Nattsol – Hur termoradiativa dioder snart kan eliminera behovet av batterier

En av de mest rikliga och naturliga energikällorna vi har är solenergi. Varje dag stiger solen upp och sprider sitt ljus på oss, vilket ger oss värme och elektricitet.

Även avlägsna, isolerade och landsbygdsområden kan dra nytta av denna energikälla, eftersom de flesta delar av planeten får någon form av solljus. Det krävs inte ens mycket av denna outtömliga källa; mindre än 10 % av solenergin räcker för att hjälpa oss att möta de globala energibehoven.

Som en förnybar energikälla genererar den inga skadliga växthusgasutsläpp och är väl anpassad till elnätet och batterier.

Användningen av solljus är inte helt ny. Människor använde redan solljus redan på 700‑talet f.Kr. för att tända eldar genom att reflektera solstrålarna på glänsande föremål.

Teknologiska framsteg har dock gjort insamling av solljus för att generera elektricitet och sedan lagra den för senare bruk mycket effektivt.

Soltekniker fångar elektromagnetisk strålning, det vill säga ljuset som solen avger, och omvandlar det till användbara energiformer. De två huvudtyperna av solenergi är fotovoltaik (PV), som används i solpaneler, och koncentrerad soltermisk kraft (CSP).

Solpaneler är för närvarande det mest populära sättet att producera elektricitet från solenergi. PV‑panelerna har en användbar livslängd på 20–25 år, och efter installation krävs minimalt underhåll förutom periodisk rengöring.

Vanligtvis tillverkade av ett halvledarmaterial som kisel, frigör materialet elektroner och skapar en elektrisk laddning när det utsätts för solens fotoner. Denna laddning genererar en elektrisk ström som fångas upp av solpanelerna, och en växelriktare omvandlar den till växelström (AC) som används för att driva dina apparater.

Den fotovoltaiska (PV) effekten upptäcktes faktiskt redan på 1800-talet, år 1839, när den franske fysikern Edmond Becquerel experimenterade med en cell bestående av metall elektroder i en ledande lösning och märkte att cellen genererade mer elektricitet när den utsattes för ljus.

Sedan, år 1954, föddes PV‑tekniken med utvecklingen av kisel‑PV‑cellen, som kunde absorbera och omvandla solens energi till kraft för att driva vardaglig elektrisk utrustning.

Idag integreras solenergisystem inte bara i hem och företag utan har också blivit en viktig del av den förnybara energimixen för att tillhandahålla elförsörjning.

Solenergi har faktiskt potentialen att avsevärt minska elförbrukningen, generera reservkraft genom att kombineras med lagring, bidra till ett robust elnät, fungera både i liten och stor skala med liknande effektivitet samt skapa jobb och driva ekonomisk tillväxt.

Samtidigt, när det gäller kostnader, finns det förutom de uppenbara hårdvarukostnaderna även mjuka kostnader som tillstånd, finansiering och installation av solenergi, samt andra driftskostnader för sådana företag, vilka påverkar priset på solenergi.

Trots att solenergi har enorma fördelar kvarstår utmaningen med intermittens. Mängden tillgängligt solljus varierar naturligtvis med tid, plats och årstid.

Till exempel genererar fotovoltaik främst energi mitt på dagen när solen är som starkast. Även om mer effektiva och pålitliga lagringssystem har gjort det möjligt att använda denna energikälla under hela dagen, även när solen har gått ner eller det är molnigt, söker forskare nu efter bättre alternativ.

År 2022 gjorde forskare från University of New South Wales (UNSW) ett stort genombrott inom detta område, vilket gjorde det möjligt för dem att producera elektricitet från solenergi även under natten. Denna teknik tas nu med ut i rymden.

Solenergi på natten

Alltså, för två år sedan, i maj, gjorde ett UNSW‑team detta stora genombrott inom förnybar energiteknik genom att producera elektricitet från solenergi på natten.

Forskarteamet från School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering (SPREE) producerade elektricitet från värme som jorden avger som infrarött ljus (IL), på samma sätt som den svalnar på natten genom att stråla ut i rymden.

För detta skapade teamet en halvledarenhet som kallas en termoradiativ diode. En diode är en halvledarenhet som tillåter ström att flöda i en riktning men begränsar den i den andra. De omvandlar växelström (AC) till pulserande likström (DC).

En termoradiativ diode (TRD) producerar samtidigt elektricitet genom att avge IL. Den kan generera kraft från vilken varm yta som helst och har därmed förmågan att leverera solenergi på natten. Teamets termoradiativa diode byggdes av material som används i nattseende (NV) glasögon för att generera elektricitet från det utsända infraröda ljuset.

När det gäller effektkapaciteten var den mycket liten, 100 000 gånger mindre än vad en solpanel levererar. Trots detta trodde forskarna att resultatet kan förbättras i framtiden. Enligt teamledare Associate Professor Ned Ekins-Daukes:

Vi har gjort en entydig demonstration av elektrisk kraft från en termoradiativ diode.

Han förklarade hur vi med hjälp av termiska avbildningskameror kan se mängden strålning på natten. Detta sker dock endast i det infraröda (elektromagnetiska strålning med våglängder mellan 760 nm och 100 000 nm) och inte i det synliga spektrumet (mellan 380 och 780 nanometer). Så laget skapade en enhet som ”kan generera elektrisk kraft från utsläppet av infraröd termisk strålning.”

I slutändan utnyttjar processen fortfarande solenergi, sade professor Ekins-Daukes. Under dagen träffar solljuset vår planet och värmer upp den. