Augant civilizacijai, energijos, reikalingos mūsų gyvenimo būdui palaikyti, kasdien daugėja, todėl reikia ieškoti naujų ir novatoriškų būdų panaudoti atsinaujinančius išteklius, tokius kaip saulės šviesa, kad mūsų visuomenei būtų sukurta daugiau energijos, kad galėtume tęsti pažangą.
Saulės šviesa suteikė gyvybę mūsų planetoje šimtmečius. Tiesiogiai ar netiesiogiai saulė leidžia gaminti beveik visus žinomus energijos šaltinius, pvz., iškastinį kurą, vandenį, vėją, biomasę ir kt. Augant civilizacijai, energija, reikalinga palaikyti mūsų gyvenimo būdas auga kiekvieną dieną, todėl mums reikia rasti naujų ir novatoriškų būdų panaudoti atsinaujinančius išteklius, tokius kaip saulės šviesa, kad mūsų visuomenei būtų sukurta daugiau energijos, kad galėtume tęsti pažangą.
Dar senovėje galėjome išgyventi iš saulės energijos, kaip energijos šaltinį naudojant saulės šviesą, atsiradusią daugiau nei prieš 6000 metų pastatytuose pastatuose, orientuojant namą taip, kad saulės šviesa patektų pro angas, kurios veikia kaip šildymo būdas. .Praėjus tūkstančiams metų, egiptiečiai ir graikai naudojo tą pačią techniką, siekdami išlaikyti savo namus vėsų vasarą, apsaugodami juos nuo saulės [1]. Dideli vieno stiklo langai naudojami kaip saulės šilumos langai, į kuriuos patenka saulės šiluma, tačiau jie sulaiko. šiluma viduje. Senovės pasaulyje saulės šviesa buvo ne tik būtina šilumai, kurią ji gamino, bet ji taip pat buvo naudojama maistui konservuoti ir konservuoti per druską. Druskinant saulė naudojama nuodingam jūros vandeniui išgarinti ir gauti druską, kuri surenkama saulės baseinuose [1]. Vėlyvojo Renesanso laikais Leonardo da Vinci pasiūlė pirmą kartą pramoniniu būdu pritaikyti įgaubtus veidrodinius saulės koncentratorius kaip vandens šildytuvus, o vėliau Leonardo taip pat pasiūlė suvirinimo technologiją.er naudojant saulės spinduliuotę ir leidžiant techniniams sprendimams valdyti tekstilės mašinas [1]. Netrukus pramonės revoliucijos metu W. Adamsas sukūrė tai, kas dabar vadinama saulės kolektoriumi. Šioje orkaitėje yra aštuoni simetriški sidabrinio stiklo veidrodžiai, kurie sudaro aštuonkampį atšvaitą. veidrodžiais sukoncentruotas į stiklu dengtą medinę dėžę, į kurią bus įdėtas puodas ir leiskite jam užvirti[1]. Pasukite kelis šimtus metų ir saulės garo variklis buvo pastatytas apie 1882 m. [1]. Abelis Pifre'as naudojo įgaubtą veidrodį 3.5 m skersmens ir sutelkė jį į cilindrinį garo katilą, kuris gamino pakankamai galios spausdinimo presui varyti.
2004 m. Sevilijoje, Ispanijoje, buvo įkurta pirmoji pasaulyje komercinė koncentruota saulės elektrinė Planta Solar 10. Saulės šviesa atsispindi maždaug 624 metrų bokšte, kuriame sumontuoti saulės imtuvai su garo turbinomis ir generatoriais. Tai gali generuoti energiją. maitinti daugiau nei 5500 namų.Beveik po dešimtmečio, 2014 m., Kalifornijoje (JAV) atidaryta didžiausia pasaulyje saulės elektrinė. Gamykloje buvo naudojama daugiau nei 300 000 valdomų veidrodžių ir leido pagaminti 377 megavatus elektros, kad būtų galima maitinti maždaug 140 000 namų [ 1].
