Habang lumalaki ang sibilisasyon, ang enerhiya na kailangan upang suportahan ang ating paraan ng pamumuhay ay tumataas araw-araw, na nangangailangan sa atin na maghanap ng mga bago at makabagong paraan upang magamit ang ating mga nababagong mapagkukunan, tulad ng sikat ng araw, upang lumikha ng higit na enerhiya para sa ating lipunan upang magpatuloy sa Pag-unlad.
Ang liwanag ng araw ay nagbigay at nagbigay-daan sa buhay sa ating planeta sa loob ng maraming siglo. Direkta man o hindi direkta, ang araw ay nagbibigay-daan sa pagbuo ng halos lahat ng kilalang pinagmumulan ng enerhiya tulad ng fossil fuels, hydro, wind, biomass, atbp. Habang lumalaki ang sibilisasyon, ang enerhiya na kailangan upang suportahan dumarami ang ating pamumuhay araw-araw, na nangangailangan sa atin na humanap ng mga bago at makabagong paraan upang magamit ang ating mga nababagong mapagkukunan, tulad ng sikat ng araw, upang lumikha ng higit na enerhiya para sa ating lipunan upang magpatuloy sa Pag-unlad.
Noon pa noong sinaunang mundo, nakaligtas tayo sa solar energy, ang paggamit ng sikat ng araw bilang pinagmumulan ng enerhiya ay nagmula sa mga gusaling itinayo higit sa 6,000 taon na ang nakalilipas, sa pamamagitan ng pag-orient sa bahay upang ang sikat ng araw ay dumaan sa mga siwang na nagsisilbing anyo ng pag-init. . Makalipas ang libu-libong taon, ginamit ng mga Ehipsiyo at Griyego ang parehong pamamaraan upang mapanatiling malamig ang kanilang mga bahay sa panahon ng tag-araw sa pamamagitan ng pagprotekta sa kanila mula sa araw [1]. Ginagamit ang malalaking single pane window bilang solar thermal windows, na nagpapahintulot sa init mula sa araw na makapasok ngunit nakakapit. ang init sa loob. Ang liwanag ng araw ay hindi lamang mahalaga para sa init na ginawa nito sa sinaunang mundo, ngunit ginamit din ito upang mapanatili at mapanatili ang pagkain sa pamamagitan ng asin. sa mga solar pool [1]. Noong huling bahagi ng Renaissance, iminungkahi ni Leonardo da Vinci ang unang pang-industriya na aplikasyon ng concave mirror solar concentrators bilang mga pampainit ng tubig, at kalaunan ay iminungkahi din ni Leonardo ang teknolohiya ng welding copper gamit ang solar radiation at pinahihintulutan ang mga teknikal na solusyon na magpatakbo ng makinarya sa tela [1]. Di-nagtagal sa panahon ng Industrial Revolution, nilikha ni W. Adams ang tinatawag ngayong solar oven. Ang oven na ito ay may walong simetriko na silver glass na salamin na bumubuo ng octagonal reflector. na pinupunto ng mga salamin sa isang kahoy na kahon na natatakpan ng salamin kung saan ilalagay ang palayok at hayaang kumulo ito[1].Fast forward ng ilang daang taon at naitayo ang solar steam engine noong 1882 [1]. Gumamit si Abel Pifre ng malukong salamin 3.5 m ang lapad at itinuon ito sa isang cylindrical steam boiler na gumawa ng sapat na lakas upang himukin ang palimbagan.
Noong 2004, ang unang komersyal na concentrated solar power plant sa mundo na tinatawag na Planta Solar 10 ay itinatag sa Seville, Spain. Ang liwanag ng araw ay makikita sa isang tore na humigit-kumulang 624 metro, kung saan ang mga solar receiver ay naka-install na may mga steam turbine at generator. Ito ay may kakayahang makabuo ng enerhiya na nagpapagana ng higit sa 5,500 mga tahanan. Makalipas ang halos isang dekada, noong 2014, binuksan ang pinakamalaking solar power plant sa mundo sa California, USA. Gumamit ang planta ng higit sa 300,000 controlled mirrors at pinahintulutan ang produksyon ng 377 megawatts ng kuryente na magpaandar ng humigit-kumulang 140,000 tahanan [ 1].
