ההתקדמות הייחודית האחרונה ביישומי אנרגיה סולארית מועילה לנו מדי יום

ככל שהציוויליזציה גדלה, האנרגיה הדרושה כדי לתמוך באורח החיים שלנו גדלה מדי יום, מה שמחייב אותנו למצוא דרכים חדשות וחדשניות לרתום את המשאבים המתחדשים שלנו, כגון אור השמש, כדי ליצור יותר אנרגיה לחברה שלנו כדי להמשיך להתקדם.
אור השמש סיפק ומאפשר חיים על הפלנטה שלנו במשך מאות שנים. בין אם באופן ישיר או עקיף, השמש מאפשרת ליצור כמעט את כל מקורות האנרגיה הידועים כמו דלקים מאובנים, הידרו, רוח, ביומסה וכו'. ככל שהציוויליזציה גדלה, האנרגיה הדרושה כדי לתמוך אורח החיים שלנו גדל מדי יום, ומחייב אותנו למצוא דרכים חדשות וחדשניות לרתום את המשאבים המתחדשים שלנו, כגון אור השמש, כדי ליצור יותר אנרגיה לחברה שלנו כדי להמשיך להתקדם.

גנרטור סולארי

עוד מהעולם העתיק הצלחנו לשרוד על אנרגיה סולארית, תוך שימוש באור השמש כמקור אנרגיה שמקורו במבנים שנבנו לפני יותר מ-6,000 שנה, על ידי כיוון הבית כך שאור השמש יעבור דרך פתחים המשמשים כצורת חימום .אלפי שנים מאוחר יותר, המצרים והיוונים השתמשו באותה טכניקה כדי לשמור על בתיהם קרירים במהלך הקיץ על ידי הגנה עליהם מפני השמש. החום שבתוכו. אור השמש לא היה חיוני רק לחום שהוא ייצר בעולם העתיק, אלא הוא שימש גם לשימור ושימור מזון באמצעות מלח. בהמלחה, השמש משמשת לאידוי מי ים רעילים ולהשגת מלח, שנאסף בבריכות סולאריות [1]. בשלהי הרנסנס, לאונרדו דה וינצ'י הציע את היישום התעשייתי הראשון של רכזי שמש קעורים כמחממי מים, ומאוחר יותר הציע ליאונרדו גם את הטכנולוגיה של ריתוך קפלהוא משתמש בקרינת שמש ומאפשר פתרונות טכניים להפעיל מכונות טקסטיל [1]. בקרוב במהלך המהפכה התעשייתית, W. Adams יצר את מה שנקרא כיום תנור שמש. לתנור זה יש שמונה מראות זכוכית כסופה סימטריות היוצרות רפלקטור מתומן. אור השמש הוא מרוכז על ידי מראות לקופסת עץ מכוסה זכוכית שבה יונח הסיר ויתן לו לרתוח[1]. מהר קדימה כמה מאות שנים ומנוע הקיטור הסולארי נבנה בסביבות 1882 [1]. אבל פיפר השתמש במראה קעורה 3.5 מ' בקוטר ומיקד אותו בדוד קיטור גלילי שהפיק מספיק כוח להניע את מכבש הדפוס.
בשנת 2004 הוקמה בסביליה, ספרד, תחנת הכוח הסולארית המסחרית הראשונה בעולם בשם Planta Solar 10. אור השמש משתקף על מגדל של כ-624 מטרים, שבו מותקנים מקלטי שמש עם טורבינות קיטור ומחוללי קיטור. זה מסוגל להפיק אנרגיה להפעיל יותר מ-5,500 בתים. כמעט עשור מאוחר יותר, בשנת 2014, נפתחה בקליפורניה, ארה"ב, תחנת הכוח הסולארית הגדולה בעולם. המפעל השתמש ביותר מ-300,000 מראות נשלטות ואיפשר ייצור של 377 מגה-וואט חשמל כדי להפעיל כ-140,000 בתים [ 1].
