Kako civilizacija raste, energija potrebna za podržavanje našeg načina života povećava se svakim danom, zahtijevajući od nas pronalaženje novih i inovativnih načina za iskorištavanje naših obnovljivih izvora, kao što je sunčeva svjetlost, kako bismo stvorili više energije za nastavak napretka našeg društva.
Sunčeva svjetlost stoljećima osigurava i omogućuje život na našem planetu. Bilo izravno ili neizravno, sunce omogućuje proizvodnju gotovo svih poznatih izvora energije kao što su fosilna goriva, hidroelektrane, vjetar, biomasa itd. Kako civilizacija raste, energija potrebna za podržavanje naš način života raste svakim danom, zahtijevajući od nas pronalaženje novih i inovativnih načina za iskorištavanje naših obnovljivih izvora, kao što je sunčeva svjetlost, kako bismo stvorili više energije kako bi naše društvo nastavilo napredak.
Još u antičkom svijetu mogli smo preživjeti na sunčevoj energiji, koristeći sunčevu svjetlost kao izvor energije koji je nastao u zgradama izgrađenim prije više od 6000 godina, orijentacijom kuće tako da sunčeva svjetlost prolazi kroz otvore koji djeluju kao oblik grijanja .Tisućama godina kasnije, Egipćani i Grci koristili su istu tehniku kako bi rashladili svoje kuće tijekom ljeta štiteći ih od sunca [1]. Veliki jednostruki prozori koriste se kao solarni toplinski prozori, dopuštajući toplini od sunca da uđe, ali zarobi toplinu iznutra. Sunčeva svjetlost nije bila neophodna samo za toplinu koju je proizvodila u drevnom svijetu, već se također koristila za očuvanje i očuvanje hrane putem soli. U salinizaciji, sunce se koristi za isparavanje toksične morske vode i dobivanje soli, koja se skuplja u solarnim bazenima [1]. U kasnoj renesansi, Leonardo da Vinci je predložio prvu industrijsku primjenu konkavnih zrcalnih solarnih koncentratora kao grijača vode, a kasnije je Leonardo također predložio tehnologiju zavarivanja bakraer koristeći sunčevo zračenje i dopuštajući tehnička rješenja za pokretanje tekstilnih strojeva [1]. Ubrzo tijekom industrijske revolucije, W. Adams stvorio je ono što se danas zove solarna pećnica. Ova pećnica ima osam simetričnih srebrnih staklenih zrcala koja tvore osmerokutni reflektor. Sunčeva svjetlost je koncentrirana zrcalima u drvenu kutiju prekrivenu staklom u koju će se staviti lonac i pustiti da prokuha[1]. Brzo naprijed nekoliko stotina godina i solarni parni stroj izgrađen je oko 1882. [1]. Abel Pifre koristio je konkavno zrcalo 3.5 m u promjeru i usmjerio ga na cilindrični parni kotao koji je proizvodio dovoljno energije za pogon tiskarskog stroja.
Godine 2004. u Sevilli, u Španjolskoj, postavljena je prva komercijalna koncentrirana solarna elektrana na svijetu pod nazivom Planta Solar 10. Sunčeva svjetlost se reflektira na toranj od približno 624 metra, gdje su instalirani solarni prijemnici s parnim turbinama i generatorima. Ovo je sposobno generirati energiju za napajanje više od 5500 domova. Gotovo desetljeće kasnije, 2014. godine, najveća svjetska solarna elektrana otvorena je u Kaliforniji, SAD. Postrojenje je koristilo više od 300 000 kontroliranih zrcala i omogućilo proizvodnju od 377 megavata električne energije za napajanje približno 140 000 domova [ 1].
