Ko civilizacija raste, se energija, potrebna za podporo našemu načinu življenja, vsak dan veča, zato moramo najti nove in inovativne načine za izkoriščanje naših obnovljivih virov, kot je sončna svetloba, da ustvarimo več energije za našo družbo za nadaljnji napredek.
Sončna svetloba že stoletja zagotavlja in omogoča življenje na našem planetu. Neposredno ali posredno, sonce omogoča ustvarjanje skoraj vseh znanih virov energije, kot so fosilna goriva, hidroelektrarne, veter, biomasa itd. Z rastjo civilizacije se energija, potrebna za podporo Naš način življenja se iz dneva v dan izboljšuje, kar od nas zahteva, da najdemo nove in inovativne načine za izkoriščanje naših obnovljivih virov, kot je sončna svetloba, da ustvarimo več energije za našo družbo za nadaljnji napredek.
Že v starodavnem svetu smo lahko preživeli s sončno energijo, z uporabo sončne svetlobe kot vira energije, ki izvira iz stavb, zgrajenih pred več kot 6000 leti, tako da smo hišo usmerili tako, da sončna svetloba prehaja skozi odprtine, ki delujejo kot oblika ogrevanja .Tisoč let pozneje so Egipčani in Grki uporabili isto tehniko, da so svoje hiše poleti ohladile tako, da so jih zaščitili pred soncem [1]. Velika enoslojna okna se uporabljajo kot solarna toplotna okna, ki omogočajo vstop toploti sonca, vendar zadržujejo toplota v notranjosti. Sončna svetloba ni bila bistvenega pomena le za toploto, ki jo je proizvajala v starodavnem svetu, ampak so jo uporabljali tudi za konzerviranje in konzerviranje hrane s soljo. Pri zasoljevanju se sonce uporablja za izhlapevanje strupene morske vode in pridobivanje soli, ki se zbere v solarnih bazenih [1]. V pozni renesansi je Leonardo da Vinci predlagal prvo industrijsko uporabo sončnih koncentratorjev s konkavnim zrcalom kot grelnikov vode, kasneje pa je Leonardo predlagal tudi tehnologijo varjenja bakra.uporablja sončno sevanje in omogoča tehnične rešitve za poganjanje tekstilnih strojev [1]. Kmalu med industrijsko revolucijo je W. Adams ustvaril tako imenovano solarno pečico. Ta pečica ima osem simetričnih srebrnih steklenih ogledal, ki tvorijo osmerokotni reflektor. Sončna svetloba je koncentrirana z ogledali v s steklom pokrito leseno škatlo, kamor bodo postavili lonec in pustili, da zavre[1]. Hitro naprej nekaj sto let in solarni parni stroj je bil zgrajen okrog leta 1882 [1]. Abel Pifre je uporabil konkavno ogledalo 3,5 m premera in ga usmeril v cilindrični parni kotel, ki je proizvedel dovolj energije za pogon tiskarskega stroja.
Leta 2004 je bila v Sevilli v Španiji postavljena prva komercialna koncentrirana sončna elektrarna na svetu, imenovana Planta Solar 10. Sončna svetloba se odbija na približno 624 metrov visok stolp, kjer so nameščeni sončni sprejemniki s parnimi turbinami in generatorji. Ta lahko proizvaja energijo za napajanje več kot 5500 domov. Skoraj desetletje kasneje, leta 2014, so v Kaliforniji v ZDA odprli največjo sončno elektrarno na svetu. Tovarna je uporabljala več kot 300.000 nadzorovanih ogledal in je omogočila proizvodnjo 377 megavatov električne energije za napajanje približno 140.000 domov [ 1].
