Kadiri ustaarabu unavyokua, nishati inayohitajika kusaidia maisha yetu huongezeka kila siku, na hivyo kutuhitaji kutafuta njia mpya na bunifu za kutumia rasilimali zetu zinazoweza kufanywa upya, kama vile mwanga wa jua, ili kuunda nishati zaidi kwa jamii yetu kuendeleza Maendeleo.
Mwangaza wa jua umetoa na kuwezesha maisha katika sayari yetu kwa karne nyingi. Iwe moja kwa moja au kwa njia isiyo ya moja kwa moja, jua huruhusu uzalishaji wa karibu vyanzo vyote vya nishati vinavyojulikana kama vile nishati ya kisukuku, maji, upepo, majani, n.k. Kadiri ustaarabu unavyokua, nishati inayohitajika kusaidia mtindo wetu wa maisha unaongezeka kila siku, na hivyo kutuhitaji kutafuta njia mpya na bunifu za kutumia rasilimali zetu zinazoweza kufanywa upya, kama vile mwanga wa jua, ili kuunda nishati zaidi kwa jamii yetu kuendeleza Maendeleo.
Huko nyuma kama ulimwengu wa zamani tumeweza kuishi kwa nishati ya jua, kwa kutumia mwanga wa jua kama chanzo cha nishati asili ya majengo yaliyojengwa zaidi ya miaka 6,000 iliyopita, kwa kuelekeza nyumba ili mwanga wa jua upite kwenye fursa ambazo hufanya kama aina ya joto. .Maelfu ya miaka baadaye, Wamisri na Wagiriki walitumia mbinu hiyohiyo kuweka nyumba zao zikiwa na baridi wakati wa kiangazi kwa kuzikinga na jua [1]. Dirisha kubwa la kidirisha kimoja hutumika kama madirisha ya joto la jua, kuruhusu joto kutoka kwa jua kuingia lakini kukamata. joto ndani.Mwanga wa jua haukuwa muhimu tu kwa joto lililotokeza katika ulimwengu wa kale, bali pia ulitumiwa kuhifadhi na kuhifadhi chakula kwa njia ya chumvi.Katika kuweka chumvi, jua hutumiwa kuyeyusha maji ya bahari yenye sumu na kupata chumvi, ambayo hukusanywa. katika mabwawa ya jua [1]. Mwishoni mwa Renaissance, Leonardo da Vinci alipendekeza matumizi ya kwanza ya viwandani ya concave mirror sola concentrators kama hita za maji, na baadaye Leonardo pia alipendekeza teknolojia ya kulehemu askari.kwa kutumia mionzi ya jua na kuruhusu suluhu za kiufundi kuendesha mitambo ya nguo [1]. Hivi karibuni wakati wa Mapinduzi ya Viwanda, W. Adams aliunda kile kinachoitwa sasa oveni ya jua. Tanuri hii ina vioo nane vya glasi vya fedha vyenye ulinganifu ambavyo huunda kiakisi cha oktagonal. iliyokolezwa na vioo ndani ya sanduku la mbao lililofunikwa kwa glasi ambapo sufuria itawekwa na kuiacha ichemke[1]. Haraka mbele miaka mia chache na injini ya mvuke wa jua ilijengwa karibu 1882 [1]. m kipenyo na kuielekeza kwenye boiler ya mvuke ya silinda ambayo ilitoa nguvu ya kutosha kuendesha mashine ya uchapishaji.
Mnamo mwaka wa 2004, kiwanda cha kwanza cha umeme cha jua kilichokolea kibiashara duniani kiitwacho Planta Solar 10 kilianzishwa huko Seville, Uhispania. Mwangaza wa jua unaakisiwa kwenye mnara wa takriban mita 624, ambapo vipokezi vya jua vimewekwa na mitambo ya mvuke na jenereta. Hii ina uwezo wa kuzalisha nishati. kuwezesha nyumba zaidi ya 5,500. Takriban muongo mmoja baadaye, mwaka wa 2014, kiwanda kikubwa zaidi cha umeme wa jua kilifunguliwa huko California, Marekani. Kiwanda hicho kilitumia vioo vinavyodhibitiwa zaidi ya 300,000 na kuruhusu uzalishaji wa megawati 377 za umeme kuwezesha takriban nyumba 140,000 [ 1].
