По мере роста цивилизации энергия, необходимая для поддержания нашего образа жизни, увеличивается с каждым днем, что требует от нас поиска новых и инновационных способов использования наших возобновляемых ресурсов, таких как солнечный свет, для создания большего количества энергии для нашего общества, чтобы продолжать Прогресс.
Солнечный свет обеспечивал жизнь на нашей планете на протяжении веков. Солнце прямо или косвенно позволяет генерировать почти все известные источники энергии, такие как ископаемое топливо, гидроэнергия, ветер, биомасса и т. д. По мере роста цивилизации энергия, необходимая для поддержания наш образ жизни увеличивается с каждым днем, требуя от нас поиска новых и инновационных способов использования наших возобновляемых ресурсов, таких как солнечный свет, для создания большего количества энергии для нашего общества, чтобы продолжать Прогресс.
Еще в древнем мире мы могли выживать за счет солнечной энергии, используя солнечный свет в качестве источника энергии, зародившегося в зданиях, построенных более 6000 лет назад, ориентируя дом так, чтобы солнечный свет проходил через отверстия, которые действуют как форма обогрева. .Тысячи лет спустя египтяне и греки использовали ту же технику, чтобы сохранять прохладу в своих домах летом, защищая их от солнца [1]. тепло внутри. Солнечный свет был необходим не только для тепла, которое он производил в древнем мире, но он также использовался для сохранения и сохранения пищи с помощью соли. При засолении солнце используется для испарения токсичной морской воды и получения соли, которая собирается в солнечных бассейнах [1]. В эпоху позднего Возрождения Леонардо да Винчи предложил первое промышленное применение вогнутых зеркальных солнечных концентраторов в качестве водонагревателей, а позже Леонардо также предложил технологию сварки медныхс использованием солнечного излучения и позволяющих использовать технические решения для работы текстильного оборудования [1]. Вскоре во время промышленной революции У. Адамс создал то, что сейчас называется солнечной печью. Эта печь имеет восемь симметричных серебряных стеклянных зеркал, образующих восьмиугольный отражатель. сосредоточены зеркалами в деревянном ящике со стеклянным покрытием, куда поместят горшок и дадут ему закипеть [1]. Перенесемся на несколько сотен лет вперед и увидим, что солнечная паровая машина была построена примерно в 1882 году [1]. Абель Пифре использовал вогнутое зеркало 3,5. м в диаметре и сосредоточил его на цилиндрическом паровом котле, который производил мощность, достаточную для привода печатного станка.
В 2004 году в Севилье, Испания, была построена первая в мире коммерческая концентрированная солнечная электростанция под названием Planta Solar 10. Солнечный свет отражается на башне высотой около 624 метров, где установлены солнечные приемники с паровыми турбинами и генераторами. Она способна генерировать энергию. для питания более 5500 домов. Почти десятилетие спустя, в 2014 году, в Калифорнии, США, открылась крупнейшая в мире солнечная электростанция. На заводе использовалось более 300 000 управляемых зеркал, что позволило производить 377 мегаватт электроэнергии для питания примерно 140 000 домов. 1].
Не только строятся и используются фабрики, но и потребители в розничных магазинах также создают новые технологии. Солнечные панели дебютировали, и даже автомобили на солнечных батареях вступили в игру, но одной из последних разработок, о которой еще не было объявлено, является новая солнечная энергия. Технология носимых устройств с питанием от сети. Интеграция USB-соединения или других устройств позволяет подключать одежду к таким устройствам, как источники, телефоны и наушники, которые можно заряжать на ходу. Всего несколько лет назад группа японских исследователей из Riken Institute и Torah Industries описали разработку тонкого органического солнечного элемента, который будет печатать одежду на одежде, позволяя элементу поглощать солнечную энергию и использовать ее в качестве источника питания [2]. Микросолнечные элементы представляют собой органические фотоэлектрические элементы с тепловым стабильность и гибкость до 120 °C [2]. Члены исследовательской группы создали органические фотоэлектрические элементы на основе материала под названием PNTz4T [3]. PNTz4T — это полупроводниковый полимер, ранееэкологической устойчивости и высокой эффективности преобразования энергии, то обе стороны ячейки покрыты эластомером, резиноподобным материалом [3]. В процессе они использовали два предварительно растянутых акриловых эластомера толщиной 500 микрон, которые пропускают свет элемент, но предотвращает попадание воды и воздуха в элемент. Использование этого эластомера помогает уменьшить деградацию самой батареи и продлить срок ее службы [3].
