آخرین پیشرفت های منحصر به فرد در کاربردهای انرژی خورشیدی هر روز برای ما سودمند است

با رشد تمدن، انرژی مورد نیاز برای حمایت از شیوه زندگی ما هر روز افزایش می‌یابد، و ما را ملزم می‌کند تا راه‌های جدید و نوآورانه‌ای برای مهار منابع تجدیدپذیرمان مانند نور خورشید پیدا کنیم تا انرژی بیشتری برای جامعه ما برای ادامه پیشرفت ایجاد کنیم.
نور خورشید قرن هاست که زندگی را در سیاره ما فراهم کرده و امکان زندگی را فراهم کرده است. خورشید چه به طور مستقیم یا غیرمستقیم اجازه تولید تقریباً تمام منابع شناخته شده انرژی مانند سوخت های فسیلی، آبی، باد، زیست توده و غیره را می دهد. با رشد تمدن، انرژی مورد نیاز برای پشتیبانی شیوه زندگی ما هر روز افزایش می‌یابد، و ما را ملزم می‌کند تا راه‌های جدید و نوآورانه‌ای برای مهار منابع تجدیدپذیرمان، مانند نور خورشید، پیدا کنیم تا انرژی بیشتری برای جامعه‌مان برای ادامه پیشرفت ایجاد کنیم.

ژنراتور خورشیدی

در دنیای باستان، ما توانسته‌ایم با انرژی خورشیدی زنده بمانیم، با استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی در ساختمان‌هایی که بیش از 6000 سال پیش ساخته شده‌اند، با جهت‌گیری خانه به گونه‌ای که نور خورشید از روزنه‌هایی که به عنوان نوعی گرمایش عمل می‌کنند، عبور کند. هزاران سال بعد، مصری‌ها و یونانی‌ها از همین روش برای خنک نگه داشتن خانه‌های خود در طول تابستان با محافظت از خورشید استفاده کردند. نور خورشید نه تنها برای گرمایی که در دنیای باستان تولید می کرد ضروری بود، بلکه برای حفظ و نگهداری مواد غذایی از طریق نمک نیز استفاده می شد. در شور کردن، از خورشید برای تبخیر آب سمی دریا و به دست آوردن نمک استفاده می شود که جمع آوری می شود. در استخرهای خورشیدی [1]. در اواخر رنسانس، لئوناردو داوینچی اولین کاربرد صنعتی متمرکزکننده های خورشیدی آینه ای مقعر را به عنوان آبگرمکن پیشنهاد کرد و بعداً لئوناردو نیز فناوری جوشکاری را پیشنهاد کرد.با استفاده از تشعشعات خورشیدی و اجازه دادن به راه حل های فنی برای راه اندازی ماشین آلات نساجی [1]. به زودی در طول انقلاب صنعتی، دبلیو آدامز چیزی را ایجاد کرد که امروزه اجاق خورشیدی نامیده می شود. این اجاق دارای هشت آینه شیشه ای نقره ای متقارن است که یک بازتابنده هشت ضلعی را تشکیل می دهند. توسط آینه ها در یک جعبه چوبی با پوشش شیشه ای متمرکز می شود که در آن دیگ قرار می گیرد و می گذاریم بجوشد[1]. چند صد سال به جلو برویم و موتور بخار خورشیدی در حدود سال 1882 ساخته شد [1]. آبل پیفر از یک آینه مقعر استفاده کرد 3.5 متر قطر داشت و آن را روی یک دیگ بخار استوانه ای متمرکز می کرد که قدرت کافی برای به حرکت درآوردن دستگاه چاپ را تولید می کرد.
