Jak civilizace roste, energie potřebná k podpoře našeho způsobu života se každým dnem zvyšuje, což vyžaduje, abychom nacházeli nové a inovativní způsoby, jak využít naše obnovitelné zdroje, jako je sluneční světlo, k vytvoření více energie pro naši společnost, aby mohla pokračovat v pokroku.
Sluneční světlo poskytovalo a umožňovalo život na naší planetě po staletí. Ať už přímo nebo nepřímo, slunce umožňuje generování téměř všech známých zdrojů energie, jako jsou fosilní paliva, vodní elektrárny, vítr, biomasa atd. Jak civilizace roste, energie potřebná k podpoře náš způsob života se každým dnem zvyšuje, což vyžaduje, abychom nacházeli nové a inovativní způsoby, jak využít naše obnovitelné zdroje, jako je sluneční světlo, k vytvoření více energie pro naši společnost, aby mohla pokračovat v pokroku.
Již ve starověkém světě jsme byli schopni přežít na sluneční energii, používání slunečního světla jako zdroje energie pochází z budov postavených před více než 6 000 lety, orientací domu tak, aby sluneční světlo procházelo otvory, které fungují jako forma vytápění. .O tisíce let později používali Egypťané a Řekové stejnou techniku, aby udrželi své domy v létě chladné tím, že je chránili před sluncem [1]. Velká okna s jedním sklem se používají jako solární tepelná okna, která umožňují pronikání tepla ze slunce, ale zachycují teplo uvnitř.Sluneční světlo bylo nejen nezbytné pro teplo, které produkovalo ve starověkém světě, ale bylo také používáno ke konzervaci a konzervaci potravin pomocí soli. Při salinizaci se slunce používá k odpařování toxické mořské vody a získávání soli, která se shromažďuje v solárních bazénech [1]. V pozdní renesanci navrhl Leonardo da Vinci první průmyslovou aplikaci konkávních zrcadlových solárních koncentrátorů jako ohřívačů vody a později Leonardo také navrhl technologii svařování coppvyužívá sluneční záření a umožňuje technickým řešením provozovat textilní stroje [1]. Brzy během průmyslové revoluce vytvořil W. Adams to, čemu se dnes říká solární trouba. Tato trouba má osm symetrických zrcadel ze stříbrného skla, která tvoří osmiúhelníkový reflektor. koncentrované pomocí zrcadel do zasklené dřevěné krabice, kam se hrnec postaví a nechá vařit[1]. Rychle vpřed o několik set let a solární parní stroj byl postaven kolem roku 1882 [1].Abel Pifre použil konkávní zrcadlo 3,5 m v průměru a zaměřil jej na válcový parní kotel, který produkoval dostatek energie pro pohon tiskařského lisu.
V roce 2004 byla v Seville ve Španělsku založena první komerční koncentrovaná solární elektrárna na světě s názvem Planta Solar 10. Sluneční světlo se odráží na věž o výšce přibližně 624 metrů, kde jsou instalovány solární přijímače s parními turbínami a generátory. Ta je schopna generovat energii napájet více než 5 500 domácností. Téměř o deset let později, v roce 2014, byla v Kalifornii v USA otevřena největší solární elektrárna na světě. Elektrárna využívala více než 300 000 řízených zrcadel a umožnila výrobu 377 megawattů elektřiny pro napájení přibližně 140 000 domácností [ 1].
Nejen, že se staví a používají továrny, ale spotřebitelé v maloobchodních prodejnách také vytvářejí nové technologie. Solární panely měly svůj debut a do hry vstoupily dokonce i automobily na solární pohon, ale jedním z nejnovějších trendů, které ještě nebyly oznámeny, jsou nové solární panely. napájená nositelná technologie. Díky integraci připojení USB nebo jiných zařízení umožňuje připojení oblečení k zařízením, jako jsou zdroje, telefony a sluchátka, která lze nabíjet na cestách. Před několika lety tým japonských výzkumníků z Riken Institute and Torah Industries popsali vývoj tenkého organického solárního článku, který by teplem tiskl oblečení na oděv, což by článku umožnilo absorbovat sluneční energii a využít ji jako zdroj energie [2] ]. Mikrosolární články jsou organické fotovoltaické články s tepelným stabilita a flexibilita až do 120 °C [2].Členové výzkumné skupiny založili organické fotovoltaické články na materiálu zvaném PNTz4T [3].PNTz4T je polovodičový polymer dříve vyvinutý společností Riken pro vynikající environmentální stabilita a vysoká účinnost přeměny energie, pak jsou obě strany článku pokryty elastomerem, materiálem podobným gumě [3]. Při tomto procesu použili dva předem napnuté akrylové elastomery o tloušťce 500 mikronů, které umožňují pronikání světla článku, ale brání vodě a vzduchu proniknout do článku. Použití tohoto elastomeru pomáhá snížit degradaci samotné baterie a prodloužit její životnost [3].