Ne samo da se grade i koriste tvornice, već i potrošači u maloprodajnim trgovinama stvaraju nove tehnologije. Solarni paneli imali su svoj debi, pa su čak i automobili na solarni pogon ušli u igru, ali jedan od najnovijih razvoja koji tek treba biti objavljen je novi solarni nosivu tehnologiju s napajanjem. Integracijom USB veze ili drugih uređaja omogućuje povezivanje od odjeće do uređaja kao što su izvori, telefoni i slušalice, koji se mogu puniti u pokretu. Prije samo nekoliko godina, tim japanskih istraživača na Riken Institut i Torah Industries opisali su razvoj tanke organske solarne ćelije koja bi toplinski otiskivala odjeću na odjeću, dopuštajući ćeliji da apsorbira sunčevu energiju i koristi je kao izvor energije [2] ]. Mikro solarne ćelije su organske fotonaponske ćelije s toplinskom stabilnost i fleksibilnost do 120 °C [2]. Članovi istraživačke skupine temeljili su organske fotonaponske ćelije na materijalu nazvanom PNTz4T [3]. PNTz4T je poluvodički polimer koji je prethodno razvio Riken za izvrsne enekološku stabilnost i visoku učinkovitost pretvorbe energije, tada su obje strane ćelije prekrivene elastomerom, materijalom sličnim gumi [3]. U procesu su koristili dva prethodno istegnuta akrilna elastomera debljine 500 mikrona koji dopuštaju ulazak svjetlosti ćeliju, ali sprječava ulazak vode i zraka u ćeliju. Korištenje ovog elastomera pomaže u smanjenju degradacije same baterije i produljuje njezin život [3].
Jedan od najznačajnijih nedostataka industrije je voda. Degeneraciju ovih stanica može uzrokovati niz čimbenika, ali najveći je voda, zajednički neprijatelj svake tehnologije. Svaki višak vlage i produljena izloženost zraku mogu negativno utjecati na učinkovitost organskih fotonaponskih ćelija [4]. Iako u većini slučajeva možete izbjeći da vam voda dospije na računalo ili telefon, to ne možete izbjeći s odjećom. Bilo da kiša ili perilica rublja, voda je neizbježna. Nakon raznih testova na samostojeća organska fotonaponska ćelija i dvostrano obložena organska fotonaponska ćelija, obje organske fotonaponske ćelije su uronjene u vodu na 120 minuta, zaključeno je da je snaga samostojeće organske fotonaponske ćelije bila Učinkovitost pretvorbe smanjena je samo za 5,4%.Stanice su se smanjile za 20,8% [5].
Slika 1. Normalizirana učinkovitost pretvorbe snage kao funkcija vremena uranjanja. Trake pogrešaka na grafikonu predstavljaju standardnu devijaciju normaliziranu srednjom vrijednosti početnih učinkovitosti pretvorbe energije u svakoj strukturi [5].
Slika 2 prikazuje još jedan razvoj na Sveučilištu Nottingham Trent, minijaturnu solarnu ćeliju koja se može ugraditi u pređu, koja se zatim utka u tekstil [2]. Svaka baterija uključena u proizvod ispunjava određene kriterije za upotrebu, kao što su zahtjevi 3 mm duga i 1,5 mm široka [2]. Svaka je jedinica laminirana vodootpornom smolom kako bi se omogućilo pranje rublja u praonici ili zbog vremenskih uvjeta [2]. Baterije su također prilagođene za udobnost, a svaka je montirana u način koji ne strši ili iritira kožu nositelja. U daljnjim istraživanjima utvrđeno je da mali komad odjeće sličan komadu tkanine od 5 cm^2 može sadržavati nešto više od 200 stanica, idealno proizvodeći 2,5 – 10 volti energije, i zaključio da postoji samo 2000 ćelija koje stanice trebaju moći puniti pametne telefone [2].
Slika 2. Mikrosolarne ćelije dužine 3 mm i širine 1,5 mm (fotografija je ustupljena Sveučilištu Nottingham Trent) [2].
Fotonaponske tkanine spajaju dva lagana i jeftina polimera za stvaranje tekstila koji generiraju energiju. Prva od dvije komponente je mikro solarna ćelija, koja skuplja energiju iz sunčeve svjetlosti, a druga se sastoji od nanogeneratora, koji mehaničku energiju pretvara u električnu [ 6]. Fotonaponski dio tkanine sastoji se od polimernih vlakana, koja su zatim obložena slojevima mangana, cinkovog oksida (fotonaponski materijal) i bakrenog jodida (za prikupljanje naboja) [6]. Stanice su zatim utkane zajedno s sićušnu bakrenu žicu i integriranu u odjeću.
