Tenaga yang boleh diperbaharui semakin berkembang. Setakat ini di 2018, 70 peratus peningkatan kuasa kapasiti global bersih adalah pembaharuan, menurut Laporan Status Global 2018 oleh REN21. Satu kelima dari tenaga dunia sudah datang dari sumber yang boleh diperbaharui - satu angka yang hanya meningkat.

Dalam peralihan ini, tenaga suria berdiri di hadapan sebagai salah satu daripada sumber tenaga boleh diperbaharui yang paling menjanjikan dan cepat.

Dalam artikel ini, kita mencatat pertumbuhan tenaga suria dan menyerlahkan usaha penyelidik universiti di seluruh dunia untuk membangunkan teknologi solar baru.

Industri mekar

Sebagai peralihan dunia kepada tenaga mampan, angka solar menjadi pusat revolusi yang boleh diperbaharui sebagai salah satu sumber tenaga utama yang akan kita gunakan untuk menguasai planet ini.

Sudah tentu, solar telah menyaksikan pertumbuhan luar biasa dalam dekad yang lalu. Di penghujung 2017, jumlah tenaga solar yang beroperasi di dunia mencapai gigawatt 405, peratus 89 yang dipasang pada tahun 7 terakhir.

Walaupun a menetapkan tarif pada panel solar yang diimport baru-baru ini yang dikenakan oleh pentadbiran Trump mengancam untuk memperlahankan pengeluaran suria AS untuk beberapa tahun akan datang, tidak ada perlambatan revolusi solar.

Lima puluh lima peratus daripada pemasangan kuasa baharu yang diperbaharui di 2018 di seluruh dunia ialah fotovoltaik solar, lebih daripada penambahan bahan api fosil dan gabungan nuklear. China mengetuai pek itu, setelah dipasang 52.8 gigawatt dalam 2017 - Lebih separuh daripada kapasiti suria baru ditambah tahun lepas. Pada suku pertama 2018, Peratus daripada 55 semua elektrik (yang termasuk bahan api fosil, sumber tenaga nuklear dan boleh diperbaharui) yang ditambahkan di AS adalah solar.

Pasaran kenaikan harga seolah-olah menunjukkan bahawa Elon Musk mungkin betul ketika dia berkata demikian kuasa suria akan menjadi sumber tenaga terbesar di dunia oleh 2031.

Tetapi masih ada kerja yang perlu dilakukan sebelum tenaga solar dapat mencapai potensi penuhnya. Universiti di seluruh dunia memberikan sumbangan penting kepada usaha untuk beralih kepada solar, sama ada dengan menyokong penyelidikan pecah tanah, membangunkan teknologi suria, atau memasang tenaga solar di kampus.

Stanford - bateri berasaskan air untuk menyimpan tenaga solar & angin

Penyelidik Universiti Stanford telah membangunkan a bateri berasaskan air murah yang boleh digunakan untuk menyimpan tenaga solar dan angin, yang berpotensi memberikan penyelesaian kepada salah satu jalan sekatan yang paling penting untuk beralih sepenuhnya kepada tenaga boleh diperbaharui.

Mereka telah membangun satu prototaip kecil yang berdiri hanya tiga inci tinggi dan hanya menghasilkan jam 20 milliwatt sederhana elektrik, tetapi mereka yakin mereka boleh skala model mereka sehingga sistem gred industri.

Bateri mangan-hidrogen berfungsi berdasarkan reaksi kimia antara air dan mangan sulfat, garam perindustrian yang murah dan berlimpah. Reaksi telah dibangunkan di makmal Yi Cui, seorang profesor sains bahan dan kejuruteraan dan penulis kanan di atas kertas.

"Apa yang telah kami buat ialah garam khas ke dalam air, jatuh ke dalam elektrod, dan menghasilkan tindak balas kimia yang boleh diterbalikkan yang menyimpan elektron dalam bentuk gas hidrogen," kata Cui dalam satu kenyataan.

Apabila kuasa dimasukkan ke dalam bateri, elektron bertindak balas dengan sulfat mangan di dalam air, menyebabkan mangan dioksida berpaut ke elektrod. Proses ini menghasilkan gas hidrogen yang dikenakan elektrik, yang boleh diubah menjadi tenaga elektrik.

Peralihan kepada kuasa solar dan angin akan memerlukan perubahan ketara dengan cara tenaga disimpan dan tersebar. Kedua sumber tenaga ini sangat berubah-ubah. Iaitu, matahari tidak selalu bersinar dan angin tidak selalu bertiup.

