Ahogy a civilizáció növekszik, az életvitelünk támogatásához szükséges energia napról napra növekszik, ezért új és innovatív módokat kell találnunk megújuló erőforrásaink, például a napfény hasznosítására, hogy több energiát termeljünk társadalmunk számára a Haladás folytatásához.
A napfény évszázadok óta biztosította és lehetővé tette az életet bolygónkon. Akár közvetlenül, akár közvetve, a nap szinte az összes ismert energiaforrás előállítását teszi lehetővé, mint például a fosszilis tüzelőanyagok, a víz, a szél, a biomassza stb. A civilizáció növekedésével a támogatáshoz szükséges energia életmódunk napról napra növekszik, ami megköveteli tőlünk, hogy új és innovatív módszereket találjunk megújuló erőforrásaink, például a napfény hasznosítására, hogy több energiát termeljünk társadalmunk számára a Haladás folytatásához.
Már az ókorban is meg tudtuk élni a napenergiát, a több mint 6000 éve épült épületekből származó napfényt energiaforrásként használva úgy, hogy a házat úgy helyeztük el, hogy a napfény áthaladjon a fűtési formaként funkcionáló nyílásokon. Több ezer évvel később az egyiptomiak és a görögök ugyanezt a technikát alkalmazták házaik hűtésére nyáron azáltal, hogy megóvták őket a napfénytől [1]. A nagy, egyrétegű ablakokat napkollektoros ablakként használják, amely lehetővé teszi a nap hőjének bejutását, de bezárja őket. a belsejében lévő hő.A napfény nemcsak az általa termelt hő szempontjából volt nélkülözhetetlen az ókori világban, hanem az élelmiszerek só révén történő tartósítására és konzerválására is használták.A szikesedés során a napot a mérgező tengervíz elpárologtatására és só előállítására használják, amelyet összegyűjtenek. szoláris medencékben [1].A késő reneszánszban Leonardo da Vinci javasolta a homorú tükrös szoláris koncentrátorok első ipari alkalmazását vízmelegítőként, később Leonardo is a copp hegesztési technológiáját javasolta.napsugárzást használnak, és lehetővé teszik a textilipari gépek működtetését [1]. Hamarosan az ipari forradalom alatt W. Adams megalkotta a ma szoláris sütőt. Ennek a sütőnek nyolc szimmetrikus ezüst üvegtüköre van, amelyek nyolcszögletű reflektort alkotnak. tükrök egy üveggel borított fadobozba tömörítik, ahová az edényt elhelyezik, és hagyják felforrni[1]. Néhány száz év elteltével a szoláris gőzgépet 1882 körül építették [1]. Abel Pifre homorú tükröt használt 3.5 m átmérőjű, és egy hengeres gőzkazánra fókuszálta, amely elegendő teljesítményt termelt a nyomdagép meghajtásához.
2004-ben a világ első kereskedelmi célú koncentrált naperőművét Planta Solar 10 néven Sevillában (Spanyolország) hozták létre. A napfény egy körülbelül 624 méteres toronyra verődik vissza, ahol a napkollektorok gőzturbinákkal és generátorokkal vannak felszerelve. Ez képes energiát termelni. több mint 5500 otthon energiaellátására. Majdnem egy évtizeddel később, 2014-ben megnyílt a világ legnagyobb naperőműve Kaliforniában, az Egyesült Államokban. Az erőműben több mint 300 000 vezérelt tükröt használtak, és 377 megawatt villamos energia előállítását tette lehetővé körülbelül 140 000 otthon táplálására [ 1].
