Au fur et à mesure que la civilisation se développe, l'énergie nécessaire pour soutenir notre mode de vie augmente chaque jour, ce qui nous oblige à trouver des moyens nouveaux et innovants d'exploiter nos ressources renouvelables, telles que la lumière du soleil, pour créer plus d'énergie pour que notre société puisse poursuivre le progrès.
La lumière du soleil a fourni et permis la vie sur notre planète pendant des siècles. Que ce soit directement ou indirectement, le soleil permet la génération de presque toutes les sources d'énergie connues telles que les combustibles fossiles, l'hydroélectricité, le vent, la biomasse, etc. À mesure que la civilisation se développe, l'énergie nécessaire pour soutenir notre mode de vie augmente chaque jour, nous obligeant à trouver des moyens nouveaux et innovants d'exploiter nos ressources renouvelables, telles que la lumière du soleil, pour créer plus d'énergie pour que notre société continue de progresser.
Dès l'Antiquité, nous avons pu survivre grâce à l'énergie solaire, en utilisant la lumière du soleil comme source d'énergie provenant de bâtiments construits il y a plus de 6 000 ans, en orientant la maison de manière à ce que la lumière du soleil passe à travers des ouvertures qui agissent comme une forme de chauffage. Des milliers d'années plus tard, les Égyptiens et les Grecs ont utilisé la même technique pour garder leurs maisons fraîches pendant l'été en les protégeant du soleil [1]. De grandes fenêtres à simple vitrage sont utilisées comme fenêtres solaires thermiques, permettant à la chaleur du soleil d'entrer mais de piéger la chaleur à l'intérieur.La lumière du soleil était non seulement essentielle pour la chaleur qu'elle produisait dans le monde antique, mais elle était également utilisée pour conserver et conserver les aliments grâce au sel.Dans la salinisation, le soleil est utilisé pour évaporer l'eau de mer toxique et obtenir du sel, qui est collecté dans les piscines solaires [1]. À la fin de la Renaissance, Léonard de Vinci a proposé la première application industrielle des concentrateurs solaires à miroir concave comme chauffe-eau, et plus tard, Léonard a également proposé la technologie du soudage du cuivre.er en utilisant le rayonnement solaire et en permettant aux solutions techniques de faire fonctionner les machines textiles [1].Peu de temps pendant la révolution industrielle, W. Adams a créé ce qu'on appelle maintenant un four solaire.Ce four a huit miroirs symétriques en verre argenté qui forment un réflecteur octogonal.La lumière du soleil est concentrée par des miroirs dans une boîte en bois recouverte de verre où la marmite sera placée et laissée bouillir[1]. Avance rapide de quelques centaines d'années et la machine à vapeur solaire a été construite vers 1882 [1]. Abel Pifre a utilisé un miroir concave 3,5 m de diamètre et l'a concentré sur une chaudière à vapeur cylindrique qui produisait suffisamment d'énergie pour entraîner la presse à imprimer.
En 2004, la première centrale solaire à concentration commerciale au monde appelée Planta Solar 10 a été établie à Séville, en Espagne. La lumière du soleil se reflète sur une tour d'environ 624 mètres, où des récepteurs solaires sont installés avec des turbines à vapeur et des générateurs. Ceci est capable de générer de l'énergie pour alimenter plus de 5 500 foyers. Près d'une décennie plus tard, en 2014, la plus grande centrale solaire au monde a ouvert ses portes en Californie, aux États-Unis. La centrale a utilisé plus de 300 000 miroirs contrôlés et a permis la production de 377 mégawatts d'électricité pour alimenter environ 140 000 foyers [ 1].
