Kun sivilisaatio kasvaa, elämäntapamme tukemiseen tarvittava energia lisääntyy joka päivä, mikä vaatii meitä löytämään uusia ja innovatiivisia tapoja hyödyntää uusiutuvia luonnonvaroja, kuten auringonvaloa, luodaksemme lisää energiaa yhteiskunnallemme Edistyksen jatkamiseksi.
Auringonvalo on tarjonnut ja mahdollistanut elämän planeetallamme vuosisatojen ajan. Auringon avulla voidaan tuottaa suoraan tai epäsuorasti lähes kaikkia tunnettuja energialähteitä, kuten fossiilisia polttoaineita, vesivoimaa, tuulta, biomassaa jne. Kun sivilisaatio kasvaa, sen tukemiseen tarvittava energia elämäntapamme lisääntyy joka päivä, mikä vaatii meitä löytämään uusia ja innovatiivisia tapoja hyödyntää uusiutuvia luonnonvaroja, kuten auringonvaloa, luodaksemme lisää energiaa yhteiskunnallemme edistymisen jatkamiseksi.
Jo muinaisessa maailmassa olemme pystyneet selviytymään aurinkoenergialla käyttämällä yli 6 000 vuotta sitten rakennetuista rakennuksista peräisin olevaa auringonvaloa energialähteenä suuntaamalla talon niin, että auringonvalo kulkee lämmitysmuotona toimivien aukkojen läpi. .Tuhansia vuosia myöhemmin egyptiläiset ja kreikkalaiset käyttivät samaa tekniikkaa pitääkseen talonsa viileinä kesällä suojaamalla niitä auringolta [1]. Suuria yksiruutuisia ikkunoita käytetään aurinkolämpöikkunoina, jotka päästävät auringon lämpöä sisään, mutta pidättävät niitä. sisällä oleva lämpö. Auringonvalo ei ollut välttämätöntä vain muinaisessa maailmassa sen tuottaman lämmön kannalta, vaan sitä käytettiin myös ruoan säilöntään ja säilöntään suolan avulla. Suolautumisessa aurinkoa käytetään haihduttamaan myrkyllistä merivettä ja keräämään suolaa, joka kerätään talteen. aurinkoaltaissa [1]. Myöhään renessanssin aikana Leonardo da Vinci ehdotti ensimmäistä teollista sovellusta koverapeiliisille aurinkokeskittimille vedenlämmittimille, ja myöhemmin Leonardo ehdotti myös copp-hitsaustekniikkaa.er käyttää auringonsäteilyä ja sallia teknisten ratkaisujen käyttää tekstiilikoneita [1]. Pian teollisen vallankumouksen aikana W. Adams loi uunin, jota nykyään kutsutaan aurinkouuniksi. Tässä uunissa on kahdeksan symmetristä hopealasipeiliä, jotka muodostavat kahdeksankulmaisen heijastimen. keskitetty peileillä lasipäällysteiseen puulaatikkoon, johon kattila asetetaan ja annetaan kiehua[1]. Kelattiin muutama sata vuotta eteenpäin ja aurinkohöyrykone rakennettiin noin 1882 [1]. Abel Pifre käytti koveraa peiliä 3.5 m halkaisijaltaan ja keskitti sen sylinterimäiseen höyrykattilaan, joka tuotti tarpeeksi tehoa painokoneen käyttämiseen.
Vuonna 2004 Sevillaan, Espanjaan, perustettiin maailman ensimmäinen kaupallinen keskittynyt aurinkovoimala Planta Solar 10. Auringonvalo heijastuu noin 624 metrin torniin, johon on asennettu aurinkoenergian vastaanottimia höyryturbiineilla ja generaattoreilla. Tämä pystyy tuottamaan energiaa. yli 5 500 kodin sähkönlähteeksi. Melkein vuosikymmen myöhemmin, vuonna 2014, maailman suurin aurinkovoimala avattiin Kaliforniassa, Yhdysvalloissa. Laitoksessa käytettiin yli 300 000 ohjattua peiliä ja se mahdollisti 377 megawatin sähkön tuotannon noin 140 000 kodin sähköä varten [ 1].
