Während die Zivilisation wächst, nimmt die Energie, die für unsere Lebensweise benötigt wird, jeden Tag zu, was uns dazu zwingt, neue und innovative Wege zu finden, um unsere erneuerbaren Ressourcen wie Sonnenlicht zu nutzen, um mehr Energie für unsere Gesellschaft zu erzeugen, um den Fortschritt fortzusetzen.
Sonnenlicht hat Jahrhunderte lang Leben auf unserem Planeten bereitgestellt und ermöglicht. Ob direkt oder indirekt, die Sonne ermöglicht die Erzeugung fast aller bekannten Energiequellen wie fossile Brennstoffe, Wasserkraft, Wind, Biomasse usw. Mit zunehmender Zivilisation wächst die Energie, die zur Unterstützung benötigt wird Unsere Lebensweise nimmt jeden Tag zu, was uns dazu zwingt, neue und innovative Wege zu finden, um unsere erneuerbaren Ressourcen wie Sonnenlicht zu nutzen, um mehr Energie für unsere Gesellschaft zu schaffen, um den Fortschritt fortzusetzen.
Bereits in der Antike konnten wir mit Sonnenenergie überleben, indem wir das Sonnenlicht als Energiequelle nutzten, die in Gebäuden entstand, die vor mehr als 6.000 Jahren gebaut wurden, indem wir das Haus so ausrichteten, dass das Sonnenlicht durch Öffnungen eindringt, die als eine Art Heizung dienen .Tausende von Jahren später verwendeten Ägypter und Griechen die gleiche Technik, um ihre Häuser im Sommer kühl zu halten, indem sie sie vor der Sonne abschirmten [1]. die Wärme im Inneren. Sonnenlicht war in der Antike nicht nur für die von ihm erzeugte Wärme unerlässlich, sondern wurde auch zur Konservierung und Konservierung von Lebensmitteln durch Salz verwendet. Bei der Versalzung wird die Sonne verwendet, um giftiges Meerwasser zu verdampfen und Salz zu gewinnen, das gesammelt wird in Solarpools [1]. In der Spätrenaissance schlug Leonardo da Vinci die erste industrielle Anwendung von Konkavspiegel-Solarkonzentratoren als Warmwasserbereiter vor, und später schlug Leonardo auch die Technologie des Schweißens von Kupfer vorEr nutzt Sonnenstrahlung und ermöglicht es technischen Lösungen, Textilmaschinen zu betreiben [1]. Bald während der industriellen Revolution schuf W. Adams einen sogenannten Solarofen. Dieser Ofen hat acht symmetrische Silberglasspiegel, die einen achteckigen Reflektor bilden. Sonnenlicht ist durch Spiegel in eine mit Glas bedeckte Holzkiste konzentriert, wo der Topf aufgestellt und zum Sieden gebracht wird[1]. Ein paar hundert Jahre später wurde die Solardampfmaschine um 1882 gebaut [1]. Abel Pifre verwendete einen konkaven Spiegel 3.5 m im Durchmesser und konzentrierte sie auf einen zylindrischen Dampfkessel, der genug Energie produzierte, um die Druckmaschine anzutreiben.
Im Jahr 2004 wurde das weltweit erste kommerzielle konzentrierte Solarkraftwerk namens Planta Solar 10 in Sevilla, Spanien, errichtet. Sonnenlicht wird auf einen etwa 624 Meter hohen Turm reflektiert, auf dem Solarempfänger mit Dampfturbinen und Generatoren installiert sind, die Energie erzeugen können um mehr als 5.500 Haushalte mit Strom zu versorgen. Fast ein Jahrzehnt später, im Jahr 2014, wurde in Kalifornien, USA, das größte Solarkraftwerk der Welt eröffnet. 1].
