Өркениет өскен сайын, біздің өмір салтымызды қолдауға қажетті қуат күн сайын артып келеді, бұл бізден күн сәулесі сияқты жаңартылатын ресурстарды пайдаланудың жаңа және инновациялық жолдарын іздеуді талап етеді, қоғамымыздың Прогресті жалғастыруы үшін көбірек энергия жасауды талап етеді.
Күн сәулесі біздің планетамызда ғасырлар бойы өмір сүруді қамтамасыз етті және қамтамасыз етті. Күн тікелей немесе жанама болсын, қазба отындары, су, жел, биомасса және т.б. сияқты белгілі энергия көздерінің барлығын дерлік өндіруге мүмкіндік береді. Өркениет өскен сайын, қолдау үшін қажетті энергия қажет. біздің өмір салтымыз күн сайын артып келеді, бұл бізден күн сәулесі сияқты жаңартылатын ресурстарды пайдаланудың жаңа және инновациялық әдістерін табуды және қоғамымыздың алға жылжуы үшін көбірек энергия жасауды талап етеді.
Ежелгі дүниеде біз күн сәулесін 6000 жылдан астам бұрын салынған ғимараттарда пайда болған энергия көзі ретінде пайдаланып, күн сәулесінің жылыту нысаны ретінде әрекет ететін саңылаулардан өтетіндей етіп үйді бағдарлау арқылы күн энергиясын пайдаланып өмір сүре алдық. .Мыңдаған жылдар өткен соң, мысырлықтар мен гректер үйлерін күн сәулесінен қорғап, жазда салқын ұстау үшін бірдей әдісті пайдаланды [1]. Үлкен бір терезе терезелері күн жылуының енуіне мүмкіндік беретін, бірақ оны ұстап тұруға мүмкіндік беретін күн жылу терезелері ретінде пайдаланылады. ішіндегі жылу.Күн сәулесі ежелгі дүниеде өндірілген жылу үшін ғана қажет болған жоқ, сонымен қатар ол тұз арқылы тағамды сақтау және сақтау үшін де пайдаланылды. Тұздану кезінде күн улы теңіз суын буландыру және жиналған тұзды алу үшін пайдаланылады. күн бассейндерінде [1].Кейін Қайта өрлеу дәуірінде Леонардо да Винчи су жылытқыштар ретінде ойыс айна күн концентраторларын бірінші өнеркәсіптік қолдануды ұсынды, ал кейінірек Леонардо сонымен қатар мыс дәнекерлеу технологиясын ұсынды.er күн радиациясын пайдалану және техникалық шешімдер тоқыма машиналарын басқаруға мүмкіндік береді [1]. Өнеркәсіптік революция кезінде көп ұзамай, В.Адамс қазір күн пеші деп аталатын пешті жасады. Бұл пеште сегіз бұрышты рефлекторды құрайтын сегіз симметриялы күміс шыны айна бар. Күн сәулесі айналардың көмегімен шыны жабылған ағаш жәшікке құйылады және оны қайнатуға мүмкіндік береді[1]. Бірнеше жүз жыл алға жылжыңыз және күн бу қозғалтқышы шамамен 1882 жылы салынды [1]. Абель Пифр ойыс айнаны пайдаланды 3,5 м диаметрі мен оны цилиндрлік бу қазандығына бағыттады, ол баспа машинасын басқаруға жеткілікті қуат береді.
2004 жылы Испанияның Севилья қаласында Planta Solar 10 деп аталатын әлемдегі алғашқы коммерциялық шоғырланған күн электр станциясы құрылды. Күн сәулесі шамамен 624 метрлік мұнараға шағылысады, онда бу турбиналары мен генераторлары бар күн қабылдағыштары орнатылған. Бұл энергия өндіруге қабілетті. 5500-ден астам үйді қуаттандыруға мүмкіндік берді. Он жылдан кейін, 2014 жылы Калифорнияда (АҚШ) әлемдегі ең үлкен күн электр станциясы ашылды. Зауыт 300 000-нан астам басқарылатын айналарды қолданды және шамамен 140 000 үйді қуаттандыру үшін 377 мегаватт электр энергиясын өндіруге мүмкіндік берді [ 1].
