Etter hvert som sivilisasjonen vokser, øker energien som trengs for å støtte vår livsstil hver dag, noe som krever at vi finner nye og innovative måter å utnytte våre fornybare ressurser, for eksempel sollys, for å skape mer energi for samfunnet vårt for å fortsette fremgangen.
Sollys har gitt og muliggjort liv på planeten vår i århundrer. Enten direkte eller indirekte, tillater solen generering av nesten alle kjente energikilder som fossilt brensel, vannkraft, vind, biomasse osv. Etter hvert som sivilisasjonen vokser, trenger energien for å støtte livsstilen vår øker for hver dag, noe som krever at vi finner nye og innovative måter å utnytte våre fornybare ressurser, for eksempel sollys, for å skape mer energi for samfunnet vårt for å fortsette fremgangen.
Så langt tilbake som i den antikke verden har vi kunnet overleve på solenergi, ved å bruke sollys som energikilde oppsto i bygninger bygget for mer enn 6000 år siden, ved å orientere huset slik at sollys passerer gjennom åpninger som fungerer som en form for oppvarming .Tusenvis av år senere brukte egyptere og grekere den samme teknikken for å holde husene sine kjølige om sommeren ved å skjerme dem mot solen [1]. Store enkeltrutevinduer brukes som solvarmevinduer, som lar varmen fra solen komme inn, men fanger dem inn. varmen inni. Sollyset var ikke bare avgjørende for varmen det produserte i den antikke verden, men det ble også brukt til å konservere og konservere mat gjennom salt. Ved salinisering brukes solen til å fordampe giftig sjøvann og få salt, som samles opp i solbassenger [1]. På slutten av renessansen foreslo Leonardo da Vinci den første industrielle anvendelsen av konkave speilsolenergikonsentratorer som vannvarmere, og senere foreslo Leonardo også teknologien for sveising av copper ved å bruke solstråling og tillate tekniske løsninger for å drive tekstilmaskineri [1]. Snart under den industrielle revolusjonen skapte W. Adams det som nå kalles en solovn. Denne ovnen har åtte symmetriske sølvglassspeil som danner en åttekantet reflektor. Sollys er konsentrert av speil inn i en glassdekket trekasse hvor kjelen skal plasseres og la den koke[1]. Spol frem noen hundre år og soldampmaskinen ble bygget rundt 1882 [1]. Abel Pifre brukte et konkavt speil 3.5 m i diameter og fokuserte den på en sylindrisk dampkjele som produserte nok kraft til å drive trykkpressen.
I 2004 ble verdens første kommersielle konsentrerte solkraftverk kalt Planta Solar 10 etablert i Sevilla, Spania. Sollyset reflekteres på et tårn på omtrent 624 meter, der solmottakere er installert med dampturbiner og generatorer. Dette er i stand til å generere energi for å drive mer enn 5 500 hjem. Nesten et tiår senere, i 2014, åpnet verdens største solkraftverk i California, USA. Anlegget brukte mer enn 300 000 kontrollerte speil og tillot produksjon av 377 megawatt elektrisitet for å drive omtrent 140 000 hjem [ 1].
Ikke bare bygges og brukes fabrikker, men forbrukere i detaljbutikker skaper også nye teknologier. Solcellepaneler gjorde sin debut, og til og med solcelledrevne biler kom i spill, men en av de siste utviklingene som ennå ikke er kunngjort er ny solcelle- drevet bærbar teknologi.Ved å integrere en USB-tilkobling eller andre enheter, tillater den tilkobling fra klær til enheter som kilder, telefoner og ørepropper, som kan lades mens du er på farten.For bare noen få år siden, et team av japanske forskere ved Riken Institute og Torah Industries beskrev utviklingen av en tynn organisk solcelle som ville varmetrykk klær på klær, slik at cellen kan absorbere solenergi og bruke den som en strømkilde [2] ]. Mikrosolceller er organiske solceller med termisk stabilitet og fleksibilitet opp til 120 °C [2]. Medlemmer av forskergruppen baserte organiske fotovoltaiske celler på et materiale kalt PNTz4T [3]. PNTz4T er en halvledende polymer tidligere utviklet av Riken for utmerket environmental stabilitet og høy effektkonverteringseffektivitet, så er begge sider av cellen dekket med elastomer, et gummilignende materiale [3]. I prosessen brukte de to forhåndsstrakte 500 mikron tykke akryllelastomerer som lar lys komme inn cellen, men hindrer at vann og luft kommer inn i cellen. Bruken av denne elastomeren bidrar til å redusere nedbrytningen av selve batteriet og forlenge levetiden [3].
