A medida que a civilización crece, a enerxía necesaria para soportar o noso modo de vida aumenta cada día, o que nos obriga a atopar formas novas e innovadoras de aproveitar os nosos recursos renovables, como a luz solar, para crear máis enerxía para que a nosa sociedade continúe o Progreso.
A luz solar proporcionou e permitiu a vida no noso planeta durante séculos. Xa sexa directa ou indirectamente, o sol permite a xeración de case todas as fontes de enerxía coñecidas, como os combustibles fósiles, a hidroeléctrica, o vento, a biomasa, etc. A medida que a civilización crece, a enerxía necesaria para soportar o noso modo de vida aumenta cada día, o que nos obriga a atopar formas novas e innovadoras de aproveitar os nosos recursos renovables, como a luz solar, para crear máis enerxía para que a nosa sociedade continúe Progresando.
Xa dende o mundo antigo puidemos sobrevivir coa enerxía solar, utilizando a luz solar como fonte de enerxía orixinada en edificios construídos hai máis de 6.000 anos, ao orientar a casa para que a luz solar pase por ocos que actúan como forma de calefacción. .Miles de anos despois, exipcios e gregos utilizaron a mesma técnica para manter as súas casas frescas durante o verán protegiéndoas do sol [1].As grandes ventás dun só cristais utilízanse como ventás solares térmicas, permitindo a entrada da calor do sol pero atrapando. a calor no interior.A luz solar non só era esencial para a calor que producía no mundo antigo, senón que tamén se utilizaba para conservar e conservar os alimentos mediante o sal.Na salinización, o sol utilízase para evaporar a auga do mar tóxica e obter sal, que se recolle. en piscinas solares [1].A finais do Renacemento, Leonardo da Vinci propuxo a primeira aplicación industrial dos concentradores solares de espellos cóncavos como quentadores de auga, e máis tarde Leonardo tamén propuxo a tecnoloxía de soldadura de cobre.er usando a radiación solar e permitindo solucións técnicas para facer funcionar maquinaria téxtil [1].Pronto durante a Revolución Industrial, W. Adams creou o que hoxe se chama un forno solar. Este forno ten oito espellos simétricos de vidro prateado que forman un reflector octogonal. A luz solar é concentrado por espellos nunha caixa de madeira cuberta de vidro onde se colocará a pota e deixará ferver[1].Avanzamos uns centos de anos e a máquina de vapor solar construíuse cara a 1882 [1].Abel Pifre utilizou un espello cóncavo 3.5 m de diámetro e centrouna nunha caldeira de vapor cilíndrica que producía a potencia suficiente para impulsar a imprenta.
En 2004, estableceuse en Sevilla, España, a primeira planta de enerxía solar concentrada comercial do mundo chamada Planta Solar 10. A luz solar reflíctese nunha torre de aproximadamente 624 metros, onde se instalan receptores solares con turbinas de vapor e xeradores. Este é capaz de xerar enerxía. para alimentar máis de 5.500 fogares.Case unha década despois, en 2014, abriuse en California, EE. 1].
Non só se están construíndo e empregando fábricas, senón que os consumidores das tendas de venda polo miúdo tamén están creando novas tecnoloxías. Os paneis solares fixeron o seu debut, e mesmo entraron en xogo os coches que funcionan con enerxía solar, pero un dos últimos desenvolvementos que aínda non se anunciaron son os novos sistemas solares. tecnoloxía wearable alimentada. Ao integrar unha conexión USB ou outros dispositivos, permite a conexión desde a roupa a dispositivos como fontes, teléfonos e auriculares, que se poden cargar en calquera lugar. Hai só uns anos, un equipo de investigadores xaponeses do Riken Institute and Torah Industries describiron o desenvolvemento dunha fina célula solar orgánica que imprimía a roupa na roupa, permitindo que a célula absorbise a enerxía solar e a utilice como fonte de enerxía [2] ].As microcélulas solares son células fotovoltaicas orgánicas con calor estabilidade e flexibilidade ata 120 °C [2].Membros do grupo de investigación basearon células fotovoltaicas orgánicas nun material chamado PNTz4T [3].PNTz4T é un polímero semicondutor desenvolvido previamente por Riken para un excelente enestabilidade ambiental e alta eficiencia de conversión de enerxía, entón ambos os dous lados da célula están cubertos de elastómero, un material parecido á goma [3].No proceso, utilizaron dous elastómeros acrílicos preestirados de 500 micras de espesor que permiten a entrada da luz. a cela pero evita que a auga e o aire entren na cela.O uso deste elastómero axuda a reducir a degradación da propia batería e prolonga a súa vida útil [3].