Non seulement des usines sont construites et utilisées, mais les consommateurs des magasins de détail créent également de nouvelles technologies. Les panneaux solaires ont fait leurs débuts, et même les voitures à énergie solaire sont entrées en jeu, mais l'un des derniers développements à annoncer est le technologie portable alimentée. En intégrant une connexion USB ou d'autres appareils, il permet la connexion de vêtements à des appareils tels que des sources, des téléphones et des écouteurs, qui peuvent être chargés en déplacement. Il y a quelques années à peine, une équipe de chercheurs japonais du Riken Institute et Torah Industries ont décrit le développement d'une cellule solaire organique mince qui chaufferait les vêtements sur les vêtements, permettant à la cellule d'absorber l'énergie solaire et de l'utiliser comme source d'énergie [2]. Les microcellules solaires sont des cellules photovoltaïques organiques à stabilité et flexibilité jusqu'à 120 °C [2].Les membres du groupe de recherche ont basé des cellules photovoltaïques organiques sur un matériau appelé PNTz4T [3].PNTz4T est un polymère semi-conducteur précédemment développé par Riken pour une excellentestabilité vironmentale et efficacité de conversion de puissance élevée, puis les deux côtés de la cellule sont recouverts d'élastomère, un matériau caoutchouteux [3]. Dans le processus, ils ont utilisé deux élastomères acryliques pré-étirés de 500 microns d'épaisseur qui permettent à la lumière d'entrer la cellule mais empêchent l'eau et l'air de pénétrer dans la cellule. L'utilisation de cet élastomère permet de réduire la dégradation de la batterie elle-même et de prolonger sa durée de vie [3].
L'eau est l'un des inconvénients les plus notables de l'industrie. La dégénérescence de ces cellules peut être causée par divers facteurs, mais le plus important est l'eau, l'ennemi commun de toute technologie. Tout excès d'humidité et une exposition prolongée à l'air peuvent affecter négativement l'efficacité. de cellules photovoltaïques organiques [4]. Si vous pouvez éviter d'avoir de l'eau sur votre ordinateur ou votre téléphone dans la plupart des cas, vous ne pouvez pas l'éviter avec vos vêtements. Qu'il pleuve ou qu'il y ait une machine à laver, l'eau est inévitable. Après divers tests sur le cellule photovoltaïque organique autoportante et la cellule photovoltaïque organique revêtue double face, les deux cellules photovoltaïques organiques ont été immergées dans l'eau pendant 120 minutes, il a été conclu que la puissance de la cellule photovoltaïque organique autoportante était L'efficacité de conversion n'est réduite que de 5,4 %. Les cellules ont diminué de 20,8 % [5].
Figure 1. Rendement de conversion de puissance normalisé en fonction du temps d'immersion. Les barres d'erreur sur le graphique représentent l'écart type normalisé par la moyenne des rendements de conversion de puissance initiaux dans chaque structure [5].
La figure 2 illustre un autre développement à l'Université de Nottingham Trent, une cellule solaire miniature qui peut être intégrée dans un fil, qui est ensuite tissé dans un textile [2]. Chaque batterie incluse dans le produit répond à certains critères d'utilisation, tels que les exigences de 3 mm de long et 1,5 mm de large [2]. Chaque unité est laminée avec une résine imperméable pour permettre le lavage du linge dans la buanderie ou en raison des intempéries [2]. Les batteries sont également conçues pour le confort, et chacune est montée dans un manière qui ne dépasse pas ou n'irrite pas la peau du porteur. Dans des recherches plus approfondies, il a été constaté que dans un petit vêtement similaire à une section de tissu de 5 cm ^ 2 peut contenir un peu plus de 200 cellules, produisant idéalement 2,5 à 10 volts d'énergie, et ont conclu qu'il n'y a que 2000 cellules Les cellules doivent pouvoir recharger les smartphones [2].
Figure 2. Microcellules solaires de 3 mm de long et 1,5 mm de large (photo publiée avec l'aimable autorisation de Nottingham Trent University) [2].
