Man mano che la civiltà cresce, l'energia necessaria per sostenere il nostro stile di vita aumenta ogni giorno, richiedendoci di trovare modi nuovi e innovativi per sfruttare le nostre risorse rinnovabili, come la luce solare, per creare più energia affinché la nostra società continui il progresso.
La luce solare ha fornito e consentito la vita sul nostro pianeta per secoli.Direttamente o indirettamente, il sole consente la generazione di quasi tutte le fonti di energia conosciute come combustibili fossili, idroelettrico, eolico, biomassa, ecc. Man mano che la civiltà cresce, l'energia necessaria per sostenere il nostro modo di vivere aumenta ogni giorno, richiedendoci di trovare modi nuovi e innovativi per sfruttare le nostre risorse rinnovabili, come la luce solare, per creare più energia affinché la nostra società continui il progresso.
Già nel mondo antico siamo stati in grado di sopravvivere grazie all'energia solare, utilizzando la luce solare come fonte di energia originata in edifici costruiti più di 6.000 anni fa, orientando la casa in modo che la luce solare passi attraverso aperture che fungono da forma di riscaldamento .Migliaia di anni dopo, Egizi e Greci usarono la stessa tecnica per mantenere fresche le loro case durante l'estate proteggendole dal sole [1].Grandi finestre a vetro singolo sono usate come finestre solari termiche, permettendo al calore del sole di entrare ma intrappolando il calore all'interno. La luce solare non era solo essenziale per il calore che produceva nel mondo antico, ma era anche usata per conservare e conservare gli alimenti attraverso il sale. Nella salinizzazione, il sole viene utilizzato per far evaporare l'acqua di mare tossica e ottenere il sale, che viene raccolto nelle piscine solari [1]. Nel tardo Rinascimento, Leonardo da Vinci propose la prima applicazione industriale di concentratori solari a specchio concavo come scaldabagni, e successivamente Leonardo propose anche la tecnologia della saldatura copper utilizzando la radiazione solare e consentendo a soluzioni tecniche di far funzionare le macchine tessili [1]. Presto, durante la rivoluzione industriale, W. Adams creò quello che oggi viene chiamato un forno solare. Questo forno ha otto specchi simmetrici di vetro argentato che formano un riflettore ottagonale. La luce solare è concentrato da specchi in una scatola di legno ricoperta di vetro dove verrà posizionata la pentola e fatta bollire [1]. Avanti di qualche centinaio di anni e la macchina solare a vapore fu costruita intorno al 1882 [1]. Abel Pifre utilizzò uno specchio concavo 3,5 m di diametro e lo concentrò su una caldaia a vapore cilindrica che produceva energia sufficiente per azionare la macchina da stampa.
Nel 2004 è stata fondata a Siviglia, in Spagna, la prima centrale solare a concentrazione commerciale chiamata Planta Solar 10. La luce del sole viene riflessa su una torre di circa 624 metri, dove sono installati ricevitori solari con turbine a vapore e generatori. Questo è in grado di generare energia per alimentare più di 5.500 case.Quasi un decennio dopo, nel 2014, la più grande centrale solare del mondo è stata aperta in California, USA.L'impianto utilizzava più di 300.000 specchi controllati e consentiva la produzione di 377 megawatt di elettricità per alimentare circa 140.000 case [ 1].