Un dos inconvenientes máis notables da industria é a auga. A dexeneración destas células pode ser causada por unha variedade de factores, pero o maior é a auga, o inimigo común de calquera tecnoloxía. Calquera exceso de humidade e exposición prolongada ao aire poden afectar negativamente á eficiencia. de células fotovoltaicas orgánicas [4]. Aínda que na maioría dos casos podes evitar que chegue auga ao teu ordenador ou teléfono, non podes evitalo coa túa roupa. Xa sexa choiva ou unha lavadora, a auga é inevitable. Despois de varias probas no A célula fotovoltaica orgánica independente e a célula fotovoltaica orgánica con recubrimento de dobre cara, ambas as células fotovoltaicas orgánicas foron inmersas en auga durante 120 minutos, concluíuse que a potencia da célula fotovoltaica orgánica independente foi A eficiencia de conversión só se reduce por 5,4%.As células diminuíron un 20,8% [5].
Figura 1. Eficiencia de conversión de potencia normalizada en función do tempo de inmersión. As barras de erro do gráfico representan a desviación estándar normalizada pola media das eficiencias de conversión de potencia iniciais en cada estrutura [5].
A figura 2 representa outro desenvolvemento da Universidade de Nottingham Trent, unha célula solar en miniatura que se pode incrustar nun fío, que despois se tece nun téxtil [2].Cada batería incluída no produto cumpre determinados criterios de uso, como os requisitos de 3 mm de longo e 1,5 mm de ancho[2]. Cada unidade está laminada cunha resina impermeable para permitir que a roupa se lave na lavandería ou debido á intemperie [2]. As baterías tamén están adaptadas para a comodidade e cada unha está montada forma que non sobresae nin irrita a pel do usuario. En investigacións posteriores descubriuse que nunha pequena peza de roupa similar a unha sección de tecido de 5 cm^2 pode conter algo máis de 200 células, o que idealmente produce 2,5 – 10 voltios de enerxía, e concluíu que só hai 2000 células As células precisan poder cargar os teléfonos intelixentes [2].
Figura 2. Microcélulas solares de 3 mm de longo e 1,5 mm de ancho (foto cortesía da Universidade de Nottingham Trent) [2].
Os tecidos fotovoltaicos fusionan dous polímeros lixeiros e de baixo custo para crear téxtiles xeradores de enerxía. O primeiro dos dous compoñentes é unha micro célula solar, que recolle enerxía da luz solar, e o segundo consiste nun nanoxerador, que converte a enerxía mecánica en electricidade. 6].A parte fotovoltaica do tecido está formada por fibras de polímero, que despois se recubren con capas de manganeso, óxido de cinc (un material fotovoltaico) e ioduro de cobre (para a recollida de cargas) [6].As células téñense despois con un pequeno fío de cobre e integrado na prenda.
O segredo detrás destas innovacións reside nos electrodos transparentes dos dispositivos fotovoltaicos flexibles. Os electrodos condutores transparentes son un dos compoñentes das células fotovoltaicas que permiten que a luz entre na célula, aumentando a taxa de recollida de luz. Emprégase óxido de estaño dopado con indio (ITO). para fabricar estes electrodos transparentes, que se usa pola súa transparencia ideal (>80%) e boa resistencia á folla, así como unha excelente estabilidade ambiental [7].O ITO é crucial porque todos os seus compoñentes están en proporcións case perfectas. A proporción de O grosor combinado coa transparencia e a resistencia maximiza os resultados dos electrodos [7].Calquera fluctuación na relación afectará negativamente aos eléctrodos e, polo tanto, ao rendemento.Por exemplo, aumentar o grosor do electrodo reduce a transparencia e a resistencia, o que leva á degradación do rendemento. Non obstante, o ITO é un recurso finito que se consume rapidamente. A investigación foi continua para atopar unha alternativa que non só logreITO, pero espérase que supere o rendemento do ITO [7].
Os materiais como substratos de polímeros que foron modificados con óxidos condutores transparentes creceron en popularidade ata agora. Desafortunadamente, estes substratos demostraron ser fráxiles, ríxidos e pesados, o que reduce moito a flexibilidade e o rendemento [7].Os investigadores ofrecen unha solución para usando células solares flexibles similares a fibras como substitución de electrodos. Unha batería fibrosa consta dun electrodo e dous fíos metálicos distintos que se retorcen e combinan cun material activo para substituír o electrodo [7].As células solares mostraron promesas debido ao seu peso lixeiro. , pero o problema é a falta de área de contacto entre os fíos metálicos, o que reduce a área de contacto e, polo tanto, produce un rendemento fotovoltaico degradado [7].