Ne tik statomos ir naudojamos gamyklos, bet ir vartotojai mažmeninės prekybos parduotuvėse kuria naujas technologijas. Debiutavo saulės baterijos ir netgi buvo pradėti naudoti saulės energija varomi automobiliai, tačiau vienas iš naujausių pokyčių, kuriuos dar reikia paskelbti, yra nauji saulės baterijos. maitinama nešiojama technologija.Integruojant USB jungtį ar kitus įrenginius, galima prijungti drabužius prie tokių įrenginių, kaip šaltiniai, telefonai ir ausinės, kuriuos galima įkrauti keliaujant.Vos prieš kelerius metus Riken japonų mokslininkų komanda Institute ir Torah Industries aprašė plono organinio saulės elemento, kuris termiškai spausdintų drabužius ant drabužių, sukūrimą, leidžiantį elementui sugerti saulės energiją ir naudoti ją kaip energijos šaltinį [2] ]. Mikro saulės elementai yra organiniai fotovoltiniai elementai su šiluminiu elementu. stabilumas ir lankstumas iki 120 °C [2].Tyrimų grupės nariai organinius fotovoltinius elementus rėmė medžiaga, vadinama PNTz4T [3].PNTz4T yra puslaidininkis polimeras, kurį anksčiau Riken sukūrė puikiam enaplinkos stabilumas ir didelis galios konversijos efektyvumas, tada abi ląstelės pusės padengiamos elastomeru, panašia į gumą medžiaga [3]. Procese jie panaudojo du iš anksto ištemptus 500 mikronų storio akrilo elastomerus, kurie leidžia į vidų šviesą. elementą, bet neleiskite vandeniui ir orui patekti į elementą. Šio elastomero naudojimas padeda sumažinti pačios baterijos degradaciją ir pailginti jo tarnavimo laiką [3].
Vienas ryškiausių pramonės trūkumų yra vanduo. Šių ląstelių degeneraciją gali sukelti įvairūs veiksniai, tačiau didžiausias yra vanduo, bendras bet kokios technologijos priešas. Bet koks drėgmės perteklius ir ilgalaikis oro poveikis gali neigiamai paveikti efektyvumą. organinių fotovoltinių elementų [4]. Nors daugeliu atvejų galite išvengti vandens patekimo į kompiuterį ar telefoną, negalite to išvengti su drabužiais. Nesvarbu, ar tai lietus, ar skalbimo mašina, vanduo yra neišvengiamas. Atlikus įvairius bandymus laisvai stovintis organinis fotovoltinis elementas ir dvipuse danga padengtas organinis fotovoltinis elementas, abu organiniai fotovoltiniai elementai buvo panardinti į vandenį 120 minučių, buvo padaryta išvada, kad atskirai stovinčio organinio fotovoltinės elemento galia buvo Konversijos efektyvumas sumažėja tik 5,4%.Ląstelių sumažėjo 20,8% [5].
1 pav. Normalizuotas galios konversijos efektyvumas kaip panardinimo trukmės funkcija. Klaidų juostos diagramoje rodo standartinį nuokrypį, normalizuojamą pradinio galios konversijos efektyvumo kiekvienoje struktūroje vidurkiu [5].
2 paveiksle pavaizduota kita Notingemo Trento universiteto plėtra – miniatiūrinis saulės elementas, kurį galima įterpti į verpalą, kuris vėliau įpintas į tekstilės gaminį [2]. Kiekviena gaminyje esanti baterija atitinka tam tikrus naudojimo kriterijus, pvz., 3 mm ilgio ir 1,5 mm pločio[2]. Kiekvienas blokas yra laminuotas vandeniui atsparia derva, kad skalbinius būtų galima skalbti skalbykloje arba dėl oro sąlygų [2]. Akumuliatoriai taip pat pritaikyti patogumui ir kiekvienas yra sumontuotas taip, kad neišsikištų ir nedirgintų dėvėtojo odos. Tolesniuose tyrimuose buvo nustatyta, kad mažame drabužyje, panašiame į 5 cm^2 audinio dalį, gali būti kiek daugiau nei 200 ląstelių, kurios idealiai gamina 2,5–10 voltų energijos ir padarė išvadą, kad yra tik 2000 elementų, kad ląstelės galėtų įkrauti išmaniuosius telefonus [2].
2 pav. Mikro saulės elementai 3 mm ilgio ir 1,5 mm pločio (Nottingamo Trento universiteto nuotrauka) [2].
Fotovoltiniai audiniai sulieja du lengvus ir nebrangius polimerus, kad sukurtų energiją generuojančią tekstilę. Pirmasis iš dviejų komponentų yra mikro saulės elementas, kuris renka energiją iš saulės šviesos, o antrasis susideda iš nanogeneratoriaus, kuris mechaninę energiją paverčia elektra [ 6].Audinio fotovoltinė dalis susideda iš polimerinių pluoštų, kurie vėliau padengiami mangano, cinko oksido (fotovoltinės medžiagos) ir vario jodido (krūvių surinkimui) sluoksniais [6]. mažytė varinė viela ir integruota į drabužį.
