ایمنی فناوری نانو در صنعت انرژی

ایمنی فناوری نانو در صنعت انرژی

فرمت: Pdf  تعداد صفحات: 16

1- مقدمه

از آغاز انقلاب صنعتی، سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ، گاز طبیعی و روغن‌های مبتنی بر نفت خام اساساً به عنوان مجموعه نیازهای انرژی جهان شناخته شده‌اند. هر چند پیشرفت تکنولوژی، نیازهای جدید و نگرانی‌های بهداشتی و زیست محیطی، اکثر کشورها را مجبور به جستجو برای یافتن منابع انرژی جدیدتر کرده است [۱]. بنابراین، تحقیقات علمی جدید مستقیماً روی بهره‌گیری از دیگر منابع تجدیدپذیر انرژی تأکید کرده‌اند. دیگر انرژی‌های جایگزین مانند انرژی هسته‌ای، هیدرولیکی، زیست توده و انرژی‌های وابسته به حرارت مرکزی زمین، برای مواجه شدن با این نیاز بسیار بزرگ کافی نیستند و در عوض نگرانی‌های دیگری ایجاد می‌کنند [۲]. استخراج منابع بزرگ انرژی (سوخت‌های فسیلی) اثر چشمگیری بر روی محیط زیست دارد، زیرا این سوخت‌ها، در طولانی مدت، اثرات بسیار زیادی بر روی گرمای جهانی دارند. با توجه به رشد جمعیت توسعه اقتصادی، نگرانی‌های بهداشتی و زیست محیطی و افزایش تقاضاهای برای انرژی جدید، جهان در جستجوی منابع انرژی جایگزین بوده است تا منابع متداول امروزی را با راه‌های مقرون به صرفه، بهداشتی، سازگار با محیط زیست و قابل تحمل جایگزین نماید .

سیستم‌های انرژی قابل تجدید به واسطه‌ی کارایی و طبیعت پاک زیست محیطی شان از محبوبیت جهانی برخوردارند. در میان سیستم‌های انرژی قابل تجدید، امروزه پیل‌های سوختی و سلول‌های خورشیدی اساساً مورد توجه هستند. باتری‌های خورشیدی هیچگونه تشعشع یا آلودگی ایجاد نمی‌کنند. پیل‌های سوختی هیدروژنی تنها آب تمیز را به عنوان محصول فرعی تولید می‌کنند. هیدروژن با دوام‌ترین گزینه برای ذخیره سازی انرژی خورشیدی در فقدان نور خورشید می‌باشد. به طور متداول منبع هیدروژن معمولاً از سوخت‌های فسیلی است. بنابراین در طی این فرآیند، دی اکسید کربن یکی از محصولات است که همراه گاز هیدروژن تولید می‌شود و علت اصلی ایجاد اثر گلخانه‌ای نیز می‌باشد. این فرآیندها به هیچ عنوان یک تکنیک سازگار با محیط زیست نیستند. بنابراین هیدروژن باید با استفاده از تکنیک‌های ساختگی و مصنوعی مانند فتوسنتز تولید شود .

تکنولوژی انرژی باید به دلیل ارزش‌های انرژی نگرانی‌های زیست محیطی و بالا بدون کارایی توربین‌های بادی مرکب به طور موثر بهبود یافته است. ظرفیت تاسیسات بادی به طور متوسط به میزان ۳۵ درصد در هر سال نسبت به سال قبل رشد داشته است. باتری‌های امروزی، ابر خازن‌ها و دیگر سیستم‌های انرژی و دستگاه‌های ذخیره کننده برق، روز به روز بر محبوبیت جهانی خود می‌افزایند [۴-۸]. در این بخش، ما برخی از سیستم‌های انرژی ترکیب شده با نانوفناوری را به طور خلاصه بیان کرده و در مورد نگرانی‌های مرتبط با بهداشت و سلامت و سیستم‌های حفاظتی برای توسعه پایدار در این زمینه بحث می‌کنیم.

2- نانوفناوری در صنعت انرژی

1-2- انرژی خورشیدی

نور خورشید فراوان‌ترین منبع انرژی و تنها شبکه انرژی است که به سیستم‌های زمین وارد می‌شود. در نتیجه نیروی خورشید به عنوان یک منبع بزرگ و نویدبخش انرژی برای جامعه امروزی شناخته شده است. زیرا مقدار آن در حدود (105 ترا وات) سال/ژول ) می‌باشد [۳]. انرژی مصرفی رایج در جهان حدود (۱۲ ترا وات) سال/ژول 0.4×10²⁰می‌باشد. حدود ۰.۰۱ درصد از انرژی خورشیدی به سطح زمین می‌رسد. بنابراین انرژی خورشیدی که به سطح زمین می‌رسد به مراتب متجاوز از نیاز جامعه امروزی می‌باشد [۱].