Ini meletakkan beban pada grid tenaga. Sekiranya terdapat peningkatan permintaan apabila matahari tidak bersinar, utiliti mesti mempunyai cara untuk menghantar sejumlah besar tenaga pada notis singkat. Biasanya, utiliti akan mempunyai loji kuasa yang dipanggil "diberhentikan" yang boleh dihidupkan dalam beberapa minit untuk menghasilkan tenaga yang cepat. Strategi ini berkesan, tetapi loji kuasa biasanya bergantung kepada bahan api fosil, jadi ia tidak betul-betul sedar iklim.

Menyimpan angin dan tenaga solar untuk digunakan pada waktu puncak dalam bateri berkapasiti tinggi menawarkan alternatif yang bersih. Pertimbangkan pilihan ini sebagai dana hujan untuk kemudahan. Apabila permintaan tinggi dan matahari rendah, utiliti hanya boleh diambil dari tenaga yang disimpan dalam bateri.

Cabarannya ialah mewujudkan bateri yang boleh dipercayai dan kos rendah. Bateri litium ion yang boleh dicas semula, seperti yang ada di telefon dan komputer riba anda, menggunakan bahan yang jarang dan terlalu mahal untuk digunakan secara besar-besaran.

"Teknologi bateri lain yang boleh dicas semula adalah lebih daripada lima kali ganda kos tersebut sepanjang masa hayat," kata Cui dalam satu kenyataan.

Bateri baru, yang terdiri daripada bahan-bahan yang murah dan berlimpah, mungkin penyelesaiannya.

Yale, Princeton, Lincoln & NASA - tenaga suria dari alga

Lama sebelum penemuan panel solar, alga telah memanfaatkan tenaga matahari. Alga - seperti semua organisme fotosintesis - telah dioptimumkan secara biologi untuk penyerapan cahaya oleh berbilion tahun evolusi.

Sekarang, satu pasukan penyelidik dari Yale University, Princeton University, Lincoln University dan NASA telah mengetahui bagaimana untuk memanfaatkan kebolehan alga fotosintesis untuk meningkatkan prestasi panel solar organik.

Kajian ini diketuai oleh André Taylor, seorang profesor kejuruteraan kimia dan alam sekitar di Yale, yang menjalankan universiti itu Makmal Transformasi Bahan dan Peranti.

Apabila sinar matahari menyerang sel solar organik, elektron dalam "lapisan aktif" mengambil tenaga dan mula menggerakkan tenaga melalui teras panel solar.

Bahan-bahan yang digunakan untuk membuat lapisan aktif sangat jarang dan mahal. Fakta ini telah membuktikan masalah bagi pemaju panel solar.

Tetapi penyelidik mendapati bahawa spesies alga yang banyak dikenali sebagai "diatom", atau "permata laut," boleh digunakan untuk meningkatkan prestasi lapisan aktif.

Mereka menyebarkan diatom di seluruh lapisan aktif sel solar, dengan berkesan mengurangkan jumlah bahan yang diperlukan untuk lapisan aktif sambil mengekalkan tahap keluaran elektrik yang sama.

"Kami mampu melihat kepekatan yang betul dan berapa banyak bahan yang kami perlukan untuk dimasukkan ke dalam sel solar kami untuk mendapatkan peningkatan," kata Lyndsey McMillon-Brown, seorang pelajar doktor di makmal Taylor dan penulis utama kajian itu. kenyataan. "Ia sangat bermanfaat kerana bahan lapisan aktif yang kami gunakan adalah mahal dan sangat jarang berlaku."

Memandangkan mereka terus membangunkan teknologi mereka, para penyelidik sedang bereksperimen dengan pelbagai alga dalam harapan untuk mengoptimumkan prestasi panel solar mereka.

"Kami berharap kerja ini akan memberikan lebih banyak peluang untuk memanfaatkan reka bentuk biomimikri atau bio-inspirasi untuk menyelesaikan masalah kejuruteraan," kata McMillon-Brown.

"Alam telah membangunkan banyak penyelesaian yang dapat digunakan untuk menangani banyak masalah kejuruteraan kami - kita hanya perlu belajar cara menyesuaikan diri dan menerapkannya."

Michigan State - panel solar telus

Sekumpulan jurutera Universiti Negeri Michigan berpendapat bahawa panel solar yang telus, yang kelihatan sama dengan batu kaca, boleh merevolusikan penjanaan tenaga.

Dalam 2014, penyelidik MSU membangunkan jenis penumpu solar baru yang mampu mengumpul cahaya yang tidak kelihatan dari matahari dan untuk penukaran menjadi tenaga yang boleh digunakan. Panel benar-benar telus, jadi ia boleh diletakkan di atas pelbagai permukaan kaca - dari tingkap ke telefon bimbit.

