Tsivilisatsiooni kasvades suureneb meie eluviisi toetamiseks vajalik energia iga päevaga, mistõttu peame leidma uusi ja uuenduslikke viise oma taastuvate ressursside (nt päikesevalguse) kasutamiseks, et luua meie ühiskonnale Progressi jätkamiseks rohkem energiat.
Päikesevalgus on pakkunud ja võimaldanud elu meie planeedil sajandeid. Otseselt või kaudselt võimaldab päike toota peaaegu kõiki teadaolevaid energiaallikaid, nagu fossiilkütused, hüdroenergia, tuul, biomass jne. Tsivilisatsiooni kasvades suureneb energia, mida on vaja toetada. meie eluviis kasvab iga päevaga, nõudes meilt uute ja uuenduslike viiside leidmist oma taastuvate ressursside (nt päikesevalguse) kasutamiseks, et luua meie ühiskonnale Progressi jätkamiseks rohkem energiat.
Juba antiikmaailmas oleme suutnud ellu jääda päikeseenergial, kasutades enam kui 6000 aastat tagasi ehitatud hoonetest pärit päikesevalgust energiaallikana, orienteerides maja nii, et päikesevalgus läbiks küttekehasid. .Tuhandeid aastaid hiljem kasutasid egiptlased ja kreeklased sama tehnikat, et hoida oma majad suvel jahedana, kaitstes neid päikese eest [1]. Suuri ühekordse klaasiga aknaid kasutatakse päikesekütteaknadena, mis lasevad päikesesoojusel sisse, kuid hoiavad kinni. sees olev soojus.Päikesevalgus ei olnud iidses maailmas oluline mitte ainult selle tekitatud soojuse jaoks, vaid seda kasutati ka toidu säilitamiseks ja säilitamiseks soola kaudu.Soolamisel kasutatakse päikest mürgise merevee aurustamiseks ja soola saamiseks, mis kogutakse kokku päikesebasseinides [1].Leonardo da Vinci pakkus hilisrenessansiajal esimeseks tööstuslikuks kasutamiseks nõguspeegel-päikesekontsentraatoreid veesoojenditena ja hiljem pakkus Leonardo välja ka copp keevitamise tehnoloogia.er kasutades päikesekiirgust ja võimaldades tehnilistel lahendustel kasutada tekstiilimasinaid [1].Varsti tööstusrevolutsiooni ajal lõi W. Adams nn päikeseahju. Sellel ahjul on kaheksa sümmeetrilist hõbedast klaasist peeglit, mis moodustavad kaheksanurkse peegeldi. Päikesevalgus on kontsentreeriti peeglite abil klaasiga kaetud puitkasti, kuhu pott asetatakse ja lastakse keema tõusta[1].Keerake paarsada aastat edasi ja päikeseaurumasin ehitati umbes 1882. aastal [1]. Abel Pifre kasutas nõguspeeglit 3.5 m läbimõõduga ja fokuseeris selle silindrilisele aurukatlale, mis tootis trükipressi käivitamiseks piisavalt võimsust.
2004. aastal rajati Hispaanias Sevillas maailma esimene kaubanduslik kontsentreeritud päikeseelektrijaam Planta Solar 10. Päikesevalgus peegeldub umbes 624 meetri kõrgusele tornile, kuhu on paigaldatud päikesevastuvõtjad koos auruturbiinide ja generaatoritega. See on võimeline tootma energiat. enam kui 5500 kodu toiteks.Pea kümmekond aastat hiljem, 2014. aastal avati USA-s Californias maailma suurim päikeseelektrijaam.Jaam kasutas üle 300 000 juhitava peegli ja võimaldas toota 377 megavatti elektrit ligikaudu 140 000 kodu toiteks [ 1].
