Ako civilizácia rastie, energia potrebná na podporu nášho spôsobu života sa každým dňom zvyšuje, čo si vyžaduje, aby sme našli nové a inovatívne spôsoby, ako využiť naše obnoviteľné zdroje, ako je slnečné svetlo, aby sme vytvorili viac energie pre našu spoločnosť, aby mohla pokračovať v pokroku.
Slnečné svetlo poskytuje a umožňuje život na našej planéte po stáročia. Či už priamo alebo nepriamo, slnko umožňuje vytváranie takmer všetkých známych zdrojov energie, ako sú fosílne palivá, voda, vietor, biomasa atď. Ako civilizácia rastie, energia potrebná na podporu náš spôsob života sa každým dňom zvyšuje, čo si vyžaduje, aby sme našli nové a inovatívne spôsoby, ako využiť naše obnoviteľné zdroje, ako je slnečné svetlo, na vytvorenie viac energie pre našu spoločnosť, aby mohla pokračovať v pokroku.
Už v staroveku sme boli schopní prežiť zo slnečnej energie, využívajúc slnečné svetlo ako zdroj energie pochádza z budov postavených pred viac ako 6000 rokmi, orientáciou domu tak, aby slnečné svetlo prechádzalo cez otvory, ktoré fungujú ako forma vykurovania. .O tisíce rokov neskôr používali Egypťania a Gréci rovnakú techniku na udržanie chladu svojich domov počas leta tak, že ich chránili pred slnkom [1]. teplo vo vnútri.Slnečné svetlo nebolo nevyhnutné len pre teplo, ktoré produkovalo v starovekom svete, ale využívalo sa aj na konzervovanie a konzervovanie potravín prostredníctvom soli.Pri salinizácii sa slnko využíva na odparovanie toxickej morskej vody a získavanie soli, ktorá sa zbiera v solárnych bazénoch.využíva slnečné žiarenie a umožňuje technickým riešeniam prevádzkovať textilné stroje [1]. Čoskoro počas priemyselnej revolúcie vytvoril W. Adams to, čo sa dnes nazýva solárna rúra. Táto rúra má osem symetrických zrkadiel zo strieborného skla, ktoré tvoria osemuholníkový reflektor. sústredené zrkadlami do sklenenej drevenej škatule, kde sa hrniec postaví a nechá zovrieť[1]. Rýchlo vpred o niekoľko sto rokov a solárny parný stroj bol skonštruovaný okolo roku 1882 [1].Abel Pifre použil konkávne zrkadlo 3.5 m v priemere a zameral ho na valcový parný kotol, ktorý produkoval dostatok energie na pohon tlačiarenského lisu.
V roku 2004 bola v Seville v Španielsku založená prvá komerčná koncentrovaná solárna elektráreň na svete s názvom Planta Solar 10. Slnečné svetlo sa odráža na veži s výškou približne 624 metrov, kde sú nainštalované solárne prijímače s parnými turbínami a generátormi. Táto je schopná generovať energiu. na napájanie viac ako 5 500 domácností. Takmer o desaťročie neskôr, v roku 2014, bola v Kalifornii v USA otvorená najväčšia solárna elektráreň na svete. Elektráreň využívala viac ako 300 000 riadených zrkadiel a umožnila výrobu 377 megawattov elektriny na napájanie približne 140 000 domácností [ 1].