Non solo le fabbriche vengono costruite e utilizzate, ma anche i consumatori nei negozi al dettaglio stanno creando nuove tecnologie. I pannelli solari hanno fatto il loro debutto e sono entrate in gioco anche le auto a energia solare, ma uno degli ultimi sviluppi ancora da annunciare è il nuovo impianto solare tecnologia indossabile alimentata. Integrando una connessione USB o altri dispositivi, consente la connessione dall'abbigliamento a dispositivi come sorgenti, telefoni e auricolari, che possono essere ricaricati in movimento. Solo pochi anni fa, un team di ricercatori giapponesi del Riken Institute e Torah Industries hanno descritto lo sviluppo di una sottile cella solare organica in grado di stampare a caldo i vestiti sui vestiti, consentendo alla cella di assorbire l'energia solare e usarla come fonte di energia [2] ]. Le microcelle solari sono celle fotovoltaiche organiche con calore stabilità e flessibilità fino a 120 °C [2]. I membri del gruppo di ricerca hanno basato celle fotovoltaiche organiche su un materiale chiamato PNTz4T [3]. PNTz4T è un polimero semiconduttore precedentemente sviluppato da Riken per eccellenti enstabilità ambientale ed elevata efficienza di conversione di potenza, quindi entrambi i lati della cella sono ricoperti con elastomero, un materiale simile alla gomma [3]. Nel processo, sono stati utilizzati due elastomeri acrilici prestirati di 500 micron di spessore che consentono alla luce di entrare la cella ma impedisce all'acqua e all'aria di entrare nella cella. L'uso di questo elastomero aiuta a ridurre il degrado della batteria stessa e prolungarne la vita [3].
Uno degli svantaggi più notevoli del settore è l'acqua. La degenerazione di queste celle può essere causata da una varietà di fattori, ma il più grande è l'acqua, il nemico comune di qualsiasi tecnologia. L'umidità in eccesso e l'esposizione prolungata all'aria possono influire negativamente sull'efficienza di celle fotovoltaiche organiche [4]. Anche se nella maggior parte dei casi puoi evitare di bagnare il tuo computer o telefono, non puoi evitarlo con i tuoi vestiti. Che sia la pioggia o una lavatrice, l'acqua è inevitabile. Dopo vari test sul cella fotovoltaica organica autoportante e cella fotovoltaica organica a doppia faccia, entrambe le celle fotovoltaiche organiche sono state immerse in acqua per 120 minuti, si è concluso che la potenza della cella fotovoltaica organica autoportante era L'efficienza di conversione è ridotta solo di 5,4%.Le cellule sono diminuite del 20,8% [5].
Figura 1. Efficienza di conversione di potenza normalizzata in funzione del tempo di immersione. Le barre di errore sul grafico rappresentano la deviazione standard normalizzata dalla media delle efficienze di conversione di potenza iniziale in ciascuna struttura [5].
La figura 2 illustra un altro sviluppo alla Nottingham Trent University, una cella solare in miniatura che può essere incorporata in un filato, che viene poi intrecciato in un tessuto [2]. Ogni batteria inclusa nel prodotto soddisfa determinati criteri di utilizzo, come i requisiti di 3 mm di lunghezza e 1,5 mm di larghezza[2]. Ogni unità è laminata con una resina impermeabile per consentire il lavaggio del bucato in lavanderia o in caso di condizioni meteorologiche [2]. Anche le batterie sono personalizzate per il comfort e ciascuna è montata in una modo che non sporga o irriti la pelle di chi lo indossa. In ulteriori ricerche è stato riscontrato che in un piccolo capo di abbigliamento simile a una sezione di tessuto di 5 cm^2 può contenere poco più di 200 cellule, producendo idealmente 2,5 - 10 volt di energia e ha concluso che ci sono solo 2000 celle Le celle devono essere in grado di caricare gli smartphone [2].
Figura 2. Microcelle solari lunghe 3 mm e larghe 1,5 mm (foto per gentile concessione della Nottingham Trent University) [2].
I tessuti fotovoltaici fondono due polimeri leggeri ed economici per creare tessuti che generano energia. Il primo dei due componenti è una micro cella solare, che raccoglie energia dalla luce solare, e il secondo è costituito da un nanogeneratore, che converte l'energia meccanica in elettricità [ 6]. La parte fotovoltaica del tessuto è costituita da fibre polimeriche, che vengono poi rivestite con strati di manganese, ossido di zinco (un materiale fotovoltaico) e ioduro di rame (per la raccolta della carica) [6]. Le celle vengono poi tessute insieme con un minuscolo filo di rame e integrato nell'indumento.