Es werden nicht nur Fabriken gebaut und genutzt, sondern auch Verbraucher in Einzelhandelsgeschäften entwickeln neue Technologien. Powered Wearable-Technologie. Durch die Integration eines USB-Anschlusses oder anderer Geräte ermöglicht es die Verbindung von Kleidung zu Geräten wie Quellen, Telefonen und Ohrhörern, die unterwegs aufgeladen werden können. Erst vor wenigen Jahren war ein Team japanischer Forscher bei Riken Institute und Torah Industries beschrieben die Entwicklung einer dünnen organischen Solarzelle, die Kleidung auf Kleidung hitzedrucken würde, wodurch die Zelle Sonnenenergie absorbieren und als Energiequelle nutzen könnte [2] ]. Mikrosolarzellen sind organische Photovoltaikzellen mit Wärme Stabilität und Flexibilität bis zu 120 °C [2]. Mitglieder der Forschungsgruppe basieren organische Photovoltaikzellen auf einem Material namens PNTz4T [3]. PNTz4T ist ein halbleitendes Polymer, das zuvor von Riken für hervorragende en entwickelt wurdeUmweltstabilität und hohe Leistungsumwandlungseffizienz, dann werden beide Seiten der Zelle mit Elastomer bedeckt, einem gummiähnlichen Material [3]. Dabei verwendeten sie zwei vorgestreckte 500 Mikrometer dicke Acrylelastomere, die Licht eindringen lassen die Zelle, aber verhindern, dass Wasser und Luft in die Zelle eindringen. Die Verwendung dieses Elastomers trägt dazu bei, die Verschlechterung der Batterie selbst zu verringern und ihre Lebensdauer zu verlängern [3].
Einer der bemerkenswertesten Nachteile der Industrie ist Wasser. Die Degeneration dieser Zellen kann durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden, aber der größte ist Wasser, der gemeinsame Feind jeder Technologie. Jede übermäßige Feuchtigkeit und längere Exposition gegenüber Luft kann die Effizienz negativ beeinflussen von organischen Photovoltaikzellen [4]. Während Sie es in den meisten Fällen vermeiden können, Wasser auf Ihren Computer oder Ihr Telefon zu bekommen, können Sie es nicht mit Ihrer Kleidung vermeiden. Ob Regen oder eine Waschmaschine, Wasser ist unvermeidlich. Nach verschiedenen Tests auf dem freistehende organische photovoltaische Zelle und die doppelseitig beschichtete organische photovoltaische Zelle, beide organischen photovoltaischen Zellen wurden für 120 Minuten in Wasser eingetaucht, wurde der Schluss gezogen, dass die Leistung der freistehenden organischen photovoltaischen Zelle nur um die Umwandlungseffizienz verringert wurde 5,4 %. Zellen nahmen um 20,8 % ab [5].
Abbildung 1. Normalisierte Leistungsumwandlungseffizienz als Funktion der Eintauchzeit. Die Fehlerbalken in der Grafik stellen die Standardabweichung dar, normalisiert durch den Mittelwert der anfänglichen Leistungsumwandlungseffizienzen in jeder Struktur [5].
Abbildung 2 zeigt eine weitere Entwicklung an der Nottingham Trent University, eine Miniatur-Solarzelle, die in ein Garn eingebettet werden kann, das dann zu einem Textil verwoben wird [2]. 3 mm lang und 1,5 mm breit[2]. Jede Einheit ist mit einem wasserfesten Harz laminiert, damit Wäsche in der Waschküche oder aufgrund des Wetters gewaschen werden kann [2]. Die Batterien sind ebenfalls auf Komfort zugeschnitten und jeweils in einem montiert Weise, die die Haut des Trägers nicht hervorhebt oder irritiert. In weiterer Forschung wurde festgestellt, dass in einem kleinen Kleidungsstück, das einem 5 cm² großen Stoffabschnitt ähnelt, etwas mehr als 200 Zellen enthalten sein können, die idealerweise 2,5 – 10 Volt Energie erzeugen, und kam zu dem Schluss, dass es nur 2000 Zellen braucht, um Smartphones aufzuladen [2].
Abbildung 2. Mikrosolarzellen, 3 mm lang und 1,5 mm breit (Foto mit freundlicher Genehmigung der Nottingham Trent University) [2].
Photovoltaikgewebe verschmelzen zwei leichte und kostengünstige Polymere zu energieerzeugenden Textilien. Die erste der beiden Komponenten ist eine Mikrosolarzelle, die Energie aus Sonnenlicht gewinnt, und die zweite besteht aus einem Nanogenerator, der mechanische Energie in Strom umwandelt [ 6]. Der photovoltaische Teil des Gewebes besteht aus Polymerfasern, die dann mit Schichten aus Mangan, Zinkoxid (einem photovoltaischen Material) und Kupferjodid (zur Ladungssammlung) beschichtet werden [6]. Die Zellen werden dann miteinander verwoben ein winziger Kupferdraht und in das Kleidungsstück integriert.
