С нарастването на цивилизацията енергията, необходима за поддържане на начина ни на живот, се увеличава всеки ден, което изисква от нас да намерим нови и иновативни начини да овладеем нашите възобновяеми ресурси, като слънчева светлина, за да създадем повече енергия за нашето общество, за да продължи напредъка.
Слънчевата светлина е осигурявала и позволявала живот на нашата планета от векове. Независимо дали пряко или непряко, слънцето позволява генерирането на почти всички известни източници на енергия като изкопаеми горива, водна енергия, вятър, биомаса и т.н. С нарастването на цивилизацията енергията, необходима за поддържане начинът ни на живот се увеличава всеки ден, което изисква от нас да намерим нови и иновативни начини да овладеем нашите възобновяеми ресурси, като слънчева светлина, за да създадем повече енергия за нашето общество, за да продължи напредъка.
Още в древния свят сме били в състояние да оцеляваме със слънчева енергия, използвайки слънчевата светлина като източник на енергия, произхождаща от сгради, построени преди повече от 6000 години, чрез ориентиране на къщата така, че слънчевата светлина да преминава през отвори, които действат като форма на отопление .Хиляди години по-късно египтяни и гърци са използвали същата техника, за да поддържат къщите си хладни през лятото, като ги предпазват от слънцето [1]. Големите прозорци с едно стъкло се използват като слънчеви топлинни прозорци, позволяващи навлизането на топлина от слънцето, но задържащи топлината вътре. Слънчевата светлина не само е била от съществено значение за топлината, която е произвеждала в древния свят, но е била използвана и за запазване и консервиране на храна чрез сол. При осоляването слънцето се използва за изпаряване на токсична морска вода и получаване на сол, която се събира в слънчеви басейни [1]. В късния Ренесанс Леонардо да Винчи предлага първото промишлено приложение на слънчеви концентратори с вдлъбнато огледало като бойлери, а по-късно Леонардо също предлага технологията за заваряване на медизползва слънчева радиация и позволява технически решения за работа на текстилни машини [1]. Скоро по време на индустриалната революция У. Адамс създава това, което сега се нарича слънчева фурна. Тази фурна има осем симетрични сребърни стъклени огледала, които образуват осмоъгълен рефлектор. Слънчевата светлина е концентриран от огледала в покрита със стъкло дървена кутия, където ще бъде поставен съдът и ще се остави да заври [1]. Бързо напред няколко стотин години и слънчевата парна машина е построена около 1882 г. [1]. Абел Пифре използва вдлъбнато огледало 3.5 m в диаметър и го фокусира върху цилиндричен парен котел, който произвежда достатъчно енергия, за да задвижи печатарската преса.
През 2004 г. първата в света комерсиална концентрирана слънчева електроцентрала, наречена Planta Solar 10, беше създадена в Севиля, Испания. Слънчевата светлина се отразява върху кула от приблизително 624 метра, където са инсталирани слънчеви приемници с парни турбини и генератори. Това е в състояние да генерира енергия за захранване на повече от 5500 домове. Почти десетилетие по-късно, през 2014 г., най-голямата слънчева електроцентрала в света беше открита в Калифорния, САЩ. Инсталацията използва повече от 300 000 контролирани огледала и позволи производството на 377 мегавата електроенергия за захранване на приблизително 140 000 домове [ 1].
Не само се изграждат и използват фабрики, но и потребителите в магазините за търговия на дребно също създават нови технологии. Слънчевите панели направиха своя дебют и дори колите, захранвани със слънчева енергия, се появиха, но едно от най-новите разработки, които предстои да бъдат обявени, е новата слънчева захранвана технология за носене. Чрез интегриране на USB връзка или други устройства, тя позволява връзка от дрехи към устройства като източници, телефони и слушалки, които могат да се зареждат в движение. Само преди няколко години екип от японски изследователи от Riken Institute и Torah Industries описаха разработването на тънка органична слънчева клетка, която ще отпечатва топлинно дрехи върху дрехи, позволявайки на клетката да абсорбира слънчевата енергия и да я използва като източник на енергия [2] ]. Микро соларните клетки са органични фотоволтаични клетки с топлинна стабилност и гъвкавост до 120 °C [2]. Членовете на изследователската група базират органични фотоволтаични клетки върху материал, наречен PNTz4T [3]. PNTz4T е полупроводников полимер, разработен преди това от Riken за отлични enекологична стабилност и висока ефективност на преобразуване на мощността, тогава двете страни на клетката са покрити с еластомер, подобен на гума материал [3]. В процеса те са използвали два предварително разтегнати акрилни еластомери с дебелина 500 микрона, които позволяват навлизането на светлина клетката, но предотвратява навлизането на вода и въздух в клетката. Използването на този еластомер помага за намаляване на разграждането на самата батерия и удължава нейния живот [3].
