Kako civilizacija raste, energija potrebna za podršku našem načinu života raste svakim danom, što zahtijeva od nas da pronađemo nove i inovativne načine da iskoristimo naše obnovljive resurse, kao što je sunčeva svjetlost, kako bismo stvorili više energije za naše društvo za nastavak Napretka.
Sunčeva svjetlost je vijekovima obezbjeđivala i omogućavala život na našoj planeti. Bilo direktno ili indirektno, sunce omogućava proizvodnju gotovo svih poznatih izvora energije kao što su fosilna goriva, hidro, vjetar, biomasa, itd. Kako civilizacija raste, energija potrebna za podršku naš način života se svakim danom povećava, zahtijevajući od nas da pronađemo nove i inovativne načine za iskorištavanje naših obnovljivih resursa, poput sunčeve svjetlosti, kako bismo stvorili više energije za naše društvo kako bi nastavio napredak.
Još u antičkom svijetu mogli smo opstati na solarnoj energiji, koristeći sunčevu svjetlost kao izvor energije nastao u zgradama izgrađenim prije više od 6.000 godina, tako što smo kuću orijentirali tako da sunčeva svjetlost prolazi kroz otvore koji djeluju kao oblik grijanja. .Hiljadama godina kasnije, Egipćani i Grci koristili su istu tehniku da održavaju svoje kuće hladnim tokom ljeta štiteći ih od sunca [1]. Veliki prozori sa jednim staklom se koriste kao solarni termalni prozori, dozvoljavajući sunčevoj toplini da uđe, ali zadržava toplina iznutra. Sunčeva svjetlost nije bila samo neophodna za toplinu koju je proizvodila u drevnom svijetu, već se koristila i za očuvanje i očuvanje hrane putem soli. U salinizaciji, sunce se koristi za isparavanje otrovne morske vode i dobivanje soli koja se sakuplja u solarnim bazenima [1]. U kasnoj renesansi Leonardo da Vinci je predložio prvu industrijsku primjenu konkavnih zrcalnih solarnih koncentratora kao bojlera, a kasnije je Leonardo predložio i tehnologiju zavarivanja coppkoristeći sunčevo zračenje i omogućavajući tehnička rješenja za pokretanje tekstilnih mašina [1]. Ubrzo tokom industrijske revolucije, W. Adams je stvorio ono što se danas zove solarna pećnica. Ova pećnica ima osam simetričnih srebrnih staklenih ogledala koja formiraju osmougaoni reflektor. koncentrisan ogledalima u drvenu kutiju prekrivenu staklom u koju će se staviti lonac i ostaviti da proključa[1]. Premotavamo nekoliko stotina godina naprijed i solarni parni stroj je izgrađen oko 1882. [1]. Abel Pifre je koristio konkavno ogledalo 3.5 m u prečniku i fokusirao ga na cilindrični parni kotao koji je proizvodio dovoljno snage za pogon štamparske mašine.
Godine 2004., prva komercijalna koncentrisana solarna elektrana na svijetu pod nazivom Planta Solar 10 osnovana je u Sevilji u Španiji. Sunčeva svjetlost se reflektuje na toranj od približno 624 metra, gdje su solarni prijemnici instalirani s parnim turbinama i generatorima. Ovo je sposobno za generiranje energije za napajanje više od 5.500 domova. Skoro deceniju kasnije, 2014., najveća svjetska solarna elektrana otvorena je u Kaliforniji, SAD. Tvornica je koristila više od 300.000 kontroliranih ogledala i omogućila proizvodnju 377 megavata električne energije za napajanje približno 140.000 domova [ 1].
