À medida que a civilização cresce, a energia necessária para sustentar nosso modo de vida aumenta a cada dia, exigindo que encontremos maneiras novas e inovadoras de aproveitar nossos recursos renováveis, como a luz solar, para criar mais energia para que nossa sociedade continue progredindo.
A luz solar forneceu e possibilitou a vida em nosso planeta por séculos. Seja direta ou indiretamente, o sol permite a geração de quase todas as fontes de energia conhecidas, como combustíveis fósseis, energia hídrica, eólica, biomassa, etc. À medida que a civilização cresce, a energia necessária para sustentar nosso modo de vida aumenta a cada dia, exigindo que encontremos maneiras novas e inovadoras de aproveitar nossos recursos renováveis, como a luz solar, para criar mais energia para que nossa sociedade continue progredindo.
Desde o mundo antigo conseguimos sobreviver de energia solar, utilizando a luz solar como fonte de energia originada em edifícios construídos há mais de 6.000 anos, orientando a casa para que a luz solar passasse por aberturas que agem como forma de aquecimento Milhares de anos depois, egípcios e gregos usaram a mesma técnica para manter suas casas frescas durante o verão, protegendo-as do sol [1]. o calor interior.A luz do sol não era apenas essencial para o calor que produzia no mundo antigo, mas também era usada para preservar e conservar alimentos através do sal.Na salinização, o sol é usado para evaporar a água do mar tóxica e obter sal, que é coletado em piscinas solares [1]. No final do Renascimento, Leonardo da Vinci propôs a primeira aplicação industrial de concentradores solares de espelho côncavo como aquecedores de água, e mais tarde Leonardo também propôs a tecnologia de soldagem copper usando a radiação solar e permitindo soluções técnicas para operar máquinas têxteis [1]. Logo durante a Revolução Industrial, W. Adams criou o que hoje é chamado de forno solar. Este forno tem oito espelhos simétricos de vidro prateado que formam um refletor octogonal. concentrado por espelhos em uma caixa de madeira coberta de vidro onde a panela será colocada e deixará ferver[1]. Avançando algumas centenas de anos e a máquina solar a vapor foi construída por volta de 1882 [1]. Abel Pifre usou um espelho côncavo 3,5 m de diâmetro e o focou em uma caldeira a vapor cilíndrica que produzia energia suficiente para acionar a impressora.
Em 2004, a primeira usina solar concentrada comercial do mundo, chamada Planta Solar 10, foi estabelecida em Sevilha, Espanha. A luz do sol é refletida em uma torre de aproximadamente 624 metros, onde são instalados receptores solares com turbinas a vapor e geradores. Esta é capaz de gerar energia para abastecer mais de 5.500 residências. Quase uma década depois, em 2014, a maior usina de energia solar do mundo foi inaugurada na Califórnia, EUA. A usina utilizou mais de 300.000 espelhos controlados e permitiu a produção de 377 megawatts de eletricidade para abastecer aproximadamente 140.000 residências [ 1].
Não apenas as fábricas estão sendo construídas e usadas, mas os consumidores nas lojas de varejo também estão criando novas tecnologias. tecnologia wearable alimentada.Ao integrar uma conexão USB ou outros dispositivos, permite a conexão de roupas a dispositivos como fontes, telefones e fones de ouvido, que podem ser carregados em movimento.Apenas alguns anos atrás, uma equipe de pesquisadores japoneses do Riken Institute e Torah Industries descreveram o desenvolvimento de uma célula solar orgânica fina que imprime roupas com calor nas roupas, permitindo que a célula absorva a energia solar e a use como fonte de energia [2] ]. estabilidade e flexibilidade até 120 °C [2]. Membros do grupo de pesquisa basearam células fotovoltaicas orgânicas em um material chamado PNTz4T [3]. PNTz4T é um polímero semicondutor desenvolvido anteriormente pela Riken para excelenteestabilidade virtual e alta eficiência de conversão de energia, então ambos os lados da célula são cobertos com elastômero, um material semelhante a borracha [3]. a célula, mas impede a entrada de água e ar na célula. O uso desse elastômero ajuda a reduzir a degradação da própria bateria e prolongar sua vida útil [3].
