Giriş: Solar Energy Verimliliği'nde Sonraki Leap
Küresel enerji talebi yükselmeye devam ediyor ve güneş enerjisi, bu sorunu çözmüş olan en hızlı büyüyen yenilenebilir kaynaklardan biri kalıyor. Ancak, fotovoltaik paneller temel bir sınırlamayla karşı karşıya kalıyor: sadece güneş ışığının yüksek çözünürlükte bir teknoloji sınıfı – Sabit-tilt yüklemeleri, güneş enerjisinin yüksek çözünürlükte ortaya çıkardığı bu kimyasalları ortadan kaldırmak için önemli bir miktar kaybeder.
4D Baskı Nedir?
4D baskı, dördüncü boyut ekleyerek doğrudan 3D baskı üzerine inşa eder: 03.D.D.D.D.D baskı, üretim sonrası şekline sahip, diğer yandan, belirli bir dış stile maruz kaldığı zaman nesneleri değiştirmek için hızla genişletir.
4D baskısı, [[0]stimuli-responsive malzemeler) - bazen akıllı malzemeler olarak adlandırılır. Bu malzemeler, örneğin faktörler tarafından tetiklenen veya geri dönüşümlü dönüşümler ile elde edilen moleküler veya yapısal düzeyde programlanabilir.
- [FONT:0]Heat - geçiş sıcaklığının üzerinde önceden tanımlanmış bir konfigürasyona geri dönen biçimli polimerler ve alaşımlar.
- [FONT:0]Moisture[[DÜT:1) - Su içeriği ile swell veya sözleşme yapan Hydrogels.
- [FONT:0)Işık[DÜT:1) - Belirli dalgalar altında bükme veya eğrilik eden fotoresponsive polimerler.
- [FONT:0)pH[DÜT:1) - Asit veya alkali ortamlardaki hacim veya sertlik değiştiren malzemeler.
- [FONT=0) Elektrik veya manyetik alanlar[[Dönetici:0)[[Döneticiler veya magnetostrik kompozitler.
Baskılanan nesne, anisotropic özellikleri ile tasarlanmıştır - farklı yönlerdeki farklı davranışlar - bu nedenle, stimulus uygulandığında, iç stresler öngörülebilir, programlanmış bir deformasyona neden olur. Bu genellikle baskı parametrelerinin (nozzle hız, tabaka yönelimi, materyal kompozisyonu) dikkatli bir şekilde kontrol yoluyla elde edilir.
3D'den 4D'ye: Programlamanın Rolü
3D baskılı bir parçanın aksine, 4D baskılı bir bileşen, tam olarak kalınarak, projeksiyon cihazı ve malzeme oranlarının, geometrik tasarım ve malzeme seçimi aracılığıyla şifrelenmiş durumda. Örneğin, bir tabakanın ısıtıldığı bir çift tabaka yapısı, bu programlamanın tam olarak gün boyunca yüzeye doğru, herhangi bir yüzeyin kontrol edilmesi için kullanılacak olmasıdır.
Nasıl Kendi kendini kınayan Solar Panel Work
Geleneksel güneş takip sistemleri elektrik motorlarına, dişlilere ve hafif sensörleri mekanik olarak döndürme panellere güvenir.BuurFLT:0)aktif izleyiciler) etkilidir - enerji verimini 25-40% sabit yüklemelerle artırabilirler - ancak küçük sistemler için önemli ölçüde yukarı maliyet (genellikle 500 $ - $ 1000 $) eklediler, başarısız puanlar ve devam eden bakım gerektirir. 4D-printed amaç paneller.
Konsept basittir: Güneş paneli, güneş ısısına veya ışığa cevap veren 3D baskılı akıllı malzemeler kullanıyor. Güneş gökyüzünde hareket ettiği gibi, panel değişikliğinin farklı bölgelerindeki sıcaklık ve ışık yoğunluğu.
Tasarım Mimarileri
Araştırmacılar 4D baskılı kendi kendini tanımlayan paneller için birkaç form faktörü araştırdılar:
- [FONT:0]Bikatkanı cantilevers:[Dönetici: 0 ) Bir katın katmanı, ısı altında eğilen akıllı bir şeritle, panelin bir kenarını kaldırabilirsiniz. Panelin etrafında ayarlanabilen birden çok cantilevers iki eksenli eğim sağlayabilir.
- [FONT:0)Origami-inspired katlama: Paneller, panelin yönlendirmesine veya hatta aktif alanın şeklini etkin bir şekilde değiştirir.
