Yöaurinko – Kuinka termoradiatiiviset diodit saattavat pian poistaa akkujen tarpeen

Yksi runsaimmista ja luonnollisimmista energialähteistämme on aurinkoenergia. Joka päivä aurinko nousee ja paistaa valoa meille, tarjoten lämpöä ja sähköä.

Jopa eristyneet, syrjäiset ja maaseutualueet voivat hyödyntää tätä energialähdettä, koska suurin osa planeetastamme saa jonkin verran auringonvaloa. Ei edes tarvitse käyttää suurta osaa tästä ehtymättömästä lähteestä; alle 10 % aurinkoenergiasta riittää auttamaan meitä täyttämään globaalit energiatarpeet.

Uusiutuvana energialähteenä se ei aiheuta haitallisia kasvihuonekaasupäästöjä ja soveltuu hyvin sähköverkkoon ja akkuihin.

Auringonvalon käyttö ei ole täysin uutta. Ihmiset käyttivät auringonvaloa jo 700‑luvun eaa. sytyttääkseen tulia heijastamalla auringon säteitä kiiltävien esineiden avulla.

Kuitenkin teknologinen kehitys on tehnyt auringonvalon keräämisestä sähköksi ja sen myöhemmästä varastoinnista erittäin tehokasta.

Aurinkoteknologiat keräävät sähkömagneettista säteilyä, eli auringon tuottamaa valoa, ja muuntavat sen hyödyllisiksi energiamuodoiksi. Kaksi pääasiallista aurinkoenergia‑tekniikkaa ovat fotovoltaattiset (PV) järjestelmät, joita käytetään aurinkopaneeleissa, sekä keskittyvä aurinkolämpöenergia (CSP).

Aurinkopaneelit ovat tällä hetkellä suosituin tapa tuottaa sähköä aurinkoenergiasta. PV‑paneelien käyttöikä on 20–25 vuotta, ja asennuksen jälkeen vaaditaan vain vähäistä huoltoa, kuten satunnaista puhdistusta.

Ne valmistetaan yleensä puolijohteesta, kuten piistä; kun materiaali altistuu auringon fotoneille, se vapauttaa elektroneja ja tuottaa sähkövarauksen. Tämä varaus luo sähkövirran, jonka aurinkopaneelit keräävät, ja invertteri muuntaa sen vaihtovirraksi (AC), jota käytetään laitteidesi virransyöttöön.

Fotovoltaattinen (PV) ilmiö löydettiin itse asiassa jo 1800‑luvun 1830‑vuosina, kun ranskalainen fyysikko Edmond Becquerel kokeili metallielektrodeista koostuvaa kennoa johtavassa liuoksessa ja havaitsi, että kenno tuotti enemmän sähköä valon vaikutuksesta.

Vuonna 1954 PV‑teknologia syntyi piipohjaisen PV‑kennon kehittämisen myötä, joka pystyi absorboimaan ja muuntamaan auringon energian sähköksi jokapäiväisten laitteiden käyttöön.

Nykyään aurinkoenergiaratkaisut on integroitu paitsi koteihin ja yrityksiin, myös ne ovat muodostaneet tärkeän osan uusiutuvien energialähteiden sekoitusta energian toimittamiseksi.

Aurinkoenergiassa on todellisuudessa potentiaalia merkittävästi vähentää sähkönkulutusta, tuottaa varavoimaa yhdistämällä sen varastointiin, edistää kestävää sähköverkkoa, toimia sekä pienessä että suuressa mittakaavassa samankaltaisella tehokkuudella sekä luoda työpaikkoja ja vauhdittaa talouskasvua.

Samaan aikaan kustannusten osalta, ilmiselvien laitteistokustannusten lisäksi on myös pehmeitä kustannuksia, kuten lupamenettelyt, rahoitus ja aurinkojärjestelmien asennus, sekä muut toiminnalliset kulut, jotka vaikuttavat aurinkoenergian hintaan.

Vaikka aurinkoenergiassa on valtavat hyödyt, haasteena on sen epäsäännöllisyys. Auringonvalon määrä vaihtelee ajan, sijainnin ja vuodenajan mukaan.