En av industriens mest bemerkelsesverdige ulemper er vann. Degenerasjonen av disse cellene kan være forårsaket av en rekke faktorer, men den største er vann, den felles fienden til enhver teknologi. All overflødig fuktighet og langvarig eksponering for luft kan påvirke effektiviteten negativt av organiske solcelleceller [4]. Selv om du i de fleste tilfeller kan unngå å få vann på datamaskinen eller telefonen, kan du ikke unngå det med klærne dine. Enten det er regn eller en vaskemaskin, er vann uunngåelig. Etter ulike tester på frittstående organiske solcellecellen og den dobbeltsidig belagte organiske solcellecellen, begge organiske solcellecellene ble senket i vann i 120 minutter, ble det konkludert med at kraften til den frittstående organiske solcellecellen var Konverteringseffektiviteten reduseres kun med 5,4 %. Cellene sank med 20,8 % [5].
Figur 1. Normalisert effektkonverteringseffektivitet som funksjon av nedsenkingstid. Feilstolpene på grafen representerer standardavviket normalisert med gjennomsnittet av de opprinnelige effektkonverteringseffektivitetene i hver struktur [5].
Figur 2 viser en annen utvikling ved Nottingham Trent University, en miniatyr solcelle som kan bygges inn i et garn, som deretter veves inn i et tekstil [2]. Hvert batteri som er inkludert i produktet oppfyller visse kriterier for bruk, som for eksempel kravene til 3 mm lang og 1,5 mm bred[2]. Hver enhet er laminert med en vanntett harpiks slik at tøyet kan vaskes på vaskerommet eller på grunn av været [2]. Batteriene er også skreddersydd for komfort, og hver er montert i en måte som ikke stikker ut eller irriterer brukerens hud. I videre forskning ble det funnet at i et lite stykke klær som ligner på en 5 cm^2 del av stoffet kan inneholde litt over 200 celler, ideelt sett produsere 2,5 – 10 volt energi, og konkluderte med at det bare er 2000 celler Celler trenger for å kunne lade smarttelefoner [2].
Figur 2. Mikrosolceller 3 mm lange og 1,5 mm brede (bilde med tillatelse fra Nottingham Trent University) [2].
Fotovoltaiske stoffer smelter sammen to lette og rimelige polymerer for å lage energigenererende tekstiler. Den første av de to komponentene er en mikrosolcelle, som høster energi fra sollys, og den andre består av en nanogenerator, som konverterer mekanisk energi til elektrisitet [ 6].Den fotovoltaiske delen av stoffet består av polymerfibre, som deretter er belagt med lag av mangan, sinkoksid (et fotovoltaisk materiale), og kobberjodid (for ladningsoppsamling) [6]. Cellene veves deretter sammen med en liten kobbertråd og integrert i plagget.
Hemmeligheten bak disse innovasjonene ligger i de gjennomsiktige elektrodene til fleksible fotovoltaiske enheter. Transparente ledende elektroder er en av komponentene på fotovoltaiske celler som lar lys komme inn i cellen og øker lysinnsamlingshastigheten. Indium-dopet tinnoksid (ITO) brukes å fremstille disse gjennomsiktige elektrodene, som brukes for sin ideelle gjennomsiktighet (>80 %) og gode arkmotstand samt utmerket miljøstabilitet [7]. ITO er avgjørende fordi alle komponentene er i nesten perfekte proporsjoner. Forholdet mellom tykkelse kombinert med gjennomsiktighet og motstand maksimerer resultatene til elektrodene [7]. Eventuelle svingninger i forholdet vil påvirke elektrodene negativt og dermed ytelsen. For eksempel reduseres gjennomsiktighet og motstand ved å øke tykkelsen på elektroden, noe som fører til ytelsesforringelse. Imidlertid er ITO en begrenset ressurs som raskt forbrukes. Forskning har pågått for å finne et alternativ som ikke bare oppnårITO, men forventes å overgå ytelsen til ITO [7].
Materialer som polymersubstrater som har blitt modifisert med transparente ledende oksider har vokst i popularitet så langt. Dessverre har disse substratene vist seg å være sprø, stive og tunge, noe som i stor grad reduserer fleksibilitet og ytelse [7]. Forskere tilbyr en løsning på bruker fleksible fiberlignende solceller som elektrodeerstatninger. Et fibrøst batteri består av en elektrode og to distinkte metalltråder som er tvunnet og kombinert med et aktivt materiale for å erstatte elektroden [7]. Solceller har vist lovende på grunn av sin lave vekt , men problemet er mangelen på kontaktflate mellom metalltrådene, som reduserer kontaktarealet og dermed resulterer i forringet solcelleytelse [7].