Nemcsak gyárakat építenek és használnak, hanem a kiskereskedelmi üzletek fogyasztói is új technológiákat hoznak létre. Debütáltak a napelemek, sőt a napelemes autók is szóba kerültek, de az egyik legfrissebb, még be nem jelentett fejlesztés az új napelemek. meghajtású viselhető technológia.Az USB-csatlakozás vagy más eszközök integrálásával lehetővé teszi a ruházati eszközök csatlakoztatását olyan eszközökhöz, mint például források, telefonok és fülhallgatók, amelyeket menet közben is lehet tölteni.Csak néhány évvel ezelőtt egy japán kutatócsoport a Rikenben Az Institute and Torah Industries egy vékony szerves napelem kifejlesztését írta le, amely a ruhákat a ruhákra melegen nyomtatja, lehetővé téve a cella számára, hogy elnyelje a napenergiát, és azt energiaforrásként használja [2] ]. A mikronapelemek termikus szerves fotovoltaikus cellák. stabilitás és rugalmasság 120 °C-ig [2].A kutatócsoport tagjai szerves fotovoltaikus cellákat alapoztak a PNTz4T nevű anyagon [3]. A PNTz4T egy félvezető polimer, amelyet korábban a Riken fejlesztett ki a kiváló enkörnyezeti stabilitás és nagy teljesítménykonverziós hatásfok, akkor a cella mindkét oldalát elasztomerrel, gumiszerű anyaggal borítják [3]. A folyamat során két előfeszített, 500 mikron vastagságú akril elasztomert használtak, amelyek lehetővé teszik a fény bejutását a cellába, de megakadályozza a víz és a levegő bejutását a cellába. Ennek az elasztomernek a használata segít csökkenteni magának az akkumulátornak a leépülését és meghosszabbítani annak élettartamát [3].
Az iparág egyik legfigyelemreméltóbb hátránya a víz. Ezeknek a sejteknek a degenerációját számos tényező okozhatja, de a legnagyobb a víz, minden technológia közös ellensége. Bármilyen túlzott nedvesség és hosszan tartó levegőnek való kitettség negatívan befolyásolhatja a hatékonyságot. szerves fotovoltaikus cellákból [4]. Bár a legtöbb esetben elkerülheti, hogy víz kerüljön számítógépére vagy telefonjára, a ruháival nem kerülheti el. Legyen szó esőről vagy mosógépről, a víz elkerülhetetlen. Különféle tesztek után szabadon álló szerves fotovoltaikus cella és a kétoldalas bevonatú szerves fotovoltaikus cella, mindkét szerves fotovoltaikus cellát 120 percre vízbe merítettük, megállapították, hogy a szabadon álló szerves fotovoltaikus cella teljesítménye az A konverziós hatásfok csak a 5,4%.A sejtek száma 20,8%-kal csökkent [5].
1. ábra Normalizált teljesítményátalakítási hatásfok a merülési idő függvényében. A grafikonon lévő hibasávok az egyes szerkezetek kezdeti teljesítményátalakítási hatásfokainak átlagával normalizált szórást mutatják [5].
A 2. ábra a Nottingham Trent Egyetem egy másik fejlesztését ábrázolja, egy miniatűr napelemet, amely fonalba ágyazható, és amelyet azután textíliává szőnek [2]. A termékben található elemek mindegyike megfelel bizonyos használati feltételeknek, például a 3 mm hosszú és 1,5 mm széles[2]. Minden egység vízálló gyantával van laminálva, hogy a mosókonyhában vagy az időjárás miatt ki lehessen mosni [2]. Az akkumulátorokat is a kényelemre szabták, és mindegyik egybe van szerelve. A további kutatások során azt találták, hogy egy 5 cm^2-es szövetrészhez hasonló kis ruhadarab valamivel több mint 200 sejtet tartalmazhat, ideális esetben 2,5-10 V energiát termelve, és arra a következtetésre jutott, hogy mindössze 2000 cella van. A celláknak az okostelefonok töltésére van szükségük [2].
2. ábra: 3 mm hosszú és 1,5 mm széles mikro napelemek (a fotó a Nottingham Trent Egyetem jóvoltából) [2].
A fotovoltaikus szövetek két könnyű és olcsó polimert egyesítenek energiatermelő textíliák létrehozására. A két komponens közül az első egy mikro napelem, amely a napfényből nyeri az energiát, a második pedig egy nanogenerátor, amely a mechanikai energiát elektromos árammá alakítja [ 6].A szövet fotovoltaikus része polimer szálakból áll, amelyeket azután mangán, cink-oxid (egy fotovoltaikus anyag) és réz-jodid (töltésgyűjtés céljából) rétegekkel vonnak be [6]. A cellákat ezután összefonják egy apró rézhuzal és a ruhadarabba integrálva.