Зауыттар салынып, пайдаланылып қана қоймайды, сонымен қатар бөлшек сауда дүкендеріндегі тұтынушылар да жаңа технологияларды жасауда. Күн батареялары алғаш рет пайда болды, тіпті күннен қуат алатын көліктер де пайда болды, бірақ әлі жарияланбаған соңғы жаңалықтардың бірі - жаңа күн батареялары. қуат беретін киілетін технология. USB қосылымын немесе басқа құрылғыларды біріктіру арқылы ол киімнен көздер, телефондар және құлаққаптар сияқты құрылғыларға қосылуға мүмкіндік береді, оларды жолда зарядтауға болады. Осыдан бірнеше жыл бұрын, Riken-тегі жапондық зерттеушілер тобы Институт және Torah Industries киімді киімге жылытып басып шығаратын, жасушаға күн энергиясын сіңіріп, оны қуат көзі ретінде пайдалануға мүмкіндік беретін жұқа органикалық күн батареясының дамуын сипаттады [2] ]. Микро күн батареялары - жылуы бар органикалық фотоэлектрлік элементтер. 120 °C дейін тұрақтылық пен икемділік [2]. Зерттеу тобының мүшелері органикалық фотоэлектрлік жасушаларды PNTz4T [3] деп аталатын материалға негіздеді. PNTz4T – бұл бұрын Рикен тамаша өнімділік үшін әзірлеген жартылай өткізгіш полимер.қоршаған ортаның тұрақтылығы және қуатты түрлендірудің жоғары тиімділігі, содан кейін ұяшықтың екі жағы резеңке тәрізді материал болып табылатын эластомермен жабылған [3]. Бұл процесте олар жарықтың енуіне мүмкіндік беретін алдын ала созылған 500 микрон қалыңдықтағы екі акрил эластомерін пайдаланды. ұяшыққа, бірақ су мен ауаның ұяшыққа енуіне жол бермейді. Бұл эластомерді пайдалану батареяның өзінің тозуын азайтуға және оның қызмет ету мерзімін ұзартуға көмектеседі [3].
Өнеркәсіптің ең көрнекті кемшіліктерінің бірі су болып табылады. Бұл жасушалардың тозуы әртүрлі факторлардың әсерінен болуы мүмкін, бірақ ең үлкені - су, кез келген технологияның ортақ жауы. Кез келген артық ылғал және ауаға ұзақ әсер ету тиімділікке теріс әсер етуі мүмкін. органикалық фотоэлектрлік элементтердің [4].Көп жағдайда компьютерге немесе телефонға су түсуін болдыртпау мүмкін болса да, оны киіммен болдырмауға болмайды. Жаңбыр болсын, кір жуғыш машина болсын, су міндетті түрде болады. Түрлі сынақтардан кейін еркін тұрған органикалық фотоэлектрлік элемент және екі жақты қапталған органикалық фотоэлектрлік элемент, екі органикалық фотоэлектрлік ұяшықтар да 120 минут бойы суға батырылды, еркін тұрған органикалық фотоэлектрлік элементтің қуаты түрлендіру тиімділігі тек төмендетілді деген қорытындыға келді. 5,4%.Жасушалар 20,8% төмендеді [5].
Сурет 1. Нормаланған қуатты түрлендіру тиімділігі батыру уақытының функциясы ретінде. Графиктегі қате жолақтары әрбір құрылымдағы қуатты түрлендірудің бастапқы тиімділігінің орташа мәнімен нормаланған стандартты ауытқуды көрсетеді [5].