Sio tu kwamba viwanda vinajengwa na kutumika, lakini watumiaji katika maduka ya rejareja pia wanaunda teknolojia mpya. Paneli za jua zilianza, na hata magari yanayotumia nishati ya jua yalianza kutumika, lakini moja ya maendeleo ya hivi karibuni ambayo bado yatatangazwa ni mpya ya jua- teknolojia inayoweza kuvaliwa. Kwa kuunganisha muunganisho wa USB au vifaa vingine, inaruhusu muunganisho kutoka kwa nguo hadi vifaa kama vile vyanzo, simu na vifaa vya sauti vya masikioni, ambavyo vinaweza kutozwa popote ulipo. Miaka michache iliyopita, timu ya watafiti wa Kijapani katika Riken. Taasisi na Torah Industries zilielezea maendeleo ya seli nyembamba ya jua ya kikaboni ambayo inaweza kuchapisha nguo kwa joto kwenye nguo, kuruhusu seli kunyonya nishati ya jua na kuitumia kama chanzo cha nguvu [2] ]. Seli ndogo za jua ni seli za kikaboni za photovoltaic zenye joto. uthabiti na kunyumbulika hadi 120 °C [2]. Wanachama wa kikundi cha utafiti walitegemea seli hai za photovoltaic kwenye nyenzo inayoitwa PNTz4T [3].PNTz4T ni polima ya nusu conduction iliyobuniwa hapo awali na Riken kwa en bora zaidi.uthabiti wa mazingira na ufanisi wa juu wa ubadilishaji nguvu, kisha pande zote mbili za seli hufunikwa na elastomer, nyenzo inayofanana na mpira [3]. Katika mchakato huo, walitumia elastoma mbili za akriliki zenye unene wa mikroni 500 ambazo huruhusu mwanga kuingia. seli lakini huzuia maji na hewa kuingia kwenye seli.Matumizi ya elastoma hii husaidia kupunguza uharibifu wa betri yenyewe na kurefusha maisha yake [3].
Moja ya vikwazo vinavyojulikana zaidi vya sekta hiyo ni maji. Uharibifu wa seli hizi unaweza kusababishwa na sababu mbalimbali, lakini kubwa zaidi ni maji, adui wa kawaida wa teknolojia yoyote. Unyevu wowote wa ziada na yatokanayo na hewa kwa muda mrefu inaweza kuathiri vibaya ufanisi. ya seli za kikaboni za photovoltaic [4].Ingawa unaweza kuepuka kupata maji kwenye kompyuta au simu yako mara nyingi, huwezi kuyaepuka na nguo zako. Iwe ni mvua au mashine ya kuosha, maji hayaepukiki.Baada ya majaribio mbalimbali kwenye seli ya photovoltaic ya kikaboni isiyo na malipo na seli ya photovoltaic ya kikaboni iliyofunikwa na pande mbili, seli zote za kikaboni za photovoltaic zilizamishwa ndani ya maji kwa dakika 120, ilihitimishwa kuwa nguvu ya seli ya photovoltaic ya kikaboni ya bure ilikuwa Ufanisi wa uongofu hupunguzwa tu na 5.4%.Seli zilipungua kwa 20.8% [5].
Kielelezo cha 1. Ufanisi wa ugeuzaji nguvu wa kawaida kama utendakazi wa muda wa kuzamishwa. Pau za hitilafu kwenye grafu zinawakilisha mkengeuko wa kawaida uliorekebishwa kwa wastani wa utendakazi wa awali wa ubadilishaji wa nishati katika kila muundo [5].