Nielenže sa stavajú a používajú továrne, ale aj spotrebitelia v maloobchodných predajniach vytvárajú nové technológie. Debutovali solárne panely a do hry vstúpili dokonca aj autá poháňané solárnou energiou, ale jedným z najnovších vývojov, ktoré ešte neboli oznámené, sú nové solárne panely. napájaná nositeľná technológia.Vďaka integrácii pripojenia USB alebo iných zariadení umožňuje pripojenie oblečenia k zariadeniam, ako sú zdroje, telefóny a slúchadlá, ktoré možno nabíjať na cestách. Len pred niekoľkými rokmi tím japonských výskumníkov z Riken Inštitút a Torah Industries opísali vývoj tenkého organického solárneho článku, ktorý by tepelne tlačil oblečenie na odev, čo by umožnilo článku absorbovať slnečnú energiu a použiť ju ako zdroj energie [2] ]. Mikrosolárne články sú organické fotovoltaické články s tepelnou stabilita a flexibilita až do 120 °C [2].Členovia výskumnej skupiny založili organické fotovoltické články na materiáli s názvom PNTz4T [3].PNTz4T je polovodičový polymér predtým vyvinutý spoločnosťou Riken pre vynikajúce environmentálna stabilita a vysoká účinnosť premeny energie, potom sú obe strany článku pokryté elastomérom, materiálom podobným gume [3]. Pri tomto procese použili dva vopred natiahnuté akrylové elastoméry s hrúbkou 500 mikrónov, ktoré umožňujú prenikanie svetla článku, ale zabraňujú vniknutiu vody a vzduchu do článku. Použitie tohto elastoméru pomáha znižovať degradáciu samotnej batérie a predlžuje jej životnosť [3].
Jednou z najvýraznejších nevýhod tohto odvetvia je voda. Degeneráciu týchto buniek môže spôsobiť množstvo faktorov, ale najväčším je voda, spoločný nepriateľ každej technológie. Akákoľvek nadmerná vlhkosť a dlhodobé vystavenie vzduchu môže negatívne ovplyvniť účinnosť. organických fotovoltaických článkov [4].Zatiaľ čo sa vo väčšine prípadov vyhnete tomu, aby sa vám voda na počítači alebo telefóne vyhla, s oblečením sa jej nevyhnete.Či už je to dážď alebo práčka, vode sa nevyhnete.Po rôznych testoch na voľne stojaceho organického fotovoltaického článku a obojstranne potiahnutého organického fotovoltického článku, oba organické fotovoltické články boli ponorené do vody na 120 minút, dospelo sa k záveru, že výkon voľne stojaceho organického fotovoltického článku bol Účinnosť konverzie je znížená len o 5,4 %. Počet buniek sa znížil o 20,8 % [5].
Obrázok 1. Normalizovaná účinnosť premeny energie ako funkcia času ponorenia. Chybové úsečky v grafe predstavujú štandardnú odchýlku normalizovanú priemerom počiatočnej účinnosti premeny energie v každej štruktúre [5].
Obrázok 2 znázorňuje ďalší vývoj na Nottingham Trent University, miniatúrny solárny článok, ktorý je možné vložiť do priadze, ktorá je potom votkaná do textílie [2]. Každá batéria zahrnutá v produkte spĺňa určité kritériá použitia, ako sú požiadavky 3 mm dlhá a 1,5 mm široká[2]. Každá jednotka je laminovaná vodeodolnou živicou, ktorá umožňuje pranie bielizne v práčovni alebo vplyvom počasia [2]. Batérie sú tiež prispôsobené pre pohodlie a každá je namontovaná v spôsobom, ktorý nevyčnieva ani nedráždi pokožku nositeľa. V ďalšom výskume sa zistilo, že v malom kúsku odevu podobnom 5 cm^2 časti látky môže obsahovať niečo vyše 200 buniek, ideálne produkujúcich 2,5 – 10 voltov energie a dospel k záveru, že existuje len 2 000 buniek, aby bunky mohli nabíjať smartfóny [2].
Obrázok 2. Mikrosolárne články s dĺžkou 3 mm a šírkou 1,5 mm (foto s láskavým dovolením Nottingham Trent University) [2].
Fotovoltaické tkaniny spájajú dva ľahké a lacné polyméry a vytvárajú textílie generujúce energiu. Prvým z dvoch komponentov je mikrosolárny článok, ktorý získava energiu zo slnečného žiarenia, a druhý pozostáva z nanogenerátora, ktorý premieňa mechanickú energiu na elektrinu [ 6]. Fotovoltaická časť tkaniny pozostáva z polymérových vlákien, ktoré sú následne potiahnuté vrstvami mangánu, oxidu zinočnatého (fotovoltaický materiál) a jodidu medi (na zber náboja) [6]. malý medený drôt integrovaný do odevu.
