Civilizācijai augot, katru dienu palielinās enerģija, kas nepieciešama mūsu dzīvesveida atbalstam, liekot mums atrast jaunus un novatoriskus veidus, kā izmantot mūsu atjaunojamos resursus, piemēram, saules gaismu, lai radītu vairāk enerģijas mūsu sabiedrībai, lai turpinātu progresu.
Saules gaisma ir nodrošinājusi un veicinājusi dzīvību uz mūsu planētas gadsimtiem ilgi. Neatkarīgi no tā, vai tieši vai netieši saule ļauj ģenerēt gandrīz visus zināmos enerģijas avotus, piemēram, fosilo kurināmo, hidroenerģiju, vēju, biomasu utt. Civilizācijai augot, enerģija, kas nepieciešama, lai atbalstītu mūsu dzīvesveids pieaug katru dienu, liekot mums atrast jaunus un novatoriskus veidus, kā izmantot mūsu atjaunojamos resursus, piemēram, saules gaismu, lai radītu vairāk enerģijas mūsu sabiedrībai, lai turpinātu progresu.
Jau senajā pasaulē mēs esam spējuši izdzīvot ar saules enerģiju, izmantojot saules gaismu kā enerģijas avotu, kas radās pirms vairāk nekā 6000 gadiem celtās ēkās, orientējot māju tā, lai saules gaisma izietu caur atverēm, kas darbojas kā apkures veids. .Tūkstošiem gadu vēlāk ēģiptieši un grieķi izmantoja to pašu paņēmienu, lai vasarā uzturētu savas mājas vēsas, pasargājot tās no saules [1].Lieli viena stikla logi tiek izmantoti kā saules termologi, kas ļauj iekļūt saules siltumam, bet aiztur. siltums iekšā.Saules gaisma bija ne tikai būtiska siltumam, ko tā radīja senajā pasaulē, bet to izmantoja arī pārtikas konservēšanai un konservēšanai, izmantojot sāli.Sāļošanas laikā sauli izmanto, lai iztvaicētu toksisko jūras ūdeni un iegūtu sāli, kas tiek savākta saules baseinos [1].Vēlajā renesansē Leonardo da Vinči ierosināja pirmo reizi rūpnieciski izmantot ieliekto spoguļu saules koncentratorus kā ūdens sildītājus, un vēlāk Leonardo arī ierosināja copp metināšanas tehnoloģiju.er izmantojot saules starojumu un ļaujot tehniskiem risinājumiem darbināt tekstilrūpniecības iekārtas [1].Drīz industriālās revolūcijas laikā V. Adamss izveidoja to, ko tagad sauc par saules krāsni.Šai krāsnī ir astoņi simetriski sudraba stikla spoguļi, kas veido astoņstūra atstarotāju. Saules gaisma ir ar spoguļiem koncentrēta koka kastē, kas pārklāta ar stiklu, kur ievietos katlu un ļaujiet tam vārīties[1]. Pārsteidzot dažus simtus gadu, un saules tvaika dzinējs tika uzbūvēts ap 1882. gadu [1]. Ābels Pifre izmantoja ieliektu spoguli 3.5 m diametrā un fokusēja to uz cilindrisku tvaika katlu, kas ražoja pietiekami daudz jaudas, lai darbinātu iespiedmašīnu.
2004. gadā Seviļā, Spānijā, tika izveidota pasaulē pirmā komerciālā koncentrētā saules elektrostacija Planta Solar 10. Saules gaisma atstarojas uz aptuveni 624 metrus gara torņa, kurā ir uzstādīti saules uztvērēji ar tvaika turbīnām un ģeneratoriem. Tas spēj ražot enerģiju. lai darbinātu vairāk nekā 5500 māju. Gandrīz desmit gadus vēlāk, 2014. gadā, Kalifornijā, ASV, tika atvērta pasaulē lielākā saules elektrostacija. Ražotnē tika izmantoti vairāk nekā 300 000 vadāmu spoguļu un ļāva saražot 377 megavatus elektroenerģijas, lai darbinātu aptuveni 140 000 māju [ 1].