Mchoro wa 2 unaonyesha maendeleo mengine katika Chuo Kikuu cha Nottingham Trent, seli ndogo ya jua ambayo inaweza kupachikwa katika uzi, ambayo inafumwa kuwa nguo [2]. Kila betri iliyojumuishwa katika bidhaa inakidhi vigezo fulani vya matumizi, kama vile mahitaji ya Urefu wa milimita 3 na upana wa 1.5mm[2].Kila kitengo kina lamu kwa utomvu usio na maji ili kuruhusu nguo kuoshwa kwenye chumba cha kufulia au kutokana na hali ya hewa [2].Betri pia zimeundwa kwa ajili ya kustarehesha, na kila moja imewekwa kwenye Njia ambayo haitoi au kuwasha ngozi ya mvaaji. Katika utafiti zaidi iligundulika kuwa katika kipande kidogo cha nguo sawa na 5cm^2 sehemu ya kitambaa inaweza kuwa na seli zaidi ya 200, ikizalisha volt 2.5 - 10 za nishati, na alihitimisha kuwa kuna seli 2000 pekee ambazo zinahitaji kuwa na uwezo wa kuchaji simu mahiri [2].
Kielelezo 2. Seli ndogo za jua zenye urefu wa mm 3 na upana wa mm 1.5 (picha kwa hisani ya Chuo Kikuu cha Nottingham Trent) [2].
Vitambaa vya photovoltaic huunganisha polima mbili nyepesi na za gharama ya chini ili kuunda nguo za kuzalisha nishati. Sehemu ya kwanza kati ya mbili ni seli ndogo ya jua, ambayo huvuna nishati kutoka kwa mwanga wa jua, na ya pili inajumuisha nanogenerator, ambayo hubadilisha nishati ya mitambo kuwa umeme [ 6].Sehemu ya photovoltaic ya kitambaa ina nyuzinyuzi za polima, ambazo hupakwa matabaka ya manganese, oksidi ya zinki (nyenzo ya photovoltaic), na iodidi ya shaba (kwa kukusanya chaji) [6].Seli hizo hufumwa pamoja na waya mdogo wa shaba na kuunganishwa kwenye vazi.
Siri ya uvumbuzi huu iko katika electrodes ya uwazi ya vifaa vya photovoltaic rahisi.Elektrodi za conductive za uwazi ni mojawapo ya vipengele kwenye seli za photovoltaic ambazo huruhusu mwanga kuingia kwenye seli, na kuongeza kiwango cha kukusanya mwanga.Oksidi ya bati ya Indium-doped (ITO) hutumiwa. kutengeneza elektrodi hizi zinazowazi, ambazo hutumika kwa uwazi wake bora (>80%) na upinzani mzuri wa karatasi pamoja na uthabiti bora wa mazingira [7]. ITO ni muhimu kwa sababu vipengele vyake vyote viko katika uwiano wa karibu kabisa. Uwiano wa unene pamoja na uwazi na upinzani huongeza matokeo ya elektrodi [7].Kushuka kwa thamani yoyote katika uwiano kutaathiri vibaya elektrodi na hivyo utendaji.Kwa mfano, kuongeza unene wa elektrodi hupunguza uwazi na upinzani, na kusababisha uharibifu wa utendaji. Hata hivyo, ITO ni rasilimali yenye kikomo ambayo hutumiwa haraka.Utafiti umekuwa ukiendelea ili kupata njia mbadala ambayo sio tu inafanikisha.ITO, lakini inatarajiwa kuzidi utendakazi wa ITO [7].
Nyenzo kama vile substrates za polima ambazo zimerekebishwa kwa oksidi za uwazi za conductive zimeongezeka kwa umaarufu hadi sasa. Kwa bahati mbaya, substrates hizi zimeonekana kuwa brittle, ngumu na nzito, ambayo hupunguza sana kunyumbulika na utendaji [7]. Watafiti hutoa suluhisho kwa kutumia chembe za jua zinazonyumbulika kama nyuzinyuzi kama vibadilisho vya elektrodi. Betri yenye nyuzi huwa na elektrodi na nyaya mbili tofauti za chuma ambazo zimesokotwa na kuunganishwa na nyenzo hai kuchukua nafasi ya elektrodi [7]. Seli za jua zimeonyesha ahadi kutokana na uzito wao mwepesi. , lakini tatizo ni ukosefu wa eneo la mawasiliano kati ya waya za chuma, ambayo hupunguza eneo la mawasiliano na hivyo kusababisha utendaji wa photovoltaic ulioharibika [7].
