С каждым годом требуется все больше и больше энергии для удовлетворения растущих потребностей современного общества в области технологий.
Хотя ископаемое топливо по-прежнему остается доминирующим источником энергии, все больше внимания уделяется технологиям сбора возобновляемой энергии, чтобы попытаться бороться с изменением климата и глобальным потеплением.
Наноматериалы улучшают различные технологии возобновляемой энергетики, от различных устройств хранения энергии до методов сбора энергии. Они будут иметь ключевое значение для обеспечения того, чтобы мир получал достаточно энергии, если произойдет переход общества к преимущественно возобновляемым источникам энергии.
Но многие по-прежнему считают, что переход на наноэнергетику не будет достаточно экономически эффективным для крупномасштабной коммерциализации.
Однако это неправда. Зачастую для достижения улучшения производительности требуется лишь небольшое количество наноматериала. Хотя наноматериалы иногда могут быть более дорогими, небольшое количество, необходимое для каждого устройства или системы материалов, компенсирует более высокую стоимость.
Рассмотрим две ключевые области возобновляемых источников энергии, распространенные сегодня в обществе — солнечную энергию и энергию ветра — и то, как нанотехнологии обеспечивают платформу для улучшения статус-кво этих устоявшихся технологий.
Ключевая роль нанотехнологий в повышении эффективности солнечных батарей и инновациях
Солнечные элементы — одна из крупнейших областей возобновляемой энергетики, где нанотехнологии оказали влияние.
Наноматериалы используются для улучшения характеристик поглощения, разделения зарядов, транспорта электронов и эффективности преобразования энергии (PCE) солнечных элементов. Наноматериалы также используются в качестве покрытий для защиты различных солнечных модулей от скопления пыли и мусора на обращенной к солнцу поверхности.
Превосходные электронные свойства и свойства переносчиков заряда ряда наноматериалов были использованы для улучшения полупроводниковых фотоэлектрических переходов солнечных элементов. Аналогичным образом, несмотря на свой размер, многие наноматериалы (особенно неорганические) обладают высокой устойчивостью к термическому, фото- и химическому разложению, поэтому из них получаются отличные барьерные покрытия для защиты солнечных элементов от элементов.
Наноматериалы также лежат в основе многих тонкопленочных солнечных элементов, появившихся в последние годы, включая печатные, свертываемые и гибкие солнечные элементы. Наноматериалы (и наноразмерные версии объемных материалов) — единственный класс материалов, которые достаточно прочны, чтобы их можно было добавлять в гибкие полимеры и сгибать, но при этом обладают электронными свойствами, достаточно хорошими для функционирования устройств.
Есть много областей, где нанотехнологии создают инновационные солнечные элементы, и не только на академическом уровне. Количество используемых типов ежегодно увеличивается с точки зрения используемых материалов. Сюда входят квантовые точки, нанопроволоки, наноструктурированные поверхности на более объемных материалах, графен и 2D-материалы, а в последнее время — тонкопленочные перовскитные материалы (вслед за успехом объемных перовскитных материалов).
Нанотехнологии повышают эффективность конструкции и эффективности турбин
Еще одной важной областью возобновляемой энергетики является энергия ветра, поскольку это еще один элементальный фактор (наряду с солнечным светом), которого в изобилии существует во всем мире.
Наноматериалы очень полезны для композитных приложений. Вам не нужно много материала, чтобы добиться преимуществ материала и механической прочности, а готовый композит обычно легче, чем композиты, созданные с другими аддитивными материалами.
Наноматериалы используются в ветряных турбинах для изготовления легких и прочных композитов для лопастей турбин. Интеграция наноматериалов в композиты турбин помогает повысить прочность, жесткость, усталостную прочность и долговечность лопаток турбины, что приводит к меньшему износу и времени простоев — из-за снижения потребности в техническом обслуживании.
Интеграция наноматериалов в композиты турбины также гасит вибрации, снижая шум и улучшая стабильность композитов турбины. Это также наблюдается при использовании наноматериалов в аэрокосмических композитах.
Но дело не только в самих наноматериалах. Методы нанопроизводства и наноструктурирования помогают улучшить аэродинамику ветряных турбин за счет создания наноструктурированных поверхностей, которые уменьшают сопротивление и турбулентность лопастей турбин.
Производство более легких композитов с меньшим сопротивлением также означает, что лопатки турбины могут легче перемещаться по воздуху (и начинают двигаться быстрее, поскольку они легче), увеличивая выработку энергии и энергоэффективность по сравнению с более тяжелыми и менее обтекаемыми лопатками турбины.
Еще одним аспектом внедрения нанотехнологий в ветроэнергетику является создание современных барьерных покрытий, которые защищают лопатки турбин от воздействия окружающей среды. Наноматериалы по своей природе устойчивы ко многим воздействиям окружающей среды, поэтому из них получаются отличные защитные покрытия.
Заключение
Нанотехнологии позволяют внедрять инновации и достижения в различных технологиях чистой энергии, включая системы хранения энергии, которые могут хранить вырабатываемую энергию. Появляется все больше и больше разработок, направленных на устойчивые способы использования и хранения энергии, в основе которых лежат передовые материалы.
Не все передовые материалы, такие как объемные перовскиты, являются наноматериалами, стимулирующими эту инновацию, но существует множество наноматериалов и технологий нанопроизводства, которые используются в энергетических технологиях следующего поколения, поскольку они предлагают способы сделать устройства более эффективными с небольшими затратами материалов.