Ne le, da se gradijo in uporabljajo tovarne, ampak tudi potrošniki v maloprodajnih trgovinah ustvarjajo nove tehnologije. Sončni paneli so bili prvič predstavljeni in celo avtomobili na sončni pogon so prišli v poštev, vendar je eden od najnovejših dosežkov, ki še ni objavljen, nova solarna napajano nosljivo tehnologijo. Z integracijo povezave USB ali drugih naprav omogoča povezavo od oblačil do naprav, kot so viri, telefoni in ušesne slušalke, ki jih je mogoče polniti na poti. Samo nekaj let nazaj je skupina japonskih raziskovalcev na Riken Inštitut in Torah Industries sta opisala razvoj tanke organske sončne celice, ki bi toplotno tiskala oblačila na oblačila, kar bi celici omogočilo, da absorbira sončno energijo in jo uporablja kot vir energije [2] ]. Mikro sončne celice so organske fotonapetostne celice s toplotno stabilnost in fleksibilnost do 120 °C [2]. Člani raziskovalne skupine so organske fotonapetostne celice osnovali na materialu, imenovanem PNTz4T [3]. PNTz4T je polprevodniški polimer, ki ga je predhodno razvil Riken za odlično enokoljsko stabilnost in visoko učinkovitost pretvorbe moči, potem sta obe strani celice prekriti z elastomerom, materialom, podobnim gumi [3]. V procesu so uporabili dva predhodno raztegnjena akrilna elastomera debeline 500 mikronov, ki omogočata vstop svetlobe. celico, vendar preprečuje vstop vode in zraka v celico. Uporaba tega elastomera pomaga zmanjšati degradacijo same baterije in podaljša njeno življenjsko dobo [3].
Ena najbolj opaznih pomanjkljivosti industrije je voda. Degeneracijo teh celic lahko povzročijo različni dejavniki, največji pa je voda, skupni sovražnik vsake tehnologije. Vsaka odvečna vlaga in dolgotrajna izpostavljenost zraku lahko negativno vplivata na učinkovitost organskih fotonapetostnih celic [4]. Medtem ko se v večini primerov lahko izognete vodi na vašem računalniku ali telefonu, se ji ne morete izogniti z oblačili. Ne glede na to, ali gre za dež ali pralni stroj, je voda neizogibna. Po različnih testih na prostostoječa organska fotovoltaična celica in dvostransko prevlečena organska fotovoltaična celica, obe organski fotovoltaični celici sta bili potopljeni v vodo za 120 minut, je bilo ugotovljeno, da je bila moč prostostoječe organske fotovoltaične celice Učinkovitost pretvorbe se zmanjša samo za 5,4 %. Število celic se je zmanjšalo za 20,8 % [5].
Slika 1. Normalizirana učinkovitost pretvorbe moči kot funkcija časa potopitve. Vrstice napak na grafu predstavljajo standardno deviacijo, normalizirano s povprečjem začetnih učinkovitosti pretvorbe moči v vsaki strukturi [5].
Slika 2 prikazuje še en razvoj na Univerzi Nottingham Trent, miniaturno sončno celico, ki jo je mogoče vdelati v prejo, ki je nato vtkana v tekstil [2]. Vsaka baterija, vključena v izdelek, izpolnjuje določena merila za uporabo, kot so zahteve 3 mm dolg in 1,5 mm širok [2]. Vsaka enota je laminirana z vodotesno smolo, ki omogoča pranje perila v pralnici ali zaradi vremenskih razmer [2]. Baterije so prav tako prilagojene udobju in vsaka je nameščena v način, ki ne štrli ali draži kože uporabnika. V nadaljnjih raziskavah je bilo ugotovljeno, da lahko majhen kos oblačila, podoben 5 cm^2 kosu blaga, vsebuje nekaj več kot 200 celic, ki idealno proizvajajo 2,5 – 10 voltov energije in ugotovili, da je le 2000 celic, ki jih celice potrebujejo za polnjenje pametnih telefonov [2].
Slika 2. Mikrosončne celice dolžine 3 mm in širine 1,5 mm (fotografija z dovoljenjem Univerze Nottingham Trent) [2].
Fotonapetostne tkanine spajajo dva lahka in poceni polimera, da ustvarijo tekstil, ki proizvaja energijo. Prva od obeh komponent je mikro sončna celica, ki pridobiva energijo iz sončne svetlobe, druga pa je sestavljena iz nanogeneratorja, ki pretvarja mehansko energijo v električno [ 6]. Fotovoltaični del tkanine je sestavljen iz polimernih vlaken, ki so nato prevlečena s plastmi mangana, cinkovega oksida (fotovoltaični material) in bakrovega jodida (za zbiranje naboja) [6]. Celice so nato stkane skupaj z drobno bakreno žico in integrirano v oblačilo.