Hindi lamang ang mga pabrika ay itinatayo at ginagamit, ngunit ang mga mamimili sa mga retail na tindahan ay lumilikha din ng mga bagong teknolohiya. Ang mga solar panel ay nag-debut, at maging ang mga solar-powered na sasakyan ay naglaro, ngunit ang isa sa mga pinakabagong pag-unlad na hindi pa ipahayag ay ang bagong solar- powered wearable technology.Sa pamamagitan ng pagsasama ng USB connection o iba pang device, pinapayagan nito ang koneksyon mula sa damit patungo sa mga device gaya ng mga source, telepono at earbuds, na maaaring ma-charge on the go. Ilang taon lang ang nakalipas, isang team ng Japanese researcher sa Riken Inilarawan ng Institute at Torah Industries ang pagbuo ng isang manipis na organic solar cell na magpapainit ng mga damit sa damit, na nagpapahintulot sa cell na sumipsip ng solar energy at gamitin ito bilang pinagmumulan ng kuryente [2] ].Ang mga micro solar cell ay mga organic na photovoltaic cells na may thermal. katatagan at kakayahang umangkop hanggang sa 120 °C [2]. Ang mga miyembro ng pangkat ng pananaliksik na nakabatay sa mga organic na photovoltaic cells sa isang materyal na tinatawag na PNTz4T [3]. Ang PNTz4T ay isang semiconducting polymer na dating binuo ni Riken para sa mahusay na enkatatagan ng kapaligiran at kahusayan sa conversion ng mataas na kapangyarihan, pagkatapos ang magkabilang panig ng cell ay natatakpan ng elastomer, isang materyal na tulad ng goma [3]. Sa proseso, gumamit sila ng dalawang pre-stretched na 500-micron-thick na acrylic elastomer na nagpapahintulot sa liwanag na pumasok ang cell ngunit pinipigilan ang tubig at hangin na pumasok sa cell.Ang paggamit ng elastomer na ito ay nakakatulong na mabawasan ang pagkasira ng baterya mismo at pahabain ang buhay nito [3].
Ang isa sa mga pinaka-kapansin-pansing disbentaha ng industriya ay ang tubig. Ang pagkabulok ng mga selulang ito ay maaaring sanhi ng iba't ibang mga kadahilanan, ngunit ang pinakamalaki ay ang tubig, ang karaniwang kaaway ng anumang teknolohiya. Anumang labis na kahalumigmigan at matagal na pagkakalantad sa hangin ay maaaring negatibong makaapekto sa kahusayan ng mga organic na photovoltaic cell [4]. Bagama't maiiwasan mo ang pagkuha ng tubig sa iyong computer o telepono sa karamihan ng mga kaso, hindi mo ito maiiwasan gamit ang iyong mga damit. Ulan man o washing machine, hindi maiiwasan ang tubig. Pagkatapos ng iba't ibang pagsubok sa free-standing organic photovoltaic cell at ang double-sided coated organic photovoltaic cell, parehong organic photovoltaic cells ay inilubog sa tubig sa loob ng 120 minuto, napagpasyahan na ang kapangyarihan ng free-standing organic photovoltaic cell ay Ang kahusayan ng conversion ay nabawasan lamang ng 5.4%.Bumaba ang mga cell ng 20.8% [5].
Figure 1. Normalized power conversion efficiency bilang isang function ng immersion time. Ang mga error bar sa graph ay kumakatawan sa standard deviation na na-normalize ng mean ng unang power conversion efficiencies sa bawat structure [5].