Les tissus photovoltaïques fusionnent deux polymères légers et peu coûteux pour créer des textiles générateurs d'énergie. Le premier des deux composants est une micro cellule solaire, qui récupère l'énergie du soleil, et le second consiste en un nanogénérateur, qui convertit l'énergie mécanique en électricité [ 6].La partie photovoltaïque du tissu est constituée de fibres polymères, qui sont ensuite recouvertes de couches de manganèse, d'oxyde de zinc (un matériau photovoltaïque) et d'iodure de cuivre (pour la collecte de charge) [6].Les cellules sont ensuite tissées avec un minuscule fil de cuivre et intégré au vêtement.
Le secret de ces innovations réside dans les électrodes transparentes des dispositifs photovoltaïques flexibles. Les électrodes conductrices transparentes sont l'un des composants des cellules photovoltaïques qui permettent à la lumière d'entrer dans la cellule, augmentant ainsi le taux de collecte de la lumière. L'oxyde d'étain dopé à l'indium (ITO) est utilisé pour fabriquer ces électrodes transparentes, qui est utilisé pour sa transparence idéale (> 80 %) et sa bonne résistance par carré ainsi qu'une excellente stabilité environnementale [7]. L'ITO est crucial car tous ses composants sont dans des proportions quasi parfaites. Le rapport de l'épaisseur combinée à la transparence et à la résistance maximise les résultats des électrodes [7] Cependant, l'ITO est une ressource finie qui est rapidement consommée. Des recherches sont en cours pour trouver une alternative qui permet non seulement d'atteindreITO, mais devrait surpasser les performances de l'ITO [7].
Les matériaux tels que les substrats polymères qui ont été modifiés avec des oxydes conducteurs transparents ont gagné en popularité jusqu'à présent. Malheureusement, ces substrats se sont avérés cassants, rigides et lourds, ce qui réduit considérablement la flexibilité et les performances [7]. Les chercheurs proposent une solution pour en utilisant des cellules solaires flexibles de type fibre comme remplacements d'électrodes. Une batterie fibreuse se compose d'une électrode et de deux fils métalliques distincts qui sont torsadés et combinés avec un matériau actif pour remplacer l'électrode [7]. Les cellules solaires se sont révélées prometteuses en raison de leur poids léger , mais le problème est le manque de surface de contact entre les fils métalliques, ce qui réduit la surface de contact et entraîne ainsi une dégradation des performances photovoltaïques [7].
Les facteurs environnementaux sont également une grande source de motivation pour la poursuite des recherches. Actuellement, le monde dépend fortement des sources d'énergie non renouvelables telles que les combustibles fossiles, le charbon et le pétrole. est un investissement nécessaire pour l'avenir.Chaque jour, des millions de personnes rechargent leurs téléphones, ordinateurs, ordinateurs portables, montres intelligentes et tous les appareils électroniques, et l'utilisation de nos tissus pour recharger ces appareils simplement en marchant peut réduire notre consommation de combustibles fossiles.Bien que cela puisse sembler trivial à une petite échelle de 1 ou même 500 personnes, lorsqu'il est étendu à des dizaines de millions, il pourrait réduire considérablement notre utilisation de combustibles fossiles.
