A medida que crece la civilización, la energía necesaria para respaldar nuestra forma de vida aumenta cada día, lo que nos obliga a encontrar formas nuevas e innovadoras de aprovechar nuestros recursos renovables, como la luz solar, para crear más energía para que nuestra sociedad continúe Progresando.
La luz del sol ha proporcionado y permitido la vida en nuestro planeta durante siglos. Ya sea directa o indirectamente, el sol permite la generación de casi todas las fuentes de energía conocidas, como combustibles fósiles, hidroeléctrica, eólica, biomasa, etc. A medida que crece la civilización, la energía necesaria para sustentar nuestra forma de vida aumenta cada día, lo que requiere que encontremos formas nuevas e innovadoras de aprovechar nuestros recursos renovables, como la luz solar, para crear más energía para que nuestra sociedad continúe Progresando.
Ya en el mundo antiguo hemos podido sobrevivir con energía solar, utilizando la luz solar como fuente de energía originada en edificios construidos hace más de 6.000 años, al orientar la casa para que la luz del sol pase a través de aberturas que actúan como una forma de calefacción. .Miles de años después, los egipcios y los griegos utilizaron la misma técnica para mantener sus casas frescas durante el verano protegiéndolas del sol [1]. Las grandes ventanas de un solo panel se utilizan como ventanas térmicas solares, permitiendo que el calor del sol entre pero atrapando el calor en el interior. La luz del sol no solo era esencial para el calor que producía en el mundo antiguo, sino que también se usaba para conservar y conservar los alimentos a través de la sal. En la salinización, el sol se usa para evaporar el agua de mar tóxica y obtener sal, que se recolecta en piscinas solares [1]. A finales del Renacimiento, Leonardo da Vinci propuso la primera aplicación industrial de los concentradores solares de espejos cóncavos como calentadores de agua, y más tarde también propuso la tecnología de soldadura de cobre.er utilizando la radiación solar y permitiendo soluciones técnicas para operar maquinaria textil [1]. Pronto, durante la Revolución Industrial, W. Adams creó lo que ahora se llama un horno solar. Este horno tiene ocho espejos de vidrio plateados simétricos que forman un reflector octogonal. La luz del sol es concentrado por espejos en una caja de madera cubierta de vidrio donde se colocará la olla y se dejará hervir [1]. Avance rápido unos cientos de años y la máquina de vapor solar se construyó alrededor de 1882 [1]. Abel Pifre usó un espejo cóncavo 3.5 m de diámetro y lo centró en una caldera de vapor cilíndrica que producía suficiente energía para impulsar la imprenta.
En 2004, se estableció en Sevilla, España, la primera planta de energía termosolar comercial del mundo llamada Planta Solar 10. La luz del sol se refleja en una torre de aproximadamente 624 metros, donde se instalan receptores solares con turbinas de vapor y generadores. Esta es capaz de generar energía. para alimentar a más de 5500 hogares. Casi una década después, en 2014, se inauguró la planta de energía solar más grande del mundo en California, EE. 1].
No solo se están construyendo y utilizando fábricas, sino que los consumidores en las tiendas minoristas también están creando nuevas tecnologías. Los paneles solares hicieron su debut, e incluso entraron en juego los automóviles que funcionan con energía solar, pero uno de los últimos desarrollos que aún no se han anunciado es la nueva tecnología solar. tecnología portátil alimentada. Al integrar una conexión USB u otros dispositivos, permite la conexión desde la ropa a dispositivos como fuentes, teléfonos y auriculares, que se pueden cargar sobre la marcha. Hace solo unos años, un equipo de investigadores japoneses en el Riken Institute y Torah Industries describieron el desarrollo de una célula solar orgánica delgada que imprimiría ropa sobre la ropa con calor, lo que permitiría que la célula absorbiera la energía solar y la utilizara como fuente de energía [2] ]. Las microcélulas solares son células fotovoltaicas orgánicas con capacidad térmica estabilidad y flexibilidad hasta 120 °C [2]. Los miembros del grupo de investigación basaron las células fotovoltaicas orgánicas en un material llamado PNTz4T [3]. PNTz4T es un polímero semiconductor desarrollado previamente por Riken para una excelenteestabilidad ambiental y alta eficiencia de conversión de energía, luego ambos lados de la celda están cubiertos con elastómero, un material similar al caucho [3]. En el proceso, utilizaron dos elastómeros acrílicos preestirados de 500 micras de espesor que permiten la celda pero evita que el agua y el aire entren en la celda. El uso de este elastómero ayuda a reducir la degradación de la batería y prolonga su vida [3].