2-сурет Ноттингем Трент университетіндегі тағы бір дамуды бейнелейді, ол иірілген жіпке салынып, содан кейін тоқыма болып тоқылатын миниатюралық күн батареясы [2]. Өнімге кіретін әрбір батарея белгілі бір пайдалану критерийлеріне сәйкес келеді, мысалы: Ұзындығы 3 мм және ені 1,5 мм[2]. Кірді кір жуатын бөлмеде немесе ауа-райына байланысты жууға мүмкіндік беру үшін әр құрылғы су өткізбейтін шайырмен ламинатталған [2]. Батареялар да ыңғайлы болу үшін арнайы жасалған және әрқайсысы бір ұяшыққа орнатылған. Әрі қарай жүргізілген зерттеулерде матаның 5см^2 бөлігіне ұқсас киімнің кішкене бөлігінде 200-ден астам ұяшық болуы мүмкін екені анықталды. 2000 ұяшық бар деген қорытындыға келді. Ұяшықтар смартфондарды зарядтай алуы керек [2].
Сурет 2. Ұзындығы 3 мм және ені 1,5 мм микро күн батареялары (фото Ноттингем Трент университетінен алынған) [2].
Фотоэлектрлік маталар энергия өндіретін тоқыма бұйымдарын жасау үшін екі жеңіл және арзан полимерді біріктіреді. Екі компоненттің біріншісі күн сәулесінен энергия жинайтын микро күн батареясы, ал екіншісі механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіретін наногенератордан тұрады [ 6].Матаның фотоэлектрлік бөлігі полимерлі талшықтардан тұрады, содан кейін олар марганец, мырыш оксиді (фотоэлектрлік материал) және мыс йодид (заряд жинау үшін) қабаттарымен қапталған [6]. Содан кейін жасушалар бірге тоқылады. кішкентай мыс сым және киімге біріктірілген.
Бұл инновациялардың сыры икемді фотоэлектрлік құрылғылардың мөлдір электродтарында жатыр. Мөлдір өткізгіш электродтар фотоэлектрлік элементтердің элементтерінің бірі болып табылады, олар жарықтың ұяшыққа енуіне мүмкіндік береді, жарық жинау жылдамдығын арттырады. Индий қосылған қалайы оксиді (ITO) қолданылады. оның тамаша мөлдірлігі (>80%) және жақсы парақ төзімділігі, сондай-ақ тамаша қоршаған орта тұрақтылығы үшін пайдаланылатын осы мөлдір электродтарды жасау үшін [7]. ITO өте маңызды, өйткені оның барлық компоненттері тамаша пропорцияда. мөлдірлік пен қарсылықпен біріктірілген қалыңдық электродтардың нәтижелерін барынша арттырады [7]. Пропорцияның кез келген ауытқуы электродтарға және осылайша өнімділікке теріс әсер етеді. Мысалы, электродтың қалыңдығын арттыру мөлдірлік пен қарсылықты төмендетеді, бұл өнімділіктің төмендеуіне әкеледі. Дегенмен, ITO - бұл тез тұтынылатын шектеулі ресурс. Зерттеулер тек нәтижеге қол жеткізіп қана қоймай, балама табуды жалғастыруда.ITO, бірақ ITO өнімділігінен асып түседі деп күтілуде [7].
Мөлдір өткізгіш оксидтермен модификацияланған полимерлі субстраттар сияқты материалдар осы уақытқа дейін танымал болды. Өкінішке орай, бұл субстраттар сынғыш, қатты және ауыр болып көрсетілді, бұл икемділік пен өнімділікті айтарлықтай төмендетеді [7]. Зерттеушілер бұл мәселені шешуді ұсынады. электродтарды ауыстыру ретінде икемді талшық тәрізді күн батареяларын пайдалану. Талшықты батарея электродты ауыстыру үшін бұралған және белсенді материалмен біріктірілген екі түрлі металл сымнан тұрады [7]. Күн батареялары жеңіл салмағының арқасында уәде берді. , бірақ мәселе металл сымдар арасындағы байланыс аймағының болмауында болып табылады, бұл байланыс аймағын азайтады және осылайша фотоэлектрлік өнімділіктің нашарлауына әкеледі [7].