در سال 2004، اولین نیروگاه خورشیدی متمرکز تجاری جهان به نام Planta Solar 10 در سویل، اسپانیا تأسیس شد. نور خورشید بر روی یک برج تقریباً 624 متری منعکس می شود، جایی که گیرنده های خورشیدی با توربین های بخار و ژنراتورها نصب می شوند. این می تواند انرژی تولید کند. برای تامین برق بیش از 5500 خانه. تقریباً یک دهه بعد، در سال 2014، بزرگترین نیروگاه خورشیدی جهان در کالیفرنیا، ایالات متحده آمریکا افتتاح شد. این نیروگاه از بیش از 300000 آینه کنترل شده استفاده کرد و اجازه تولید 377 مگاوات برق را برای تامین برق تقریباً 140،000 خانه داد. 1].
نه تنها کارخانه‌ها ساخته و استفاده می‌شوند، بلکه مصرف‌کنندگان در فروشگاه‌های خرده‌فروشی نیز فناوری‌های جدیدی را ایجاد می‌کنند. پنل‌های خورشیدی اولین کار خود را آغاز کردند، و حتی خودروهای با انرژی خورشیدی وارد بازی شدند، اما یکی از آخرین پیشرفت‌هایی که هنوز اعلام نشده است، خورشیدی جدید است. فناوری پوشیدنی مجهز به انرژی. با ادغام یک اتصال USB یا دستگاه‌های دیگر، امکان اتصال از لباس به دستگاه‌هایی مانند منابع، تلفن‌ها و هدفون‌ها را فراهم می‌کند که می‌توان آن‌ها را در حین حرکت شارژ کرد. همین چند سال پیش، تیمی از محققان ژاپنی در Riken مؤسسه و صنایع تورا توسعه یک سلول خورشیدی آلی نازک را توصیف کردند که لباس ها را روی لباس چاپ می کرد و به سلول اجازه می داد انرژی خورشیدی را جذب کند و از آن به عنوان منبع انرژی استفاده کند [2]. سلول های خورشیدی میکرو سلول های فتوولتائیک آلی با حرارت حرارتی هستند. پایداری و انعطاف پذیری تا 120 درجه سانتی گراد [2]. اعضای گروه تحقیقاتی سلول های فتوولتائیک آلی را بر روی ماده ای به نام PNTz4T [3].پایداری محیطی و راندمان تبدیل توان بالا، سپس هر دو طرف سلول با الاستومر، ماده ای لاستیک مانند [3] پوشانده می شود. در این فرآیند، از دو الاستومر آکریلیک 500 میکرونی از پیش کشیده شده استفاده کردند که اجازه ورود نور را می دهد. استفاده از این الاستومر به کاهش تخریب خود باتری و افزایش عمر آن کمک می کند [3].

یکی از بارزترین ایرادات صنعت آب است. تحلیل رفتن این سلول ها می تواند ناشی از عوامل مختلفی باشد، اما بزرگترین آنها آب است، دشمن مشترک هر فناوری. هر گونه رطوبت بیش از حد و قرار گرفتن طولانی مدت در معرض هوا می تواند بر راندمان تأثیر منفی بگذارد. از سلول های فتوولتائیک آلی [4]. در حالی که در بیشتر موارد می توانید از وارد شدن آب به رایانه یا تلفن خود جلوگیری کنید، نمی توانید با لباس های خود از آن جلوگیری کنید. چه باران باشد و چه ماشین لباسشویی، آب اجتناب ناپذیر است. پس از آزمایش های مختلف روی دستگاه سلول فتوولتائیک آلی ایستاده آزاد و سلول فتوولتائیک آلی پوشش داده شده دو طرفه، هر دو سلول فتوولتائیک آلی به مدت 120 دقیقه در آب غوطه ور شدند، نتیجه گرفته شد که قدرت سلول فتوولتائیک آلی ایستاده آزاد است. راندمان تبدیل تنها با کاهش می یابد. 4/5 درصد سلولها 8/20 درصد کاهش یافت [5].
شکل 1. راندمان تبدیل توان نرمال شده به عنوان تابعی از زمان غوطه وری. میله های خطا در نمودار نشان دهنده انحراف استاندارد نرمال شده توسط میانگین بازده تبدیل توان اولیه در هر ساختار [5] است.