Ang Figure 2 ay naglalarawan ng isa pang pag-unlad sa Nottingham Trent University, isang maliit na solar cell na maaaring i-embed sa isang sinulid, na pagkatapos ay hahabi sa isang tela [2]. Ang bawat baterya na kasama sa produkto ay nakakatugon sa ilang partikular na pamantayan para sa paggamit, tulad ng mga kinakailangan ng 3mm ang haba at 1.5mm ang lapad[2].Ang bawat unit ay nakalamina ng isang waterproof resin upang payagan ang paglalaba na mahugasan sa laundry room o dahil sa lagay ng panahon [2]. Ang mga baterya ay iniangkop din para sa kaginhawahan, at ang bawat isa ay naka-mount sa isang paraan na hindi nakausli o nakakairita sa balat ng nagsusuot. Sa karagdagang pananaliksik, natuklasan na sa isang maliit na piraso ng damit na katulad ng 5cm^2 na seksyon ng tela ay maaaring maglaman lamang ng higit sa 200 mga cell, na perpektong gumagawa ng 2.5 – 10 volts ng enerhiya, at napagpasyahan na mayroon lamang 2000 na mga cell Ang mga cell ay kailangang makapag-charge ng mga smartphone [2].
Figure 2. Micro solar cells 3 mm ang haba at 1.5 mm ang lapad (larawan sa kagandahang-loob ng Nottingham Trent University) [2].
Pinagsasama ng mga photovoltaic na tela ang dalawang magaan at murang polimer upang lumikha ng mga tela na bumubuo ng enerhiya. Ang una sa dalawang bahagi ay isang micro solar cell, na kumukuha ng enerhiya mula sa sikat ng araw, at ang pangalawa ay binubuo ng isang nanogenerator, na nagpapalit ng mekanikal na enerhiya sa kuryente [ 6]. Ang photovoltaic na bahagi ng tela ay binubuo ng mga polymer fibers, na pagkatapos ay pinahiran ng mga layer ng manganese, zinc oxide (isang photovoltaic na materyal), at copper iodide (para sa pagkolekta ng charge) [6]. Ang mga cell ay hinahabi pagkatapos ng isang maliit na tansong wire at isinama sa damit.
Ang sikreto sa likod ng mga inobasyong ito ay nasa mga transparent na electrodes ng flexible photovoltaic device. Ang mga transparent conductive electrodes ay isa sa mga bahagi sa photovoltaic cells na nagpapahintulot sa liwanag na makapasok sa cell, na nagpapataas ng light collection rate.Indium-doped tin oxide (ITO) ay ginagamit upang gawan ang mga transparent na electrodes na ito, na ginagamit para sa perpektong transparency nito (>80%) at magandang sheet resistance pati na rin ang mahusay na environmental stability [7]. Ang ITO ay mahalaga dahil ang lahat ng mga bahagi nito ay nasa halos perpektong proporsyon. Ang ratio ng ang kapal na sinamahan ng transparency at resistensya ay nagpapalaki sa mga resulta ng mga electrodes [7]. Anumang pagbabagu-bago sa ratio ay negatibong makakaapekto sa mga electrodes at sa gayon ay ang performance. Gayunpaman, ang ITO ay isang may hangganang mapagkukunan na mabilis na nauubos. Patuloy ang pananaliksik upang makahanap ng alternatibong hindi lamang nakakamitITO, ngunit inaasahang malampasan ang pagganap ng ITO [7].
Ang mga materyales tulad ng polymer substrates na binago gamit ang transparent conductive oxides ay lumaki sa katanyagan hanggang ngayon. Sa kasamaang palad, ang mga substrate na ito ay ipinakita na malutong, matigas at mabigat, na lubos na nakakabawas sa flexibility at performance [7]. Nag-aalok ang mga mananaliksik ng solusyon sa gamit ang flexible fiber-like solar cells bilang kapalit ng electrode.Ang isang fibrous na baterya ay binubuo ng isang electrode at dalawang natatanging metal wires na pinaikot at pinagsama sa isang aktibong materyal upang palitan ang electrode [7]. Ang mga solar cell ay nagpakita ng pangako dahil sa kanilang magaan na timbang , ngunit ang problema ay ang kakulangan ng contact area sa pagitan ng mga metal wire, na nagpapababa sa contact area at sa gayon ay nagreresulta sa degraded photovoltaic performance [7].