Mitte ainult tehaseid ei ehitata ja kasutatakse, vaid ka tarbijad jaekauplustes loovad uusi tehnoloogiaid. Päikesepaneelid tegid oma debüüdi ja mängu tulid isegi päikeseenergial töötavad autod, kuid üks uusimaid arenguid, mida veel ei teatata, on uued päikesepaneelid. toitega kantav tehnoloogia.USB-ühenduse või muude seadmete integreerimine võimaldab ühendada riideid selliste seadmetega nagu allikad, telefonid ja kõrvaklapid, mida saab laadida liikvel olles.Alles paar aastat tagasi tegi Jaapani teadlaste meeskond Rikeni Instituut ja Torah Industries kirjeldasid õhukese orgaanilise päikesepatarei väljatöötamist, mis prindib riideid kuumalt rõivastele, võimaldades elemendil päikeseenergiat absorbeerida ja kasutada seda toiteallikana [2] ]. Mikropäikeseelemendid on orgaanilised soojusenergiaga fotogalvaanilised elemendid. stabiilsus ja paindlikkus kuni 120 °C [2].Uurimisrühma liikmed põhinesid orgaanilistel fotogalvaanilistel elementidel PNTz4T-nimelisel materjalil [3].PNTz4T on pooljuhtpolümeer, mille Riken on varem välja töötanud suurepärase en jaoks.vironmentaalne stabiilsus ja kõrge võimsuse muundamise efektiivsus, siis kaetakse raku mõlemad pooled elastomeeriga, kummitaolise materjaliga [3]. Protsessi käigus kasutati kahte eelvenitatud 500 mikroni paksust akrüülelastomeeri, mis võimaldavad valgusel siseneda. elementi, kuid takistab vee ja õhu sisenemist elementi. Selle elastomeeri kasutamine aitab vähendada aku enda lagunemist ja pikendada selle eluiga [3].
Üks tööstusharu silmapaistvamaid puudusi on vesi.Nende rakkude degeneratsiooni võivad põhjustada mitmesugused tegurid, kuid suurim neist on vesi, mis tahes tehnoloogia ühine vaenlane. Igasugune liigne niiskus ja pikaajaline kokkupuude õhuga võivad efektiivsust negatiivselt mõjutada. orgaanilistest fotogalvaanilistest elementidest [4].Kuigi enamikul juhtudel saate vältida vee sattumist arvutisse või telefoni, ei saa te seda vältida riietega. Olgu see vihm või pesumasin, vesi on vältimatu.Pärast erinevaid katseid eraldiseisva orgaanilise fotogalvaanilise elemendi ja kahepoolse kattega orgaanilise fotogalvaanilise elemendiga sukeldati mõlemad orgaanilised fotogalvaanilised elemendid 120 minutiks vette, järeldati, et eraldiseisva orgaanilise fotogalvaanilise elemendi võimsus oli Konversiooni efektiivsus väheneb ainult 5,4%.Rakud vähenesid 20,8% [5].
Joonis 1. Normaliseeritud võimsuse muundamise efektiivsus keelekümblusaja funktsioonina. Graafiku vearibad näitavad standardhälvet, mis on normaliseeritud iga struktuuri algse võimsuse muundamise efektiivsuse keskmisega [5].
Joonisel 2 on kujutatud Nottingham Trenti ülikooli teist arendust – miniatuurset päikesepatarei, mille saab põimida lõnga, mis seejärel kootakse tekstiiliks [2]. Iga tootes sisalduv aku vastab teatud kasutuskriteeriumidele, näiteks 3 mm pikk ja 1,5 mm lai[2]. Iga seade on lamineeritud veekindla vaiguga, et saaks pesu pesta pesuruumis või ilmastikuolude tõttu [2]. Akud on kohandatud ka mugavuse tagamiseks ja igaüks neist on paigaldatud viisil, mis ei ulatu välja ega ärrita kandja nahka. Täiendavate uuringute käigus leiti, et väikeses riidetükis, mis sarnaneb 5 cm^2 kangaosaga, võib olla veidi üle 200 raku, mis ideaaljuhul toodab 2,5–10 volti energiat ja jõudis järeldusele, et rakke on ainult 2000, et nutitelefonid saaksid laadida [2].
Joonis 2. Mikropäikesepatareid pikkusega 3 mm ja laiusega 1,5 mm (foto Nottingham Trenti ülikooli loal) [2].
Fotogalvaanilised kangad sulatavad kokku kaks kerget ja odavat polümeeri, et luua energiat tootvaid tekstiile.Esimene kahest komponendist on mikro-päikesepatarei, mis kogub energiat päikesevalgusest, ja teine koosneb nanogeneraatorist, mis muundab mehaanilise energia elektrienergiaks [ 6]. Kanga fotogalvaaniline osa koosneb polümeerkiududest, mis seejärel kaetakse mangaani, tsinkoksiidi (fotogalvaaniline materjal) ja vaskjodiidi (laengu kogumiseks) kihtidega [6]. Seejärel kootakse elemendid kokku pisike vasktraat ja integreeritud rõivasse.