Skrivnost za temi inovacijami je v prozornih elektrodah fleksibilnih fotovoltaičnih naprav. Transparentne prevodne elektrode so ena od komponent fotovoltaičnih celic, ki omogočajo vstop svetlobe v celico, kar poveča stopnjo zbiranja svetlobe. Uporablja se z indijem dopiran kositrov oksid (ITO). za izdelavo teh prozornih elektrod, ki se uporablja zaradi idealne prosojnosti (>80 %) in dobre odpornosti na pločevino ter odlične okoljske stabilnosti [7]. ITO je ključnega pomena, ker so vse njegove komponente v skoraj popolnih razmerjih. debelina v kombinaciji s prosojnostjo in uporom maksimira rezultate elektrod [7]. Kakršna koli nihanja v razmerju bodo negativno vplivala na elektrode in s tem na delovanje. Na primer, povečanje debeline elektrode zmanjša prosojnost in upor, kar vodi do poslabšanja delovanja. Vendar pa je ITO omejen vir, ki se hitro porabi. Raziskave potekajo, da bi našli alternativo, ki ne le dosežeITO, vendar naj bi presegla zmogljivost ITO [7].
Materiali, kot so polimerni substrati, ki so bili modificirani s prozornimi prevodnimi oksidi, so do zdaj postali vse bolj priljubljeni. Na žalost se je pokazalo, da so ti substrati krhki, togi in težki, kar močno zmanjša prožnost in zmogljivost [7]. Raziskovalci ponujajo rešitev za z uporabo fleksibilnih vlaken podobnih sončnih celic kot nadomestkov za elektrode. Vlaknasta baterija je sestavljena iz elektrode in dveh različnih kovinskih žic, ki sta zviti in združeni z aktivnim materialom, da nadomestita elektrodo [7]. Sončne celice so obetavne zaradi svoje majhne teže , vendar je težava pomanjkanje kontaktne površine med kovinskimi žicami, kar zmanjša kontaktno površino in tako povzroči poslabšano fotovoltaično delovanje [7].
Okoljski dejavniki so tudi velik motivator za nadaljnje raziskave. Trenutno je svet močno odvisen od neobnovljivih virov energije, kot so fosilna goriva, premog in nafta. Premik fokusa z neobnovljivih virov energije na obnovljive vire energije, vključno s sončno energijo, je nujna naložba za prihodnost. Vsak dan na milijone ljudi polni svoje telefone, računalnike, prenosnike, pametne ure in vse elektronske naprave, uporaba naših tkanin za polnjenje teh naprav s hojo pa lahko zmanjša našo porabo fosilnih goriv. Čeprav se to morda zdi nepomembno v majhnem obsegu 1 ali celo 500 ljudi, če bi ga povečali na desetine milijonov, bi lahko znatno zmanjšalo našo porabo fosilnih goriv.
