โมเลกุลใหม่เพื่อเพิ่มศักยภาพของพลังงานแสงอาทิตย์อย่างมากมาย

ไม่เพียงแต่ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานที่มนุษย์รู้จักมากที่สุดเท่านั้น มันยังสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ไม่จำกัด ตราบใดที่มันยังอยู่ที่นั่น มันยังคงสร้างพลังงานในปริมาณที่น่าอัศจรรย์ในแต่ละวัน ไม่ว่าฝนจะตกหรือแดดออก พลังงานแสงอาทิตย์สามารถรวบรวมและจัดเก็บได้หลายวิธี และการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ไม่ปล่อยก๊าซเรือนกระจก ซึ่งอาจช่วยลดผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้ ด้วยเหตุผลเหล่านี้ พลังงานแสงอาทิตย์จึงกลายเป็นแหล่งหลักสำหรับพลังงานหมุนเวียน เป็นเพียงเรื่องของเวลาเท่านั้นจนกว่ามนุษยชาติจะค้นพบวิธีการใช้พลังงานแสงอาทิตย์อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เช่น นวัตกรรมที่อธิบายไว้ด้านล่าง

จัดการกับแสงแดด

พลังงานแสงอาทิตย์มีสองประเภทหลัก: เซลล์แสงอาทิตย์ (PV) และพลังงานแสงอาทิตย์แบบเข้มข้น (CSP) หรือที่เรียกว่าพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ เซลล์แสงอาทิตย์แปลงแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าโดยตรงโดยใช้เซลล์แสงอาทิตย์ในแผงเซลล์แสงอาทิตย์ พลังงานแสงอาทิตย์แบบเข้มข้นใช้แสงอาทิตย์เพื่อให้ความร้อนแก่ของไหลซึ่งสร้างไอน้ำและขับเคลื่อนกังหันเพื่อสร้างพลังงาน ปัจจุบัน PV คิดเป็น 98% ของพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลก โดย CSP เป็นส่วนที่เหลืออีก 2%

PV และ CSP แตกต่างกันไปตามวิธีการใช้งาน พลังงานที่ผลิต และวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้าง ประสิทธิภาพของพลังงานที่ผลิตด้วย PV จะคงที่ตามขนาดของแผงโซลาร์เซลล์ หมายความว่าการใช้แผงโซลาร์เซลล์ขนาดเล็กกว่าขนาดใหญ่จะไม่เพิ่มอัตราการผลิตพลังงาน นี่เป็นเพราะส่วนประกอบ Balance-of-System (BOS) ที่ใช้ในแผงโซลาร์เซลล์เช่นกัน ซึ่งรวมถึงฮาร์ดแวร์ กล่องรวม และอินเวอร์เตอร์

ด้วย CSP ยิ่งใหญ่กว่ายิ่งดี เนื่องจากใช้ความร้อนจากแสงอาทิตย์ ยิ่งสามารถรับแสงแดดได้มากเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น ระบบนี้คล้ายกับโรงไฟฟ้าเชื้อเพลิงฟอสซิลที่ใช้อยู่ในปัจจุบันมาก ข้อแตกต่างที่สำคัญคือ CSP ใช้กระจกสะท้อนความร้อนจากแสงแดดไปยังของเหลวที่ให้ความร้อน (แทนการเผาถ่านหินหรือก๊าซธรรมชาติ) ซึ่งสร้างไอน้ำเพื่อหมุนกังหัน นอกจากนี้ยังทำให้ CSP เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโรงงานแบบผสมผสาน เช่น กังหันก๊าซพลังความร้อนร่วม (CCGT) ซึ่งใช้พลังงานแสงอาทิตย์และก๊าซธรรมชาติในการหมุนกังหันเพื่อผลิตพลังงาน ด้วย CSP พลังงานที่ส่งออกจากพลังงานแสงอาทิตย์ที่เข้ามาจะให้พลังงานไฟฟ้าสุทธิเพียง 16% เอาต์พุตพลังงาน CCGT ให้พลังงานไฟฟ้าสุทธิประมาณ 55% มากกว่า CSP เพียงอย่างเดียว