Един от най-забележителните недостатъци на индустрията е водата. Дегенерацията на тези клетки може да бъде причинена от различни фактори, но най-големият е водата, общият враг на всяка технология. Всяка излишна влага и продължителното излагане на въздух може да повлияе отрицателно на ефективността на органични фотоволтаични клетки [4]. Въпреки че в повечето случаи можете да избегнете попадането на вода на вашия компютър или телефон, не можете да я избегнете с дрехите си. Независимо дали вали или е пералня, водата е неизбежна. След различни тестове на свободно стоящата органична фотоволтаична клетка и органичната фотоволтаична клетка с двустранно покритие, и двете органични фотоволтаични клетки бяха потопени във вода за 120 минути, беше направено заключението, че мощността на свободно стоящата органична фотоволтаична клетка е Ефективността на преобразуване се намалява само с 5,4%. Клетките намаляват с 20,8% [5].
Фигура 1. Нормализирана ефективност на преобразуване на мощността като функция от времето на потапяне. Лентите за грешки на графиката представляват стандартното отклонение, нормализирано от средната стойност на първоначалната ефективност на преобразуване на мощността във всяка структура [5].
Фигура 2 изобразява друга разработка в университета Нотингам Трент, миниатюрна слънчева клетка, която може да бъде вградена в прежда, която след това е изтъкана в текстил [2]. Всяка батерия, включена в продукта, отговаря на определени критерии за употреба, като например изискванията на 3 мм дължина и 1,5 мм ширина [2]. Всеки модул е ламиниран с водоустойчива смола, за да може прането да се пере в пералното помещение или поради времето [2]. Батериите също са пригодени за комфорт и всяка е монтирана в начин, който не изпъква или дразни кожата на потребителя. При по-нататъшни изследвания беше установено, че в малко парче облекло, подобно на 5 cm^2 част от плат, може да съдържа малко над 200 клетки, в идеалния случай произвеждащи 2,5 – 10 волта енергия и заключи, че има само 2000 клетки, необходими на клетките, за да могат да зареждат смартфони [2].
Фигура 2. Микросоларни клетки с дължина 3 mm и ширина 1,5 mm (снимката е предоставена с любезното съдействие на Nottingham Trent University) [2].
Фотоволтаичните тъкани сливат два леки и евтини полимера, за да създадат генериращ енергия текстил. Първият от двата компонента е микро соларна клетка, която събира енергия от слънчева светлина, а вторият се състои от наногенератор, който преобразува механичната енергия в електричество [ 6]. Фотоволтаичната част на тъканта се състои от полимерни влакна, които след това са покрити със слоеве от манган, цинков оксид (фотоволтаичен материал) и меден йодид (за събиране на заряд) [6]. След това клетките се вплитат заедно с малка медна жица и интегрирана в дрехата.
Тайната зад тези иновации се крие в прозрачните електроди на гъвкавите фотоволтаични устройства. Прозрачните проводими електроди са един от компонентите на фотоволтаичните клетки, които позволяват на светлината да навлезе в клетката, увеличавайки скоростта на събиране на светлина. Използва се калаен оксид, легиран с индий (ITO). за производството на тези прозрачни електроди, които се използват заради идеалната си прозрачност (>80%) и добра листова устойчивост, както и отлична устойчивост на околната среда [7]. ITO е от решаващо значение, тъй като всички негови компоненти са в почти перфектни пропорции. Съотношението на дебелината, съчетана с прозрачност и съпротивление, максимизира резултатите на електродите [7]. Всякакви колебания в съотношението ще повлияят отрицателно на електродите и по този начин на производителността. Например увеличаването на дебелината на електрода намалява прозрачността и съпротивлението, което води до влошаване на производителността. ITO обаче е ограничен ресурс, който бързо се изразходва. Продължават изследванията за намиране на алтернатива, която не само постигаITO, но се очаква да надмине производителността на ITO [7].
Материали като полимерни субстрати, които са били модифицирани с прозрачни проводими оксиди, са нараснали в популярност досега. За съжаление е доказано, че тези субстрати са крехки, твърди и тежки, което значително намалява гъвкавостта и производителността [7]. Изследователите предлагат решение за използване на гъвкави влакнести слънчеви клетки като заместители на електроди. Влакнестите батерии се състоят от електрод и две отделни метални жици, които са усукани и комбинирани с активен материал, за да заменят електрода [7]. Слънчевите клетки са показали обещание поради лекото си тегло , но проблемът е липсата на контактна площ между металните проводници, което намалява контактната площ и по този начин води до влошена фотоволтаична производителност [7].