شکل 2 پیشرفت دیگری را در دانشگاه ناتینگهام ترنت نشان می دهد، یک سلول خورشیدی مینیاتوری که می تواند در یک نخ تعبیه شود، که سپس به یک پارچه بافته می شود [2]. هر باتری موجود در محصول دارای معیارهای خاصی برای استفاده است، مانند الزامات 3 میلی متر طول و 1.5 میلی متر عرض [2]. هر واحد با یک رزین ضد آب لمینت شده است تا لباس ها در اتاق لباسشویی یا به دلیل آب و هوا شسته شوند [2]. باتری ها نیز برای راحتی طراحی شده اند و هر کدام در یک دستگاه نصب می شوند. در تحقیقات بیشتر مشخص شد که در یک تکه لباس کوچک شبیه به یک بخش 5 سانتی متر مربع از پارچه می تواند بیش از 200 سلول داشته باشد که در حالت ایده آل بین 2.5 تا 10 ولت انرژی تولید می کند. به این نتیجه رسیدند که تنها 2000 سلول وجود دارد که سلول ها باید بتوانند تلفن های هوشمند را شارژ کنند [2].
شکل 2. سلول های خورشیدی میکرو به طول 3 میلی متر و عرض 1.5 میلی متر (عکس از دانشگاه ناتینگهام ترنت) [2].
پارچه‌های فتوولتائیک دو پلیمر سبک وزن و کم‌هزینه را برای ایجاد منسوجات مولد انرژی ترکیب می‌کنند. اولین مورد از این دو جزء یک سلول خورشیدی میکرو است که انرژی را از نور خورشید برداشت می‌کند و دومی شامل یک نانو ژنراتور است که انرژی مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. 6]. بخش فتوولتائیک پارچه شامل الیاف پلیمری است که سپس با لایه‌هایی از منگنز، اکسید روی (یک ماده فتوولتائیک) و یدید مس (برای جمع‌آوری بار) پوشانده می‌شود. سپس سلول‌ها با هم بافته می‌شوند. یک سیم مسی کوچک و یکپارچه در لباس.
راز پشت این نوآوری ها در الکترودهای شفاف دستگاه های فتوولتائیک انعطاف پذیر نهفته است. الکترودهای رسانای شفاف یکی از اجزای روی سلول های فتوولتائیک هستند که به نور اجازه ورود به سلول را می دهند و سرعت جمع آوری نور را افزایش می دهند. از اکسید قلع دوپ شده با ایندیم (ITO) استفاده می شود. برای ساخت این الکترودهای شفاف، که به دلیل شفافیت ایده‌آل (بیش از 80%) و مقاومت ورق خوب و همچنین پایداری محیطی عالی استفاده می‌شود [7]. ضخامت همراه با شفافیت و مقاومت، نتایج الکترودها را به حداکثر می‌رساند [7]. هر گونه نوسان در نسبت بر روی الکترودها و در نتیجه عملکرد تأثیر منفی می‌گذارد. برای مثال، افزایش ضخامت الکترود باعث کاهش شفافیت و مقاومت می‌شود که منجر به کاهش عملکرد می‌شود. با این حال، ITO یک منبع محدود است که به سرعت مصرف می شود. تحقیقات برای یافتن جایگزینی ادامه دارد که نه تنها به آن دست می یابد.ITO، اما انتظار می رود از عملکرد ITO پیشی بگیرد [7].
موادی مانند بسترهای پلیمری که با اکسیدهای رسانای شفاف اصلاح شده‌اند تا کنون محبوبیت زیادی پیدا کرده‌اند. متأسفانه، این لایه‌ها شکننده، سفت و سنگین هستند که انعطاف‌پذیری و عملکرد را تا حد زیادی کاهش می‌دهد [7]. محققان راه‌حلی برای استفاده از سلول های خورشیدی فیبر مانند انعطاف پذیر به عنوان جایگزین الکترود. یک باتری فیبری از یک الکترود و دو سیم فلزی متمایز تشکیل شده است که با یک ماده فعال برای جایگزینی الکترود پیچیده شده و ترکیب می شوند [7]. اما مشکل کمبود سطح تماس بین سیم های فلزی است که باعث کاهش سطح تماس و در نتیجه کاهش عملکرد فتوولتائیک می شود [7].