- [FONT:0)Shape-memory eylemcileri: Panelde yer alan küçük basılı elementler güneş ışığından kaynaklanan veya sözleşmeye sahip olan panel tepeleri, panelin etrafındaki panele döner.
- [FONT:0) Özerk yüzey morfing:[Dönetici: [Dönetici:0] Tüm panel yüzeyi, mikroskobik ayna veya fotovoltaik elementleri bağımsız olarak eğimli bir akıllı-malzeme hücreleri ile yazdırılır - güneş konsantrasyonu için bir tür "dijital ayna cihazı".
Mevcut prototiplerin çoğu bu yaklaşımların bir kombinasyonunu kullanır, genellikle panelin kendisini geleneksel fotovoltaik malzemelerden (daha ince filmli silikon gibi) baskılarken 4D baskılı eylemcileri çerçeveye veya destek yapısına bağlar. Future tasarımları, akıllı materyali doğrudan ağırlık azaltımı ve üretim kolaylığı için fotovoltaik katmanına entegre etmeyi amaçlamaktadır.
Malzeme Sürüş Yenilikçi
4D baskılı güneş panellerinin başarısı, 20+ yıl boyunca açık maruz kalma için hem duyarlı hem de dayanıklı materyallere bağlıdır. Araştırma altındaki temel materyal sınıfları şunlardır:
Şekil-Memory Polimerleri (SMPs)
SMPs geçici bir şekle aşina olabilir ve sonra, belirli bir cam geçiş sıcaklığının üzerinde ısınan ilk "kahraman" formunu geri döndürür. Güneş uygulamaları için, bu geçiş sıcaklığı güneşli bir günde biraz daha fazla çevre sıcaklığına ayarlanır - genellikle 40-60°C - bu yüzden, eylemci, üç boyutlu hızlı geçiş için önyükleme ve rahatlamak için düşük maliyetle geri dönüş sağlar.
Hidrojekler
Hidrogels, su ve swell'i absorbe eden polimer ağlarından geçiyor. Örneğin, bir hidrojektif şişlik ile tasarlanmışsa (yüzde yüz) bir hidrojektif tabakası yazdırarak - malzeme, UV radyasyonu altında kurutulmuş veya kurutulabilir.
Sıvı Kristal Elastomerler (LCEs)
LCEs, sıvı kristallerin bir plastik polimerin elastikiyeti ile bir araya gelmesiyle bir araya gelir. ısı veya ultraviyole ışığa maruz kaldığı zaman, doğrudan ışık-tavıllı takip için (rod-benzervasyon) değişikliği, malzemeye önceden belirlenmiş bir yönde genişletmeye veya genişletilebilir. LCEs, 3D baskıya daha zor olabilir ve şu anda pahalı kalır.
Kompozit Akıllı Malzeme
Birçok prototip iki veya daha duyarlı elementleri birleştiren kompozitler kullanır. Örneğin, bulut gölgeleri ile dolu bir form işaretli polimer matrisler ışık ve onu yerelleştirilmiş ısıya dönüştürürken, daha hızlı, daha hassas bir hareketlendirmeye olanak sağlar.
Konvansiyonel Güneş Araçlarının Faydaları
4D baskılı kendini baskı eden panellerin potansiyel avantajları, akıllı malzemelerin romanlarının ötesinde iyi bir şekilde genişletmektedir. Güneş endüstrisinde birkaç pratik ağrı noktası ele alır:
- [FONT=0)Zero parasitik enerji tüketimi: Geleneksel pistçiler motorlara döndürmek için elektrik tüketiyorlar - genellikle 4D baskılı panellerin% 2'si, şebekeye geri dönmek için dışsal bir güç kullanıyor.
- [FONT:0)Fewer hareket parçaları:[DD-printed actionuators have no slides and no electric connections, dramatik bir şekilde bakım aralıklarını azaltmıyor.
- [FONT:0]Işık ağırlığı: [Dönücükler ve dişliler olmadan, toplam sistem ağırlığı azaltılabilir, çatı tesisatlarını basitleştirebilir ve yapısal gereksinimleri azaltır.
- [FONT:0) Düşük ömür maliyeti:[Dönemli polimerler için malzeme maliyetleri başlangıçta daha yüksek olabilir, motorların ortadan kaldırılması, kontroller, kablolama ve bakım, enerji maliyetlerini azaltılabilir (LCOE) 25 yıllık bir sistem ömrüne göre% 10-20.
