În secolul 21, energia solară a devenit deja parte a vieții de zi cu zi. De la piscine cu încălzire solară până la case alimentate de soare, există multe exemple care demonstrează aplicarea utilă a puterii curate, sigure și durabile a soarelui. Pe măsură ce îngrijorarea crește cu privire la efectele arderii combustibililor fosili și la posibilitatea epuizării surselor de energie neregenerabile, viitorul energiei solare pare strălucitor. Începând cu 2013, tehnologia nu este lipsită de probleme și, până acum, aplicațiile au fost în mare parte la scară relativ mică, dar se desfășoară o mare parte de cercetări în acest domeniu și au existat o serie de dezvoltări foarte promițătoare.
Valorificarea energiei solare
Soarele este potențial o sursă uriașă de energie regenerabilă, curată. Unii estimează că lumina soarelui ar putea produce de 10,000 de ori mai multă energie decât a folosit Pământul la începutul secolului al XXI-lea. Există, totuși, provocări tehnologice majore care trebuie îndeplinite în valorificarea eficientă a acestei energii. Există o serie de tehnologii diferite disponibile și în curs de dezvoltare care folosesc lumina soarelui pentru a furniza energie.
Lumina soarelui poate fi folosită pur și simplu pentru a încălzi apa, care este apoi folosită pentru a asigura încălzirea centrală a caselor. Alternativ, poate fi folosit pentru a genera energie electrică folosind celule fotovoltaice (PV) dispuse pe panouri solare. O a treia metodă este de a concentra lumina soarelui pe o țintă pentru a genera căldură, care poate fi utilizată direct în scopuri industriale sau pentru a furniza energie electrică.
Panouri solare
Aceste panouri se bazează pe efectul fotoelectric, în care anumite substanțe produc un curent electric mic atunci când sunt expuse la lumină. Celulele fotovoltaice sunt construite pentru a exploata acest efect, iar panourile solare constau din matrice mari de aceste dispozitive poziționate pentru a primi cât mai multă lumină solară. Împreună, ele pot genera cantități semnificative de energie electrică. Deși, din 2013, sunt relativ ineficiente, în mod normal au costuri de funcționare și întreținere foarte mici și pot fi foarte eficiente în furnizarea de energie pentru case. Au loc multe cercetări pentru îmbunătățirea eficienței și construirea de celule din materiale mai ieftine.
Majoritatea panourilor solare constau din celule fotovoltaice cu siliciu cristalin, care sunt eficiente cu 14-16% în transformarea razelor solare în energie electrică. O serie de alternative sunt însă în curs de investigare. Celulele cu peliculă subțire pot fi realizate dintr-o varietate de materiale. Deși acestea sunt în prezent mai puțin eficiente decât celulele fotovoltaice standard, sunt ușoare, flexibile și mai ieftin de fabricat. Celulele multijoncționale pot atinge o eficiență de peste 43%. Ele sunt structurate astfel încât diferite părți ale celulei să fie reglate pentru a capta lumina soarelui la anumite intervale de lungimi de undă, mai degrabă decât să aibă un singur receptor care pierde o parte din energia disponibilă.
O altă zonă promițătoare este celula solară sensibilizată cu colorant (DSSC), numită uneori celula Gratzel, după Michael Gratzel, care a dezvoltat-o pentru prima dată în anii 1990. Acestea folosesc un colorant pentru a capta energia solară și a produce un flux de electroni, care sunt completați printr-un strat de electrolit lichid dedesubt. Deși potențial ieftin de produs, acestea sunt doar aproximativ 12% eficiente și există probleme cu durabilitatea care pot afecta utilizarea comercială. De exemplu, lichidul poate îngheța în condiții de frig sau se poate dilata când este cald și se poate scurge. Cercetătorii au dezvoltat o versiune a celulei în care electrolitul lichid supărător este înlocuit cu un material solid, deschizând calea pentru panouri solare ieftine și durabile.