Uma das desvantagens mais notáveis da indústria é a água. A degeneração dessas células pode ser causada por uma variedade de fatores, mas o maior é a água, o inimigo comum de qualquer tecnologia. Qualquer excesso de umidade e exposição prolongada ao ar podem afetar negativamente a eficiência de células fotovoltaicas orgânicas [4]. Embora você possa evitar a entrada de água em seu computador ou telefone na maioria dos casos, você não pode evitá-la com suas roupas. Seja chuva ou máquina de lavar, a água é inevitável. Após vários testes no célula fotovoltaica orgânica autônoma e a célula fotovoltaica orgânica revestida de dupla face, ambas as células fotovoltaicas orgânicas foram imersas em água por 120 minutos, concluiu-se que a potência da célula fotovoltaica orgânica autônoma foi A eficiência de conversão é reduzida apenas por 5,4%. As células diminuíram 20,8% [5].
Figura 1. Eficiência de conversão de potência normalizada em função do tempo de imersão. As barras de erro no gráfico representam o desvio padrão normalizado pela média das eficiências de conversão de potência inicial em cada estrutura [5].
A Figura 2 mostra outro desenvolvimento na Nottingham Trent University, uma célula solar em miniatura que pode ser embutida em um fio, que é então tecido em um tecido [2]. Cada bateria incluída no produto atende a determinados critérios de uso, como os requisitos de 3 mm de comprimento e 1,5 mm de largura[2]. Cada unidade é laminada com uma resina à prova d'água para permitir que a roupa seja lavada na lavanderia ou devido ao clima [2]. forma que não sobressaia ou irrita a pele do usuário. Em pesquisas posteriores, descobriu-se que em uma pequena peça de roupa semelhante a uma seção de tecido de 5 cm^2 pode conter pouco mais de 200 células, produzindo idealmente 2,5 a 10 volts de energia e concluiu que existem apenas 2000 células As células precisam ser capazes de carregar smartphones [2].
Figura 2. Microcélulas solares com 3 mm de comprimento e 1,5 mm de largura (foto cortesia da Nottingham Trent University) [2].
Os tecidos fotovoltaicos fundem dois polímeros leves e de baixo custo para criar têxteis geradores de energia. 6]. A parte fotovoltaica do tecido consiste em fibras de polímero, que são então revestidas com camadas de manganês, óxido de zinco (um material fotovoltaico) e iodeto de cobre (para coleta de carga) [6]. As células são então tecidas em conjunto com um pequeno fio de cobre e integrado na roupa.
O segredo por trás dessas inovações está nos eletrodos transparentes dos dispositivos fotovoltaicos flexíveis. Os eletrodos condutores transparentes são um dos componentes das células fotovoltaicas que permitem a entrada de luz na célula, aumentando a taxa de coleta de luz. É usado óxido de estanho dopado com índio (ITO) para fabricar esses eletrodos transparentes, que são usados por sua transparência ideal (>80%) e boa resistência de folha, bem como excelente estabilidade ambiental [7]. O ITO é crucial porque todos os seus componentes estão em proporções quase perfeitas. espessura combinada com transparência e resistência maximiza os resultados dos eletrodos [7]. Quaisquer flutuações na proporção afetarão negativamente os eletrodos e, portanto, o desempenho. Por exemplo, aumentar a espessura do eletrodo reduz a transparência e a resistência, levando à degradação do desempenho. No entanto, ITO é um recurso finito que é rapidamente consumido.ITO, mas espera-se que supere o desempenho do ITO [7].
Materiais como substratos poliméricos que foram modificados com óxidos condutores transparentes têm crescido em popularidade até agora. Infelizmente, esses substratos têm se mostrado frágeis, rígidos e pesados, o que reduz bastante a flexibilidade e o desempenho [7]. usando células solares flexíveis do tipo fibra como substituições de eletrodos. Uma bateria fibrosa consiste em um eletrodo e dois fios metálicos distintos que são torcidos e combinados com um material ativo para substituir o eletrodo [7]. As células solares mostraram-se promissoras devido ao seu peso leve , mas o problema é a falta de área de contato entre os fios metálicos, o que reduz a área de contato e, assim, resulta em desempenho fotovoltaico degradado [7].