Miljøfaktorer er også en stor motivator for fortsatt forskning. For tiden er verden sterkt avhengig av ikke-fornybare energikilder som fossilt brensel, kull og olje. Flytte fokus fra ikke-fornybare energikilder til fornybare energikilder, inkludert solenergi, er en nødvendig investering for fremtiden. Hver dag lader millioner av mennesker telefonene, datamaskinene, bærbare datamaskinene, smartklokkene og alle elektroniske enheter, og å bruke stoffene våre til å lade disse enhetene bare ved å gå, kan redusere bruken av fossilt brensel. Selv om dette kan virke trivielt i liten skala på 1 eller til og med 500 mennesker, når det skaleres opp til titalls millioner, kan det redusere vår bruk av fossilt brensel betydelig.
Solcellepaneler i solkraftverk, inkludert de som er montert på toppen av hus, er kjent for å bidra til å bruke fornybar energi og redusere bruken av fossilt brensel, som fortsatt er mye brukt. Amerika. Et av de store problemene for industrien er å skaffe land til bygge disse gårdene. En gjennomsnittlig husholdning kan bare støtte et visst antall solcellepaneler, og antallet solcelleanlegg er begrenset. I områder med god plass er de fleste alltid nølende med å bygge et nytt solenergianlegg fordi det permanent stenger muligheten og potensialet til andre muligheter på landet, for eksempel nye virksomheter. Det er et stort antall flytende solcellepanelinstallasjoner som kan generere store mengder elektrisitet i det siste, og hovedfordelen med flytende solcelleanlegg er kostnadsreduksjon [8]. land ikke brukes, det er ingen grunn til å bekymre seg for installasjonskostnader på toppen av hus og bygninger. Alle kjente flytende solenergianlegg er plassert på kunstige vannforekomster, og i fremtiden er deter mulig å plassere disse gårdene på naturlige vannforekomster.Kunstige reservoarer har mange fordeler som ikke er vanlige i havet [9]. Menneskeskapte reservoarer er enkle å administrere, og med tidligere infrastruktur og veier kan gårder ganske enkelt installeres. Flytende solfarmer har også vist seg å være mer produktive enn landbaserte solfarmer på grunn av temperaturvariasjoner mellom vann og land [9]. På grunn av den høye spesifikke varmen til vann er overflatetemperaturen på land generelt høyere enn for vannforekomster, og høye temperaturer har vist seg å påvirke ytelsen til konverteringsrater for solcellepaneler. Selv om temperaturen ikke styrer hvor mye sollys et panel mottar, påvirker det hvor mye energi du mottar fra sollys. Ved lave energier (dvs. kaldere temperaturer), vil elektronene inne i solcellepanelet være i en hviletilstand, og når sollys treffer, vil de nå en eksitert tilstand [10]. Forskjellen mellom hviletilstand og eksitert tilstand er hvor mye energi som genereres i spenningen. Ikke bare kan sunlight eksiterer disse elektronene, men det kan også varme. Hvis varmen rundt solcellepanelet energiserer elektronene og setter dem i en lav eksitert tilstand, vil ikke spenningen være like stor når sollys treffer panelet [10]. Siden land absorberer og sender ut varmes lettere enn vann, elektronene i et solcellepanel på land vil sannsynligvis være i en høyere eksitert tilstand, og da er solcellepanelet plassert på eller i nærheten av en vannmasse som er kjøligere. Ytterligere forskning viste at kjøleeffekten av vannet rundt de flytende panelene bidrar til å generere 12,5 % mer energi enn på land [9].
Så langt dekker solcellepaneler bare 1 % av USAs energibehov, men hvis disse solfarmene ble plantet på opptil en fjerdedel av menneskeskapte vannreservoarer, ville solcellepaneler dekket nesten 10 % av USAs energibehov. I Colorado, hvor flytende paneler ble introdusert så snart som mulig, to store vannreservoarer i Colorado mistet mye vann på grunn av fordampning, men ved å installere disse flytende panelene ble reservoarene forhindret i å tørke ut og det ble generert elektrisitet [11].Selv en prosent av menneskene -laget reservoar utstyrt med solfarmer vil være nok til å generere minst 400 gigawatt elektrisitet, nok til å drive 44 milliarder LED-lyspærer i over ett år.
Figur 4a viser effektøkningen fra den flytende solcellen i forhold til figur 4b. Selv om det har vært få flytende solparker det siste tiåret, utgjør de fortsatt en så stor forskjell i kraftproduksjonen. I fremtiden, når flytende solparker blir mer rikelig, sies den totale energien som produseres å tredobles fra 0,5TW i 2018 til 1,1TW innen utgangen av 2022.[12].