Ne tikai tiek būvētas un izmantotas rūpnīcas, bet arī patērētāji mazumtirdzniecības veikalos rada jaunas tehnoloģijas. Saules paneļi piedzīvoja savu debiju, un pat sāka izmantot ar saules enerģiju darbināmas automašīnas, taču viens no jaunākajiem sasniegumiem, kas vēl nav paziņots, ir jauni saules paneļi. darbināma valkājama tehnoloģija.Integrējot USB savienojumu vai citas ierīces, tas ļauj savienot apģērbu ar ierīcēm, piemēram, avotiem, tālruņiem un austiņām, kuras var uzlādēt, atrodoties ceļā.Tikai pirms dažiem gadiem Japānas pētnieku komanda Rikenā Institūts un Torah Industries aprakstīja plānas organiskās saules baterijas izstrādi, kas uz apģērba termiski apdrukātu drēbes, ļaujot šūnai absorbēt saules enerģiju un izmantot to kā enerģijas avotu [2] ]. Mikrosaules baterijas ir organiskas fotoelektriskas šūnas ar termisko elementu. stabilitāte un elastība līdz pat 120 °C [2].Pētniecības grupas locekļi organiskās fotoelementus izmantoja uz materiāla, ko sauc par PNTz4T [3].PNTz4T ir pusvadītāju polimērs, ko iepriekš izstrādāja Riken, lai nodrošinātu izcilu envides stabilitāte un augsta jaudas pārveidošanas efektivitāte, tad abas šūnas puses tiek pārklātas ar elastomēru, gumijai līdzīgu materiālu [3].Šajā procesā viņi izmantoja divus iepriekš izstieptus 500 mikronu biezus akrila elastomērus, kas ļauj gaismai iekļūt. elementu, bet neļauj ūdenim un gaisam iekļūt šūnā.Šī elastomēra izmantošana palīdz samazināt paša akumulatora noārdīšanos un paildzina tā kalpošanas laiku [3].
Viens no nozares ievērojamākajiem trūkumiem ir ūdens. Šo šūnu deģenerāciju var izraisīt dažādi faktori, taču lielākais ir ūdens, jebkuras tehnoloģijas kopīgs ienaidnieks. Jebkurš lieks mitrums un ilgstoša gaisa iedarbība var negatīvi ietekmēt efektivitāti. organisko fotoelektrisko elementu [4].Lai gan vairumā gadījumu jūs varat izvairīties no ūdens nokļūšanas datorā vai tālrunī, jūs nevarat no tā izvairīties ar drēbēm. Neatkarīgi no tā, vai tas ir lietus vai veļas mašīna, ūdens ir neizbēgams.Pēc dažādiem testiem brīvi stāvoša organiskā fotoelementa un abpusēji pārklātā organiskā fotoelementa, abas organiskās fotogalvaniskās šūnas tika iegremdētas ūdenī uz 120 minūtēm, tika secināts, ka brīvi stāvošā organiskā fotoelementa jauda bija Pārveidošanas efektivitāte samazinās tikai par 5,4%.Šūnas samazinājās par 20,8% [5].
1. attēls. Normalizētā jaudas pārveidošanas efektivitāte kā iegremdēšanas laika funkcija. Kļūdu joslas grafikā attēlo standarta novirzi, kas normalizēta ar sākotnējo jaudas pārveidošanas efektivitāti katrā struktūrā [5].
