Па меры росту цывілізацыі энергія, неабходная для падтрымання нашага ладу жыцця, павялічваецца з кожным днём, што патрабуе ад нас пошуку новых інавацыйных спосабаў выкарыстання нашых аднаўляльных рэсурсаў, такіх як сонечнае святло, каб стварыць больш энергіі для нашага грамадства, каб працягваць прагрэс.
Сонечнае святло забяспечвала жыццё на нашай планеце на працягу многіх стагоддзяў. Незалежна ад таго, прама ці ўскосна, сонца дазваляе выпрацоўваць амаль усе вядомыя крыніцы энергіі, такія як выкапнёвае паліва, гідра, вецер, біямаса і г.д. Па меры росту цывілізацыі энергія, неабходная для падтрымання наш лад жыцця павялічваецца з кожным днём, што патрабуе ад нас пошуку новых інавацыйных спосабаў выкарыстання нашых аднаўляльных рэсурсаў, такіх як сонечнае святло, каб стварыць больш энергіі для нашага грамадства, каб працягваць прагрэс.
Яшчэ ў старажытным свеце мы маглі выжываць за кошт сонечнай энергіі, выкарыстоўваючы сонечнае святло ў якасці крыніцы энергіі, якое ўзнікла ў будынках, пабудаваных больш за 6000 гадоў таму, шляхам арыентацыі дома так, каб сонечнае святло праходзіла праз адтуліны, якія дзейнічалі як форма ацяплення .Тысячы гадоў праз егіпцяне і грэкі выкарыстоўвалі тую ж тэхніку, каб захаваць свае дамы прахалоднымі летам, абараняючы іх ад сонца [1]. Вялікія вокны з адной шыбай выкарыстоўваюцца ў якасці сонечных цеплавых вокнаў, якія прапускаюць сонечнае цяпло, але затрымліваюць цяпло ўнутры.Сонечнае святло было не толькі неабходным для атрымання цяпла, якое яно вырабляла ў старажытным свеце, але таксама выкарыстоўвалася для захавання і захавання ежы праз соль.Пры засаленні сонца выкарыстоўваецца для выпарэння таксічнай марской вады і атрымання солі, якая збіра у сонечных басейнах [1]. У эпоху позняга Адраджэння Леанарда да Вінчы прапанаваў першае прамысловае прымяненне ўвагнутых люстраных сонечных канцэнтратараў у якасці воданагравальнікаў, а пазней Леанарда таксама прапанаваў тэхналогію зварвання медныхвыкарыстаннем сонечнага выпраменьвання і дазволам тэхнічных рашэнняў для працы тэкстыльнага абсталявання [1]. Неўзабаве падчас прамысловай рэвалюцыі У. Адамс стварыў тое, што цяпер называецца сонечнай печчу. Гэтая печ мае восем сіметрычных сярэбраных шкляных люстэркаў, якія ўтвараюць васьмікутны адбівальнік. Сонечнае святло сканцэнтраваны люстэркамі ў накрытую шклом драўляную скрыню, куды будзе змешчаны рондаль і дайце яму закіпець [1]. Хуткая перамотка наперад на некалькі сотняў гадоў і сонечная паравая машына была пабудавана прыкладна ў 1882 годзе [1]. Абель Піфр выкарыстаў увагнутае люстэрка 3,5 м у дыяметры і сканцэнтраваў яго на цыліндрычным паравым катле, які вырабляў дастатковую магутнасць для працы друкарскага станка.
У 2004 годзе ў Севільі, Іспанія, была створана першая ў свеце камерцыйная канцэнтраваная сонечная электрастанцыя пад назвай Planta Solar 10. Сонечнае святло адлюстроўваецца на вежы вышынёй прыкладна 624 метры, дзе ўсталяваны сонечныя прыёмнікі з паравымі турбінамі і генератарамі. Гэта здольна выпрацоўваць энергію для забеспячэння энергіяй больш за 5500 дамоў. Амаль праз дзесяць гадоў, у 2014 годзе, у Каліфорніі, ЗША, была адкрыта найбуйнейшая ў свеце сонечная электрастанцыя. Завод выкарыстоўваў больш за 300 000 кіраваных люстэркаў і дазваляў вырабляць 377 мегават электраэнергіі для харчавання прыкладна 140 000 дамоў [ 1].
