Energia fotovoltaica integrada.

Un nou model ha demostrat que els edificis de la ciutat de Melbourne podrien proporcionar el 74% de les seves pròpies necessitats d'electricitat si la tecnologia solar s'integra plenament als sostres, parets i finestres.

El model fruit d'una recerca dirigida per membres del Centre d'Excel·lència en Ciència de l'Exciton de l'ARC amb seu a la Universitat de Monash, juntament amb col·laboradors de la Universitat de Lisboa, és la primera d'aquest tipus a tot el món que modela la viabilitat. i l'impacte de la fotovoltaica integrada en finestres, juntament amb altres tecnologies solars.  

Els resultats indiquen que l'adopció integral de la tecnologia fotovoltaica existent només a les cobertes a tota la ciutat podria transformar radicalment la petjada de carboni de Melbourne, reduint significativament la seva dependència de l'electricitat de la xarxa generada per la combustió de combustibles fòssils.

Es podrien obtenir més guanys mitjançant el desplegament generalitzat de les finestres solars altament eficients i la tecnologia fotovoltaica integrada a les façanes dels edificis.

S'espera que utilitzant el model desenvolupat, els responsables polítics, els proveïdors d'energia, les empreses constructores i els propietaris d'edificis, es pugui optimitzar el potencial fotovoltaic de les estructures noves i existents.

S'ha comparat el consum d'electricitat de Melbourne de l'any 2018 amb la producció d'electricitat que es podria aconseguir mitjançant l'energia solar integrada en l'edifici. Les dades de consum del CBD de Melbourne es van obtenir de les empreses de distribució de Jemena, CitiPower i Powercor i es va accedir a través de l'organisme de recerca independent de Victoria, el Centre de Noves Tecnologies Energètiques (C4NET). 

En el modelatge a escala de ciutat, es va trobar que la fotovoltaica podria proporcionar el 74% de les necessitats de consum dels edificis de Melbourne. L'energia solar de les cobertes constituiria el 88% d'aquest subministrament, amb la solar integrada a la paret i la solar integrada a les finestres proporcionant el 8% i el 4% respectivament.

Es va demostrar que la tecnologia solar integrada a les parets i finestres, pateix una reducció menor de l'eficiència durant els mesos d'hivern en comparació amb l'energia solar als teulats, proporcionant beneficis i valor durant tot l'any més consistents.

La potencial contribució  de l'energia solar integrada en les finestres, va augmentar fins al 18% a escala de barri, gràcies a les altes alçades dels edificis i les proporcions de les finestres a les parets.

Els investigadors van determinar la radiació solar anual a les superfícies dels edificis de Melbourne per identificar les àrees més adequades per a la instal·lació de les plaques fotovoltaiques, tenint en compte les limitacions tècniques i els factors de cost.

El detallat model, permet simular la radiació solar incident i el també, el potencial fotovoltaic de les zones urbanes. Cal tenir en compte una àmplia gamma de factors, inclòs l'impacte de les ombres projectades per les ombres, així com les característiques del rendiment de les diferents tecnologies solars .

Entre altres tècniques, es van realitzar diferents anàlisis de correlació i regressió lineal per identificar la interdependència entre els indicadors de forma urbana i el potencial de les PV anual.

L'àrea total que apareix en l'estudi és el 37,4 km2, dels quals 35,1 km2 van ser construïts en el 2019, els quals són principalment edificis residencials i comercials.

Els resultats van mostrar que el potencial fotovoltaic d'aquesta àrea està impulsat principalment per la possibilitat d'afegir més solar al terrat.

Tot i que els blocs de pisos amb un alt potencial solar de sostres i parets es troben a tota la ciutat, els que tenen més potencial són el sistemes solars integrats en finestres els quals, es troben als centres urbans d'alta densitat de la ciutat.

En un futur proper, la penetració del mercat i el desplegament de finestres solars d'alta eficiència poden fer una substancial contribució a la mitigació de la petjada de carboni dels edificis de gran alçada.

Font:  Maria Panagiotidou et al, Prospects of photovoltaic rooftops, walls and windows at a city to building scale, Solar Energy (2021). DOI: 10.1016/j.solener.2021.10.060

L'edge-computing, solució per l'explotació de les xarxes elèctriques.

En un sistema elèctric que cada com està més distribuït i amb un constant creixement de sensors i els respectius dispositius distribuïts, va que l’electricitat esdevingui cada vegada com una producte/servei més crític per les necessitats de la societat. 