Jednou z nejpozoruhodnějších nevýhod tohoto odvětví je voda. Degenerace těchto článků může být způsobena řadou faktorů, ale největším je voda, společný nepřítel jakékoli technologie. Jakákoli nadměrná vlhkost a dlouhodobé vystavení vzduchu může negativně ovlivnit účinnost. organických fotovoltaických článků [4].Zatímco se vodě na počítači nebo telefonu ve většině případů vyhnete, s oblečením se tomu nevyhnete.Ať je to déšť nebo pračka, voda je nevyhnutelná.Po různých testech na volně stojící organický fotovoltaický článek a organický fotovoltaický článek s oboustranným povlakem, oba organické fotovoltaické články byly ponořeny do vody po dobu 120 minut, došlo k závěru, že výkon volně stojícího organického fotovoltaického článku byl Účinnost konverze je snížena pouze o 5,4 %. Počet buněk se snížil o 20,8 % [5].
Obrázek 1. Normalizovaná účinnost přeměny výkonu jako funkce času ponoření. Chybové úsečky v grafu představují standardní odchylku normalizovanou průměrem počátečních účinností přeměny výkonu v každé struktuře [5].
Obrázek 2 znázorňuje další vývoj na Nottingham Trent University, miniaturní solární článek, který lze zabudovat do příze, která je následně vetkána do textilie [2]. Každá baterie obsažená ve výrobku splňuje určitá kritéria pro použití, např. 3 mm dlouhé a 1,5 mm široké[2]. Každá jednotka je laminována voděodolnou pryskyřicí, aby bylo možné prádlo prát v prádelně nebo kvůli počasí [2]. Baterie jsou také přizpůsobeny pro pohodlí a každá je namontována v způsobem, který nevyčnívá ani nedráždí pokožku nositele. Při dalším výzkumu bylo zjištěno, že malý kousek oděvu podobný 5 cm^2 části látky může obsahovat něco málo přes 200 článků, ideálně produkujících 2,5 – 10 voltů energie a dospěl k závěru, že existuje pouze 2 000 článků, aby buňky mohly nabíjet smartphony [2].
Obrázek 2. Mikro solární články 3 mm dlouhé a 1,5 mm široké (foto s laskavým svolením Nottingham Trent University) [2].
Fotovoltaické tkaniny spojují dva lehké a levné polymery a vytvářejí textilie generující energii. První ze dvou složek je mikrosolární článek, který získává energii ze slunečního záření, a druhá se skládá z nanogenerátoru, který přeměňuje mechanickou energii na elektřinu [ 6]. Fotovoltaická část tkaniny se skládá z polymerních vláken, která jsou následně potažena vrstvami manganu, oxidu zinečnatého (fotovoltaický materiál) a jodidu mědi (pro sběr náboje) [6]. malý měděný drát a integrovaný do oděvu.
Tajemství těchto inovací spočívá v průhledných elektrodách flexibilních fotovoltaických zařízení. Transparentní vodivé elektrody jsou jednou ze součástí fotovoltaických článků, které umožňují pronikání světla do článku, čímž se zvyšuje rychlost sběru světla. Používá se oxid cínu dopovaný indiem (ITO). k výrobě těchto průhledných elektrod, které se používají pro svou ideální průhlednost (>80 %) a dobrou plošnou odolnost a také vynikající environmentální stabilitu [7]. ITO je rozhodující, protože všechny jeho součásti jsou v téměř dokonalých poměrech. tloušťka kombinovaná s průhledností a odporem maximalizuje výsledky elektrod [7]. Jakékoli kolísání poměru negativně ovlivní elektrody a tím i výkon. Například zvětšení tloušťky elektrody snižuje průhlednost a odpor, což vede k degradaci výkonu. ITO je však omezený zdroj, který se rychle spotřebovává. Pokračuje výzkum s cílem najít alternativu, která nejen dosáhneITO, ale očekává se, že překoná výkonnost ITO [7].
Materiály, jako jsou polymerní substráty, které byly modifikovány transparentními vodivými oxidy, si zatím získaly na popularitě. Bohužel se ukázalo, že tyto substráty jsou křehké, tuhé a těžké, což značně snižuje flexibilitu a výkon [7]. Výzkumníci nabízejí řešení použití flexibilních solárních článků podobných vláknům jako náhrady elektrod. Vláknitá baterie se skládá z elektrody a dvou odlišných kovových drátů, které jsou zkroucené a kombinované s aktivním materiálem, aby nahradily elektrodu [7]. Solární články se ukázaly být slibné díky své nízké hmotnosti , ale problémem je chybějící kontaktní plocha mezi kovovými dráty, která zmenšuje kontaktní plochu a má tak za následek zhoršený výkon fotovoltaiky [7].