Факторите на околната среда също са голям мотиватор за продължаване на изследванията. Понастоящем светът разчита в голяма степен на невъзобновяеми енергийни източници като изкопаеми горива, въглища и нефт. Преместването на фокуса от невъзобновяеми енергийни източници към възобновяеми енергийни източници, включително слънчева енергия, е необходима инвестиция за бъдещето. Всеки ден милиони хора зареждат своите телефони, компютри, лаптопи, смарт часовници и всички електронни устройства, а използването на нашите тъкани за зареждане на тези устройства само чрез ходене може да намали използването на изкопаеми горива. Въпреки че това може да изглежда тривиално в малък мащаб от 1 или дори 500 души, когато се мащабира до десетки милиони, може значително да намали използването на изкопаеми горива.
Известно е, че слънчевите панели в слънчевите електроцентрали, включително тези, монтирани върху къщи, спомагат за използването на възобновяема енергия и намаляват употребата на изкопаеми горива, които все още се използват силно. Америка. Един от основните проблеми за индустрията е получаването на земя за изгради тези ферми. Едно средностатистическо домакинство може да поддържа само определен брой слънчеви панели, а броят на слънчевите ферми е ограничен. В райони с достатъчно пространство повечето хора винаги се колебаят дали да построят нова слънчева електроцентрала, защото това окончателно затваря възможността и потенциал за други възможности на земята, като например нов бизнес. Напоследък има голям брой инсталации с плаващи фотоволтаични панели, които могат да генерират големи количества електроенергия, а основната полза от плаващите слънчеви ферми е намаляването на разходите [8]. земята не се използва, няма нужда да се притеснявате за разходите за инсталиране върху къщи и сгради. Всички известни в момента плаващи слънчеви ферми са разположени върху изкуствени водни обекти и в бъдеще товаВъзможно е тези ферми да се поставят върху естествени водни тела.Изкуствените резервоари имат много предимства, които не са често срещани в океана [9]. Създадените от човека резервоари са лесни за управление и с предишна инфраструктура и пътища фермите могат просто да бъдат инсталирани. Плаващите слънчеви ферми също са показали, че са по-продуктивни от наземни слънчеви ферми поради температурни вариации между водата и сушата [9]. Поради високата специфична топлина на водата повърхностната температура на сушата обикновено е по-висока от тази на водните тела и е доказано, че високите температури влияят отрицателно на производителност на скоростите на преобразуване на слънчевия панел. Въпреки че температурата не контролира колко слънчева светлина получава един панел, тя влияе на това колко енергия получавате от слънчевата светлина. При ниски енергии (т.е. по-ниски температури) електроните вътре в слънчевия панел ще бъдат в състояние на покой, а след това, когато слънчевата светлина удари, те ще достигнат възбудено състояние [10]. Разликата между състоянието на покой и възбуденото състояние е колко енергия се генерира в напрежението. Не само слънчевата светлина можеht възбужда тези електрони, но може и топлина. Ако топлината около слънчевия панел зарежда електроните и ги поставя в ниско възбудено състояние, напрежението няма да бъде толкова голямо, когато слънчевата светлина удари панела [10]. Тъй като земята абсорбира и излъчва топлина по-лесно от водата, електроните в слънчевия панел на сушата вероятно ще бъдат в по-високо възбудено състояние и тогава слънчевият панел е разположен върху или близо до водно тяло, което е по-хладно. По-нататъшни изследвания доказват, че охлаждащият ефект на водата около плаващите панели помага да се генерира 12,5% повече енергия, отколкото на сушата [9].
Досега слънчевите панели задоволяват само 1% от енергийните нужди на Америка, но ако тези слънчеви ферми бяха засадени върху до една четвърт от създадените от човека водни резервоари, слънчевите панели биха задоволили близо 10% от енергийните нужди на Америка. В Колорадо, където плаващи панелите бяха въведени възможно най-скоро, два големи водни резервоара в Колорадо загубиха много вода поради изпаряване, но чрез инсталирането на тези плаващи панели резервоарите бяха предотвратени от изсъхване и се генерира електричество [11]. Дори един процент от хората Направените резервоари, оборудвани със слънчеви ферми, биха били достатъчни за генериране на поне 400 гигавата електричество, достатъчно за захранване на 44 милиарда LED крушки за повече от една година.
Фигура 4a показва увеличението на мощността, осигурено от плаващата слънчева клетка във връзка с фигура 4b. Въпреки че през последното десетилетие имаше малко плаващи слънчеви ферми, те все още правят толкова голяма разлика в производството на електроенергия. В бъдеще, когато плаващите слънчеви ферми стане по-изобилна, се казва, че общата произведена енергия ще се утрои от 0,5 TW през 2018 г. до 1,1 TW до края на 2022 г.[12].