Будуюцца і выкарыстоўваюцца не толькі фабрыкі, але і спажыўцы ў рознічных крамах таксама ствараюць новыя тэхналогіі. Дэбютавалі сонечныя батарэі, і нават аўтамабілі на сонечных батарэях з'явіліся ў гульні, але адна з апошніх распрацовак, пра якую яшчэ не было абвешчана, - гэта новая сонечная батарэя. тэхналогія носных прылад з харчаваннем. Дзякуючы інтэграцыі злучэння USB або іншых прылад, гэта дазваляе падключаць вопратку да такіх прылад, як крыніцы, тэлефоны і навушнікі, якія можна зараджаць у дарозе. Усяго некалькі гадоў таму група японскіх даследчыкаў з Riken Інстытут і Torah Industries апісалі распрацоўку тонкай арганічнай сонечнай батарэі, якая будзе наносіць цеплавы друк на вопратцы, дазваляючы ёй паглынаць сонечную энергію і выкарыстоўваць яе ў якасці крыніцы энергіі [2] . Мікра сонечныя батарэі - гэта арганічныя фотаэлектрычныя элементы з цеплавой стабільнасць і гнуткасць да 120 °C [2]. Члены даследчай групы заснавалі арганічныя фотаэлектрычныя элементы на матэрыяле пад назвай PNTz4T [3]. PNTz4T - гэта паўправадніковы палімер, раней распрацаваны Riken для выдатнага анэкалагічная стабільнасць і высокая эфектыўнасць пераўтварэння энергіі, тады абодва бакі клеткі пакрываюцца эластамерам, гумападобным матэрыялам [3]. У працэсе яны выкарыстоўвалі два папярэдне расцягнутыя акрылавыя эластамеры таўшчынёй 500 мікрон, якія прапускаюць святло элемент, але прадухіляе трапленне вады і паветра ў элемент. Выкарыстанне гэтага эластамера дапамагае паменшыць дэградацыю самой батарэі і падоўжыць тэрмін яе службы [3].
Адным з найбольш прыкметных недахопаў галіны з'яўляецца вада. Дэгенерацыя гэтых клетак можа быць выклікана рознымі фактарамі, але самым вялікім з'яўляецца вада, агульны вораг любой тэхналогіі. Лішак вільгаці і працяглае знаходжанне на паветры могуць негатыўна паўплываць на эфектыўнасць арганічных фотаэлектрычных элементаў [4]. Хаця ў большасці выпадкаў вы можаце пазбегнуць траплення вады на свой камп'ютар або тэлефон, вы не можаце пазбегнуць гэтага з адзеннем. Дождж гэта ці пральная машына, вада непазбежная. Пасля розных выпрабаванняў на асобна стаячая арганічная фотаэлемент і арганічная фотаэлемент з двухбаковым пакрыццём, абедзве арганічныя фотаэлементы былі пагружаны ў ваду на 120 хвілін, было зроблена выснова, што магутнасць асобна стаячай арганічнай фотаэлементу была. Эфектыўнасць пераўтварэння зніжаецца толькі на 5,4%.Клеткі зменшыліся на 20,8% [5].
Малюнак 1. Нармалізаваная эфектыўнасць пераўтварэння магутнасці ў залежнасці ад часу апускання. Слупкі памылак на графіку ўяўляюць сабой стандартнае адхіленне, нармалізаванае сярэднім значэннем пачатковай эфектыўнасці пераўтварэння энергіі ў кожнай структуры [5].