Қоршаған орта факторлары да зерттеулерді жалғастыру үшін үлкен мотивация болып табылады. Қазіргі уақытта әлем қазба отындары, көмір және мұнай сияқты жаңартылмайтын энергия көздеріне қатты тәуелді. Бұл болашаққа қажетті инвестиция. Күн сайын миллиондаған адамдар телефондарын, компьютерлерін, ноутбуктерін, смарт-сағаттарын және барлық электрондық құрылғыларын зарядтайды және бұл құрылғыларды жаяу жүру арқылы зарядтау үшін маталарымызды пайдалану қазба отындарын пайдалануымызды азайтуы мүмкін. Бұл көрінуі мүмкін. 1 немесе тіпті 500 адамнан тұратын шағын масштабта тривиальды, ал ондаған миллионға жеткенде бұл қазба отынды пайдалануымызды айтарлықтай азайтуы мүмкін.
Күн электр станцияларындағы, соның ішінде үйлердің үстіне орнатылған күн панельдері жаңартылатын энергияны пайдалануға көмектесетіні және әлі де көп қолданылатын қазбалы отынды пайдалануды азайтуға көмектесетіні белгілі. Америка. Өнеркәсіптің негізгі проблемаларының бірі - жер алу осы фермаларды салыңыз. Орташа үй шаруашылығы күн панельдерінің белгілі бір санын ғана қамтамасыз ете алады, ал күн фермаларының саны шектеулі. Кеңістігі кең аймақтарда адамдардың көпшілігі жаңа күн электр станциясын салуға әрқашан тартынбайды, өйткені ол мүмкіндікті біржола жауып тастайды. Жаңа кәсіпорындар сияқты жердегі басқа мүмкіндіктердің әлеуеті. Жақында үлкен көлемде электр энергиясын өндіре алатын қалқымалы фотоэлектрлік панельдік қондырғылардың көп саны бар және қалқымалы күн фермаларының басты артықшылығы шығындарды азайту болып табылады [8]. жер пайдаланылмайды, үйлер мен ғимараттардың үстіне орнату шығындары туралы алаңдатудың қажеті жоқ. Қазіргі уақытта барлық белгілі қалқымалы күн электр станциялары жасанды су объектілерінде орналасқан және болашақта ол менБұл шаруашылықтарды табиғи су объектілеріне орналастыруға болады.Жасанды су қоймаларының мұхитта жиі кездеспейтін көптеген артықшылықтары бар [9].Техногендік су қоймаларын басқару оңай, ал бұрынғы инфрақұрылым мен жолдармен фермаларды жай ғана орнатуға болады. Сондай-ақ, жүзбелі күн фермаларының өнімділігі жоғарырақ болды. су мен жер арасындағы температураның өзгеруіне байланысты жер бетіндегі күн фермалары [9]. Судың жоғары меншікті жылуына байланысты жер бетінің температурасы әдетте су объектілеріне қарағанда жоғары және жоғары температураның теріс әсер ететіні көрсетілген. күн панелін түрлендіру жылдамдығының өнімділігі. Температура панель қанша күн сәулесін алатынын бақыламаса да, ол күн сәулесінен алатын энергия мөлшеріне әсер етеді. Төмен энергияларда (яғни, салқын температурада) күн панелінің ішіндегі электрондар тыныштық күйі, содан кейін күн сәулесі түскен кезде олар қозғалған күйге жетеді [10]. Тыныштық күйі мен қозған күй арасындағы айырмашылық кернеуде қанша энергия түзілетінінде.ht бұл электрондарды қоздырады, бірақ қызуы да мүмкін.Егер күн панелінің айналасындағы жылу электрондарға қуат беріп, оларды төмен қозған күйге келтірсе, күн сәулесі панельге түскенде кернеу соншалықты үлкен болмайды [10]. Құрлық жұтып, сәуле шығаратындықтан суға қарағанда оңай қызады, құрлықтағы күн панеліндегі электрондар жоғары қоздырылған күйде болуы мүмкін, содан кейін күн панелі салқынырақ су айдынында немесе оның жанында орналасқан. Әрі қарай зерттеулер салқындату әсері дәлелденді. қалқымалы панельдердің айналасындағы су құрлықтағыға қарағанда 12,5% көп энергия өндіруге көмектеседі [9].