Az újítások mögött meghúzódó titka a rugalmas fotovoltaikus eszközök átlátszó elektródáiban rejlik. Az átlátszó vezető elektródák a fotovoltaikus cellák egyik olyan komponensei, amelyek lehetővé teszik a fény bejutását a cellába, növelve a fénygyűjtési sebességet.Indium-adalékolt ón-oxidot (ITO) használnak. ezeknek az átlátszó elektródáknak az elkészítéséhez, amelyet ideális átlátszósága (>80%) és jó lemezállósága, valamint kiváló környezeti stabilitása miatt használnak [7]. Az ITO kulcsfontosságú, mert minden alkatrésze közel tökéletes arányban van. a vastagság az átlátszósággal és az ellenállással kombinálva maximalizálja az elektródák eredményeit [7]. Az arány bármilyen ingadozása negatívan befolyásolja az elektródákat és így a teljesítményt. Például az elektróda vastagságának növelése csökkenti az átlátszóságot és az ellenállást, ami a teljesítmény romlásához vezet. Az ITO azonban egy véges erőforrás, amely gyorsan elhasználódik. A kutatások folyamatosan zajlanak egy olyan alternatíva megtalálására, amely nemcsakITO, de várhatóan meghaladja az ITO teljesítményét [7].
Az olyan anyagok, mint az átlátszó vezetőképes oxidokkal módosított polimer szubsztrátok, mindeddig egyre népszerűbbek. Sajnos ezekről a hordozókról bebizonyosodott, hogy ridegek, merevek és nehezek, ami nagymértékben csökkenti a rugalmasságot és a teljesítményt [7]. A kutatók megoldást kínálnak rugalmas szálszerű napelemek használata elektródacsereként.A szálas akkumulátor egy elektródából és két különálló fémhuzalból áll, amelyeket megcsavarnak, és aktív anyaggal kombinálnak az elektróda helyettesítésére [7]. A napelemek ígéretesnek bizonyultak könnyű súlyuk miatt. , de a probléma a fémhuzalok közötti érintkezési felület hiánya, ami csökkenti az érintkezési felületet, és így a fotovoltaikus teljesítmény romlását eredményezi [7].
A környezeti tényezők szintén nagy motivációt jelentenek a kutatás folytatásához.Jelenleg a világ nagymértékben támaszkodik a nem megújuló energiaforrásokra, például a fosszilis tüzelőanyagokra, a szénre és az olajra. A hangsúly a nem megújuló energiaforrásokról a megújuló energiaforrásokra, köztük a napenergiára helyeződik át, szükséges befektetés a jövőbe.Minden nap emberek milliói töltik telefonjaikat, számítógépeiket, laptopjaikat, okosóráikat és minden elektronikus eszközüket, és ha szöveteinket gyalogosan töltjük, csökkenthetjük a fosszilis tüzelőanyagok felhasználását. Bár ez úgy tűnhet, 1 vagy akár 500 fős kis léptékben triviális, tízmilliókra léptetve jelentősen csökkentheti a fosszilis tüzelőanyagok felhasználását.