Znano je, da sončni kolektorji v sončnih elektrarnah, vključno s tistimi, ki so nameščeni na vrhu hiš, pomagajo pri uporabi obnovljive energije in zmanjšujejo uporabo fosilnih goriv, ki se še vedno močno uporabljajo. Amerika. Eden večjih problemov industrije je pridobivanje zemljišč za graditi te farme. Povprečno gospodinjstvo lahko podpira le določeno število sončnih kolektorjev, število sončnih elektrarn pa je omejeno. Na območjih z dovolj prostora večina ljudi vedno okleva pri gradnji nove sončne elektrarne, ker to trajno zapre možnost in potencial drugih priložnosti na kopnem, kot so nova podjetja. V zadnjem času obstaja veliko število instalacij plavajočih fotovoltaičnih panelov, ki lahko proizvedejo velike količine električne energije, glavna prednost plavajočih sončnih elektrarn pa je zmanjšanje stroškov [8]. se zemljišče ne uporablja, ni treba skrbeti za stroške namestitve na vrhu hiš in zgradb. Vse trenutno znane plavajoče sončne elektrarne se nahajajo na umetnih vodnih telesih in v prihodnostiTe kmetije je mogoče postaviti na naravna vodna telesa.Umetni rezervoarji imajo veliko prednosti, ki niso pogoste v oceanu [9]. Umetni rezervoarji so enostavni za upravljanje, s prejšnjo infrastrukturo in cestami pa je mogoče farme preprosto namestiti. Izkazalo se je tudi, da so plavajoče sončne elektrarne bolj produktivne kot kopenske sončne elektrarne zaradi temperaturnih nihanj med vodo in kopnim [9]. Zaradi visoke specifične toplote vode je površinska temperatura kopnega na splošno višja od temperature vodnih teles in dokazano je, da visoke temperature negativno vplivajo na učinkovitost stopenj pretvorbe sončnih celic. Čeprav temperatura ne nadzoruje, koliko sončne svetlobe prejme plošča, vpliva na to, koliko energije prejmete od sončne svetlobe. Pri nizkih energijah (tj. nižjih temperaturah) bodo elektroni v sončni plošči stanju mirovanja, nato pa, ko jih zadene sončna svetloba, dosežejo vzbujeno stanje [10]. Razlika med stanjem mirovanja in vzbujenim stanjem je v tem, koliko energije se ustvari v napetosti. Ne samo, da lahko sončna svetlobaht vzbudi te elektrone, lahko pa tudi segreje. Če toplota okoli sončne plošče napaja elektrone in jih postavi v nizko vzbujeno stanje, napetost ne bo tako velika, ko sončna svetloba zadene ploščo [10]. Ker zemlja absorbira in oddaja segrevajo lažje kot voda, so elektroni v sončnem kolektorju na kopnem verjetno v višjem vzbujenem stanju, nato pa se sončni kolektor nahaja na vodnem telesu, ki je hladnejše, ali blizu njega. Nadaljnje raziskave so pokazale, da je hladilni učinek voda okoli lebdečih plošč pomaga ustvariti 12,5 % več energije kot na kopnem [9].
Doslej sončni kolektorji pokrivajo le 1 % ameriških potreb po energiji, a če bi te sončne elektrarne postavili na do četrtino umetnih vodnih rezervoarjev, bi sončni kolektorji zadostili skoraj 10 % ameriških potreb po energiji. V Koloradu, kjer plavajoče plošče uvedli čim prej, sta dva velika vodna zbiralnika v Koloradu zaradi izhlapevanja izgubila veliko vode, a z namestitvijo teh plavajočih plošč smo preprečili izsušitev rezervoarjev in proizvedli elektriko [11]. Celo en odstotek človeka -izdelani rezervoarji, opremljeni s sončnimi elektrarnami, bi zadostovali za proizvodnjo najmanj 400 gigavatov električne energije, kar bi zadostovalo za napajanje 44 milijard LED žarnic več kot eno leto.
Slika 4a prikazuje povečanje moči, ki jo zagotavlja lebdeča sončna celica v primerjavi s sliko 4b. Čeprav je bilo v zadnjem desetletju le malo plavajočih sončnih elektrarn, še vedno pomenijo tako veliko razliko v proizvodnji električne energije. V prihodnosti, ko bodo plavajoče sončne elektrarne Če postane več, naj bi se skupna proizvedena energija potrojila z 0,5 TW leta 2018 na 1,1 TW do konca leta 2022.[12]
Z okoljskega vidika so te plavajoče sončne elektrarne zelo koristne na več načinov. Poleg zmanjšanja odvisnosti od fosilnih goriv sončne elektrarne zmanjšajo tudi količino zraka in sončne svetlobe, ki dosežeta vodno površino, kar lahko pomaga obrniti podnebne spremembe [9]. kmetija, ki zmanjša hitrost vetra in neposredno sončno svetlobo, ki pada na vodno površino za vsaj 10 %, bi lahko izravnala celotno desetletje globalnega segrevanja [9]. Kar zadeva biotsko raznovrstnost in ekologijo, ni videti večjih negativnih vplivov. Plošče preprečujejo močan veter aktivnost na vodni površini, s čimer se zmanjša erozija na rečnem bregu, zaščiti in spodbudi vegetacija.[13]. Ni dokončnih rezultatov o tem, ali je morsko življenje prizadeto, vendar so ukrepi, kot je bio-koča s školjkami, ki jo je ustvaril Ecocean, potopljena pod fotonapetostne plošče, da bi potencialno podpirala morsko življenje.[13]. Eden od glavnih pomislekov tekočih raziskav je možen vpliv na prehranjevalno verigo zaradi namestitve infrastrukture, kot je npr.fotonapetostnih panelov na odprti vodi namesto umetnih zbiralnikov. Ker manj sončne svetlobe vstopi v vode, povzroči zmanjšanje stopnje fotosinteze, kar ima za posledico veliko izgubo fitoplanktona in makrofitov. Z zmanjšanjem teh rastlin se vpliv na živali nižje v prehranjevalni verigi itd., vodi do subvencij za vodne organizme [14]. Čeprav se to še ni zgodilo, bi to lahko preprečilo nadaljnjo morebitno škodo za ekosistem, kar je velika pomanjkljivost plavajočih solarnih farm.
