A mesura que la civilització creix, l'energia necessària per donar suport a la nostra forma de vida augmenta cada dia, la qual cosa ens obliga a trobar maneres noves i innovadores d'aprofitar els nostres recursos renovables, com la llum solar, per crear més energia perquè la nostra societat continuï Progrés.
La llum solar ha proporcionat i ha permès la vida al nostre planeta durant segles. Ja sigui de manera directa o indirecta, el sol permet la generació de gairebé totes les fonts d'energia conegudes, com ara combustibles fòssils, hidràulica, vent, biomassa, etc. A mesura que la civilització creix, l'energia necessària per mantenir la nostra forma de vida augmenta cada dia, la qual cosa ens obliga a trobar maneres noves i innovadores d'aprofitar els nostres recursos renovables, com la llum solar, per crear més energia perquè la nostra societat continuï Progrés.
Ja en el món antic hem pogut sobreviure amb l'energia solar, utilitzant la llum solar com a font d'energia originada en edificis construïts fa més de 6.000 anys, orientant la casa de manera que la llum solar passa per obertures que actuen com a forma de calefacció. . Milers d'anys després, egipcis i grecs van utilitzar la mateixa tècnica per mantenir les seves cases fresques durant l'estiu protegint-les del sol [1].Les grans finestres d'un sol vidre s'utilitzen com a finestres solars tèrmiques, permetent l'entrada de la calor del sol però atrapant-les. la calor a l'interior.La llum solar no només era essencial per a la calor que produïa en el món antic, sinó que també s'utilitzava per conservar i conservar els aliments a través de la sal.En la salinització, el sol s'utilitza per evaporar l'aigua de mar tòxica i obtenir sal, que es recull. en piscines solars [1].A finals del Renaixement, Leonardo da Vinci va proposar la primera aplicació industrial dels concentradors solars de mirall còncau com a escalfadors d'aigua, i més tard Leonardo també va proposar la tecnologia de soldadura de copp.er utilitzant la radiació solar i permetent solucions tècniques per fer funcionar maquinària tèxtil [1]. Aviat durant la Revolució Industrial, W. Adams va crear el que ara s'anomena un forn solar. Aquest forn té vuit miralls simètrics de vidre platejat que formen un reflector octogonal. La llum solar és concentrat per miralls en una caixa de fusta coberta de vidre on es col·locarà l'olla i es deixarà bullir[1].Avançar ràpidament uns quants centenars d'anys i la màquina de vapor solar es va construir cap al 1882 [1].Abel Pifre va utilitzar un mirall còncau 3,5 m de diàmetre i el va centrar en una caldera de vapor cilíndrica que produïa prou potència per impulsar la impremta.
L'any 2004 es va establir a Sevilla, Espanya, la primera central d'energia solar concentrada comercial del món anomenada Planta Solar 10. La llum del sol es reflecteix en una torre d'aproximadament 624 metres, on s'instal·len receptors solars amb turbines de vapor i generadors. Això és capaç de generar energia. per alimentar més de 5.500 llars. Gairebé una dècada més tard, l'any 2014, es va obrir a Califòrnia, EUA, la planta d'energia solar més gran del món. La planta utilitzava més de 300.000 miralls controlats i va permetre la producció de 377 megawatts d'electricitat per alimentar aproximadament 140.000 llars. 1].
No només s'estan construint i utilitzant fàbriques, sinó que els consumidors de les botigues minoristes també estan creant noves tecnologies. Els panells solars van fer el seu debut, i fins i tot els cotxes que funcionen amb energia solar van entrar en joc, però un dels últims desenvolupaments que encara s'han d'anunciar és els nous panells solars. tecnologia wearable alimentada. En integrar una connexió USB o altres dispositius, permet la connexió de la roba a dispositius com fonts, telèfons i auriculars, que es poden carregar des de qualsevol lloc. Fa només uns anys, un equip d'investigadors japonesos del Riken Institute i Torah Industries van descriure el desenvolupament d'una fina cèl·lula solar orgànica que imprimia la roba a la roba, permetent que la cèl·lula absorbeixi l'energia solar i l'utilitzi com a font d'energia [2] ].Les micro cèl·lules solars són cèl·lules fotovoltaiques orgàniques amb tèrmica. estabilitat i flexibilitat fins a 120 °C [2].Els membres del grup de recerca van basar cèl·lules fotovoltaiques orgàniques en un material anomenat PNTz4T [3].PNTz4T és un polímer semiconductor desenvolupat prèviament per Riken per a un excel·lent enl'estabilitat ambiental i l'alta eficiència de conversió de potència, llavors ambdós costats de la cèl·lula es cobreixen amb elastòmer, un material semblant al cautxú [3]. En el procés, van utilitzar dos elastòmers acrílics preestirats de 500 micres de gruix que permeten l'entrada de la llum. la cel·la però evita que l'aigua i l'aire entrin a la cel·la. L'ús d'aquest elastòmer ajuda a reduir la degradació de la pròpia bateria i allargar la seva vida útil [3].