Environmentální faktory jsou také velkou motivací pro pokračující výzkum. V současné době se svět silně spoléhá na neobnovitelné zdroje energie, jako jsou fosilní paliva, uhlí a ropa. Přesun zaměření z neobnovitelných zdrojů energie na obnovitelné zdroje energie, včetně solární energie, je nezbytnou investicí do budoucnosti. Každý den si miliony lidí nabíjejí své telefony, počítače, notebooky, chytré hodinky a všechna elektronická zařízení a používání našich tkanin k nabíjení těchto zařízení jen chůzí může snížit naši spotřebu fosilních paliv. I když se to může zdát triviální v malém měřítku 1 nebo dokonce 500 lidí, při zvětšení na desítky milionů by to mohlo výrazně snížit naše používání fosilních paliv.
Je známo, že solární panely v solárních elektrárnách, včetně panelů namontovaných na střechách domů, pomáhají využívat obnovitelnou energii a snižují spotřebu fosilních paliv, která jsou stále hojně využívána. postavit tyto farmy. Průměrná domácnost může podporovat pouze určitý počet solárních panelů a počet solárních farem je omezený. V oblastech s dostatkem prostoru většina lidí vždy váhá, zda postavit novou solární elektrárnu, protože to trvale uzavírá možnost a potenciál dalších příležitostí na zemi, jako jsou nové podniky. V poslední době existuje velké množství instalací plovoucích fotovoltaických panelů, které mohou vyrábět velké množství elektřiny, a hlavní výhodou plovoucích solárních farem je snížení nákladů [8]. pozemek není využíván, není třeba se obávat nákladů na instalaci na střechách domů a budov. Všechny v současnosti známé plovoucí solární farmy se nacházejí na umělých vodních plochách a v budoucnu seJe možné umístit tyto farmy na přírodní vodní plochy.Umělé nádrže mají mnoho výhod, které nejsou v oceánu běžné [9]. Umělé nádrže se snadno spravují a díky předchozí infrastruktuře a silnicím lze farmy jednoduše nainstalovat. Plovoucí solární farmy se také ukázaly být produktivnější než solární farmy na pevnině v důsledku teplotních rozdílů mezi vodou a půdou [9]. Kvůli vysokému měrnému teplu vody je povrchová teplota půdy obecně vyšší než teplota vodních útvarů a ukázalo se, že vysoké teploty negativně ovlivňují výkon míry přeměny solárního panelu. Zatímco teplota neovlivňuje, kolik slunečního světla panel přijímá, ovlivňuje to, kolik energie ze slunečního záření přijímáte. Při nízkých energiích (tj. nižších teplotách) budou elektrony uvnitř solárního panelu v klidový stav, a pak, když dopadá sluneční světlo, dosáhnou excitovaného stavu [10]. Rozdíl mezi klidovým stavem a excitovaným stavem je v tom, kolik energie je generováno v napětí.Tyto elektrony budou excitovat, ale také se mohou zahřívat. Pokud teplo kolem solárního panelu nabudí elektrony a uvede je do nízko vybuzeného stavu, napětí nebude tak velké, když sluneční světlo dopadne na panel [10]. Protože země absorbuje a vyzařuje ohřívají snadněji než voda, elektrony v solárním panelu na souši jsou pravděpodobně ve vyšším excitovaném stavu a solární panel je pak umístěn na vodní ploše nebo v její blízkosti, která je chladnější. Další výzkum prokázal, že chladicí efekt voda kolem plovoucích panelů pomáhá generovat o 12,5 % více energie než na souši [9].
Dosud solární panely pokrývají pouze 1 % amerických energetických potřeb, ale pokud by tyto solární farmy byly vysazeny až na čtvrtině umělých vodních nádrží, solární panely by pokryly téměř 10 % amerických energetických potřeb. V Coloradu, kde plovoucí panely byly zavedeny co nejdříve, dvě velké vodní nádrže v Coloradu ztratily mnoho vody kvůli odpařování, ale instalací těchto plovoucích panelů bylo zabráněno vysychání nádrží a výroba elektřiny [11].Dokonce jedno procento člověka -vyrobené nádrže vybavené solárními farmami by stačily na výrobu nejméně 400 gigawattů elektřiny, což by stačilo na napájení 44 miliard LED žárovek po dobu více než jednoho roku.
Obrázek 4a ukazuje nárůst výkonu, který poskytuje plovoucí solární článek ve srovnání s obrázkem 4b. I když v minulém desetiletí bylo několik plovoucích solárních farem, stále představují tak velký rozdíl ve výrobě energie. V budoucnu, když plovoucí solární farmy roste, celková vyrobená energie se údajně ztrojnásobí z 0,5 TW v roce 2018 na 1,1 TW do konce roku 2022.[12].