Os fatores ambientais também são um grande motivador para a pesquisa contínua. Atualmente, o mundo depende muito de fontes de energia não renováveis, como combustíveis fósseis, carvão e petróleo. Mudando o foco de fontes de energia não renováveis para fontes de energia renováveis, incluindo energia solar, é um investimento necessário para o futuro. Todos os dias, milhões de pessoas carregam seus telefones, computadores, laptops, smartwatches e todos os dispositivos eletrônicos, e usar nossos tecidos para carregar esses dispositivos apenas andando pode reduzir o uso de combustíveis fósseis. trivial em uma pequena escala de 1 ou até 500 pessoas, quando escalado para dezenas de milhões, poderia reduzir significativamente nosso uso de combustíveis fósseis.
Painéis solares em usinas de energia solar, incluindo aqueles montados em cima de casas, são conhecidos por ajudar a usar energia renovável e reduzir o uso de combustíveis fósseis, que ainda são muito utilizados. construir essas fazendas. Uma família média só pode suportar um certo número de painéis solares, e o número de fazendas solares é limitado. Em áreas com amplo espaço, a maioria das pessoas sempre hesita em construir uma nova usina de energia solar porque fecha permanentemente a possibilidade e potencial de outras oportunidades no terreno, como novos negócios. Há um grande número de instalações de painéis fotovoltaicos flutuantes que podem gerar grandes quantidades de eletricidade recentemente, e o principal benefício dos parques solares flutuantes é a redução de custos [8]. a terra não é usada, não há necessidade de se preocupar com os custos de instalação em cima de casas e edifícios. Todas as fazendas solares flutuantes atualmente conhecidas estão localizadas em corpos de água artificiais e, no futuro,s possível colocar essas fazendas em corpos d'água naturais.Os reservatórios artificiais têm muitas vantagens que não são comuns no oceano [9]. Os reservatórios artificiais são fáceis de gerenciar e, com infraestrutura e estradas anteriores, as fazendas podem simplesmente ser instaladas. As fazendas solares flutuantes também se mostraram mais produtivas do que fazendas solares baseadas em terra devido a variações de temperatura entre a água e a terra [9]. Devido ao alto calor específico da água, a temperatura da superfície da terra é geralmente mais alta do que a dos corpos d'água, e as altas temperaturas demonstraram afetar negativamente o desempenho das taxas de conversão do painel solar. Embora a temperatura não controle a quantidade de luz solar que um painel recebe, ela afeta a quantidade de energia que você recebe da luz solar. Em baixas energias (ou seja, temperaturas mais baixas), os elétrons dentro do painel solar estarão em um estado de repouso e, então, quando a luz solar atinge, eles atingirão um estado excitado [10]. A diferença entre o estado de repouso e o estado excitado é a quantidade de energia gerada na tensão.Isso excita esses elétrons, mas também pode aquecer. Se o calor ao redor do painel solar energizar os elétrons e os colocar em um estado excitado baixo, a tensão não será tão grande quando a luz do sol atingir o painel [10]. Já que a terra absorve e emite aquecem mais facilmente do que a água, os elétrons em um painel solar em terra provavelmente estão em um estado excitado mais alto, e então o painel solar está localizado em ou próximo a um corpo de água que é mais frio. a água ao redor dos painéis flutuantes ajuda a gerar 12,5% mais energia do que em terra [9].
Até agora, os painéis solares atendem a apenas 1% das necessidades de energia da América, mas se essas fazendas solares fossem plantadas em até um quarto dos reservatórios de água artificiais, os painéis solares atenderiam quase 10% das necessidades de energia da América. os painéis foram introduzidos o mais rápido possível, dois grandes reservatórios de água no Colorado perderam muita água devido à evaporação, mas com a instalação desses painéis flutuantes, os reservatórios foram impedidos de secar e a eletricidade foi gerada [11]. reservatórios feitos com usinas solares seriam suficientes para gerar pelo menos 400 gigawatts de eletricidade, o suficiente para alimentar 44 bilhões de lâmpadas LED por mais de um ano.
A Figura 4a mostra o aumento de energia fornecido pela célula solar flutuante em relação à Figura 4b. Embora tenha havido poucos parques solares flutuantes na última década, eles ainda fazem uma diferença tão grande na geração de energia. No futuro, quando os parques solares flutuantes se tornar mais abundante, a energia total produzida triplicará de 0,5TW em 2018 para 1,1TW até o final de 2022.[12].
