Ny Solar Panel Design takler solenergiens Achilles Heel ved å høste energi fra regn

179th Knowledge Seekers Workshop July 6, 2017 (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Ny Solar Panel Design takler solenergiens Achilles Heel ved å høste energi fra regn


Forskere fra Soochow University har utviklet et prototype solpanel som kan høste energi fra regn. Kan dette være en ny retning for solenergi, eller er det bare et pent vitenskapsprosjekt?

I de siste to tiårene har grønne energikilder blitt tungt utviklet og investert i. Det var ikke lenge siden at der hvor mange konkurrenter i energimarkedet, inkludert sol, vind, geotermisk, vannkraft og til og med fusjon. Det ser imidlertid ut til at fusjon alltid er 20 år borte, og at vind-, geotermiske og hydroelektriske systemer hver har sitt eget sett med hindringer eller begrensninger som gjør dem utfordrende å implementere.

Solar, for sin del, har i stor grad vist seg å være en pålitelig elektrisk kilde for mange steder rundt om i verden, men selv sol har ulemper. For det første er solenergi avhengig av sollys, så det kan bare generere strøm i løpet av dagen (unntatt lysende månelyste netter hvor noen solcellepaneler kan produsere så mye som 0, 02% av kapasiteten). For det andre faller også solenergi-produksjonen under solfylte og regnfulle dager, noe som gjør solenergi mest effektiv på varme, tørre steder hvor det er lite regn eller skyer. Siden en god del av den nordlige halvkule har et vått overskyet klima, møter solpaneler på steder som Storbritannia og USA noen alvorlige energibetalinger.

Hvis bare ingeniører og forskere kunne finne en måte å utnytte mer energi under regn …

Benytte energi av regn med nanogeneratorer

Forskere fra Soochow University i Taiwan har skapt et solpanel som kombinerer triboelektriske nanogeneratorer med det øverste laget av solcellen. En "triboelektrisk nanogenerator" er en nanodevice som konverterer mekanisk energi til elektrisk energi, men i motsetning til piezoelektriske enheter utnytter triboelektriske nanogeneratorer forskjellige materialer som produserer en statisk ladning når de gnides sammen.

Eldre design av solcellepaneler med integrerte nanogeneratorer hadde nanogeneratorlaget på toppen av panelet, men dette resulterte i mangel på gjennomsiktighet og dermed en reduksjon i solenergi effektivitet. Soochow-laget laget i stedet et nanogeneratorlag som dobler som topplaget for solpanelet. Det resulterende panelet kan generere strøm når det er sol og når regndråper treffer solpanelet.

Solcellepaneler er en av de mest populære fornybare energikilder. Image courtesy of Mike Buckawicki

Men Soochow University er ikke den eneste enheten som forsøker å lage et all-weather solpanel; et annet lag fra Yunnan Normal University og Ocean University of China har laget et panel basert på graphene. Når regndråpene rammer den vandige grafen, forårsaker regndråpet å løsne seg i positive (salter, etc.) og negative ioner (frie elektroner i grafenet). Disse ioner, sammen med grafenlaget, samhandler for å skape en kapasitiv effekt som kan lagre elektrisk energi i form av en potensiell forskjell. Men denne utformingen er fortsatt i de tidlige dager, og har ennå ikke gått videre enn "proof of concept" før det kan betraktes som en levedyktig kilde til elektrisitet.

Hvor mye energi kan du få fra regn? En tankeøvelse

Så, Soochow University har opprettet et panel som kan generere strøm fra regn - men hvor mye? Interessant, annonserte teamet en solpanel effektivitet på 13%, som faller innenfor standard 10-15% effektivitet av kommersielle paneler. Dette betyr at nanogeneratorene tydeligvis ikke hindrer typisk solenergiinnsamling, men hvor mye energi genereres aktivt fra regnet? For tiden er det ikke noe svar, men vi kan bestemme hvilke energier vi kan forvente og hvis de er levedyktige i det hele tatt med litt matematikk og en god spekulasjon.