Uno de los inconvenientes más notables de la industria es el agua. La degeneración de estas células puede ser causada por una variedad de factores, pero el mayor es el agua, el enemigo común de cualquier tecnología. Cualquier exceso de humedad y exposición prolongada al aire puede afectar negativamente la eficiencia. de células fotovoltaicas orgánicas [4]. Si bien puede evitar que entre agua en su computadora o teléfono en la mayoría de los casos, no puede evitarlo con su ropa. Ya sea lluvia o una lavadora, el agua es inevitable. Después de varias pruebas en el celda fotovoltaica orgánica independiente y la celda fotovoltaica orgánica recubierta de doble cara, ambas celdas fotovoltaicas orgánicas se sumergieron en agua durante 120 minutos, se concluyó que la potencia de la celda fotovoltaica orgánica independiente era La eficiencia de conversión solo se reduce por 5,4%. Las células disminuyeron un 20,8% [5].
Figura 1. Eficiencia de conversión de energía normalizada en función del tiempo de inmersión. Las barras de error en el gráfico representan la desviación estándar normalizada por la media de las eficiencias de conversión de energía iniciales en cada estructura [5].
La Figura 2 muestra otro desarrollo en la Universidad de Nottingham Trent, una celda solar en miniatura que se puede incrustar en un hilo, que luego se teje en un textil [2]. Cada batería incluida en el producto cumple con ciertos criterios de uso, como los requisitos de 3 mm de largo y 1,5 mm de ancho[2]. Cada unidad está laminada con una resina resistente al agua para permitir que la ropa se lave en la lavandería o debido al clima [2]. Las baterías también están diseñadas para brindar comodidad y cada una está montada en un manera que no sobresalga ni irrite la piel del usuario. En investigaciones posteriores se encontró que en una pequeña pieza de ropa similar a una sección de tela de 5 cm ^ 2 puede contener un poco más de 200 células, idealmente produciendo 2.5 - 10 voltios de energía, y concluyó que solo se necesitan 2000 celdas para poder cargar teléfonos inteligentes [2].
Figura 2. Microcélulas solares de 3 mm de largo y 1,5 mm de ancho (fotografía cortesía de la Universidad de Nottingham Trent) [2].
Los tejidos fotovoltaicos fusionan dos polímeros ligeros y de bajo coste para crear tejidos que generan energía. El primero de los dos componentes es una microcélula solar, que recoge la energía de la luz solar, y el segundo consiste en un nanogenerador, que convierte la energía mecánica en electricidad [ 6]. La parte fotovoltaica del tejido consta de fibras de polímero, que luego se recubren con capas de manganeso, óxido de zinc (un material fotovoltaico) y yoduro de cobre (para la recolección de carga) [6]. Luego, las células se tejen con un diminuto alambre de cobre e integrado en la prenda.
El secreto detrás de estas innovaciones radica en los electrodos transparentes de los dispositivos fotovoltaicos flexibles. Los electrodos conductores transparentes son uno de los componentes de las células fotovoltaicas que permiten que la luz entre en la célula, lo que aumenta la tasa de recolección de luz. Se utiliza óxido de estaño dopado con indio (ITO). para fabricar estos electrodos transparentes, que se utiliza por su transparencia ideal (>80 %) y buena resistencia laminar, así como excelente estabilidad ambiental [7]. El ITO es crucial porque todos sus componentes están en proporciones casi perfectas. La relación de el grosor combinado con la transparencia y la resistencia maximiza los resultados de los electrodos [7]. Cualquier fluctuación en la relación afectará negativamente a los electrodos y, por lo tanto, al rendimiento. Por ejemplo, aumentar el grosor del electrodo reduce la transparencia y la resistencia, lo que lleva a una degradación del rendimiento. Sin embargo, ITO es un recurso finito que se consume rápidamente. Se han realizado investigaciones para encontrar una alternativa que no solo logreITO, pero se espera que supere el rendimiento de ITO [7].
Los materiales como los sustratos poliméricos que han sido modificados con óxidos conductores transparentes han ganado popularidad hasta el momento. Desafortunadamente, se ha demostrado que estos sustratos son quebradizos, rígidos y pesados, lo que reduce en gran medida la flexibilidad y el rendimiento [7]. Los investigadores ofrecen una solución para usando células solares flexibles similares a fibras como reemplazos de electrodos. Una batería fibrosa consta de un electrodo y dos alambres metálicos distintos que están retorcidos y combinados con un material activo para reemplazar el electrodo [7]. Las células solares se han mostrado prometedoras debido a su peso ligero , pero el problema es la falta de área de contacto entre los cables de metal, lo que reduce el área de contacto y, por lo tanto, da como resultado un rendimiento fotovoltaico degradado [7].