- [[D-printed aktüatörler, her bir güneş hücresinin bağımsız olarak güneş takip etmesine izin verebilir.Bu mikro-tracking, tüm dizileri hareket eden tek eksenli pistlerden daha etkili bir şekilde ışık tutabiliyor.
- [FONT:0)Resilience: [Dönetici: [D-printed paneller, toz, nem ve mekanik şoka karşı dayanıklıdırlar.
Bu özellikler, teknolojinin özellikle kapalı-grid, uzaktan veya bakım erişiminin pahalı veya imkansız olduğu yerlerdeki güneş tesisatları için cazip hale gelmesini sağlar.
Meydanlar ve Güncel Sınırlar
Zorlu söze rağmen, 4D baskılı kendini baskılayan güneş panelleri ticari olarak uygulanabilir hale gelmeden birkaç engel aşılmalıdır:
Malzeme Durability ve Fatigue
Açık güneş panelleri 25-30 yıl boyunca sona ermiş olması bekleniyor. Form-memory polimerleri genellikle hareketlerini kısıtlayan milyonlarca döngüye maruz kalıyor, ancak UV radyasyonuna gerçek dünya maruziyeti, sıcaklık aşırılıkları, nem ve rüzgar yükleme bozulmalarını hızlandırır. Birçok akıllı malzeme zaman içinde eylemlerin bozulmasını kaybeder veya çevik kuvvetlendirme stratejilerini kaybeder.
Hız ve Hassasiyet
Solaression izleme, güneş hareketini saatte yaklaşık 15 ° takip etmek için panel gerektirir. pasif termal hareketleyiciler de kademeli hareket sağlayabilir, hatta 1°'lik bir bulut kapağını parlak güneş tarafından takip ederek, osilasyonlara veya lage giden Hibrit sistemlere kadar hızlı bir şekilde cevap veremezler.
İmalat Scalability
Mevcut 4D baskı çoğunlukla küçük, laboratuvar ölçekli 3D yazıcılar üzerinde yapılır. Metal üretim için kare büyüklükte paneller üretmek için eklenmiş akıllı malzemeler ile yapılan çok boyutlu baskı, yüksek aktarım ile çok boyutlu baskı, tutarlı malzeme özellikleri ve düşük maliyet gereklidir.
Çevre Hassasiyeti
Sıcaklık için yanıt veren pasif bir panel de güneş pozisyonu ile ilgili olmayan sıcaklık değişikliklerine cevap verecek - örneğin, soğuk sabah sıcaklıkları veya sıcak öğleden sonraları yüksek tavanlı güneşle karşılaştırır.Arapçalılık gradient, güneş ışığı nedeniyle gelen sıcaklık değişiklikleri arasındaki tepkisini ayırt etmek için.
Maliyet Rekabetçiliği
Özelleştirilmiş akıllı polimerler ve sıvı kristal elastomerler, bu, yüksek enerji üretimi ve daha düşük bakımdan elde edilen değer, küçük off-grid sistemleri, uzay uygulamaları veya taşınabilir güneş gibi 10-100 kat daha fazla mala mal olabilir - panel başına maliyet yüksek olabilir. ancak, artan enerji üretimi ve daha düşük bakımdan gelen değer bunu dengelemek için ek değer.
Notable Research and Prototypes
Birkaç akademik ve endüstriyel grup, bu teknolojinin potansiyelini gösteren çalışma prototiplerini göstermiştir.
MIT'nin Kendi Güneş Panelleri
MIT'nin Kendi Benzer Laboratuarı'nda araştırmacılar, Skylar Tibbits tarafından yönetilen, tam olarak takip etmediğim güneş panellerinin biçim benzeri yapılarda basılmış polimerleri kullanarak prototiplerini ortaya koydular.Bu paneller güneş ışığına maruz kaldığı zaman ortaya çıktı, maksimum 4D baskı araştırmaları için gece geri kazanıldı.[D baskı)
Harvard'ın Işık-Responsive Agents
Harvard'ın Wyss Enstitüsü'nde Jennifer Lewis ve meslektaşları, sabit bir düz panele kıyasla 4D baskılı Hidrogel kompozitleri geliştirdiler.(DDD baskı teknolojilerinin üst kısmındaki küçük aynaları, güneş ışığına güneş ışığına yönlendirmeye, pasif bir konsantrasyon etkisi elde ettiler. Sistem, sabit bir düz panelle kıyasla% 30 artış gösterdi.)
Stuttgart Üniversitesi - CPV için Micro-Trackers
Stuttgart Üniversitesi'nde mühendisler, elektronik kontroller olmadan kapalı optik-çekişlemli bir vücut testi yapan, 120° izleme aralığına göre yüksek verimlilik yüzde 85'ini korudular.