На малюнку 2 намалявана іншая распрацоўка ў Універсітэце Нотынгем Трэнт, мініяцюрная сонечная батарэя, якая можа быць убудавана ў пражу, якая потым уплятаецца ў тканіну [2]. Кожная батарэя, якая ўваходзіць у прадукт, адпавядае пэўным крытэрыям выкарыстання, такім як патрабаванні 3 мм у даўжыню і 1,5 мм у шырыню [2]. Кожны блок ламініраваны воданепранікальнай смалой, каб бялізну можна было мыць у пральні або з-за надвор'я [2]. Батарэі таксама створаны для камфорту, і кожны з іх усталяваны ў такім чынам, каб не выступаць і не раздражняць скуру карыстальніка. У далейшых даследаваннях было выяўлена, што невялікі кавалак адзення, падобны да ўчастка тканіны плошчай 5 см^2, можа ўтрымліваць крыху больш за 200 клетак, якія ў ідэале вырабляюць 2,5-10 вольт энергіі, і прыйшоў да высновы, што існуе толькі 2000 вочак, неабходных для зарадкі смартфонаў [2].
Малюнак 2. Мікра сонечныя батарэі даўжынёй 3 мм і шырынёй 1,5 мм (фота прадастаўлена Nottingham Trent University) [2].
Фотаэлектрычныя тканіны зліваюць два лёгкія і недарагія палімеры для стварэння энергагенерыруючых тканін. Першы з двух кампанентаў - гэта мікраэлемент сонечнай батарэі, які збірае энергію сонечнага святла, а другі складаецца з нанагенератара, які пераўтварае механічную энергію ў электрычную [ 6]. Фотаэлектрычная частка тканіны складаецца з палімерных валокнаў, якія затым пакрываюцца пластамі марганца, аксіду цынку (фотаэлектрычны матэрыял) і ёдыду медзі (для збору зарада) [6]. Затым клеткі сплятаюцца разам з малюсенькі медны дрот і інтэграваны ў вопратку.
Сакрэт гэтых інавацый заключаецца ў празрыстых электродах гнуткіх фотаэлектрычных прылад. Празрыстыя электраправодныя электроды з'яўляюцца адным з кампанентаў фотаэлементаў, якія дазваляюць святлу пранікаць у ячэйку, павялічваючы хуткасць збору святла. Выкарыстоўваецца аксід волава (ITO), дапаваны індыям для вырабу гэтых празрыстых электродаў, якія выкарыстоўваюцца з-за ідэальнай празрыстасці (>80%) і добрай трываласці ліста, а таксама выдатнай устойлівасці да навакольнага асяроддзя [7]. ITO мае вырашальнае значэнне, таму што ўсе яго кампаненты знаходзяцца ў амаль ідэальных прапорцыях. таўшчыня ў спалучэнні з празрыстасцю і супрацівам павялічвае вынікі электродаў [7]. Любыя ваганні ў суадносінах негатыўна ўплываюць на электроды і, такім чынам, на прадукцыйнасць. Напрыклад, павелічэнне таўшчыні электрода зніжае празрыстасць і супраціў, што прыводзіць да пагаршэння прадукцыйнасці. Аднак ITO - гэта абмежаваны рэсурс, які хутка расходуецца. Працягваюцца даследаванні, каб знайсці альтэрнатыву, якая не толькі дасягаеITO, але, як чакаецца, перасягне паказчыкі ITO [7].
Папулярнасць такіх матэрыялаў, як палімерныя падкладкі, якія былі мадыфікаваны празрыстымі токаправоднымі аксідамі, да гэтага часу ўзрасла. На жаль, было паказана, што гэтыя падкладкі далікатныя, жорсткія і цяжкія, што значна зніжае гнуткасць і прадукцыйнасць [7]. Даследчыкі прапануюць рашэнне для з выкарыстаннем гнуткіх валаконна-падобных сонечных батарэй у якасці замены электродаў. Фіброзная батарэя складаецца з электрода і двух розных металічных правадоў, якія скручваюцца і спалучаюцца з актыўным матэрыялам для замены электрода [7]. , але праблема заключаецца ў адсутнасці плошчы кантакту паміж металічнымі правадамі, што памяншае плошчу кантакту і, такім чынам, прыводзіць да пагаршэння характарыстык фотаэлектрыкі [7].