عوامل محیطی نیز انگیزه بزرگی برای ادامه تحقیقات هستند. در حال حاضر، جهان به شدت به منابع انرژی تجدید ناپذیر مانند سوخت های فسیلی، زغال سنگ و نفت متکی است. تغییر تمرکز از منابع انرژی تجدید ناپذیر به منابع انرژی تجدیدپذیر، از جمله انرژی خورشیدی، یک سرمایه‌گذاری ضروری برای آینده است. هر روز میلیون‌ها نفر تلفن‌ها، رایانه‌ها، لپ‌تاپ‌ها، ساعت‌های هوشمند و همه دستگاه‌های الکترونیکی خود را شارژ می‌کنند و استفاده از پارچه‌های ما برای شارژ این دستگاه‌ها تنها با پیاده‌روی می‌تواند استفاده ما از سوخت‌های فسیلی را کاهش دهد. اگرچه ممکن است به نظر برسد. در مقیاس کوچک 1 یا حتی 500 نفر، زمانی که به ده ها میلیون نفر می رسد می تواند به طور قابل توجهی استفاده ما از سوخت های فسیلی را کاهش دهد.
پنل های خورشیدی در نیروگاه های خورشیدی، از جمله آنهایی که در بالای خانه ها نصب می شوند، به عنوان کمک به استفاده از انرژی های تجدید پذیر و کاهش استفاده از سوخت های فسیلی، که هنوز به شدت مورد استفاده قرار می گیرند، شناخته شده اند. آمریکا. یکی از مشکلات عمده این صنعت، تهیه زمین است. این مزارع را بسازید. یک خانوار متوسط ​​فقط می تواند تعداد معینی پنل خورشیدی را پشتیبانی کند، و تعداد مزارع خورشیدی محدود است. در مناطقی با فضای کافی، اکثر مردم همیشه برای ساختن نیروگاه خورشیدی جدید مردد هستند زیرا این امکان را برای همیشه می بندد. و پتانسیل فرصت های دیگر در زمین، مانند کسب و کارهای جدید. تعداد زیادی از تاسیسات پانل های فتوولتائیک شناور وجود دارد که می تواند مقادیر زیادی برق تولید کند، و مزیت اصلی مزارع خورشیدی شناور کاهش هزینه است [8]. از زمین استفاده نمی شود، نیازی به نگرانی در مورد هزینه های نصب در بالای خانه ها و ساختمان ها نیست. همه مزارع خورشیدی شناور شناخته شده در حال حاضر بر روی آب های مصنوعی قرار دارند و در آینده آن هاامکان قرار دادن این مزارع بر روی آب های طبیعی وجود دارد.مخازن مصنوعی مزایای زیادی دارند که در اقیانوس ها رایج نیستند [9]. مدیریت مخازن دست ساز آسان است و با زیرساخت ها و جاده های قبلی، مزارع را می توان به سادگی نصب کرد. مزارع خورشیدی شناور نیز نشان داده شده است که مولدتر از مزارع خورشیدی مستقر در زمین به دلیل تغییرات دمایی بین آب و زمین [9]. به دلیل گرمای ویژه بالای آب، دمای سطح زمین به طور کلی بالاتر از بدنه‌های آبی است و نشان داده شده است که دمای بالا تأثیر منفی بر روی آب دارد. عملکرد نرخ تبدیل پنل خورشیدی. در حالی که دما میزان دریافت نور خورشید را کنترل نمی کند، اما بر میزان انرژی دریافتی شما از نور خورشید تأثیر می گذارد. در انرژی های پایین (یعنی دمای سردتر)، الکترون های داخل پنل خورشیدی در در حالت استراحت، و سپس هنگامی که نور خورشید برخورد می کند، به حالت برانگیخته می رسند [10]. تفاوت بین حالت استراحت و حالت برانگیخته در این است که چه مقدار انرژی در ولتاژ تولید می شود.ht این الکترون ها را تحریک می کند، اما گرما نیز می تواند. گرمای آسان‌تر از آب، الکترون‌های یک پنل خورشیدی در خشکی احتمالاً در حالت برانگیختگی بالاتری قرار می‌گیرند و سپس پنل خورشیدی روی یا نزدیک یک آب سردتر قرار می‌گیرد. تحقیقات بیشتر ثابت کرد که اثر خنک‌کننده آب اطراف پانل های شناور به تولید 12.5 درصد انرژی بیشتر از روی زمین کمک می کند [9].
