När civilisationen växer ökar energin som behövs för att stödja vårt sätt att leva varje dag, vilket kräver att vi hittar nya och innovativa sätt att utnyttja våra förnybara resurser, såsom solljus, för att skapa mer energi för vårt samhälle att fortsätta framstegen.
Solljus har tillhandahållit och möjliggjort liv på vår planet i århundraden. Oavsett om det är direkt eller indirekt tillåter solen generering av nästan alla kända energikällor som fossila bränslen, vattenkraft, vind, biomassa, etc. När civilisationen växer, behövs den energi som behövs för att stödja vårt sätt att leva ökar varje dag, vilket kräver att vi hittar nya och innovativa sätt att utnyttja våra förnybara resurser, såsom solljus, för att skapa mer energi för vårt samhälle att fortsätta framstegen.
Så långt tillbaka som i den antika världen har vi kunnat överleva på solenergi, med solljus som energikälla som härstammar från byggnader som byggdes för mer än 6 000 år sedan, genom att orientera huset så att solljus passerar genom öppningar som fungerar som en form av uppvärmning .Tusentals år senare använde egyptier och greker samma teknik för att hålla sina hus svala under sommaren genom att skydda dem från solen. värmen inuti.Solljus var inte bara nödvändigt för värmen det producerade i den antika världen, utan det användes också för att bevara och konservera mat genom salt. Vid försaltning används solen för att avdunsta giftigt havsvatten och få salt, som samlas upp i solpooler [1]. I slutet av renässansen föreslog Leonardo da Vinci den första industriella tillämpningen av konkava spegelsolenergikoncentratorer som vattenvärmare, och senare föreslog Leonardo också tekniken för att svetsa copper använder solstrålning och tillåter tekniska lösningar för att driva textilmaskiner [1]. Snart under den industriella revolutionen skapade W. Adams vad som nu kallas en solugn. Denna ugn har åtta symmetriska silverglasspeglar som bildar en åttakantig reflektor. Solljus är koncentreras av speglar till en glasklädd trälåda där grytan ska placeras och låta den koka[1]. Snabbspola fram några hundra år och solångmaskinen byggdes runt 1882 [1]. Abel Pifre använde en konkav spegel 3,5 m i diameter och fokuserade den på en cylindrisk ångpanna som producerade tillräckligt med kraft för att driva tryckpressen.
2004 etablerades världens första kommersiella koncentrerade solkraftverk, Planta Solar 10, i Sevilla, Spanien. Solljus reflekteras på ett torn på cirka 624 meter, där solcellsmottagare är installerade med ångturbiner och generatorer. Detta kan generera energi för att driva mer än 5 500 hem. Nästan ett decennium senare, 2014, öppnade världens största solkraftverk i Kalifornien, USA. Anläggningen använde mer än 300 000 kontrollerade speglar och tillät produktion av 377 megawatt el för att driva cirka 140 000 hem [ 1].
Inte bara byggs och används fabriker, utan konsumenter i butiker skapar också ny teknik. Solpaneler gjorde sin debut, och till och med soldrivna bilar kom in i bilden, men en av de senaste utvecklingarna som ännu inte har tillkännagetts är nya solceller. driven bärbar teknologi. Genom att integrera en USB-anslutning eller andra enheter möjliggör den anslutning från kläder till enheter som källor, telefoner och öronsnäckor, som kan laddas när du är på språng. För bara några år sedan, ett team av japanska forskare vid Riken Institutet och Torah Industries beskrev utvecklingen av en tunn organisk solcell som skulle värmetrycka kläder på kläder, vilket gör att cellen kan absorbera solenergi och använda den som en kraftkälla [2] ]. Mikrosolceller är organiska solceller med värme stabilitet och flexibilitet upp till 120 °C [2]. Medlemmar i forskargruppen baserade organiska fotovoltaiska celler på ett material som kallas PNTz4T [3]. PNTz4T är en halvledande polymer som tidigare utvecklats av Riken för utmärktavironmental stabilitet och hög effektomvandlingseffektivitet, då täcks båda sidor av cellen med elastomer, ett gummiliknande material [3]. I processen använde de två försträckta 500 mikron tjocka akrylelastomerer som låter ljus komma in cellen men förhindrar att vatten och luft kommer in i cellen. Användningen av denna elastomer hjälper till att minska nedbrytningen av själva batteriet och förlänga dess livslängd [3].