Cada dia hi ha més dependència de l'electricitat per tat una apagada, és cada vegada més molesta i podria ser el desencadenant d'un col·lapse de les infraestructures elèctriques que en el seu conjunt estan interconnectades.

Per això, cal innovació per fer possible una continuïtat del subministrament elèctric amb un cost inferior. En conseqüència, hi ha una creixent consciència que els recursos energètics i les tecnologies de la informació del edge-comptung, a la xarxa elèctrica poden jugar un paper cada vegada més important per mitigar els impactes sobre les certes zones i millorar la resiliència de la infraestructura d’energia elèctrica.

Detecció de la consciència de la situació

El Build Back Smarter és un mantra per a moltes indústries i països. Tot i que hi ha maneres de fer-ho, el compromís per els distribuïdors elèctrics (DSO)  amb una xarxa intel·ligent, és un repte no actualitzar les seves infraestructures de manera més intel·ligent per fer front a les necessitats que requereixen dona la complexitat e la gestió de les faltes elèctriques. 

Un cop s'ha produït una falta elèctrica cal una resposta adequada per la seva resolució de la forma més segura i breu possible. És aquí, quan  comença el procés de minimitzar la possibilitat de propagar la falla. Per exemple, per reduir el risc als  incendis forestals, la solució millor, és la construcció de xarxa elèctrica soterrada en comptes de línies aèries, un enfocament que fa dècades. Si be es cert que tradicionalment, no s'ha optat per les xarxes soterrades en entorns rurals,  ha estat el seu cost, no pas la tecnologia. A mesura que el el risc dels incendis forestals es van convertint en amenaces més crítiques, la enginyeria va treballar en desenvolupar un sistema localitzats en les capçaleres de les línies elèctriques amb la finalitat de detectar amb anticipació l'inici d'un incendi forestal.  Aquesta tecnologia, ha estat bona, però no ha estat suficient. Per això, hi han diversos projectes d'innovació per fer el desenvolupament del que és probablement el sensor en línia més intel·ligent amb la tecnologia més nova. Es poden instal·lar en qualsevol línia que pugi generar preocupació  i són prou assequibles perquè es puguin aplicar de manera redundant i així, garantir la fiabilitat. 

Control de flexibilitat

Els DSO, també inverteixen equipaments i en noves solucions per millorar la controlabilitat dels sistemes elèctrics. Els feeders de distribució ja poden respondre de manera proactiva a una falta elèctrica, configurant activament la topologia i la connectivitat de la xarxa i els seus recursos energètics què estiguin connectats en ella. Els clients residencials podran fer el mateix a les seves llars en coordinació amb els actors que tinguin relació amb els DSO.

Gràcies a reconfiguracions flexibles de la topologia del feeder mitjançant la coordinació dels dispositius de seccionalització distribuïts, esdevenen una tecnologia clau per el futur la xarxa elèctrica. Una de les lliçons apreses de l’apagada de Texas del 2021 va ser que el nivell de descàrrega  que cal demanar als operadors de transport (TSO)  no tenia precedents donada la necessitat de reduir un consum molt elevat. Per evitar que el DSO i TSO puguin gestionar congestions en les seves infraestructures cal una relació entre els operadors elèctrics i  clients particulars per donar suport a la xarxa i desviament del mercat elèctrica gràcies a les avançades tecnologies dels edificis intel·ligents i les llars intel·ligents ja què, no només permeten un funcionament estable i normal de la xarxa, com la regulació de freqüència / tensió, sinó que també poden potenciar certes funcionalitats per a situacions d’emergència. Si estan dissenyats per a oferir serveis d’emergència, poden desconnectar-se automàticament els usos no essencials elèctrics donada una restricció d’electricitat en àrees àmplies.

Avui, la distribució de les càrregues d'un DSO es d'acord a una capacitat determina amb un coeficient de simultaneïtat estimat per assegurar la qualitat de servei. Tanmateix, en base al camí cap  a la transició energètica requerirà assignar una flexibilitat als clients. 

Recursos i tecnologies emergents

El camí cap a la descarbonització exigeix ​​l’electrificació de múltiples sectors, el transport, la industria, l’agricultura i la producció d’aliments, entre d'altres. Possiblement, la infraestructura elèctrica podria acollir aquests requeriments d’electrificació com a recursos addicionals per a la planificació d’emergències. Però, els vehicles elèctrics podrien actuar com a emmagatzematge mòbil quan la xarxa elèctrica ho requereixi? Les bateries químiques distribuïdes i connectades a les xarxes dels DSO  podrien alimentar una petita comunitat utilitzant els recursos instal·lats?