Tehtaita ei vain rakenneta ja käytetään, vaan kuluttajat vähittäiskaupoissa luovat myös uusia teknologioita. Aurinkopaneelit tekivät debyyttinsä, ja jopa aurinkovoimalla toimivat autot tulivat peliin, mutta yksi viimeisimmistä vielä julkistamattomista kehityssuunnista on uudet aurinkopaneelit. virtakäyttöinen puettava tekniikka.Yhdistämällä USB-liitännän tai muita laitteita se mahdollistaa yhteyden vaatteista laitteisiin, kuten lähteisiin, puhelimiin ja kuulokkeisiin, jotka voidaan ladata tien päällä.Vain muutama vuosi sitten japanilaisten tutkijoiden ryhmä Rikenissä Institute ja Torah Industries kuvasivat ohuen orgaanisen aurinkokennon kehittämistä, joka lämpöpainaa vaatteita vaatteisiin, jolloin kenno voisi imeä aurinkoenergiaa ja käyttää sitä virtalähteenä [2] ]. Mikroaurinkokennot ovat orgaanisia aurinkokennoja, joissa on lämpöä. stabiilisuus ja joustavuus 120 °C asti [2].Tutkijaryhmän jäsenet perustuivat orgaanisiin aurinkokennoihin PNTz4T-nimiseen materiaaliin [3].PNTz4T on puolijohtava polymeeri, jonka Riken on aiemmin kehittänyt erinomaisen enympäristön stabiilisuus ja korkea tehon muunnostehokkuus, sitten kennon molemmat puolet peitetään elastomeerilla, kumimaisella materiaalilla [3]. Prosessissa käytettiin kahta esivenytettyä 500 mikronia paksua akryylielastomeeriä, jotka päästävät valon sisään kennoon, mutta estää veden ja ilman pääsyn kennoon. Tämän elastomeerin käyttö auttaa vähentämään itse akun kulumista ja pidentää sen käyttöikää [3].
Yksi alan merkittävimmistä haitoista on vesi. Näiden solujen rappeutuminen voi johtua useista eri tekijöistä, mutta suurin niistä on vesi, minkä tahansa tekniikan yhteinen vihollinen. Kaikki ylimääräinen kosteus ja pitkäaikainen altistuminen ilmalle voivat vaikuttaa negatiivisesti tehokkuuteen. orgaanisista aurinkokennoista [4]. Vaikka voit välttää veden joutumisen tietokoneellesi tai puhelimeesi useimmissa tapauksissa, et voi välttää sitä vaatteillasi. Olipa kyseessä sade tai pesukone, vesi on väistämätöntä. Erilaisten testien jälkeen vapaasti seisova orgaaninen aurinkokenno ja kaksipuoleisesti päällystetty orgaaninen aurinkosähkökenno, molemmat orgaaniset aurinkosähkökennot upotettiin veteen 120 minuutiksi, pääteltiin, että vapaasti seisovan orgaanisen aurinkokennon teho oli. Muunnostehokkuus vähenee vain 5,4 %.Solut vähenivät 20,8 % [5].
Kuva 1. Normalisoitu tehonmuunnoshyötysuhde upotusajan funktiona. Käyrän virhepalkit edustavat keskihajontaa, joka on normalisoitu kunkin rakenteen alkuperäisten tehonmuunnoshyötysuhteiden keskiarvolla [5].