Tajomstvo týchto inovácií spočíva v priehľadných elektródach flexibilných fotovoltaických zariadení. Transparentné vodivé elektródy sú jednou zo súčastí fotovoltaických článkov, ktoré umožňujú vstup svetla do článku, čím sa zvyšuje rýchlosť zberu svetla. Používa sa oxid cínu dopovaný indiom (ITO). na výrobu týchto priehľadných elektród, ktoré sa používajú pre svoju ideálnu priehľadnosť (>80 %) a dobrú odolnosť voči plechu, ako aj vynikajúcu environmentálnu stabilitu [7]. ITO je rozhodujúce, pretože všetky jeho komponenty sú v takmer dokonalom pomere. hrúbka v kombinácii s priehľadnosťou a odporom maximalizuje výsledky elektród [7]. Akékoľvek kolísanie pomeru negatívne ovplyvní elektródy a tým aj výkon. Napríklad zväčšovanie hrúbky elektródy znižuje priehľadnosť a odpor, čo vedie k degradácii výkonu. ITO je však obmedzený zdroj, ktorý sa rýchlo spotrebuje. Pokračuje výskum s cieľom nájsť alternatívu, ktorá nielenITO, ale očakáva sa, že prekoná výkonnosť ITO [7].
Materiály, ako sú polymérové substráty, ktoré boli modifikované transparentnými vodivými oxidmi, si zatiaľ získavajú na popularite. Bohužiaľ sa ukázalo, že tieto substráty sú krehké, tuhé a ťažké, čo výrazne znižuje flexibilitu a výkon [7]. Výskumníci ponúkajú riešenie pomocou flexibilných solárnych článkov podobných vláknam ako náhrady elektród.Vláknitá batéria pozostáva z elektródy a dvoch odlišných kovových drôtov, ktoré sú skrútené a kombinované s aktívnym materiálom, aby nahradili elektródu [7].Solárne články sa ukázali ako sľubné vďaka svojej nízkej hmotnosti , ale problémom je nedostatočná kontaktná plocha medzi kovovými drôtmi, čím sa kontaktná plocha zmenšuje a tým dochádza k zhoršenému výkonu fotovoltaiky [7].
Environmentálne faktory sú tiež veľkou motiváciou pre pokračujúci výskum. V súčasnosti sa svet vo veľkej miere spolieha na neobnoviteľné zdroje energie, ako sú fosílne palivá, uhlie a ropa. Presun pozornosti z neobnoviteľných zdrojov energie na obnoviteľné zdroje energie vrátane solárnej energie, je nevyhnutnou investíciou do budúcnosti. Každý deň si milióny ľudí nabíjajú svoje telefóny, počítače, notebooky, inteligentné hodinky a všetky elektronické zariadenia a používanie našich látok na nabíjanie týchto zariadení len chôdzou môže znížiť našu spotrebu fosílnych palív. Aj keď sa to môže zdať triviálne v malom meradle 1 alebo dokonca 500 ľudí, pri zväčšení na desiatky miliónov by to mohlo výrazne znížiť naše využívanie fosílnych palív.