Nende uuenduste saladus peitub painduvate fotogalvaaniliste seadmete läbipaistvates elektroodides. Läbipaistvad juhtivad elektroodid on üks fotogalvaaniliste elementide komponentidest, mis võimaldavad valgusel elementi siseneda, suurendades valguse kogumise kiirust. Kasutatakse indiumiga legeeritud tinaoksiidi (ITO) nende läbipaistvate elektroodide valmistamiseks, mida kasutatakse selle ideaalse läbipaistvuse (>80%) ja hea lehekindluse ning suurepärase keskkonnastabiilsuse tõttu [7].ITO on ülioluline, kuna kõik selle komponendid on peaaegu ideaalsetes proportsioonides. paksus koos läbipaistvuse ja takistusega maksimeerib elektroodide tulemusi [7]. Kõik suhte kõikumised mõjutavad negatiivselt elektroode ja seega ka jõudlust.Näiteks elektroodi paksuse suurendamine vähendab läbipaistvust ja takistust, mis viib jõudluse halvenemiseni. ITO on aga piiratud ressurss, mis kulub kiiresti ära. Jätkuvad uuringud alternatiivi leidmiseks, mis mitte ainult ei saavutaITO, kuid eeldatavasti ületab ITO [7] jõudlust.
Sellised materjalid nagu läbipaistvate juhtivate oksiididega modifitseeritud polümeersubstraadid on seni populaarsemaks muutunud. Kahjuks on need aluspinnad osutunud rabedaks, jäigaks ja raskeks, mis vähendab oluliselt paindlikkust ja jõudlust [7]. Teadlased pakuvad lahendust painduvate kiududetaoliste päikesepatareide kasutamine elektroodide asendusena. Kiudpatarei koosneb elektroodist ja kahest erinevast metalljuhtmest, mis on keerutatud ja kombineeritud elektroodi asendamiseks aktiivse materjaliga [7]. Päikesepatarei on oma kerge kaalu tõttu paljulubav. , kuid probleemiks on metalljuhtmete vahelise kontaktpinna puudumine, mis vähendab kontaktpinda ja põhjustab seega fotogalvaanilise jõudluse halvenemist [7].
Keskkonnategurid on samuti suureks motivaatoriks teadusuuringute jätkamiseks. Praegu toetub maailm suurel määral taastumatutele energiaallikatele, nagu fossiilkütused, kivisüsi ja nafta. Fookuse nihutamine taastumatutelt energiaallikatelt taastuvatele energiaallikatele, sealhulgas päikeseenergiale, on vajalik investeering tulevikku.Iga päev laadivad miljonid inimesed oma telefone, arvuteid, sülearvuteid, nutikellasid ja kõiki elektroonikaseadmeid ning meie kangaste kasutamine nende seadmete laadimiseks lihtsalt kõndides võib vähendada meie fossiilkütuste kasutamist.Kuigi see võib tunduda 1 või isegi 500 inimese väikeses mastaabis tühine, kümnete miljoniteni ulatudes võib see oluliselt vähendada meie fossiilkütuste kasutamist.