En av branschens mest anmärkningsvärda nackdelar är vatten. Degenerationen av dessa celler kan orsakas av en mängd olika faktorer, men den största är vatten, den gemensamma fienden till all teknik. All överskott av fukt och långvarig exponering för luft kan påverka effektiviteten negativt av organiska solcellsceller [4]. Även om du i de flesta fall kan undvika att få vatten på din dator eller telefon, kan du inte undvika det med dina kläder. Oavsett om det är regn eller en tvättmaskin är vatten oundvikligt. Efter olika tester på fristående organiska solcellsceller och den dubbelsidigt belagda organiska solcellscellen, båda organiska solcellscellerna nedsänktes i vatten i 120 minuter, drogs slutsatsen att kraften hos den fristående organiska solcellscellen var Konverteringseffektiviteten minskas endast med 5,4%.Celler minskade med 20,8% [5].
Figur 1. Normaliserad effektomvandlingseffektivitet som funktion av nedsänkningstid. Felstaplarna på grafen representerar standardavvikelsen normaliserad med medelvärdet av de initiala effektomvandlingseffektiviteterna i varje struktur [5].
Figur 2 visar en annan utveckling vid Nottingham Trent University, en solcell i miniatyr som kan bäddas in i ett garn, som sedan vävs in i en textil [2]. Varje batteri som ingår i produkten uppfyller vissa kriterier för användning, såsom kraven på 3 mm lång och 1,5 mm bred[2]. Varje enhet är laminerad med ett vattentätt harts så att tvätten kan tvättas i tvättstugan eller på grund av väder [2]. Batterierna är också skräddarsydda för komfort, och var och en är monterad i en sätt som inte sticker ut eller irriterar bärarens hud. Vid ytterligare forskning fann man att ett litet klädesplagg som liknar en 5 cm^2 sektion av tyg kan innehålla drygt 200 celler, idealiskt producera 2,5 – 10 volt energi, och drog slutsatsen att det bara finns 2000 celler som celler behöver för att kunna ladda smartphones [2].
Figur 2. Mikrosolceller 3 mm långa och 1,5 mm breda (foto med tillstånd av Nottingham Trent University) [2].
Fotovoltaiska tyger smälter samman två lätta och billiga polymerer för att skapa energigenererande textilier. Den första av de två komponenterna är en mikrosolcell, som skördar energi från solljus, och den andra består av en nanogenerator, som omvandlar mekanisk energi till elektricitet [ 6]. Den solcellsdelen av tyget består av polymerfibrer, som sedan beläggs med lager av mangan, zinkoxid (ett solcellsmaterial) och kopparjodid (för laddningsuppsamling) [6]. Cellerna vävs sedan samman med en liten koppartråd och integrerad i plagget.
Hemligheten bakom dessa innovationer ligger i de genomskinliga elektroderna hos flexibla fotovoltaiska enheter. Transparenta ledande elektroder är en av komponenterna på fotovoltaiska celler som tillåter ljus att komma in i cellen, vilket ökar ljusuppsamlingshastigheten. Indiumdopad tennoxid (ITO) används att tillverka dessa genomskinliga elektroder, som används för sin idealiska transparens (>80 %) och goda arkresistans samt utmärkt miljöstabilitet [7]. ITO:n är avgörande eftersom alla dess komponenter är i nästan perfekta proportioner. tjocklek i kombination med transparens och resistans maximerar elektrodernas resultat [7]. Eventuella fluktuationer i förhållandet kommer att påverka elektroderna negativt och därmed prestandan. Om till exempel att öka elektrodens tjocklek minskar transparensen och motståndet, vilket leder till prestandaförsämring. ITO är dock en ändlig resurs som snabbt förbrukas. Forskning har pågått för att hitta ett alternativ som inte bara uppnårITO, men förväntas överträffa ITO:s prestanda [7].
Material som polymersubstrat som har modifierats med transparenta ledande oxider har vuxit i popularitet hittills. Tyvärr har dessa substrat visat sig vara spröda, styva och tunga, vilket kraftigt minskar flexibiliteten och prestanda [7]. Forskare erbjuder en lösning på använder flexibla fiberliknande solceller som elektrodersättningar. Ett fiberbatteri består av en elektrod och två distinkta metalltrådar som är tvinnade och kombinerade med ett aktivt material för att ersätta elektroden [7]. Solceller har visat sig lovande på grund av sin låga vikt , men problemet är bristen på kontaktyta mellan metalltrådarna, vilket minskar kontaktytan och därmed resulterar i försämrad solcellsprestanda [7].
