文明が成長するにつれて、私たちの生活様式を支えるために必要なエネルギーは毎日増加し、太陽光などの再生可能な資源を利用して、社会が進歩し続けるためにより多くのエネルギーを生み出すための新しく革新的な方法を見つける必要があります。
太陽光は、何世紀にもわたって地球上の生命を提供し、可能にしてきました.直接的または間接的に、太陽は化石燃料、水力、風力、バイオマスなど、ほとんどすべての既知のエネルギー源の生成を可能にします.文明が成長するにつれて、それをサポートするために必要なエネルギー私たちの生活様式は日々増加しており、太陽光などの再生可能な資源を利用して、社会が進歩し続けるためのエネルギーをさらに生み出すための新しく革新的な方法を見つける必要があります。
太古の世界にまでさかのぼると、6,000年以上前に建てられた建物に由来するエネルギー源として太陽光を使用し、太陽光が暖房の形で機能する開口部を通過するように家を向けることにより、太陽エネルギーで生き残ることができました。数千年後、エジプト人とギリシャ人は同じ技術を使用して、太陽から家を保護することで夏の間家を涼しく保ちました[1]。太陽光は、古代世界で発生した熱に不可欠であるだけでなく、塩を介して食品を保存および保存するためにも使用されていました.塩水化では、太陽を使用して有毒な海水を蒸発させ、塩を収集しますソーラープールで [1].ルネッサンス後期に、レオナルド・ダ・ヴィンチは、給湯器としての凹面鏡太陽集光器の最初の産業用途を提案し、後にレオナルドはコップの溶接技術も提案しました太陽放射を利用し、繊維機械を稼働させるための技術的なソリューションを可能にしました [1]。産業革命のすぐ後に、W. Adams は現在ソーラー オーブンと呼ばれるものを作成しました。ガラスで覆われた木製の箱に鏡で集められ、鍋が置かれ、沸騰します[1].数百年早送りすると、1882年頃に太陽蒸気エンジンが建設されました[1].アベル・ピフレは凹面鏡を使用しました3.5直径 m で、印刷機を駆動するのに十分な電力を生成する円筒形の蒸気ボイラーに焦点を合わせました。
2004 年には、Planta Solar 10 と呼ばれる世界初の商業用集光型太陽光発電所がスペインのセビリアに設立されました。太陽光は約 624 メートルのタワーに反射され、そこに蒸気タービンと発電機が設置されたソーラー レシーバーが設置されています。これにより、エネルギーを生成することができます。ほぼ 10 年後の 2014 年、世界最大の太陽光発電所が米国カリフォルニア州に開設されました。この発電所では 300,000 枚以上の制御ミラーを使用し、377 メガワットの電力を生成して、約 140,000 世帯に電力を供給しました [ 1]。
工場が建設されて使用されるだけでなく、小売店の消費者も新しい技術を生み出しています.ソーラーパネルがデビューし、ソーラーパワーの車も登場しましたが、まだ発表されていない最新の開発の1つは新しいソーラーです- USB 接続やその他のデバイスを統合することで、外出先で充電できるソース、電話、イヤホンなどのデバイスに衣類を接続できます。ほんの数年前、理化学研究所の日本人研究者チームがInstitute と Torah Industries は、衣類を衣類に熱印刷し、セルが太陽エネルギーを吸収して電源として使用できるようにする薄い有機太陽電池の開発について説明しました [2]。 120 °C までの安定性と柔軟性 [2].研究グループのメンバーは、PNTz4T と呼ばれる材料の有機太陽電池に基づいています [3]。環境安定性と高い電力変換効率を実現するため、セルの両側はゴムのような素材であるエラストマーで覆われています [3]。プロセスでは、光が入るように、事前に伸ばされた 500 ミクロンの厚さのアクリル エラストマーを 2 つ使用しました。このエラストマーの使用は、バッテリー自体の劣化を減らし、その寿命を延ばすのに役立ちます[3]。
業界で最も注目すべき欠点の 1 つは水です。これらの細胞の変性はさまざまな要因によって引き起こされる可能性がありますが、最大の要因は水であり、あらゆる技術に共通の敵です。過剰な水分や長時間の空気への曝露は、効率に悪影響を及ぼす可能性があります。ほとんどの場合、コンピュータや電話に水がかかるのを避けることができますが、衣服に水がかかるのを避けることはできません.雨や洗濯機など、水は避けられません.自立型有機太陽電池と両面コーティング有機太陽電池の両方の有機太陽電池を水に 120 分間浸漬すると、自立型有機太陽電池の電力は5.4%。細胞数は 20.8% 減少しました [5]。
図 1. 浸漬時間の関数としての正規化された電力変換効率グラフのエラーバーは、各構造の初期電力変換効率の平均によって正規化された標準偏差を表します [5]。