2. attēlā ir attēlota vēl viena Notingemas Trentas universitātes izstrāde — miniatūra saules baterija, ko var iestrādāt dzijā, kas pēc tam tiek ieausta tekstilizstrādājumā [2]. Katra izstrādājumā iekļautā baterija atbilst noteiktiem lietošanas kritērijiem, piemēram, 3 mm gara un 1,5 mm plata[2]. Katra vienība ir laminēta ar ūdensnecaurlaidīgiem sveķiem, lai veļu varētu mazgāt veļas mazgātavā vai laikapstākļu dēļ [2]. Baterijas ir arī pielāgotas ērtībām, un katra ir uzstādīta veidā, kas neizvirzās un nekairina valkātāja ādu. Turpmākajos pētījumos tika konstatēts, ka nelielā apģērba gabalā, kas līdzinās 5 cm^2 auduma sekcijai, var būt nedaudz vairāk par 200 šūnām, ideālā gadījumā radot 2,5–10 voltu enerģiju, un secināja, ka ir tikai 2000 šūnu, lai šūnām varētu uzlādēt viedtālruņus [2].
2. attēls. Mikro saules baterijas 3 mm garas un 1,5 mm platas (foto ar Notingemas Trentas universitātes atļauju) [2].
Fotoelementu audumi sakausē divus vieglus un zemu izmaksu polimērus, lai radītu enerģiju radošus tekstilizstrādājumus. Pirmā no divām sastāvdaļām ir mikro saules baterija, kas iegūst enerģiju no saules gaismas, bet otra sastāv no nanoģeneratora, kas pārvērš mehānisko enerģiju elektroenerģijā [ 6].Auduma fotoelektriskā daļa sastāv no polimēru šķiedrām, kuras pēc tam pārklāj ar mangāna, cinka oksīda (fotoelementu materiāls) un vara jodīda (lādiņa savākšanai) slāņiem [6].Pēc tam šūnas tiek austas kopā niecīga vara stieple un integrēta apģērbā.
Šo jauninājumu noslēpums slēpjas elastīgo fotoelektrisko ierīču caurspīdīgajos elektrodos. Caurspīdīgi vadoši elektrodi ir viena no fotoelementu sastāvdaļām, kas ļauj gaismai iekļūt šūnā, palielinot gaismas savākšanas ātrumu. Tiek izmantots ar indiju leģēts alvas oksīds (ITO). lai izgatavotu šos caurspīdīgos elektrodus, kas tiek izmantoti, lai nodrošinātu ideālu caurspīdīgumu (>80%) un labu lokšņu izturību, kā arī izcilu vides stabilitāti [7]. ITO ir ļoti svarīgs, jo visas tā sastāvdaļas ir gandrīz ideālās proporcijās. biezums apvienojumā ar caurspīdīgumu un pretestību palielina elektrodu rezultātus [7].Jebkuras attiecības svārstības negatīvi ietekmēs elektrodus un līdz ar to arī veiktspēju.Piemēram, palielinot elektrodu biezumu, samazinās caurspīdīgums un pretestība, kas noved pie veiktspējas pasliktināšanās. Tomēr ITO ir ierobežots resurss, kas tiek ātri patērēts. Tiek veikti pētījumi, lai atrastu alternatīvu, kas ne tikai palīdz sasniegtITO, bet sagaidāms, ka tas pārsniegs ITO [7] veiktspēju.
Materiāli, piemēram, polimēru substrāti, kas modificēti ar caurspīdīgiem vadošiem oksīdiem, līdz šim ir kļuvuši populāri.Diemžēl šie substrāti ir trausli, stīvi un smagi, kas ievērojami samazina elastību un veiktspēju [7].Pētnieki piedāvā risinājumu izmantojot elastīgas šķiedras līdzīgas saules baterijas kā elektrodu aizstājējus.Šķiedru akumulators sastāv no elektroda un diviem atšķirīgiem metāla vadiem, kas ir savīti un apvienoti ar aktīvo materiālu, lai aizstātu elektrodu [7].Saules baterijas ir parādījušās daudzsološas to vieglā svara dēļ. , bet problēma ir kontakta laukuma trūkums starp metāla vadiem, kas samazina kontakta laukumu un tādējādi samazina fotoelementu veiktspēju [7].
