Efterhånden som civilisationen vokser, øges den energi, der er nødvendig for at understøtte vores livsstil, hver dag, hvilket kræver, at vi finder nye og innovative måder at udnytte vores vedvarende ressourcer, såsom sollys, for at skabe mere energi til vores samfund for at fortsætte fremskridtet.
Sollys har givet og muliggjort liv på vores planet i århundreder. Uanset om det er direkte eller indirekte, tillader solen generering af næsten alle kendte energikilder såsom fossile brændstoffer, vandkraft, vind, biomasse osv. Efterhånden som civilisationen vokser, er den energi, der er nødvendig for at understøtte vores livsstil øges hver dag, hvilket kræver, at vi finder nye og innovative måder at udnytte vores vedvarende ressourcer, såsom sollys, for at skabe mere energi, så vores samfund kan fortsætte fremskridtet.
Så langt tilbage som i den antikke verden har vi kunnet overleve på solenergi, ved at bruge sollys som energikilde opstået i bygninger bygget for mere end 6.000 år siden, ved at orientere huset, så sollys passerer gennem åbninger, der fungerer som en form for opvarmning .Tusinder af år senere brugte egyptere og grækere den samme teknik til at holde deres huse kølige om sommeren ved at skærme dem mod solen [1]. Store enkeltrude vinduer bruges som solvarmevinduer, der lader varme fra solen komme ind, men fanger dem. varmen indeni. Sollyset var ikke kun essentielt for den varme, det producerede i den antikke verden, men det blev også brugt til at konservere og konservere mad gennem salt. Ved tilsaltning bruges solen til at fordampe giftigt havvand og opnå salt, som opsamles i solbassiner [1]. I slutningen af renæssancen foreslog Leonardo da Vinci den første industrielle anvendelse af konkave spejlsolar-koncentratorer som vandvarmere, og senere foreslog Leonardo også teknologien til svejsning af copper ved at bruge solstråling og tillade tekniske løsninger til at drive tekstilmaskiner [1]. Snart under den industrielle revolution skabte W. Adams det, der nu kaldes en solovn. Denne ovn har otte symmetriske sølvglasspejle, der danner en ottekantet reflektor. Sollys er koncentreret af spejle til en glasdækket trækasse, hvor gryden skal stilles og lade den koge[1]. Spol frem et par hundrede år og soldampmaskinen blev bygget omkring 1882 [1]. Abel Pifre brugte et konkavt spejl 3.5 m i diameter og fokuserede den på en cylindrisk dampkedel, der producerede nok strøm til at drive trykpressen.
I 2004 blev verdens første kommercielle koncentrerede solenergianlæg kaldet Planta Solar 10 etableret i Sevilla, Spanien. Sollyset reflekteres på et tårn på cirka 624 meter, hvor solcellemodtagere er installeret med dampturbiner og generatorer. Dette er i stand til at generere energi til at drive mere end 5.500 hjem. Næsten et årti senere, i 2014, åbnede verdens største solenergianlæg i Californien, USA. Anlægget brugte mere end 300.000 kontrollerede spejle og tillod produktionen af 377 megawatt elektricitet til at drive cirka 140.000 hjem [ 1].
Ikke alene bygges og bruges fabrikker, men forbrugere i detailbutikker skaber også nye teknologier. Solpaneler fik deres debut, og selv solcelledrevne biler kom i spil, men en af de seneste udviklinger, der endnu ikke er blevet annonceret, er ny solcelle- drevet bærbar teknologi.Ved at integrere en USB-forbindelse eller andre enheder tillader den forbindelse fra tøj til enheder som f.eks. kilder, telefoner og øretelefoner, som kan oplades på farten.For blot et par år siden var et team af japanske forskere ved Riken Institute og Torah Industries beskrev udviklingen af en tynd organisk solcelle, der ville varmeprinte tøj på tøj, så cellen kan absorbere solenergi og bruge den som strømkilde [2] ]. Mikrosolceller er organiske solceller med termisk stabilitet og fleksibilitet op til 120 °C [2]. Medlemmer af forskergruppen baserede organiske fotovoltaiske celler på et materiale kaldet PNTz4T [3]. PNTz4T er en halvledende polymer tidligere udviklet af Riken for fremragende environmental stabilitet og høj effektkonverteringseffektivitet, så er begge sider af cellen dækket med elastomer, et gummilignende materiale [3]. I processen brugte de to forstrakte 500 mikron tykke akrylelastomerer, der tillader lys at trænge ind cellen, men forhindrer vand og luft i at trænge ind i cellen. Brugen af denne elastomer hjælper med at reducere nedbrydningen af selve batteriet og forlænge dets levetid [3].