לא רק שנבנים ומשתמשים במפעלים, אלא גם צרכנים בחנויות קמעונאיות יוצרים טכנולוגיות חדשות. פאנלים סולאריים עשו את הופעת הבכורה שלהם, ואפילו מכוניות מונעות שמש נכנסו לתמונה, אבל אחד הפיתוחים האחרונים שטרם הוכרזו הוא חדש סולארי- טכנולוגיה לבישה מופעלת. על ידי שילוב חיבור USB או התקנים אחרים, היא מאפשרת חיבור מבגדים למכשירים כגון מקורות, טלפונים ואוזניות, שניתן להטעין תוך כדי תנועה. רק לפני כמה שנים, צוות חוקרים יפני ב-Riken מכון ותעשיות תורניות תיארו פיתוח של תא סולארי אורגני דק שידפיס בגדים בחום על בגדים, מה שמאפשר לתא לספוג אנרגיית שמש ולהשתמש בה כמקור כוח [2] .תאים מיקרו סולאריים הם תאים פוטו-וולטאיים אורגניים עם תרמית יציבות וגמישות עד 120 מעלות צלזיוס [2]. חברי קבוצת המחקר התבססו על תאים פוטו-וולטאיים אורגניים על חומר הנקרא PNTz4T [3]. PNTz4T הוא פולימר מוליך למחצה שפותח בעבר על ידי Riken עבור חומר מעולהיציבות וירונמנטלית ויעילות המרת הספק גבוהה, אז שני צידי התא מכוסים באלסטומר, חומר דמוי גומי [3]. בתהליך, הם השתמשו בשני אלסטומרים אקריליים שנמתחו מראש בעובי 500 מיקרון המאפשרים כניסת אור התא אך מונעים כניסת מים ואוויר לתא. השימוש באלסטומר זה עוזר להפחית את השפלה של הסוללה עצמה ולהאריך את חייה [3].

אחד החסרונות הבולטים של התעשייה הוא מים. ניוון התאים הללו יכול להיגרם ממגוון גורמים, אך הגדול ביותר הוא מים, האויב המשותף של כל טכנולוגיה. כל עודף לחות וחשיפה ממושכת לאוויר עלולים להשפיע לרעה על היעילות של תאים פוטו-וולטאיים אורגניים [4]. למרות שברוב המקרים אתה יכול להימנע מכניסה של מים למחשב או לטלפון שלך, אתה לא יכול להימנע מכך עם הבגדים שלך. בין אם זה גשם או מכונת כביסה, מים הם בלתי נמנעים. לאחר בדיקות שונות על תא פוטו-וולטאי אורגני עצמאי והתא הפוטו-וולטאי האורגני המצופה דו-צדדי, שני התאים הפוטו-וולטאיים האורגניים הוטבעו במים למשך 120 דקות, הגיע למסקנה שהכוח של התא הפוטו-וולטאי האורגני הניצב היה יעילות ההמרה מופחתת רק על ידי 5.4%. התאים ירדו ב-20.8% [5].
איור 1. יעילות המרת הספק מנורמלת כפונקציה של זמן הטבילה. פסי השגיאה בגרף מייצגים את סטיית התקן המנורמלת בממוצע של יעילות המרת ההספק הראשונית בכל מבנה [5].
איור 2 מתאר פיתוח נוסף באוניברסיטת נוטינגהאם טרנט, תא סולארי מיניאטורי שניתן להטמיע בחוט, שאותו נשזר לטקסטיל [2]. כל סוללה הכלולה במוצר עומדת בקריטריונים מסוימים לשימוש, כמו הדרישות של אורך 3 מ"מ ורוחב 1.5 מ"מ[2]. כל יחידה משולבת בשרף עמיד למים כדי לאפשר לכבס כביסה בחדר הכביסה או בשל מזג האוויר [2]. הסוללות מותאמות גם הן לנוחות, וכל אחת מהן מותקנת ב- דרך שאינה בולטת או מגרה את עור הלובש. במחקר נוסף נמצא כי בחתיכת לבוש קטנה הדומה לקטע של 5 ס"מ^2 של בד יכולה להכיל קצת יותר מ-200 תאים, באופן אידיאלי לייצר 2.5 - 10 וולט של אנרגיה, ו הגיע למסקנה שיש רק 2000 תאים שתאים צריכים להיות מסוגלים לטעון סמארטפונים [2].
איור 2. מיקרו תאים סולאריים באורך 3 מ"מ וברוחב 1.5 מ"מ (צילום באדיבות אוניברסיטת נוטינגהאם טרנט) [2].
בדים פוטו-וולטאיים ממזגים שני פולימרים קלים וזולים ליצירת טקסטיל המייצר אנרגיה. המרכיב הראשון מבין שניים הוא תא מיקרו סולארי, הקוצר אנרגיה מאור השמש, והשני מורכב מננוגנרטור, הממיר אנרגיה מכנית לחשמל [ 6]. החלק הפוטו-וולטאי של הבד מורכב מסיבים פולימריים, אשר מצופים לאחר מכן בשכבות של מנגן, תחמוצת אבץ (חומר פוטו-וולטאי), ויוד נחושת (לאיסוף מטען) [6]. לאחר מכן ארוגים התאים יחד עם חוט נחושת זעיר ומשולב בבגד.