Endüstri Girişimi
Polysolar ve Solar 4D gibi birkaç başlangıç, 4D baskılı güneş ürünleri için ticari yollar keşfediyor. Polysolar, 4D baskılı bir film geliştirdi ve ışıklarını kapalı aydınlatma ve elektrik üretimine optimize etmek için.
Smart Grids ve IoT ile entegrasyon
4D baskılı güneş panellerinin geleceği sadece pasif malzemelerle ilgili değil - onları akıllı enerji ağlarına bağlayan bir IoT modülüdür. şekli değiştir pasif olsa da, panelin ihtiyacı olan küçük bir ısıtıcı ile tepkisini ayarlanabilir.Bu hibrit modelde, pasif 4D eylemciyi kullanarak, düşük güç sistemi performansına sahip bir IoT modülü tarafından okunabilir ve hatta gerekli verileri için panelin yanıtını ayarlar.
Bu tür entegrasyon, güneş çiftliklerinin yakın bakım ve minimum parasitik güçle çalışmasını sağlarken, hala talep eden pazarlara katıldığında, 4D baskı ve IoT kombinasyonu, kendi kendine özgü paneller de etkinleştirebilir: eğer bir eylemci bozulursa, elektrik sinyal değişiklikleri, tüm panelden ziyade bu bileşeni yerine değiştirmek için teknisyenler uyarmak.
Çevre ve Ekonomik Etkiler
4D baskılı kendini baskılayan güneş panelleri, yaşam sonunda yenilenebilir enerjiye geçiş hızlandırabilir.Ek toprak kullanımı olmadan% 30-50 oranında artışla, birçok form açma polimerleri etkili bir şekilde ısıtılır - aynı kapasite için daha az panel gereklidir, yani daha az malzeme, daha az madencilik ve daha az atıklar yaşam sonunda.
Scale'de ekonomik Viability
Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) tarafından maliyet-benefit analizi, 4D baskılı panellerin fiyat primi elde edemeyeceğini gösteriyor, potansiyel olarak% 30'dan fazla enerji artışı elde ederken, LCOE hem de ev tesisatları için rekabetçi seviyelere düşer.
Future Outlook: Araştırma Yolu ve Vizyon
İleriye bakıldığında, araştırmacılar birkaç kesimin bir kısmını araştırıyorlar:
- [FONT:0) Çok-stimuli eylemciler: Her biri ısı ve ışıka yanıt veren paneller, her biri farklı davranış modlarını tetikler (örneğin, ısı için eğrilik, ışık konsantrasyon için eğrilik).
- [FONT:0]4D-printed esnek güneş filmleri: Sadece güç üretmemiş olan fotovoltaik çarşaflar, aynı zamanda kar yağ dökmekten veya kar dökmekten kaçınmak için de değişiklik şekli değiştirir, kış performansını artırır.
- [FONT:0) Uzay uygulamaları:[Dönetici için Güneş serisi uygun şekilde seçilip seçilmişse, uzayın vakumlanması, ağırlık ve mekanik karmaşıklığın azaltılması, uzayın vakumlanması, nem veya hava durumu hakkında 4D baskılı olabilir.
- [FONT:0) Malzeme tasarımı için Makine Öğrenmesi: AI, yeni akıllı materyal formülasyonlarının termomekanik davranışını tahmin etmek ve optimize etmek için kullanılır, polimerlerin doğru kombinasyonu ile keşfi, geçiş sıcaklığı ve yorgunluk hayatı.
- [FONT:0)Biodegradable akıllı malzemeler: Geçici kurulumlar (örneğin, felaket yardım veya tarımsal sensörler), biyodegrad edilebilir hidrokarbonlar veya hücre bazlı kompozitler tarafından basılmış paneller, güç sağlayabilir ve sonra güvenle kompost sağlayabilir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
4D baskı, güneş enerjisi hasatına temel olarak yeni bir yaklaşım sunuyor - aktif mekanik sistemleri pasif, akıllı malzemelerle değiştirir ve katkı maddeleri üretimdeki yeniliklerin hızı önümüzdeki on yıl içinde ortaya çıkabilir.Bir dünya yarışında karbon serbest enerji, 4D baskılı güneş panelleri, sadece teknolojik bir merakla temsil eder, ancak daha akıllı materyallerde yenilik hızı daha da uygulanabilir, ticari ürünlerde ortaya çıkabilir.