Je známe, že solárne panely v solárnych elektrárňach, vrátane tých, ktoré sú namontované na streche domov, pomáhajú využívať obnoviteľnú energiu a znižujú používanie fosílnych palív, ktoré sa stále vo veľkej miere využívajú. Amerika. Jedným z hlavných problémov priemyslu je získavanie pôdy postaviť tieto farmy. Priemerná domácnosť môže podporovať len určitý počet solárnych panelov a počet solárnych fariem je obmedzený. V oblastiach s dostatočným priestorom väčšina ľudí vždy váha, či postaviť novú solárnu elektráreň, pretože to natrvalo zatvára možnosť a potenciál ďalších príležitostí na pôde, ako sú nové podniky. Existuje veľké množstvo inštalácií plávajúcich fotovoltaických panelov, ktoré v poslednej dobe dokážu generovať veľké množstvo elektriny a hlavnou výhodou plávajúcich solárnych fariem je zníženie nákladov [8]. pozemok nie je využívaný, nie je potrebné sa obávať nákladov na inštaláciu na vrchu domov a budov. Všetky v súčasnosti známe plávajúce solárne farmy sa nachádzajú na umelých vodných plochách av budúcnosti saje možné umiestniť tieto farmy na prírodné vodné plochy.Umelé nádrže majú mnoho výhod, ktoré nie sú v oceáne bežné [9]. Umelé nádrže sa ľahko spravujú a s predchádzajúcou infraštruktúrou a cestami je možné farmy jednoducho nainštalovať. Plávajúce solárne farmy sa tiež ukázali ako produktívnejšie ako pozemné solárne farmy v dôsledku teplotných rozdielov medzi vodou a zemou [9].V dôsledku vysokého špecifického tepla vody je povrchová teplota pôdy vo všeobecnosti vyššia ako teplota vodných plôch a ukázalo sa, že vysoké teploty negatívne ovplyvňujú výkon miery konverzie solárnych panelov. Hoci teplota nekontroluje, koľko slnečného svetla panel dostane, ovplyvňuje to, koľko energie zo slnečného žiarenia prijmete. Pri nízkych energiách (tj nižších teplotách) budú elektróny vo vnútri solárneho panelu v pokojový stav a potom, keď dopadne slnečné svetlo, dosiahnu excitovaný stav [10]. Rozdiel medzi pokojovým a excitovaným stavom je v tom, koľko energie sa generuje v napätí.Tieto elektróny budú excitovať, ale tiež sa môžu zahriať. Ak teplo okolo solárneho panelu nabudí elektróny a uvedie ich do stavu s nízkou excitáciou, napätie nebude také veľké, keď slnečné svetlo dopadne na panel [10]. ohrievajú sa ľahšie ako voda, elektróny v solárnom paneli na súši sú pravdepodobne vo vyššom excitovanom stave a potom sa solárny panel nachádza na vodnej ploche alebo v jej blízkosti, ktorá je chladnejšia. Ďalší výskum dokázal, že chladiaci účinok voda okolo plávajúcich panelov pomáha generovať o 12,5 % viac energie ako na súši [9].
Solárne panely zatiaľ pokrývajú iba 1 % energetických potrieb Ameriky, ale ak by tieto solárne farmy boli vysadené až na štvrtine umelých vodných nádrží, solárne panely by pokryli takmer 10 % energetických potrieb Ameriky. V Colorade, kde plávajúce panely boli zavedené čo najskôr, dve veľké vodné nádrže v Colorade stratili veľa vody v dôsledku vyparovania, ale inštaláciou týchto plávajúcich panelov sa zabránilo vysychaniu nádrží a generovaniu elektriny [11].Dokonca jedno percento ľudí -vyrobené nádrže vybavené solárnymi farmami by stačili na výrobu najmenej 400 gigawattov elektriny, čo by stačilo na napájanie 44 miliárd LED žiaroviek na viac ako rok.
Obrázok 4a ukazuje zvýšenie výkonu poskytovaného plávajúcim solárnym článkom v porovnaní s obrázkom 4b. Aj keď v poslednom desaťročí bolo málo plávajúcich solárnych fariem, stále predstavujú taký veľký rozdiel vo výrobe energie. V budúcnosti, keď plávajúce solárne farmy sa zvyšuje, celková vyrobená energia sa údajne strojnásobí z 0,5 TW v roku 2018 na 1,1 TW do konca roku 2022.[12].