Avui dia, tot i que el concepte funciona, els estudis  demostren que encara és una de les solucions més cares a més, l’electrificació del transport pot perjudicar aquest concepte.

Diverses investigacions i demostracions, han demostrat que els vehicles elèctrics i híbrids poden alimentar una llar o un negoci durant una interrupció. La situació ha madurat de manera que per exemple, s’anuncia un Ford F150 elèctric que podria proporcionar electricitat a una llar entre tres i deu dies, segons la els hàbits de consum i estat de càrrega de la bateria del Ford. Per tant, el transport electrificat mostra un camí cap a la resistència sense ser necessari invertir en plaques solars o bateries dedicades. Un repte intel·ligent, seria tenir aquesta flexibilitat perquè sigui alhora segura i beneficiosa per a l'estabilitat de la xarxa quan milions de persones tenen una capacitat reserva fàcilment accessible. No obstant això, caldrà treballar amb les formes de telecomunicar tots aquest dispositius.

Una possibilitat, pot estar en la millor connectivitat que permet la pròxima tecnologia sense fils 5G / 6G per potenciar encara més, la participació activa dels clients. És hora que les empreses elèctriques aprofitin aquestes oportunitats emergents per preparar els seus sistemes per al futur paradigma operatiu. 

Finalment, no es pot oblidar un sistema intel·ligent mitjançant l’hidrogen ja que una part important de la població mundial viu a ciutats sense accés directe a l'energia eòlica o solar. 

L’evolució cap a una xarxa més intel·ligent i resilient a costos més baixos sembla estar en el camí de ser possible tècnicament. El major risc és que lleis, regulacions i / o subvencions inadequades puguin limitar a la tecnologia del segle XXI.

Ramon Gallart

125 anys del descobriment del electró.

JJ Thomson va fer els seus experiments amb raigs catòdics per verificar l'existència d'aquests corpuscles subatòmics. Aquest model de l'àtom es va conèixer com el model de plum pudding, anomenat així per les populars postres angleses. En l'analogia de Thomson, els corpuscles carregats negativament eren com panses suspeses en un pastís carregat positivament, donant lloc a un àtom neutre. El model també es va conèixer com el model de Thomson, encara que el seu principal defensor va ser William Thomson (Lord Kelvin), no JJ Thomson, que només va avalar la idea.

JJ Thomson, durant una conferència a la Royal Institution de Londres, el 30 d'abril de 1897 va dir:

 "Els àtoms dels elements ordinaris estan formats per corpuscles i forats, els forats són els predominants" 

Els corpuscles i el pudding no són com pensem avui sobre l'estructura d'un àtom. Els corpuscles són electrons, i el model de plum pudding va donar pas al model nuclear d'Ernest Rutherford el 1911. No obstant això, JJ Thomson sovint és reconegut com el descobridor de l'electró basant-se en aquella conferència de fa 125 anys.

Gràcies, al tub de buit de Braun  inventat per Karl Ferdinand Braun  per estudiar els feixos d'electrons, JJ Thomson va utilitzar un instrument similar per fer els seus experiments.

Aquest fet fa entreveure que  aquestes dues històries paral·leles tenien  resultats comuns de fet, ambdós van guanyar un Premi Nobel de Física, però,  tenien poc en comú. 

Naixement de la teoria atòmica

A mesura que s'acabava el segle XIX, molts destacats pensadors creien que tots els grans descobriments de la ciència ja s'havien fet. L'electricitat s'estava domesticant i les teories de la termodinàmica s'unien per explicar el funcionament de les màquines de vapor. Els científics no sabien que la teoria atòmica estava a punt de capgirar la ciència i canviar la comprensió fonamental de la matèria. JJ Thomson va ser un actor clau per establir aquesta nova direcció en la física.

El 1876, Thomson havia rebut una beca per estudiar al Trinity College de la Universitat de Cambridge, i quatre anys més tard es va graduar en matemàtiques. El 1884, va ser nomenat professor Cavendish de Física Experimental i va començar el seu estudi de tota la vida sobre l'electromagnetisme. Gran part de la investigació de Thomson es va dedicar a entendre la naturalesa dels raigs catòdics. Ara es sap que aquests raigs són corrents d'electrons que surten del càtode (o elèctrode negatiu) d'un tub de buit. 

