Pe măsură ce civilizația crește, energia necesară pentru a ne susține modul de viață crește în fiecare zi, necesitându-ne să găsim modalități noi și inovatoare de a ne valorifica resursele regenerabile, cum ar fi lumina soarelui, pentru a crea mai multă energie pentru ca societatea noastră să continue Progresul.
Lumina soarelui a oferit și a permis viața pe planeta noastră de secole. Fie direct sau indirect, soarele permite generarea a aproape toate sursele de energie cunoscute, cum ar fi combustibilii fosili, hidrocarburile, vântul, biomasa etc. Pe măsură ce civilizația crește, energia necesară pentru a susține modul nostru de viață crește în fiecare zi, necesitându-ne să găsim modalități noi și inovatoare de a ne valorifica resursele regenerabile, cum ar fi lumina soarelui, pentru a crea mai multă energie pentru ca societatea noastră să continue Progresul.
Încă din lumea antică am reușit să supraviețuim cu energia solară, folosind lumina soarelui ca sursă de energie provenită din clădirile construite cu peste 6.000 de ani în urmă, prin orientarea casei astfel încât lumina soarelui să treacă prin deschideri care acționează ca o formă de încălzire. .Mii de ani mai târziu, egiptenii și grecii au folosit aceeași tehnică pentru a-și păstra casele răcoroase în timpul verii, ferindu-le de soare [1].Ferestrele mari cu un singur geam sunt folosite ca ferestre solare termice, permițând căldurii soarelui să pătrundă, dar capcanând. căldura din interior. Lumina soarelui nu era doar esențială pentru căldura pe care o producea în lumea antică, dar era folosită și pentru conservarea și conservarea alimentelor prin sare. În salinizare, soarele este folosit pentru a evapora apa de mare toxică și pentru a obține sare, care este colectată. în piscine solare [1].La sfârșitul Renașterii, Leonardo da Vinci a propus prima aplicație industrială a concentratoarelor solare cu oglindă concave ca încălzitoare de apă, iar mai târziu Leonardo a propus și tehnologia de sudare a coppului.Folosind radiația solară și permițând soluțiilor tehnice să ruleze mașinile textile [1]. Curând, în timpul Revoluției Industriale, W. Adams a creat ceea ce se numește acum un cuptor solar. Acest cuptor are opt oglinzi simetrice din sticlă argintie care formează un reflector octogonal. Lumina soarelui este concentrat de oglinzi într-o cutie de lemn acoperită cu sticlă unde va fi așezat vasul și va fi lăsat să fiarbă[1].Avansați rapid câteva sute de ani și motorul solar cu abur a fost construit în jurul anului 1882 [1].Abel Pifre a folosit o oglindă concavă 3.5 m în diametru și l-am concentrat pe un cazan de abur cilindric care producea suficientă putere pentru a antrena presa de tipar.
În 2004, prima centrală solară concentrată comercială din lume, numită Planta Solar 10, a fost înființată în Sevilla, Spania. Lumina soarelui este reflectată pe un turn de aproximativ 624 de metri, unde receptoarele solare sunt instalate cu turbine cu abur și generatoare. Acesta este capabil să genereze energie. pentru a alimenta peste 5.500 de case. Aproape un deceniu mai târziu, în 2014, cea mai mare centrală solară din lume a fost deschisă în California, SUA. Uzina a folosit peste 300.000 de oglinzi controlate și a permis producerea a 377 de megawați de energie electrică pentru a alimenta aproximativ 140.000 de case [ 1].
