У міру розвитку цивілізації енергія, необхідна для підтримки нашого способу життя, зростає з кожним днем, що вимагає від нас пошуку нових та інноваційних способів використання наших відновлюваних ресурсів, таких як сонячне світло, щоб створити більше енергії для нашого суспільства для подальшого прогресу.
Сонячне світло протягом століть забезпечувало життя на нашій планеті. Прямо чи опосередковано сонце дозволяє виробляти майже всі відомі джерела енергії, такі як викопне паливо, гідро, вітер, біомаса тощо. У міру розвитку цивілізації енергія, необхідна для підтримки наш спосіб життя щодня змінюється, що вимагає від нас пошуку нових та інноваційних способів використання наших поновлюваних ресурсів, таких як сонячне світло, щоб створити більше енергії для нашого суспільства для подальшого прогресу.
Ще в стародавньому світі ми могли виживати за рахунок сонячної енергії, використовуючи сонячне світло як джерело енергії, що виникло в будівлях, побудованих понад 6000 років тому, шляхом орієнтації будинку так, щоб сонячне світло проходило через отвори, які виступали в якості форми опалення. .Тисячі років потому єгиптяни та греки використовували таку саму техніку, щоб зберегти свої будинки прохолодними влітку, захищаючи їх від сонця [1]. Великі однокамерні вікна використовуються як сонячні теплові вікна, пропускаючи сонячне тепло, але затримуючи його. тепло всередині. Сонячне світло було не лише необхідним для отримання тепла, яке воно виробляло в стародавньому світі, але також використовувалося для збереження та збереження їжі за допомогою солі. Під час засолення сонце використовується для випаровування токсичної морської води та отримання солі, яка збирається в сонячних басейнах [1]. В епоху пізнього Відродження Леонардо да Вінчі запропонував перше промислове застосування увігнутих дзеркальних сонячних концентраторів як водонагрівачів, а пізніше Леонардо також запропонував технологію зварювання міді.er використовує сонячне випромінювання та дозволяє технічні рішення для запуску текстильного обладнання [1]. Невдовзі під час промислової революції В. Адамс створив те, що зараз називається сонячною піччю. Ця піч має вісім симетричних срібних скляних дзеркал, які утворюють восьмикутний відбивач. Сонячне світло зосереджено дзеркалами в покриту склом дерев’яну коробку, куди буде поміщено каструлю і дайте їй закипіти [1]. Перенесіть кілька сотень років вперед і сонячний паровий двигун був побудований приблизно в 1882 році [1]. Абель Піфре використовував увігнуте дзеркало 3,5. м у діаметрі та сконцентрував його на циліндричному паровому котлі, який виробляв достатньо енергії для приводу друкарського верстата.
У 2004 році в Севільї, Іспанія, була встановлена перша в світі комерційна концентрована сонячна електростанція під назвою Planta Solar 10. Сонячне світло відбивається на вежі висотою приблизно 624 метри, де встановлені сонячні приймачі з паровими турбінами та генераторами. Це здатне генерувати енергію. для живлення понад 5500 будинків. Майже через десять років, у 2014 році, найбільша в світі сонячна електростанція відкрилася в Каліфорнії, США. Установка використовувала понад 300 000 керованих дзеркал і дозволяла виробляти 377 мегават електроенергії для живлення приблизно 140 000 будинків [ 1].
Будуються та використовуються не тільки заводи, але й споживачі в роздрібних магазинах також створюють нові технології. Сонячні батареї дебютували, і навіть автомобілі на сонячних батареях з’явилися, але одна з останніх розробок, про яку ще не було оголошено, — це нова сонячна Завдяки інтеграції USB-з’єднання або інших пристроїв він забезпечує підключення від одягу до пристроїв, таких як джерела, телефони та навушники, які можна заряджати в дорозі. Буквально кілька років тому команда японських дослідників із Riken Institute and Torah Industries описали розробку тонкої органічної сонячної батареї, яка б наносила тепловий друк одягу на одязі, дозволяючи клітині поглинати сонячну енергію та використовувати її як джерело енергії [2]. Мікросонячні батареї — це органічні фотоелектричні елементи з тепловим стабільність і гнучкість до 120 °C [2]. Члени дослідницької групи створили органічні фотоелементи на основі матеріалу під назвою PNTz4T [3]. PNTz4T — це напівпровідниковий полімер, раніше розроблений компанією Riken для чудової енергоефективності.стійкість до навколишнього середовища та висока ефективність перетворення електроенергії, потім обидві сторони комірки покриваються еластомером, гумоподібним матеріалом [3]. У процесі вони використовували два попередньо розтягнуті акрилові еластомери товщиною 500 мікрон, які пропускають світло елемент, але запобігає потраплянню води та повітря в елемент. Використання цього еластомеру допомагає зменшити деградацію самого акумулятора та подовжити термін його служби [3].
