę fitoplanktonu i makrofitów. Wraz ze zmniejszeniem tych roślin, wpływ na zwierzęta niżej w łańcuchu pokarmowym itp., prowadzi do subsydiów dla organizmów wodnych [14]. Chociaż to się jeszcze nie stało, może to zapobiec dalszym potencjalnym uszkodzeniom ekosystemu, co jest główną wadą pływających farm fotowoltaicznych.
Ponieważ słońce jest naszym największym źródłem energii, znalezienie sposobów na jej okiełznanie i wykorzystanie w naszych społecznościach może być trudne. Umożliwiają to nowe technologie i innowacje dostępne każdego dnia. kupić lub odwiedzić pływające farmy fotowoltaiczne już teraz, co nie zmienia faktu, że technologia ta nie ma ogromnego potencjału ani świetlanej przyszłości. panele słoneczne na dachach domów. Ogniwa słoneczne do noszenia mają przed sobą długą drogę, zanim staną się tak powszechne, jak ubrania, które nosimy na co dzień. Oczekuje się, że w przyszłości ogniwa słoneczne będą używane w życiu codziennym bez konieczności ukrywania się między naszymi odzież.W miarę postępu technologicznego w nadchodzących dziesięcioleciach potencjał przemysłu fotowoltaicznego jest nieskończony.
O Raj Shah Dr Raj Shah jest dyrektorem Koehler Instrument Company w Nowym Jorku, gdzie pracuje od 27 lat. Jest wybrany przez kolegów z IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Fizyka, Institute of Energy Research i Royal Society of Chemistry. Zdobywca nagrody ASTM Eagle, dr Shah, niedawno współredagował bestsellerowy podręcznik „Fuels and Lubricants Handbook”, szczegóły dostępne w Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook firmy ASTM, wydanie drugie – 15 lipca, 2020 – David Phillips – Artykuł na temat Petro Industry News – Petro Online (petro-online.com)
Dr Shah posiada tytuł doktora inżynierii chemicznej na Uniwersytecie Stanowym Penn oraz członek Chartered School of Management w Londynie.Jest także dyplomowanym naukowcem rady naukowej, dyplomowanym inżynierem naftowym Instytutu Energii oraz brytyjskiej rady inżynieryjnej. Dr.Shah został niedawno uhonorowany tytułem Distinguished Engineer przez Tau beta Pi, największe stowarzyszenie inżynierskie w Stanach Zjednoczonych. Zasiada w radach doradczych Farmingdale University (technologia mechaniczna), Auburn University (trybologia) i Stony Brook University (inżynieria chemiczna/ Nauka o materiałach i inżynieria).
Raj jest adiunktem na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Inżynierii Chemicznej w SUNY Stony Brook, opublikował ponad 475 artykułów i od ponad 3 lat jest aktywny w dziedzinie energii. Więcej informacji na temat Raja można znaleźć na stronie Dyrektor Koehler Instrument Company wybrany na członka Międzynarodowego Instytutu Fizyki Petro Online (petro-online.com)
Pani Mariz Baslious i pan Blerim Gashi są studentami inżynierii chemicznej na SUNY, a dr Raj Shah przewodniczy zewnętrznej radzie doradczej uniwersytetu. Mariz i Blerim uczestniczą w rozwijającym się programie stażowym w Koehler Instrument, Inc. w Holtzville w stanie Nowy Jork. zachęca uczniów do lepszego poznania świata alternatywnych technologii energetycznych.
Czas publikacji: 12 lutego-2022