Però. què són els raigs catòdics?  Molts físics alemanys creien que els raigs catòdics visibles resultaven d'una interacció amb l'èter, una substància incolora i sense pes que estava per tot l'espai. L'èter forma part del que els historiadors anomenen la cosmovisió clàssica, una síntesi de la física del segle XIX que té les seves arrels a Aristòtil i Newton. Mentrestant, científics francesos i britànics començaven a argumentar que els raigs catòdics eren partícules subatòmiques electrificades. Això no encaixava perfectament amb la visió del món clàssica, que sostenia que tot estava compost d'àtoms immutables i indivisibles.

Els experiments de JJ Thomson es van basar en un tub de buit conegut com a tub de Crookes , en el qual es va observar i fotografiar diversos fenòmens, inclòs l'efecte d'una força magnètica sobre la descàrrega elèctrica a altes temperatures i pressió. També va comparar experiments sobre les càrregues transportades pels raigs catòdics tant dins com fora del tub.

La incursió de Thomson en els raigs catòdics va ser precedida per més de 200 anys de demostració i experimentació amb globus i tubs de baix buit. Els primers experimentadors com va ser Francis Hauksbee, simplement intentaven esbrinar què passava dins dels tubs i es van quedar hipnotitzats per les diferents llums de colors que podien produir. A la dècada de 1850, les coses es van posar més serioses, quan Julius Plücker, físic i matemàtic de la Universitat de Bonn, i el seu col·lega Heinrich Geissler (un bufador de vidre) van observar que la fosforescència verda del vidre d'un tub d'alt buit era magnètica. Quan van col·locar un imant a prop del càtode, la llum es va estendre en un patró similar a les llimades de ferro al voltant d'un imant.

En els anys previs a la conferència de Thomson, els tubs Geissler, els tubs Plücker, els tubs Hittorf i els tubs Crookes van omplir laboratoris i aules. Majoritàriament es van utilitzar per mostrar els efectes colorits de la descàrrega elèctrica dels raigs catòdics sobre diferents superfícies fosforescents, sense cap clara aplicació pràctica.

Aleshores Wilhelm Röntgen va notar alguna cosa diferent i inusual. Tot i que el tub de Crookes que feia servir estava tancat amb cartró negre, una pantalla fosforescent a través de l'habitació va començar a brillar. Això va fer que el 1895 anunciés que havia descobert els raigs X. El descobriment va iniciar una nova onada d'experiments amb raigs catòdics.

Un científic inspirat en el treball de Röntgen va ser Karl Ferdinand Braun. Braun havia rebut el seu doctorat de la Universitat de Berlín el 1872, estudiant les oscil·lacions de les cordes i les varetes elàstiques, i va passar els següents 20 anys en diferents llocs a les universitats de Marburg, Karlsruhe i Tübingen. En el moment del descobriment de Röntgen, Braun era director de l'Institut de Física d'Estrasburg. Segons l'historiador George Shiers,  Braun es diferenciava de molts entusiastes de Röntgen perquè estava més interessat en la font dels raigs X que en les aplicacions del radiació.

Braun va buscar un nou tipus d'instrument, un que pogués captar visualment els fenòmens oscil·latoris i transitoris dels circuits elèctrics. En definitiva, volia cartografiar el corrent altern, en el que resultaria ser un precursor de l'oscil·loscopi. Per això, va dir al seu fabricant d'instruments, Franz Müller, que modifiqués un tub de Crookes afegint-hi un diafragma restrictiu al mig. El diafragma va enfocar el feix prim de raigs catòdics. Un tros de mica recobert de fòsfor servia com a pantalla de visualització. Una bobina fora del tub va desviar el feix de raigs catòdics en angle recte amb el camp magnètic. Com que el feix va respondre gairebé immediatament als canvis de tensió o corrent, es podria utilitzar per rastrejar aquests patrons a la pantalla. Braun va publicar una descripció del seu tub, inclòs un diagrama, a Annalen der Physikel febrer de 1897, 10 setmanes abans de la conferència de Thomson.

L'estudiant de Plücker Johann Wilhelm Hittorf va demostrar que un objecte col·locat davant del càtode projectava una ombra a la paret oposada del tub. Els "raigs brillants" de Hittorf van iniciar una línia d'investigació sobre la direccionalitat, que Eugen Goldstein va recollir a la dècada de 1870, en experiments que van demostrar que els raigs catòdics es podien enfocar mitjançant un càtode còncau.