Nu numai că sunt construite și utilizate fabrici, dar și consumatorii din magazinele de vânzare cu amănuntul creează și noi tehnologii. Panourile solare și-au făcut debutul și chiar și mașinile alimentate cu energie solară au intrat în joc, dar una dintre cele mai recente evoluții care nu au fost încă anunțate este noile sisteme solare. tehnologie portabilă alimentată. Prin integrarea unei conexiuni USB sau a altor dispozitive, permite conectarea de la îmbrăcăminte la dispozitive precum surse, telefoane și căști, care pot fi încărcate din mers. În urmă cu doar câțiva ani, o echipă de cercetători japonezi de la Riken Institute și Torah Industries au descris dezvoltarea unei celule solare organice subțiri care ar imprima hainele pe haine, permițând celulei să absoarbă energia solară și să o folosească ca sursă de energie [2] ]. Microcelulele solare sunt celule fotovoltaice organice cu energie termică. stabilitate și flexibilitate până la 120 °C [2].Membrii grupului de cercetare au bazat celule fotovoltaice organice pe un material numit PNTz4T [3].PNTz4T este un polimer semiconductor dezvoltat anterior de Riken pentru o calitate excelentă.stabilitate ecologică și eficiență ridicată de conversie a puterii, apoi ambele părți ale celulei sunt acoperite cu elastomer, un material asemănător cauciucului [3]. În acest proces, au folosit doi elastomeri acrilici pre-întindeți, cu o grosime de 500 de microni, care permit pătrunderea luminii. celula, dar împiedică intrarea apei și a aerului în celulă. Utilizarea acestui elastomer ajută la reducerea degradarii bateriei în sine și la prelungirea duratei de viață a acesteia [3].
Unul dintre cele mai notabile dezavantaje ale industriei este apa. Degenerarea acestor celule poate fi cauzată de o varietate de factori, dar cel mai mare este apa, inamicul comun al oricărei tehnologii. Orice exces de umiditate și expunerea prelungită la aer pot afecta negativ eficiența. de celule fotovoltaice organice [4].Deși puteți evita să obțineți apă pe computer sau pe telefon în majoritatea cazurilor, nu o puteți evita cu hainele. Fie că este ploaie sau o mașină de spălat, apa este inevitabil. După diverse teste pe Celula fotovoltaică organică de sine stătătoare și celula fotovoltaică organică acoperită cu două fețe, ambele celule fotovoltaice organice au fost scufundate în apă timp de 120 de minute, s-a ajuns la concluzia că puterea celulei fotovoltaice organice de sine stătătoare a fost. Eficiența conversiei este redusă doar prin 5,4%.Celulele au scăzut cu 20,8% [5].
Figura 1. Eficiența normalizată de conversie a puterii în funcție de timpul de imersie. Barele de eroare de pe grafic reprezintă abaterea standard normalizată prin media eficiențelor inițiale de conversie a puterii în fiecare structură [5].
Figura 2 prezintă o altă dezvoltare la Universitatea Nottingham Trent, o celulă solară în miniatură care poate fi încorporată într-un fir, care este apoi țesut într-un material textil [2]. Fiecare baterie inclusă în produs îndeplinește anumite criterii de utilizare, cum ar fi cerințele de 3 mm lungime și 1,5 mm lățime[2]. Fiecare unitate este laminată cu o rășină impermeabilă pentru a permite spălarea rufelor în spălătorie sau din cauza vremii [2]. Bateriile sunt, de asemenea, adaptate pentru confort și fiecare este montat într-un mod care nu iese în afară sau irită pielea purtătorului. În cercetări ulterioare s-a constatat că într-o bucată mică de îmbrăcăminte similară cu o secțiune de țesătură de 5cm^2 poate conține puțin peste 200 de celule, producând în mod ideal 2,5 – 10 volți de energie și a concluzionat că există doar 2000 de celule Celulele au nevoie pentru a putea încărca smartphone-urile [2].
Figura 2. Microcelule solare cu lungimea de 3 mm și lățime de 1,5 mm (fotografie oferită de Universitatea Nottingham Trent) [2].
Țesăturile fotovoltaice îmbină doi polimeri ușori și cu costuri reduse pentru a crea textile generatoare de energie. Prima dintre cele două componente este o microcelulă solară, care recoltează energia din lumina soarelui, iar a doua constă dintr-un nanogenerator, care transformă energia mecanică în electricitate. 6]. Partea fotovoltaică a țesăturii constă din fibre polimerice, care sunt apoi acoperite cu straturi de mangan, oxid de zinc (un material fotovoltaic) și iodură de cupru (pentru colectarea încărcăturii) [6]. Celulele sunt apoi țesute împreună cu un fir minuscul de cupru și integrat în îmbrăcăminte.