Әзірге күн панельдері Американың энергия қажеттілігінің тек 1%-ын ғана қанағаттандырады, бірақ егер бұл күн фермалары жасанды су қоймаларының төрттен біріне дейін отырғызылса, күн панельдері Американың энергия қажеттілігінің 10%-ға жуығын қанағаттандырады. панельдер мүмкіндігінше тезірек енгізілді, Колорадо штатындағы екі үлкен су қоймасы булану салдарынан көп суды жоғалтты, бірақ бұл қалқымалы панельдерді орнату арқылы су қоймаларының кеуіп кетуіне жол беріліп, электр энергиясы өндірілді [11]. Адамның тіпті бір пайызы. -күн электр станцияларымен жабдықталған резервуарлар кем дегенде 400 гигаватт электр энергиясын өндіруге жетеді, бұл бір жылдан астам 44 миллиард жарықдиодты шамдарды қуаттандыруға жетеді.
4a-суретте 4b-суретке қатысты қалқымалы күн батареясы қамтамасыз ететін қуаттың ұлғаюы көрсетілген. Соңғы онжылдықта қалқымалы күн электр станциялары аз болғанымен, олар әлі де электр қуатын өндіруде соншалықты үлкен айырмашылықты жасайды. Болашақта қалқымалы күн электр станциялары болғанда. молайған кезде өндірілген жалпы энергия 2018 жылғы 0,5 ТВт-тан 2022 жылдың соңына қарай 1,1 ТВт-қа дейін үш есеге өседі.[12].
Экологиялық тұрғыдан алғанда, бұл қалқымалы күн фермалары көптеген жолдармен өте пайдалы. Күн фермалары қазба отындарына тәуелділікті азайтумен қатар, су бетіне түсетін ауа мен күн сәулесінің мөлшерін азайтады, бұл климаттың өзгеруін кері қайтаруға көмектесуі мүмкін [9]. жел жылдамдығын және су бетіне тіке күн сәулесінің түсуін кем дегенде 10%-ға төмендететін ферма жаһандық жылынудың толық онжылдығын өтей алады [9]. Биоәртүрлілік пен экология тұрғысынан үлкен жағымсыз әсерлер табылмаған сияқты. Панельдер қатты желдің алдын алады. су бетіндегі белсенділік, осылайша өзен жағасындағы эрозияны азайтады, өсімдіктерді қорғайды және ынталандырады.[13].Теңіз өміріне әсер ететіні туралы нақты нәтижелер жоқ, бірақ Ecocean жасаған қабықпен толтырылған биологиялық үйшік сияқты шаралар бар. теңіз тіршілігін әлеуетті қолдау үшін фотоэлектрлік панельдер астында су астында қалды.[13]. Ағымдағы зерттеулердің негізгі мәселелерінің бірі - инфрақұрылымды орнатуға байланысты азық-түлік тізбегіне ықтимал әсер ету.Жасанды су қоймаларына қарағанда ашық судағы фотоэлектрлік панельдер. Суға күн сәулесінің аз түсуі фотосинтез жылдамдығының төмендеуіне әкеледі, нәтижесінде фитопланктондар мен макрофиттер жаппай жоғалады. Бұл өсімдіктердің азаюымен жануарларға әсер етеді. қоректік тізбегінің төменгі деңгейі және т.б. су организмдеріне субсидиялауға әкеледі [14]. Бұл әлі болмағанымен, бұл экожүйеге одан әрі ықтимал зақымдануды болдырмайды, бұл қалқымалы күн фермаларының негізгі кемшілігі.
