Energia przyszłości dzisiaj Jak działają panele słoneczne i heliostaty?

Zasoby odnawialne. To problem, z którym zmagamy się każdego dnia, niezależnie od tego, czy zdajemy sobie z tego sprawę, czy nie. Z każdą pompą uchwytu gazu, każdym naciśnięciem pedału przyspieszenia samochodu, każdą wtyczką ładowarki do smartfona zużywamy paliwo. I pewnego dnia paliwo się skończy. Dlaczego więc nie wykorzystać jednego źródła energii, które nie zabraknie - słońca?

Słońce jest wspaniałą istotą. Zapewnia światu wystarczającą energię, aby zasilić całą cywilizację. Jedynym problemem jest to, w jaki sposób zdobywamy i wykorzystujemy tę energię? Co dobrego ma wiązka darmowej energii, jeśli nie możemy przekształcić jej w użyteczne medium? Na tym polega problem i jest o wiele trudniejszy do rozwiązania, niż można sobie wyobrazić.

“Poczekaj minutę” mówisz, “mamy komercyjną energię słoneczną od lat osiemdziesiątych!” I miałbyś rację, mówiąc to. Jednak kłopotów nie ma w jaki sposób przekształcać energię słoneczną w elektryczność. Wiemy już, jak to zrobić - po prostu nie na poziomie, który można spożywać masowo. Aby zrozumieć granice energii słonecznej, musimy wiedzieć, jak działają panele słoneczne.

Dołącz więc do mnie, gdy będę zagłębiał się w wewnętrzne działanie energii słonecznej. Przyjrzyjmy się bliżej procesowi przekształcania światła słonecznego w realne źródło paliwa.

Energia słoneczna zaczyna się, jak można się spodziewać, od słońca. Ta gigantyczna kula ognia, która wisi na niebie, jest idealnym źródłem energii. W przeciwieństwie do węgla słońce nie zatyka atmosfery dwutlenkiem węgla. Jest łatwo dostępny, więc nie musimy wiercić na całym świecie. Praca z energią słoneczną nie stanowi zagrożenia dla ludzi (z wyjątkiem sporadycznych oparzeń słonecznych).

A przede wszystkim energia słoneczna jest bezpłatna. Oprócz budowy rzeczywistych receptorów i konserwacji sprzętu energia słoneczna nie wiąże się z żadnymi kosztami.

Jak to wszystko działa?

Energia jest wszędzie wokół nas w różnych formach. Światło to energia. Ciepło to energia. Ruch to energia. Spokój jest (potencjalną) energią. Słońce emituje ogromną ilość światła, a naszym celem jest przekształcenie tej energii światła w coś, co możemy wykorzystać, a mianowicie energię elektryczną.

W większości przypadków, gdy światło uderza w obiekt, jest przekształcane w energię cieplną. Wróć do swojej ostatniej wizyty na plaży. Kiedy siedziałeś na słońcu, twoja skóra zrobiła się gorąca. To prosty fakt z życia, którego wszyscy doświadczyliśmy. Istnieją jednak pewne materiały, które przekształcają światło w energie inne niż ciepło. Krzem jest jednym z tych materiałów.

Kiedy światło uderza w krzem, nie rozprasza się w postaci ciepła. Zamiast tego elektrony w cząsteczce krzemu skaczą wokół, wytwarzając prąd elektryczny. Aby jednak wykorzystać krzem w ten sposób, potrzebujesz dużych kryształów krzemu, które są wystarczająco duże, aby wytworzyć zauważalne ilości energii elektrycznej.

Starsze wersje technologii słonecznej wykorzystywały kryształy krzemu. Jak się okazało, ta metoda konwersji światła słonecznego nie była zbyt wykonalna, ponieważ trudno jest wyhodować duże kryształy krzemu. Gdy coś jest trudne, jego cena pozostaje wysoka. Jeśli cena pozostaje wysoka, powszechne stosowanie staje się mało prawdopodobne.

Obecnie technologia słoneczna wykorzystuje inny materiał. Ten nowy materiał składa się z miedzi, indu, galu i selenu i jest trafnie nazwany selenkiem miedzi-indu-galu lub CIGS. W przeciwieństwie do krzemu kryształy wykonane z CIGS są mniejsze i tańsze, ale są znacznie bardziej nieefektywne niż krzem w przetwarzaniu światła słonecznego.

I tu jesteśmy dzisiaj. Energia słoneczna stanowi niewielką część światowej produkcji energii i tak pozostanie, dopóki naukowcy nie znajdą nowego materiału, który działa równie dobrze jak krzem, ani nie odkryją metody taniej produkcji dużych kryształów krzemu.

Choć panele słoneczne są obecnie nieefektywne, istnieje kilka metod, które służą poprawie wychwytywania i magazynowania energii słonecznej. Jednym ze sposobów jest użycie baterii, która magazynuje energię, umożliwiając zużycie, gdy nie ma słońca w nocy i podczas pochmurnych dni. Innym sposobem jest użycie heliostatu.

Co to jest heliostat? Możesz myśleć o tym jak o dużym zwierciadle (lub wielu zwierciadłach) przymocowanym do obrotowego słupa lub platformy (lub wielu masztów i platform). W przeciwieństwie do paneli słonecznych, heliostaty nie pochłaniają bezpośrednio słońca; zamiast tego używają lusterek do przekierowania światła słonecznego i skierowania go na stacjonarne panele słoneczne w celu pochłonięcia.

Heliostaty są w większości kontrolowane przez komputery. Komputery te są zasilane pewnymi częściami danych (lokalizacja heliostatu, lokalizacja panelu słonecznego, godzina i data), a dane są skracane, dopóki komputer nie obliczy położenia Słońca na niebie. Gdy to zrobisz, komputer dostosuje kąt lustra, aby światło słoneczne odbiło się od niego i uderzyło w docelowy panel słoneczny.

Największą zaletą heliostatu jest to, że wiele z nich można ustawić tak, aby były skierowane na pojedynczy receptor słoneczny. Podczas gdy zwykle panel słoneczny może pokrywać tylko część światła słonecznego, układ heliostatów może radykalnie zwiększyć ilość przetwarzanego światła.

Ale nawet w przypadku heliostatów energia słoneczna ma jeszcze długą drogę, zanim będzie mogła zostać wykorzystana na szeroką skalę. Gdyby nie problem konwersja faktyczne światło słoneczne, energia słoneczna byłyby najbardziej odnawialnym, najtańszym i najbardziej zdrowym paliwem dla naszej cywilizacji. To znaczy, dopóki słońce nie wybuchnie.

Zdjęcie: Ilustracja panelu słonecznego za pośrednictwem Shutterstock, Zdjęcie panelu słonecznego za pośrednictwem Shutterstock