Ne samo da se grade i koriste fabrike, već i potrošači u maloprodajnim objektima stvaraju nove tehnologije. Solarni paneli su debitovali, a u igru su ušli čak i automobili na solarni pogon, ali jedno od najnovijih dostignuća koje tek treba da bude objavljeno je novo solarno- pokretana nosiva tehnologija. Integracijom USB veze ili drugih uređaja, omogućava povezivanje odjeće s uređajima kao što su izvori, telefoni i slušalice, koji se mogu puniti u pokretu. Prije samo nekoliko godina, tim japanskih istraživača na Riken-u Institute and Torah Industries opisali su razvoj tanke organske solarne ćelije koja bi toplinom štampala odjeću na odjeću, omogućavajući ćeliji da apsorbira sunčevu energiju i koristi je kao izvor energije [2] ].Mikro solarne ćelije su organske fotonaponske ćelije s termičkim elementima. stabilnost i fleksibilnost do 120 °C [2]. Članovi istraživačke grupe su bazirali organske fotonaponske ćelije na materijalu zvanom PNTz4T [3]. PNTz4T je poluvodički polimer koji je prethodno razvio Riken za izvrsne enstabilnost na okolinu i visoku efikasnost konverzije energije, tada su obje strane ćelije prekrivene elastomerom, materijalom nalik gumi [3]. U procesu su koristili dva prethodno rastegnuta akrilna elastomera debljine 500 mikrona koji omogućavaju ulazak svjetlosti. ćeliju, ali sprječava ulazak vode i zraka u ćeliju. Upotreba ovog elastomera pomaže u smanjenju degradacije same baterije i produžava njezin vijek [3].
Jedan od najznačajnijih nedostataka industrije je voda. Degeneraciju ovih ćelija može izazvati niz faktora, ali najveći je voda, zajednički neprijatelj svake tehnologije. Svaki višak vlage i produženo izlaganje vazduhu može negativno uticati na efikasnost organskih fotonaponskih ćelija [4]. Iako u većini slučajeva možete izbjeći da voda dođe na računar ili telefon, ne možete to izbjeći odjećom. Bilo da je kiša ili mašina za pranje rublja, voda je neizbježna. Nakon raznih testova na samostojeća organska fotonaponska ćelija i dvostrano obložena organska fotonaponska ćelija, obje organske fotonaponske ćelije su uronjene u vodu na 120 minuta, zaključeno je da je snaga samostojeće organske fotonaponske ćelije bila Efikasnost konverzije se smanjuje samo za 5,4%. Ćelije su smanjene za 20,8% [5].
Slika 1. Normalizirana učinkovitost konverzije snage kao funkcija vremena uranjanja. Trake greške na grafikonu predstavljaju standardnu devijaciju normaliziranu srednjom vrijednosti početne učinkovitosti konverzije snage u svakoj strukturi [5].
Slika 2 prikazuje još jedan razvoj na Univerzitetu Nottingham Trent, minijaturnu solarnu ćeliju koja se može ugraditi u pređu, koja se zatim uplete u tekstil [2]. Svaka baterija uključena u proizvod ispunjava određene kriterije za upotrebu, kao što su zahtjevi 3mm dužine i 1,5mm široke[2].Svaka jedinica je laminirana vodootpornom smolom kako bi se rublje moglo prati u praonici ili zbog vremenskih prilika [2]. Baterije su također prilagođene za udobnost, a svaka je montirana u način koji ne strši niti iritira kožu korisnika. U daljnjim istraživanjima otkriveno je da u malom komadu odjeće sličnom dijelu tkanine od 5 cm^2 može sadržavati nešto više od 200 ćelija, koje idealno proizvode 2,5 – 10 volti energije, i zaključio je da postoji samo 2000 ćelija. Ćelije treba da mogu puniti pametne telefone [2].
Slika 2. Mikro solarne ćelije dužine 3 mm i širine 1,5 mm (fotografija ljubaznošću Univerziteta Nottingham Trent) [2].
Fotonaponske tkanine spajaju dva lagana i jeftina polimera za stvaranje tekstila koji stvara energiju. Prva od dvije komponente je mikro solarna ćelija, koja prikuplja energiju iz sunčeve svjetlosti, a druga se sastoji od nanogeneratora, koji pretvara mehaničku energiju u električnu [ 6]. Fotonaponski dio tkanine sastoji se od polimernih vlakana koja se zatim oblažu slojevima mangana, cinkovog oksida (fotonaponski materijal) i bakarnog jodida (za prikupljanje naboja) [6]. Ćelije se zatim tkaju zajedno sa sićušnu bakarnu žicu i integrisanu u odjevni predmet.