In kertas yang lebih baru, para saintis melaporkan bahawa teknologi, sekali lagi dioptimumkan, dapat membuka banyak peluang baru untuk penuaian tenaga suria.

"Sel suria yang sangat telus mewakili gelombang masa depan untuk aplikasi solar baru," Richard Lunt, Johansen Crosby Profesor Madya Kejuruteraan Kimia dan Sains Bahan di MSU, dalam satu kenyataan.

"Kami menganalisis potensi mereka dan menunjukkan bahawa dengan menuai hanya cahaya yang tidak dapat dilihat, peranti ini dapat memberikan potensi generasi elektrik yang sama seperti solar di bumbung sementara menyediakan fungsi tambahan untuk meningkatkan kecekapan bangunan, kereta, dan elektronik mudah alih."

Para penyelidik menyedari bahawa ada anggaran 5 bilion untuk 7 bilion meter persegi permukaan kaca di AS Jika semua kaca itu dilindungi oleh panel solar yang telus, kita boleh mengeluarkan peratus 40 permintaan tenaga AS dari sumber itu sahaja.

Anggaran potensi panel suria bumbung bumbung juga kira-kira peratus 40. Para penyelidik mencadangkan bahawa sel-sel telus boleh digunakan bersamaan dengan panel solar bumbung.

"Penggunaan percuma kedua-dua teknologi itu," kata Lunt dalam satu kenyataan, "boleh membawa kita hampir kepada 100 peratus permintaan kita jika kita juga meningkatkan storan tenaga."

Pada masa ini, sel solar telus masih jauh lebih cekap daripada panel solar tradisional. Mereka mencatatkan kecekapan melebihi peratus 5, berbanding dengan 15 hingga 18 peratus bagi kebanyakan panel solar tradisional.

Bagaimanapun, Lunt berkata bahawa mereka boleh datang sekurang-kurangnya hampir sama dengan panel solar tradisional dengan lebih banyak pembangunan. Beliau menegaskan bahawa panel solar telus masih merupakan teknologi yang sangat baru dan hanya kira-kira sepertiga potensi keseluruhan realistik mereka pada masa ini.

"Itulah yang kita sedang berusaha ke arah," kata Lunt dalam satu kenyataan.

"Aplikasi solar tradisional telah diteliti secara aktif selama lebih dari lima dekad, namun kami hanya mengusahakan sel surya yang sangat telus ini selama kira-kira lima tahun. Akhirnya, teknologi ini merupakan laluan yang menjanjikan kepada penggunaan suria yang tidak mahal dan luas di permukaan yang kecil dan besar yang sebelum ini tidak boleh diakses.

University of Maryland - "rumah sebagai kit bahagian" yang mampan

Pasukan pelajar dari University of Maryland diletakkan pertama di AS dan kedua di dunia di US Decathlon Solar Decathlon 2017, kerana kemasukan prototaipnya yang cekap tenaga, rumah berkuasa solar, dinamakan Teknologi Iklim Adaptif yang tahan lasak (reACT).

Decathlon ini merupakan persaingan antarabangsa tahunan yang mencabar pasukan dari seluruh dunia untuk merekabentuk sebuah rumah bertenaga suria bersaiz penuh.

Prototaip yang direka oleh pasukan UMD digambarkan sebagai "rumah sebagai kit bahagian." Ia terdiri daripada lima modul yang boleh disesuaikan yang berpusat di sekitar halaman dalaman.

Halaman ini berfungsi sebagai pusat tumpuan rumah. Ia berfungsi sebagai sunroom yang selesa serta pengumpul suria yang luas untuk memanaskan udara dan air.

Rumah itu juga termasuk pedalaman panel dengan sistem hidup berasingan dari strukturnya, memberikan pemilik kemampuan untuk menyesuaikan rumah dengan keperluan dan keinginan mereka. Ia beroperasi dengan sempurna sepenuhnya dan termasuk sistem yang menangkap bahan buangan, air dan tenaga.

 

Para penyelidik mengatakan bahawa reACT direka bentuk untuk selaras dengan alam semula jadi.

"Penyelesaian reka bentuk bersepadu dan holistik telah dicari di banyak tempat yang mungkin untuk membina rumah selaras dengan alam semula jadi di mana tiada organik yang sia-sia," kata Chris Cestello Hinojosa, penolong pengarah komunikasi dan hubungan luar untuk Sekolah Senibina, Perancangan dan pemeliharaan.