הסוד מאחורי החידושים הללו טמון באלקטרודות השקופות של מכשירים פוטו-וולטאיים גמישים. אלקטרודות מוליכות שקופות הן אחד המרכיבים בתאים פוטו-וולטאיים המאפשרים כניסת אור לתא, מה שמגדיל את קצב איסוף האור. נעשה שימוש בתחמוצת בדיל מסוממת (ITO) לייצר אלקטרודות שקופות אלה, המשמשות בשל השקיפות האידיאלית שלה (>80%) ועמידות היריעות הטובה שלה כמו גם יציבות סביבתית מעולה [7]. ה-ITO הוא קריטי מכיוון שכל מרכיביו נמצאים בפרופורציות כמעט מושלמים. עובי בשילוב עם שקיפות והתנגדות ממקסם את תוצאות האלקטרודות [7]. כל תנודות ביחס ישפיעו לרעה על האלקטרודות ובכך על הביצועים. לדוגמה, הגדלת עובי האלקטרודה מפחיתה את השקיפות וההתנגדות, מה שמוביל לירידה בביצועים. עם זאת, ITO הוא משאב סופי שנצרך במהירות. מחקר נמשך כדי למצוא אלטרנטיבה שלא רק משיגהITO, אך צפוי לעלות על הביצועים של ITO [7].
חומרים כגון מצעים פולימריים ששונו עם תחמוצות מוליכות שקופות גדלו בפופולריות עד כה. למרבה הצער, מצעים אלו הוכחו כשבירים, נוקשים וכבדים, מה שמפחית מאוד את הגמישות והביצועים [7]. החוקרים מציעים פתרון ל שימוש בתאים סולאריים גמישים דמויי סיבים כהחלפת אלקטרודות. סוללה סיבית מורכבת מאלקטרודה ושני חוטי מתכת נפרדים המפותלים ומשולבים בחומר פעיל להחלפת האלקטרודה [7]. תאים סולאריים הראו הבטחה בשל משקלם הקל , אך הבעיה היא היעדר שטח מגע בין חוטי המתכת, אשר מקטין את שטח המגע ובכך מביא לירידה בביצועים פוטו-וולטאיים [7].
גורמים סביבתיים הם גם מניע גדול להמשך מחקר. נכון לעכשיו, העולם מסתמך במידה רבה על מקורות אנרגיה לא מתחדשים כגון דלקים מאובנים, פחם ונפט. העברת הפוקוס ממקורות אנרגיה לא מתחדשים למקורות אנרגיה מתחדשים, כולל אנרגיה סולארית, היא השקעה הכרחית לעתיד. מדי יום טוענים מיליוני אנשים את הטלפונים, המחשבים, המחשבים הניידים, השעונים החכמים וכל המכשירים האלקטרוניים שלהם, ושימוש בבדים שלנו לטעינת מכשירים אלה רק בהליכה יכול להפחית את השימוש שלנו בדלקים מאובנים. למרות שזה אולי נראה טריוויאלי בקנה מידה קטן של 1 או אפילו 500 אנשים, כשמגדילים אותו לעשרות מיליונים זה יכול להפחית משמעותית את השימוש שלנו בדלקים מאובנים.