От гледна точка на околната среда, тези плаващи слънчеви ферми са много полезни по много начини. В допълнение към намаляването на зависимостта от изкопаеми горива, слънчевите ферми също така намаляват количеството въздух и слънчева светлина, достигащи водната повърхност, което може да помогне за обръщане на изменението на климата [9]. ферма, която намалява скоростта на вятъра и пряката слънчева светлина, удряща водната повърхност с най-малко 10%, може да компенсира цяло десетилетие на глобалното затопляне [9]. По отношение на биоразнообразието и екологията, изглежда не са открити големи отрицателни въздействия. Панелите предотвратяват силния вятър дейност върху водната повърхност, като по този начин намалява ерозията на речния бряг, защитава и стимулира растителността.[13]. Няма окончателни резултати дали морският живот е засегнат, но мерки като пълната с миди био-хижа, създадена от Ecocean, са са били потопени под фотоволтаични панели, за да поддържат потенциално морския живот.[13]. Едно от основните опасения на текущите изследвания е потенциалното въздействие върху хранителната верига поради инсталирането на инфраструктура като напр.фотоволтаични панели върху открити води, а не създадени от човека резервоари. Тъй като по-малко слънчева светлина навлиза във водите, това води до намаляване на скоростта на фотосинтезата, което води до масивна загуба на фитопланктон и макрофити. С намаляването на тези растения, въздействието върху животните по-ниско в хранителната верига и т.н., води до субсидии за водни организми [14]. Въпреки че все още не се е случило, това може да предотврати по-нататъшно потенциално увреждане на екосистемата, основен недостатък на плаващите слънчеви ферми.
Тъй като слънцето е нашият най-голям източник на енергия, може да е трудно да намерим начини да овладеем тази енергия и да я използваме в нашите общности. Новите технологии и иновациите, достъпни всеки ден, правят това възможно. Въпреки че няма много облекла, които могат да се носят, захранвани от слънчева енергия да закупите или плаващи слънчеви ферми, които да посетите точно сега, това не променя факта, че технологията няма огромен потенциал или светло бъдеще. Плаващите слънчеви клетки трябва да извървят дълъг път в смисъл на дивата природа, за да бъдат толкова често срещани, колкото слънчеви панели върху домовете. Носимите слънчеви клетки трябва да изминат дълъг път, преди да станат толкова обичайни, колкото дрехите, които носим всеки ден. В бъдеще се очаква слънчевите клетки да се използват в ежедневието, без да се налага да бъдат скрити между нашите дрехи. С напредването на технологиите през следващите десетилетия потенциалът на слънчевата индустрия е безкраен.
За Радж Шах Д-р Радж Шах е директор на Koehler Instrument Company в Ню Йорк, където е работил 27 години. Той е сътрудник, избран от колегите си в IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Институт по Physics, Institute of Energy Research и Royal Society of Chemistry. Получателят на наградата Eagle на ASTM д-р Шах наскоро съредактира бестселъра „Наръчник за горива и смазочни материали“, подробности са налични в Дългоочаквания наръчник за горива и смазочни материали на ASTM, 2-ро издание – 15 юли, 2020 г. – Дейвид Филипс – Статия за новини за индустрията на Petro – Petro Online (petro-online.com)
Д-р Шах има докторска степен по химическо инженерство от Penn State University и сътрудник на Chartered School of Management, Лондон.Той също така е дипломиран учен на Научния съвет, дипломиран петролен инженер на Енергийния институт и Съвета по инженерство на Обединеното кралство.Шах наскоро беше удостоен с наградата Изтъкнат инженер от Tau beta Pi, най-голямото инженерно общество в Съединените щати. Той е в консултативните съвети на университета Фармингдейл (механични технологии), университета Обърн (трибология) и университета Стоуни Брук (химическо инженерство/ Материалознание и инженерство).
Радж е помощник-професор в катедрата по материалознание и химическо инженерство в SUNY Stony Brook, публикувал е над 475 статии и е активен в областта на енергетиката повече от 3 години. Повече информация за Радж можете да намерите при директора на Koehler Instrument Company избран за сътрудник в Международния институт по физика Petro Online (petro-online.com)
Г-жа Мариз Баслиус и г-н Блерим Гаши са студенти по химическо инженерство в SUNY, а д-р Радж Шах председателства външния консултативен съвет на университета. Мариз и Блерим са част от нарастваща стажантска програма в Koehler Instrument, Inc. в Холцвил, Ню Йорк, която насърчава учениците да научат повече за света на алтернативните енергийни технологии.
Време на публикуване: 12 февруари 2022 г