Los factores ambientales también son un gran motivador para la investigación continua. Actualmente, el mundo depende en gran medida de las fuentes de energía no renovables, como los combustibles fósiles, el carbón y el petróleo. Cambiar el enfoque de las fuentes de energía no renovables a las fuentes de energía renovable, incluida la energía solar, es una inversión necesaria para el futuro. Todos los días, millones de personas cargan sus teléfonos, computadoras, computadoras portátiles, relojes inteligentes y todos los dispositivos electrónicos, y usar nuestras telas para cargar estos dispositivos con solo caminar puede reducir nuestro uso de combustibles fósiles. Si bien esto puede parecer trivial en una pequeña escala de 1 o incluso 500 personas, cuando se amplía a decenas de millones podría reducir significativamente nuestro uso de combustibles fósiles.
Se sabe que los paneles solares en plantas de energía solar, incluidos los montados en la parte superior de las casas, ayudan a usar energía renovable y reducen el uso de combustibles fósiles, que todavía se usan mucho. América. Uno de los principales problemas para la industria es obtener terrenos para construir estas granjas. Un hogar promedio solo puede soportar una cierta cantidad de paneles solares, y la cantidad de granjas solares es limitada. En áreas con amplio espacio, la mayoría de las personas siempre dudan en construir una nueva planta de energía solar porque cierra permanentemente la posibilidad y el potencial de otras oportunidades en la tierra, como nuevos negocios. Hay una gran cantidad de instalaciones de paneles fotovoltaicos flotantes que pueden generar grandes cantidades de electricidad recientemente, y el principal beneficio de las granjas solares flotantes es la reducción de costos [8]. Si el la tierra no se usa, no hay necesidad de preocuparse por los costos de instalación en la parte superior de las casas y edificios. Todas las granjas solares flotantes conocidas actualmente están ubicadas en cuerpos de agua artificiales, y en el futuro seEs posible colocar estas granjas en cuerpos de agua naturales.Los embalses artificiales tienen muchas ventajas que no son comunes en el océano [9]. Los embalses hechos por el hombre son fáciles de manejar, y con la infraestructura y los caminos anteriores, las granjas pueden simplemente instalarse. También se ha demostrado que las granjas solares flotantes son más productivas que granjas solares terrestres debido a las variaciones de temperatura entre el agua y la tierra [9]. Debido al alto calor específico del agua, la temperatura de la superficie de la tierra es generalmente más alta que la de los cuerpos de agua, y se ha demostrado que las altas temperaturas afectan negativamente la rendimiento de las tasas de conversión del panel solar. Si bien la temperatura no controla la cantidad de luz solar que recibe un panel, sí afecta la cantidad de energía que recibe de la luz solar. A bajas energías (es decir, temperaturas más frías), los electrones dentro del panel solar estarán en un estado de reposo, y luego, cuando la luz del sol golpea, alcanzarán un estado excitado [10]. La diferencia entre el estado de reposo y el estado excitado es la cantidad de energía que se genera en el voltaje.Puede excitar estos electrones, pero también puede calentarlos. Si el calor alrededor del panel solar energiza los electrones y los pone en un estado de baja excitación, el voltaje no será tan grande cuando la luz del sol incida en el panel [10]. Dado que la tierra absorbe y emite calienta más fácilmente que el agua, es probable que los electrones en un panel solar en tierra estén en un estado más excitado, y luego el panel solar se ubica en o cerca de un cuerpo de agua que es más frío. Investigaciones posteriores demostraron que el efecto de enfriamiento de el agua alrededor de los paneles flotantes ayuda a generar un 12,5% más de energía que en tierra [9].
Hasta ahora, los paneles solares satisfacen solo el 1 % de las necesidades energéticas de los Estados Unidos, pero si estas granjas solares se plantaran en hasta una cuarta parte de los depósitos de agua hechos por el hombre, los paneles solares cubrirían casi el 10 % de las necesidades energéticas de los Estados Unidos. Los paneles flotantes se introdujeron lo antes posible, dos grandes depósitos de agua en Colorado perdieron mucha agua debido a la evaporación, pero al instalar estos paneles flotantes, se evitó que los depósitos se secaran y se generó electricidad [11]. Incluso el uno por ciento del hombre Los embalses hechos a mano y equipados con granjas solares serían suficientes para generar al menos 400 gigavatios de electricidad, suficiente para alimentar 44 mil millones de bombillas LED durante más de un año.