Vides faktori arī ir liels stimuls turpināt pētniecību.Pašlaik pasaule lielā mērā ir atkarīga no neatjaunojamiem enerģijas avotiem, piemēram, fosilā kurināmā, oglēm un naftas. Uzsvars no neatjaunojamiem enerģijas avotiem tiek novirzīts uz atjaunojamiem enerģijas avotiem, tostarp saules enerģiju, ir nepieciešams ieguldījums nākotnē.Katru dienu miljoniem cilvēku uzlādē savus tālruņus, datorus, klēpjdatorus, viedpulksteņus un visas elektroniskās ierīces, un, izmantojot mūsu audumus, lai uzlādētu šīs ierīces, vienkārši ejot, mēs varam samazināt fosilā kurināmā izmantošanu.Lai gan tas var šķist niecīgi mazā mērogā — 1 vai pat 500 cilvēku, bet, ja to palielinātu līdz desmitiem miljonu, tas varētu ievērojami samazināt mūsu fosilā kurināmā izmantošanu.
Ir zināms, ka saules paneļi saules elektrostacijās, tostarp tie, kas uzstādīti uz mājām, palīdz izmantot atjaunojamo enerģiju un samazina fosilā kurināmā izmantošanu, kas joprojām tiek plaši izmantots.Amerika.Viena no lielākajām nozares problēmām ir zemes iegūšana būvēt šīs fermas. Vidusmēra mājsaimniecība var uzturēt tikai noteiktu skaitu saules paneļu, un saules saimniecību skaits ir ierobežots.Rajonos, kur ir pietiekami daudz vietas, lielākā daļa cilvēku vienmēr vilcinās būvēt jaunu saules elektrostaciju, jo tā uz visiem laikiem slēdz iespēju un citu iespēju potenciāls uz zemes, piemēram, jauni uzņēmumi. Pēdējā laikā ir liels skaits peldošu fotoelektrisko paneļu iekārtu, kas var radīt lielu daudzumu elektroenerģijas, un galvenais peldošo saules enerģijas fermu ieguvums ir izmaksu samazināšana [8]. zeme netiek izmantota, nav jāuztraucas par uzstādīšanas izmaksām uz mājām un ēkām. Visas šobrīd zināmās peldošās saules fermas atrodas uz mākslīgām ūdenstilpēm, un nākotnē tas iŠīs saimniecības ir iespējams izvietot uz dabīgām ūdenstilpēm.Mākslīgajiem rezervuāriem ir daudz priekšrocību, kas nav izplatītas okeānā [9].Cilvēka radītos rezervuārus ir viegli pārvaldīt, un ar iepriekšēju infrastruktūru un ceļiem fermas var vienkārši uzstādīt.Ir arī pierādīts, ka peldošās saules enerģijas fermas ir produktīvākas nekā uz sauszemes izvietotas saules enerģijas fermas ūdens un zemes temperatūras atšķirību dēļ [9]. Ūdens lielā īpatnējā siltuma dēļ zemes virsmas temperatūra parasti ir augstāka nekā ūdenstilpēs, un ir pierādīts, ka augsta temperatūra negatīvi ietekmē saules paneļa pārveidošanas ātruma veiktspēja.Lai gan temperatūra nekontrolē, cik daudz saules gaismas saņem panelis, tā tomēr ietekmē to, cik daudz enerģijas jūs saņemat no saules gaismas.Pie zemas enerģijas (ti, vēsākā temperatūrā) saules paneļa iekšpusē esošie elektroni miera stāvoklī, un tad, kad nokļūst saules gaisma, tie sasniegs ierosināto stāvokli [10]. Atšķirība starp miera stāvokli un ierosināto stāvokli ir tas, cik daudz enerģijas tiek ģenerēts spriegumā. Sunlig var ne tikaiht ierosina šos elektronus, bet var arī siltums.Ja siltums ap saules paneli aktivizē elektronus un nostāda tos zemā ierosinātā stāvoklī, spriegums nebūs tik liels, kad saules gaisma skars paneli [10].Tā kā zeme absorbē un izstaro uzkarst vieglāk nekā ūdens, elektroni saules baterijā uz sauszemes, visticamāk, atrodas augstākā ierosinātā stāvoklī, un tad saules panelis atrodas uz ūdenstilpes, kas ir vēsāks, vai tās tuvumā. Turpmākie pētījumi pierādīja, ka ūdens ap peldošajiem paneļiem palīdz radīt par 12,5% vairāk enerģijas nekā uz sauszemes [9].