Il segreto di queste innovazioni sta negli elettrodi trasparenti dei dispositivi fotovoltaici flessibili. Gli elettrodi conduttivi trasparenti sono uno dei componenti delle celle fotovoltaiche che consentono alla luce di entrare nella cella, aumentando la velocità di raccolta della luce. Viene utilizzato ossido di stagno drogato con indio (ITO) per fabbricare questi elettrodi trasparenti, che viene utilizzato per la sua trasparenza ideale (>80%) e buona resistenza del foglio, nonché eccellente stabilità ambientale [7]. L'ITO è fondamentale perché tutti i suoi componenti sono in proporzioni quasi perfette. lo spessore combinato con la trasparenza e la resistenza massimizza i risultati degli elettrodi [7]. Eventuali fluttuazioni nel rapporto influenzeranno negativamente gli elettrodi e quindi le prestazioni. Ad esempio, l'aumento dello spessore dell'elettrodo riduce la trasparenza e la resistenza, con conseguente degrado delle prestazioni. Tuttavia, ITO è una risorsa limitata che viene rapidamente consumata. La ricerca è in corso per trovare un'alternativa che non solo raggiungaITO, ma dovrebbe superare le prestazioni di ITO [7].
I materiali come i substrati polimerici che sono stati modificati con ossidi conduttivi trasparenti sono diventati popolari finora. Sfortunatamente, questi substrati hanno dimostrato di essere fragili, rigidi e pesanti, il che riduce notevolmente la flessibilità e le prestazioni [7]. I ricercatori offrono una soluzione per utilizzando celle solari flessibili simili a fibre come sostituzioni degli elettrodi. Una batteria fibrosa è composta da un elettrodo e due fili metallici distinti che sono attorcigliati e combinati con un materiale attivo per sostituire l'elettrodo [7]. Le celle solari hanno mostrato risultati promettenti grazie al loro peso leggero , ma il problema è la mancanza di area di contatto tra i fili metallici, che riduce l'area di contatto e quindi si traduce in prestazioni fotovoltaiche degradate [7].
Anche i fattori ambientali sono una grande motivazione per la ricerca continua. Attualmente, il mondo fa molto affidamento su fonti di energia non rinnovabili come combustibili fossili, carbone e petrolio. Spostando l'attenzione dalle fonti di energia non rinnovabili alle fonti di energia rinnovabile, inclusa l'energia solare, è un investimento necessario per il futuro. Ogni giorno milioni di persone caricano i loro telefoni, computer, laptop, smartwatch e tutti i dispositivi elettronici e utilizzare i nostri tessuti per caricare questi dispositivi semplicemente camminando può ridurre il nostro uso di combustibili fossili. Anche se questo può sembrare banale su una piccola scala di 1 o anche 500 persone, quando scalato fino a decine di milioni potrebbe ridurre significativamente il nostro uso di combustibili fossili.