Sababu za kimazingira pia ni kichocheo kikubwa cha kuendelea kwa utafiti. Kwa sasa, ulimwengu unategemea sana vyanzo vya nishati visivyoweza kurejeshwa kama vile nishati ya mafuta, makaa ya mawe na mafuta. ni uwekezaji wa lazima kwa siku zijazo. Kila siku mamilioni ya watu huchaji simu zao, kompyuta, kompyuta za mkononi, saa mahiri na vifaa vyote vya kielektroniki, na kutumia vitambaa vyetu kuchaji vifaa hivi kwa kutembea tu kunaweza kupunguza matumizi yetu ya mafuta. Ingawa hii inaweza kuonekana. ndogo kwa kiwango kidogo cha watu 1 au hata 500, ikiongezwa hadi makumi ya mamilioni inaweza kupunguza kwa kiasi kikubwa matumizi yetu ya nishati ya kisukuku.
Paneli za jua katika mitambo ya nishati ya jua, ikiwa ni pamoja na zile zilizowekwa juu ya nyumba, zinajulikana kusaidia matumizi ya nishati mbadala na kupunguza matumizi ya mafuta, ambayo bado yanatumika sana.Amerika.Moja ya shida kubwa kwa tasnia ni kupata ardhi kujenga mashamba haya.Kaya ya wastani inaweza tu kuhimili idadi fulani ya paneli za jua, na idadi ya mashamba ya miale ya jua ni ndogo.Katika maeneo yenye nafasi ya kutosha, watu wengi daima wanasitasita kujenga mtambo mpya wa nishati ya jua kwa sababu hufunga kabisa uwezekano huo. na uwezekano wa fursa nyinginezo kwenye ardhi, kama vile biashara mpya. Kuna idadi kubwa ya mitambo ya paneli ya voltaic inayoelea ambayo inaweza kuzalisha kiasi kikubwa cha umeme hivi karibuni, na faida kuu ya mashamba ya jua yanayoelea ni kupunguza gharama [8]. ardhi haitumiki, hakuna haja ya kuwa na wasiwasi juu ya gharama za ufungaji juu ya nyumba na majengo.inawezekana kuweka mashamba haya kwenye vyanzo vya asili vya maji.Mabwawa ya maji yana manufaa mengi ambayo si ya kawaida katika bahari [9]. Hifadhi zilizotengenezwa na binadamu ni rahisi kudhibiti, na kwa miundombinu na barabara za awali, mashamba yanaweza kusakinishwa. Mashamba ya jua yanayoelea pia yameonekana kuwa na tija zaidi kuliko mashamba ya jua yanayotokana na ardhi kutokana na tofauti za joto kati ya maji na ardhi [9].Kutokana na joto la juu la maji, halijoto ya uso wa ardhi kwa ujumla ni ya juu zaidi kuliko ile ya vyanzo vya maji, na halijoto ya juu imeonekana kuathiri vibaya hali ya hewa. utendakazi wa viwango vya ubadilishaji wa paneli za jua. Ingawa halijoto haidhibiti ni kiasi gani cha mwanga wa jua ambacho paneli inapokea, inaathiri ni kiasi gani cha nishati unachopokea kutoka kwa mwanga wa jua. Kwa nishati ya chini (yaani, halijoto ya baridi), elektroni zilizo ndani ya paneli ya jua zitaingia. hali ya kupumzika, na kisha mwanga wa jua unapopiga, watafikia hali ya msisimko [10]. Tofauti kati ya hali ya kupumzika na hali ya msisimko ni kiasi gani cha nishati kinachozalishwa katika voltage. Sio tu sunlig inawezaht husisimua elektroni hizi, lakini pia inaweza kuongeza joto. Iwapo joto karibu na paneli ya jua hutia nguvu elektroni na kuziweka katika hali ya chini ya msisimko, voltage haitakuwa kubwa wakati mwanga wa jua unapiga paneli [10]. Kwa kuwa ardhi inachukua na kutoa. joto kwa urahisi zaidi kuliko maji, elektroni katika paneli ya jua juu ya ardhi kuna uwezekano wa kuwa katika hali ya juu ya msisimko, na kisha paneli ya jua iko juu au karibu na sehemu ya maji ambayo ni baridi zaidi.Utafiti zaidi ulithibitisha kwamba athari ya baridi ya maji karibu na paneli zinazoelea husaidia kutoa nishati zaidi ya 12.5% kuliko ardhini [9].