Ambientalmente falando, essas fazendas solares flutuantes são muito benéficas de várias maneiras. Além de reduzir a dependência de combustíveis fósseis, as fazendas solares também reduzem a quantidade de ar e luz solar que atinge a superfície da água, o que pode ajudar a reverter as mudanças climáticas [9]. fazenda que reduz a velocidade do vento e a luz solar direta que atinge a superfície da água em pelo menos 10% pode compensar uma década inteira de aquecimento global [9]. Em termos de biodiversidade e ecologia, nenhum grande impacto negativo parece ser encontrado. Os painéis evitam ventos fortes atividade na superfície da água, reduzindo a erosão na margem do rio, protegendo e estimulando a vegetação.[13]. Não há resultados definitivos sobre se a vida marinha é afetada, mas medidas como a bio-cabana cheia de conchas criada pela Ecocean têm foram submersos sob painéis fotovoltaicos para apoiar potencialmente a vida marinha.[13]. Uma das principais preocupações da pesquisa em andamento é o impacto potencial na cadeia alimentar devido à instalação de infraestrutura comopainéis fotovoltaicos em águas abertas em vez de reservatórios artificiais. Como menos luz solar entra nas águas, causa uma redução na taxa de fotossíntese, resultando em uma perda maciça de fitoplâncton e macrófitas. Com a redução dessas plantas, o impacto sobre os animais mais baixo na cadeia alimentar, etc., leva a subsídios para organismos aquáticos [14]. Embora isso ainda não tenha acontecido, isso poderia evitar mais danos potenciais ao ecossistema, uma grande desvantagem das fazendas solares flutuantes.
Como o sol é nossa maior fonte de energia, pode ser difícil encontrar maneiras de aproveitar essa energia e usá-la em nossas comunidades. Novas tecnologias e inovações disponíveis todos os dias tornam isso possível. comprar ou flutuantes fazendas solares para visitar agora, isso não muda o fato de que a tecnologia não tem grande potencial ou um futuro brilhante. Células solares flutuantes têm um longo caminho a percorrer no sentido da vida selvagem para serem tão comuns quanto painéis solares em cima das casas. Células solares vestíveis têm um longo caminho a percorrer antes de se tornarem tão comuns quanto as roupas que usamos todos os dias. roupas. À medida que a tecnologia avança nas próximas décadas, o potencial da indústria solar é infinito.
Sobre Raj Shah Dr. Raj Shah é diretor da Koehler Instrument Company em Nova York, onde trabalhou por 27 anos. Ele é um membro eleito por seus colegas no IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Institute of Physics, Institute of Energy Research e Royal Society of Chemistry. O ganhador do prêmio ASTM Eagle Dr. Shah recentemente co-editou o best-seller “Fuels and Lubricants Handbook”, detalhes disponíveis no Long Awaited Fuels and Lubricants Handbook da ASTM, 2ª Edição – 15 de julho de 2020 – David Phillips – Petro Industry News Article – Petro Online (petro-online.com)
O Dr. Shah é PhD em Engenharia Química pela Penn State University e membro da Chartered School of Management, em Londres.Ele também é um Cientista Certificado do Conselho Científico, um Engenheiro de Petróleo Certificado do Instituto de Energia e um Conselho de Engenharia do Reino Unido.Shah foi recentemente homenageado como Distinguished Engineer pela Tau beta Pi, a maior sociedade de engenharia dos Estados Unidos. Ciência e Engenharia de Materiais).
Raj é professor adjunto do Departamento de Ciência dos Materiais e Engenharia Química da SUNY Stony Brook, publicou mais de 475 artigos e atua no campo da energia há mais de 3 anos. Mais informações sobre Raj podem ser encontradas em Koehler Instrument Company's Director eleito como membro do Instituto Internacional de Física Petro Online (petro-online.com)
A Sra. Mariz Baslious e o Sr. Blerim Gashi são estudantes de engenharia química na SUNY, e o Dr. Raj Shah preside o conselho consultivo externo da universidade. Mariz e Blerim fazem parte de um programa de estágio crescente na Koehler Instrument, Inc. em Holtzville, NY, que incentiva os alunos a aprender mais sobre o mundo das tecnologias de energia alternativa.
Horário da postagem: 12 de fevereiro de 2022