Os factores ambientais tamén son un gran motivador para continuar a investigación. Actualmente, o mundo depende en gran medida das fontes de enerxía non renovables, como os combustibles fósiles, o carbón e o petróleo. Cambiando o foco das fontes de enerxía non renovables ás fontes de enerxía renovables, incluída a enerxía solar, é un investimento necesario para o futuro. Todos os días millóns de persoas cargan os seus teléfonos, ordenadores, portátiles, reloxos intelixentes e todos os dispositivos electrónicos, e usar os nosos tecidos para cargar estes dispositivos só camiñando pode reducir o noso uso de combustibles fósiles. Aínda que isto poida parecer trivial a pequena escala de 1 ou incluso 500 persoas, cando se escala ata decenas de millóns podería reducir significativamente o noso uso de combustibles fósiles.
Sábese que os paneis solares das centrais solares, incluídos os montados enriba das casas, axudan a utilizar enerxías renovables e reducen o uso de combustibles fósiles, que aínda son moi utilizados. América. Un dos principais problemas para a industria é conseguir terras para construír estas granxas. Un fogar medio só pode soportar un certo número de paneis solares, e o número de granxas solares é limitado. Nas áreas con espazo amplo, a maioría da xente sempre dubida en construír unha nova central solar porque pecha permanentemente a posibilidade. e potencial doutras oportunidades no terreo, como novos negocios. Hai un gran número de instalacións de paneis fotovoltaicos flotantes que poden xerar grandes cantidades de electricidade recentemente, e o principal beneficio das granxas solares flotantes é a redución de custos [8]. non se usa o terreo, non hai que preocuparse polos custos de instalación enriba de casas e edificios. Todas as granxas solares flotantes actualmente coñecidas están situadas en masas de auga artificiais e, no futuro,É posible situar estas explotacións en masas de auga naturais.Os encoros artificiais teñen moitas vantaxes que non son comúns no océano [9].Os encoros artificiales son fáciles de xestionar e, con infraestruturas e estradas anteriores, pódense instalar simplemente granxas. Tamén se demostrou que as granxas solares flotantes son máis produtivas que granxas solares terrestres debido ás variacións de temperatura entre a auga e a terra [9].Debido á alta calor específica da auga, a temperatura superficial da terra é xeralmente máis alta que a das masas de auga, e demostrouse que as altas temperaturas afectan negativamente á rendemento das taxas de conversión dos paneis solares. Aínda que a temperatura non controla a cantidade de luz solar que recibe un panel, si afecta a cantidade de enerxía que recibe da luz solar. A baixas enerxías (é dicir, temperaturas máis frías), os electróns dentro do panel solar estarán en un estado de repouso e, a continuación, cando a luz solar incide, alcanzarán un estado excitado [10].A diferenza entre o estado de repouso e o estado excitado é a cantidade de enerxía que se xera na tensión. Non só pode iluminar o sol.ht excita estes electróns, pero tamén pode quentar. Se a calor ao redor do panel solar energiza os electróns e ponos nun estado de excitación baixa, a tensión non será tan grande cando a luz solar incide no panel [10].Xa que a terra absorbe e emite calor máis facilmente que a auga, é probable que os electróns dun panel solar terrestre estean nun estado de excitación máis elevado, e entón o panel solar está situado sobre ou preto dunha masa de auga que está máis fría. Investigacións posteriores demostraron que o efecto de arrefriamento do a auga ao redor dos paneis flotantes axuda a xerar un 12,5% máis de enerxía que na terra [9].
Ata agora, os paneis solares satisfacen só o 1% das necesidades enerxéticas de Estados Unidos, pero se estas granxas solares fosen plantadas en ata un cuarto dos depósitos de auga artificiales, os paneis solares cubrirían case o 10% das necesidades enerxéticas de Estados Unidos. En Colorado, onde flotan. introducíronse os paneis canto antes, dous grandes depósitos de auga en Colorado perderon moita auga debido á evaporación, pero ao instalar estes paneis flotantes evitou que os depósitos se secasen e xerouse electricidade [11].Ata o un por cento do home. -Os depósitos feitos equipados con granxas solares serían suficientes para xerar polo menos 400 gigavatios de electricidade, suficientes para alimentar 44.000 millóns de lámpadas LED durante máis dun ano.
A figura 4a mostra o aumento de potencia proporcionado pola célula solar flotante en relación coa figura 4b. Aínda que houbo poucas granxas solares flotantes na última década, aínda marcan unha diferenza tan grande na xeración de enerxía. No futuro, cando as granxas solares flotantes se fan máis abundantes, dise que a enerxía total producida se triplicará de 0,5 TW en 2018 a 1,1 TW a finais de 2022.[12].