Esimerkiksi fotovoltaattiset järjestelmät tuottavat energiaa pääasiassa päivän keskellä, kun aurinko on kirkkaimmillaan. Vaikka tehokkaammat ja luotettavammat varastointijärjestelmät ovat mahdollistaneet energian käytön koko päivän, myös yöllä tai pilvisinä aikoina, tutkijat etsivät vielä parempia vaihtoehtoja.

Vuonna 2022 New South Walesin yliopiston (UNSW) tutkijat tekivät merkittävän läpimurron tällä alalla, mikä mahdollisti heidän tuottaa sähköä aurinkoenergiasta myös yöllä. Tätä tekniikkaa viedään nyt avaruuteen.

Yöaurinkoenergia

Kaksi vuotta sitten, toukokuussa, UNSW‑tiimi teki tämän merkittävän läpimurron uusiutuvan energian teknologiassa tuottamalla sähköä aurinkoenergiasta yöllä.

Koulun Photovoltaic and Renewable Energy Engineering (SPREE) tutkijatiimi tuotti sähköä maapallon lämmöstä, joka säteilee infrapunasäteilynä (IL), aivan kuten se viilenee yöllä säteilemällä avaruuteen.

Tätä varten tiimi loi puolijohdekomponentin, jota kutsutaan termoradiatiiviseksi diodiksi. Diodi on puolijohde, joka sallii virran kulkea yhteen suuntaan ja estää sen toisessa. Ne muuntavat vaihtovirran (AC) pulssiksi tasavirraksi (DC).

Termoradiatiivinen diodi (TRD) puolestaan tuottaa sähköä säteilemällä IL‑säteilyä. Se voi tuottaa energiaa mistä tahansa lämpimästä pinnasta ja näin ollen kykenee tarjoamaan aurinkoenergiaa yöllä. Tiimin termoradiatiivinen diodi valmistettiin yövision (NV) silmälaseissa käytetyistä materiaaleista, jotta se voisi tuottaa sähköä emittoidusta infrapunasäteilystä.

Mitä tulee tehoon, se oli erittäin pieni, noin 100 000‑kertaisesti vähemmän kuin aurinkopaneeli tuottaa. Tästä huolimatta tutkijat uskoivat, että tulosta voitaisiin tulevaisuudessa parantaa. Tiimin johtajan, apulaisprofessori Ned Ekins-Daukesin: mukaan

“Olemme tehneet yksiselitteisen demonstraation sähköenergiasta termoradiatiivisesta diodista.”

Hän selitti, että lämpökamerojen avulla voimme nähdä säteilyn määrän yöllä. Tämä kuitenkin tapahtuu vain infrapuna‑alueella (sähkömagneettinen säteily, jonka aallonpituus on 760 nm–100 000 nm) eikä näkyvässä valossa (380–780 nm). Näin tiimi loi laitteen, joka “voi tuottaa sähköenergiaa infrapunasäteilyn emittoinnista”.

Lopulta prosessi hyödyntää edelleen aurinkoenergiaa, totesi professori Ekins-Daukes. Päivisin auringonvalo osuu planeettaamme ja lämmittää sitä. Sama energia säteilee takaisin laajaan, kylmään avaruuteen yöllä infrapunasäteilyn muodossa. Radiatiivisen diodin käsite hyödyntää tätä prosessia, jonka tiimi on osoittanut tuottavan sähköä.

“Kun energiaa virtaa, voimme muuntaa sen eri muotojen välillä.”

– Tiimin johtaja professori Ekins-Daukes

Kun kehitimme keinotekoisen prosessin, jossa fotovoltaattiset kennot muuntavat auringonvalon suoraan sähköksi, samoin termoradiatiivinen prosessi ohjaa lämpimästä maapallosta tulevan infrapunasäteilyn kylmempään avaruuteen.

Samoin kuin aurinkokenno voi tuottaa sähköä absorboimalla auringonvaloa, termoradiatiivinen diodi tuottaa sähköä emittoimalla infrapunasäteilyä kylmempään ympäristöön.

“Molemmissa tapauksissa lämpötilaero mahdollistaa sähkön tuotannon.”