تا کنون، پنل های خورشیدی تنها 1 درصد از نیازهای انرژی آمریکا را تامین می کنند، اما اگر این مزارع خورشیدی بر روی یک چهارم مخازن آب ساخته دست بشر کاشته شوند، پنل های خورشیدی تقریبا 10 درصد از نیاز انرژی آمریکا را برآورده می کنند. در کلرادو، جایی که شناور است. پانل ها در اسرع وقت معرفی شدند، دو مخزن بزرگ آب در کلرادو به دلیل تبخیر آب زیادی از دست دادند، اما با نصب این پانل های شناور از خشک شدن مخازن جلوگیری شد و برق تولید شد [11]. حتی یک درصد انسان ها مخازن ساخته شده مجهز به مزارع خورشیدی برای تولید حداقل 400 گیگاوات برق کافی است که برای تامین انرژی 44 میلیارد لامپ LED برای بیش از یک سال کافی است.
شکل 4a افزایش توان ارائه شده توسط سلول خورشیدی شناور را در رابطه با شکل 4b نشان می دهد. در حالی که در دهه گذشته مزارع خورشیدی شناور کمی وجود داشته است، آنها هنوز هم چنین تفاوت بزرگی در تولید برق ایجاد می کنند. در آینده، زمانی که مزارع خورشیدی شناور هستند. گفته می شود که کل انرژی تولید شده از 0.5TW در سال 2018 به 1.1TW در پایان سال 2022 سه برابر شود.[12].
از نظر زیست محیطی، این مزارع خورشیدی شناور از بسیاری جهات بسیار سودمند هستند. مزارع خورشیدی علاوه بر کاهش اتکا به سوخت های فسیلی، میزان هوا و نور خورشید را نیز کاهش می دهند که به سطح آب می رسد، که ممکن است به معکوس کردن تغییرات آب و هوایی کمک کند. مزرعه ای که سرعت باد و تابش مستقیم نور خورشید به سطح آب را حداقل 10 درصد کاهش می دهد، می تواند یک دهه کامل گرمایش جهانی را جبران کند [9]. از نظر تنوع زیستی و اکولوژی، به نظر می رسد هیچ تاثیر منفی بزرگی پیدا نشود. پانل ها از باد شدید جلوگیری می کنند. فعالیت در سطح آب، در نتیجه کاهش فرسایش در ساحل رودخانه، محافظت و تحریک پوشش گیاهی.[13]. هیچ نتایج قطعی در مورد اینکه آیا حیات دریایی تحت تاثیر قرار گرفته است وجود ندارد، اما اقداماتی مانند کلبه زیستی پر از پوسته ایجاد شده توسط Ecocean، تحت پانل های فتوولتائیک غوطه ور شده است تا به طور بالقوه از حیات دریایی پشتیبانی کند.[13]. یکی از نگرانی های اصلی تحقیقات در حال انجام، تأثیر بالقوه بر زنجیره غذایی به دلیل نصب زیرساخت هایی مانندپانل های فتوولتائیک بر روی آب های آزاد به جای مخازن ساخته شده توسط انسان. با ورود نور خورشید کمتر به آب ها، باعث کاهش سرعت فتوسنتز و در نتیجه از بین رفتن گسترده فیتوپلانکتون ها و ماکروفیت ها می شود. با کاهش این گیاهان، تأثیر آن بر حیوانات پایین تر در زنجیره غذایی و غیره، منجر به یارانه برای موجودات آبزی می شود [14]. اگرچه هنوز این اتفاق نیفتاده است، این می تواند از آسیب احتمالی بیشتر به اکوسیستم جلوگیری کند که یک اشکال عمده مزارع خورشیدی شناور است.
