Нова молекула для значного збільшення потенціалу сонячної енергії

Сонце не тільки є найпоширенішим джерелом енергії, відомим людині, воно нескінченно відновлюється, доки воно все ще існує. Він продовжує генерувати вражаючу кількість енергії щодня, дощ чи сонце. Сонячну енергію можна збирати та зберігати різними способами, і використання сонячної енергії не призводить до викидів парникових газів, що може допомогти зменшити вплив зміни клімату. Через ці причини сонячну енергію все частіше вибирають як основне джерело відновлюваної енергії. Це лише питання часу, коли людство знайде способи більш ефективного використання сонячної енергії, як, наприклад, інновація, описана нижче.

Маніпулювання сонячним світлом

Існує два основних типи сонячної енергії: фотоелектрична (PV) і концентрована сонячна енергія (CSP), також відома як сонячна теплова енергія. Фотовольтаїка перетворює сонячне світло безпосередньо в електрику за допомогою сонячних елементів у сонячних панелях. Концентрована сонячна енергія використовує сонячне світло для нагрівання рідини, яка генерує пару та живить турбіну для створення енергії. В даний час PV становить 98% глобальної сонячної енергії, а CSP – це 2%.

PV і CSP відрізняються за способом їх використання, виробленою енергією та матеріалами, які використовуються для їх виготовлення. Ефективність енергії, виробленої за допомогою PV, залишається постійною залежно від розміру сонячної панелі, тобто використання меншої сонячної панелі замість більшої не збільшить швидкість виробництва енергії. Це пов’язано з компонентами балансу системи (BOS), які також використовуються в сонячних батареях, включаючи апаратне забезпечення, об’єднувальні блоки та інвертори.

З CSP більше, тим краще. Оскільки він використовує тепло від сонячних променів, чим більше сонячного світла можна зібрати, тим краще. Ця система дуже схожа на електростанції, що працюють на викопному паливі, які використовуються сьогодні. Основна відмінність полягає в тому, що CSP використовує дзеркала, які відбивають тепло від сонячного світла для нагрівання рідин (замість спалювання вугілля чи природного газу), які генерують пару для обертання турбін. Це також робить CSP добре придатним для гібридних установок, таких як газові турбіни комбінованого циклу (CCGT), які використовують сонячну енергію та природний газ для обертання турбін, виробляючи енергію. З CSP вихід енергії від вхідної сонячної енергії дає лише 16% чистої електроенергії. Виробництво енергії CCGT дає ~55% чистої електроенергії, що набагато більше, ніж CSP.

З покірного початку

Андерс Бо Сков і Могенс Брондстед Нільсен з Копенгагенського університету намагаються розробити молекулу, яка здатна збирати, зберігати та вивільняти сонячну енергію ефективніше, ніж PV або CSP. Використовуючи систему дигідроазулен/вінілгепта фульвен, скорочено DHA/VHF, пара досягла великих успіхів у своїх дослідженнях. Одна з проблем, з якою вони зіткнулися спочатку, полягала в тому, що зі збільшенням ємності молекул DHA/VHF здатність утримувати енергію протягом тривалого періоду часу зменшувалася. Могенс Брондстед Нільсен, професор кафедри хімії, сказав: «Незалежно від того, що ми робили, щоб запобігти цьому, молекули змінювали свою форму назад і вивільняли накопичену енергію лише через годину або дві. Досягнення Андерса полягало в тому, що йому вдалося подвоїти щільність енергії в молекулі, яка може зберігати свою форму протягом ста років. Зараз наша єдина проблема полягає в тому, як змусити його знову вивільняти енергію. Молекула, здається, не хоче знову змінювати свою форму».

Оскільки форма нової молекули більш стабільна, вона може довше утримувати енергію, але це також полегшує роботу. Існує теоретична межа того, скільки енергії може утримувати набір одиниць молекул, це називається щільністю енергії. Теоретично 1 кілограм (2.2 фунта) так званої «ідеальної молекули» може зберігати 1 мегаджоуль енергії, тобто вона може утримувати максимальну кількість енергії та вивільняти її за потреби. Цього приблизно достатньо енергії, щоб нагріти 3 літри (0.8 галонів) води від кімнатної температури до кипіння. Така сама кількість молекул Скова може нагріти 750 мілілітрів (3.2 кварти) від кімнатної температури до кипіння за 3 хвилини або 15 літрів (4 галони) за одну годину. Хоча молекули DHA/VHF не можуть зберігати стільки енергії, скільки здатна «ідеальна молекула», це значна кількість.

Наука про молекулу

Система DHA/VHF складається з двох молекул, DHA та VHF. Молекула DHA відповідає за зберігання сонячної енергії, а УКВ її вивільняє. Вони роблять це, змінюючи форму під впливом зовнішніх подразників, у цьому випадку сонячного світла та тепла. Коли DHA піддається впливу сонячного світла, він накопичує сонячну енергію, таким чином молекула змінює свою форму на VHF-форму. Згодом VHF збирає тепло, як тільки він зібрав достатньо, він повертається до форми DHA та вивільняє сонячну енергію.

В кінці дня

Андерс Бо Сков дуже схвильований новою молекулою, і це не без причин. Незважаючи на те, що він ще не може вивільняти енергію, Сков каже: «Коли справа доходить до зберігання сонячної енергії, найбільшу конкуренцію нам становлять літій-іонні батареї, а літій — отруйний метал. Моя молекула під час роботи не виділяє ні CO2, ні будь-яких інших хімічних сполук. Це «сонячне світло, що вимикає живлення». І коли одного разу молекула зношується, вона перетворюється на барвник, який також міститься в квітках ромашки». Мало того, що молекула використовується в процесі, який виділяє майже не парникові гази під час її використання, коли вона зрештою розкладається, вона перетворюється на інертну хімічну речовину, яка природно зустрічається в навколишньому середовищі.