Одним из самых заметных недостатков отрасли является вода. Дегенерация этих клеток может быть вызвана множеством факторов, но самым большим из них является вода, общий враг любой техники. Любая избыточная влажность и длительное воздействие воздуха могут негативно сказаться на эффективности органических фотогальванических элементов [4]. Хотя в большинстве случаев вы можете избежать попадания воды на свой компьютер или телефон, вы не можете избежать попадания воды на свою одежду. Будь то дождь или стиральная машина, вода неизбежна. После различных тестов на отдельно стоящий органический фотоэлемент и органический фотоэлектрический элемент с двусторонним покрытием, оба органических фотоэлемента были погружены в воду на 120 минут, был сделан вывод, что мощность отдельно стоящего органического фотоэлемента была ниже. Эффективность преобразования снижается только на 5,4%. Клетки уменьшились на 20,8% [5].
Рис. 1. Нормализованная эффективность преобразования энергии в зависимости от времени погружения. Столбики погрешностей на графике представляют собой стандартное отклонение, нормированное на среднее значение начальной эффективности преобразования энергии в каждой структуре [5].
На рис. 2 изображена еще одна разработка Ноттингемского Трентского университета — миниатюрный солнечный элемент, который можно встроить в пряжу, из которой затем вплетают ткань [2]. Каждая батарея, включенная в продукт, соответствует определенным критериям использования, таким как требования 3 мм в длину и 1,5 мм в ширину[2]. Каждый блок ламинирован водонепроницаемой смолой, что позволяет стирать белье в прачечной или в зависимости от погодных условий [2]. таким образом, чтобы не торчать и не раздражать кожу владельца. В ходе дальнейших исследований было обнаружено, что в небольшом куске одежды, похожем на участок ткани площадью 5 см ^ 2, может содержаться чуть более 200 ячеек, в идеале производящих 2,5–10 вольт энергии, и пришли к выводу, что существует всего 2000 ячеек. Клетки должны иметь возможность заряжать смартфоны [2].
Рис. 2. Микросолнечные элементы длиной 3 мм и шириной 1,5 мм (фото предоставлено Университетом Ноттингем Трент) [2].
Фотогальванические ткани соединяют два легких и недорогих полимера для создания тканей, генерирующих энергию. Первый из двух компонентов представляет собой микросолнечный элемент, который собирает энергию солнечного света, а второй состоит из наногенератора, который преобразует механическую энергию в электричество. 6]. Фотогальваническая часть ткани состоит из полимерных волокон, которые затем покрываются слоями марганца, оксида цинка (фотоэлектрический материал) и йодида меди (для сбора заряда) [6]. крошечный медный провод, встроенный в одежду.
Секрет этих инноваций заключается в прозрачных электродах гибких фотогальванических устройств. Прозрачные проводящие электроды являются одним из компонентов фотогальванических элементов, которые позволяют свету проникать в элемент, увеличивая скорость сбора света. Используется оксид олова, легированный индием (ITO). для изготовления этих прозрачных электродов, которые используются из-за идеальной прозрачности (> 80%) и хорошего поверхностного сопротивления, а также отличной устойчивости к окружающей среде [7]. ITO имеет решающее значение, поскольку все его компоненты находятся в почти идеальных пропорциях. Соотношение толщина в сочетании с прозрачностью и сопротивлением максимизирует результаты электродов [7]. Любые колебания соотношения негативно влияют на электроды и, следовательно, на производительность. Например, увеличение толщины электрода снижает прозрачность и сопротивление, что приводит к ухудшению производительности. Тем не менее, ITO — это ограниченный ресурс, который быстро расходуется. Продолжаются исследования, чтобы найти альтернативу, которая не только обеспечиваетITO, но ожидается, что он превзойдет производительность ITO [7].