図 2 は、ノッティンガム トレント大学での別の開発を示しています。これは、糸に埋め込むことができ、織物に織り込むことができる小型太陽電池です [2]。製品に含まれる各バッテリは、長さ3mm、幅1.5mm[2]。各ユニットは防水樹脂でラミネートされており、ランドリールームや天候によって洗濯物を洗うことができます[2]。バッテリーも快適に調整されており、それぞれが取り付けられています。着用者の肌をはみ出したり刺激したりしない方法.さらなる研究では、布の5cm^2セクションに似た小さな衣服には、200個をわずかに超えるセルが含まれ、理想的には2.5〜10ボルトのエネルギーを生成し、スマートフォンを充電できるようにするために必要なセルは 2000 個しかないと結論付けています [2]。
図 2. 長さ 3 mm、幅 1.5 mm のマイクロ太陽電池 (写真提供: ノッティンガム トレント大学) [2]。
太陽光発電ファブリックは、2 つの軽量で低コストのポリマーを融合させて、エネルギーを生成するテキスタイルを作成します。2 つのコンポーネントの最初のものは、太陽光からエネルギーを収集するマイクロ太陽電池であり、2 つ目は、機械エネルギーを電気に変換するナノ発電機で構成されています [ 6].ファブリックの光起電力部分は、ポリマー繊維で構成され、その後、マンガン、酸化亜鉛 (光起電材料)、およびヨウ化銅 (電荷収集用) の層でコーティングされます [6]。小さな銅線が衣服に組み込まれています。
これらの技術革新の背後にある秘密は、柔軟な太陽光発電デバイスの透明電極にあります。透明導電性電極は、光がセルに入るのを可能にする太陽電池のコンポーネントの 1 つであり、集光率を高めます。インジウムをドープした酸化スズ (ITO) が使用されています。これらの透明電極は、理想的な透明度 (>80%) と良好なシート抵抗、および優れた環境安定性のために使用されます [7]。すべてのコンポーネントがほぼ完璧な比率であるため、ITO は非常に重要です。透明性と抵抗を組み合わせた厚さは、電極の結果を最大化します[7]。比率の変動は電極に悪影響を及ぼし、したがって性能に悪影響を及ぼします。たとえば、電極の厚さを増やすと、透明性と抵抗が低下し、性能の低下につながります。ただし、ITO は有限のリソースであり、すぐに消費されます。しかし、ITO の性能を上回ることが期待されている [7]。
これまでのところ、透明な導電性酸化物で修飾されたポリマー基板などの材料の人気が高まっています。残念ながら、これらの基板は脆く、硬く、重く、柔軟性と性能が大幅に低下することが示されています [7]。繊維電池は、電極と、電極の代わりに活物質と撚り合わされた 2 本の異なる金属ワイヤで構成されています [7]。 、しかし問題は、金属ワイヤ間の接触面積の欠如であり、接触面積が減少し、その結果、光起電性能が低下します[7]。
環境要因も継続的な研究の大きな動機となっています。現在、世界は化石燃料、石炭、石油などの再生不可能なエネルギー源に大きく依存しています。将来のために必要な投資です。毎日、何百万人もの人々が携帯電話、コンピューター、ラップトップ、スマートウォッチ、およびすべての電子機器を充電しています。私たちのファブリックを使用して歩くだけでこれらの機器を充電することで、化石燃料の使用を減らすことができます。 1 人または 500 人の小規模では些細なことですが、数千万人に拡大すると、化石燃料の使用を大幅に削減できます。
太陽光発電所のソーラー パネルは、住宅の上に設置されたものを含め、再生可能エネルギーを利用し、まだ大量に使用されている化石燃料の使用を減らすのに役立つことが知られています。平均的な家庭では一定数のソーラー パネルしかサポートできず、ソーラー ファームの数は限られています。十分なスペースがある地域では、ほとんどの人が常に新しい太陽光発電所の建設をためらっています。最近では、大量の電力を生成できる水上太陽光発電パネルの設置が多数あり、水上太陽光発電所の主な利点はコスト削減です[8]。土地を使用しないため、住宅やビルの上に設置する費用を心配する必要はありません。現在知られている水上太陽光発電所はすべて人工水域にあり、将来これらの農場を自然の水域に配置することは可能です。人工貯水池には、海洋では一般的ではない多くの利点があります [9]. 人工貯水池は管理が容易で、以前のインフラストラクチャと道路があれば、ファームを簡単に設置できます. 水上ソーラー ファームは、水と陸の間の温度差による陸上のソーラー ファーム [9]。ソーラー パネルの変換率のパフォーマンス。温度はパネルが受け取る太陽光の量を制御しませんが、太陽光から受け取るエネルギーの量に影響を与えます。低エネルギー (つまり、低温) では、ソーラー パネル内の電子は静止状態、そして太陽光が当たると励起状態に達する [10]。静止状態と励起状態の違いは、電圧でどれだけのエネルギーが生成されるかです。ht はこれらの電子を励起しますが、加熱することもできます。ソーラー パネルの周囲の熱が電子にエネルギーを与え、電子を低励起状態にする場合、太陽光がパネルに当たったときの電圧はそれほど大きくなりません [10]。水よりも容易に加熱されるため、陸上のソーラーパネルの電子はより高い励起状態になる可能性が高く、ソーラーパネルはより冷たい水域の上または近くに配置されます.さらなる研究により、の冷却効果が証明されました.浮遊パネルの周りの水は、陸上よりも 12.5% 多くのエネルギーを生成するのに役立ちます [9]。
