På 21-talet har solenergi redan blivit en del av det dagliga livet. Från soluppvärmda pooler till soldrivna hem, det finns många exempel som visar den användbara tillämpningen av solens rena, säkra och hållbara kraft. När oron växer för effekterna av att förbränna fossila bränslen, och möjligheten att uttömma icke-förnybara energikällor, ser framtiden för solenergi ljus ut. Från och med 2013 är tekniken inte problemfri och hittills har applikationerna mestadels varit relativt småskaliga, men det pågår en hel del forskning inom detta område och det har skett en rad mycket lovande utvecklingar.
Utnyttja solenergi
Solen är potentiellt en enorm källa till förnybar, ren energi. Vissa uppskattar att solljus kan producera 10,000 21 gånger så mycket energi som jorden använde vid XNUMX-talets början. Det finns dock stora tekniska utmaningar som måste mötas för att effektivt utnyttja den energin. Det finns ett antal olika tekniker tillgängliga, och under utveckling, som använder solljus för att ge kraft.
Solljus kan helt enkelt användas för att värma vatten som sedan används för att ge centralvärme för bostäder. Alternativt kan den användas för att generera elektricitet med hjälp av fotovoltaiska (PV) celler anordnade på solpaneler. En tredje metod är att koncentrera solljus på ett mål för att generera värme, som kan användas direkt för industriella ändamål, eller för att tillhandahålla el.
Solpaneler
Dessa paneler förlitar sig på den fotoelektriska effekten, där vissa ämnen producerar en liten elektrisk ström när de utsätts för ljus. Fotovoltaiska celler är konstruerade för att utnyttja denna effekt, och solpaneler består av stora uppsättningar av dessa enheter placerade för att ta emot så mycket solljus som möjligt. Tillsammans kan de generera betydande mängder el. Även om de från och med 2013 är relativt ineffektiva, har de normalt mycket låga drifts- och underhållskostnader och kan vara mycket effektiva när det gäller att tillhandahålla ström till hem. Det pågår en hel del forskning för att förbättra effektiviteten och bygga celler av billigare material.
De flesta solpaneler består av kristallina kisel-PV-celler, som är 14-16% effektiva för att omvandla solljus till elektricitet. Ett antal alternativ är dock under utredning. Tunnfilmsceller kan tillverkas av en mängd olika material. Även om dessa för närvarande är mindre effektiva än vanliga PV-celler, är de lätta, flexibla och billigare att tillverka. Multijunction-celler kan uppnå en effektivitet på mer än 43 %. De är strukturerade så att olika delar av cellen är inställda för att fånga solljus vid specifika våglängdsintervall, snarare än att ha en enda receptor som missar en del av den tillgängliga energin.
Ett annat lovande område är den färgsensibiliserade solcellen (DSSC), ibland kallad Gratzel-cellen, efter Michael Gratzel, som först utvecklade den på 1990-talet. Dessa använder ett färgämne för att fånga upp solenergi och producera ett flöde av elektroner, som fylls på via ett flytande elektrolytskikt nedanför. Även om de är potentiellt billiga att producera, är de bara cirka 12 % effektiva, och det finns problem med hållbarheten som kan påverka kommersiell användning. Vätskan kan till exempel frysa under kalla förhållanden eller expandera när den är varm och kan läcka. Forskare har utvecklat en version av cellen där den besvärliga flytande elektrolyten ersätts med ett fast material, vilket öppnar vägen för billiga och hållbara solpaneler.
Förutom utvecklingen av billigare och effektivare solcellsceller ligger en viktig del av solenergins framtid i byggandet av nya byggnader och eftermonteringen av många äldre. Vissa experter förutspår att de flesta, om inte alla, nya byggnader kommer att ha solpaneler installerade på tak. Eftersom dessa också är lätta att montera kan många äldre byggnader få uppgraderingar för att drivas med ström från solen. Experter och miljöpartister hoppas att byggnader med grön energi kommer att uppmuntras av regeringar genom generösa skattelättnader, undantag och bidrag för alternativ energianvändning.
Solpaneler på ett tak kan i vissa områden tillgodose hela eller det mesta av ett hems energibehov. I de fall människor bor i flervåningsbostäder är dock mängden takyta mycket liten jämfört med antalet bostäder. Även om små, individuella applikationer kan ta en del av påfrestningen från elnätet, om solen ska kunna tillgodose städernas och industriernas energibehov måste dess framtid ligga i stora solcellsdrivna elproduktionsstationer.
Det största problemet med att utnyttja solenergi med hjälp av PV-celler är det utrymme som krävs för att bygga kraftverken. En anläggning består av tusentals solpaneler, inte olikt de som för närvarande är installerade på alternativa energihem. På grund av detta kräver de ett genomgående soligt område och en ansenlig mängd utrymme. För närvarande täcker ett av de största kraftverken i världen mer än 10 km16.9 och skapar tillräckligt med el för att driva cirka 2 200,000 hem. Vissa experter menar att för att tillhandahålla ström till hela USA skulle det krävas ett område på cirka 100 miles (160.9 km) per sida, förmodligen någonstans i ökenklimatet i sydvästra USA.
Alternativ till solpaneler
Det finns ett antal andra möjligheter för storskalig utnyttjande av solens kraft. Ett exempel är att koncentrera solenergi (CSP) teknologi. Istället för att generera elektricitet direkt, koncentrerar dessa solljus för att värma vatten, vilket ger ånga för att driva en turbin som producerar el precis som ett konventionellt kraftverk. De kan bestå av arrayer av paraboliska speglar som fokuserar solljus på ett linjärt rör fyllt med vätska. Alternativt kan värme från solen fokuseras av en parabolisk spegel för att värma upp en vätska som driver en stirlingmotor, som tillhandahåller den mekaniska energin för elproduktion.
Ett annat beprövat system är ”krafttornet”, där en rad solföljande platta speglar fokuserar värme från solen på en behållare med vätska som används för att tillhandahålla ånga till en generator. Ett antal anläggningar är i drift som producerar 10-20 megawatt el. Framtida anläggningar kan leverera upp till 200 megawatt.
Framtiden
En uppmuntrande trend när det gäller solenergins framtid är att många av världens största innovatörer väljer att fokusera sina talanger och pengar på att förbättra alternativ energiteknik. Många prisprogram – finansierade av olika regeringar runt om i världen – fokuserar på att tillhandahålla solenergi ekonomiskt och i stor skala. I många länder ges medborgarna ekonomiska incitament för att byta till ”gröna” energikällor och installera sina egna solpaneler.
Även om det från och med 2013 finns många uppmuntrande tecken på att regeringar erkänner behovet av alternativa energikällor och främjar forskning om solenergi, ligger svaret delvis i händerna på världens medborgare. Vad vanliga medborgare väljer att köpa och stödja kommer att påverka framtidens trender. Genom att installera solpaneler, donera till forskningsorganisationer som är involverade i alternativ energi, ta en universitetsexamen i ett närliggande ämne och rösta för åtgärder som främjar utveckling av alternativ energi, kan vem som helst säga sin roll om solenergins framtid.