Популярность таких материалов, как полимерные подложки, модифицированные прозрачными проводящими оксидами, до сих пор растет. К сожалению, эти подложки оказались хрупкими, жесткими и тяжелыми, что значительно снижает гибкость и производительность [7]. Исследователи предлагают решение проблемы использование гибких волокнистых солнечных элементов в качестве замены электродов. Волокнистая батарея состоит из электрода и двух отдельных металлических проводов, которые скручены и объединены с активным материалом для замены электрода [7]. Солнечные элементы показали себя многообещающими из-за их легкого веса. , но проблема заключается в отсутствии площади контакта между металлическими проводами, что уменьшает площадь контакта и, таким образом, приводит к ухудшению фотоэлектрических характеристик [7].
Факторы окружающей среды также являются большим стимулом для продолжения исследований. В настоящее время мир в значительной степени зависит от невозобновляемых источников энергии, таких как ископаемое топливо, уголь и нефть. Смещение акцента с невозобновляемых источников энергии на возобновляемые источники энергии, включая солнечную энергию, является необходимой инвестицией в будущее. Каждый день миллионы людей заряжают свои телефоны, компьютеры, ноутбуки, смарт-часы и все электронные устройства, и использование наших тканей для зарядки этих устройств, просто идя пешком, может сократить использование ископаемого топлива. Хотя это может показаться тривиально в небольшом масштабе от 1 или даже 500 человек, при увеличении до десятков миллионов это могло бы значительно сократить использование ископаемого топлива.
Известно, что солнечные панели на солнечных электростанциях, в том числе установленные на крышах домов, помогают использовать возобновляемую энергию и сокращать использование ископаемого топлива, которое все еще широко используется. построить эти фермы. Среднее домашнее хозяйство может поддерживать только определенное количество солнечных панелей, а количество солнечных ферм ограничено. В районах с достаточным пространством большинство людей всегда не решается построить новую солнечную электростанцию, потому что это навсегда закрывает возможность и потенциал других возможностей на суше, таких как новые предприятия. В последнее время существует большое количество установок с плавучими фотоэлектрическими панелями, которые могут генерировать большое количество электроэнергии, и основным преимуществом плавучих солнечных ферм является снижение затрат [8]. Если земля не используется, не нужно беспокоиться о затратах на установку поверх домов и зданий. Все известные в настоящее время плавучие солнечные фермы располагаются на искусственных водоемах, а вВозможно размещение этих ферм на естественных водоемах.Искусственные водоемы имеют много преимуществ, которые не характерны для океана [9]. Искусственные водоемы просты в управлении, а при существующей инфраструктуре и дорогах можно просто установить фермы. Также было показано, что плавучие солнечные фермы более продуктивны, чем наземные солнечные фермы из-за разницы температур между водой и землей [9]. Из-за высокой удельной теплоемкости воды температура поверхности земли, как правило, выше, чем у водоемов, и было показано, что высокие температуры отрицательно влияют на производительность коэффициентов преобразования солнечной панели. Хотя температура не влияет на то, сколько солнечного света получает панель, она влияет на то, сколько энергии вы получаете от солнечного света. состояние покоя, а затем, когда попадает солнечный свет, они достигают возбужденного состояния [10]. Разница между состоянием покоя и возбужденным состоянием заключается в том, сколько энергии генерируется в напряжении.Ht возбуждает эти электроны, но также может нагревать их. Если тепло вокруг солнечной панели возбуждает электроны и переводит их в низковозбужденное состояние, напряжение не будет таким большим, когда солнечный свет падает на панель [10]. Поскольку земля поглощает и излучает нагреваться легче, чем вода, электроны в солнечной панели на суше, вероятно, будут в более высоком возбужденном состоянии, и тогда солнечная панель расположена на более прохладном водоеме или рядом с ним. Дальнейшие исследования показали, что охлаждающий эффект вода вокруг плавучих панелей помогает генерировать на 12,5% больше энергии, чем на суше [9].
Пока что солнечные панели удовлетворяют только 1% потребностей Америки в энергии, но если бы эти солнечные фермы были установлены на четверти искусственных водоемов, солнечные панели удовлетворяли бы почти 10% потребностей Америки в энергии. В Колорадо, где плавучие панели были введены как можно скорее, два больших водохранилища в Колорадо потеряли много воды из-за испарения, но благодаря установке этих плавучих панелей водохранилища были предотвращены от высыхания и выработано электричество [11]. Даже один процент человека Резервуаров, оборудованных солнечными фермами, будет достаточно для выработки не менее 400 гигаватт электроэнергии, что достаточно для питания 44 миллиардов светодиодных лампочек в течение года.