これまでのところ、ソーラー パネルはアメリカのエネルギー ニーズの 1% しか満たしていませんが、これらのソーラー ファームが人工貯水池の最大 4 分の 1 に植えられた場合、ソーラー パネルはアメリカのエネルギー ニーズのほぼ 10% を満たすことになります。パネルができるだけ早く導入されたとき、コロラド州の 2 つの大きな貯水池は蒸発により多くの水を失いましたが、これらのフローティング パネルを設置することで、貯水池の乾燥が防止され、発電が行われました [11]。ソーラー ファームを備えた貯水池は、少なくとも 400 ギガワットの電力を生成するのに十分であり、440 億個の LED 電球に 1 年以上電力を供給するのに十分です。
図 4a は、図 4b との関係でフローティング ソーラー セルによって提供される電力の増加を示しています。過去 10 年間、フローティング ソーラー ファームはほとんどありませんでしたが、依然として発電量に大きな違いをもたらしています。将来的には、フローティング ソーラー ファームが2018 年の 0.5TW から 2022 年末までに 1.1TW まで 3 倍になると言われています [12]。
環境的に言えば、これらのフローティング ソーラー ファームは多くの点で非常に有益です。化石燃料への依存を減らすことに加えて、ソーラー ファームは水面に到達する空気と太陽光の量も減らし、気候変動を逆転させるのに役立つ可能性があります [9]。風速と水面に当たる直射日光を少なくとも 10% 減らす農場は、地球温暖化の 10 年分を完全に相殺することができます [9]。 [13]. 海洋生物が影響を受けているかどうかについての決定的な結果はありませんが、Ecocean によって作成された貝殻で満たされた生物小屋などの対策が行われました。 [13]. 進行中の研究の主な懸念事項の 1 つは、次のようなインフラストラクチャの設置による食物連鎖への潜在的な影響です。人工貯水池ではなく、開放水域に太陽光発電パネルを設置します。水域に入る日光が少なくなると、光合成速度が低下し、植物プランクトンと大型植物が大量に失われます。これらの植物の減少に伴い、動物への影響食物連鎖の下位などは、水生生物への補助金につながります [14]。まだ実現していませんが、水上太陽光発電所の主な欠点である生態系への潜在的な損害を防ぐことができます。
太陽は私たちの最大のエネルギー源であるため、このエネルギーを活用して地域社会で利用する方法を見つけるのは難しい場合があります.毎日利用できる新しいテクノロジーとイノベーションにより、これが可能になります.太陽光発電で動く着用可能な衣服はあまりありません.浮体式太陽光発電所を購入したり、今すぐ訪問したりしても、この技術に大きな可能性や明るい未来がないという事実は変わりません.浮体式太陽電池は、野生生物の意味で、ウェアラブルな太陽電池が、私たちが毎日着る衣服のように一般的になるまでには、まだ長い道のりがあります.今後数十年でテクノロジーが進歩するにつれて、ソーラー産業の可能性は無限大になります。
Raj Shah について Raj Shah 博士は、ニューヨークの Koehler Instrument Company のディレクターであり、そこで 27 年間勤務しています。彼は、IChemE、CMI、STLE、AIC、NLGI、INSMTC、Institute of物理学、エネルギー研究所、英国王立化学協会.ASTM イーグル賞受賞者のシャー博士は最近、ベストセラーの「燃料と潤滑油ハンドブック」を共同編集しました。 2020 – David Phillips – Petro Industry ニュース記事 – Petro Online (petro-online.com)
シャー博士は、ペンシルベニア州立大学で化学工学の博士号を取得し、ロンドンのチャータード スクール オブ マネジメントのフェローでもあります。彼はまた、科学評議会の公認科学者、エネルギー研究所の公認石油技師、英国工学評議会のメンバーでもあります。Shah は最近、米国最大の工学団体である Tau beta Pi から Distinguished Engineer として表彰されました。彼は、ファーミングデール大学 (機械技術)、オーバーン大学 (トライボロジー)、およびストーニー ブルック大学 (化学工学/材料科学および工学）。
Raj は、SUNY Stony Brook の材料科学および化学工学科の非常勤教授であり、475 以上の記事を発表しており、エネルギー分野で 3 年以上活躍しています。Raj の詳細については、 Koehler Instrument Company's Director を参照してください。 International Institute of Physics Petro Online (petro-online.com) のフェローに選出
Mariz Baslious 氏と Blerim Gashi 氏はニューヨーク州立大学の化学工学の学生であり、Raj Shah 博士は大学の外部諮問委員会の議長を務めています。学生が代替エネルギー技術の世界についてもっと学ぶことを奨励しています。
投稿時間: 2022 年 2 月 12 日