Одним із найпомітніших недоліків промисловості є вода. Виродження цих клітин може бути спричинено різними факторами, але найбільшим є вода, спільний ворог будь-якої технології. Надлишок вологи та тривалий вплив повітря можуть негативно вплинути на ефективність органічних фотоелектричних елементів [4]. Хоча в більшості випадків ви можете уникнути потрапляння води на свій комп’ютер або телефон, ви не можете уникнути цього на своєму одязі. Незалежно від того, дощ це чи пральна машина, вода неминуча. Після різноманітних тестів на Окремий органічний фотоелектричний елемент і органічний фотоелектричний елемент з двостороннім покриттям, обидва органічні фотоелектричні елементи були занурені у воду на 120 хвилин, було зроблено висновок, що потужність окремого органічного фотоелектричного елемента була Ефективність перетворення зменшується лише на 5,4%. Клітин зменшився на 20,8% [5].
Рисунок 1. Нормована ефективність перетворення потужності як функція часу занурення. Смуги похибок на графіку представляють стандартне відхилення, нормоване середнім значенням початкової ефективності перетворення потужності в кожній структурі [5].
На малюнку 2 зображено іншу розробку в Університеті Ноттінгема Трент, мініатюрну сонячну батарею, яку можна вставити в пряжу, яка потім вплітається в текстиль [2]. Кожна батарея, що входить до складу продукту, відповідає певним критеріям використання, таким як вимоги 3 мм завдовжки та 1,5 мм завширшки [2]. Кожен блок ламінований водонепроникною смолою, щоб можна було прати білизну в пральні або під час погоди [2]. Батареї також розроблені для комфорту, і кожна встановлена в таким чином, щоб не виступати та не дратувати шкіру користувача. У подальших дослідженнях було виявлено, що невеликий шматок одягу, схожий на 5 см^2 тканини, може містити трохи більше 200 клітин, в ідеалі виробляючи 2,5–10 вольт енергії, і прийшов до висновку, що існує лише 2000 елементів, щоб вони могли заряджати смартфони [2].
Рисунок 2. Мікро сонячні елементи довжиною 3 мм і шириною 1,5 мм (фото надано Університетом Ноттінгема Трент) [2].
Фотоелектричні тканини зливають два легкі та недорогі полімери для створення енергогенеруючих текстильних виробів. Перший із двох компонентів – мікросонячна батарея, яка збирає енергію сонячного світла, а другий складається з наногенератора, який перетворює механічну енергію в електрику [ 6]. Фотоелектрична частина тканини складається з полімерних волокон, які потім покриваються шарами марганцю, оксиду цинку (фотоелектричний матеріал) і йодиду міді (для збору заряду) [6]. Потім клітини сплітаються разом з крихітний мідний дріт, вбудований в одяг.
Секрет цих інновацій полягає в прозорих електродах гнучких фотоелектричних пристроїв. Прозорі провідні електроди є одним із компонентів фотоелектричних елементів, які дозволяють світлу проникати в елемент, збільшуючи швидкість збору світла. Використовується оксид олова, легований індієм (ITO). щоб виготовити ці прозорі електроди, які використовуються завдяки ідеальній прозорості (>80%) і хорошому опору листів, а також відмінній екологічній стабільності [7]. ITO має вирішальне значення, оскільки всі його компоненти знаходяться в майже ідеальних пропорціях. Співвідношення товщина в поєднанні з прозорістю та опором максимізує результати електродів [7]. Будь-які коливання у співвідношенні негативно вплинуть на електроди, а отже, і на продуктивність. Наприклад, збільшення товщини електрода зменшує прозорість і опір, що призводить до погіршення продуктивності. Однак ITO — це обмежений ресурс, який швидко витрачається. Дослідження тривають, щоб знайти альтернативу, яка не лише досягаєITO, але очікується, що він перевищить показники ITO [7].
Такі матеріали, як полімерні підкладки, які були модифіковані прозорими електропровідними оксидами, наразі зросли в популярності. На жаль, ці підкладки виявилися крихкими, жорсткими та важкими, що значно знижує гнучкість і продуктивність [7]. Дослідники пропонують рішення для використання гнучких волоконно-подібних сонячних батарей як заміни електродів. Волокниста батарея складається з електрода та двох окремих металевих дротів, які скручуються та комбінуються з активним матеріалом для заміни електрода [7]. Сонячні елементи показали багатообіцяючі завдяки своїй малій вазі , але проблема полягає у відсутності площі контакту між металевими дротами, що зменшує площу контакту і, таким чином, призводить до погіршення фотоелектричних характеристик [7].