Ang mga salik sa kapaligiran ay isa ring malaking motivator para sa patuloy na pagsasaliksik. Sa kasalukuyan, lubos na umaasa ang mundo sa mga hindi nababagong pinagkukunan ng enerhiya tulad ng mga fossil fuel, karbon at langis. Paglilipat ng pokus mula sa hindi nababagong mga pinagkukunan ng enerhiya patungo sa mga pinagkukunan ng nababagong enerhiya, kabilang ang solar energy, ay isang kinakailangang pamumuhunan para sa hinaharap. Araw-araw, milyun-milyong tao ang nagcha-charge ng kanilang mga telepono, computer, laptop, smartwatch at lahat ng mga elektronikong device, at ang paggamit ng aming mga tela upang i-charge ang mga device na ito sa pamamagitan lamang ng paglalakad ay maaaring mabawasan ang aming paggamit ng mga fossil fuel. Bagama't ito ay tila walang halaga sa isang maliit na sukat na 1 o kahit 500 katao, kapag pinalaki hanggang sampu-sampung milyon maaari itong makabuluhang bawasan ang ating paggamit ng mga fossil fuel.
Ang mga solar panel sa mga solar power plant, kabilang ang mga naka-mount sa itaas ng mga bahay, ay kilala na nakakatulong sa paggamit ng renewable energy at bawasan ang paggamit ng fossil fuels, na madalas pa ring ginagamit.America.Isa sa mga pangunahing problema ng industriya ay ang pagkuha ng lupa upang itayo ang mga bukid na ito. Ang isang karaniwang sambahayan ay maaari lamang suportahan ang isang tiyak na bilang ng mga solar panel, at ang bilang ng mga solar farm ay limitado. Sa mga lugar na may sapat na espasyo, karamihan sa mga tao ay palaging nag-aalangan na magtayo ng isang bagong solar power plant dahil ito ay permanenteng isinasara ang posibilidad at potensyal ng iba pang mga pagkakataon sa lupa, tulad ng mga bagong negosyo. Mayroong malaking bilang ng mga floating photovoltaic panel installation na maaaring makabuo ng malaking halaga ng kuryente kamakailan, at ang pangunahing benepisyo ng mga floating solar farm ay ang pagbabawas ng gastos [8]. Kung ang hindi ginagamit ang lupa, hindi kailangang mag-alala tungkol sa mga gastos sa pag-install sa itaas ng mga bahay at gusali. Ang lahat ng kasalukuyang kilalang floating solar farm ay matatagpuan sa mga artipisyal na anyong tubig, at sa hinaharap ayPosibleng ilagay ang mga sakahan na ito sa mga natural na anyong tubig.Ang mga artipisyal na reservoir ay may maraming pakinabang na hindi karaniwan sa karagatan [9]. Ang mga gawang-tao na reservoir ay madaling pangasiwaan, at sa mga naunang imprastraktura at mga kalsada, ang mga sakahan ay maaaring mai-install lamang. Ang mga lumulutang na solar farm ay ipinakita rin na mas produktibo kaysa sa land-based solar farm dahil sa mga pagkakaiba-iba ng temperatura sa pagitan ng tubig at lupa [9]. Dahil sa mataas na tiyak na init ng tubig, ang temperatura sa ibabaw ng lupa ay karaniwang mas mataas kaysa sa mga anyong tubig, at ang mataas na temperatura ay ipinakita na negatibong nakakaapekto sa pagganap ng mga rate ng conversion ng solar panel. Bagama't hindi kinokontrol ng temperatura kung gaano karaming sikat ng araw ang natatanggap ng isang panel, nakakaapekto ito sa kung gaano karaming enerhiya ang natatanggap mo mula sa sikat ng araw. Sa mababang enerhiya (ibig sabihin, mas malamig na temperatura), ang mga electron sa loob ng solar panel ay nasa isang resting state, at pagkatapos ay kapag ang sikat ng araw ay tumama, sila ay aabot sa isang excited state [10]. Ang pagkakaiba sa pagitan ng resting state at ang excited state ay kung gaano karaming enerhiya ang nabuo sa boltahe.ht nagpapasigla sa mga electron na ito, ngunit maaari ding magpainit. Kung ang init sa paligid ng solar panel ay nagpapasigla sa mga electron at inilalagay ang mga ito sa mababang excited na estado, ang boltahe ay hindi magiging kasing laki kapag ang sikat ng araw ay tumama sa panel [10]. Dahil ang lupa ay sumisipsip at naglalabas. mas madaling magpainit kaysa sa tubig, ang mga electron sa isang solar panel sa lupa ay malamang na nasa mas mataas na estadong nasasabik, at pagkatapos ay ang solar panel ay matatagpuan sa o malapit sa isang anyong tubig na mas malamig. Pinatunayan ng karagdagang pananaliksik na ang epekto ng paglamig ng ang tubig sa paligid ng mga lumulutang na panel ay nakakatulong na makabuo ng 12.5% na mas maraming enerhiya kaysa sa lupa [9].