Les panneaux solaires dans les centrales solaires, y compris ceux montés au-dessus des maisons, sont connus pour aider à utiliser les énergies renouvelables et à réduire l'utilisation de combustibles fossiles, qui sont encore fortement utilisés.L'Amérique.L'un des principaux problèmes pour l'industrie est d'obtenir des terres pour construire ces fermes. Un ménage moyen ne peut supporter qu'un certain nombre de panneaux solaires, et le nombre de fermes solaires est limité. Dans les zones disposant de suffisamment d'espace, la plupart des gens hésitent toujours à construire une nouvelle centrale solaire car cela ferme définitivement la possibilité et le potentiel d'autres opportunités sur le terrain, telles que de nouvelles entreprises. Il existe un grand nombre d'installations de panneaux photovoltaïques flottants qui peuvent générer de grandes quantités d'électricité récemment, et le principal avantage des fermes solaires flottantes est la réduction des coûts la terre n'est pas utilisée, il n'y a pas besoin de s'inquiéter des coûts d'installation au-dessus des maisons et des bâtiments. Toutes les fermes solaires flottantes actuellement connues sont situées sur des plans d'eau artificiels, et à l'avenirs possible de placer ces fermes sur des plans d'eau naturels.Les réservoirs artificiels présentent de nombreux avantages qui ne sont pas courants dans l'océan [9]. Les réservoirs artificiels sont faciles à gérer, et avec les infrastructures et les routes précédentes, les fermes peuvent simplement être installées. fermes solaires terrestres en raison des variations de température entre l'eau et la terre [9]. En raison de la chaleur spécifique élevée de l'eau, la température de surface de la terre est généralement supérieure à celle des plans d'eau, et il a été démontré que les températures élevées performances des taux de conversion des panneaux solaires. Bien que la température ne contrôle pas la quantité de lumière solaire reçue par un panneau, elle affecte la quantité d'énergie que vous recevez de la lumière solaire. À basse énergie (c'est-à-dire à des températures plus froides), les électrons à l'intérieur du panneau solaire seront un état de repos, puis lorsque la lumière du soleil frappe, ils atteindront un état excité [10]. La différence entre l'état de repos et l'état excité est la quantité d'énergie générée dans la tension.ht excitent ces électrons, mais peuvent donc chauffer. Si la chaleur autour du panneau solaire dynamise les électrons et les met dans un état de faible excitation, la tension ne sera pas aussi élevée lorsque la lumière du soleil frappe le panneau [10]. Puisque la terre absorbe et émet chauffent plus facilement que l'eau, les électrons d'un panneau solaire terrestre sont susceptibles d'être dans un état d'excitation plus élevé, puis le panneau solaire est situé sur ou à proximité d'une masse d'eau plus froide. Des recherches plus poussées ont prouvé que l'effet de refroidissement de l'eau autour des panneaux flottants contribue à générer 12,5% d'énergie en plus que sur terre [9].
Jusqu'à présent, les panneaux solaires ne répondent qu'à 1 % des besoins énergétiques de l'Amérique, mais si ces fermes solaires étaient plantées sur jusqu'à un quart des réservoirs d'eau artificiels, les panneaux solaires répondraient à près de 10 % des besoins énergétiques de l'Amérique. panneaux ont été introduits dès que possible, deux grands réservoirs d'eau dans le Colorado ont perdu beaucoup d'eau en raison de l'évaporation, mais en installant ces panneaux flottants, les réservoirs ont été empêchés de s'assécher et de l'électricité a été générée [11]. Même un pour cent de l'homme -des réservoirs équipés de fermes solaires seraient suffisants pour générer au moins 400 gigawatts d'électricité, assez pour alimenter 44 milliards d'ampoules LED pendant plus d'un an.