Das Geheimnis hinter diesen Innovationen liegt in den transparenten Elektroden flexibler Photovoltaikgeräte. Transparente leitfähige Elektroden sind eine der Komponenten auf Photovoltaikzellen, die Licht in die Zelle eindringen lassen und die Lichtsammelrate erhöhen. Es wird Indium-dotiertes Zinnoxid (ITO) verwendet um diese transparenten Elektroden herzustellen, die wegen ihrer idealen Transparenz (> 80 %) und ihres guten Flächenwiderstands sowie ihrer hervorragenden Umweltstabilität verwendet werden [7]. Das ITO ist entscheidend, weil alle seine Komponenten in nahezu perfekten Proportionen vorliegen. Das Verhältnis von Dicke in Kombination mit Transparenz und Widerstand maximiert die Ergebnisse der Elektroden [7]. Jegliche Schwankungen im Verhältnis wirken sich negativ auf die Elektroden und damit auf die Leistung aus. Beispielsweise verringert eine Erhöhung der Dicke der Elektrode Transparenz und Widerstand, was zu einer Verschlechterung der Leistung führt. ITO ist jedoch eine endliche Ressource, die schnell verbraucht wird. Die Forschung wurde fortgesetzt, um eine Alternative zu finden, die nicht nur erreichtITO, aber es wird erwartet, dass es die Leistung von ITO übertrifft [7].
Materialien wie Polymersubstrate, die mit transparenten leitfähigen Oxiden modifiziert wurden, erfreuen sich bisher wachsender Beliebtheit. Leider haben sich diese Substrate als spröde, steif und schwer erwiesen, was die Flexibilität und Leistung stark verringert [7]. Forscher bieten eine Lösung an Verwendung flexibler faserartiger Solarzellen als Elektrodenersatz. Eine Faserbatterie besteht aus einer Elektrode und zwei verschiedenen Metalldrähten, die verdrillt und mit einem aktiven Material kombiniert werden, um die Elektrode zu ersetzen [7]. Solarzellen haben sich aufgrund ihres geringen Gewichts als vielversprechend erwiesen , aber das Problem ist der Mangel an Kontaktfläche zwischen den Metalldrähten, was die Kontaktfläche verringert und somit zu einer verschlechterten photovoltaischen Leistung führt [7].
Umweltfaktoren sind auch ein großer Motivator für die weitere Forschung. Derzeit ist die Welt stark von nicht erneuerbaren Energiequellen wie fossilen Brennstoffen, Kohle und Öl abhängig. Die Verlagerung des Fokus von nicht erneuerbaren Energiequellen auf erneuerbare Energiequellen, einschließlich Solarenergie, ist eine notwendige Investition für die Zukunft. Jeden Tag laden Millionen von Menschen ihre Telefone, Computer, Laptops, Smartwatches und alle anderen elektronischen Geräte auf, und die Verwendung unserer Stoffe zum Aufladen dieser Geräte durch einfaches Gehen kann unseren Verbrauch fossiler Brennstoffe reduzieren. Auch wenn dies den Anschein hat Im kleinen Maßstab von 1 oder sogar 500 Menschen trivial, könnte es, wenn es auf mehrere zehn Millionen hochskaliert wird, unseren Verbrauch fossiler Brennstoffe erheblich reduzieren.