A napelemes erőművekben, köztük a házak tetejére szerelt napelemekről ismert, hogy segítik a megújuló energia felhasználását és csökkentik a fosszilis tüzelőanyagok felhasználását, amelyeket még mindig erősen használnak.Amerika.Az ipar egyik fő problémája a föld megszerzése építeni ezeket a farmokat.Egy átlagos háztartás csak bizonyos számú napelemet tud elhelyezni, és a napelemes farmok száma korlátozott.A bőséges helyekkel rendelkező területeken a legtöbb ember mindig vonakodik új naperőmű építésétől, mert az végleg bezárja a lehetőséget és a földön rejlő egyéb lehetőségeket, például új vállalkozásokat.A közelmúltban számos olyan úszó fotovoltaikus panel-létesítmény létezik, amelyek nagy mennyiségű villamos energiát tudnak termelni, és az úszó napelemes farmok fő előnye a költségcsökkentés [8]. a földet nem használják, nem kell aggódnia a házak és épületek tetejére történő telepítési költségek miatt. Az összes jelenleg ismert úszó napelemes farm mesterséges víztesteken található, és a jövőben ez iezek a gazdaságok természetes víztesteken helyezhetők el.A mesterséges tározóknak számos olyan előnyük van, amelyek nem jellemzőek az óceánban [9].Az ember alkotta tározókat könnyű kezelni, és a korábbi infrastruktúra és utak miatt a farmok egyszerűen telepíthetők. szárazföldi szolárfarmok a víz és a föld közötti hőmérséklet-ingadozások miatt [9]. A víz nagy fajhőjének köszönhetően a föld felszíni hőmérséklete általában magasabb, mint a víztesteké, és kimutatták, hogy a magas hőmérséklet negatívan befolyásolja a víz a napelemek konverziós sebességének teljesítménye.A hőmérséklet nem szabályozza, hogy egy panel mennyi napfényt kap, de befolyásolja, hogy mennyi energiát kap a napfényből. Alacsony energiáknál (pl. hidegebb hőmérsékleten) a napelem panelen belüli elektronok nyugalmi állapotba, majd amikor a napfény eléri, gerjesztett állapotba kerülnek [10]. A nyugalmi állapot és a gerjesztett állapot közötti különbség az, hogy mennyi energia keletkezik a feszültségben. Nemcsak a sunlight gerjeszti ezeket az elektronokat, de a hő is képes.Ha a napelem körüli hő energiával tölti fel az elektronokat, és alacsony gerjesztett állapotba hozza őket, akkor a feszültség nem lesz olyan nagy, amikor a napfény eléri a panelt [10]. Mivel a föld elnyeli és kibocsátja könnyebben felmelegszik, mint a víz, a szárazföldi napelemben lévő elektronok valószínűleg nagyobb gerjesztett állapotban vannak, majd a napelem hűvösebb vízfelületen vagy annak közelében helyezkedik el. További kutatások igazolták, hogy az úszó panelek körüli víz 12,5%-kal több energiát termel, mint a szárazföldön [9].
Eddig a napelemek Amerika energiaszükségletének csak 1%-át elégítik ki, de ha ezeket a napelemfarmokat az ember alkotta víztározók akár egynegyedére telepítenék, a napelemek Amerika energiaszükségletének közel 10%-át fedeznék. Coloradóban, ahol lebegő a paneleket a lehető leghamarabb bevezették, Coloradóban két nagy víztározó sok vizet veszített a párolgás miatt, de ezeknek az úszó paneleknek a felszerelésével megakadályozták a tározók kiszáradását, és áram keletkezett [11].Még az ember egy százaléka is -a napelemes farmokkal felszerelt tározók legalább 400 gigawatt elektromos áram előállítására elegendőek lennének, ami 44 milliárd LED-es izzó ellátására elegendő lenne több mint egy évig.
A 4a. ábra az úszó napelem által biztosított teljesítménynövekedést mutatja a 4b. ábrához viszonyítva. Noha az elmúlt évtizedben kevés úszó napelemfarm volt, ezek még mindig ilyen nagy különbséget jelentenek az energiatermelésben. A jövőben az úszó napelemfarmok A teljes megtermelt energia állítólag megháromszorozódik a 2018-as 0,5 TW-ról 1,1 TW-ra 2022 végére.[12]
Környezeti szempontból ezek a lebegő napelemfarmok sok szempontból nagyon előnyösek. A fosszilis tüzelőanyagoktól való függés csökkentése mellett a napenergia-farmok csökkentik a víz felszínét érő levegő és napfény mennyiségét is, ami segíthet visszafordítani a klímaváltozást [9]. egy olyan farm, amely legalább 10%-kal csökkenti a szélsebességet és a vízfelületet érő közvetlen napfényt, ellensúlyozhatja a globális felmelegedés teljes évtizedét [9]. A biológiai sokféleség és az ökológia tekintetében úgy tűnik, nincs jelentős negatív hatás. A panelek megakadályozzák a nagy szelet. aktivitást a víz felszínén, ezáltal csökkenti az eróziót a folyóparton, védi és serkenti a növényzetet.[13]. Nincsenek végleges eredmények arra vonatkozóan, hogy a tengeri élővilág érintett-e, de az olyan intézkedések, mint az Ecocean által létrehozott, kagylókkal teli biokunyhó napelemes panelek alá merültek, hogy potenciálisan támogassák a tengeri életet.[13]fotovoltaikus panelek nyílt vízen, nem pedig mesterséges tározókban.Mivel kevesebb napfény jut be a vizekbe, ez lelassítja a fotoszintézis sebességét, ami a fitoplankton és a makrofiták tömeges elvesztését eredményezi.E növények mennyiségének csökkenésével az állatokra gyakorolt hatás alacsonyabb a táplálékláncban stb., a vízi élőlények támogatásához vezet [14]. Bár ez még nem történt meg, ez megakadályozhatja az ökoszisztéma további lehetséges károsodását, ami az úszó napenergia-farmok jelentős hátránya.