Kuva 2 esittää Nottingham Trentin yliopiston toista kehitystyötä, miniaurinkokennoa, joka voidaan upottaa lankaan, joka sitten kudotaan tekstiiliksi [2]. Jokainen tuotteeseen kuuluva akku täyttää tietyt käyttöehdot, kuten 3 mm pitkä ja 1,5 mm leveä[2]. Jokainen yksikkö on laminoitu vedenpitävällä hartsilla, jotta pyykki voidaan pestä pesutupassa tai sään vuoksi [2]. Akut on myös räätälöity mukavuutta ajatellen, ja jokainen on asennettu tavalla, joka ei työnty ulos tai ärsytä käyttäjän ihoa. Jatkotutkimuksessa havaittiin, että pienessä vaatekappaleessa, joka on samanlainen kuin 5 cm^2 kangasosa, voi olla hieman yli 200 solua, jotka tuottavat ihanteellisesti 2,5–10 volttia energiaa, ja päätteli, että soluja on vain 2000. Solujen täytyy pystyä lataamaan älypuhelimia [2].
Kuva 2. Mikroaurinkokennot 3 mm pitkät ja 1,5 mm leveät (kuva Nottingham Trent Universityn luvalla) [2].
Aurinkosähkökankaat yhdistävät kaksi kevyttä ja edullista polymeeriä energiaa tuottavien tekstiilien luomiseksi. Ensimmäinen komponenteista on mikroaurinkokenno, joka kerää energiaa auringonvalosta, ja toinen koostuu nanogeneraattorista, joka muuntaa mekaanisen energian sähköksi [ 6]. Kankaan aurinkosähköosa koostuu polymeerikuiduista, jotka sitten päällystetään kerroksilla mangaania, sinkkioksidia (aurinkosähkömateriaali) ja kuparijodidia (varauksen keräämistä varten) [6]. Sen jälkeen kennot kudotaan yhteen pieni kuparilanka ja integroitu vaatteeseen.
Näiden innovaatioiden salaisuus piilee joustavien aurinkosähkölaitteiden läpinäkyvissä elektrodeissa. Läpinäkyvät johtavat elektrodit ovat yksi aurinkokennojen komponenteista, jotka päästävät valon sisään kennoihin, mikä lisää valonkeräysnopeutta. Käytetään indiumilla seostettua tinaoksidia (ITO) näiden läpinäkyvien elektrodien valmistukseen, jota käytetään sen ihanteellisen läpinäkyvyyden (> 80 %) ja hyvän levyn kestävyyden sekä erinomaisen ympäristön stabiilisuuden vuoksi [7]. ITO on ratkaiseva, koska sen kaikki komponentit ovat lähes täydellisessä suhteessa. paksuus yhdistettynä läpinäkyvyyteen ja vastukseen maksimoi elektrodien tulokset [7]. Kaikki suhteen vaihtelut vaikuttavat negatiivisesti elektrodeihin ja siten niiden suorituskykyyn. Esimerkiksi elektrodin paksuuden lisääminen vähentää läpinäkyvyyttä ja vastusta, mikä johtaa suorituskyvyn heikkenemiseen. ITO on kuitenkin rajallinen resurssi, joka kuluu nopeasti. Tutkimukset ovat jatkuneet löytääkseen vaihtoehdon, joka ei ainoastaanITO, mutta sen odotetaan ylittävän ITO:n suorituskyvyn [7].
Läpinäkyvillä johtavilla oksideilla modifioitujen materiaalien, kuten polymeerisubstraattien suosio on kasvanut tähän mennessä. Valitettavasti näiden substraattien on osoitettu olevan hauraita, jäykkiä ja raskaita, mikä heikentää huomattavasti joustavuutta ja suorituskykyä [7].Tutkijat tarjoavat ratkaisun käyttämällä joustavia kuitumaisia aurinkokennoja elektrodien korvaajina. Kuituparisto koostuu elektrodista ja kahdesta erillisestä metallilangasta, jotka on kierretty ja yhdistetty aktiiviseen materiaaliin elektrodin korvaamiseksi [7]. Aurinkokennot ovat osoittautuneet lupaaviksi keveytensä vuoksi. , mutta ongelmana on metallijohtojen välisen kosketuspinnan puute, mikä pienentää kosketuspinta-alaa ja siten heikentää aurinkosähkön suorituskykyä [7].