Sonnenkollektoren in Solarkraftwerken, einschließlich solcher, die auf Häusern montiert sind, helfen bekanntermaßen dabei, erneuerbare Energien zu nutzen und den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu reduzieren, die immer noch stark genutzt werden. Amerika. Eines der größten Probleme für die Industrie ist die Beschaffung von Land Diese Farmen bauen. Ein durchschnittlicher Haushalt kann nur eine bestimmte Anzahl von Solarmodulen unterstützen, und die Anzahl der Solarfarmen ist begrenzt. In Gebieten mit viel Platz zögern die meisten Menschen immer, ein neues Solarkraftwerk zu bauen, weil dies die Möglichkeit dauerhaft ausschließt und Potenzial für andere Möglichkeiten auf dem Land, wie z. B. neue Unternehmen. Es gibt eine große Anzahl schwimmender Photovoltaikanlagen, die in letzter Zeit große Mengen an Strom erzeugen können, und der Hauptvorteil schwimmender Solarparks ist die Kostensenkung [8]. Wenn die Land wird nicht genutzt, es müssen keine Installationskosten auf Häusern und Gebäuden befürchtet werden. Alle derzeit bekannten schwimmenden Solarparks befinden sich auf künstlichen Gewässern, und in Zukunft wird es iEs ist möglich, diese Farmen an natürlichen Gewässern zu platzieren.Künstliche Stauseen haben viele Vorteile, die im Ozean nicht üblich sind [9]. Künstliche Stauseen sind einfach zu verwalten, und mit vorhandener Infrastruktur und Straßen können einfach Farmen installiert werden. Schwimmende Solarfarmen haben sich ebenfalls als produktiver erwiesen als landgestützte Solarparks aufgrund von Temperaturschwankungen zwischen Wasser und Land [9]. Aufgrund der hohen spezifischen Wärme von Wasser ist die Oberflächentemperatur von Land im Allgemeinen höher als die von Gewässern, und es hat sich gezeigt, dass hohe Temperaturen die Temperatur negativ beeinflussen Leistung der Umwandlungsraten von Solarmodulen. Während die Temperatur nicht kontrolliert, wie viel Sonnenlicht ein Modul erhält, beeinflusst sie, wie viel Energie Sie aus dem Sonnenlicht erhalten. Bei niedrigen Energien (dh kühleren Temperaturen) sind die Elektronen im Solarmodul drin einen Ruhezustand, und wenn Sonnenlicht auftrifft, erreichen sie einen angeregten Zustand [10]. Der Unterschied zwischen dem Ruhezustand und dem angeregten Zustand besteht darin, wie viel Energie in der Spannung erzeugt wirdht können diese Elektronen anregen, aber auch Wärme. Wenn die Wärme um das Solarpanel herum die Elektronen erregt und sie in einen schwach angeregten Zustand versetzt, ist die Spannung nicht so groß, wenn Sonnenlicht auf das Panel trifft [10]. Da Land absorbiert und emittiert leichter erwärmen als Wasser, befinden sich die Elektronen in einem Solarpanel an Land wahrscheinlich in einem höheren angeregten Zustand, und dann befindet sich das Solarpanel auf oder in der Nähe eines kühleren Gewässers. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass der Kühleffekt von Das Wasser um die schwimmenden Paneele trägt dazu bei, 12,5 % mehr Energie zu erzeugen als an Land [9].
Bisher decken Sonnenkollektoren nur 1 % des amerikanischen Energiebedarfs, aber wenn diese Solarfarmen auf bis zu einem Viertel der künstlichen Wasserreservoirs gepflanzt würden, würden Sonnenkollektoren fast 10 % des amerikanischen Energiebedarfs decken. In Colorado, wo schwimmend Paneele wurden so schnell wie möglich eingeführt, zwei große Wasserreservoirs in Colorado verloren viel Wasser durch Verdunstung, aber durch die Installation dieser schwimmenden Paneele wurde das Austrocknen der Reservoirs verhindert und Strom erzeugt [11]. Sogar ein Prozent des Menschen Mit Solarparks ausgestattete Stauseen würden ausreichen, um mindestens 400 Gigawatt Strom zu erzeugen, genug, um 44 Milliarden LED-Glühbirnen über ein Jahr lang zu betreiben.