Līdz šim saules paneļi apmierina tikai 1% no Amerikas enerģijas vajadzībām, taču, ja šīs saules saimniecības tiktu stādītas līdz pat ceturtdaļai cilvēku radīto ūdenskrātuvju, saules paneļi apmierinātu gandrīz 10% Amerikas enerģijas vajadzības. Kolorādo, kur peldošs paneļi tika ieviesti pēc iespējas ātrāk, divas lielas ūdenskrātuves Kolorādo iztvaikošanas dēļ zaudēja daudz ūdens, taču, uzstādot šos peldošos paneļus, tika novērsta rezervuāru izžūšana un tika radīta elektrība [11].Pat viens procents cilvēku -izgatavoti rezervuāri, kas aprīkoti ar saules fermām, būtu pietiekami, lai saražotu vismaz 400 gigavatus elektroenerģijas, kas ir pietiekami, lai vairāk nekā gadu darbinātu 44 miljardus LED spuldžu.
4.a attēlā parādīts jaudas pieaugums, ko nodrošina peldošā saules baterija, salīdzinot ar 4.b attēlu. Lai gan pēdējā desmitgadē ir bijis maz peldošu saules enerģijas fermu, tās joprojām rada tik lielas atšķirības elektroenerģijas ražošanā. Nākotnē, kad peldošās saules enerģijas fermas tiek uzskatīts, ka kopējā saražotā enerģija trīskāršosies no 0,5 TW 2018. gadā līdz 1,1 TW līdz 2022. gada beigām[12].
Runājot par vidi, šīs peldošās saules enerģijas saimniecības ir ļoti izdevīgas daudzos veidos. Saules enerģijas saimniecības ne tikai samazina atkarību no fosilā kurināmā, bet arī samazina gaisa un saules gaismas daudzumu, kas sasniedz ūdens virsmu, kas var palīdzēt mainīt klimata pārmaiņas [9]. saimniecība, kas samazina vēja ātrumu un tiešu saules staru iedarbību uz ūdens virsmu vismaz par 10%, varētu kompensēt globālo sasilšanu pilnā desmitgadē [9]. Attiecībā uz bioloģisko daudzveidību un ekoloģiju liela negatīva ietekme, šķiet, nav konstatēta. Paneļi novērš stipru vēju aktivitāti uz ūdens virsmas, tādējādi samazinot eroziju upes krastā, aizsargājot un stimulējot veģetāciju.[13] ir iegremdēti zem fotoelementu paneļiem, lai potenciāli atbalstītu jūras dzīvi[13]. Viena no galvenajām bažām saistībā ar notiekošo pētījumu ir iespējamā ietekme uz pārtikas ķēdi, ko rada tādas infrastruktūras uzstādīšana kā, piemēram,fotoelementu paneļi uz atklāta ūdens, nevis cilvēka veidoti rezervuāri.Tā kā ūdeņos nonāk mazāk saules gaismas, tas samazina fotosintēzes ātrumu, kā rezultātā tiek masveidā zaudēts fitoplanktons un makrofīti. Samazinoties šo augu skaitam, ietekme uz dzīvniekiem zemāks barības ķēdē utt., noved pie subsīdijām ūdens organismiem [14]. Lai gan tas vēl nav noticis, tas varētu novērst turpmāku iespējamo kaitējumu ekosistēmai, kas ir būtisks peldošo saules fermu trūkums.