Semblava com si cada un fes petites modificacions als tubs. Després va venir William Crookes. Va dissenyar una àmplia gamma de tubs de buit per estudiar els raigs catòdics i va fer belles demostracions amb els seus tubs, popularitzant-ne l'ús als laboratoris i fent conèixer al públic la investigació. Quan Thomson va començar les investigacions que van portar a la seva conferència del 30 d'abril, va utilitzar un tub de Crookes.

Si Thomson sabia sobre el treball de Braun quan va donar la seva conferència del 30 d'abril, no en va fer cap menció. Tampoc Thomson va optar per anomenar les seves partícules subatòmiques amb un nom que ja estava en ús: l'electró. El 1874, el físic irlandès George Johnstone Stoney va proposar el nom electrina, per a la partícula subatòmica desconeguda, canviant-la per electró el 1891. Stoney també va estimar la càrrega de l'electró (que va resultar ser molt propera al valor modern).

D'altra banda, Thomson va fer un bon treball per rastrejar la història dels experiments amb raigs catòdics i nomenar científics i fabricants d'instruments que havien proporcionat les bases del seu treball. Només a la part final de la seva conferència va plantejar la seva hipòtesi del corpuscle i va descriure els experiments en què va mesurar la relació entre la massa dels corpuscles i la seva carregar. Però no va concloure amb una declaració definitiva sobre el descobriment de l'electró. 

Zeeman va descobrir que quan un element es crema en presència d'un fort camp magnètic, les línies espectrals es divideixen en patrons regulars. Avui entenem que l'efecte Zeeman és el resultat de l'espín de l'electró, però l'electró encara no s'havia descobert. Tanmateix, el supervisor de Zeeman, Hendrik Lorentz, ja havia teoritzat que els àtoms podrien consistir en partícules carregades. Zeeman i Lorentz van guanyar un premi Nobel l'any 1902 per aquest treball.

Diferents teories del descobriment

Qui va descobrir llavors l'electró? La invenció de Braun i el descobriment de Thomson es van basar en dècades de treball de nombrosos científics i fabricants d'instruments, per la qual cosa sembla injust donar la titularitat a un sol individu. És cert, però, que Braun mai va patentar el seu invent, ni va fer gran cosa per promocionar-lo. A finals de 1897, havia abandonat la seva investigació amb raigs catòdics i va passar a la telegrafia sense fil, per la qual va compartir el Premi Nobel de Física amb Guglielmo Marconi, el 1909. Els tub de raigs catòdics de Braun no van tenir gaire acció durant la seva vida, però les versions modificades van dominar els televisors i els monitors d'ordinador durant la segona meitat del segle XX, i Braun és aclamat com el seu inventor original.

Mentrestant, Thomson va segjuir treballant en la seva teoria dels corpuscles, guanyant el seu premi Nobel el 1906. I, tot i que el model plum pudding  va desaparèixer  després d'uns anys, Thomson és  reconegut com el descobridor de l'electró 125 anys després.

La qüestió del descobriment i de qui hauria d'obtenir el reconeixement és molt debatuda entre historiadors, filòsofs, científics i escriptors de llibres de text, que sovint tenen idees diferents sobre la qüestió, sobretot quan hi ha un llarg camí cap al resultat final amb molts actors diferents. En el seu llibre JJ Thomson and the Discovery of the Electron, la historiadora de les matemàtiques i la ciència Isobel Falconer argumenta en contra del debat nacionalista tradicional sobre la naturalesa dels raigs catòdics. Assenyala que Thomson ni tan sols es va interessar per ells fins al 1896, i fins i tot aleshores, els seus corpuscles tenien poc en comú amb el que en aquell moment s'anomenava electró. En el seu article " Repensar el 'descobriment' de l'electró ", el historiador Theodore Arabatzis, proposa una taxonomia del que significa descobrir una entitat no observable. El filòsof Ian Hacking suggereix al seu llibre de 1983, Representing and Intervening, que s'ha descobert alguna cosa una vegada que un científic troba la manera de manipular l'entitat. Però potser el descobriment s'hauria de comptar a partir de quan es demostra alguna cosa, es publica o s'anomena. O potser el reconeixement del descobriment hauria de produir-se només retrospectivament, un cop establert el concepte modern de les diverses característiques de l'entitat: en el cas de l'electró, aquesta seria la seva massa, càrrega, espín i naturalesa d'ona de partícules.

Font: Allison Marsh és professor a la Universitat de Carolina del Sud i codirector de l'Institut Ann Johnson de Ciència, Tecnologia i Societat de la universitat. Combina els seus interessos en enginyeria, història i objectes de museu per escriure la columna Past Forward , que explica la història de la tecnologia a través d'artefactes històrics.