La Figura 4a muestra el aumento de energía proporcionado por la celda solar flotante en relación con la Figura 4b. Si bien ha habido pocas granjas solares flotantes en la última década, todavía hacen una gran diferencia en la generación de energía. En el futuro, cuando las granjas solares flotantes se vuelve más abundante, se dice que la energía total producida se triplicará de 0,5 TW en 2018 a 1,1 TW para fines de 2022.[12]
Desde el punto de vista ambiental, estas granjas solares flotantes son muy beneficiosas de muchas maneras. Además de reducir la dependencia de los combustibles fósiles, las granjas solares también reducen la cantidad de aire y luz solar que llega a la superficie del agua, lo que puede ayudar a revertir el cambio climático [9]. La granja que reduce la velocidad del viento y la luz solar directa que golpea la superficie del agua en al menos un 10 % podría compensar una década completa de calentamiento global [9]. En términos de biodiversidad y ecología, no parece haber grandes impactos negativos. Los paneles previenen los vientos fuertes actividad en la superficie del agua, reduciendo así la erosión en la ribera del río, protegiendo y estimulando la vegetación. sumergido bajo paneles fotovoltaicos para sustentar potencialmente la vida marina.[13]. Una de las principales preocupaciones de la investigación en curso es el impacto potencial en la cadena alimentaria debido a la instalación de infraestructura comopaneles fotovoltaicos en aguas abiertas en lugar de embalses hechos por el hombre. A medida que entra menos luz solar en las aguas, provoca una reducción en la tasa de fotosíntesis, lo que resulta en una pérdida masiva de fitoplancton y macrófitos. Con la reducción de estas plantas, el impacto en los animales más abajo en la cadena alimenticia, etc., conduce a subsidios para los organismos acuáticos [14]. Aunque aún no ha sucedido, esto podría evitar un mayor daño potencial al ecosistema, un gran inconveniente de las granjas solares flotantes.
Dado que el sol es nuestra mayor fuente de energía, puede ser difícil encontrar formas de aprovechar esta energía y usarla en nuestras comunidades. Las nuevas tecnologías e innovaciones disponibles todos los días hacen que esto sea posible. Si bien no hay muchas prendas portátiles que funcionan con energía solar comprar o granjas solares flotantes para visitar en este momento, eso no cambia el hecho de que la tecnología no tiene un gran potencial o un futuro brillante. Las células solares flotantes tienen un largo camino por recorrer en el sentido de la vida silvestre para ser tan comunes como paneles solares en la parte superior de las casas. Las células solares portátiles tienen un largo camino por recorrer antes de que se vuelvan tan comunes como la ropa que usamos todos los días. En el futuro, se espera que las células solares se utilicen en la vida cotidiana sin tener que ocultarlas entre nuestros ropa. A medida que la tecnología avanza en las próximas décadas, el potencial de la industria solar es infinito.
Acerca de Raj Shah El Dr. Raj Shah es director de Koehler Instrument Company en Nueva York, donde ha trabajado durante 27 años. Es miembro elegido por sus colegas en IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Physics, Institute of Energy Research y Royal Society of Chemistry. El Dr. Shah, ganador del Premio Águila de ASTM, recientemente coeditó el "Manual de combustibles y lubricantes" más vendido, cuyos detalles están disponibles en el Manual de combustibles y lubricantes largamente esperado de ASTM, 2.ª edición, 15 de julio de 2020 – David Phillips – Artículo de noticias de la industria Petro – Petro Online (petro-online.com)
El Dr. Shah tiene un doctorado en ingeniería química de la Universidad de Penn State y es miembro de la Chartered School of Management de Londres.También es científico colegiado del Consejo Científico, ingeniero petrolero colegiado del Instituto de Energía y del Consejo de Ingeniería del Reino Unido.Shah fue honrado recientemente como Ingeniero Distinguido por Tau beta Pi, la sociedad de ingeniería más grande de los Estados Unidos. Forma parte de los consejos asesores de la Universidad de Farmingdale (Tecnología Mecánica), la Universidad de Auburn (Tribología) y la Universidad de Stony Brook (Ingeniería Química/ Ciencia e Ingeniería de los Materiales).
Raj es profesor adjunto en el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Química de SUNY Stony Brook, ha publicado más de 475 artículos y ha estado activo en el campo de la energía durante más de 3 años. Puede encontrar más información sobre Raj en Koehler Instrument Company's Director elegido como miembro del Instituto Internacional de Física Petro Online (petro-online.com)
La Sra. Mariz Baslious y el Sr. Blerim Gashi son estudiantes de ingeniería química en SUNY, y el Dr. Raj Shah preside la junta asesora externa de la universidad. Mariz y Blerim son parte de un programa de pasantías en crecimiento en Koehler Instrument, Inc. en Holtzville, NY, que anima a los estudiantes a aprender más sobre el mundo de las tecnologías de energía alternativa.
Hora de publicación: 12-feb-2022