بر اساس محاسبات اخیر [۱] یک منطقه‌ای ۱۰۵ کیلومتر مربعی که توسط باتری‌های خورشیدی با ۱۰ درصد کارایی موثر پوشیده شده است، برای تامین انرژی مورد نیاز ما بدون منابع انرژی دیگر کافی می‌باشد. اگرچه خورشید، منبعی ایده‌آلی برای تامین انرژی مورد نیاز ما است، اما ما به ابتکارهای جدیدی برای بهبود کنترل فوتون‌های تابشی و افزایش راندمان و بهبود ظرفیت ذخیره‌سازی نیازمندیم؛ زیرا چگالی انرژی خورشیدی به طور قابل ملاحظه‌ای وابسته به تغییرات فصلی و محلی است مانند: منطقه آمازون، بیابان ساها، منطقه استوایی و قطب‌های شمال و جنوب .

یکی از موضوعات مهم مرتبط با انرژی خورشیدی، مسئله تبدیل انرژی است و همچنین اینکه میزان ذخیره سازی انرژی در سیستم‌های انرژی خورشیدی به شکل قابل ملاحظه‌ای پایین است و نیاز به اصلاح و بهبود دارد. با الهام از طبیعت و از طریق فرآیند فتوسنتز می‌توان این مشکلات را حل نمود [۳]. نانوفناوری یک تکنولوژی در حال ظهور است که می‌تواند امکان ذخیره سازی و بهره‌برداری از انرژی نور را فراهم کرده و یک استراتژی جدید برای دستگاه‌هایی که انرژی را به شکل مطلوب تبدیل می‌نمایند، طرح کند [۳]. نانومواد، به عنوان بلوک‌های ساختمانی برای دستگاه‌های تبدیل انرژی خورشیدی به سه روش زیر مورد استفاده قرار می‌گیرند:

• جمع بندی مولکولی و خوشه‌ای دستگاه‌های دهنده گیرنده تقلید فتوسنتز،
• تولید سوخت خورشیدی با استفاده از فوتوکاتالیست به کمک نیمه رسانا
• استفاده از مواد نیمه رسانی نانوساختار در باتری‌های خورشیدی.

در میان دستگاه‌های تبدیل انرژی خورشیدی با ساختار نانو، نانوذرات اکسید فلز تک و دوتایی به شکل ویژه‌ای مورد توجه و تمرکز قرار می‌گیرند.

باتری‌های خورشیدی حساس به رنگ (DSSC) که به عنوان باتری گریز ژل شناخته می‌شوند سلول‌های فوتوکاتروشیمیایی هستند که از فاصله نور پهن نانوذرات نیمه رسانا اکسید مزبور، نانو سیم‌ها و نانولوله‌ها، الکتریسیته تولید می‌کنند [۹]. این باتری، جایگزینی برای باتری‌های خورشیدی است که از مواد ساده، معمولی و نسبتاً ارزان، شامل شیشه رسانا، ذرات نانو، جوهر شاه توت (شامل مولکول‌های رنگی طبیعی) و محلول ید ساخته شده است. ۵ ، ،  و ، ،  دیگر نانوذرات نیمه رسانی آمیخته با چندین نانو ذره ایندیم قلع اکسید (ITO)، نانولوله‌های کربنی (CNT) و گرافن برای تولید DSSC‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند [۴].

نور خورشید از طریق پوشش سطحی اکسید رسانی شفاف (TCO) روی سطح شیشه، مستقیماً وارد باتری خورشیدی می‌شود (عملکرد الکترود) و به مولکول‌های رنگی آمیخته به سطح نانوذرات نیمه رسانی دی اکسید تیتانیوم ( ) برخورد می‌کند. برخورد فوتون‌ها به مولکول‌های رنگی با انرژی کافی، در الکترون‌های مولکول‌های رنگی حالت برانگیخته ایجاد می‌کند، در اینجا، به نوبه خود، این الکترون‌ها می‌توانند به نوار رسانایی مواد نیمه رسانا نفوذ کنند. نانوذرات نیمه رسانا، الکترون‌ها را به TCO و سپس به مدار انتقال می‌دهند .

ادامه مطلب را با دانلود فایل پیوستی مشاهده کنید.

حتما بخوانید:

⇐ ایمنی فناوری نانو در صنعت خودرو

⇐ ایمنی فناوری نانو در صنعت پزشکی زیستی

⇐ ایمنی فناوری نانو در صنعت هوافضا

⇐ ایمنی نانو ذرات در صنایع غذایی