Pe lângă dezvoltarea de celule fotovoltaice mai ieftine și mai eficiente, o parte importantă a viitorului energiei solare constă în construcția de clădiri noi și modernizarea multor clădiri mai vechi. Unii experți prevăd că majoritatea, dacă nu toate, clădirile noi vor avea panouri solare instalate pe acoperișuri. Deoarece acestea sunt, de asemenea, ușor de montat, multe clădiri mai vechi pot primi upgrade pentru a funcționa cu energie de la Soare. Experții și ecologistii speră că clădirile cu energie verde vor fi încurajate de guverne prin stimulente fiscale generoase, scutiri și granturi pentru utilizarea energiei alternative.
Panourile solare de pe acoperiș pot, în unele zone, să asigure toate sau majoritatea nevoilor de energie ale unei case. În cazurile în care oamenii locuiesc în spații cu mai multe etaje, totuși, spațiul pe acoperiș este foarte mic în comparație cu numărul de locuințe. În timp ce aplicațiile mici, individuale, pot elimina o parte din tensiunea de pe rețeaua electrică, dacă Soarele dorește să asigure nevoile de energie ale orașelor și industriilor, viitorul său trebuie să se afle în stațiile mari de generare a energiei electrice cu energie solară.
Cea mai mare problemă cu care se confruntă valorificarea energiei solare folosind celule fotovoltaice este spațiul necesar pentru construirea centralelor electrice. O centrală este formată din mii de panouri solare, nu spre deosebire de cele instalate în prezent pe casele cu energie alternativă. Din acest motiv, necesită o zonă constant însorită și un spațiu considerabil. În prezent, una dintre cele mai mari centrale electrice din lume acoperă mai mult de 10 mile pătrate (16.9 km2) și creează suficientă energie electrică pentru a conduce aproximativ 200,000 de case. Unii experți sugerează că, pentru a furniza energie pentru întreaga SUA, ar fi necesară o zonă de aproximativ 100 mile (160.9 km) pe parte, probabil undeva în climatul deșert din sud-vestul american.
Alternative la panourile solare
Există o serie de alte posibilități pentru valorificarea pe scară largă a puterii Soarelui. Un exemplu este tehnologia concentrarii energiei solare (CSP). În loc să genereze electricitate direct, acestea concentrează lumina soarelui pentru a încălzi apa, furnizând abur pentru a conduce o turbină care produce electricitate la fel ca o centrală electrică convențională. Ele pot consta din rețele de oglinzi parabolice care concentrează lumina soarelui pe un tub liniar umplut cu lichid. Alternativ, căldura de la Soare poate fi focalizată de o oglindă parabolică pentru a încălzi un fluid care antrenează un motor Stirling, care furnizează energia mecanică pentru generarea de electricitate.
Un alt sistem dovedit este „turnul de putere”, în care o serie de oglinzi plate care urmăresc soarele concentrează căldura de la Soare pe un recipient cu lichid care este folosit pentru a furniza abur unui generator. O serie de centrale sunt în funcțiune, producând 10-20 megawați de energie electrică. Viitoarele centrale pot furniza până la 200 de megawați.
Viitorul
O tendință încurajatoare legată de viitorul energiei solare este că mulți dintre cei mai mari inovatori ai lumii aleg să-și concentreze talentele și fondurile pe îmbunătățirea tehnologiei energetice alternative. Multe scheme de premii – finanțate de diferite guverne din întreaga lume – se concentrează pe furnizarea energiei solare în mod economic și pe scară largă. În multe țări, cetățenilor li se oferă stimulente financiare pentru a trece la surse de energie „verzi” și pentru a-și instala propriile panouri solare.
Deși, începând cu 2013, există multe semne încurajatoare că guvernele recunosc nevoia de surse alternative de energie și promovează cercetarea în domeniul energiei solare, răspunsul se află parțial în mâinile cetățenilor lumii. Ceea ce cetățenii obișnuiți aleg să cumpere și să susțină va influența tendințele viitorului. Instalând panouri solare, donând organizațiilor de cercetare implicate în energii alternative, luând o diplomă universitară într-o materie conexă și votând măsuri care promovează dezvoltarea energiei alternative, oricine poate avea un cuvânt de spus despre viitorul energiei solare.