Un dels inconvenients més notables de la indústria és l'aigua. La degeneració d'aquestes cèl·lules pot ser causada per diversos factors, però el més gran és l'aigua, l'enemic comú de qualsevol tecnologia. Qualsevol excés d'humitat i una exposició prolongada a l'aire poden afectar negativament l'eficiència. de cèl·lules fotovoltaiques orgàniques [4]. Tot i que en la majoria dels casos podeu evitar que l'aigua a l'ordinador o al telèfon no la podeu evitar amb la roba. Ja sigui pluja o rentadora, l'aigua és inevitable. Després de diverses proves a la la cèl·lula fotovoltaica orgànica autònoma i la cèl·lula fotovoltaica orgànica amb recobriment de doble cara, ambdues cèl·lules fotovoltaiques orgàniques es van submergir en aigua durant 120 minuts, es va concloure que la potència de la cèl·lula fotovoltaica orgànica independent era L'eficiència de conversió només es redueix per 5,4%.Les cèl·lules van disminuir un 20,8% [5].
Figura 1. Eficiència de conversió de potència normalitzada en funció del temps d'immersió. Les barres d'error del gràfic representen la desviació estàndard normalitzada per la mitjana de les eficiències inicials de conversió de potència a cada estructura [5].
La figura 2 mostra un altre desenvolupament a la Nottingham Trent University, una cèl·lula solar en miniatura que es pot incrustar en un fil, que després es teixeix en un tèxtil [2]. Cada bateria inclosa en el producte compleix determinats criteris d'ús, com ara els requisits de 3 mm de llarg i 1,5 mm d'ample[2]. Cada unitat està laminada amb una resina impermeable per permetre que la roba es renta al safareig o a causa del temps [2]. manera que no sobresurt ni irrita la pell de l'usuari. En investigacions posteriors es va trobar que en una petita peça de roba similar a una secció de teixit de 5 cm ^ 2 pot contenir una mica més de 200 cèl·lules, idealment produir 2,5 - 10 volts d'energia, i va concloure que només hi ha 2000 cèl·lules Les cèl·lules necessiten poder carregar els telèfons intel·ligents [2].
Figura 2. Micro cèl·lules solars de 3 mm de llarg i 1,5 mm d'ample (foto cortesia de la Nottingham Trent University) [2].
Els teixits fotovoltaics fusionen dos polímers lleugers i de baix cost per crear tèxtils generadors d'energia. El primer dels dos components és una micro cèl·lula solar, que recull l'energia de la llum solar, i el segon consisteix en un nanogenerador, que converteix l'energia mecànica en electricitat. 6].La part fotovoltaica del teixit consta de fibres de polímer, que després es recobreixen amb capes de manganès, òxid de zinc (un material fotovoltaic) i iodur de coure (per a la recollida de càrrega) [6].Les cèl·lules es teixeixen després amb un filferro de coure petit i integrat a la peça.
El secret d'aquestes innovacions rau en els elèctrodes transparents dels dispositius fotovoltaics flexibles. Els elèctrodes conductors transparents són un dels components de les cèl·lules fotovoltaiques que permeten que la llum entri a la cèl·lula, augmentant la taxa de recollida de llum. S'utilitza òxid d'estany dopat amb indi (ITO). per fabricar aquests elèctrodes transparents, que s'utilitzen per la seva transparència ideal (>80%) i bona resistència a la làmina, així com una excel·lent estabilitat ambiental [7]. L'ITO és crucial perquè tots els seus components es troben en proporcions gairebé perfectes. La proporció de El gruix combinat amb la transparència i la resistència maximitza els resultats dels elèctrodes [7]. Qualsevol fluctuació en la relació afectarà negativament els elèctrodes i, per tant, el rendiment. Per exemple, augmentar el gruix de l'elèctrode redueix la transparència i la resistència, provocant una degradació del rendiment. Tanmateix, l'ITO és un recurs finit que es consumeix ràpidament. S'ha continuat investigant per trobar una alternativa que no només aconsegueixiITO, però s'espera que superi el rendiment de l'ITO [7].
Materials com els substrats de polímer que s'han modificat amb òxids conductors transparents han crescut en popularitat fins ara. Malauradament, s'ha demostrat que aquests substrats són fràgils, rígids i pesats, la qual cosa redueix en gran mesura la flexibilitat i el rendiment [7]. Els investigadors ofereixen una solució a utilitzant cèl·lules solars flexibles com a fibres com a reemplaçaments d'elèctrodes. Una bateria fibrosa consta d'un elèctrode i dos cables metàl·lics diferents que es retorcen i es combinen amb un material actiu per substituir l'elèctrode [7]. Les cèl·lules solars han demostrat ser prometedores a causa del seu pes lleuger. , però el problema és la manca d'àrea de contacte entre els cables metàl·lics, que redueix l'àrea de contacte i, per tant, provoca un rendiment fotovoltaic degradat [7].
