Наш основной источник чистой, обильной энергии - солнце.
Солнце накапливает 120 000 ТВт излучения на поверхности Земли, что намного превышает потребности человека даже при самых агрессивных сценариях спроса на энергию. Солнце является природным источником энергии Земли, стимулирующим циркуляцию глобальных ветровых и океанических течений, цикл испарения и конденсации воды, который создает реки и озера, а также биологические циклы фотосинтеза и жизни.
Покрытие 0,16% территории Земли 10-процентными эффективными системами преобразования солнечной энергии обеспечит 20 ТВт электроэнергии, что почти в два раза превышает мировой уровень потребления ископаемого топлива и эквивалентно 20 000 атомных электростанций мощностью 1 ГВт. Эти сравнения иллюстрируют впечатляющие масштабы солнечных ресурсов, которые обеспечивают поток энергии, намного более мощный, чем та, которую может обеспечить современная человеческая технология. Все маршруты использования солнечной энергии используют функциональные этапы улавливания, преобразования и хранения.
Энергия Солнца поступает на Землю в виде излучения, распределенного по цветовому спектру от инфракрасного до ультрафиолетового. Энергия этого излучения должна быть захвачена в виде пар возбужденных электронных дырок в полупроводнике, красителе или хромофоре, или в виде тепла в теплоаккумулирующей среде. Возбужденные электроны и отверстия могут быть отключены для немедленного преобразования в электрическую энергию или переданы в биологические или химические молекулы для преобразования в топливо. Природный фотосинтез производит топливо в виде сахара и других углеводов, получаемое в результате сокращения выбросов CO2 в атмосферу и используемое для обеспечения роста растений. Сами установки становятся доступными в качестве биомассы для сжигания в качестве первичного топлива или для преобразования в реакторах во вторичное топливо, такое как жидкий этанол или газообразный монооксид углерода, метан и водород.
Сейчас мы учимся имитировать естественный фотосинтетический процесс в лаборатории, используя искусственные молекулярные сборки, в которых возбужденные электроны и отверстия могут вызвать химические реакции для производства топлива, связанного с нашими существующими энергетическими сетями. Атмосферный CO2 может быть уменьшен до этанола или метана, или вода может быть разделена для получения водорода.
Эти виды топлива являются носителями солнечной энергии, соединяющими естественные циклы солнечной радиации день-ночь, зима-лето и облачно-солнечный свет.
Помимо путей электрического и химического преобразования солнечное излучение может быть преобразовано в тепловую энергию. Солнечные концентраторы фокусируют солнечный свет, собранный на большой площади, на линию или точку, где тепло собирается в поглотителе. Для ускорения химических реакций могут создаваться температуры до 3000°C, или тепло может собираться при более низких температурах и передаваться в теплоаккумулирующую среду, такую как вода, для отопления распределенного пространства или пар для управления двигателем.
Эффективное накопление солнечной энергии в виде тепла требует создания теплоаккумулирующей среды, которая эффективно аккумулирует тепло в солнечные периоды и медленно выделяет тепло в темное или пасмурное время суток.
Тепло является одним из самых универсальных видов энергии, общим звеном почти во всех наших энергетических сетях. Солнечное преобразование тепла может заменить большую часть тепла, поставляемого в настоящее время ископаемым топливом. Хотя многие маршруты используют солнечную энергию для производства электроэнергии, топлива и тепла, ни один из них в настоящее время не может конкурировать с ископаемыми видами топлива по стоимости, надежности и производительности. Солнечная электроэнергия от фотоэлектричества стоит слишком дорого, в 5-10 раз, чтобы конкурировать с ископаемым топливом, и слишком дорого в 25-50 раз.
Солнечные виды топлива в виде биомассы производят электричество и тепло по ценам, которые находятся в пределах диапазона ископаемых видов топлива, но их производственные мощности ограничены. Низкая эффективность, с которой они преобразуют солнечный свет в накопленную энергию, обуславливает необходимость больших земельных площадей. Для производства всего 13 ТВт энергии, потребляемой планетой, почти все пахотные земли на Земле должны быть засеяны коммутационными травами, самыми быстрорастущими энергетическими культурами. Искусственные фотосинтетические системы являются перспективными путями преобразования солнечной энергии в топливо, но они все еще находятся на стадии лабораторных исследований, где изучаются принципы их сборки и функционирования.
В настоящее время солнечные тепловые системы обеспечивают самую низкую стоимость солнечной энергии в мире, но требуют больших площадей в солнечном поясе и прорывов в области материалов, чтобы стать экономически конкурентоспособными с ископаемыми энергоносителями в качестве основного источника энергии.
Хотя солнечная энергия имеет огромные перспективы в качестве чистого, обильного и экономичного источника энергии, она представляет огромные фундаментальные исследовательские задачи в области проектирования материалов и понимания электронной и молекулярной основы улавливания, преобразования и хранения до того, как эти задачи будут выполнены.