Ympäristötekijät ovat myös suuri motivaattori tutkimuksen jatkamiselle.Tällä hetkellä maailma on voimakkaasti riippuvainen uusiutumattomista energialähteistä, kuten fossiilisista polttoaineista, hiilestä ja öljystä. Painopiste siirretään uusiutumattomista energialähteistä uusiutuviin energialähteisiin, mukaan lukien aurinkoenergiaan, on välttämätön investointi tulevaisuuteen.Joka päivä miljoonat ihmiset lataavat puhelimiaan, tietokoneita, kannettavia tietokoneitaan, älykellojaan ja kaikkia elektronisia laitteitaan, ja kankaidemme käyttäminen näiden laitteiden lataamiseen kävellen voi vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä.Vaikka tämä saattaa tuntua 1 tai jopa 500 ihmisen pienessä mittakaavassa triviaalia, kymmeniin miljooniin mitoitettuna se voisi vähentää merkittävästi fossiilisten polttoaineiden käyttöä.
Aurinkovoimaloiden aurinkopaneelien, mukaan lukien talojen päälle asennetut aurinkopaneelit, tiedetään auttavan uusiutuvan energian käyttöä ja vähentämään edelleen voimakkaasti käytettyjen fossiilisten polttoaineiden käyttöä.Amerikka.Yksi teollisuuden suurimmista ongelmista on maan hankkiminen rakentaa näitä tiloja.Keskivertotalous voi tukea vain tiettyä määrää aurinkopaneeleja, ja aurinkotilojen määrä on rajallinen.Alueilla, joilla on runsaasti tilaa, useimmat ihmiset epäröivät rakentaa uutta aurinkovoimalaa, koska se sulkee pysyvästi mahdollisuuden ja muiden mahdollisuuksien mahdollisuudet maassa, kuten uusia yrityksiä. Viime aikoina on olemassa suuri määrä kelluvia aurinkosähköpaneeliasennuksia, jotka voivat tuottaa suuria määriä sähköä, ja kelluvien aurinkotilojen tärkein etu on kustannusten aleneminen [8]. maata ei käytetä, ei tarvitse huolehtia asennuskustannuksista talojen ja rakennusten päälle. Kaikki tällä hetkellä tunnetut kelluvat aurinkotilat sijaitsevat keinotekoisilla vesistöillä, ja tulevaisuudessa se onNämä tilat on mahdollista sijoittaa luonnollisille vesistöille.Keinotekoisilla altailla on monia etuja, jotka eivät ole yleisiä valtamerissä [9]. Ihmisten tekemiä altaita on helppo hallita, ja aiemman infrastruktuurin ja teiden ansiosta maatilat voidaan yksinkertaisesti asentaa. Kelluvat aurinkovoimalat ovat myös osoittautuneet tuottavammiksi kuin maalla sijaitsevat aurinkovoimalat veden ja maan välisten lämpötilavaihteluiden vuoksi [9]. Veden suuren ominaislämmön vuoksi maan pintalämpötila on yleensä korkeampi kuin vesistöjen, ja korkean lämpötilan on osoitettu vaikuttavan negatiivisesti aurinkopaneelien muunnosnopeuksien suorituskyky.Vaikka lämpötila ei ohjaa sitä, kuinka paljon auringonvaloa paneeli saa, se vaikuttaa siihen, kuinka paljon energiaa saat auringonvalosta.Matalilla energioilla (eli kylmemmissä lämpötiloissa) aurinkopaneelin sisällä olevat elektronit ovat lepotilaan, ja sitten kun auringonvalo osuu, ne saavuttavat virittyneen tilan [10].Lepotilan ja virittyneen tilan välinen ero on se, kuinka paljon energiaa syntyy jännitteessä. Sunlig ei vain voiht kiihottaa näitä elektroneja, mutta voi myös lämpöä.Jos aurinkopaneelin ympärillä oleva lämpö energisoi elektroneja ja asettaa ne matalaan virittyneeseen tilaan, jännite ei ole yhtä suuri, kun auringonvalo osuu paneeliin [10].Koska maa absorboi ja emittoi lämpenevät helpommin kuin vesi, maalla olevan aurinkopaneelin elektronit ovat todennäköisesti korkeammassa virittyneessä tilassa, jolloin aurinkopaneeli sijaitsee viileämmässä vesistössä tai sen lähellä. Lisätutkimukset osoittivat, että aurinkopaneelin jäähdytysvaikutus kelluvien paneelien ympärillä oleva vesi auttaa tuottamaan 12,5 % enemmän energiaa kuin maalla [9].