Šių naujovių paslaptis slypi skaidriuose lanksčių fotovoltinių prietaisų elektroduose. Skaidrūs laidūs elektrodai yra vienas iš fotovoltinių elementų komponentų, leidžiančių šviesai patekti į elementą, padidinant šviesos surinkimo greitį. Naudojamas indu legiruotas alavo oksidas (ITO) pagaminti šiuos skaidrius elektrodus, kurie naudojami dėl idealaus skaidrumo (>80 %) ir gero lakštų atsparumo bei puikaus aplinkos stabilumo [7]. ITO yra labai svarbus, nes visų jo komponentų proporcijos yra beveik tobulos. storis kartu su skaidrumu ir atsparumu maksimaliai padidina elektrodų rezultatus [7].Bet kokie santykio svyravimai neigiamai paveiks elektrodus, taigi ir našumą.Pavyzdžiui, padidinus elektrodo storį, sumažėja skaidrumas ir atsparumas, todėl pablogėja veikimas. Tačiau ITO yra ribotas išteklius, kuris greitai sunaudojamas. Vykdomi tyrimai, siekiant rasti alternatyvą, kuri ne tikITO, bet tikimasi, kad jis pranoks ITO [7].
Iki šiol išpopuliarėjo tokios medžiagos kaip polimeriniai substratai, modifikuoti skaidriais laidžiais oksidais.Deja, šie substratai yra trapūs, standūs ir sunkūs, o tai labai sumažina lankstumą ir našumą [7]. Tyrėjai siūlo sprendimą naudojant lanksčius į pluoštą panašius saulės elementus kaip elektrodų pakaitalus. Pluoštinę bateriją sudaro elektrodas ir du skirtingi metaliniai laidai, kurie yra susukti ir sujungti su aktyvia medžiaga, kad pakeistų elektrodą [7]. Saulės elementai buvo perspektyvūs dėl savo lengvo svorio. , tačiau problema yra kontaktinio ploto tarp metalinių laidų trūkumas, dėl kurio sumažėja kontakto plotas ir dėl to blogėja fotovoltinės savybės [7].
Aplinkos veiksniai taip pat yra didelis motyvas tęsti mokslinius tyrimus.Šiuo metu pasaulis labai priklauso nuo neatsinaujinančių energijos šaltinių, tokių kaip iškastinis kuras, anglis ir nafta. Dėmesys nuo neatsinaujinančių energijos šaltinių perkeliamas į atsinaujinančius energijos šaltinius, įskaitant saulės energiją, yra būtina investicija į ateitį.Kiekvieną dieną milijonai žmonių krauna savo telefonus, kompiuterius, nešiojamuosius kompiuterius, išmaniuosius laikrodžius ir visus elektroninius prietaisus, o naudojant mūsų audinius šiems prietaisams įkrauti tiesiog einant, galime sumažinti iškastinio kuro naudojimą. Nors tai gali atrodyti nereikšminga mažu 1 ar net 500 žmonių mastu, o padidinus iki dešimčių milijonų, tai galėtų žymiai sumažinti mūsų iškastinio kuro naudojimą.