Abbildung 4a zeigt die Leistungssteigerung durch die schwimmende Solarzelle im Vergleich zu Abbildung 4b. Obwohl es in den letzten zehn Jahren nur wenige schwimmende Solarparks gab, machen sie immer noch einen so großen Unterschied bei der Stromerzeugung. In Zukunft, wenn schwimmende Solarparks werden, soll sich die erzeugte Gesamtenergie von 0,5 TW im Jahr 2018 auf 1,1 TW bis Ende 2022 verdreifachen.[12]
Aus ökologischer Sicht sind diese schwimmenden Solarparks in vielerlei Hinsicht sehr vorteilhaft. Solarparks reduzieren nicht nur die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, sondern reduzieren auch die Menge an Luft und Sonnenlicht, die die Wasseroberfläche erreichen, was dazu beitragen kann, den Klimawandel umzukehren [9]. Ein Schwimmen Eine Farm, die die Windgeschwindigkeit und die direkte Sonneneinstrahlung auf die Wasseroberfläche um mindestens 10 % reduziert, könnte ein ganzes Jahrzehnt der globalen Erwärmung ausgleichen [9]. In Bezug auf Biodiversität und Ökologie scheinen keine großen negativen Auswirkungen festgestellt zu werden. Die Paneele verhindern starken Wind Aktivität an der Wasseroberfläche, wodurch die Erosion am Flussufer verringert, die Vegetation geschützt und angeregt wird.[13]. Es gibt keine endgültigen Ergebnisse darüber, ob Meereslebewesen beeinträchtigt werden, aber Maßnahmen wie die von Ecocean geschaffene mit Muscheln gefüllte Bio-Hütte haben es getan wurden unter Photovoltaikpaneelen getaucht, um das Leben im Meer möglicherweise zu unterstützen. [13].Photovoltaik-Module auf offenem Wasser statt künstlichen Stauseen. Da weniger Sonnenlicht in die Gewässer eindringt, führt dies zu einer Verringerung der Photosyntheserate, was zu einem massiven Verlust von Phytoplankton und Makrophyten führt. Mit der Verringerung dieser Pflanzen werden die Auswirkungen auf Tiere weiter unten in der Nahrungskette usw. führt zu Subventionen für Wasserorganismen [14]. Obwohl dies noch nicht geschehen ist, könnte dies weitere potenzielle Schäden am Ökosystem verhindern, ein großer Nachteil schwimmender Solarparks.
Da die Sonne unsere größte Energiequelle ist, kann es schwierig sein, Wege zu finden, diese Energie zu nutzen und in unseren Gemeinden zu nutzen. Neue Technologien und Innovationen, die jeden Tag verfügbar sind, machen dies möglich. Obwohl es nicht viele tragbare, solarbetriebene Kleidungsstücke gibt zu kaufen oder schwimmende Solarparks zu besuchen, das ändert nichts an der Tatsache, dass die Technologie kein großes Potenzial oder eine glänzende Zukunft hat. Schwimmende Solarzellen haben im Sinne der Tierwelt noch einen langen Weg vor sich, um so verbreitet zu sein wie Sonnenkollektoren auf Häusern. Tragbare Solarzellen haben noch einen langen Weg vor sich, bevor sie so alltäglich werden wie die Kleidung, die wir jeden Tag tragen. In Zukunft sollen Solarzellen im Alltag verwendet werden, ohne dass sie zwischen unseren versteckt werden müssen Kleidung. Mit fortschreitender Technologie in den kommenden Jahrzehnten ist das Potenzial der Solarindustrie endlos.
Über Raj Shah Dr. Raj Shah ist Direktor der Koehler Instrument Company in New York, wo er seit 27 Jahren tätig ist. Er ist ein von seinen Kollegen bei IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Physics, Institute of Energy Research und der Royal Society of Chemistry. Dr. Shah, Empfänger des ASTM Eagle Award, war kürzlich Mitherausgeber des Bestsellers „Fuels and Lubricants Handbook“, Einzelheiten sind in ASTMs Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook, 2. 2020 – David Phillips – Nachrichtenartikel aus der Petro-Industrie – Petro Online (petro-online.com)
Dr. Shah hat einen Doktortitel in Chemieingenieurwesen von der Penn State University und ist Fellow der Chartered School of Management, London.Er ist außerdem Chartered Scientist des Scientific Council, Chartered Petroleum Engineer des Energy Institute und eines UK Engineering Council. Dr.Shah wurde kürzlich von Tau beta Pi, der größten Ingenieurgesellschaft in den Vereinigten Staaten, als Distinguished Engineer ausgezeichnet. Materialwissenschaft und Ingenieurwesen).
Raj ist außerordentlicher Professor am Department of Materials Science and Chemical Engineering der SUNY Stony Brook, hat über 475 Artikel veröffentlicht und ist seit über 3 Jahren im Energiebereich tätig. Weitere Informationen zu Raj finden Sie unter Direktor der Koehler Instrument Company zum Fellow des International Institute of Physics Petro Online (petro-online.com) gewählt
Frau Mariz Baslious und Herr Blerim Gashi sind Studenten der Chemieingenieurwissenschaften an der SUNY, und Dr. Raj Shah ist Vorsitzender des externen Beirats der Universität ermutigt Schüler, mehr über die Welt der alternativen Energietechnologien zu erfahren.
Postzeit: 12. Februar 2022
