The Clean Energy Project

来自中国分布式计算总站

The Clean Energy Project

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The Clean Energy Project logo
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CEP 运行中的屏保图形
开发者 哈佛大学United States.gif
版本历史 2010年6月28日
运算平台 Windows.pngLinux.pngMacos.png
项目平台 BOINC
程序情况 计算程序160M
单个任务包1M
单个任务结果50M
参与者需保证有1Mbps的接入速度。
任务情况 Linux任务包已开始供应,Windows任务包将从2010年7月17日开始供应
项目状态 正在进行
项目类别 物理化学类
优化程序
计算特点 CPU密集:

支持0分享率

支持GPU计算

官方网址 The Clean Energy Project
https://secure.worldcommunitygrid.org/research/cep1/news.do?rss=1&filterCategory=2_104 通过 RSS 获取项目新闻


清洁能源项目

本项目是 IBM 公司主持的 World Community Grid 项目的子项目。

项目概述

项目状态和成果

要了解有关“清洁能源项目”的信息,请访问以下页面及“清洁能源项目”Web 站点。您还可以在该站点中找到最新的状态更新。要就该项目进行讨论或提出问题,请访问“清洁能源项目”论坛


任务

“清洁能源项目”的任务是寻找可用于下一代太阳能电池以及未来储能设备的新材料。借助 World Community Grid 的强大计算能力,研究人员可以计算数以万计有机材料的电子属性(数量远远超出可在实验室中测试的材料种类),并确定最有希望用于开发低成本太阳能技术的材料。


意义

我们生活在“能源时代”。当前以化石燃料为基础的经济必须为以可再生能源为基础的未来经济让路,但实现这一目标却是人类面临的最大挑战。化学通过发现具备以下特点的新材料来应对该挑战:材料应当可以充分吸收太阳辐射,存储太阳能以供今后使用,并在需要时可以将存储的太阳能转化为其他能量。

“清洁能源项目”使用计算化学并根据人们的意愿,帮助寻找最适用于提供廉价太阳能电池的有机光伏材料和燃料电池发电中所使用的高分子膜的分子,并确定如何才能最好地组合这些分子以制作这些设备。通过帮助我们组合搜索数以千计的可能系统,World Community Grid 志愿者为实现上述目标做出了贡献。


方法

研究人员采用分子力学和电子结构计算,来预测有可能成下一代太阳能电池材料的分子的光学和传输特性。

a) 分子力学计算:为“清洁能源项目”做出贡献的部分计算机执行分子晶体、薄膜以及分子和聚合物的混合物的分子力学计算,以研究候选材料的包装排列并预测其充电和激发能量传输属性。这些计算由哈佛大学 Karplus 小组开发的 CHARMM 分子力学软件程序包执行。

b) 电子结构计算:为获得相关光学和电子传输属性,一些连接到“清洁能源项目”的计算机将采用波函数方法(例如 Hartree-Fock 或二阶微扰理论)以及密度泛函理论进行计算。这些计算可帮助研究人员构建分子属性的数据库,再结合分子力学计算的结果,研究人员就可以确定潜在的候选材料。电子结构计算将通过 Q-Chem, Inc 开发的 Q-Chem 量子化学代码来执行。


项目详细信息

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World Community Grid 和哈佛大学化学与化学生物系的研究人员正合作开发使用有机分子的高效廉价的太阳能电池,以便能够通过可再生能源满足未来全球的能源需求。

能源就像是我们现代社会呼吸的氧气,我们基本日常生活(包括食物、交通和娱乐)所需的“营养液”。全球每年平均消耗 15 太瓦(即 130 万亿千瓦时)的能量,这函盖了石油、天然气、煤、核能、水电、生物能源、太阳能和风能 - 足够点亮 1500 亿盏 100 瓦的电灯!