Z environmentálneho hľadiska sú tieto plávajúce solárne farmy veľmi prospešné v mnohých smeroch. Okrem zníženia závislosti na fosílnych palivách solárne farmy tiež znižujú množstvo vzduchu a slnečného svetla, ktoré sa dostane na hladinu vody, čo môže pomôcť zvrátiť klimatické zmeny [9]. farma, ktorá zníži rýchlosť vetra a priame slnečné svetlo dopadajúce na vodnú hladinu aspoň o 10 %, by mohla kompenzovať celé desaťročie globálneho otepľovania [9]. Z hľadiska biodiverzity a ekológie sa nezistili žiadne veľké negatívne vplyvy. Panely zabraňujú silnému vetru aktivity na vodnej hladine, čím sa znižuje erózia na brehu rieky, chráni a stimuluje vegetácia.[13] Neexistujú žiadne definitívne výsledky o tom, či je ovplyvnený morský život, ale opatrenia, ako je biochata vyplnená lastúrami, ktorú vytvorila spoločnosť Ecocean. boli ponorené pod fotovoltaické panely, aby potenciálne podporili morský život.[13] Jednou z hlavných obáv prebiehajúceho výskumu je potenciálny vplyv na potravinový reťazec v dôsledku inštalácie infraštruktúry, ako napr.fotovoltaických panelov na otvorenej vode a nie umelých nádrží. Keďže do vôd vstupuje menej slnečného svetla, spôsobuje to zníženie rýchlosti fotosyntézy, čo vedie k masívnej strate fytoplanktónu a makrofytov. S redukciou týchto rastlín sa vplyv na živočíchy nižšie v potravinovom reťazci atď., vedie k dotáciám pre vodné organizmy [14]. Aj keď sa to ešte nestalo, mohlo by to zabrániť ďalšiemu potenciálnemu poškodeniu ekosystému, čo je hlavná nevýhoda plávajúcich solárnych fariem.
Keďže slnko je naším najväčším zdrojom energie, môže byť ťažké nájsť spôsoby, ako túto energiu využiť a využiť v našich komunitách. Umožňujú to nové technológie a inovácie dostupné každý deň. Aj keď nie je veľa nositeľných odevov na solárnu energiu kúpiť alebo plávajúce solárne farmy navštíviť práve teraz, to nič nemení na fakte, že technológia nemá obrovský potenciál ani svetlú budúcnosť. Plávajúce solárne články majú pred sebou ešte dlhú cestu, aby boli také bežné ako solárne panely na vrchoch domácností. Nositeľné solárne články majú pred sebou ešte dlhú cestu, kým sa stanú bežnými ako oblečenie, ktoré nosíme každý deň. V budúcnosti sa očakáva, že solárne články sa budú používať v každodennom živote bez toho, aby museli byť skryté medzi našimi Ako technológia napreduje v nasledujúcich desaťročiach, potenciál solárneho priemyslu je nekonečný.
O Raj Shah Dr. Raj Shah je riaditeľom spoločnosti Koehler Instrument Company v New Yorku, kde pôsobí 27 rokov. Je členom zvoleným svojimi kolegami z IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Physics, Institute of Energy Research a Royal Society of Chemistry. Držiteľ ceny ASTM Eagle Award Dr. Shah nedávno spoluredigoval najpredávanejšiu „Príručku palív a mazív“, podrobnosti sú dostupné v príručke ASTM's Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook, 2. vydanie – 15. júla, 2020 – David Phillips – Petro Industry News Article – Petro Online (petro-online.com)
Dr. Shah má doktorát z chemického inžinierstva na Penn State University a je členom Chartered School of Management v Londýne.Je tiež autorizovaným vedcom Vedeckej rady, autorizovaným ropným inžinierom Energetického inštitútu a inžinierskej rady Spojeného kráľovstva. Dr.Shah bol nedávno ocenený ako Distinguished Engineer od Tau beta Pi, najväčšej inžinierskej spoločnosti v Spojených štátoch. Je členom poradných rád Farmingdale University (Mechanical Technology), Auburn University (Tribology) a Stony Brook University (Chemical Engineering/ veda o materiáloch a inžinierstvo).
Raj je mimoriadnym profesorom na Katedre materiálovej vedy a chemického inžinierstva na SUNY Stony Brook, publikoval viac ako 475 článkov a v oblasti energetiky pôsobí viac ako 3 roky. Viac informácií o Rajovi nájdete u riaditeľa spoločnosti Koehler Instrument Company zvolený za člena Medzinárodného inštitútu fyziky Petro Online (petro-online.com)
Pani Mariz Baslious a pán Blerim Gashi sú študenti chemického inžinierstva na SUNY a Dr. Raj Shah predsedá externému poradnému zboru univerzity. Mariz a Blerim sú súčasťou rastúceho programu stáží v Koehler Instrument, Inc. v Holtzville, NY. povzbudzuje študentov, aby sa dozvedeli viac o svete alternatívnych energetických technológií.
Čas odoslania: Feb-12-2022
