Vad är solenergins framtid?

På 2000-talet har solenergi redan blivit en del av det dagliga livet. Från soluppvärmda pooler till soldrivna hem, det finns många exempel som visar användbar användning av solens rena, säkra och hållbara kraft. När oro växer över effekterna av förbränning av fossila bränslen och möjligheten att uttömma icke-förnybara energikällor ser solenergins framtid ljus. Från och med 2013 är tekniken inte utan dess problem, och hittills har applikationer mestadels varit relativt små, men mycket forskning pågår på detta område, och det har skett ett antal mycket lovande utvecklingar.

Utnyttja solenergi

Solen är potentiellt en enorm källa för förnybar, ren energi. Vissa uppskattar att solljus skulle kunna producera 10.000 gånger så mycket kraft som jorden använde vid sekelskiftet. Det finns emellertid stora tekniska utmaningar att möta när man utnyttjar den energin effektivt. Det finns ett antal olika tekniker tillgängliga och under utveckling som använder solljus för att ge ström.

Solljus kan enkelt användas för att värma vatten som sedan används för att tillhandahålla 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 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 matriser av dessa enheter placerade för att få så mycket solljus som möjligt. Tillsammans kan de generera betydande mängder el. Även om de är relativt ineffektiva från 2013, har de normalt mycket låga drifts- och underhållskostnader, och kan vara mycket effektiva för att tillhandahålla kraft till bostäder. En hel del forskning pågår för att förbättra effektiviteten och konstruera celler från billigare material.

De flesta solpaneler består av kristallina PV-celler av kisel, som är 18-24% effektiva för att konvertera solljus till elektricitet. Ett antal alternativ är dock under utredning. Tunna filmceller kan tillverkas av 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 inställd för att fånga solljus vid specifika våglängdsintervall, snarare än att ha en enda receptor som saknar en del av den tillgängliga energin.

Ett annat lovande område är den färgämnesensibiliserade solcellen (DSSC), ibland kallad Gratzel-cellen, efter Michael Gratzel, som först utvecklade den på 1990-talet. Dessa använder ett färgämne för att fånga solenergi och producera ett flöde av elektroner som fylls på via ett flytande elektrolytlager nedan. Även om de är potentiellt billiga att producera är de bara cirka 12% effektiva och det finns problem med hållbarhet som kan påverka kommersiellt bruk. Till exempel kan vätskan frysa under kalla förhållanden, eller expanderas 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 solcellceller, ligger en viktig del av solenergins framtid i byggandet av nya byggnader och eftermontering 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 lättmonterade kan många äldre byggnader få uppgraderingar för att driva från solen. Experter och miljöaktivister hoppas att byggandet av grön energi kommer att uppmuntras av regeringar genom generösa skatteincitament, undantag och bidrag för alternativ energianvändning.

Solpaneler på ett tak kan i vissa områden tillhandahålla alla eller de flesta av ett hems energibehov. I de fall där människor bor i flera våningar är dock mängden takutrymme mycket liten jämfört med antalet bostäder. Medan små, enskilda applikationer kan ta bort en del av det elektriska nätet, om solen ska tillhandahålla kraven i städer och industrier, måste dess framtid ligga i stora solenergi elproduktionsstationer.

Det största problemet med utnyttjande av solenergi med hjälp av PV-celler är det utrymme som krävs för att bygga kraftverk. En anläggning består av tusentals solpaneler, inte till skillnad från de som för närvarande installeras på alternativa energihus. På grund av detta kräver de ett konsekvent soligt område och en betydande mängd utrymme. För närvarande täcker en av världens största kraftverk mer än 16,9 km ² och skapar tillräckligt med el för att driva cirka 200 000 hem. Vissa experter föreslår att för att tillhandahålla ström till hela USA krävs ett område ungefär 100 mil (160,9 km) per sida, antagligen någonstans i ökenklimatet i det amerikanska sydväst.

Alternativ till solpaneler

Ett antal andra möjligheter finns för storskalig utnyttjande av solens kraft. Ett exempel är koncentrerad solkraft (CSP) -teknologi. I stället för att generera elektricitet direkt, koncentrerar dessa solljus till att värma vatten, vilket ger ånga för att driva en turbin som producerar el precis som ett konventionellt kraftverk. De kan bestå av matriser av parabolspeglar som fokuserar solljus på ett linjärt rör fylt med vätska. Alternativt kan värme från solen fokuseras av en parabolspegel för att värma en vätska som driver en Stirling-motor, som ger den mekaniska energin för elproduktion.

Ett annat beprövat system är ”krafttornet”, där en rad solspårande 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 och producerar 10-20 megawatt el. Framtida växter 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 fonder på att förbättra alternativ energiteknik. Många tilldelningssystem - 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 2013 finns många uppmuntrande tecken på att regeringar erkänner behovet av alternativa energikällor och främjar forskning om solenergi, ligger svaret delvis i världens medborgare. Vad vanliga medborgare väljer att köpa och stödja kommer att påverka framtidens trender. Genom att installera solpaneler, donera till forskningsorganisationer som är engagerade i alternativa energier, ta en universitetsexamen i ett relaterat ämne och rösta för åtgärder som främjar alternativ energiutveckling kan vem som helst säga solenergins framtid.