Yra žinoma, kad saulės kolektorių plokštės saulės elektrinėse, įskaitant montuojamas ant namų, padeda naudoti atsinaujinančią energiją ir mažina iškastinio kuro, kuris vis dar intensyviai naudojamas, naudojimą.Amerika.Viena iš pagrindinių pramonės problemų yra žemės gavimas statyti šias fermas. Vidutinis namų ūkis gali išlaikyti tik tam tikrą saulės baterijų skaičių, o saulės ūkių skaičius yra ribotas. Vietose, kuriose yra daug vietos, dauguma žmonių visada nesiryžta statyti naujos saulės elektrinės, nes tai visam laikui uždaro galimybę ir kitų galimybių žemėje, pavyzdžiui, naujų verslų, potencialas. Pastaruoju metu yra daug plūduriuojančių fotovoltinių plokščių įrenginių, galinčių generuoti didelius elektros energijos kiekius, o pagrindinis plūduriuojančių saulės energijos ūkių pranašumas yra sąnaudų mažinimas [8]. žemė nenaudojama, nereikia jaudintis dėl įrengimo išlaidų ant namų ir pastatų. Visos šiuo metu žinomos plūduriuojančios saulės energijos parkos yra ant dirbtinių vandens telkinių, o ateityje tai iŠiuos ūkius galima pastatyti ant natūralių vandens telkinių.Dirbtiniai rezervuarai turi daug privalumų, kurie nėra įprasti vandenyne [9].Žmonių sukurtus rezervuarus lengva valdyti, o esant ankstesnei infrastruktūrai ir keliams, fermas galima tiesiog įrengti. Taip pat buvo įrodyta, kad plūduriuojančios saulės energijos fermos yra produktyvesnės nei sausumoje įrengti saulės energijos ūkiai dėl vandens ir žemės temperatūros skirtumų [9].Dėl didelės vandens savitosios šilumos žemės paviršiaus temperatūra paprastai yra aukštesnė nei vandens telkinių, o aukšta temperatūra neigiamai veikia vandens telkinius. saulės kolektorių konversijos koeficientų našumas.Nors temperatūra nekontroliuoja, kiek saulės spindulių gauna skydas, ji turi įtakos tam, kiek energijos gaunate iš saulės šviesos. Esant žemai energijai (ty esant žemesnei temperatūrai), saulės kolektorių viduje esantys elektronai bus ramybės būseną, o tada, kai pateks saulės šviesa, jie pasieks sužadinimo būseną [10]. Skirtumas tarp ramybės būsenos ir sužadintos yra tai, kiek energijos sukuriama įtampa.ht sužadina šiuos elektronus, bet gali ir šiluma.Jei šiluma aplink saulės kolektorių sužadina elektronus ir perkelia juos į mažo sužadinimo būseną, saulės šviesai patekus į skydelį, įtampa nebus tokia didelė [10]. Kadangi žemė sugeria ir skleidžia Įkaista lengviau nei vanduo, saulės kolektorių sausumoje esantys elektronai greičiausiai yra labiau sužadintos, o tada saulės baterija yra ant vėsesnio vandens telkinio arba šalia jo. Tolesni tyrimai parodė, kad vanduo aplink plūduriuojančias plokštes padeda generuoti 12,5% daugiau energijos nei ant žemės [9].
Kol kas saulės baterijos patenkina tik 1 % Amerikos energijos poreikių, tačiau jei šios saulės energijos fermos būtų įrengtos iki ketvirtadalio žmogaus sukurtų vandens rezervuarų, saulės baterijos patenkintų beveik 10 % Amerikos energijos poreikių. Kolorado valstijoje, kur plūduriuoja kuo greičiau įvestos plokštės, dviejuose dideliuose vandens rezervuaruose Kolorado valstijoje dėl garavimo neteko daug vandens, tačiau įrengus šias plūduriuojančias plokštes, rezervuarams buvo užkirstas kelias išdžiūti ir buvo gaminama elektra [11].Net vienas procentas žmogaus -pagamintų rezervuarų, kuriuose įrengtos saulės energijos fermos, pakaktų pagaminti bent 400 gigavatų elektros energijos, kurios pakaktų 44 milijardams LED lempučių maitinti daugiau nei metus.
4a paveiksle parodytas plūduriuojančių saulės elementų galios padidėjimas, palyginti su 4b paveikslu. Nors per pastarąjį dešimtmetį buvo nedaug plūduriuojančių saulės energijos fermų, jos vis tiek daro tokį didelį energijos gamybos skirtumą. Teigiama, kad visos pagamintos energijos kiekis padidės tris kartus – nuo 0,5 TW 2018 m. iki 1,1 TW iki 2022 m. pabaigos.[12]
Kalbant apie aplinką, šie plūduriuojantys saulės energijos ūkiai yra labai naudingi daugeliu atžvilgių. Be to, kad saulės energijos fermos sumažina priklausomybę nuo iškastinio kuro, jos taip pat sumažina vandens paviršių pasiekiančio oro ir saulės šviesos kiekį, o tai gali padėti pakeisti klimato kaitą [9]. ūkis, kuris sumažina vėjo greitį ir į vandens paviršių patekusią tiesioginę saulės šviesą bent 10 %, galėtų kompensuoti visą dešimtmetį visuotinį atšilimą [9]. Kalbant apie biologinę įvairovę ir ekologiją, didelio neigiamo poveikio nepastebėta. Plokštės apsaugo nuo stipraus vėjo aktyvumą vandens paviršiuje, taip sumažinant eroziją upės pakrantėje, apsaugant ir skatinant augmeniją.[13]. Nėra jokių galutinių rezultatų, ar bus paveikta jūros gyvybė, tačiau tokios priemonės, kaip Ecocean sukurtas kriauklių pripildytas bionamelis, yra naudingi. buvo panardintas po fotovoltinėmis plokštėmis, kad galėtų palaikyti jūros gyvybę[13]. Vienas iš pagrindinių tebevykstančių mokslinių tyrimų problemų yra galimas poveikis maisto grandinei dėl infrastruktūros įrengimo, pvz.fotovoltinės plokštės atvirame vandenyje, o ne žmogaus sukurtuose rezervuaruose.Kadangi į vandenis patenka mažiau saulės spindulių, sumažėja fotosintezės greitis, todėl labai prarandama fitoplanktono ir makrofitų. Sumažėjus šių augalų, poveikis gyvūnams žemesnėje maisto grandinėje ir pan., veda prie subsidijų vandens organizmams [14]. Nors tai dar neįvyko, tai gali užkirsti kelią tolesnei galimai žalai ekosistemai, o tai yra pagrindinis plūduriuojančių saulės ūkių trūkumas.