Tajna iza ovih inovacija leži u prozirnim elektrodama fleksibilnih fotonaponskih uređaja. Transparentne provodne elektrode su jedna od komponenti fotonaponskih ćelija koje omogućavaju svjetlosti da uđe u ćeliju, povećavajući stopu sakupljanja svjetlosti. Koristi se kalaj oksid dopiran indijem (ITO). za proizvodnju ovih prozirnih elektroda, koja se koristi za svoju idealnu prozirnost (>80%) i dobru otpornost na ploče, kao i odličnu stabilnost okoline [7]. ITO je ključan jer su sve njegove komponente u gotovo savršenim proporcijama. Omjer debljina u kombinaciji sa prozirnošću i otporom maksimizira rezultate elektroda [7]. Bilo koje fluktuacije u omjeru će negativno utjecati na elektrode, a time i na performanse. Na primjer, povećanje debljine elektrode smanjuje transparentnost i otpor, što dovodi do degradacije performansi. Međutim, ITO je ograničen resurs koji se brzo troši. Istraživanja su u toku kako bi se pronašla alternativa koja ne samo da postižeITO, ali se očekuje da će nadmašiti performanse ITO-a [7].
Materijali kao što su polimerne podloge koje su modificirane prozirnim provodljivim oksidima do sada su postale popularnije. Nažalost, pokazalo se da su ove podloge lomljive, krute i teške, što uvelike smanjuje fleksibilnost i performanse [7]. Istraživači nude rješenje za to. koristeći fleksibilne solarne ćelije nalik na vlakna kao zamjene za elektrode. Vlaknasta baterija se sastoji od elektrode i dvije različite metalne žice koje su upletene i kombinirane s aktivnim materijalom za zamjenu elektrode [7]. Solarne ćelije su obećale zbog svoje male težine , ali problem je nedostatak kontaktne površine između metalnih žica, što smanjuje kontaktnu površinu i na taj način rezultira smanjenim fotonaponskim performansama [7].
Ekološki faktori su također veliki motiv za nastavak istraživanja. Trenutno se svijet u velikoj mjeri oslanja na neobnovljive izvore energije kao što su fosilna goriva, ugalj i nafta. Premještanje fokusa sa neobnovljivih izvora energije na obnovljive izvore energije, uključujući solarnu energiju, je neophodna investicija za budućnost. Svaki dan milioni ljudi pune svoje telefone, računare, laptope, pametne satove i sve elektronske uređaje, a korištenje naših tkanina za punjenje ovih uređaja samo hodanjem može smanjiti našu upotrebu fosilnih goriva. Iako se ovo može činiti trivijalno na maloj skali od 1 ili čak 500 ljudi, kada se poveća na desetine miliona, moglo bi značajno smanjiti našu upotrebu fosilnih goriva.