Ker je sonce naš največji vir energije, je težko najti načine, kako izkoristiti to energijo in jo uporabiti v naših skupnostih. Nove tehnologije in inovacije, ki so na voljo vsak dan, to omogočajo. Čeprav ni veliko nosljivih oblačil na sončno energijo kupiti ali obiskati plavajoče sončne farme prav zdaj, to ne spremeni dejstva, da tehnologija nima velikega potenciala ali svetle prihodnosti. Lebdeče sončne celice morajo opraviti še dolgo pot v smislu divjih živali, da bodo tako pogoste kot sončne celice na vrhu domov. Pred nosljivimi sončnimi celicami je še dolga pot, preden postanejo tako običajne kot oblačila, ki jih nosimo vsak dan. V prihodnosti naj bi sončne celice uporabljali v vsakdanjem življenju, ne da bi jih bilo treba skrivati med oblačila. Ko tehnologija v prihodnjih desetletjih napreduje, je potencial sončne industrije neskončen.
O Raj Shahu Dr. Raj Shah je direktor podjetja Koehler Instrument Company v New Yorku, kjer je delal 27 let. Je sodelavec, ki so ga izvolili njegovi kolegi na IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Inštitutu za Physics, Institute of Energy Research in Royal Society of Chemistry. Prejemnik nagrade ASTM Eagle dr. Shah je pred kratkim souredil uspešnico »Fuels and Lubricants Handbook«, podrobnosti so na voljo v ASTM's Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook, 2nd Edition – 15. julij, 2020 – David Phillips – članek o Petro Industry News – Petro Online (petro-online.com)
Dr. Shah je doktoriral iz kemijskega inženirstva na Univerzi Penn State in je član Chartered School of Management v Londonu.Je tudi pooblaščeni znanstvenik znanstvenega sveta, pooblaščeni naftni inženir Inštituta za energijo in inženirskega sveta Združenega kraljestva. Dr.Tau beta Pi, največja inženirska družba v Združenih državah Amerike, je Shaha nedavno odlikovala z nazivom zaslužnega inženirja. Je v svetovalnih odborih univerze Farmingdale (mehanska tehnologija), univerze Auburn (tribologija) in univerze Stony Brook (kemijsko inženirstvo/ znanost in inženirstvo materialov).
Raj je izredni profesor na Oddelku za znanost o materialih in kemijsko inženirstvo pri SUNY Stony Brook, objavil je več kot 475 člankov in je aktiven na področju energetike že več kot 3 leta. Več informacij o Raju lahko najdete pri direktorju Koehler Instrument Company izvoljen za sodelavca na Mednarodnem inštitutu za fiziko Petro Online (petro-online.com)
Gospa Mariz Baslious in g. Blerim Gashi sta študenta kemijskega inženirstva na univerzi SUNY, dr. Raj Shah pa predseduje zunanjemu svetovalnemu odboru univerze. Mariz in Blerim sta del rastočega programa pripravništva pri Koehler Instrument, Inc. v Holtzvillu, NY, ki spodbuja študente, da izvedo več o svetu alternativnih energetskih tehnologij.
Čas objave: 12. februarja 2022