از آنجایی که خورشید بزرگترین منبع انرژی ما است، یافتن راه‌هایی برای مهار این انرژی و استفاده از آن در جوامع ما دشوار است. فناوری‌ها و نوآوری‌های جدید که هر روز در دسترس هستند این امکان را فراهم می‌کنند. در حالی که لباس‌های پوشیدنی با انرژی خورشیدی زیادی وجود ندارد. برای خرید یا بازدید از مزارع خورشیدی شناور در حال حاضر، این واقعیت را تغییر نمی‌دهد که این فناوری پتانسیل عظیم یا آینده روشنی ندارد. سلول‌های خورشیدی شناور راه درازی در پیش رو دارند تا از نظر حیات وحش به همان اندازه رایج باشند. پنل‌های خورشیدی بالای خانه‌ها. سلول‌های خورشیدی پوشیدنی راه درازی در پیش دارند تا به اندازه لباس‌هایی که هر روز می‌پوشیم رایج شوند. در آینده، انتظار می‌رود که سلول‌های خورشیدی در زندگی روزمره بدون نیاز به پنهان شدن بین ما استفاده شوند. لباس. با پیشرفت تکنولوژی در دهه های آینده، پتانسیل صنعت خورشیدی بی پایان است.
درباره راج شاه دکتر راج شاه مدیر شرکت ابزار کوهلر در نیویورک است که 27 سال در آنجا کار کرده است. او یکی از اعضای منتخب همکارانش در IChemE، CMI، STLE، AIC، NLGI، INSMTC، موسسه فیزیک، مؤسسه تحقیقات انرژی و انجمن سلطنتی شیمی. دکتر شاه، دریافت کننده جایزه عقاب ASTM، اخیراً کتاب پرفروش «سوخت ها و روان کننده ها» را ویرایش کرده است، جزئیات موجود در کتاب راهنمای سوخت ها و روان کننده های مورد انتظار ASTM، ویرایش دوم – 15 ژوئیه، 2020 – دیوید فیلیپس – مقاله اخبار صنعت پترو – پترو آنلاین (petro-online.com)
دکتر شاه دارای مدرک دکترای مهندسی شیمی از دانشگاه پن استیت و عضو دانشکده مدیریت منشور لندن است.او همچنین یک دانشمند خبره از شورای علمی، یک مهندس خبره نفت از موسسه انرژی و یک شورای مهندسی بریتانیا است.شاه اخیراً توسط تائو بتا پی، بزرگترین انجمن مهندسی در ایالات متحده، به عنوان مهندس ممتاز مفتخر شد. او در هیئت مشاوران دانشگاه Farmingdale (فناوری مکانیک)، دانشگاه Auburn (Tribology) و دانشگاه Stony Brook (مهندسی شیمی/) حضور دارد. علم و مهندسی مواد).
راج استادیار دپارتمان علوم مواد و مهندسی شیمی در SUNY Stony Brook است، بیش از 475 مقاله منتشر کرده است و بیش از 3 سال است که در زمینه انرژی فعال بوده است. اطلاعات بیشتر در مورد راج را می توانید در مدیر شرکت ابزار کولر بیابید. به عنوان عضو موسسه بین المللی فیزیک پترو آنلاین (petro-online.com) انتخاب شد.
خانم ماریز باسلیوس و آقای بلریم گاشی دانشجویان مهندسی شیمی در SUNY هستند و دکتر راج شاه ریاست هیئت مشاوران خارجی دانشگاه را بر عهده دارد. ماریز و بلریم بخشی از یک برنامه کارآموزی رو به رشد در Koehler Instrument, Inc. در Holtzville, NY هستند. دانش آموزان را تشویق می کند تا در مورد دنیای فناوری های انرژی جایگزین بیشتر بیاموزند.