En af industriens mest bemærkelsesværdige ulemper er vand. Degenerationen af disse celler kan være forårsaget af en række forskellige faktorer, men den største er vand, den fælles fjende for enhver teknologi. Enhver overskydende fugt og langvarig eksponering for luft kan påvirke effektiviteten negativt af organiske solcelleceller [4]. Selvom du i de fleste tilfælde kan undgå at få vand på din computer eller telefon, kan du ikke undgå det med dit tøj. Uanset om det er regn eller en vaskemaskine, er vand uundgåeligt. Efter forskellige tests på fritstående organisk solcelle og den dobbeltsidet coatede organiske solcelle, begge organiske solceller blev nedsænket i vand i 120 minutter, blev det konkluderet, at effekten af den fritstående organiske solcelle var Konverteringseffektiviteten er kun reduceret med 5,4%.Celler faldt med 20,8% [5].
Figur 1. Normaliseret effektkonverteringseffektivitet som funktion af nedsænkningstid. Fejlstængerne på grafen repræsenterer standardafvigelsen normaliseret ved middelværdien af de indledende effektkonverteringseffektiviteter i hver struktur [5].
Figur 2 viser en anden udvikling på Nottingham Trent University, en miniature solcelle, der kan indlejres i et garn, som derefter væves ind i et tekstil [2]. Hvert batteri, der er inkluderet i produktet, opfylder visse kriterier for brug, såsom kravene til 3 mm lang og 1,5 mm bred[2]. Hver enhed er lamineret med en vandtæt harpiks for at tillade vasketøjet at blive vasket i vaskerummet eller på grund af vejret [2]. Batterierne er også skræddersyet til komfort, og hver er monteret i en måde, der ikke stikker ud eller irriterer bærerens hud. I yderligere forskning blev det fundet, at et lille stykke tøj svarende til en 5 cm^2 sektion af stof kan indeholde lidt over 200 celler, hvilket ideelt set producerer 2,5 – 10 volt energi, og konkluderede, at der kun er 2000 celler, celler behøver for at kunne oplade smartphones [2].
Figur 2. Mikrosolceller 3 mm lange og 1,5 mm brede (foto udlånt af Nottingham Trent University) [2].
Fotovoltaiske stoffer fusionerer to lette og billige polymerer til at skabe energigenererende tekstiler. Den første af de to komponenter er en mikrosolcelle, som høster energi fra sollys, og den anden består af en nanogenerator, som omdanner mekanisk energi til elektricitet [ 6].Den fotovoltaiske del af stoffet består af polymerfibre, som derefter er belagt med lag af mangan, zinkoxid (et fotovoltaisk materiale) og kobberiodid (til ladningsopsamling) [6]. Cellerne væves derefter sammen med en lille kobbertråd og integreret i tøjet.
Hemmeligheden bag disse innovationer ligger i de gennemsigtige elektroder i fleksible fotovoltaiske enheder. Transparente ledende elektroder er en af komponenterne på fotovoltaiske celler, der tillader lys at trænge ind i cellen, hvilket øger lysopsamlingshastigheden. Indium-doteret tinoxid (ITO) bruges at fremstille disse gennemsigtige elektroder, som bruges på grund af dens ideelle gennemsigtighed (>80%) og gode plademodstand samt fremragende miljøstabilitet [7]. ITO'en er afgørende, fordi alle dens komponenter er i næsten perfekte proportioner. Forholdet mellem tykkelse kombineret med gennemsigtighed og modstand maksimerer elektrodernes resultater [7]. Eventuelle udsving i forholdet vil påvirke elektroderne negativt og dermed ydeevnen. For eksempel reducerer en forøgelse af elektrodens tykkelse gennemsigtighed og modstand, hvilket fører til ydeevneforringelse. ITO er dog en begrænset ressource, der hurtigt forbruges. Der har været forskning i gang for at finde et alternativ, der ikke kun opnårITO, men forventes at overgå ITO's ydeevne [7].
Materialer såsom polymersubstrater, der er blevet modificeret med transparente ledende oxider, er indtil videre vokset i popularitet. Desværre har disse substrater vist sig at være sprøde, stive og tunge, hvilket i høj grad reducerer fleksibilitet og ydeevne [7]. Forskere tilbyder en løsning til bruger fleksible fiberlignende solceller som elektrodeerstatninger. Et fibrøst batteri består af en elektrode og to særskilte metalledninger, der er snoet og kombineret med et aktivt materiale for at erstatte elektroden [7]. Solceller har vist lovende på grund af deres lette vægt , men problemet er manglen på kontaktareal mellem metaltrådene, hvilket reducerer kontaktarealet og dermed resulterer i forringet solcelleydelse [7].