Secretul din spatele acestor inovații constă în electrozii transparenți ai dispozitivelor fotovoltaice flexibile. Electrozii conductivi transparenți sunt una dintre componentele celulelor fotovoltaice care permit luminii să pătrundă în celulă, crescând rata de colectare a luminii. Se folosește oxid de staniu dopat cu indiu (ITO). pentru a fabrica acești electrozi transparenți, care sunt utilizați pentru transparența ideală (>80%) și rezistența bună a foii, precum și stabilitatea excelentă a mediului [7]. ITO este crucial deoarece toate componentele sale sunt în proporții aproape perfecte. grosimea combinată cu transparența și rezistența maximizează rezultatele electrozilor [7].Orice fluctuații ale raportului vor afecta negativ electrozii și astfel performanța. De exemplu, creșterea grosimii electrodului reduce transparența și rezistența, ducând la degradarea performanței. Cu toate acestea, ITO este o resursă finită care este rapid consumată. Cercetările au fost în desfășurare pentru a găsi o alternativă care nu numai căITO, dar este de așteptat să depășească performanța ITO [7].
Materialele precum substraturile polimerice care au fost modificate cu oxizi conductivi transparenti au crescut în popularitate până acum. Din păcate, aceste substraturi s-au dovedit a fi fragile, rigide și grele, ceea ce reduce foarte mult flexibilitatea și performanța [7].Cercetătorii oferă o soluție pentru folosind celule solare flexibile asemănătoare fibrelor ca înlocuiri de electrozi. O baterie fibroasă constă dintr-un electrod și două fire metalice distincte care sunt răsucite și combinate cu un material activ pentru a înlocui electrodul [7]. Celulele solare s-au dovedit promițătoare datorită greutății lor reduse. , dar problema este lipsa zonei de contact dintre firele metalice, ceea ce reduce zona de contact și astfel rezultă o performanță fotovoltaică degradată [7].
Factorii de mediu sunt, de asemenea, un mare motivator pentru cercetarea continuă. În prezent, lumea se bazează în mare măsură pe surse de energie neregenerabile, cum ar fi combustibilii fosili, cărbunele și petrolul. Deplasarea atenției de la sursele de energie neregenerabile la sursele de energie regenerabilă, inclusiv energia solară, este o investiție necesară pentru viitor. În fiecare zi, milioane de oameni își încarcă telefoanele, computerele, laptopurile, ceasurile inteligente și toate dispozitivele electronice, iar utilizarea țesăturilor noastre pentru a încărca aceste dispozitive doar mergând pe jos poate reduce utilizarea combustibililor fosili. Deși acest lucru poate părea trivial la o scară mică de 1 sau chiar 500 de oameni, atunci când este mărit la zeci de milioane, ar putea reduce semnificativ utilizarea combustibililor fosili.