פאנלים סולאריים בתחנות כוח סולאריות, כולל אלו המותקנות על גבי בתים, ידועים כמסייעים בשימוש באנרגיה מתחדשת ובהפחתת השימוש בדלקים מאובנים, שעדיין נעשה בהם שימוש רב. אמריקה. אחת הבעיות העיקריות של התעשייה היא השגת קרקעות לבנות חוות אלה. משק בית ממוצע יכול לתמוך רק במספר מסוים של פאנלים סולאריים, ומספר החוות הסולאריות מוגבל. באזורים עם שטח נרחב, רוב האנשים תמיד מהססים לבנות תחנת כוח סולארית חדשה, כי היא סוגרת לצמיתות את האפשרות ופוטנציאל של הזדמנויות אחרות על הקרקע, כגון עסקים חדשים. יש מספר רב של מתקני פאנל פוטו-וולטאיים צפים שיכולים לייצר כמויות גדולות של חשמל לאחרונה, והיתרון העיקרי של חוות סולאריות צפות הוא הפחתת עלויות [8]. הקרקע אינה בשימוש, אין צורך לדאוג לגבי עלויות ההתקנה על גבי בתים ומבנים. כל החוות הסולריות הצפות המוכרות כיום ממוקמות על מקווי מים מלאכותיים, ובעתיד זה אניניתן למקם את החוות הללו על מקווי מים טבעיים.למאגרים מלאכותיים יתרונות רבים שאינם נפוצים באוקיינוס ​​[9]. מאגרים מעשה ידי אדם קלים לניהול, ועם תשתיות וכבישים קודמות, ניתן פשוט להתקין חוות. חוות סולאריות צפות הוכחו גם כיעילות יותר מאשר חוות סולאריות מבוססות יבשתיות עקב שינויים בטמפרטורה בין מים לאדמה [9]. בשל החום הסגולי הגבוה של המים, טמפרטורת פני השטח של הקרקע בדרך כלל גבוהה מזו של גופי מים, והוכח כי טמפרטורות גבוהות משפיעות לרעה על ביצועים של שיעורי המרה של פאנל סולארי. בעוד שהטמפרטורה אינה שולטת בכמות אור השמש שהפאנל מקבל, היא משפיעה על כמות האנרגיה שאתה מקבל מאור השמש. באנרגיות נמוכות (כלומר, טמפרטורות קרירות יותר), האלקטרונים בתוך הפנל הסולארי יהיו בפנים מצב מנוחה, ואז כאשר אור השמש יפגע, הם יגיעו למצב נרגש [10]. ההבדל בין מצב המנוחה למצב הנרגש הוא כמה אנרגיה נוצרת במתח. לא רק שמש יכולהht לעורר את האלקטרונים האלה, אבל גם יכול להתחמם. אם החום סביב הפאנל הסולארי ממריץ את האלקטרונים ומכניס אותם למצב נרגש נמוך, המתח לא יהיה גדול כל כך כשאור השמש יפגע בפאנל [10]. היות והאדמה סופגת ופולטת לחמם בקלות רבה יותר ממים, סביר להניח שהאלקטרונים בפאנל סולארי ביבשה יהיו במצב נרגש גבוה יותר, ואז הפאנל הסולארי ממוקם על או ליד גוף מים שהוא קריר יותר. מחקר נוסף הוכיח שהשפעת הקירור של המים מסביב ללוחות הצפים עוזרים לייצר 12.5% ​​יותר אנרגיה מאשר ביבשה [9].
עד כה, פאנלים סולאריים מספקים רק 1% מצרכי האנרגיה של אמריקה, אך אם חוות השמש הללו היו נטעות על עד רבע ממאגרי המים מעשה ידי אדם, פאנלים סולאריים יענו על כמעט 10% מצרכי האנרגיה של אמריקה. בקולורדו, שם צפים לוחות הוכנסו בהקדם האפשרי, שני מאגרי מים גדולים בקולורדו איבדו הרבה מים עקב אידוי, אך על ידי התקנת לוחות צפים אלו, נמנעה מהמאגרים להתייבש ונוצר חשמל [11]. אפילו אחוז אחד מהאדם -מאגרים מיוצרים המצוידים בחוות סולאריות יספיקו לייצור לפחות 400 ג'יגה וואט של חשמל, מספיק כדי להפעיל 44 מיליארד נורות LED במשך יותר משנה.
איור 4א מציג את עליית ההספק שסיפק התא הסולארי הצף ביחס לתמונה 4b. אמנם היו מעט חוות סולאריות צפות בעשור האחרון, אך הן עדיין עושות הבדל כה גדול בייצור החשמל. בעתיד, כאשר חוות סולאריות צפות נהיה שופע יותר, נאמר שסך האנרגיה המיוצרת ישלש מ-0.5TW ב-2018 ל-1.1TW עד סוף 2022.[12]
מבחינה סביבתית, חוות סולאריות צפות אלו מועילות מאוד במובנים רבים. בנוסף להפחתת ההסתמכות על דלקים מאובנים, חוות סולאריות מפחיתות גם את כמות האוויר ואור השמש המגיעים לפני המים, מה שעשוי לסייע בהיפוך שינויי אקלים [9]. חווה שמפחיתה את מהירות הרוח ואור השמש הישיר הפוגע במשטח המים ב-10% לפחות יכולה לקזז עשור שלם של התחממות כדור הארץ [9]. מבחינת המגוון הביולוגי והאקולוגיה, נראה שלא נמצאו השפעות שליליות גדולות. הלוחות מונעים רוח חזקה פעילות על פני המים, ובכך מפחיתה את השחיקה על גדת הנהר, מגינה ומעוררת צמחייה.[13] אין תוצאות סופיות לגבי האם החיים הימיים מושפעים, אך אמצעים כמו בקתת הביו המלאה בקונכיות שנוצרה על ידי אקוסיאן. היה שקוע מתחת לפאנלים פוטו-וולטאיים כדי לתמוך בפוטנציאל של חיים ימיים.[13] אחד החששות העיקריים של מחקר מתמשך הוא ההשפעה הפוטנציאלית על שרשרת המזון עקב התקנת תשתית כגוןלוחות פוטו-וולטאיים על מים פתוחים ולא על מאגרים מעשה ידי אדם.ככל שפחות אור שמש חודר למים, זה גורם להפחתה בקצב הפוטוסינתזה, וכתוצאה מכך לאובדן מאסיבי של פיטופלנקטון ומקרופיטים.עם הפחתת הצמחים הללו, ההשפעה על בעלי חיים נמוך יותר בשרשרת המזון וכו', מוביל לסבסוד עבור אורגניזמים מימיים [14]. למרות שזה עדיין לא קרה, זה יכול למנוע נזק פוטנציאלי נוסף למערכת האקולוגית, חיסרון גדול של חוות סולאריות צפות.