Miljøfaktorer er også en stor motivator for fortsat forskning. I øjeblikket er verden stærkt afhængig af ikke-vedvarende energikilder såsom fossile brændstoffer, kul og olie. At flytte fokus fra ikke-vedvarende energikilder til vedvarende energikilder, herunder solenergi, er en nødvendig investering for fremtiden. Hver dag oplader millioner af mennesker deres telefoner, computere, bærbare computere, smartwatches og alle elektroniske enheder, og at bruge vores tekstiler til at oplade disse enheder bare ved at gå, kan reducere vores brug af fossile brændstoffer. Selvom dette kan synes trivielt i en lille skala på 1 eller endda 500 mennesker, når det skaleres op til titusinder af millioner, kan det reducere vores brug af fossile brændstoffer betydeligt.
Solpaneler i solenergianlæg, inklusive dem, der er monteret oven på huse, er kendt for at hjælpe med at bruge vedvarende energi og reducere brugen af fossile brændstoffer, som stadig er meget brugte. Amerika. Et af de store problemer for industrien er at skaffe jord til bygge disse gårde.En gennemsnitlig husstand kan kun understøtte et vist antal solcellepaneler, og antallet af solcelleanlæg er begrænset.I områder med rigelig plads er de fleste altid tøvende med at bygge et nyt solcelleanlæg, fordi det permanent lukker for muligheden og potentialet for andre muligheder på jorden, såsom nye virksomheder. Der er et stort antal flydende solcellepanelinstallationer, der på det seneste kan generere store mængder elektricitet, og den største fordel ved flydende solcelleanlæg er omkostningsreduktion [8]. jorden ikke bruges, er der ingen grund til at bekymre sig om installationsomkostninger oven på huse og bygninger. Alle i øjeblikket kendte flydende solcelleparker er placeret på kunstige vandområder, og i fremtidener muligt at placere disse gårde på naturlige vandområder.Kunstige reservoirer har mange fordele, som ikke er almindelige i havet [9]. Menneskeskabte reservoirer er nemme at administrere, og med tidligere infrastruktur og veje kan gårde simpelthen installeres. Flydende solcelleparker har også vist sig at være mere produktive end landbaserede solfarme på grund af temperaturvariationer mellem vand og land [9]. På grund af vands høje specifikke varme er jordoverfladetemperaturen generelt højere end vandområder, og høje temperaturer har vist sig at påvirke ydeevne af solpanelkonverteringsrater. Selvom temperaturen ikke styrer, hvor meget sollys et panel modtager, påvirker det, hvor meget energi du modtager fra sollys. Ved lave energier (dvs. køligere temperaturer), vil elektronerne inde i solpanelet være i en hviletilstand, og så når sollys rammer, vil de nå en exciteret tilstand [10]. Forskellen mellem hviletilstanden og den exciterede tilstand er, hvor meget energi der genereres i spændingen. Ikke kun kan sunlight exciterer disse elektroner, men det kan også varme. Hvis varmen omkring solpanelet aktiverer elektronerne og sætter dem i en lav exciteret tilstand, vil spændingen ikke være så stor, når sollys rammer panelet [10]. Da land absorberer og udsender opvarmes lettere end vand, elektronerne i et solpanel på land vil sandsynligvis være i en højere exciteret tilstand, og så er solpanelet placeret på eller i nærheden af en vandmasse, der er køligere.Yderligere forskning viste, at den kølende effekt af vandet omkring de flydende paneler er med til at generere 12,5 % mere energi end på land [9].
Indtil videre dækker solpaneler kun 1% af USA's energibehov, men hvis disse solfarme blev plantet på op til en fjerdedel af menneskeskabte vandreservoirer, ville solpaneler dække næsten 10% af USA's energibehov. I Colorado, hvor flydende paneler blev indført så hurtigt som muligt, to store vandreservoirer i Colorado mistede meget vand på grund af fordampning, men ved at installere disse flydende paneler blev reservoirerne forhindret i at tørre ud, og der blev genereret elektricitet [11]. Selv én procent af mennesket -lavede reservoirer udstyret med solfarme ville være nok til at generere mindst 400 gigawatt elektricitet, nok til at drive 44 milliarder LED-pærer i over et år.
Figur 4a viser effektforøgelsen fra den flydende solcelle i forhold til figur 4b. Selvom der har været få flydende solcelleparker i det seneste årti, gør de stadig så stor en forskel i elproduktionen. I fremtiden, når flydende solparker bliver mere rigeligt, siges den samlede producerede energi at tredobles fra 0,5TW i 2018 til 1,1TW ved udgangen af 2022.[12].