Panourile solare din centralele solare, inclusiv cele montate deasupra caselor, sunt cunoscute pentru a ajuta la utilizarea energiei regenerabile și la reducerea utilizării combustibililor fosili, care sunt încă foarte utilizați. America. Una dintre problemele majore pentru industrie este obținerea de terenuri pentru construiți aceste ferme. O gospodărie medie poate susține doar un anumit număr de panouri solare, iar numărul de ferme solare este limitat. În zonele cu spațiu amplu, majoritatea oamenilor ezită întotdeauna să construiască o nouă centrală solară, deoarece închide definitiv posibilitatea și potențialul altor oportunități pe teren, cum ar fi noi afaceri. Există un număr mare de instalații de panouri fotovoltaice plutitoare care pot genera cantități mari de energie electrică recent, iar principalul beneficiu al fermelor solare plutitoare este reducerea costurilor [8]. terenul nu este folosit, nu este nevoie să vă faceți griji cu privire la costurile de instalare pe partea de sus a caselor și clădirilor. Toate fermele solare plutitoare cunoscute în prezent sunt situate pe corpuri de apă artificiale, iar în viitor iEste posibilă amplasarea acestor ferme pe corpuri de apă naturale.Rezervoarele artificiale au multe avantaje care nu sunt comune în ocean [9]. Rezervoarele artificiale sunt ușor de gestionat, iar cu infrastructura și drumurile anterioare, fermele pot fi pur și simplu instalate. Ferme solare terestre din cauza variațiilor de temperatură între apă și sol [9].Datorită căldurii specifice ridicate a apei, temperatura de suprafață a terenului este în general mai mare decât cea a corpurilor de apă, iar temperaturile ridicate s-au dovedit că afectează negativ performanța ratelor de conversie a panourilor solare. În timp ce temperatura nu controlează cât de multă lumină solară primește un panou, afectează cantitatea de energie pe care o primiți din lumina soarelui. La energii scăzute (adică, temperaturi mai scăzute), electronii din interiorul panoului solar vor fi în o stare de repaus, iar atunci când lumina soarelui atinge, ei vor ajunge într-o stare excitată [10]. Diferența dintre starea de repaus și starea excitată este cât de multă energie este generată în tensiune. Nu numai că lumina solară poateAceasta excită acești electroni, dar la fel poate încălzi. Dacă căldura din jurul panoului solar energizează electronii și îi pune într-o stare de excitare scăzută, tensiunea nu va fi la fel de mare când lumina soarelui lovește panoul [10].Deoarece pământul absoarbe și emite se încălzesc mai ușor decât apa, electronii dintr-un panou solar de pe uscat sunt probabil într-o stare mai excitată, iar apoi panoul solar este situat pe sau în apropierea unui corp de apă care este mai rece. Cercetări ulterioare au demonstrat că efectul de răcire al apa din jurul panourilor plutitoare ajută la generarea cu 12,5% mai multă energie decât pe uscat [9].
Până acum, panourile solare satisfac doar 1% din necesarul de energie al Americii, dar dacă aceste ferme solare ar fi plantate pe până la un sfert din rezervoarele de apă create de om, panourile solare ar satisface aproape 10% din nevoile de energie ale Americii. În Colorado, unde plutirea panourile au fost introduse cât mai curând posibil, două rezervoare mari de apă din Colorado au pierdut multă apă din cauza evaporării, dar prin instalarea acestor panouri plutitoare, rezervoarele au fost împiedicate să se usuce și s-a generat electricitate [11].Chiar și un procent din om. -rezervoarele realizate dotate cu ferme solare ar fi suficiente pentru a genera cel puțin 400 de gigawați de energie electrică, suficientă pentru a alimenta 44 de miliarde de becuri LED timp de peste un an.
Figura 4a arată creșterea puterii furnizată de celula solară plutitoare în raport cu Figura 4b. Deși au existat puține ferme solare plutitoare în ultimul deceniu, acestea fac încă o diferență atât de mare în generarea de energie. În viitor, atunci când ferme solare plutitoare devin mai abundente, se spune că energia totală produsă se va tripla de la 0,5 TW în 2018 la 1,1 TW până la sfârșitul anului 2022.[12].
Din punct de vedere al mediului, aceste ferme solare plutitoare sunt foarte benefice din multe puncte de vedere. Pe lângă reducerea dependenței de combustibilii fosili, fermele solare reduc, de asemenea, cantitatea de aer și lumina solară care ajunge la suprafața apei, ceea ce poate ajuta la inversarea schimbărilor climatice [9]. fermă care reduce viteza vântului și lumina directă a soarelui care lovește suprafața apei cu cel puțin 10% ar putea compensa un deceniu complet de încălzire globală [9]. În ceea ce privește biodiversitatea și ecologie, nu par să fie găsite efecte negative mari. Panourile previn vântul puternic. activitatea la suprafața apei, reducând astfel eroziunea pe malul râului, protejând și stimulând vegetația.[13].Nu există rezultate definitive privind afectarea vieții marine, dar măsuri precum biocabana umplută cu scoici creată de Ecocean au a fost scufundat sub panouri fotovoltaice pentru a susține potențial viața marine.[13].Una dintre principalele preocupări ale cercetărilor în curs este impactul potențial asupra lanțului alimentar datorită instalării infrastructurii precumpanouri fotovoltaice pe apă deschisă, mai degrabă decât în rezervoare create de om. Pe măsură ce mai puțină lumină solară intră în ape, aceasta provoacă o reducere a ratei de fotosinteză, ducând la o pierdere masivă de fitoplancton și macrofite. Odată cu reducerea acestor plante, impactul asupra animalelor mai jos în lanțul alimentar etc., duce la subvenții pentru organismele acvatice [14]. Deși nu s-a întâmplat încă, acest lucru ar putea preveni deteriorarea potențială suplimentară a ecosistemului, un dezavantaj major al fermelor solare plutitoare.