Miljöfaktorer är också en stor drivkraft för fortsatt forskning. För närvarande är världen starkt beroende av icke-förnybara energikällor som fossila bränslen, kol och olja. Att flytta fokus från icke-förnybara energikällor till förnybara energikällor, inklusive solenergi, är en nödvändig investering för framtiden. Varje dag laddar miljontals människor sina telefoner, datorer, bärbara datorer, smartklockor och alla elektroniska enheter, och att använda våra tyger för att ladda dessa enheter bara genom att gå kan minska vår användning av fossila bränslen. Även om detta kan tyckas trivialt i liten skala på 1 eller till och med 500 personer, när det skalas upp till tiotals miljoner kan det avsevärt minska vår användning av fossila bränslen.
Solpaneler i solkraftverk, inklusive de som är monterade ovanpå hus, är kända för att hjälpa till att använda förnybar energi och minska användningen av fossila bränslen, som fortfarande används hårt. Amerika. Ett av de stora problemen för industrin är att skaffa mark för att bygga dessa gårdar. Ett genomsnittligt hushåll kan bara försörja ett visst antal solpaneler och antalet solgårdar är begränsat. I områden med gott om utrymme är de flesta alltid tveksamma till att bygga ett nytt solkraftverk eftersom det permanent stänger möjligheten och potentialen för andra möjligheter på marken, såsom nya företag. Det finns ett stort antal flytande solcellspanelinstallationer som kan generera stora mängder elektricitet på senare tid, och den främsta fördelen med flytande solenergiparker är kostnadsminskning [8]. mark inte används, det finns ingen anledning att oroa sig för installationskostnader ovanpå hus och byggnader. Alla för närvarande kända flytande solgårdar är belägna på konstgjorda vattendrag, och i framtidenär möjligt att placera dessa gårdar på naturliga vattendrag.Konstgjorda reservoarer har många fördelar som inte är vanliga i havet [9]. Konstgjorda reservoarer är lätta att hantera, och med tidigare infrastruktur och vägar kan gårdar helt enkelt installeras. Flytande solenergiparker har också visat sig vara mer produktiva än landbaserade solgårdar på grund av temperaturvariationer mellan vatten och mark [9]. På grund av vattnets höga specifika värme är markens yttemperatur i allmänhet högre än vattenförekomsterna, och höga temperaturer har visat sig påverka prestanda för omvandlingshastigheter för solpaneler. Även om temperaturen inte styr hur mycket solljus en panel får, påverkar den hur mycket energi du får från solljus. Vid låga energier (dvs kallare temperaturer) kommer elektronerna inuti solpanelen att finnas i ett vilotillstånd, och sedan när solljuset träffar, kommer de att nå ett exciterat tillstånd [10]. Skillnaden mellan vilotillståndet och det exciterade tillståndet är hur mycket energi som genereras i spänningen. Inte bara kan sunlight exciterar dessa elektroner, men det kan också värma. Om värmen runt solpanelen aktiverar elektronerna och sätter dem i ett lågt exciterat tillstånd kommer spänningen inte att vara lika stor när solljus träffar panelen [10]. Eftersom land absorberar och avger värmer lättare än vatten, elektronerna i en solpanel på land är sannolikt i ett högre exciterat tillstånd, och då är solpanelen placerad på eller nära en vattenkropp som är svalare. Ytterligare forskning visade att kyleffekten av vattnet runt de flytande panelerna hjälper till att generera 12,5 % mer energi än på land [9].
Hittills täcker solpaneler bara 1 % av USA:s energibehov, men om dessa solgårdar planterades på upp till en fjärdedel av konstgjorda vattenreservoarer, skulle solpaneler tillgodose nästan 10 % av USA:s energibehov. I Colorado, där flytande paneler infördes så snart som möjligt, två stora vattenreservoarer i Colorado förlorade mycket vatten på grund av avdunstning, men genom att installera dessa flytande paneler förhindrades reservoarerna från att torka ut och elektricitet genererades [11]. Även en procent av människan -tillverkade reservoarer utrustade med solgårdar skulle räcka för att generera minst 400 gigawatt el, tillräckligt för att driva 44 miljarder LED-lampor i över ett år.
Figur 4a visar effektökningen som tillhandahålls av den flytande solcellen i förhållande till figur 4b. Även om det har funnits få flytande solenergiparker under det senaste decenniet, gör de fortfarande så stor skillnad i kraftproduktionen. I framtiden, när flytande solgårdar blir rikligare, sägs den totala producerade energin tredubblas från 0,5TW 2018 till 1,1TW i slutet av 2022.[12].