I pannelli solari nelle centrali solari, compresi quelli montati sopra le case, sono noti per aiutare a utilizzare l'energia rinnovabile e ridurre l'uso di combustibili fossili, che sono ancora molto utilizzati. America.Uno dei maggiori problemi per l'industria è l'ottenimento di terreni per costruire queste fattorie. Una famiglia media può supportare solo un certo numero di pannelli solari e il numero di fattorie solari è limitato. Nelle aree con ampio spazio, la maggior parte delle persone è sempre riluttante a costruire una nuova centrale solare perché chiude permanentemente la possibilità e il potenziale di altre opportunità sul terreno, come nuove attività commerciali. Di recente vi è un gran numero di installazioni di pannelli fotovoltaici galleggianti che possono generare grandi quantità di elettricità e il principale vantaggio dei parchi solari galleggianti è la riduzione dei costi [8]. il terreno non viene utilizzato, non c'è bisogno di preoccuparsi dei costi di installazione sopra case ed edifici.Tutti i parchi solari galleggianti attualmente conosciuti sono situati su corpi idrici artificiali e in futuro iÈ possibile posizionare queste fattorie su corpi idrici naturali.I bacini artificiali presentano molti vantaggi che non sono comuni negli oceani [9]. I bacini artificiali sono facili da gestire e, con le infrastrutture e le strade precedenti, le fattorie possono essere semplicemente installate. È stato anche dimostrato che i parchi solari galleggianti sono più produttivi di parchi solari a terra a causa delle variazioni di temperatura tra l'acqua e la terra [9]. A causa dell'elevato calore specifico dell'acqua, la temperatura superficiale del terreno è generalmente superiore a quella dei corpi idrici e le alte temperature hanno dimostrato di influenzare negativamente il prestazioni dei tassi di conversione dei pannelli solari.Sebbene la temperatura non controlli la quantità di luce solare ricevuta da un pannello, influisce sulla quantità di energia che si riceve dalla luce solare.A basse energie (cioè temperature più basse), gli elettroni all'interno del pannello solare saranno in uno stato di riposo, e quindi quando la luce solare colpisce, raggiungerà uno stato eccitato [10]. La differenza tra lo stato di riposo e lo stato eccitato è quanta energia viene generata nella tensione.ht eccita questi elettroni, ma può anche riscaldare. Se il calore attorno al pannello solare eccita gli elettroni e li mette in uno stato di bassa eccitazione, la tensione non sarà così grande quando la luce solare colpisce il pannello [10]. Poiché la terra assorbe ed emette riscaldano più facilmente dell'acqua, è probabile che gli elettroni in un pannello solare sulla terraferma siano in uno stato eccitato più elevato, e quindi il pannello solare si trova sopra o vicino a uno specchio d'acqua più freddo. Ulteriori ricerche hanno dimostrato che l'effetto di raffreddamento di l'acqua intorno ai pannelli galleggianti aiuta a generare il 12,5% di energia in più rispetto a terra [9].
Finora, i pannelli solari soddisfano solo l'1% del fabbisogno energetico americano, ma se questi parchi solari fossero piantati su un quarto dei serbatoi d'acqua artificiali, i pannelli solari soddisferebbero quasi il 10% del fabbisogno energetico americano. In Colorado, dove galleggiano i pannelli sono stati introdotti il prima possibile, due grandi serbatoi d'acqua in Colorado hanno perso molta acqua a causa dell'evaporazione, ma installando questi pannelli galleggianti, è stato impedito ai serbatoi di seccarsi e si è generata elettricità [11]. Anche l'uno per cento dell'uomo Basterebbero serbatoi realizzati con parchi solari per generare almeno 400 gigawatt di elettricità, sufficienti per alimentare 44 miliardi di lampadine a LED per oltre un anno.
La Figura 4a mostra l'aumento di potenza fornito dalla cella solare galleggiante rispetto alla Figura 4b. Sebbene ci siano stati pochi parchi solari galleggianti nell'ultimo decennio, fanno ancora una grande differenza nella produzione di energia. In futuro, quando i parchi solari galleggianti diventando più abbondante, si dice che l'energia totale prodotta triplicherà da 0,5 TW nel 2018 a 1,1 TW entro la fine del 2022.[12].