Фактори навколишнього середовища також є великим стимулом для продовження досліджень. Наразі світ значною мірою покладається на невідновлювані джерела енергії, такі як викопне паливо, вугілля та нафта. Перенесення уваги з невідновлюваних джерел енергії на відновлювані джерела енергії, включаючи сонячну енергію, це необхідна інвестиція в майбутнє. Щодня мільйони людей заряджають свої телефони, комп’ютери, ноутбуки, розумні годинники та всі електронні пристрої, а використання наших тканин для заряджання цих пристроїв простою ходою може зменшити використання викопного палива. Хоча це може здатися тривіально в невеликому масштабі від 1 або навіть 500 людей, якщо масштабувати до десятків мільйонів, це може значно скоротити наше використання викопного палива.
Відомо, що сонячні батареї на сонячних електростанціях, у тому числі на будинках, допомагають використовувати відновлювану енергію та зменшують використання викопного палива, яке все ще активно використовується. Америка. Однією з головних проблем галузі є отримання землі для будувати такі ферми. Середня домогосподарство може підтримувати лише певну кількість сонячних панелей, а кількість сонячних електростанцій обмежена. У районах із достатньою площею більшість людей завжди вагаються щодо будівництва нової сонячної електростанції, оскільки це назавжди закриває можливість та потенціал інших можливостей на землі, таких як новий бізнес. Останнім часом існує велика кількість установок плавучих фотоелектричних панелей, які можуть генерувати велику кількість електроенергії, і головною перевагою плавучих сонячних електростанцій є зниження витрат [8]. земля не використовується, немає необхідності турбуватися про витрати на встановлення поверх будинків і будівель. Усі відомі на даний момент плавучі сонячні електростанції розташовані на штучних водоймах, і в майбутньому це iможливе розміщення цих ферм на природних водоймах.Штучні водойми мають багато переваг, які рідко зустрічаються в океані [9]. Рукотворними водоймами легко керувати, а за попередньої інфраструктури та доріг можна просто встановити ферми. Плаваючі сонячні електростанції також показали свою продуктивність, ніж наземні сонячні електростанції через коливання температури між водою та землею [9]. Через високу питому теплоємність води температура поверхні суші, як правило, вища, ніж у водойм, і було показано, що високі температури негативно впливають на продуктивність коефіцієнтів перетворення сонячних панелей. Хоча температура не контролює кількість сонячного світла, яке отримує панель, вона впливає на кількість енергії, яку ви отримуєте від сонячного світла. За низьких енергій (тобто нижчих температур) електрони всередині сонячної панелі будуть стан спокою, а потім, коли потрапляє сонячне світло, вони досягають збудженого стану [10]. Різниця між станом спокою та збудженим станом полягає в тому, скільки енергії генерується в напрузі. Сонце не тільки можеht збуджує ці електрони, але також може нагріватися. Якщо тепло навколо сонячної панелі живить електрони та переводить їх у стан низького збудження, напруга не буде такою великою, коли сонячне світло потрапляє на панель [10]. Оскільки земля поглинає та випромінює нагрівається легше, ніж вода, електрони в сонячній панелі на суші, ймовірно, перебувають у вищому збудженому стані, а потім сонячна панель розташована на водоймі, яка є холоднішою, або поблизу неї. Подальші дослідження показали, що ефект охолодження Вода навколо плаваючих панелей допомагає генерувати на 12,5% більше енергії, ніж на суші [9].
Поки що сонячні батареї задовольняють лише 1% енергетичних потреб Америки, але якби ці сонячні електростанції були встановлені на чверті штучно створених водойм, сонячні батареї задовольнили б майже 10% енергетичних потреб Америки. У Колорадо, де плавучий панелі були введені якнайшвидше, два великих водойми в Колорадо втратили багато води через випаровування, але завдяки встановленню цих плаваючих панелей резервуарам вдалося запобігти висиханню та виробити електроенергію [11]. Навіть один відсоток людей Зроблених резервуарів, оснащених сонячними електростанціями, вистачить, щоб генерувати принаймні 400 гігават електроенергії, достатньо для живлення 44 мільярдів світлодіодних лампочок протягом року.