Tajna iza ovih inovacija leži u prozirnim elektrodama fleksibilnih fotonaponskih uređaja. Prozirne vodljive elektrode jedna su od komponenti fotonaponskih ćelija koje dopuštaju svjetlosti da uđe u ćeliju, povećavajući stopu prikupljanja svjetlosti. Koristi se kositreni oksid (ITO) dopiran indijem za izradu ovih prozirnih elektroda, koje se koriste zbog idealne prozirnosti (>80%) i dobre otpornosti na sloj, kao i izvrsne stabilnosti na okoliš [7]. ITO je ključan jer su sve njegove komponente u gotovo savršenim omjerima. debljina u kombinaciji s prozirnošću i otporom maksimizira rezultate elektroda [7]. Sve fluktuacije u omjeru negativno će utjecati na elektrode, a time i na performanse. Na primjer, povećanje debljine elektrode smanjuje prozirnost i otpor, što dovodi do degradacije performansi. Međutim, ITO je ograničen resurs koji se brzo troši. Istraživanja su u tijeku kako bi se pronašla alternativa koja ne samo da postižeITO, ali se očekuje da nadmaši performanse ITO-a [7].
Materijali kao što su polimerni supstrati koji su modificirani prozirnim vodljivim oksidima do sada su postali sve popularniji. Nažalost, pokazalo se da su ti supstrati krti, kruti i teški, što uvelike smanjuje fleksibilnost i učinkovitost [7]. Istraživači nude rješenje za koristeći fleksibilne solarne ćelije nalik vlaknima kao zamjenu za elektrode. Vlaknasta baterija sastoji se od elektrode i dvije različite metalne žice koje su upletene i kombinirane s aktivnim materijalom da zamijene elektrodu [7]. Solarne ćelije obećavaju zbog svoje male težine , ali problem je nedostatak kontaktnog područja između metalnih žica, što smanjuje kontaktno područje i time rezultira smanjenom fotonaponskom izvedbom [7].
Čimbenici okoliša također su veliki motivator za nastavak istraživanja. Trenutačno se svijet uvelike oslanja na neobnovljive izvore energije kao što su fosilna goriva, ugljen i nafta. Prebacivanje fokusa s neobnovljivih izvora energije na obnovljive izvore energije, uključujući solarnu energiju, je neophodna investicija za budućnost. Svaki dan milijuni ljudi pune svoje telefone, računala, prijenosna računala, pametne satove i sve elektroničke uređaje, a korištenje naših tkanina za punjenje ovih uređaja samo hodanjem može smanjiti našu upotrebu fosilnih goriva. Iako se ovo može činiti trivijalan na maloj razini od 1 ili čak 500 ljudi, kada bi se povećao na desetke milijuna mogao bi značajno smanjiti našu upotrebu fosilnih goriva.