Kadangi saulė yra didžiausias mūsų energijos šaltinis, gali būti sunku rasti būdų, kaip panaudoti šią energiją ir panaudoti ją mūsų bendruomenėse. Kasdien pasiekiamos naujos technologijos ir naujovės leidžia tai padaryti. Nors dėvimų saulės energija varomų drabužių nėra daug pirkti ar plūduriuojančias saulės energijos fermas, kurias reikia aplankyti dabar, tai nekeičia fakto, kad ši technologija neturi didžiulio potencialo ar šviesios ateities. Laukinės gamtos prasme plūduriuojančios saulės baterijos turi nueiti ilgą kelią, kad jos būtų tokios pat paplitusios kaip saulės baterijų plokštės ant namų.Dėvimi saulės elementai turi nueiti ilgą kelią, kol jie taps tokie pat įprasti kaip drabužiai, kuriuos dėvime kiekvieną dieną.Ateityje saulės elementai bus naudojami kasdieniame gyvenime ir jų nereikės paslėpti tarp mūsų rūbai.Technologijoms ateinančiais dešimtmečiais tobulėjant, saulės energijos pramonės potencialas yra begalinis.
Apie Raj Shah. Fizika, Energetikos tyrimų institutas ir Karališkoji chemijos draugija.ASTM Eagle apdovanojimo gavėjas dr. Shah neseniai kartu redagavo bestselerį „Degalų ir tepalų vadovą“, išsamią informaciją rasite ASTM ilgai lauktame kuro ir tepalų vadove, 2-asis leidimas – liepos 15 d. 2020 – Davidas Phillipsas – Petro pramonės naujienų straipsnis – Petro Online (petro-online.com)
Dr. Shah yra Penn State universiteto chemijos inžinerijos daktaro laipsnis ir Londono Chartered School of Management bendradarbis.Jis taip pat yra Mokslo tarybos atestuotas mokslininkas, Energetikos instituto diplomuotas naftos inžinierius ir JK inžinerijos taryba. Dr.Shahas neseniai buvo apdovanotas kaip nusipelnęs inžinierius Tau beta Pi, didžiausia inžinierių draugija Jungtinėse Valstijose. Jis yra Farmingdale universiteto (Mechaninė technologija), Auburn universiteto (Tribologija) ir Stony Brook universiteto (chemijos inžinerija) patariamose tarybose. Medžiagų mokslas ir inžinerija).
Raj yra SUNY Stony Brook Medžiagų mokslo ir chemijos inžinerijos katedros docentas, paskelbė daugiau nei 475 straipsnius ir aktyviai dirba energetikos srityje daugiau nei 3 metus. Daugiau informacijos apie Raj galite rasti Koehler Instrument Company direktoriaus svetainėje. išrinktas Tarptautinio fizikos instituto Petro Online (petro-online.com) nariu.
Mariz Baslious ir ponas Blerim Gashi yra SUNY chemijos inžinerijos studentai, o dr. Raj Shah pirmininkauja universiteto išorinei patariamajai tarybai. Mariz ir Blerim yra augančios stažuočių programos Koehler Instrument, Inc. Holtzvilyje, NY, dalis. skatina mokinius daugiau sužinoti apie alternatyvių energijos technologijų pasaulį.
Paskelbimo laikas: 2022-02-12