Ambientalmente falando, estas granxas solares flotantes son moi beneficiosas en moitos sentidos. Ademais de reducir a dependencia dos combustibles fósiles, as granxas solares tamén reducen a cantidade de aire e luz solar que chegan á superficie da auga, o que pode axudar a reverter o cambio climático [9]. granxa que reduce a velocidade do vento e a luz solar directa que golpea a superficie da auga en polo menos un 10 % podería compensar unha década completa de quecemento global [9]. En termos de biodiversidade e ecoloxía, non parecen atoparse grandes impactos negativos. actividade na superficie da auga, reducindo así a erosión na beira do río, protexendo e estimulando a vexetación.[13].Non hai resultados definitivos sobre se afecta a vida mariña, pero medidas como a biocabana chea de cunchas creada por Ecocean si somerxido baixo paneis fotovoltaicos para apoiar potencialmente a vida mariña.[13].Unha das principais preocupacións da investigación en curso é o impacto potencial na cadea alimentaria debido á instalación de infraestruturas comopaneis fotovoltaicos en augas abertas en lugar de encoros artificiales. A medida que entra menos luz solar nas augas, provoca unha redución da taxa de fotosíntese, o que provoca unha perda masiva de fitoplancto e macrófitas. Coa redución destas plantas, o impacto sobre os animais inferior na cadea alimentaria, etc., leva a subvencións para os organismos acuáticos [14]. Aínda que aínda non ocorreu, isto podería evitar máis danos potenciais ao ecosistema, un gran inconveniente das granxas solares flotantes.
Dado que o sol é a nosa maior fonte de enerxía, pode ser difícil atopar formas de aproveitar esta enerxía e usala nas nosas comunidades. As novas tecnoloxías e innovacións dispoñibles todos os días fan que isto sexa posible. Aínda que non hai moitas pezas de roupa que funcionen con enerxía solar. comprar ou visitar granxas solares flotantes para visitar agora mesmo, iso non cambia o feito de que a tecnoloxía non teña un gran potencial nin un futuro brillante. As células solares flotantes teñen moito por percorrer no sentido da vida salvaxe para ser tan comúns como paneis solares enriba das casas. As células solares que se poden levar teñen moito que percorrer antes de que sexan tan comúns como a roupa que usamos todos os días. roupa.A medida que a tecnoloxía avanza nas próximas décadas, o potencial da industria solar é infinito.
Sobre Raj Shah O doutor Raj Shah é director da Koehler Instrument Company en Nova York, onde traballou durante 27 anos. É un compañeiro elixido polos seus colegas de IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Física, Instituto de Investigación enerxética e a Royal Society of Chemistry. O Dr. Shah, gañador do premio ASTM Eagle, coeditou recentemente o máis vendido "Manual de combustibles e lubricantes", detalles dispoñibles no Manual de combustibles e lubricantes de ASTM, 2ª edición, 15 de xullo. 2020 – David Phillips – Artigo de noticias sobre Petro Industry – Petro Online (petro-online.com)
O doutor Shah é doutor en Enxeñaría Química pola Penn State University e membro da Chartered School of Management de Londres.Tamén é Chartered Scientist do Scientific Council, Chartered Petroleum Engineer do Energy Institute e un UK Engineering Council.Dr.Shah foi honrado recentemente como Enxeñeiro Distinguido por Tau beta Pi, a maior sociedade de enxeñaría dos Estados Unidos. Está nos consellos consultivos da Universidade de Farmingdale (Tecnoloxía Mecánica), Universidade de Auburn (Triboloxía) e Universidade de Stony Brook (Enxeñaría Química/ Ciencia e Enxeñaría dos Materiais).
Raj é profesor adxunto no Departamento de Ciencia de Materiais e Enxeñaría Química de SUNY Stony Brook, publicou máis de 475 artigos e estivo activo no campo da enerxía durante máis de 3 anos. Podes atopar máis información sobre Raj en Director de Koehler Instrument Company. elixido como Fellow no Instituto Internacional de Física Petro Online (petro-online.com)
A Sra. Mariz Baslious e o Sr. Blerim Gashi son estudantes de enxeñería química en SUNY, e o doutor Raj Shah preside o consello consultivo externo da universidade. Mariz e Blerim forman parte dun programa de prácticas en crecemento en Koehler Instrument, Inc. en Holtzville, NY, que anima aos estudantes a aprender máis sobre o mundo das tecnoloxías de enerxías alternativas.
Hora de publicación: 12-feb-2022