מכיוון שהשמש היא מקור האנרגיה הגדול ביותר שלנו, יכול להיות קשה למצוא דרכים לרתום את האנרגיה הזו ולהשתמש בה בקהילות שלנו. טכנולוגיות חדשות וחידושים הזמינים מדי יום מאפשרים זאת. אמנם אין הרבה בגדים לבישים המופעלים על ידי שמש לקנות או לצוף חוות סולאריות לבקר עכשיו, זה לא משנה את העובדה שלטכנולוגיה אין פוטנציאל ענק או עתיד מזהיר. לתאים סולאריים צפים יש דרך ארוכה לעבור במובן של חיות בר כדי להיות נפוצים כמו פאנלים סולאריים על גבי בתים.לתאים סולאריים לבישים יש עוד דרך ארוכה לפני שהם יהפכו נפוצים כמו הבגדים שאנו לובשים מדי יום. בעתיד, תאים סולאריים צפויים לשמש בחיי היומיום מבלי להסתתר בין הבגדים שלנו. בגדים. ככל שהטכנולוגיה מתקדמת בעשורים הקרובים, הפוטנציאל של התעשייה הסולארית הוא אינסופי.
אודות ראג' שאה ד"ר ראג' שאה הוא דירקטור בחברת קוהלר מכשירים בניו יורק, שם הוא עובד במשך 27 שנים. הוא עמית שנבחר על ידי עמיתיו ב-IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of פיסיקה, המכון לחקר האנרגיה והחברה המלכותית לכימיה. זוכה פרס ASTM Eagle, ד"ר שאה, ערך לאחרונה את רב המכר "Fuels and Lubricants Handbook," פרטים זמינים ב-ASTM של ASTM Long Waited Fuels and Lubricants Handbook, מהדורה 2 - 15 ביולי, 2020 – דיוויד פיליפס – כתבת חדשות של תעשיית פטרו – פטרו אונליין (petro-online.com)
ד"ר שאה הוא בעל תואר דוקטור בהנדסה כימית מאוניברסיטת פן סטייט ועמית מבית הספר לניהול Chartered, לונדון.הוא גם מדען מוסמך של המועצה המדעית, מהנדס נפט מוסמך של מכון האנרגיה ומועצת הנדסה בבריטניה.שאה זכה לאחרונה כמהנדס מכובד על ידי טאו בטא פי, החברה ההנדסית הגדולה ביותר בארצות הברית. הוא נמצא במועצות המייעצות של אוניברסיטת פארמינגדייל (טכנולוגיה מכנית), אוניברסיטת אובורן (טריבולוגיה) ואוניברסיטת סטוני ברוק (הנדסה כימית/ מדע והנדסת חומרים).
ראג' הוא פרופסור עזר במחלקה למדעי החומרים והנדסה כימית ב-SUNY Stony Brook, פרסם למעלה מ-475 מאמרים ופעיל בתחום האנרגיה כבר למעלה מ-3 שנים. מידע נוסף על ראג' ניתן למצוא אצל מנהל חברת קוהלר מכשירים נבחר כעמית במכון הבינלאומי לפיזיקה פטרו אונליין (petro-online.com)
גב' מריז בסליוס ומר בלרים גאשי הם סטודנטים להנדסה כימית ב-SUNY, וד"ר ראג' שאה יושב ראש הוועדה המייעצת החיצונית של האוניברסיטה. מריז ובלרים הם חלק מתוכנית התמחות צומחת ב-Koehler Instrument, Inc. בהולצוויל, ניו יורק, כי מעודד את התלמידים ללמוד יותר על עולם טכנולוגיות האנרגיה החלופית.