Miljømessig sett er disse flytende solfarmene svært fordelaktige på mange måter. I tillegg til å redusere avhengigheten av fossilt brensel, reduserer solfarmer også mengden luft og sollys som når vannoverflaten, noe som kan bidra til å reversere klimaendringer [9]. En flytende gård som reduserer vindhastighet og direkte sollys som treffer vannoverflaten med minst 10 %, kan oppveie et helt tiår med global oppvarming [9]. Når det gjelder biologisk mangfold og økologi, ser det ikke ut til å bli funnet store negative effekter. Panelene forhindrer sterk vind aktivitet på vannoverflaten, og dermed redusere erosjon på elvebredden, beskytte og stimulere vegetasjon.[13]. Det er ingen definitive resultater på om livet i havet er påvirket, men tiltak som den skjellfylte biohytta skapt av Ecocean har blitt nedsenket under solcellepaneler for potensielt å støtte livet i havet.[13].En av hovedbekymringene ved pågående forskning er den potensielle innvirkningen på næringskjeden på grunn av installasjon av infrastruktur som f.eks.solcellepaneler på åpent vann i stedet for menneskeskapte reservoarer. Ettersom mindre sollys kommer inn i vannet, forårsaker det en reduksjon i fotosyntesehastigheten, noe som resulterer i et massivt tap av planteplankton og makrofytter. Med reduksjonen av disse plantene vil påvirkningen på dyr lavere i næringskjeden, etc., fører til subsidier for vannlevende organismer [14]. Selv om det ikke har skjedd ennå, kan dette forhindre ytterligere potensiell skade på økosystemet, en stor ulempe ved flytende solfarmer.
Siden solen er vår største energikilde, kan det være vanskelig å finne måter å utnytte denne energien og bruke den i lokalsamfunnene våre. Nye teknologier og innovasjoner tilgjengelig hver dag gjør dette mulig. Selv om det ikke er mange solcelledrevne plagg som kan bæres å kjøpe eller flytende solfarmer å besøke akkurat nå, det endrer ikke det faktum at teknologien ikke har et stort potensial eller en lys fremtid. Flytende solceller har en lang vei å gå i dyrelivsforstand for å være like vanlig som solcellepaneler på toppen av boliger. Bærbare solceller har en lang vei å gå før de blir like vanlige som klærne vi bruker hver dag. I fremtiden forventes solceller å bli brukt i hverdagen uten å måtte gjemmes mellom våre klær. Ettersom teknologien utvikler seg i de kommende tiårene, er potensialet til solenergiindustrien uendelig.
Om Raj Shah Dr. Raj Shah er direktør for Koehler Instrument Company i New York, hvor han har jobbet i 27 år. Han er en stipendiat valgt av sine kolleger ved IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Physics, Institute of Energy Research og Royal Society of Chemistry. Mottaker av ASTM Eagle Award Dr. Shah var nylig medredigerte bestselgeren "Fuels and Lubricants Handbook," detaljer tilgjengelig i ASTMs Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook, 2. utgave – 15. juli, 2020 – David Phillips – Petro Industry News Article – Petro Online (petro-online.com)
Dr. Shah har en doktorgrad i kjemiteknikk fra Penn State University og en stipendiat ved Chartered School of Management, London.Han er også Chartered Scientist fra Scientific Council, Chartered Petroleum Engineer ved Energy Institute og UK Engineering Council.Dr.Shah ble nylig hedret som Distinguished Engineer av Tau beta Pi, det største ingeniørselskapet i USA. Han sitter i rådgivende styrene til Farmingdale University (Mechanical Technology), Auburn University (Tribology) og Stony Brook University (Chemical Engineering/ Materials Science and Engineering).
Raj er adjungert professor ved Institutt for materialvitenskap og kjemiteknikk ved SUNY Stony Brook, har publisert over 475 artikler og har vært aktiv i energifeltet i over 3 år. Mer informasjon om Raj kan finnes hos Koehler Instrument Company's Director valgt som stipendiat ved International Institute of Physics Petro Online (petro-online.com)
Ms. Mariz Baslious og Mr. Blerim Gashi er kjemiingeniørstudenter ved SUNY, og Dr. Raj Shah leder universitetets eksterne rådgivende styre. Mariz og Blerim er en del av et voksende internship-program ved Koehler Instrument, Inc. i Holtzville, NY, som oppmuntrer studentene til å lære mer om verden av alternative energiteknologier.
Innleggstid: 12. februar 2022