Miljömässigt är dessa flytande solkraftsparker mycket fördelaktiga på många sätt. Förutom att minska beroendet av fossila bränslen, minskar solenergiparker också mängden luft och solljus som når vattenytan, vilket kan hjälpa till att vända klimatförändringarna [9]. En flytande gård som minskar vindhastigheten och direkt solljus som träffar vattenytan med minst 10 % skulle kunna kompensera ett helt decennium av global uppvärmning [9]. När det gäller biologisk mångfald och ekologi verkar det inte finnas några större negativa effekter. Panelerna förhindrar stark vind aktivitet på vattenytan, vilket minskar erosion på flodstranden, skyddar och stimulerar vegetation.[13]. Det finns inga definitiva resultat på om det marina livet påverkas, men åtgärder som den skalfyllda biohyddan som skapats av Ecocean har varit nedsänkt under solcellspaneler för att potentiellt stödja det marina livet.[13]. En av de viktigaste problemen med pågående forskning är den potentiella påverkan på livsmedelskedjan på grund av installationen av infrastruktur som t.ex.solcellspaneler på öppet vatten snarare än konstgjorda reservoarer. Eftersom mindre solljus kommer in i vattnet, orsakar det en minskning av fotosynteshastigheten, vilket resulterar i en massiv förlust av växtplankton och makrofyter. Med minskningen av dessa växter, påverkan djuren lägre i näringskedjan etc. leder till subventioner för vattenlevande organismer [14]. Även om det inte har hänt ännu, kan detta förhindra ytterligare potentiella skador på ekosystemet, en stor nackdel med flytande solgårdar.
Eftersom solen är vår största energikälla kan det vara svårt att hitta sätt att utnyttja denna energi och använda den i våra samhällen. Ny teknik och innovationer tillgängliga varje dag gör detta möjligt. Även om det inte finns många bärbara soldrivna plagg att köpa eller flytande solgårdar att besöka just nu, det ändrar inte det faktum att tekniken inte har någon stor potential eller en ljus framtid. Flytande solceller har en lång väg att gå i vildmarkshänseende för att vara lika vanliga som solpaneler ovanpå hem. Bärbara solceller har en lång väg kvar innan de blir lika vanliga som de kläder vi bär varje dag. I framtiden förväntas solceller användas i vardagen utan att behöva döljas mellan våra kläder. När tekniken utvecklas under de kommande decennierna är potentialen för solenergiindustrin oändlig.
Om Raj Shah Dr. Raj Shah är chef för Koehler Instrument Company i New York, där han har arbetat i 27 år. Han är en stipendiat vald av sina kollegor vid IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Physics, Institute of Energy Research och Royal Society of Chemistry. Mottagaren av ASTM Eagle Award, Dr. Shah, var nyligen medredigerad av bästsäljaren "Fuels and Lubricants Handbook", detaljer tillgänglig i ASTM:s Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook, 2:a upplagan – 15 juli, 2020 – David Phillips – Petro Industry News Article – Petro Online (petro-online.com)
Dr. Shah har en doktorsexamen i kemiteknik från Penn State University och en Fellow vid Chartered School of Management, London.Han är också Chartered Scientist från Scientific Council, Chartered Petroleum Engineer vid Energy Institute och UK Engineering Council.Dr.Shah hedrades nyligen som Distinguished Engineer av Tau beta Pi, det största ingenjörssällskapet i USA. Han sitter i de rådgivande styrelserna för Farmingdale University (Mechanical Technology), Auburn University (Tribology) och Stony Brook University (Chemical Engineering/ Materialvetenskap och teknik).
Raj är adjungerad professor vid institutionen för materialvetenskap och kemiteknik vid SUNY Stony Brook, har publicerat över 475 artiklar och har varit aktiv inom energiområdet i över 3 år. Mer information om Raj kan hittas hos Koehler Instrument Company's Director vald till Fellow vid International Institute of Physics Petro Online (petro-online.com)
Mariz Baslious och Mr. Blerim Gashi är kemiingenjörsstudenter vid SUNY, och Dr. Raj Shah är ordförande för universitetets externa rådgivande styrelse. Mariz och Blerim är en del av ett växande praktikprogram vid Koehler Instrument, Inc. i Holtzville, NY, som uppmuntrar eleverna att lära sig mer om världen av alternativ energiteknik.
Posttid: 2022-02-12
