V 21. stoletju je sončna energija že postala del vsakdanjega življenja. Od solarno ogrevanih bazenov do domov na soncu, obstaja veliko primerov, ki dokazujejo uporabno uporabo čiste, varne in trajnostne moči sonca. Ker se povečuje zaskrbljenost zaradi učinkov sežiganja fosilnih goriv in možnosti izčrpavanja neobnovljivih virov energije, je prihodnost sončne energije svetla. Od leta 2013 tehnologija ni brez težav in doslej so bile aplikacije večinoma sorazmerno majhnega obsega, vendar se na tem področju izvaja veliko raziskav in veliko obetavnih razvojev.
Izkoriščanje sončne energije
Sonce je potencialno velik vir obnovljive, čiste energije. Nekateri ocenjujejo, da bi sončna svetloba lahko proizvedla 10,000-krat več energije, kot jo je Zemlja porabila na prelomu 21. stoletja. Vendar pa so pri učinkovitem izkoriščanju te energije potrebni veliki tehnološki izzivi. Na voljo je več različnih tehnologij, ki so v razvoju, ki uporabljajo sončno svetlobo za zagotavljanje energije.
Sončno svetlobo je mogoče preprosto uporabiti za ogrevanje vode, ki se nato uporablja za centralno ogrevanje domov. Alternativno se lahko uporablja za proizvodnjo električne energije s fotovoltaičnimi (PV) celicami, razporejenimi na sončnih panelih. Tretja metoda je koncentriranje sončne svetlobe na cilj za ustvarjanje toplote, ki se lahko uporablja neposredno za industrijske namene ali za zagotavljanje električne energije.
Sončni kolektorji
Te plošče se zanašajo na fotoelektrični učinek, kjer določene snovi proizvajajo majhen električni tok, ko so izpostavljene svetlobi. Fotovoltaične celice so izdelane tako, da izkoristijo ta učinek, sončne celice pa so sestavljene iz velikih nizov teh naprav, ki so nameščene tako, da sprejmejo čim več sončne svetlobe. Skupaj lahko proizvedejo znatne količine električne energije. Čeprav so od leta 2013 razmeroma neučinkoviti, imajo običajno zelo nizke stroške delovanja in vzdrževanja ter so lahko zelo učinkoviti pri zagotavljanju električne energije za domove. Veliko raziskav se izvaja na področju izboljšanja učinkovitosti in gradnje celic iz cenejših materialov.
Večina sončnih panelov je sestavljena iz kristalnih silicijevih fotonapetostnih celic, ki so 14-16% učinkovite pri pretvarjanju sončne svetlobe v električno energijo. Številne alternative pa so v preiskavi. Tankoplastne celice so lahko izdelane iz različnih materialov. Čeprav so te trenutno manj učinkovite od standardnih fotonapetostnih celic, so lahke, prilagodljive in cenejše za izdelavo. Večstične celice lahko dosežejo učinkovitost več kot 43%. Strukturirani so tako, da so različni deli celice nastavljeni tako, da zajemajo sončno svetlobo na določenih valovnih dolžinah, namesto da imajo en sam receptor, ki zamudi del razpoložljive energije.
Drugo obetavno področje je sončna celica, občutljiva na barvilo (DSSC), včasih imenovana celica Gratzel, po Michaelu Gratzlu, ki jo je prvi razvil v 1990-ih. Ti uporabljajo barvilo za zajemanje sončne energije in proizvajajo tok elektronov, ki se napolnijo s plastjo tekočega elektrolita spodaj. Čeprav so potencialno poceni za proizvodnjo, so učinkoviti le približno 12 % in obstajajo težave z vzdržljivostjo, ki lahko vplivajo na komercialno uporabo. Tekočina lahko na primer zamrzne v hladnih razmerah ali se razširi, ko je topla, in lahko pušča. Raziskovalci so razvili različico celice, v kateri je moteč tekoči elektrolit nadomeščen s trdnim materialom, kar odpira pot za poceni in vzdržljive sončne celice.