Päikeseelektrijaamade, sealhulgas majade peale paigaldatud päikesepaneelid aitavad teadaolevalt kasutada taastuvenergiat ja vähendada fossiilkütuste kasutamist, mida kasutatakse endiselt palju. Ameerika. Tööstuse üks peamisi probleeme on maa hankimine neid talusid ehitada.Keskmine leibkond suudab toetada vaid teatud arvu päikesepaneele ja päikeseparkide arv on piiratud.Piiralt ruumiga piirkondades kõhkleb enamik inimesi alati uue päikeseelektrijaama ehitamises, kuna see sulgeb jäädavalt võimaluse ja muude võimaluste potentsiaal maal, nagu uued ettevõtted. Viimasel ajal on palju ujuvaid fotogalvaanilisi paneele, mis suudavad toota suures koguses elektrit, ja ujuva päikeseenergiafarmi peamine eelis on kulude vähendamine [8]. maad ei kasutata, ei pea muretsema paigalduskulude pärast majade ja hoonete peale.Kõik hetkel teadaolevad ujuvad päikesepargid asuvad tehisveekogudel ja tulevikus ion võimalik paigutada need talud looduslikele veekogudele.Kunstlikel veehoidlatel on palju eeliseid, mis pole ookeanis tavalised [9].Inimese loodud veehoidlaid on lihtne hallata ning varasema infrastruktuuri ja teede korral saab farme lihtsalt paigaldada.Ujuvad päikesepargid on samuti osutunud tootlikumaks kui maapealsed päikesepargid vee ja maa temperatuurikõikumiste tõttu [9].Vee suure erisoojuse tõttu on maa pinnatemperatuur üldiselt kõrgem kui veekogudel ning on näidatud, et kõrged temperatuurid avaldavad negatiivset mõju veekogudele. päikesepaneelide konversioonimäärade jõudlus.Kuigi temperatuur ei reguleeri seda, kui palju päikesevalgust paneel saab, mõjutab see siiski seda, kui palju energiat päikesevalgusest saate. Madala energia korral (st jahedamal temperatuuril) on päikesepaneeli sees olevad elektronid puhkeolekusse ja päikesevalguse saabudes jõuavad nad ergastatud olekusse [10]. Puhkeoleku ja ergastatud oleku erinevus seisneb selles, kui palju energiat pinges genereeritakse.ht ergastab neid elektrone, kuid võib ka soojust.Kui päikesepaneeli ümbritsev soojus annab elektronidele energiat ja paneb need madala ergastuse olekusse, ei ole pinge nii suur, kui päikesevalgus paneeli tabab [10]. Kuna maa neelab ja kiirgab soojenevad veest kergemini, on maismaal asuva päikesepaneeli elektronid tõenäoliselt suurema ergastuse olekus ja siis asub päikesepaneel jahedamal veekogul või selle läheduses. Edasised uuringud tõestasid, et vesi ujuvate paneelide ümber aitab toota 12,5% rohkem energiat kui maal [9].
Seni katavad päikesepaneelid vaid 1% Ameerika energiavajadusest, kuid kui need päikesefarmid rajataks kuni neljandikule inimese loodud veehoidlatest, kataks päikesepaneelid peaaegu 10% Ameerika energiavajadusest. Colorados, kus ujuvad paneelid võeti kasutusele esimesel võimalusel, Colorado kaks suurt veehoidlat kaotasid aurustumise tõttu palju vett, kuid nende ujuvate paneelide paigaldamisega hoiti ära reservuaaride kuivamine ja tekkis elekter [11].Isegi üks protsent inimesest -tehtud päikesefarmidega varustatud reservuaaridest piisaks vähemalt 400 gigavati elektrienergia tootmiseks, millest piisaks 44 miljardi LED-pirni toiteks üle aasta.
Joonisel 4a on kujutatud ujuva päikesepatarei võimsuse suurenemist võrreldes joonisega 4b. Kuigi viimasel kümnendil on olnud vähe ujuvaid päikesepatareisid, on neil siiski energiatootmises nii suur erinevus. Tulevikus, kui ujuvad päikesepargid 2022. aasta lõpuks kolmekordistub kogu toodetud energia 0,5 TW-lt 2018. aastal 1,1 TW-ni.[12]
Keskkonna seisukohalt on need ujuvad päikesefarmid väga kasulikud mitmel viisil. Lisaks fossiilkütustest sõltuvuse vähendamisele vähendavad päikesepargid ka veepinnale jõudva õhu ja päikesevalguse hulka, mis võib aidata kliimamuutusi tagasi pöörata [9]. talu, mis vähendab tuule kiirust ja veepinda tabavat otsest päikesevalgust vähemalt 10% võrra, võiks kompenseerida terve kümnendi kestnud globaalse soojenemise [9]. Bioloogilise mitmekesisuse ja ökoloogia osas ei paista suuri negatiivseid mõjusid leiduvat. Paneelid hoiavad ära tugeva tuule aktiivsust veepinnal, vähendades seeläbi erosiooni jõekaldal, kaitstes ja stimuleerides taimestikku.[13] Puuduvad kindlad tulemused selle kohta, kas see mõjutab mereelu, kuid sellised meetmed nagu Ecoceani loodud karpidega täidetud bioonn on aidanud. sukeldatud fotogalvaaniliste paneelide alla, et potentsiaalselt toetada mereelu.[13] Käimasolevate uuringute üheks peamiseks murekohaks on potentsiaalne mõju toiduahelale, mis tuleneb selliste infrastruktuuride paigaldamisest nagu näiteksfotogalvaanilised paneelid avatud veekogudele, mitte tehislikele veehoidlatele.Kuna vetesse siseneb vähem päikesevalgust, vähendab see fotosünteesi kiirust, mille tulemuseks on fütoplanktoni ja makrofüütide massiline kadu.Nende taimede arvu vähenemine avaldab mõju loomadele. madalam toiduahelas jne, toob kaasa veeorganismide toetamise [14]. Kuigi seda pole veel juhtunud, võib see ära hoida edasist potentsiaalset kahju ökosüsteemile, mis on ujuvate päikesefarmide peamine puudus.