到 2050 年,随着人口的增长和发展中国家生活标准的提高,全球消耗的能源总量很可能将翻倍,达到 30 太瓦。然而,全球能源供应将无法满足如此激增的需求。石油和水电能源日见短缺;风能还不能满足我们的需求,而天然气、煤炭及核能还存在严重的环境问题。

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因而,大量科学家正将研究重点转到生物能和太阳能。但是生物能同样存在诸多局限性。如果采用当前的生物能源(例如生物柴油),那么它需要占用地球 20% 的可用表面才能满足新能源需求,这会导致毁灭性的生态和社会后果。因此,太阳能是最切实可行的选择。太阳是取之不尽、用之不竭的资源,利用太阳能对生态环境的影响较小,只需占用地球 0.16% 的表面就可产生 18 太瓦的能量!

尽管如此,科学家们还未找到最理想的材料,用于将大量太阳能转化为电能。光能通过名为太阳能电池或光伏材料的设备转化为电能。目前,用于制作太阳能电池的常见材料基于硅半导体技术。这些传统的太阳能电池可以吸收 24% 的输入太阳能;遗憾的是,制作这样高效的设备要求较高的温度以及复杂的制造条件,因而必然造成相对较高的生产成本。


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以廉价的可再生能源为目标,全球众多企业和院校的科学家目前正参与开发基于有机分子的太阳能电池,有机分子主要由碳原子和其他轻原子(例如氮原子或氧原子)组成。这些材料可能兼备传统半导体的电子属性以及聚合(即“塑料”)材料出色的力学和加工属性。

尽管这些有机太阳能电池可能不如半导体电池的效率高(转换效率为 6.5% 的输入太阳能,这一数字是加州大学圣芭芭拉分校物理学教授,诺贝尔奖得主 Alan Heeger 去年宣布的),但是可以通过化学方式对其进行修改,从而提高其效率。实际上,可用于有机太阳能电池的可能分子的数量只受限于合成化学家的想象力。从这方面讲,可以采用无数种方法组合成有机分子,从而构建不计其数的各种分子。尽管有些分子效率不高,但仍有大量的分子可能就是我们一直在寻求的用于支持现代社会能源需求的答案。


World Community Grid 和清洁能源项目

World Community Grid 和清洁能源项目组成一个虚拟实验室,用于构建数以千计的有机化合物,以便从中发现最适合用于未来太阳能电池研究的候选材料。通过 World Community Grid 的帮助,将使用软件来设计具有特定属性的新分子材料,而不需要通过实际的化学实验来合成和测试分子。因此,哈佛大学 Aspuru-Guzik 小组的科学家们能够研究计算出的分子属性,并估计它们作为太阳能电池的性能,而不需要测量分子对阳光的反应。为了获得成功,他们需要达到当前计算化学方法所能达到的最高级别的准确度 - 而且必须对数以万计的分子都进行这样的计算。

塑料材料由聚合物构成 - 即由数以千计的相同分子基元端到端链接而成的化学化合物。该项目首先选择大量基元,更改每个基元以使其具有不同的化学成分,并改变已改造基元的大小;这样就形成数以万计有待研究的化合物。通过第 1 阶段,研究人员可以确定这些分子的常规电子属性。

该阶段完成后,科学家们就可以从中选出数十种有希望的候选分子。科学家们对这些候选分子进行极其细致入微地模拟,以发现其能量传输属性,包括温度和环境的影响。

World Community Grid 志愿者的 PC 将计算每个分子的量子力学和经典力学属性,以确定最适合可用于制造下一代捕光设备的分子。

完成大量这样的计算之后,该项目就能够确定少量的最终候选分子,以便由其他实验研究人员对这些分子进行实际合成,在实验室中进行实际的测试。

最终,依靠 World Community Grid 的支持,科学家们希望发明一种新材料,以生产高效廉价的太阳能电池,从而为人类未来的能源需求提供一种切实可行的解决方案。


研究参与者

“清洁能源项目”是开发清洁能源技术的重要组成部分。该团队由哈佛大学(美国马萨诸塞州剑桥市)副教授 Alán Aspuru-Guzik 领导。


“清洁能源项目”团队成员包括:


协作人员:


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