Deoarece soarele este cea mai mare sursă de energie a noastră, poate fi dificil să găsim modalități de a valorifica această energie și de a o folosi în comunitățile noastre. Noile tehnologii și inovații disponibile în fiecare zi fac acest lucru posibil. Deși nu există multe articole de îmbrăcăminte purtătoare alimentate cu energie solară. să cumperi sau să vizitezi ferme solare plutitoare chiar acum, asta nu schimbă faptul că tehnologia nu are un potențial imens sau un viitor strălucit. Celulele solare plutitoare au un drum lung de parcurs în sensul vieții sălbatice pentru a fi la fel de comune ca panouri solare deasupra caselor. Celulele solare purtabile au un drum lung de parcurs înainte ca acestea să devină la fel de comune ca hainele pe care le purtăm în fiecare zi. În viitor, se așteaptă ca celulele solare să fie folosite în viața de zi cu zi fără a fi ascunse între haine. Pe măsură ce tehnologia avansează în următoarele decenii, potențialul industriei solare este nesfârșit.
Despre Raj Shah Dr. Raj Shah este director al Koehler Instrument Company din New York, unde a lucrat timp de 27 de ani. Este un fellow ales de colegii săi de la IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Fizica, Institutul de Cercetare a Energiei și Societatea Regală de Chimie. Beneficiarul premiului ASTM Eagle, Dr. Shah a co-editat recent cel mai bine vândut „Manual pentru combustibili și lubrifianți”, detalii disponibile în Manualul ASTM pentru combustibili și lubrifianți mult așteptat, ediția a doua – 15 iulie, 2020 – David Phillips – Articol de știri Petro Industry – Petro Online (petro-online.com)
Dr. Shah deține un doctorat în inginerie chimică de la Universitatea Penn State și membru al Chartered School of Management, Londra.El este, de asemenea, un om de știință autorizat al Consiliului științific, un inginer chartered Petroleum al Institutului de Energie și un consiliu de inginerie din Marea Britanie.Dr.Shah a fost recent onorat ca Distinguished Engineer de către Tau beta Pi, cea mai mare societate de inginerie din Statele Unite. El face parte din consiliile consultative ale Universității Farmingdale (Tehnologie mecanică), Universității Auburn (Tribologie) și Universității Stony Brook (Inginerie chimică/ Știința și Ingineria Materialelor).
Raj este profesor adjunct în Departamentul de Știința Materialelor și Inginerie Chimică de la SUNY Stony Brook, a publicat peste 475 de articole și a fost activ în domeniul energiei de peste 3 ani. Mai multe informații despre Raj pot fi găsite la directorul Koehler Instrument Company. ales ca Fellow la Institutul Internațional de Fizică Petro Online (petro-online.com)
Doamna Mariz Baslious și domnul Blerim Gashi sunt studenți la inginerie chimică la SUNY, iar dr. Raj Shah prezidează consiliul consultativ extern al universității. Mariz și Blerim fac parte dintr-un program de stagiu în creștere la Koehler Instrument, Inc. din Holtzville, NY, care încurajează studenții să învețe mai multe despre lumea tehnologiilor energetice alternative.
Ora postării: 12-feb-2022