Sa ngayon, ang mga solar panel ay nakakatugon lamang sa 1% ng mga pangangailangan sa enerhiya ng America, ngunit kung ang mga solar farm na ito ay itinanim sa hanggang isang-kapat ng mga gawang-tao na mga reservoir ng tubig, ang mga solar panel ay makakatugon sa halos 10% ng mga pangangailangan ng enerhiya ng America. Sa Colorado, kung saan lumulutang ang mga panel ay ipinakilala sa lalong madaling panahon, dalawang malalaking water reservoir sa Colorado ang nawalan ng maraming tubig dahil sa evaporation, ngunit sa pamamagitan ng pag-install ng mga floating panel na ito, ang mga reservoir ay napigilang matuyo at ang kuryente ay nabuo [11]. Kahit isang porsyento ng tao -Ang mga ginawang reservoir na nilagyan ng mga solar farm ay sapat na upang makabuo ng hindi bababa sa 400 gigawatts ng kuryente, sapat na para sa 44 bilyong LED light bulbs sa loob ng mahigit isang taon.
Ipinapakita ng Figure 4a ang pagtaas ng kuryente na ibinibigay ng floating solar cell kaugnay ng Figure 4b. Bagama't kakaunti ang mga floating solar farm sa nakalipas na dekada, malaki pa rin ang nagagawa nila sa pagbuo ng kuryente. Sa hinaharap, kapag lumulutang ang mga solar farm. nagiging mas sagana, ang kabuuang enerhiya na ginawa ay sinasabing triple mula 0.5TW noong 2018 hanggang 1.1TW sa pagtatapos ng 2022.[12].
Sa pagsasalita sa kapaligiran, ang mga floating solar farm na ito ay lubhang kapaki-pakinabang sa maraming paraan. sakahan na nagpapababa ng bilis ng hangin at direktang sikat ng araw na tumatama sa ibabaw ng tubig ng hindi bababa sa 10% ay maaaring makabawi sa buong dekada ng global warming [9]. Sa mga tuntunin ng biodiversity at ekolohiya, walang malalaking negatibong epekto ang lumilitaw. Pinipigilan ng mga panel ang malakas na hangin aktibidad sa ibabaw ng tubig, sa gayo'y binabawasan ang pagguho sa pampang ng ilog, pinoprotektahan at pinasisigla ang mga halaman.[13].Walang tiyak na resulta kung apektado ang buhay-dagat, ngunit ang mga hakbang tulad ng bio-hut na puno ng shell na nilikha ng Ecocean ay may ay nakalubog sa ilalim ng mga photovoltaic panel upang potensyal na suportahan ang marine life.[13].Isa sa mga pangunahing alalahanin ng patuloy na pananaliksik ay ang potensyal na epekto sa food chain dahil sa pag-install ng mga imprastraktura tulad ngmga photovoltaic panel sa bukas na tubig sa halip na mga reservoir na gawa ng tao. Habang mas kaunting sikat ng araw ang pumapasok sa tubig, nagdudulot ito ng pagbawas sa rate ng photosynthesis, na nagreresulta sa napakalaking pagkawala ng phytoplankton at macrophytes. Sa pagbabawas ng mga halaman na ito, ang epekto sa mga hayop mas mababa sa kadena ng pagkain, atbp., ay humahantong sa mga subsidyo para sa mga aquatic na organismo [14]. Bagama't hindi pa ito nangyayari, mapipigilan nito ang karagdagang potensyal na pinsala sa ecosystem, isang pangunahing disbentaha ng mga lumulutang na solar farm.