– Paperin yhteiskirjoittaja, tohtori Phoebe Pearce

Aikaisemmin teoreettinen prosessi toteutettiin käytännössä tiimin toimesta, mikä vahvistaa, että erikoistuneita ja paljon tehokkaampia laitteita voidaan tulevaisuudessa valmistaa energian kaappaamiseksi paljon suuremmassa mittakaavassa.

Professori Ekins-Daukes vertasi uutta tutkimusta Bell Labsin insinöörien aikaan, jolloin he esittelivät ensimmäisen käytännöllisen piisilaatikon, jonka hyötysuhde oli vain noin 2 %. Olemme siitä lähtien kulkeneet pitkän matkan, ja pystymme nyt muuntamaan noin 23 % auringon valosta sähköksi.

Yhteiskirjoittajan, tohtori Michael Nielsenin: mukaan

“Vaikka näiden teknologioiden kaupallistaminen on vielä pitkällä, olla aivan kehitteillä olevan idean alussa on tutkijana erittäin jännittävää.”

Tutkijoiden mukaan tämä uusi teknologia voi tulevaisuudessa löytää monia sovelluksia, kuten bionisten laitteiden, esimerkiksi keinotekoisten sydänten, virtalähteen, jotka nykyään käyttävät säännöllisesti vaihdettavia akkuja. Näin heidän innovatiivinen tekniikkansa voi mahdollisesti poistaa akkujen tarpeen tietyissä laitteissa tai auttaa niiden lataamisessa.

Toistaiseksi radiatiivinen diodi on pystynyt tuottamaan “suhteellisen hyvin vähän tehoa”. Tehon havaitseminen on ollut haasteellista, ja teollisuuden omaksumiseen on vielä noin vuosikymmenen yliopistotutkimusta. Mutta teoriassa teknologia voi “lopulta tuottaa noin kymmenesosan aurinkokennon tehosta”.

Sen jälkeen, kun “yksiselitteinen demonstraatio sähköenergiasta” oli saatu, tiimi alkoi työskennellä uuden, helpommin valmistettavan materiaalin parissa, jotta sitä voitaisiin skaalata.

Samaan aikaan tiimi työskentelee teknologiansa soveltamisessa avaruusaluksiin, kuten satelliitteihin. Aurinkovoimaiset satelliitit eivät ole uusi asia; ne esiteltiin ensimmäisen kerran vuonna 1958.

Aurinkokennoilla toimivat avaruusalukset turvautuvat akkuihin pimennyksen aikana. UNSW‑tutkijat soveltavat nyt teknologiaa tuottamaan energiaa satelliiteille, kun ne kiertävät pimeydessä.

Teknologia, jota alun perin käytettiin avaruudessa, on nyt hyödynnetty tuottamaan valtavia määriä sähköä aurinkoenergiasta koteihimme, ja samankaltaisella tavalla professori Ekins-Daukes aikoo “viedä radiatiivisen diodin avaruuteen seuraavan kahden vuoden sisällä”.

Klikkaa tästä saadaksesi selville, miksi aurinkoenergian kasvava käyttö merkitsee aurinkoikäisen alkua.

Siirtyminen puhtaaseen ja runsasaurinkoenergiaan

Koska aurinkopaneelit tarvitsevat auringonvaloa tuottaakseen energiaa, eivätkä näin ollen toimi yöllä, paljon tutkimusta ja kehitystä on omistettu ratkaisujen löytämiseen tähän ongelmaan.

Yksi tapa on akkuvarastointi, jonka avulla ylimääräinen energian tuotanto voidaan tallentaa. Tämä varastoitu energia voidaan käyttää milloin tahansa, yöllä tai pilvisinä päivinä. Esimerkiksi Tesla Powerwall tai Generac PWRcell tarjoavat vaihtoehdon tähän. Nämä akkuvarastot toimivat verkottomina sähkölähteinä sähkökatkosten aikana.

Toinen tapa on netti‑mittaus. Tässä aurinkovoiman takaisinostiohjelmaan pääsy mahdollistaa paikallisen sähköverkon käyttämisen akkuasi. Saadaksesi laskukrediittejä, sinun täytyy lähettää päivän aikana aurinkopaneelien tuottama ylimääräinen energia takaisin verkkoon. Ansaitut krediitit vähennetään sähkölaskustasi kattamaan yöllisen energiankulutuksesi.