Poznato je da solarni paneli u solarnim elektranama, uključujući i one postavljene na vrhove kuća, pomažu u korištenju obnovljive energije i smanjenju upotrebe fosilnih goriva, koja se još uvijek u velikoj mjeri koriste. Amerika. Jedan od najvećih problema za industriju je dobivanje zemljišta za izgraditi ove farme. Prosječno domaćinstvo može izdržati samo određeni broj solarnih panela, a broj solarnih farmi je ograničen. U područjima s dovoljno prostora, većina ljudi uvijek okleva da izgradi novu solarnu elektranu jer to trajno zatvara mogućnost i potencijal drugih mogućnosti na kopnu, kao što su nova preduzeća. U posljednje vrijeme postoji veliki broj instalacija plutajućih fotonaponskih panela koje mogu proizvesti velike količine električne energije, a glavna prednost plutajućih solarnih farmi je smanjenje troškova [8]. zemljište se ne koristi, nema potrebe da brinete o troškovima instalacije na vrhovima kuća i zgrada. Sve trenutno poznate plutajuće solarne farme nalaze se na vještačkim vodnim tijelima, au budućnostiMoguće je postaviti ove farme na prirodna vodna tijela.Umjetni rezervoari imaju mnoge prednosti koje nisu uobičajene u okeanima [9]. Akumulacije koje je napravio čovjek je lako upravljati, a uz prethodnu infrastrukturu i puteve, farme se mogu jednostavno instalirati. Plutajuće solarne farme su se također pokazale produktivnijim od solarne farme na kopnu zbog temperaturnih varijacija između vode i zemljišta [9]. Zbog visoke specifične topline vode, površinska temperatura zemljišta je općenito viša od temperature vodenih tijela, a pokazalo se da visoke temperature negativno utiču na performanse stopa konverzije solarnog panela. Dok temperatura ne kontroliše koliko sunčeve svetlosti panel prima, ona utiče na količinu energije koju dobijate od sunčeve svetlosti. Pri niskim energijama (tj. nižim temperaturama), elektroni unutar solarnog panela će biti u stanje mirovanja, a onda kada sunčeva svjetlost udari, oni će dostići pobuđeno stanje [10]. Razlika između stanja mirovanja i pobuđenog stanja je u tome koliko energije se generiše u naponu. Sunlig ne može samoht pobuđuje ove elektrone, ali isto tako može i zagrijati. Ako toplina oko solarnog panela energizira elektrone i dovede ih u nisko pobuđeno stanje, napon neće biti tako velik kada sunčeva svjetlost udari u panel [10]. Pošto zemlja apsorbira i emituje zagrevaju lakše od vode, elektroni u solarnom panelu na kopnu će verovatno biti u većem pobuđenom stanju, a zatim se solarni panel nalazi na ili blizu vode koja je hladnija. Dalja istraživanja su pokazala da efekat hlađenja voda oko plutajućih panela pomaže u stvaranju 12,5% više energije nego na kopnu [9].
Do sada, solarni paneli zadovoljavaju samo 1% američkih energetskih potreba, ali ako bi ove solarne farme bile postavljene na do četvrtinu veštačkih rezervoara za vodu, solarni paneli bi zadovoljili skoro 10% američkih energetskih potreba. U Koloradu, gde plutaju paneli su uvedeni u najkraćem mogućem roku, dva velika rezervoara za vodu u Koloradu izgubila su dosta vode usled isparavanja, ali postavljanjem ovih plutajućih panela sprečeno je isušivanje rezervoara i proizvedena je električna energija [11]. -napravljeni rezervoari opremljeni solarnim farmama bili bi dovoljni da proizvedu najmanje 400 gigavata električne energije, dovoljno da napajaju 44 milijarde LED sijalica više od godinu dana.
Slika 4a prikazuje povećanje snage koje pruža plutajuća solarna ćelija u odnosu na sliku 4b. Iako je bilo nekoliko plutajućih solarnih farmi u prošloj deceniji, one i dalje prave tako veliku razliku u proizvodnji energije. U budućnosti, kada plutajuće solarne farme Ako postane više, ukupna proizvedena energija će se utrostručiti sa 0,5 TW u 2018. na 1,1 TW do kraja 2022. godine.[12]
Ekološki gledano, ove plutajuće solarne farme su vrlo korisne na mnogo načina. Osim što smanjuju oslanjanje na fosilna goriva, solarne farme također smanjuju količinu zraka i sunčeve svjetlosti koji dopiru do površine vode, što može pomoći da se preokrene klimatske promjene [9]. farma koja smanjuje brzinu vjetra i direktnu sunčevu svjetlost koja pada na površinu vode za najmanje 10% mogla bi nadoknaditi cijelu deceniju globalnog zagrijavanja [9]. U smislu biodiverziteta i ekologije, čini se da nema velikih negativnih uticaja. Paneli sprječavaju jak vjetar aktivnost na površini vode, čime se smanjuje erozija na obali rijeke, štiti i stimulira vegetacija.[13].Nema definitivnih rezultata o tome da li je morski život pogođen, ali mjere kao što je bio-koliba ispunjena školjkama koju je stvorio Ecocean imale su mjere. bio potopljen pod fotonaponskim panelima kako bi se potencijalno podržao morski život.[13]. Jedna od glavnih briga tekućih istraživanja je potencijalni uticaj na lanac ishrane zbog instaliranja infrastrukture kao što je npr.fotonaponski paneli na otvorenim vodama, a ne u rezervoarima koje je napravio čovjek. Kako manje sunčeve svjetlosti ulazi u vode, to uzrokuje smanjenje stope fotosinteze, što rezultira masivnim gubitkom fitoplanktona i makrofita. Sa smanjenjem ovih biljaka, utjecaj na životinje niže u lancu ishrane, itd., dovodi do subvencija za vodene organizme [14]. Iako se to još nije dogodilo, ovo bi moglo spriječiti daljnje potencijalno oštećenje ekosistema, što je glavni nedostatak plutajućih solarnih farmi.