На рис. 4а показано увеличение мощности, обеспечиваемое плавучим солнечным элементом, по сравнению с рис. 4б. Хотя за последнее десятилетие было мало плавучих солнечных ферм, они по-прежнему имеют большое значение в выработке электроэнергии. В будущем, когда плавучие солнечные фермы станет более обильным, общий объем произведенной энергии, как говорят, утроится с 0,5 ТВт в 2018 году до 1,1 ТВт к концу 2022 года[12].
С точки зрения экологии, эти плавучие солнечные фермы очень полезны во многих отношениях. Помимо снижения зависимости от ископаемого топлива, солнечные фермы также уменьшают количество воздуха и солнечного света, достигающих поверхности воды, что может помочь обратить вспять изменение климата [9]. Ферма, снижающая скорость ветра и попадание прямого солнечного света на поверхность воды не менее чем на 10 %, могла бы компенсировать глобальное потепление на целое десятилетие [9]. С точки зрения биоразнообразия и экологии серьезных негативных последствий не обнаружено. Панели предотвращают сильный ветер. активность на поверхности воды, тем самым уменьшая эрозию на берегу реки, защищая и стимулируя растительность. были погружены под фотогальванические панели, чтобы потенциально поддерживать морскую жизнь.фотогальванические панели на открытой воде, а не в искусственных водоемах. Поскольку в воду попадает меньше солнечного света, это вызывает снижение скорости фотосинтеза, что приводит к массовой потере фитопланктона и макрофитов. При сокращении этих растений воздействие на животных ниже в пищевой цепочке и т. д., приводит к субсидиям для водных организмов [14]. Хотя этого еще не произошло, это может предотвратить дальнейший потенциальный ущерб экосистеме, что является основным недостатком плавучих солнечных ферм.
Поскольку солнце является нашим самым большим источником энергии, может быть трудно найти способы использовать эту энергию и использовать ее в наших сообществах. Новые технологии и инновации, доступные каждый день, делают это возможным. Хотя существует не так много пригодной для носки одежды на солнечной энергии. купить или посетить плавучие солнечные фермы прямо сейчас, это не меняет того факта, что технология не имеет огромного потенциала или блестящего будущего. Солнечные батареи на крышах домов. Носимым солнечным батареям предстоит пройти долгий путь, прежде чем они станут такими же обычными, как одежда, которую мы носим каждый день. Ожидается, что в будущем солнечные батареи будут использоваться в повседневной жизни без необходимости прятать их между нашими одежда. По мере развития технологий в ближайшие десятилетия потенциал солнечной энергетики безграничен.
О Радже Шахе Доктор Радж Шах является директором компании Koehler Instrument Company в Нью-Йорке, где он проработал 27 лет. Физика, Институт энергетических исследований и Королевское химическое общество. Лауреат премии ASTM Eagle Award д-р Шах недавно стал соредактором бестселлера «Справочник по топливу и смазочным материалам», подробности которого доступны в долгожданном справочнике ASTM по топливу и смазочным материалам, 2-е издание — 15 июля. 2020 – Дэвид Филлипс – Новостная статья нефтедобывающей отрасли – Petro Online (petro-online.com)
Доктор Шах имеет докторскую степень в области химического машиностроения Университета штата Пенсильвания и член Чартерной школы менеджмента в Лондоне.Он также является дипломированным ученым Научного совета, дипломированным инженером-нефтяником Института энергетики и Инженерного совета Великобритании.Недавно Шах был удостоен звания «Выдающийся инженер» Tau beta Pi, крупнейшего инженерного общества в Соединенных Штатах. Материаловедение и инженерия).
Радж является адъюнкт-профессором кафедры материаловедения и химического машиностроения Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук, опубликовал более 475 статей и работает в области энергетики более 3 лет. Дополнительную информацию о Радже можно найти у директора компании Koehler Instrument Company. избран научным сотрудником Международного института физики Petro Online (petro-online.com)
Г-жа Мариз Баслиус и г-н Блерим Гаши — студенты химического факультета Университета штата Нью-Йорк, а д-р Радж Шах возглавляет внешний консультативный совет университета. побуждает студентов узнать больше о мире альтернативных энергетических технологий.
Время публикации: 12 февраля 2022 г.