Z hlediska životního prostředí jsou tyto plovoucí solární farmy v mnoha ohledech velmi prospěšné. Kromě toho, že snižují závislost na fosilních palivech, solární farmy také snižují množství vzduchu a slunečního světla dopadajícího na vodní hladinu, což může pomoci zvrátit změnu klimatu [9]. farma, která sníží rychlost větru a přímé sluneční světlo dopadající na vodní hladinu alespoň o 10 %, by mohla vykompenzovat celé desetiletí globálního oteplování [9]. Pokud jde o biologickou rozmanitost a ekologii, nezdá se, že by byly zjištěny žádné velké negativní dopady. Panely zabraňují silnému větru aktivita na vodní hladině, čímž se snižuje eroze na břehu řeky, chrání a stimuluje vegetaci.[13] Neexistují žádné definitivní výsledky o tom, zda je ovlivněn mořský život, ale opatření, jako je biochata plná skořápek vytvořená společností Ecocean, přinesla byly ponořeny pod fotovoltaické panely, aby potenciálně podpořily mořský život.[13] Jednou z hlavních obav probíhajícího výzkumu je potenciální dopad na potravní řetězec v důsledku instalace infrastruktury, jako je např.fotovoltaické panely na otevřené vodě spíše než uměle vytvořené nádrže. Čím méně slunečního světla vstupuje do vod, způsobuje to snížení rychlosti fotosyntézy, což má za následek masivní ztrátu fytoplanktonu a makrofyt. S omezením těchto rostlin se dopad na živočichy níže v potravním řetězci atd., vede k dotacím pro vodní organismy [14]. I když se to zatím nestalo, mohlo by to zabránit dalším potenciálním škodám na ekosystému, což je hlavní nevýhoda plovoucích solárních farem.
Vzhledem k tomu, že slunce je naším největším zdrojem energie, může být obtížné najít způsoby, jak tuto energii využít a využít v našich komunitách. Nové technologie a inovace, které jsou k dispozici každý den, to umožňují. I když není mnoho nositelných oděvů na solární energii koupit nebo navštívit plovoucí solární farmy právě teď, to nic nemění na faktu, že tato technologie nemá obrovský potenciál ani světlou budoucnost. Plovoucí solární články mají daleko k tomu, aby byly tak běžné jako solární panely na střechách domácností. Nositelné solární články mají před sebou ještě dlouhou cestu, než se stanou tak běžnými jako oblečení, které každý den nosíme. V budoucnu se očekává, že solární články budou používány v každodenním životě, aniž by musely být skryty mezi našimi oblečení. S technologickým pokrokem v nadcházejících desetiletích je potenciál solárního průmyslu nekonečný.
O Raj Shah Dr. Raj Shah je ředitelem společnosti Koehler Instrument Company v New Yorku, kde působí 27 let. Je členem zvoleným svými kolegy z IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Physics, Institute of Energy Research a Royal Society of Chemistry. Držitel ceny ASTM Eagle Award Dr. Shah se nedávno podílel na editaci bestselleru „Fuels and Lubricants Handbook“, podrobnosti jsou dostupné v ASTM's Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook, 2. vydání – 15. července, 2020 – David Phillips – Petro Industry News Article – Petro Online (petro-online.com)
Dr. Shah má doktorát v oboru chemického inženýrství na Penn State University a je členem Chartered School of Management v Londýně.Je také autorizovaným vědcem Vědecké rady, autorizovaným ropným inženýrem Energetického institutu a inženýrské rady Spojeného království. Dr.Shah byl nedávno oceněn jako Distinguished Engineer Tau beta Pi, největší inženýrskou společností ve Spojených státech. Je členem dozorčí rady Farmingdale University (strojní technologie), Auburn University (Tribologie) a Stony Brook University (Chemické inženýrství/ Materiálová věda a inženýrství).
Raj je mimořádným profesorem na katedře materiálových věd a chemického inženýrství na SUNY Stony Brook, publikoval více než 475 článků a více než 3 roky působí v oblasti energetiky. Více informací o Rajovi naleznete u ředitele společnosti Koehler Instrument Company zvolen jako Fellow na Mezinárodním institutu fyziky Petro Online (petro-online.com)
Paní Mariz Baslious a pan Blerim Gashi jsou studenti chemického inženýrství na SUNY a Dr. Raj Shah předsedá externímu poradnímu výboru univerzity. Mariz a Blerim jsou součástí rostoucího programu stáží ve společnosti Koehler Instrument, Inc. v Holtzville, NY. povzbuzuje studenty, aby se dozvěděli více o světě alternativních energetických technologií.
Čas odeslání: 12. února 2022