Budući da je sunce naš najveći izvor energije, može biti teško pronaći načine da iskoristimo ovu energiju i koristimo je u našim zajednicama. Nove tehnologije i inovacije dostupne svaki dan to čine mogućim. Iako nema mnogo nosivih odjevnih predmeta na solarni pogon kupiti ili plutajuće solarne farme koje treba posjetiti upravo sada, to ne mijenja činjenicu da tehnologija nema ogroman potencijal ili svijetlu budućnost. Plutajuće solarne ćelije moraju preći dug put u smislu divljih životinja da bi bile uobičajene kao solarni paneli na vrhu domova. Nosivim solarnim ćelijama treba preći dug put prije nego što postanu uobičajene kao i odjeća koju nosimo svaki dan. Očekuje se da će se solarne ćelije u budućnosti koristiti u svakodnevnom životu bez potrebe da budu skrivene između naših Odjeća. Kako tehnologija napreduje u narednim decenijama, potencijal solarne industrije je neograničen.
O Raj Shah-u Dr. Raj Shah je direktor kompanije Koehler Instrument Company u New Yorku, gdje je radio 27 godina. Physics, Institute of Energy Research i Royal Society of Chemistry. Dobitnik ASTM Eagle Award Dr. Shah je nedavno zajedno uređivao bestseler “Priručnik za goriva i maziva”, detalji dostupni u ASTM-ovom Priručniku za dugo očekivana goriva i maziva, 2. izdanje – 15. jula, 2020 – David Phillips – Članak vijesti iz Petro industrije – Petro Online (petro-online.com)
Dr. Shah je doktorirao hemijsko inženjerstvo na Penn State University i član je Chartered School of Management, London.On je također ovlašteni naučnik Naučnog vijeća, ovlašteni inženjer nafte Energetskog instituta i Inženjerskog vijeća UK. Dr.Tau beta Pi, najveće inženjersko društvo u Sjedinjenim Državama, nedavno je Shah dobio čast kao Istaknutog inženjera. On je u savjetodavnim odborima Univerziteta Farmingdale (mehanička tehnologija), Univerziteta Auburn (tribologija) i Univerziteta Stony Brook (kemijsko inženjerstvo/ Nauka o materijalima i inženjerstvo).
Raj je pomoćni profesor na Odsjeku za nauku o materijalima i hemijsko inženjerstvo na SUNY Stony Brook-u, objavio je preko 475 članaka i aktivan je na polju energije više od 3 godine. Više informacija o Raju možete pronaći kod direktora kompanije Koehler Instrument Company izabran za člana Međunarodnog instituta za fiziku Petro Online (petro-online.com)
Gospođa Mariz Baslious i gospodin Blerim Gashi su studenti hemijskog inženjerstva na SUNY, a dr. Raj Shah predsjedava vanjskim savjetodavnim odborom univerziteta. Mariz i Blerim su dio rastućeg programa stažiranja u Koehler Instrument, Inc. u Holtzvilleu, NY, koji potiče studente da nauče više o svijetu alternativnih energetskih tehnologija.
Vrijeme objave: Feb-12-2022