На малюнку 4a показано збільшення потужності, яке забезпечує плаваюча сонячна батарея, порівняно з малюнком 4b. Хоча за останнє десятиліття було небагато плавучих сонячних електростанцій, вони все ще роблять велику різницю у виробництві електроенергії. У майбутньому, коли плавучі сонячні ферми стане більш рясним, загальна вироблена енергія, як кажуть, потроїться з 0,5 ТВт у 2018 році до 1,1 ТВт до кінця 2022 року.[12]
З точки зору навколишнього середовища, ці плавучі сонячні електростанції є дуже корисними в багатьох відношеннях. Крім зменшення залежності від викопного палива, сонячні електростанції також зменшують кількість повітря та сонячного світла, що досягає поверхні води, що може допомогти змінити кліматичні зміни [9]. ферма, яка зменшує швидкість вітру та попадання прямих сонячних променів на поверхню води принаймні на 10%, може компенсувати глобальне потепління протягом цілого десятиліття [9]. З точки зору біорізноманіття та екології, значних негативних впливів не виявлено. Панелі запобігають сильному вітру активність на водній поверхні, тим самим зменшуючи ерозію на березі річки, захищаючи та стимулюючи рослинність.[13]. Немає остаточних результатів щодо впливу на морське життя, але такі заходи, як заповнена черепашками біохатина, створена Ecocean, були занурені під фотоелектричні панелі, щоб потенційно підтримувати морське життя.[13]. Однією з головних проблем поточних досліджень є потенційний вплив на харчовий ланцюг через встановлення інфраструктури, такої якфотоелектричні панелі на відкритій воді, а не на штучних водоймах. Оскільки у воду потрапляє менше сонячного світла, це спричиняє зниження швидкості фотосинтезу, що призводить до масової втрати фітопланктону та макрофітів. Зі зменшенням кількості цих рослин вплив на тварин нижче в харчовому ланцюгу тощо, призводить до субсидій для водних організмів [14]. Хоча цього ще не сталося, це може запобігти подальшій потенційній шкоді екосистемі, головному недоліку плавучих сонячних ферм.
Оскільки сонце є нашим найбільшим джерелом енергії, може бути важко знайти способи використовувати цю енергію та використовувати її в наших громадах. Нові технології та інновації, доступні щодня, роблять це можливим. Хоча існує не так багато одягу, який можна носити на сонячних батареях купити або відвідати плавучі сонячні ферми прямо зараз, це не змінює того факту, що ця технологія не має величезного потенціалу чи світлого майбутнього. Плавучі сонячні батареї мають пройти довгий шлях у сенсі дикої природи, щоб стати такими ж поширеними, як сонячні батареї на будинках. Носимі сонячні батареї потрібно пройти довгий шлях, перш ніж вони стануть такими ж поширеними, як одяг, який ми носимо щодня. У майбутньому очікується, що сонячні батареї використовуватимуться в повсякденному житті, не ховаючи їх між нашими одяг. З розвитком технологій у найближчі десятиліття потенціал сонячної промисловості безмежний.
Про Раджа Шаха. Доктор Радж Шах є директором Koehler Instrument Company у Нью-Йорку, де він працював 27 років. Він є науковим співробітником, обраним його колегами з IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Інституту Physics, Institute of Energy Research and the Royal Society of Chemistry. Лауреат нагороди ASTM Eagle Award д-р Шах нещодавно був співредактором бестселера «Fuels and Lubricants Handbook», деталі доступні в ASTM's Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook, 2nd Edition — 15 липня, 2020 – Девід Філліпс – Стаття про індустріальні новини Petro – Petro Online (petro-online.com)
Доктор Шах має ступінь доктора філософії в галузі хімічної інженерії в Університеті штату Пенсільванія та є членом Чартерної школи менеджменту в Лондоні.Він також є дипломованим науковцем Наукової ради, дипломованим інженером-нафтовиком Енергетичного інституту та Інженерної ради Великобританії.Нещодавно Tau beta Pi, найбільше інженерне товариство в Сполучених Штатах, нагородило Шаха званням Заслужений інженер. Він входить до консультативних рад Університету Фармінгдейла (механічні технології), Університету Оберн (трибологія) та Університету Стоуні Брук (хімічна інженерія/ Матеріалознавство та інженерія).
Радж є ад’юнкт-професором кафедри матеріалознавства та хімічної інженерії в SUNY Stony Brook, опублікував понад 475 статей і працює в галузі енергетики більше 3 років. Більше інформації про Раджа можна знайти на сторінці директора Koehler Instrument Company. обраний науковим співробітником Міжнародного інституту фізики Petro Online (petro-online.com)
Пані Маріз Басліус і пан Блерім Гаші є студентами хімічної інженерії в SUNY, а д-р Радж Шах очолює зовнішню консультативну раду університету. Маріз і Блерім є частиною програми стажування в компанії Koehler Instrument, Inc. у Холцвіллі, штат Нью-Йорк заохочує студентів дізнатися більше про світ альтернативних енергетичних технологій.
Час публікації: 12 лютого 2022 р