Фактары навакольнага асяроддзя таксама з'яўляюцца вялікім стымулам для працягу даследаванняў. У цяперашні час свет у значнай ступені залежыць ад неаднаўляльных крыніц энергіі, такіх як выкапнёвае паліва, вугаль і нафта. Перанос увагі з неаднаўляльных крыніц энергіі на аднаўляльныя крыніцы энергіі, у тым ліку сонечную энергію, з'яўляецца неабходнай інвестыцыяй у будучыню. Кожны дзень мільёны людзей зараджаюць свае тэлефоны, камп'ютары, ноўтбукі, разумныя гадзіны і ўсе электронныя прылады, і выкарыстанне нашых тканін для зарадкі гэтых прылад проста пешшу можа паменшыць выкарыстанне выкапнёвага паліва. Хоць гэта можа здацца трывіяльна ў невялікім маштабе з 1 ці нават 500 чалавек, калі павялічыць яго да дзясяткаў мільёнаў, гэта можа значна скараціць наша выкарыстанне выкапнёвага паліва.
Вядома, што сонечныя панэлі на сонечных электрастанцыях, у тым ліку ўстаноўленыя на дамах, дапамагаюць выкарыстоўваць аднаўляльныя крыніцы энергіі і скарачаць выкарыстанне выкапнёвага паліва, якое ўсё яшчэ актыўна выкарыстоўваецца.Амерыка.Адной з асноўных праблем для прамысловасці з'яўляецца атрыманне зямлі для будаваць гэтыя фермы. Сярэдняя сям'я можа падтрымліваць толькі пэўную колькасць сонечных панэляў, а колькасць сонечных ферм абмежавана. У раёнах з дастатковай прасторай большасць людзей заўсёды не вырашаюцца пабудаваць новую сонечную электрастанцыю, таму што гэта назаўжды закрывае магчымасць і патэнцыял іншых магчымасцей на сушы, такіх як новыя прадпрыемствы. У апошні час існуе вялікая колькасць плывучых фотаэлектрычных панэляў, якія могуць вырабляць вялікую колькасць электраэнергіі, і галоўнай перавагай плывучых сонечных ферм з'яўляецца зніжэнне выдаткаў [8]. зямля не выкарыстоўваецца, няма неабходнасці турбавацца аб выдатках на ўстаноўку дамоў і будынкаў. Усе вядомыя ў цяперашні час плывучыя сонечныя электрастанцыі размешчаны на штучных вадаёмах, і ў будучыні гэта iМагчыма размяшчэнне гэтых ферм на натуральных вадаёмах.Штучныя вадасховішчы маюць шмат пераваг, якія рэдка сустракаюцца ў акіяне [9]. Штучныя вадасховішчы простыя ў кіраванні, і з папярэдняй інфраструктурай і дарогамі можна проста ўсталяваць фермы. Плывучыя сонечныя фермы таксама аказаліся больш прадуктыўнымі, чым наземныя сонечныя фермы з-за ваганняў тэмпературы паміж вадой і зямлёй [9]. З-за высокай удзельнай цеплаёмістасці вады тэмпература паверхні сушы звычайна вышэй, чым у вадаёмаў, і было паказана, што высокія тэмпературы негатыўна ўплываюць на прадукцыйнасць каэфіцыента пераўтварэння сонечных панэляў. Хоць тэмпература не кантралюе колькасць сонечнага святла, якое атрымлівае панэль, яна ўплывае на тое, колькі энергіі вы атрымліваеце ад сонечнага святла. Пры нізкіх энергіях (напрыклад, больш нізкіх тэмпературах) электроны ўнутры сонечнай панэлі будуць знаходзіцца ў стане спакою, а затым, калі сонечнае святло трапляе, яны дасягаюць узбуджанага стану [10]. Розніца паміж станам спакою і ўзбуджаным станам заключаецца ў тым, колькі энергіі выпрацоўваецца ў напрузе. Не толькі сонечная святлоht узбуджае гэтыя электроны, але таксама можа награваць. Калі цяпло вакол сонечнай панэлі зараджае электроны і пераводзіць іх у стан нізкага ўзбуджэння, напружанне не будзе такім вялікім, калі сонечнае святло трапляе на панэль [10]. Паколькі зямля паглынае і выпраменьвае награваецца лягчэй, чым вада, электроны ў сонечнай панэлі на сушы, хутчэй за ўсё, знаходзяцца ў больш узбуджаным стане, і тады сонечная панэль знаходзіцца на больш халодным вадаёме або побач з ім. Далейшыя даследаванні паказалі, што астуджальны эфект Вада вакол плывучых панэляў дапамагае выпрацоўваць на 12,5% больш энергіі, чым на сушы [9].