Dahil ang araw ang ating pinakamalaking pinagmumulan ng enerhiya, maaaring mahirap humanap ng mga paraan upang magamit ang enerhiyang ito at gamitin ito sa ating mga komunidad. Ginagawang posible ito ng mga bagong teknolohiya at inobasyong available araw-araw. Bagama't walang masyadong nasusuot na mga damit na pinapagana ng solar upang bumili o magpalutang ng mga solar farm na bibisitahin ngayon, hindi nito binabago ang katotohanan na ang teknolohiya ay walang malaking potensyal o isang magandang kinabukasan. Ang mga lumulutang na solar cell ay may mahabang paraan upang pumunta sa isang wildlife sense na maging kasingkaraniwan ng mga solar panel sa ibabaw ng mga bahay. Mahaba pa ang mararating ng mga naisusuot na solar cell bago maging karaniwan ang mga ito gaya ng mga damit na isinusuot natin araw-araw. Sa hinaharap, ang mga solar cell ay inaasahang gagamitin sa pang-araw-araw na buhay nang hindi kinakailangang itago sa pagitan ng ating damit.Habang umuunlad ang teknolohiya sa mga darating na dekada, ang potensyal ng solar industry ay walang katapusan.
Tungkol kay Raj Shah Si Dr. Raj Shah ay isang direktor ng Koehler Instrument Company sa New York, kung saan siya nagtrabaho sa loob ng 27 taon. Siya ay isang kapwa inihalal ng kanyang mga kasamahan sa IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Physics, Institute of Energy Research at ang Royal Society of Chemistry. Ang tatanggap ng ASTM Eagle Award na si Dr. Shah ay nag-co-edit kamakailan sa pinakamabentang "Fuels and Lubricants Handbook," mga detalyeng available sa ASTM's Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook, 2nd Edition – Hulyo 15, 2020 – David Phillips – Artikulo ng Balita sa Industriya ng Petro – Petro Online (petro-online.com)
Si Dr. Shah ay mayroong PhD sa Chemical Engineering mula sa Penn State University at isang Fellow ng Chartered School of Management, London.Isa rin siyang Chartered Scientist ng Scientific Council, isang Chartered Petroleum Engineer ng Energy Institute at isang UK Engineering Council.Dr.Si Shah ay pinarangalan kamakailan bilang isang Distinguished Engineer ng Tau beta Pi, ang pinakamalaking engineering society sa United States. Siya ay nasa advisory boards ng Farmingdale University (Mechanical Technology), Auburn University (Tribology), at Stony Brook University (Chemical Engineering/ Mga Materyal na Agham at Engineering).
Si Raj ay isang adjunct professor sa Department of Materials Science at Chemical Engineering sa SUNY Stony Brook, ay naglathala ng higit sa 475 na mga artikulo at naging aktibo sa larangan ng enerhiya sa loob ng higit sa 3 taon. Higit pang impormasyon sa Raj ay matatagpuan sa Direktor ng Koehler Instrument Company nahalal bilang Fellow sa International Institute of Physics Petro Online (petro-online.com)
Si Ms. Mariz Baslious at Mr. Blerim Gashi ay mga mag-aaral sa chemical engineering sa SUNY, at si Dr. Raj Shah ang namumuno sa external advisory board ng unibersidad. Si Mariz at Blerim ay bahagi ng isang lumalagong internship program sa Koehler Instrument, Inc. sa Holtzville, NY, na hinihikayat ang mga mag-aaral na matuto nang higit pa tungkol sa mundo ng mga alternatibong teknolohiya ng enerhiya.
Oras ng post: Peb-12-2022