Kufikia sasa, paneli za jua zinakidhi 1% tu ya mahitaji ya nishati ya Amerika, lakini ikiwa mashamba haya ya jua yangepandwa kwenye hadi robo ya hifadhi za maji zilizotengenezwa na mwanadamu, paneli za jua zingetosheleza karibu 10% ya mahitaji ya nishati ya Amerika. Huko Colorado, ambapo kuelea paneli zilianzishwa haraka iwezekanavyo, hifadhi mbili kubwa za maji huko Colorado zilipoteza maji mengi kutokana na uvukizi, lakini kwa kuweka paneli hizi zinazoelea, hifadhi zilizuiwa kukauka na umeme ukazalishwa [11]. Hata asilimia moja ya mwanadamu. -mabwawa yaliyotengenezwa yenye mashamba ya miale ya jua yangetosha kuzalisha angalau gigawati 400 za umeme, zinazotosha kuwasha balbu za LED bilioni 44 kwa zaidi ya mwaka mmoja.
Mchoro 4a unaonyesha ongezeko la nguvu linalotolewa na seli ya jua inayoelea kuhusiana na Mchoro 4b. Ingawa kumekuwa na mashamba machache ya nishati ya jua yanayoelea katika muongo mmoja uliopita, bado yanaleta mabadiliko makubwa katika uzalishaji wa nishati. Katika siku zijazo, mashamba ya jua yanapoelea. kuwa nyingi zaidi, jumla ya nishati inayozalishwa inasemekana kuongezeka mara tatu kutoka 0.5TW mwaka wa 2018 hadi 1.1TW ifikapo mwisho wa 2022. [12]
Tukizungumza kimazingira, mashamba haya ya jua yanayoelea yana manufaa sana kwa njia nyingi. Mbali na kupunguza utegemezi wa nishati ya kisukuku, mashamba ya miale ya jua pia hupunguza kiwango cha hewa na mwanga wa jua kufikia uso wa maji, ambayo inaweza kusaidia kubadili mabadiliko ya hali ya hewa [9].A inayoelea. shamba linalopunguza kasi ya upepo na jua moja kwa moja kugonga uso wa maji kwa angalau 10% linaweza kukabiliana na muongo mzima wa ongezeko la joto duniani [9].Kwa upande wa bioanuwai na ikolojia, hakuna athari kubwa mbaya zinazoonekana kupatikana. Paneli huzuia upepo mkali. shughuli kwenye uso wa maji, na hivyo kupunguza mmomonyoko kwenye ukingo wa mto, kulinda na kuchochea uoto.[13].Hakuna matokeo ya uhakika kama viumbe vya baharini vimeathiriwa, lakini hatua kama vile kibanda kilichojazwa na ganda kilichoundwa na Ecocean zimeathiriwa. ilizamishwa chini ya paneli za voltaic ili kusaidia viumbe vya baharini.[13].Mojawapo ya wasiwasi mkuu wa utafiti unaoendelea ni athari inayoweza kutokea kwenye msururu wa chakula kutokana na uwekaji wa miundombinu kama vilepaneli za photovoltaic kwenye maji yaliyo wazi badala ya hifadhi zilizotengenezwa na binadamu. Mwanga wa jua unapoingia kwenye maji kidogo, husababisha kupungua kwa kasi ya usanisinuru, na hivyo kusababisha hasara kubwa ya phytoplankton na macrophytes. Kwa kupunguzwa kwa mimea hii, athari kwa wanyama kupungua kwa msururu wa chakula, n.k., husababisha ruzuku kwa viumbe vya majini [14]. Ingawa haijafanyika bado, hii inaweza kuzuia uharibifu zaidi unaoweza kutokea kwa mfumo ikolojia, kikwazo kikubwa cha mashamba ya jua yanayoelea.