Пакуль што сонечныя панэлі задавальняюць толькі 1% энергетычных патрэб Амерыкі, але калі б гэтыя сонечныя фермы былі ўстаноўлены на чвэрці створаных чалавекам вадасховішчаў, сонечныя батарэі задаволілі б амаль 10% энергетычных патрэб Амерыкі.У Каларада, дзе плывучы панэлі былі ўведзены як мага хутчэй, два вялікія вадасховішчы ў Каларада страцілі шмат вады з-за выпарэння, але, усталяваўшы гэтыя плывучыя панэлі, рэзервуары былі прадухілены ад высыхання і выпрацоўвалася электрычнасць [11]. Нават адзін працэнт чалавека Зробленых вадасховішчаў, абсталяваных сонечнымі электрастанцыямі, было б дастаткова для выпрацоўкі не менш за 400 гігават электраэнергіі, дастаткова для харчавання 44 мільярдаў святлодыёдных лямпачак больш за год.
На малюнку 4a паказана павелічэнне магутнасці, якое забяспечваецца плывучай сонечнай батарэяй у параўнанні з рысункам 4b. Нягледзячы на тое, што за апошняе дзесяцігоддзе было мала плывучых сонечных ферм, яны па-ранейшаму робяць вялікую розніцу ў вытворчасці энергіі. У будучыні, калі плывучыя сонечныя фермы стане больш багатым, агульная вырабленая энергія, як кажуць, патроіцца з 0,5 ТВт у 2018 годзе да 1,1 ТВт да канца 2022 года [12].
З экалагічнага пункту гледжання гэтыя плывучыя сонечныя фермы вельмі карысныя ў многіх адносінах. Акрамя зніжэння залежнасці ад выкапнёвага паліва, сонечныя фермы таксама памяншаюць колькасць паветра і сонечнага святла, якія дасягаюць паверхні вады, што можа дапамагчы змяніць кліматычныя змены [9]. ферма, якая зніжае хуткасць ветру і прамыя сонечныя прамяні, якія трапляюць на паверхню вады, па меншай меры на 10%, можа кампенсаваць цэлае дзесяцігоддзе глабальнага пацяплення [9]. З пункту гледжання біяразнастайнасці і экалогіі, здаецца, не выяўлена вялікіх негатыўных наступстваў. Панэлі прадухіляюць моцны вецер актыўнасці на воднай паверхні, тым самым памяншаючы эрозію на беразе ракі, абараняючы і стымулюючы расліннасць.[13]. Канчатковых вынікаў аб тым, ці закранута марская флора і фауна, няма, але такія меры, як напоўненая ракавінамі біяхаціна, створаная Ecocean, былі пагружаныя пад фотаэлектрычныя панэлі, каб патэнцыйна падтрымліваць марскую флору і фауну. [13]. Адной з асноўных праблем бягучых даследаванняў з'яўляецца магчымы ўплыў на харчовы ланцуг з-за ўстаноўкі інфраструктуры, такой якфотаэлектрычныя панэлі на адкрытай вадзе, а не ў штучных вадаёмах. Паколькі менш сонечнага святла трапляе ў ваду, гэта прыводзіць да зніжэння хуткасці фотасінтэзу, што прыводзіць да масавай страты фітапланктону і макрафітаў. З памяншэннем колькасці гэтых раслін уздзеянне на жывёл ніжэй у харчовым ланцугу і г.д., прыводзіць да субсідый для водных арганізмаў [14]. Хоць гэтага яшчэ не адбылося, гэта можа прадухіліць далейшую патэнцыйную шкоду экасістэме, што з'яўляецца галоўным недахопам плывучых сонечных ферм.