Poznato je da solarni paneli u solarnim elektranama, uključujući one postavljene na vrhove kuća, pomažu u korištenju obnovljive energije i smanjuju upotrebu fosilnih goriva, koja se još uvijek intenzivno koriste. Amerika. Jedan od glavnih problema za industriju je dobivanje zemljišta za graditi te farme. Prosječno kućanstvo može podržati samo određeni broj solarnih panela, a broj solarnih farmi je ograničen. U područjima s dovoljno prostora većina ljudi uvijek oklijeva izgraditi novu solarnu elektranu jer to trajno zatvara mogućnost i potencijal drugih prilika na zemlji, kao što su nova poduzeća. Nedavno postoji velik broj plutajućih fotonaponskih panelnih instalacija koje mogu generirati velike količine električne energije, a glavna prednost plutajućih solarnih farmi je smanjenje troškova [8]. zemljište se ne koristi, nema potrebe brinuti o troškovima postavljanja na vrhu kuća i zgrada. Sve trenutno poznate plutajuće solarne farme nalaze se na umjetnim vodenim tijelima, au budućnosti će semoguće je smjestiti ova uzgajališta na prirodna vodna tijela.Umjetni rezervoari imaju mnoge prednosti koje nisu uobičajene u oceanu [9]. Umjetno napravljenim rezervoarima lako je upravljati, a uz prethodnu infrastrukturu i ceste, farme se mogu jednostavno postaviti. Plutajuće solarne farme također su se pokazale produktivnijima od solarne farme na kopnu zbog temperaturnih varijacija između vode i kopna [9]. Zbog visoke specifične topline vode, površinska temperatura kopna općenito je viša od vodenih tijela, a pokazalo se da visoke temperature negativno utječu na performanse stopa pretvorbe solarnih panela. Iako temperatura ne kontrolira koliko sunčeve svjetlosti panel prima, ona utječe na to koliko energije primate od sunčeve svjetlosti. Pri niskim energijama (tj. nižim temperaturama), elektroni unutar solarnog panela bit će u stanje mirovanja, a kada sunčeva svjetlost udari, doći će do pobuđenog stanja [10]. Razlika između stanja mirovanja i pobuđenog stanja je koliko se energije generira u naponu. Ne samo da sunčeva svjetlost možeht pobuđuje te elektrone, ali može i grijati. Ako toplina oko solarnog panela energizira elektrone i stavlja ih u nisko pobuđeno stanje, napon neće biti toliko velik kada sunčeva svjetlost udari u panel [10]. Budući da zemlja apsorbira i emitira lakše se zagrijavaju od vode, elektroni u solarnoj ploči na kopnu vjerojatno će biti u više pobuđenom stanju, a tada se solarna ploča nalazi na ili u blizini vode koja je hladnija. Daljnja su istraživanja pokazala da učinak hlađenja voda oko plutajućih ploča pomaže u stvaranju 12,5% više energije nego na kopnu [9].
Do sada, solarni paneli zadovoljavaju samo 1% američkih energetskih potreba, ali kad bi se te solarne farme postavile na četvrtinu umjetnih rezervoara vode, solarni paneli bi zadovoljili gotovo 10% američkih energetskih potreba. U Coloradu, gdje plutaju paneli su uvedeni što je prije moguće, dva velika rezervoara vode u Coloradu izgubila su puno vode zbog isparavanja, ali postavljanjem ovih plutajućih panela spriječeno je isušivanje rezervoara i proizvedena je električna energija [11]. Čak jedan posto čovjeka -napravljeni rezervoari opremljeni solarnim farmama bili bi dovoljni za proizvodnju najmanje 400 gigavata električne energije, dovoljno za napajanje 44 milijarde LED žarulja više od godinu dana.
Slika 4a prikazuje povećanje snage koju osigurava plutajuća solarna ćelija u odnosu na sliku 4b. Iako je bilo malo plutajućih solarnih farmi u prošlom desetljeću, one još uvijek čine tako veliku razliku u proizvodnji energije. U budućnosti, kada će plutajuće solarne farme postane obilniji, kaže se da će se ukupna proizvedena energija utrostručiti s 0,5 TW u 2018. na 1,1 TW do kraja 2022. [12].
Ekološki govoreći, ove plutajuće solarne farme vrlo su korisne na mnogo načina. Osim što smanjuju ovisnost o fosilnim gorivima, solarne farme također smanjuju količinu zraka i sunčeve svjetlosti koja dopire do površine vode, što može pomoći u preokretu klimatskih promjena [9]. Plutajući farma koja smanjuje brzinu vjetra i izravnu sunčevu svjetlost koja pada na vodenu površinu za najmanje 10% mogla bi neutralizirati cijelo desetljeće globalnog zatopljenja [9]. U smislu bioraznolikosti i ekologije, čini se da nema velikih negativnih utjecaja. Paneli sprječavaju jak vjetar aktivnosti na površini vode, čime se smanjuje erozija na riječnoj obali, štiti i potiče vegetacija.[13]. Nema konačnih rezultata o tome utječe li morski život, ali mjere kao što je biokoliba puna školjki koju je izradio Ecocean potopljen ispod fotonaponskih panela kako bi se potencijalno podržao morski život.[13]. Jedna od glavnih briga istraživanja koja su u tijeku je potencijalni utjecaj na prehrambeni lanac zbog postavljanja infrastrukture kao što jefotonaponske ploče na otvorenim vodama, a ne umjetnim rezervoarima. Kako manje sunčeve svjetlosti ulazi u vode, to uzrokuje smanjenje stope fotosinteze, što rezultira golemim gubitkom fitoplanktona i makrofita. Uz smanjenje ovih biljaka, utjecaj na životinje niže u hranidbenom lancu, itd., dovodi do subvencija za vodene organizme [14]. Iako se to još nije dogodilo, ovo bi moglo spriječiti daljnju potencijalnu štetu ekosustavu, što je veliki nedostatak plutajućih solarnih farmi.