For å beregne hvor mye energi vi kunne få fra regndråper i form av mekanisk energi, la oss prøve å beregne den kinetiske energien til hver regndråpe og det gjennomsnittlige antall regndråper som faller per kvadratmeter per tidsenhet. Jeg skal bruke UK-mitt hjem og et berømt regntomt - som et eksempelområde.

Regndråper er ganske små - dette 2004-papiret fra det amerikanske meteorologiske samfunn sier at regndråper vanligvis ikke overskrider en gjennomsnittlig diameter på 2, 5 mm. Siden regndråper er nesten perfekt sfæriske, kan vi beregne volumet og dermed massen av regndråpet. En diameter på 2, 5 mm gir oss et volum på 8, 18 mm 3, som inneholder 0, 00818 ml vann og dermed vil massen av regndråpet være omtrent 0, 00818 gram eller 8, 18e-6 kg. Terminalhastigheten til en typisk regndråpe er 10 meter per sekund, og derfor er energien som en fallende regndråpe har, omtrent 0, 000409J eller 4, 09e-4 J.

Hver regndråpe inneholder litt mekanisk energi.

For Storbritannia er gjennomsnittlig nedbør 885 mm per år, og siden denne måling er uavhengig av areal, kan vi gjøre en bred beregning av hvor mye regn som regner med en kvadratmeter nedbør! Det totale volumet av et område på 1 x 1 meter, hvis årlige nedbør er 885 mm, er 0.885m3 og derfor er antall regndråper i dette området omtrent lik (med regndråpevolumet 8, 18mm3) 105.000.000 og derfor er den kombinerte kinetiske energien 42, 945J . Med tanke på at det er 133 regnværsdager i Storbritannia, kan den totale energiprisutgangen beregnes. Det er 11491200 sekunder på 133 dager, og med tiden og total energi er den gjennomsnittlige energiproduksjonen fra regnens kinetiske energi 0, 0037W / m2.

Denne energilesningen er nesten ubetydelig, noe som kan tyde på at regndråpens interaksjon med materialet gir mer energi. Men energi er alltid bevart og gni to materialer sammen for å opprette en statisk ladning, kan ikke være større enn det arbeidet som trengs for å overvinne friksjonskraften mellom materialene. Matematikken her stole på forutsetninger og tilnærminger - men for regnehøsting for å være økonomisk, må energifiguret ovenfor være flere størrelsesordener større. Det kan være en høy ordre. Regn ville trolig gi mer energi hvis den ble samlet inn i en vannlagringsenhet og deretter lov til å tømme og passere en turbine på samme måte som vannkraft.

Igjen, dette er et tankeeksperiment, og noen faktiske beregninger av disse panelerens energihøstingsevner må komme fra forskerne selv. Hvis noen vanlige meteorologer har innspill på mine matte her, vennligst gi meg beskjed i kommentarene nedenfor.

Så hvor forlater dette "all-weather" solenergi?

For å se hvordan disse nye panelene kan brukes til å tappe mer energi fra miljøet, må vi se data på nanogeneratorene og hvor mye elektrisitet de genererer. Det finnes flere teknikker der denne nanogeneratorteknikken kan bidra til fornybar energiindustrien, muligens ved å forbedre effektiviteten til solpaneler eller ved å bli innlemmet i energiinnsamlingsanlegg på andre måter.

Konseptet med regn-energi-høsting har utløst fantasier og innovasjoner i mange år, ofte ved hjelp av piezoelektriske polymerer for å fange den mekaniske energien til regndråper. Denne teknikken har blitt demonstrert av forskere ved CEA / Leti-Minatec i Frankrike og til og med en bedrifts 14-åring i 2014 for et Google Science Fair-prosjekt.

Denne siste forskningen er ganske unik fordi den representerer en vilje til å kombinere sol med regenerert energi mens man bruker triboelektriske nanogeneratorer. Vi er ikke akkurat sannsynlig å se nanogeneratorer innlemmet i solpaneler på alle tak snart, men dette arbeidet kan gi viktig sammenheng for fremtidige innovasjoner.