Mivel a nap a legnagyobb energiaforrásunk, nehéz lehet megtalálni a módját ennek az energiának a hasznosításának és a közösségeinkben való felhasználásának. A nap mint nap elérhető új technológiák és innovációk teszik ezt lehetővé. Bár nem sok hordható napelemes ruha létezik vásárolni vagy lebegő napelemfarmokat most meglátogatni, ez nem változtat azon a tényen, hogy a technológiában nincs hatalmas potenciál vagy fényes jövő. napelemek az otthonok tetején. A hordható napelemek hosszú utat kell megtenni ahhoz, hogy olyan általánossá váljanak, mint a mindennap viselt ruhák. A jövőben várhatóan a napelemeket a mindennapi életben is használni fogják, anélkül, hogy elrejteni kellene őket ruhák.A technológia fejlődésével az elkövetkező évtizedekben a napenergia-iparban rejlő lehetőségek végtelenek.
Raj Shahról Dr. Raj Shah a New York-i Koehler Instrument Company igazgatója, ahol 27 éve dolgozik. Az IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of munkatársai által választott munkatárs. Physics, Institute of Energy Research és a Royal Society of Chemistry. Az ASTM Eagle-díjas Dr. Shah nemrégiben társszerkesztette a bestseller „Fuels and Lubricants Handbook” című kiadványt. 2020 – David Phillips – Petro Industry News cikk – Petro Online (petro-online.com)
Dr. Shah a Penn State Egyetemen szerzett PhD fokozatot vegyészmérnökből, valamint a londoni Chartered School of Management munkatársa.Emellett a Tudományos Tanács okleveles tudósa, az Energy Institute okleveles kőolajmérnöke és az Egyesült Királyság Mérnöki Tanácsa.Dr.Shah-t a közelmúltban kitüntetett mérnökként tüntette ki a Tau béta Pi, az Egyesült Államok legnagyobb mérnöki társasága. Tagja a Farmingdale Egyetem (Mechanikai Technológia), Az Auburn Egyetem (Tribológia) és a Stony Brook Egyetem (Vegyészmérnöki) tanácsadó testületeinek. Anyagtudomány és mérnöki tudomány).
Raj a SUNY Stony Brook Anyagtudományi és Vegymérnöki Tanszékének adjunktusa, több mint 475 cikket publikált, és több mint 3 éve tevékenykedik az energia területén. Rajról további információ a Koehler Instrument Company igazgatójánál található. a Petro Online (petro-online.com) Nemzetközi Fizikai Intézet munkatársának választották
Ms. Mariz Baslious és Mr. Blerim Gashi a SUNY vegyészmérnök hallgatói, Dr. Raj Shah pedig az egyetem külső tanácsadó testületének elnöke. Mariz és Blerim a Koehler Instrument, Inc. Holtzville-ben, NY-ban egy növekvő gyakornoki program része. arra ösztönzi a tanulókat, hogy többet tanuljanak az alternatív energiatechnológiák világáról.
Feladás időpontja: 2022.02.12