Toistaiseksi aurinkopaneelit täyttävät vain 1 % Amerikan energiantarpeesta, mutta jos nämä aurinkotilat istutettaisiin jopa neljäsosalle ihmisen valmistamista vesivarannoista, aurinkopaneelit täyttäisivät lähes 10 % Amerikan energiatarpeesta. Coloradossa, jossa kelluu paneelit otettiin käyttöön mahdollisimman pian, kaksi suurta vesisäiliötä Coloradossa menettivät paljon vettä haihtumisen vuoksi, mutta asentamalla nämä kelluvat paneelit säiliöt estettiin kuivumasta ja sähköä syntyi [11]. Jopa yksi prosentti ihmisistä -tehdyt aurinkopuistoilla varustetut säiliöt riittäisivät tuottamaan vähintään 400 gigawattia sähköä, mikä riittäisi 44 miljardiin LED-lamppuun yli vuoden ajaksi.
Kuva 4a esittää kelluvan aurinkokennon tuottaman tehonlisäyksen suhteessa kuvaan 4b. Vaikka kelluvia aurinkopuistoja on ollut vähän viimeisen vuosikymmenen aikana, niillä on silti niin suuri ero sähköntuotannossa. Tulevaisuudessa, kun kelluvat aurinkotilat lisääntyvät, tuotetun kokonaisenergian sanotaan kolminkertaistuvan vuoden 2018 0,5 TW:sta 1,1 TW:iin vuoden 2022 loppuun mennessä.[12]
Ympäristön kannalta nämä kelluvat aurinkotilat ovat erittäin hyödyllisiä monin tavoin. Sen lisäksi, että aurinkovoimalat vähentävät riippuvuutta fossiilisista polttoaineista, ne vähentävät myös veden pintaan pääsevän ilman ja auringonvalon määrää, mikä voi auttaa kääntämään ilmastonmuutoksen [9]. maatila, joka vähentää tuulen nopeutta ja veden pintaan osuvaa suoraa auringonvaloa vähintään 10 %, voisi kompensoida koko vuosikymmenen ilmaston lämpenemistä [9]. Biologisen monimuotoisuuden ja ekologian kannalta suuria kielteisiä vaikutuksia ei näytä löytyvän. Paneelit estävät kovaa tuulta aktiivisuus veden pinnalla, mikä vähentää eroosiota joen rannalla, suojelee ja stimuloi kasvillisuutta.[13] Ei ole olemassa lopullisia tuloksia siitä, vaikuttaako meren elämään, mutta toimenpiteet, kuten Ecoceanin luoma kuorien täyttämä biomaja on upotettu aurinkopaneelien alle merielämän tukemiseksi.[13] Yksi meneillään olevan tutkimuksen tärkeimmistä huolenaiheista on infrastruktuurin, kuten esim.aurinkosähköpaneeleja avoveteen ihmisten tekemien säiliöiden sijaan.Kun vähemmän auringonvaloa pääsee vesiin, se hidastaa fotosynteesiä, mikä johtaa massiiviseen kasviplanktonin ja makrofyyttien häviämiseen.Näiden kasvien väheneminen vaikuttaa eläimiin. alempana ravintoketjussa jne., johtaa vesieliöiden tukemiseen [14]. Vaikka näin ei ole vielä tapahtunut, tämä voisi estää mahdollisia lisävaurioita ekosysteemille, mikä on kelluvien aurinkotilojen suuri haittapuoli.