Poleg razvoja cenejših in učinkovitejših fotovoltaičnih celic je pomemben del prihodnosti sončne energije v gradnji novih stavb in naknadni opremi številnih starejših. Nekateri strokovnjaki napovedujejo, da bo imela večina, če ne vse novogradnje sončne celice nameščene na strehah. Ker so tudi te enostavno nameščene, bodo lahko številne starejše zgradbe prejele nadgradnje, ki bodo delovale na sončno energijo. Strokovnjaki in okoljevarstveniki upajo, da bodo vlade spodbujale gradnjo zelene energije z izdatnimi davčnimi spodbudami, oprostitvami in nepovratnimi sredstvi za alternativno rabo energije.
Sončni paneli na strehi lahko na nekaterih območjih zagotovijo vse ali večino energetskih potreb doma. V primerih, ko ljudje živijo v večnadstropnih stanovanjih, pa je količina strešnega prostora v primerjavi s številom domov zelo majhna. Medtem ko lahko majhne, individualne aplikacije odstranijo del obremenitve električnega omrežja, mora Sonce, če želi zagotoviti potrebe po energiji mest in industrij, njegova prihodnost leži v velikih postajah za proizvodnjo električne energije na sončno energijo.
Največji problem, s katerim se sooča izkoriščanje sončne energije z uporabo fotonapetostnih celic, je prostor, potreben za izgradnjo elektrarn. Obrat je sestavljen iz na tisoče sončnih kolektorjev, ki niso v nasprotju s tistimi, ki so trenutno nameščene na domovih z alternativno energijo. Zaradi tega potrebujejo stalno sončno območje in veliko prostora. Trenutno ena največjih elektrarn na svetu pokriva več kot 10 kvadratnih milj (16.9 km2) in ustvari dovolj električne energije za oskrbo okoli 200,000 domov. Nekateri strokovnjaki menijo, da bi bilo za oskrbo z električno energijo za celotne Združene države potrebno območje približno 100 milj (160.9 km) na stran, verjetno nekje v puščavskem podnebju ameriškega jugozahoda.
Alternative sončnim panelom
Obstajajo številne druge možnosti za obsežno izkoriščanje sončne moči. En primer je tehnologija koncentriranja sončne energije (CSP). Namesto da neposredno proizvajajo električno energijo, ti koncentrirajo sončno svetlobo za ogrevanje vode in zagotavljajo paro za pogon turbine, ki proizvaja električno energijo tako kot običajna elektrarna. Lahko so sestavljeni iz nizov paraboličnih ogledal, ki usmerjajo sončno svetlobo na linearno cev, napolnjeno s tekočino. Druga možnost je, da se sončna toplota usmeri s paraboličnim ogledalom za segrevanje tekočine, ki poganja Stirlingov motor, ki zagotavlja mehansko energijo za proizvodnjo električne energije.
Drug preizkušen sistem je “električni stolp”, v katerem vrsta ravnih ogledal, ki sledijo soncu, usmerja sončno toploto na posodo s tekočino, ki se uporablja za zagotavljanje pare za generator. Delujejo številne elektrarne, ki proizvajajo 10-20 megavatov električne energije. Prihodnje elektrarne lahko proizvedejo do 200 megavatov.
Prihodnost
Eden od spodbudnih trendov v zvezi s prihodnostjo sončne energije je, da se mnogi največji svetovni inovatorji odločajo, da bodo svoje talente in sredstva usmerili v izboljšanje tehnologije alternativne energije. Številne nagradne sheme, ki jih financirajo različne vlade po vsem svetu, se osredotočajo na gospodarno in v velikem obsegu zagotavljanje sončne energije. V mnogih državah so državljani deležni finančnih spodbud za prehod na “zelene” vire energije in namestitev lastnih sončnih kolektorjev.
Čeprav je od leta 2013 veliko spodbudnih znakov, da vlade priznavajo potrebo po alternativnih virih energije in spodbujajo raziskave sončne energije, je odgovor delno v rokah državljanov sveta. Kaj se navadni državljani odločijo kupiti in podpreti, bo vplivalo na trende prihodnosti. Z namestitvijo sončnih kolektorjev, doniranjem raziskovalnim organizacijam, ki se ukvarjajo z alternativnimi energijami, pridobitvijo univerzitetne izobrazbe iz sorodnega predmeta in glasovanjem za ukrepe, ki spodbujajo razvoj alternativne energije, lahko kdorkoli pove o prihodnosti sončne energije.