Күн энергияның ең үлкен көзі болғандықтан, бұл энергияны пайдалану және оны қоғамдастықта пайдалану жолдарын табу қиын болуы мүмкін. Күн сайын қолжетімді жаңа технологиялар мен инновациялар бұған мүмкіндік береді. Күннен қуат алатын киетін киімдер көп болмаса да сатып алу немесе қалқымалы күн фермаларын дәл қазір бару үшін, бұл технологияның үлкен әлеуеті немесе жарқын болашағы жоқ екенін өзгертпейді. Қалқымалы күн батареяларының жабайы табиғат мағынасында қарапайым болуы үшін ұзақ жол жүруі керек. үйлердің үстіңгі күн панельдері. Киілетін күн батареялары күнделікті киетін киім сияқты кең таралғанға дейін ұзақ жолды өтуі керек. Болашақта күн батареялары күнделікті өмірде біздің ортамызда жасырынбай қолданылады деп күтілуде. Алдағы онжылдықтарда технология дамыған сайын күн өнеркәсібінің әлеуеті шексіз.
Радж Шах туралы Доктор Радж Шах Нью-Йорктегі Koehler Instrument компаниясының директоры, онда ол 27 жыл жұмыс істеді. Ол IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, INSMTC институтындағы әріптестерімен сайланған стипендиат. Физика, Энергетикалық зерттеулер институты және Корольдік химия қоғамы. ASTM Eagle сыйлығының иегері доктор Шах жақында бестселлер болып табылатын «Жағармайлар мен жағармайлар анықтамалығын» бірге өңдеді, бұл туралы егжей-тегжейлі ASTM көптен күткен жанар-жағармай материалдары анықтамалығында, 2-ші басылым – 15 шілде, 2020 – Дэвид Филлипс – Petro Industry жаңалықтары мақаласы – Petro Online (petro-online.com)
Доктор Шах Пенн Стейт Университетінде химия инженериясы бойынша PhD дәрежесіне ие және Лондондағы Chartered Management School стипендиаты.Ол сондай-ақ Ғылыми кеңестің маманданған ғалымы, Энергетика институтының және Ұлыбританияның инженерлік кеңесінің маманданған мұнай инженері.Жақында Шахты Құрама Штаттардағы ең ірі инженерлік қоғам болып табылатын Тау бета Пи құрметті инженер ретінде марапаттады. Ол Фармингдейл университетінің (механикалық технология), Оберн университетінің (трибология) және Стони Брук университетінің (химиялық инженерия/) консультативтік кеңестерінде. Материалтану және инженерия).
Радж – SUNY Stony Brook университетінің Материалтану және химиялық инженерия кафедрасының адъюнкт-профессоры, 475-тен астам мақала жариялады және энергетика саласында 3 жылдан астам белсенді жұмыс істейді. Радж туралы қосымша ақпаратты Koehler Instrument Company директорынан табуға болады. Халықаралық физика институтының ғылыми қызметкері болып сайланды Petro Online (petro-online.com)
Мариз Баслиус ханым мен Блерим Гаши мырза SUNY химия инженері студенттері, ал доктор Радж Шах университеттің сыртқы консультативтік кеңесін басқарады. Мариз мен Блерим Хольцвиллдегі, Нью-Йорк штатындағы Koehler Instrument, Inc. компаниясында өсіп келе жатқан тағылымдамадан өту бағдарламасының бөлігі болып табылады. студенттерді баламалы энергетикалық технологиялар әлемі туралы көбірек білуге шақырады.
Жіберу уақыты: 12 ақпан 2022 ж