"Kami berasaskan reka bentuk kami mengenai falsafah Biophilia dan regenerasi; yang mencari penggunaan produk 'sisa' satu proses yang boleh berfungsi sebagai sumber untuk yang lain. "

UC – Irvine, Caltech & Carnegie Institution for Science - sumber tenaga AS dari angin dan solar

Satu kajian bersama oleh para penyelidik dari University of California-Irvine, California Institute of Technology dan Carnegie Institution for Science mendapati bahawa dengan pelaburan utama, Amerika Syarikat boleh pasti sumber 80 peratus daripada permintaan elektriknya dari angin dan tenaga solar sahaja.

Penyelidikan ini membantu menghilangkan keprihatinan bahawa kuasa solar dan angin terlalu tidak boleh dipercayai kerana ia bergantung kepada cuaca, yang bersifat berubah-ubah.

"Matahari terbenam, dan angin tidak selalu meniup," Steven Davis, seorang profesor sains sistem bumi di UCI dan pengarang bersama kajian itu, dalam satu kenyataan. "Jika kita mahukan sistem kuasa yang boleh dipercayai berdasarkan sumber-sumber ini, bagaimanakah kita menangani perubahan harian dan bermusim?"

Para penyelidik menganalisis 36 tahun (1980-2015) data cuaca AS setiap jam dalam usaha untuk memahami betapa pentingnya variasi matahari dan angin akan memberi kesan keandalan kedua-dua sumber tersebut.

"Bilangan persentase 80 bervariasi kepada kebolehubahan semula jadi di matahari dan angin," kata Davis. "Jika kita mahu mendapatkan lebih daripada 80 peratus kuasa kita dari kedua-dua sumber tersebut, jumlah penyimpanan tenaga yang diperlukan atau kapasiti penjanaan tenaga solar dan angin meningkat dengan ketara."

Untuk mencapai tanda persen 80, AS perlu membuat pelaburan yang besar dalam setiap aspek tenaga solar dan angin supaya kita dapat menangkap tenaga tetapi, yang lebih penting, mempunyai rizab yang cukup besar untuk menahan variasi cuaca.

"Analisis itu mengandaikan kami akan membina banyak panel solar dan turbin angin untuk memanfaatkan sumber-sumber tersebut," kata Davis.

"Tetapi untuk mendapatkan peratus 80 juga akan memerlukan peningkatan besar dalam penyimpanan tenaga sama ada atau keupayaan kami untuk mengalihkan elektrik di seluruh negara melalui talian penghantaran."

Pelaburan ini termasuk pembinaan rangkaian transmisi benua atau kemudahan yang boleh menyimpan tenaga jam 12 untuk seluruh negara. Projek sedemikian boleh menelan belanja ratusan bilion dolar - jika tidak triliun - dalam dolar hari ini, tetapi penurunan harga dapat menjadikannya lebih layak di masa depan.

Suntikan 100 peratus tenaga kita dari angin dan solar kurang berkemungkinan. Kos meningkat dengan ketara melepasi ambang peratus 80. Ini memerlukan pembinaan dua kali ganda panel solar dan turbin angin atau mempunyai simpanan beberapa minggu.

Ini menunjukkan bahawa kita perlu menambah suria dan angin dengan sumber tenaga lain, yang boleh merangkumi kedua-dua pilihan boleh diperbaharui, seperti kuasa hidro atau sumber yang tidak boleh diperbaharui seperti nuklear.

Bagaimanapun, keputusan kajian itu dapat dilihat dengan baik untuk masa depan tenaga boleh diperbaharui.

"Fakta bahawa kita boleh mendapatkan 80 peratus kuasa kita dari angin dan solar sahaja sangat menggalakkan," kata Davis dalam satu kenyataan.

"Lima tahun yang lalu, ramai orang meragui bahawa sumber-sumber ini boleh mencatat lebih daripada 20 atau 30 peratus."

Jadi, di manakah ini meninggalkan kita?

Masih terdapat sejumlah besar kerja yang perlu dilakukan. Setakat ini, kita sedang berusaha mundur dalam usaha memerangi perubahan iklim. Kami telah pun digunakan sumber semula jadi kami untuk tahun ini, dan kesan perubahan iklim menjadi semakin meningkat sentiasa jelas dan lebih berbahaya.

Walau bagaimanapun, kemajuan yang ketara dalam solar mungkin menawarkan jalan keluar - atau sekurang-kurangnya satu cara untuk peralihan dengan mudah kepada tenaga boleh diperbaharui pada tahun-tahun akan datang. Dalam 2017, hanya 1.3 peratus tenaga AS berasal dari solar. Dengan pelaburan berterusan ke dalam dan pembangunan teknologi solar, jumlah itu pasti akan meningkat pada tahun-tahun akan datang.

Di sana tidak mustahil tanpa usaha perintis penyelidik universiti di seluruh dunia.