Budući da je sunce naš najveći izvor energije, može biti teško pronaći načine kako iskoristiti tu energiju i koristiti je u našim zajednicama. Nove tehnologije i inovacije dostupne svaki dan to čine mogućim. Iako nema mnogo nosivih odjevnih predmeta na solarnu energiju kupiti ili plutajuće solarne farme koje treba odmah posjetiti, to ne mijenja činjenicu da tehnologija nema veliki potencijal niti svijetlu budućnost. Plutajuće solarne ćelije moraju prijeći dug put u smislu divljih životinja da bi bile uobičajene kao solarne ploče na vrhu domova. Nosive solarne ćelije moraju prijeći dug put prije nego što postanu uobičajene poput odjeće koju nosimo svaki dan. U budućnosti se očekuje da će se solarne ćelije koristiti u svakodnevnom životu, a da ne moraju biti skrivene između naših odjeću. Kako tehnologija napreduje u nadolazećim desetljećima, potencijal solarne industrije je beskrajan.
O Raj Shahu Dr. Raj Shah je direktor Koehler Instrument Company u New Yorku, gdje je radio 27 godina. On je suradnik kojeg su izabrali njegovi kolege na IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institutu za Physics, Institute of Energy Research i Royal Society of Chemistry. Dobitnik nagrade ASTM Eagle dr. Shah nedavno je suuređivao bestseler “Fuels and Lubricants Handbook,” detalji su dostupni u ASTM-ovom Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook, 2. izdanje – 15. srpnja, 2020. – David Phillips – Članak s vijestima o industriji Petro – Petro Online (petro-online.com)
Dr. Shah ima doktorat iz kemijskog inženjerstva na Sveučilištu Penn State i član je Chartered School of Management u Londonu.Također je ovlašteni znanstvenik Znanstvenog vijeća, ovlašteni inženjer nafte Instituta za energetiku i Inženjerskog vijeća Ujedinjenog Kraljevstva. Dr.Tau beta Pi, najveće inženjersko društvo u Sjedinjenim Američkim Državama, nedavno je odao Shahu priznanje za istaknutog inženjera. On je u savjetodavnim odborima Sveučilišta Farmingdale (Mehanička tehnologija), Sveučilišta Auburn (Tribologija) i Sveučilišta Stony Brook (Kemijsko inženjerstvo/ Znanost o materijalima i inženjerstvo).
Raj je pomoćni profesor na Odsjeku za znanost o materijalima i kemijsko inženjerstvo na SUNY Stony Brook, objavio je više od 475 članaka i aktivan je u području energetike više od 3 godine. Više informacija o Raju možete pronaći kod direktora Koehler Instrument Company izabran za suradnika na Međunarodnom institutu za fiziku Petro Online (petro-online.com)
Gospođa Mariz Baslious i gospodin Blerim Gashi studenti su kemijskog inženjerstva na SUNY-u, a dr. Raj Shah predsjeda vanjskim savjetodavnim odborom sveučilišta. Mariz i Blerim dio su rastućeg programa stažiranja u Koehler Instrument, Inc. u Holtzvilleu, NY, koji potiče učenike da nauče više o svijetu alternativnih energetskih tehnologija.
Vrijeme objave: 12. veljače 2022