Tā kā saule ir mūsu lielākais enerģijas avots, var būt grūti atrast veidus, kā izmantot šo enerģiju un izmantot to mūsu kopienās. Katru dienu pieejamas jaunas tehnoloģijas un inovācijas to padara iespējamu. Lai gan nav daudz valkājamu ar saules enerģiju darbināmu apģērbu. iegādāties vai peldošas saules enerģijas fermas, kuras apmeklēt tieši tagad, tas nemaina faktu, ka tehnoloģijai nav milzīgs potenciāls vai spoža nākotne. Peldošajām saules baterijām savvaļas dzīvnieku izpratnē ir tāls ceļš ejams, lai tās būtu tikpat izplatītas kā saules paneļi uz mājām.Valkājamām saules baterijām ir tāls ceļš ejams, līdz tās kļūs tikpat izplatītas kā apģērbs, ko mēs valkājam katru dienu. Paredzams, ka turpmāk saules baterijas tiks izmantotas ikdienas dzīvē, neslēpjot tās starp mūsu drēbes.Tuvākajās desmitgadēs attīstoties tehnoloģijām, saules enerģijas nozares potenciāls ir bezgalīgs.
Par Raj Shah Dr Raj Shah ir direktors Koehler Instrument Company Ņujorkā, kur viņš ir strādājis 27 gadus. Viņš ir biedrs, ko ievēlējuši viņa kolēģi no IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Institute of Coehler. Fizika, Enerģētikas pētījumu institūts un Karaliskā ķīmijas biedrība.ASTM Ērgļa balvas saņēmējs Dr. Šahs nesen līdzrediģēja visvairāk pārdoto “Degvielas un smērvielu rokasgrāmatu”, sīkāka informācija pieejama ASTM ilgi gaidītās degvielas un smērvielu rokasgrāmatā, 2. izdevums – 15. jūlijs. 2020 — Deivids Filipss — Petro Industry News raksts — Petro Online (petro-online.com)
Dr. Šahs Penn State University ir PhD grāds ķīmijas inženierijā un Londonas Chartered School of Management stipendiāts.Viņš ir arī Zinātniskās padomes zvērināts zinātnieks, Enerģētikas institūta zvērināts naftas inženieris un Apvienotās Karalistes Inženieru padome. Dr.Savienoto Valstu lielākā inženieru biedrība Tau beta Pi nesen tika apbalvots ar Šahu kā izcilo inženieri. Viņš ir Fārmingdeilas Universitātes (Mehāniskā tehnoloģija), Oburnas Universitātes (Triboloģija) un Stony Brook Universitātes (Ķīmijas inženierija/) konsultatīvajās padomēs. Materiālzinātne un inženierija).
Radžs ir SUNY Stony Brook Materiālzinātnes un ķīmijas inženierijas katedras docents, ir publicējis vairāk nekā 475 rakstus un aktīvi darbojies enerģētikas jomā vairāk nekā 3 gadus. Plašāku informāciju par Radžu var atrast pie Koehler Instrument Company direktora. ievēlēts par stipendiātu Starptautiskajā fizikas institūtā Petro Online (petro-online.com)
Mariza Basliousa kundze un Blerims Gaši ir ķīmijas inženierijas studenti SUNY, un Dr Raj Shah vada universitātes ārējo konsultatīvo padomi. Mariza un Blerim ir daļa no pieaugošās prakses programmas Koehler Instrument, Inc. Holtzvilā, NY. mudina skolēnus uzzināt vairāk par alternatīvo enerģijas tehnoloģiju pasauli.
Publicēšanas laiks: 12. februāris 2022