Dal punto di vista ambientale, questi parchi solari galleggianti sono molto utili in molti modi. Oltre a ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, i parchi solari riducono anche la quantità di aria e luce solare che raggiunge la superficie dell'acqua, il che può aiutare a invertire il cambiamento climatico [9]. una fattoria che riduca la velocità del vento e la luce solare diretta che colpisce la superficie dell'acqua di almeno il 10% potrebbe compensare un intero decennio di riscaldamento globale [9]. In termini di biodiversità ed ecologia, non sembrano essere riscontrati grandi impatti negativi. I pannelli prevengono il vento forte attività sulla superficie dell'acqua, riducendo così l'erosione sulla sponda del fiume, proteggendo e stimolando la vegetazione.[13]. Non ci sono risultati definitivi sull'eventuale influenza della vita marina, ma misure come la bio-capanna con conchiglie creata da Ecocean hanno è stato sommerso da pannelli fotovoltaici per supportare potenzialmente la vita marina.[13]. Una delle principali preoccupazioni della ricerca in corso è il potenziale impatto sulla catena alimentare dovuto all'installazione di infrastrutture comepannelli fotovoltaici in acque libere piuttosto che in bacini artificiali. Poiché la minore quantità di luce solare entra nelle acque, provoca una riduzione del tasso di fotosintesi, con conseguente massiccia perdita di fitoplancton e macrofite. Con la riduzione di queste piante, l'impatto sugli animali più in basso nella catena alimentare, ecc., porta a sussidi per gli organismi acquatici [14]. Anche se non è ancora accaduto, ciò potrebbe prevenire ulteriori potenziali danni all'ecosistema, uno dei principali inconvenienti dei parchi solari galleggianti.
Poiché il sole è la nostra più grande fonte di energia, può essere difficile trovare modi per sfruttare questa energia e usarla nelle nostre comunità. Nuove tecnologie e innovazioni disponibili ogni giorno lo rendono possibile. Anche se non ci sono molti indumenti indossabili alimentati a energia solare acquistare o visitare fattorie solari galleggianti da visitare in questo momento, ciò non cambia il fatto che la tecnologia non ha un potenziale enorme o un futuro luminoso. Le celle solari galleggianti hanno una lunga strada da percorrere in senso naturalistico per essere comuni come pannelli solari sopra le case. Le celle solari indossabili hanno molta strada da fare prima che diventino comuni come i vestiti che indossiamo ogni giorno. In futuro, ci si aspetta che le celle solari vengano utilizzate nella vita di tutti i giorni senza dover essere nascoste tra le nostre vestiti.Con l'avanzare della tecnologia nei prossimi decenni, il potenziale dell'industria solare è infinito.
Informazioni su Raj Shah Il Dr. Raj Shah è un direttore della Koehler Instrument Company di New York, dove ha lavorato per 27 anni. È un collega eletto dai suoi colleghi presso IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Physics, Institute of Energy Research e Royal Society of Chemistry. Il Dr. Shah, vincitore dell'ASTM Eagle Award, ha recentemente co-curato il bestseller "Combustibili e lubrificanti Handbook", dettagli disponibili nel Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook di ASTM, 2a edizione – 15 luglio 2020 – David Phillips – Articolo di notizie del settore petrolifero – Petro Online (petro-online.com)
Il Dr. Shah ha conseguito un dottorato di ricerca in Ingegneria Chimica presso la Penn State University e un Fellow della Chartered School of Management, Londra.È anche un Chartered Scientist del Consiglio Scientifico, un Chartered Petroleum Engineer dell'Energy Institute e un UK Engineering Council.Dr.Shah è stato recentemente premiato come Distinguished Engineer da Tau beta Pi, la più grande società di ingegneria degli Stati Uniti. Fa parte dei comitati consultivi della Farmingdale University (Mechanical Technology), della Auburn University (Tribology) e della Stony Brook University (Chemical Engineering/ Scienze dei materiali e Ingegneria).
Raj è professore a contratto presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica presso SUNY Stony Brook, ha pubblicato oltre 475 articoli ed è attivo nel campo dell'energia da oltre 3 anni. Maggiori informazioni su Raj sono disponibili presso il Direttore della Koehler Instrument Company eletto Fellow presso l'International Institute of Physics Petro Online (petro-online.com)
La signora Mariz Baslious e il signor Blerim Gashi sono studenti di ingegneria chimica alla SUNY e il dottor Raj Shah presiede il comitato consultivo esterno dell'università. Mariz e Blerim fanno parte di un programma di tirocinio in crescita presso Koehler Instrument, Inc. a Holtzville, NY, che incoraggia gli studenti a conoscere meglio il mondo delle tecnologie energetiche alternative.
Tempo di pubblicazione: 12-feb-2022