Els factors ambientals també són un gran motivador per a la investigació continuada. Actualment, el món depèn en gran mesura de les fonts d'energia no renovables, com els combustibles fòssils, el carbó i el petroli. Desplaçant l'atenció de les fonts d'energia no renovables a les fonts d'energia renovables, inclosa l'energia solar, és una inversió necessària per al futur. Cada dia milions de persones carreguen els seus telèfons, ordinadors, ordinadors portàtils, rellotges intel·ligents i tots els dispositius electrònics, i utilitzar els nostres teixits per carregar aquests dispositius només caminant pot reduir el nostre ús de combustibles fòssils. Tot i que això pot semblar trivial a una escala petita d'1 o fins i tot 500 persones, quan s'amplia a desenes de milions podria reduir significativament el nostre ús de combustibles fòssils.
Se sap que els panells solars de les centrals solars, incloses les muntades a la part superior de les cases, ajuden a utilitzar energies renovables i reduir l'ús de combustibles fòssils, que encara s'utilitzen molt. Amèrica. construir aquestes granges. Una llar mitjana només pot suportar un cert nombre de panells solars, i el nombre de granges solars és limitat. A les zones amb ampli espai, la majoria de la gent sempre dubta a construir una nova planta d'energia solar perquè tanca permanentment la possibilitat. i el potencial d'altres oportunitats a la terra, com ara nous negocis. Hi ha un gran nombre d'instal·lacions de panells fotovoltaics flotants que poden generar grans quantitats d'electricitat recentment, i el principal benefici de les granges solars flotants és la reducció de costos [8]. no s'utilitza terra, no cal preocupar-se pels costos d'instal·lació a la part superior de cases i edificis. Totes les granges solars flotants conegudes actualment es troben en masses d'aigua artificials, i en el futurÉs possible situar aquestes granges en masses d'aigua naturals.Els embassaments artificials tenen molts avantatges que no són comuns a l'oceà [9]. Els embassaments artificials són fàcils de gestionar, i amb les infraestructures i carreteres anteriors, simplement es poden instal·lar granges. També s'ha demostrat que les granges solars flotants són més productives que granges solars terrestres a causa de les variacions de temperatura entre l'aigua i la terra [9]. A causa de l'elevat calor específic de l'aigua, la temperatura superficial de la terra és generalment més alta que la de les masses d'aigua, i s'ha demostrat que les altes temperatures afecten negativament la rendiment de les taxes de conversió del panell solar. Tot i que la temperatura no controla la quantitat de llum solar que rep un panell, sí que afecta la quantitat d'energia que rebeu de la llum solar. A baixes energies (és a dir, temperatures més fresques), els electrons dins del panell solar estaran dins un estat de repòs, i després quan la llum del sol incideix, arribaran a un estat excitat [10]. La diferència entre l'estat de repòs i l'estat excitat és quanta energia es genera en el voltatge.ht excita aquests electrons, però també pot escalfar-se. Si la calor al voltant del panell solar energitza els electrons i els posa en un estat d'excitació baixa, la tensió no serà tan gran quan la llum solar incideixi en el panell [10].Com que la terra absorbeix i emet calor més fàcilment que l'aigua, és probable que els electrons d'un panell solar a terra estiguin en un estat d'excitació més alt, i aleshores el panell solar es troba sobre o prop d'un cos d'aigua que és més fresc. Investigacions posteriors van demostrar que l'efecte de refredament de l'aigua al voltant dels panells flotants ajuda a generar un 12,5% més d'energia que a terra [9].
Fins ara, els panells solars només cobreixen l'1% de les necessitats energètiques dels Estats Units, però si aquestes granges solars es plantessin en fins a una quarta part dels dipòsits d'aigua artificials, els panells solars satisfarien gairebé el 10% de les necessitats energètiques dels Estats Units. A Colorado, on flota es van introduir panells tan aviat com va ser possible, dos grans dipòsits d'aigua a Colorado van perdre molta aigua a causa de l'evaporació, però instal·lant aquests panells flotants es va evitar que els embassaments s'assequessin i es va generar electricitat [11]. Fins i tot un per cent de l'home. -els embassaments fets equipats amb granges solars serien suficients per generar almenys 400 gigawatts d'electricitat, suficients per alimentar 44.000 milions de bombetes LED durant més d'un any.