Tutkijat ovat jopa luoneet aurinkopaneeleja, jotka keräävät sähköä yötaivaalta. Esimerkiksi anti‑aurinkokennot toimivat päinvastoin päivän aurinkopaneeleihin nähden. Lisäksi on kitkavoimalla toimivia paneeleja, jotka muuntavat liikkeen energiaksi ja hyödyntävät lämpimien pintojen säteilyä.

Äskettäin Stanfordin yliopiston tutkijat suunnittelivat uudenlaisen aurinkopaneelin, joka tuottaa sähköä yöllä. Tähän he integroivat termoelektrisen generaattorin perinteisiin auringonvaloa hyödyntäviin kennoihin. Se ei ainoastaan tarjoa jatkuvaa energian tuotantoa, vaan parantaa myös päivän tehokkuutta.

Sitten on Kaliforniassa toimiva startup Reflect Orbital, joka on jakanut suunnitelmansa myydä auringonvaloa yöllä. Tämän saavuttamiseksi se aikoo käyttää satelliittikuvioita, varustettuina mylar‑peileillä, jotka kiertävät 370 mailin korkeudessa maan pinnasta. Ne heijastavat auringonvaloa maapallon pinnalla oleviin aurinkopaneeleihin.

“Uskomme, että auringonvalo on uusi öljy, ja avaruus on valmis tukemaan energian infrastruktuuria.”

– Reflect Orbitalin perustaja Ben Nowack X:ssä (aiemmin Twitter)

Jos tarkastelemme lukuja, puhtaiden energialähteiden joukossa aurinko on selvästi johdossa. Vuosi 2023 oli itse asiassa ennätysvuosi tälle energialähteelle, kun maailmassa otettiin käyttöön 447 GW uutta aurinkokapasiteettia, mikä on huikeat 78 % kaikesta uudesta uusiutuvasta kapasiteetista. Kun verrattuna edelliseen vuoteen, kasvu oli 87 %, ja globaali aurinkomarkkina saavutti kasvuvauhdin, jota ei ole nähty vuodesta 2010.

Tämän kasvun suurin osa johtui Kiinasta, joka on maailman suurin aurinkomarkkina. Se lisäsi 253 GW uutta aurinkopv‑kapasiteettia, nousu 167 %, ja vastasi 57 % maailman asennetusta kapasiteetista viime vuonna.

Tämä “odottamaton kasvu” kokonaisaurinkoenergiassa, Global Market Outlook for Solar Power 2024-2028 -raportin mukaan, johtui moduulien noin 50 % hintalaskusta. Tämä lasku johtui merkittävästä globaalin PV‑valmistuskapasiteetin kasvusta, mikä aiheutti ylikapasiteettia.

Lisäksi aiempien vuosien tilaukset, jotka asennettiin lopulta vuonna 2023, sekä yksityishenkilöt, yritykset ja hallitukset ovat kääntyneet aurinkoenergiaan luotettavana ja kustannustehokkaana ratkaisuna korkeisiin energian hintoihin.

Lisääntyneen tuotetarjonnan, kustannusparannusten ja teknologian monien hyötyjen myötä raportti ennustaa “merkittävää kysynnän kasvua aurinko‑PV‑energialle tulevina vuosina”.

Yritykset, jotka edistävät aurinkoenergia-alaa

Katsotaanpa muutamia merkittäviä nimiä, jotka ovat ottaneet vaihtoehtoisia reittejä energian tuottamiseen.

Clearway Energy (CWEN ) on yksi tällainen yritys, joka ylläpitää tuulivoimapuistoja ja aurinkovoimalaitoksia tarjotakseen puhdasta, uusiutuvaa energiaa, kun taas Ormat Technologies (ORA ) keskittyy geotermiseen energiantuotantoon. Heliogen (HLGN ) on vielä yksi nimi tällä alalla, ja se käyttää tekoälyä ja kehittynyttä peiliteknologiaa keskittyäkseen auringonvaloon ja tuottaakseen sähköä. Enphase Energy (ENPH ) ja Piedmont Lithium (PLL ) puolestaan johtavat energian varastointialaa.