Kwa kuwa jua ndilo chanzo chetu kikuu cha nishati, inaweza kuwa vigumu kutafuta njia za kutumia nishati hii na kuitumia katika jumuiya zetu. Teknolojia mpya na ubunifu unaopatikana kila siku hurahisisha hili. Ingawa hakuna mavazi mengi yanayoweza kuvaliwa ya nishati ya jua. kununua au kuelea mashamba ya miale ya jua kutembelea hivi sasa, hiyo haibadilishi ukweli kwamba teknolojia haina uwezo mkubwa au mustakabali mzuri. Seli za jua zinazoelea zina njia ndefu ya kwenda kwa maana ya wanyamapori kuwa kawaida kama paneli za jua juu ya nyumba. Seli za jua zinazoweza kuvaliwa zina safari ndefu kabla ya kuwa za kawaida kama nguo tunazovaa kila siku. Katika siku zijazo, seli za jua zinatarajiwa kutumika katika maisha ya kila siku bila kulazimika kufichwa kati yetu. nguo.Kadiri teknolojia inavyoendelea katika miongo ijayo, uwezo wa tasnia ya nishati ya jua hauna mwisho.
Kuhusu Raj Shah Dk. Raj Shah ni mkurugenzi wa Kampuni ya Koehler Instrument huko New York, ambako amefanya kazi kwa miaka 27. Yeye ni mwenzake aliyechaguliwa na wenzake katika IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSMTC, Taasisi ya Fizikia, Taasisi ya Utafiti wa Nishati na Jumuiya ya Kifalme ya Kemia. Mpokeaji wa Tuzo ya Eagle ya ASTM Dk. Shah hivi majuzi alishirikiana kuhariri "Kitabu cha Miongozo ya Mafuta na Vilainishi," maelezo yanayopatikana katika Kitabu cha Miongozo cha Mafuta na Vilainishi vilivyosubiriwa kwa Muda Mrefu, Toleo la 2 - Julai 15, 2020 - David Phillips - Kifungu cha Habari cha Sekta ya Petro - Petro Mkondoni (petro-online.com)
Dk. Shah ana Shahada ya Uzamivu katika Uhandisi wa Kemikali kutoka Chuo Kikuu cha Penn State na Mwanafunzi wa Shule ya Usimamizi ya Chartered, London.Pia ni Mwanasayansi Mkodi wa Baraza la Sayansi, Mhandisi Mkodishaji wa Petroli wa Taasisi ya Nishati na Baraza la Uhandisi la Uingereza.Dk.Shah hivi majuzi alitunukiwa kama Mhandisi Mtukufu na Tau beta Pi, jumuiya kubwa zaidi ya wahandisi nchini Marekani.Yuko kwenye bodi za ushauri za Chuo Kikuu cha Farmingdale (Teknolojia ya Mitambo), Chuo Kikuu cha Auburn (Tribology), na Chuo Kikuu cha Stony Brook (Uhandisi wa Kemikali/ Sayansi ya Nyenzo na Uhandisi).
Raj ni profesa msaidizi katika Idara ya Sayansi ya Nyenzo na Uhandisi wa Kemikali katika SUNY Stony Brook, amechapisha zaidi ya makala 475 na amekuwa akifanya kazi katika nyanja ya nishati kwa zaidi ya miaka 3. Maelezo zaidi kuhusu Raj yanaweza kupatikana kwa Mkurugenzi wa Kampuni ya Koehler Instrument. alichaguliwa kama Mshirika katika Taasisi ya Kimataifa ya Fizikia Petro Online (petro-online.com)
Bi. Mariz Baslious na Bw. Blerim Gashi ni wanafunzi wa uhandisi wa kemikali katika SUNY, na Dk. Raj Shah ni mwenyekiti wa bodi ya ushauri ya nje ya chuo kikuu. Mariz na Blerim ni sehemu ya programu inayokua ya mafunzo katika Koehler Instrument, Inc. huko Holtzville, NY, ambayo inahimiza wanafunzi kujifunza zaidi kuhusu ulimwengu wa teknolojia ya nishati mbadala.
Muda wa kutuma: Feb-12-2022