จากจุดเริ่มต้นที่ต่ำต้อย

Anders Bo Skov และ Mogens Brøndsted Nielsen จากมหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกนกำลังพยายามพัฒนาโมเลกุลที่สามารถเก็บเกี่ยว จัดเก็บ และปล่อยพลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า PV หรือ CSP การใช้ระบบ dihydroazulene/vinyl hepta fulvene หรือเรียกสั้นๆ ว่า DHA/VHF ทั้งคู่มีความก้าวหน้าอย่างมากในการวิจัยของพวกเขา ปัญหาหนึ่งที่พวกเขาพบในขั้นต้นคือเมื่อความจุของโมเลกุล DHA/VHF เพิ่มขึ้น ความสามารถในการกักเก็บพลังงานในช่วงเวลาที่ขยายออกไปจึงลดลง Mogens Brøndsted Nielsen ศาสตราจารย์จาก Department of Chemistry กล่าวว่า "ไม่ว่าเราจะทำอะไรเพื่อป้องกันสิ่งนี้ โมเลกุลจะเปลี่ยนรูปร่างกลับและปลดปล่อยพลังงานที่เก็บไว้หลังจากผ่านไปเพียงหนึ่งหรือสองชั่วโมง ความสำเร็จของ Anders คือการที่เขาสามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานเป็นสองเท่าในโมเลกุลที่สามารถคงรูปร่างไว้ได้นานถึงร้อยปี ปัญหาเดียวของเราตอนนี้คือทำอย่างไรให้มันปล่อยพลังงานออกมาอีกครั้ง โมเลกุลดูเหมือนจะไม่ต้องการเปลี่ยนรูปร่างกลับไปอีก”

เนื่องจากรูปร่างของโมเลกุลใหม่มีความเสถียรมากขึ้น จึงสามารถกักเก็บพลังงานได้นานขึ้น แต่ก็ช่วยให้ทำงานได้ง่ายขึ้นด้วย มีขีดจำกัดทางทฤษฎีว่าหน่วยของโมเลกุลสามารถเก็บพลังงานได้เท่าใด ซึ่งเรียกว่าความหนาแน่นของพลังงาน ตามทฤษฎีแล้ว 1 กิโลกรัม (2.2 ปอนด์) ของสิ่งที่เรียกว่า "โมเลกุลที่สมบูรณ์แบบ" สามารถกักเก็บพลังงานได้ 1 เมกะจูล หมายความว่าสามารถกักเก็บพลังงานไว้ได้สูงสุดและปลดปล่อยออกมาตามความจำเป็น นี่เป็นพลังงานโดยประมาณที่เพียงพอในการอุ่นน้ำ 3 ลิตร (0.8 แกลลอน) จากอุณหภูมิห้องจนเดือด โมเลกุลของ Skov ในปริมาณที่เท่ากันสามารถให้ความร้อน 750 มิลลิลิตร (3.2 ควอร์ต) จากอุณหภูมิห้องจนเดือดภายใน 3 นาที หรือ 15 ลิตร (4 แกลลอน) ในหนึ่งชั่วโมง แม้ว่าโมเลกุล DHA/VHF ไม่สามารถกักเก็บพลังงานได้มากเท่าที่ "โมเลกุลที่สมบูรณ์แบบ" สามารถเก็บได้ แต่ก็เป็นปริมาณที่มีนัยสำคัญ

วิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังโมเลกุล

ระบบ DHA/VHF ประกอบด้วยสองโมเลกุล คือ DHA และ VHF โมเลกุล DHA มีหน้าที่กักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ และ VHF จะปล่อยพลังงานออกมา โดยเปลี่ยนรูปร่างเมื่อสัมผัสกับสิ่งเร้าภายนอก เช่น แสงแดดและความร้อน เมื่อ DHA สัมผัสกับแสงแดด มันจะเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ไว้ โมเลกุลจะเปลี่ยนรูปร่างเป็นรูปแบบ VHF เมื่อเวลาผ่านไป VHF จะรวบรวมความร้อน เมื่อรวบรวมได้เพียงพอก็จะเปลี่ยนกลับไปเป็นรูปแบบ DHA และปล่อยพลังงานแสงอาทิตย์ออกมา

ในตอนท้ายของวัน

Anders Bo Skov ค่อนข้างตื่นเต้นกับโมเลกุลใหม่และมีเหตุผลที่ดี แม้ว่าจะยังไม่สามารถปล่อยพลังงานได้ทั้งหมด แต่ Skov กล่าวว่า "เมื่อพูดถึงการเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ การแข่งขันที่ใหญ่ที่สุดของเรามาจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และลิเธียมเป็นโลหะที่มีพิษ โมเลกุลของฉันไม่ปล่อย CO2 หรือสารประกอบทางเคมีอื่นใดขณะทำงาน มันคือ 'แสงแดดเข้า-ออก' และเมื่อโมเลกุลเสื่อมสภาพในวันหนึ่ง มันจะสลายตัวเป็นสารแต่งสีซึ่งพบในดอกคาโมมายล์เช่นกัน” โมเลกุลไม่เพียงแค่ใช้ในกระบวนการที่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยในระหว่างการใช้งาน เมื่อในที่สุดมันก็จะย่อยสลายกลายเป็นสารเคมีเฉื่อยที่พบได้ตามธรรมชาติในสิ่งแวดล้อม