Паколькі сонца з'яўляецца нашай найвялікшай крыніцай энергіі, можа быць цяжка знайсці спосабы выкарыстаць гэтую энергію і выкарыстоўваць яе ў нашых суполках. Новыя тэхналогіі і інавацыі, даступныя кожны дзень, робяць гэта магчымым. Нягледзячы на тое, што існуе не так шмат вопраткі, якую можна насіць на сонечных батарэях купіць або наведаць плывучыя сонечныя фермы прама зараз, гэта не мяняе таго факту, што гэтая тэхналогія не мае велізарнага патэнцыялу або светлай будучыні. Плаваючым сонечным элементам яшчэ трэба прайсці доўгі шлях у сэнсе дзікай прыроды, каб яны сталі такімі ж распаўсюджанымі, як сонечныя панэлі на верхняй частцы дамоў. Носімым сонечным элементам трэба прайсці доўгі шлях, перш чым яны стануць такімі ж звычайнымі, як адзенне, якое мы носім кожны дзень. Чакаецца, што ў будучыні сонечныя элементы будуць выкарыстоўвацца ў паўсядзённым жыцці без неабходнасці хаваць іх паміж нашымі адзенне.Па меры развіцця тэхналогій у бліжэйшыя дзесяцігоддзі патэнцыял сонечнай прамысловасці бясконцы.
Пра Раджа Шаха. Доктар Радж Шах з'яўляецца дырэктарам Koehler Instrument Company у Нью-Ёрку, дзе ён працаваў 27 гадоў. Ён з'яўляецца членам, абраным яго калегамі з IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Інстытута Фізіка, Інстытут энергетычных даследаванняў і Каралеўскае таварыства хіміі. Лаўрэат прэміі ASTM Eagle Award д-р Шах нядаўна выступіў адным з рэдактараў бэстсэлера «Даведнік па паліва і змазачных матэрыялах», падрабязнасці даступныя ў Даведніку па паліва і змазачных матэрыялах ASTM, 2-е выданне - 15 ліпеня, 2020 г. – Дэвід Філіпс – Артыкул з навінамі прамысловасці Petro – Petro Online (petro-online.com)
Доктар Шах мае ступень доктара філасофіі ў галіне хімічнага машынабудавання ў Універсітэце штата Пенсільванія і член Чартарнай школы менеджменту ў Лондане.Ён таксама з'яўляецца дыпламаваным навукоўцам Навуковага савета, дыпламаваным інжынерам-нафтавіком Энергетычнага інстытута і Інжынернага савета Вялікабрытаніі.Нядаўна Таў бэта-Пі, найбуйнейшае інжынернае таварыства ў Злучаных Штатах, прысвоіла Шаху званне заслужанага інжынера. Ён уваходзіць у кансультатыўныя саветы Універсітэта Фармінгдэйла (механічныя тэхналогіі), Універсітэта Оберн (трыбалогія) і Універсітэта Стоні Брук (хімічнае машынабудаванне/ Матэрыялазнаўства і інжынерыя).
Радж з'яўляецца ад'юнкт-прафесарам кафедры матэрыялазнаўства і хімічнай інжынерыі SUNY Stony Brook, апублікаваў больш за 475 артыкулаў і актыўна працуе ў галіне энергетыкі больш за 3 гады. Дадатковую інфармацыю аб Раджы можна знайсці ў дырэктара Koehler Instrument Company. абраны навуковым супрацоўнікам Міжнароднага інстытута фізікі Petro Online (petro-online.com)
Спадарыня Марыз Басьлюс і спадар Блерым Гашы з'яўляюцца студэнтамі хімічнага машынабудавання SUNY, а доктар Радж Шах узначальвае знешні кансультатыўны савет універсітэта. Марыз і Блерым з'яўляюцца часткай расце праграмы стажыроўкі ў Koehler Instrument, Inc. у Хольцвіле, штат Нью-Ёрк, што заахвочвае студэнтаў даведацца больш пра свет альтэрнатыўных энергетычных тэхналогій.
Час публікацыі: 12 лютага 2022 г