La figure 4a montre l'augmentation de puissance fournie par la cellule solaire flottante par rapport à la figure 4b. Bien qu'il y ait eu peu de fermes solaires flottantes au cours de la dernière décennie, elles font encore une si grande différence dans la production d'électricité. À l'avenir, lorsque les fermes solaires flottantes deviennent plus abondantes, l'énergie totale produite triplerait, passant de 0,5 TW en 2018 à 1,1 TW d'ici fin 2022.[12]
Sur le plan environnemental, ces fermes solaires flottantes sont très bénéfiques à bien des égards. En plus de réduire la dépendance aux combustibles fossiles, les fermes solaires réduisent également la quantité d'air et de lumière solaire atteignant la surface de l'eau, ce qui peut aider à inverser le changement climatique [9]. une ferme qui réduit la vitesse du vent et la lumière directe du soleil frappant la surface de l'eau d'au moins 10 % pourrait compenser une décennie complète de réchauffement climatique [9]. En termes de biodiversité et d'écologie, aucun impact négatif important ne semble être trouvé. Les panneaux empêchent les vents violents activité à la surface de l'eau, réduisant ainsi l'érosion sur la rive du fleuve, protégeant et stimulant la végétation.[13]. été submergé sous des panneaux photovoltaïques pour soutenir potentiellement la vie marine. [13]. L'une des principales préoccupations des recherches en cours est l'impact potentiel sur la chaîne alimentaire en raison de l'installation d'infrastructures telles quepanneaux photovoltaïques en eau libre plutôt que sur des réservoirs artificiels. Comme moins de lumière solaire pénètre dans les eaux, cela provoque une réduction du taux de photosynthèse, entraînant une perte massive de phytoplancton et de macrophytes. Avec la réduction de ces plantes, l'impact sur les animaux plus bas dans la chaîne alimentaire, etc., conduit à des subventions pour les organismes aquatiques [14]. Bien que ce ne soit pas encore le cas, cela pourrait prévenir d'autres dommages potentiels à l'écosystème, un inconvénient majeur des fermes solaires flottantes.
Étant donné que le soleil est notre plus grande source d'énergie, il peut être difficile de trouver des moyens d'exploiter cette énergie et de l'utiliser dans nos communautés. Les nouvelles technologies et innovations disponibles chaque jour rendent cela possible. Bien qu'il n'y ait pas beaucoup de vêtements portables à énergie solaire acheter ou des fermes solaires flottantes à visiter en ce moment, cela ne change rien au fait que la technologie n'a pas un potentiel énorme ou un avenir brillant. Les cellules solaires flottantes ont un long chemin à parcourir dans le sens de la faune pour être aussi courantes que panneaux solaires au-dessus des maisons. Les cellules solaires portables ont encore un long chemin à parcourir avant de devenir aussi courantes que les vêtements que nous portons tous les jours. À l'avenir, les cellules solaires devraient être utilisées dans la vie quotidienne sans avoir à être cachées entre nos vêtements. À mesure que la technologie progresse dans les décennies à venir, le potentiel de l'industrie solaire est infini.
À propos de Raj Shah Le Dr Raj Shah est administrateur de la Koehler Instrument Company à New York, où il a travaillé pendant 27 ans. Physique, Institute of Energy Research et Royal Society of Chemistry. Le Dr Shah, récipiendaire du prix ASTM Eagle Award, a récemment co-édité le best-seller "Fuels and Lubricants Handbook", détails disponibles dans le Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook de l'ASTM, 2e édition - 15 juillet 2020 – David Phillips – Article de presse sur l'industrie pétrolière – Petro Online (petro-online.com)
Le Dr Shah est titulaire d'un doctorat en génie chimique de la Penn State University et d'un Fellow de la Chartered School of Management de Londres.Il est également scientifique agréé du Conseil scientifique, ingénieur pétrolier agréé de l'Institut de l'énergie et membre du UK Engineering Council.Dr.Shah a récemment été honoré en tant qu'ingénieur émérite par Tau beta Pi, la plus grande société d'ingénierie des États-Unis. Science et génie des matériaux).
Raj est professeur auxiliaire au Département de science des matériaux et de génie chimique de SUNY Stony Brook, a publié plus de 475 articles et est actif dans le domaine de l'énergie depuis plus de 3 ans. Plus d'informations sur Raj peuvent être trouvées sur le directeur de Koehler Instrument Company élu Fellow à l'Institut international de physique Petro Online (petro-online.com)
Mme Mariz Baslious et M. Blerim Gashi sont des étudiants en génie chimique à SUNY, et le Dr Raj Shah préside le conseil consultatif externe de l'université. Mariz et Blerim font partie d'un programme de stages en pleine croissance chez Koehler Instrument, Inc. à Holtzville, NY, qui encourage les étudiants à en apprendre davantage sur le monde des technologies énergétiques alternatives.
Heure de publication : 12 février 2022