Koska aurinko on suurin energianlähdemme, voi olla vaikea löytää tapoja valjastaa tämä energia ja käyttää sitä yhteisöissämme. Päivittäin saatavilla olevat uudet tekniikat ja innovaatiot tekevät tämän mahdolliseksi.Vaikka puettavia aurinkoenergialla toimivia vaatteita ei ole paljon ostaa tai kelluvia aurinkotiloja vierailla juuri nyt, se ei muuta sitä tosiasiaa, että tekniikalla ei ole valtavaa potentiaalia tai valoisaa tulevaisuutta. Kelluvilla aurinkokennoilla on vielä pitkä matka luonnonvaraisessa mielessä, jotta ne olisivat yhtä yleisiä kuin aurinkopaneelit kotien päällä.Käytettävillä aurinkokennoilla on pitkä matka, ennen kuin niistä tulee yhtä yleisiä kuin päivittäin käyttämämme vaatteet.Tulevaisuudessa aurinkokennojen odotetaan olevan käytössä jokapäiväisessä elämässä ilman, että niitä tarvitsee piilottaa meidän väliin vaatteet. Teknologian kehittyessä tulevina vuosikymmeninä aurinkoteollisuuden mahdollisuudet ovat rajattomat.
Tietoja Raj Shahista Dr. Raj Shah on Koehler Instrument Companyn johtaja New Yorkissa, jossa hän on työskennellyt 27 vuotta. Hän on kollegoidensa valitsema stipendiaatti IChemE:stä, CMI:stä, STLE:stä, AIC:stä, NLGI:stä, INSMTC:stä, Institute ofista. Physics, Institute of Energy Research ja Royal Society of Chemistry.ASTM Eagle -palkinnon saaja tohtori Shah toimi äskettäin bestsellereissä "Fuels and Lubricants Handbook" -oppaassa, jonka tiedot ovat saatavilla ASTM:n Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook -oppaassa, 2. painos – 15. heinäkuuta, 2020 – David Phillips – Petro Industry News -artikkeli – Petro Online (petro-online.com)
Tohtori Shahilla on tohtorintutkinto kemiantekniikassa Penn State Universitystä ja stipendiaatti Chartered School of Managementissa Lontoossa.Hän on myös Chartered Scientist of Scientific Council, Chartered Petroleum Engineer of Energy Institute ja UK Engineering Council.Dr.Yhdysvaltain suurin insinööriyhdistys Tau beta Pi palkitsi Shahin äskettäin Distinguished Engineerina. Hän on Farmingdalen yliopiston (mekaaninen teknologia), Auburn Universityn (tribology) ja Stony Brook Universityn (kemiantekniikka) neuvottelukunnissa. materiaalitiede ja tekniikka).
Raj on dosentti SUNY Stony Brookin materiaalitieteen ja kemiantekniikan laitoksella, on julkaissut yli 475 artikkelia ja on ollut aktiivinen energia-alalla yli 3 vuotta.Lisätietoja Rajista löytyy Koehler Instrument Companyn johtajalta valittu stipendiaattiksi International Institute of Physics Petro Onlineen (petro-online.com)
Mariz Baslious ja Blerim Gashi ovat kemian insinööriopiskelijoita SUNY:ssa, ja tohtori Raj Shah johtaa yliopiston ulkoista neuvottelukuntaa. Mariz ja Blerim ovat osa kasvavaa harjoitteluohjelmaa Koehler Instrument, Inc:ssä Holtzvillessä, NY. kannustaa opiskelijoita oppimaan lisää vaihtoehtoisten energiateknologioiden maailmasta.
Postitusaika: 12.2.2022