Kuna päike on meie suurim energiaallikas, võib olla keeruline leida viise, kuidas seda energiat kasutada ja oma kogukondades kasutada. Iga päev saadaval olevad uued tehnoloogiad ja uuendused teevad selle võimalikuks.Kuigi kantavaid päikeseenergial töötavaid rõivaid pole palju osta või ujuvad päikesefarmid, mida praegu külastada, see ei muuda tõsiasja, et tehnoloogial pole tohutut potentsiaali ega helget tulevikku. Ujuvatel päikesepatareidel on eluslooduse mõttes pikk tee käia, et olla sama levinud kui päikesepaneelid kodude peal.Kallatavatel päikesepatareidel on veel pikk tee käia, enne kui need muutuvad sama tavaliseks kui riided, mida me igapäevaselt kanname. Tulevikus hakatakse päikesepatareisid kasutama igapäevaelus, ilma et neid peaks meie vahele peitma riided.Seda, et tehnoloogia areneb järgmistel aastakümnetel, on päikesetööstuse potentsiaal lõputu.
Raj Shahist Dr Raj Shah on New Yorgis asuva Koehleri instrumentide ettevõtte direktor, kus ta on töötanud 27 aastat. Ta on kolleegide poolt valitud kolleegid IChemE-st, CMI-st, STLE-st, AIC-st, NLGI-st, INSMTC-st, Instituudist Füüsika, Energiauuringute Instituut ja Kuninglik Keemia Selts.ASTM Eagle'i auhinna saaja dr Shah toimetas hiljuti enimmüüdud "Kütuste ja määrdeainete käsiraamatu" üksikasjad, mis on saadaval ASTM-i kauaoodatud kütuste ja määrdeainete käsiraamatus, 2. väljaanne – 15. juuli, 2020 – David Phillips – Petro tööstuse uudiste artikkel – Petro Online (petro-online.com)
Dr Shah on omandanud doktorikraadi keemiatehnikas Penn State'i ülikoolist ja Londoni Chartered School of Management'i stipendiaadi.Ta on ka Teadusnõukogu volitatud teadlane, Energeetikainstituudi ja Ühendkuningriigi insenerinõukogu diplomeeritud naftainsener.Dr.Ameerika Ühendriikide suurim inseneriühing Tau beta Pi austas Shahit hiljuti austatud insenerina. Ta on Farmingdale'i ülikooli (mehaanikatehnoloogia), Auburni ülikooli (triboloogia) ja Stony Brooki ülikooli (keemiatehnoloogia) nõuandekogudes. materjaliteadus ja tehnika).
Raj on SUNY Stony Brooki materjaliteaduse ja keemiatehnika osakonna dotsent, avaldanud üle 475 artikli ja tegutsenud energiavaldkonnas üle 3 aasta. Lisateavet Raji kohta leiate Koehler Instrument Company direktorilt. valiti stipendiaadiks Rahvusvahelises Füüsika Instituudis Petro Online (petro-online.com)
Pr Mariz Baslious ja hr Blerim Gashi on SUNY keemiainseneri üliõpilased ning dr Raj Shah juhib ülikooli välist nõuandekomisjoni. Mariz ja Blerim on osa kasvavast praktikaprogrammist Koehler Instrument, Inc.'is Holtzville'is, NY. julgustab õpilasi alternatiivsete energiatehnoloogiate maailma kohta rohkem tundma.
Postitusaeg: 12.02.2022