#1. Bloom Energy (BE )

Tämä yritys käyttää kiinteäoksidi-polttoainekennojen teknologiaa tuottamaan luotettavaa ja tehokasta sähköä. Käyttämällä energiapalvelimiaan paikalliseen tuotantoon, Bloom Energy tarjoaa puhtaamman vaihtoehdon perinteiselle energiantuotannolle ja vähentää riippuvuutta verkosta.

Kirjoitushetkellä BE‑osakkeet kaupataan hintaan 10,80 $, laskien 26,82 % vuoden alusta, markkina-arvo on 2,465 miljardia $. Bloom Energylla on EPS (TTM) -1,30 ja P/E (TTM) -8,31. Vuodelle 2024 Q2 yritys raportoi 335,8 miljoonaa $ liikevaihtoa, mikä on 11,5 % vuosi‑vuodelta kasvu. Bruttokate kvartaalille oli 20,4 %, kun taas operatiivinen tappio oli 23,1 miljoonaa $. Bloom Energy myös liikkeellelaski 3 % konvertoitavat vihreät joukkovelkakirjat vahvistaakseen tasettaan.

Lisäksi yritys on tehnyt yhteistyön AI‑johtajan CoreWeaven kanssa voidakseen virtalähteenä toimia Chirisa Technology Parksin omistamassa huippuluokan datakeskuksessa. Bloom‑polttokennot tulevat myös virtalähteeksi Silicon Valley Powerin 20 MW:n AWS‑datakeskuksiin. Bloomin toimitusjohtajan KR sridharin: mukaan

“Nykyään on laajalti ymmärretty, että sähkön kysyntä tulee ylittämään selvästi verkon tarjoaman saatavuuden. Tämä tarjoaa Bloomille valtavan mahdollisuuden. Näemme korkean kaupallisen kiinnostuksen tuotteisiimme ja ratkaisuihimme. Jatkamme hyvää toteutusta, kehitämme teknologiaamme ja laajennamme tiimiämme tulevaa kasvua varten.”

#2. NextEra Energy (NEE )

Keskittyen aurinkoon, tuuleen ja akkuvarastointiin, NextEra on noussut yhdeksi suurimmista uusiutuvan energian tuottajista. Sähkö- ja energia‑infrastruktuuriyrityksen osakkeet kaupataan tällä hetkellä hintaan 83,85 $, nousuen 38,05 % vuoden alusta, mikä antaa NextEralle markkina-arvoksi 172,27 miljardia $. Sen EPS (TTM) on 3,67 ja P/E (TTM) 22,85.

2Q24‑kaudella yritys raportoi GAAP‑nettovoiton 1,622 miljardia $, samalla kun se lisäsi yli 3 000 MW uutta uusiutuvaa ja varastointiprojektia tilauskantaansa. Muutama kuukausi sitten sen tytäryhtiö NextEra Energy Resources yhdessä Entergy:n kanssa ilmoitti yhteisestä kehityssopimuksesta, jonka tavoitteena on nopeuttaa jopa 4,5 GW:n uusien aurinkovoimaloiden ja energian varastointiprojektien toteuttamista.

Yhteenveto

Aurinko on ehtymätön energialähde, ja yhdistettynä tehokkaisiin ja kehittyneisiin teknologioihin se tarjoaa suuren potentiaalin vastata nopeasti kasvavaan globaaliin energiantarpeeseen ja ratkaista ilmastonmuutoksen haasteen.

Kasvavana johtajana käynnissä olevassa globaalissa puhtaan energian siirtymässä aurinkoala on saanut runsaasti investointeja, ylittäen kaikki muut energian tuotantoteknologiat yhteensä viime vuonna sekä kehityksen. Kaikki tämä on johtanut lukuisiin läpimurtoihin aurinkoteknologiassa, kuten auringon seuraaviin aurinkokennoihin, painettaviin aurinkokennoihin, fotovoltaattisiin ikkunoihin ja tietysti yölliseen aurinkoenergiaan, mikä voi auttaa viemään aurinkoenergiaa kohti pitkäaikaista energiaratkaisua tuleville sukupolville.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista aurinko-osakkeista sijoitettavaksi.