Miljømæssigt set er disse flydende solcelleparker meget gavnlige på mange måder. Ud over at reducere afhængigheden af fossile brændstoffer reducerer solfarme også mængden af luft og sollys, der når vandoverfladen, hvilket kan hjælpe med at vende klimaændringer [9]. En flydende gård, der reducerer vindhastigheden og direkte sollys, der rammer vandoverfladen med mindst 10 %, kunne opveje et helt årti med global opvarmning [9]. Med hensyn til biodiversitet og økologi ser der ikke ud til at blive fundet store negative påvirkninger. Panelerne forhindrer kraftig vind aktivitet på vandoverfladen, hvilket reducerer erosion på flodbredden, beskytter og stimulerer vegetation.[13]. Der er ingen endelige resultater for, om livet i havet er påvirket, men tiltag som den skalfyldte bio-hytte skabt af Ecocean har været nedsænket under fotovoltaiske paneler for potentielt at understøtte livet i havet.[13].En af hovedbekymringerne ved igangværende forskning er den potentielle indvirkning på fødekæden som følge af installationen af infrastruktur som f.eks.solcellepaneler på åbent vand i stedet for menneskeskabte reservoirer. Da mindre sollys kommer ind i vandet, forårsager det en reduktion i fotosyntesehastigheden, hvilket resulterer i et massivt tab af fytoplankton og makrofytter. Med reduktionen af disse planter vil indvirkningen på dyrene lavere i fødekæden osv., fører til subsidier til akvatiske organismer [14]. Selvom det ikke er sket endnu, kan dette forhindre yderligere potentielle skader på økosystemet, en stor ulempe ved flydende solfarme.
Da solen er vores største energikilde, kan det være svært at finde måder at udnytte denne energi og bruge den i vores lokalsamfund. Nye teknologier og innovationer, der er tilgængelige hver dag, gør dette muligt. Selvom der ikke er mange solcelledrevne tøj, der kan bæres at købe eller flydende solfarme at besøge lige nu, det ændrer ikke på, at teknologien ikke har et stort potentiale eller en lys fremtid. Flydende solceller har en lang vej at gå i dyrelivets forstand for at være så almindelige som solceller oven på boliger.Bærbare solceller har lang vej at gå, før de bliver lige så almindelige som det tøj, vi har på hver dag. I fremtiden forventes solceller at blive brugt i hverdagen uden at skulle skjules mellem vores tøj. Efterhånden som teknologien udvikler sig i de kommende årtier, er potentialet i solcelleindustrien uendeligt.
Om Raj Shah Dr. Raj Shah er direktør for Koehler Instrument Company i New York, hvor han har arbejdet i 27 år. Han er en stipendiat valgt af sine kolleger ved IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Physics, Institute of Energy Research og Royal Society of Chemistry. Modtager af ASTM Eagle Award, Dr. Shah, var for nylig medredigeret til bestselleren "Fuels and Lubricants Handbook", detaljer tilgængelige i ASTM's Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook, 2. udgave – 15. juli, 2020 – David Phillips – Petro Industry Nyhedsartikel – Petro Online (petro-online.com)
Dr. Shah har en PhD i Kemiteknik fra Penn State University og en Fellow fra Chartered School of Management, London.Han er også Chartered Scientist fra Scientific Council, Chartered Petroleum Engineer fra Energy Institute og UK Engineering Council.Dr.Shah blev for nylig hædret som Distinguished Engineer af Tau beta Pi, det største ingeniørsamfund i USA. Han er i advisory boards for Farmingdale University (Mechanical Technology), Auburn University (Tribology) og Stony Brook University (Chemical Engineering/ Materialevidenskab og -teknik).
Raj er adjungeret professor ved Institut for Materialevidenskab og Kemiteknik ved SUNY Stony Brook, har udgivet over 475 artikler og har været aktiv på energiområdet i over 3 år. Mere information om Raj kan findes hos Koehler Instrument Company's Director valgt som Fellow ved International Institute of Physics Petro Online (petro-online.com)
Ms. Mariz Baslious og Mr. Blerim Gashi er kemiingeniørstuderende ved SUNY, og Dr. Raj Shah er formand for universitetets eksterne rådgivende bestyrelse. Mariz og Blerim er en del af et voksende praktikprogram hos Koehler Instrument, Inc. i Holtzville, NY, som opfordrer eleverne til at lære mere om verden af alternative energiteknologier.
Indlægstid: 12-feb-2022