La figura 4a mostra l'augment de potència proporcionat per la cèl·lula solar flotant en relació amb la figura 4b. Tot i que hi ha hagut poques granges solars flotants en l'última dècada, encara fan una gran diferència en la generació d'energia. En el futur, quan les granges solars flotants Es diu que l'energia total produïda es triplicarà de 0,5 TW el 2018 a 1,1 TW a finals de 2022.[12].
En termes mediambientals, aquestes granges solars flotants són molt beneficioses de moltes maneres. A més de reduir la dependència dels combustibles fòssils, les granges solars també redueixen la quantitat d'aire i llum solar que arriba a la superfície de l'aigua, cosa que pot ajudar a revertir el canvi climàtic [9]. una granja que redueix la velocitat del vent i la llum solar directa que incideix sobre la superfície de l'aigua en almenys un 10% podria compensar una dècada completa d'escalfament global [9]. En termes de biodiversitat i ecologia, no sembla que s'han trobat grans impactes negatius. Els panells eviten el fort vent. activitat a la superfície de l'aigua, reduint així l'erosió a la riba del riu, protegint i estimulant la vegetació.[13]. No hi ha resultats definitius sobre si la vida marina està afectada, però mesures com la biocabana plena de closca creada per Ecocean han submergit sota panells fotovoltaics per donar suport potencial a la vida marina.[13].Una de les principals preocupacions de la investigació en curs és l'impacte potencial en la cadena alimentària a causa de la instal·lació d'infraestructures com arapanells fotovoltaics en aigües obertes en lloc d'embassaments artificials. A mesura que entra menys llum solar a les aigües, provoca una reducció de la taxa de fotosíntesi, provocant una pèrdua massiva de fitoplàncton i macròfits. Amb la reducció d'aquestes plantes, l'impacte sobre els animals inferior a la cadena alimentària, etc., comporta subvencions per als organismes aquàtics [14]. Tot i que encara no ha passat, això podria evitar més danys potencials a l'ecosistema, un gran inconvenient de les granges solars flotants.
Atès que el sol és la nostra font més gran d'energia, pot ser difícil trobar maneres d'aprofitar aquesta energia i utilitzar-la a les nostres comunitats. Les noves tecnologies i innovacions disponibles cada dia ho fan possible. Tot i que no hi ha moltes peces de vestir que funcionen amb energia solar. comprar o visitar granges solars flotants per visitar ara mateix, això no canvia el fet que la tecnologia no té un gran potencial o un futur brillant. Les cèl·lules solars flotants tenen un llarg camí per recórrer en el sentit de la vida salvatge per ser tan comunes com panells solars a la part superior de les llars. Les cèl·lules solars portàtils tenen un llarg camí per recórrer abans que siguin tan habituals com la roba que portem cada dia. roba. A mesura que la tecnologia avança en les properes dècades, el potencial de la indústria solar és infinit.
Sobre Raj Shah El Dr. Raj Shah és director de la Koehler Instrument Company a Nova York, on ha treballat durant 27 anys. És un becari elegit pels seus col·legues d'IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Physics, Institute of Energy Research and the Royal Society of Chemistry. El guanyador del premi ASTM Eagle, el Dr. Shah, va coeditar recentment el més venut "Fuels and Lubricants Handbook", detalls disponibles al Long Waited Fuels and Lubricants Handbook d'ASTM, 2a edició - 15 de juliol, 2020 - David Phillips - Article de notícies de la indústria Petro - Petro Online (petro-online.com)
El Dr. Shah és doctor en enginyeria química per la Penn State University i membre de la Chartered School of Management de Londres.També és Chartered Scientist del Scientific Council, Chartered Petroleum Engineer de l'Energy Institute i un UK Engineering Council.Dr.Shah va ser reconegut recentment com a Enginyer Distingit per Tau beta Pi, la societat d'enginyeria més gran dels Estats Units. Forma part dels consells assessors de Farmingdale University (Mechanical Technology), Auburn University (Tribologia) i Stony Brook University (Enginyeria Química/ Ciència i Enginyeria dels Materials).
Raj és professor adjunt al Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Química de SUNY Stony Brook, ha publicat més de 475 articles i ha estat actiu en el camp de l'energia durant més de 3 anys. Podeu trobar més informació sobre Raj al director de Koehler Instrument Company. escollit com a membre de l'Institut Internacional de Física Petro Online (petro-online.com)
La Sra. Mariz Baslious i el Sr. Blerim Gashi són estudiants d'enginyeria química a SUNY, i el Dr. Raj Shah presideix el consell assessor extern de la universitat. Mariz i Blerim formen part d'un programa de pràctiques en creixement a Koehler Instrument, Inc. a Holtzville, Nova York, que anima els estudiants a aprendre més sobre el món de les tecnologies d'energies alternatives.
Hora de publicació: 12-feb-2022
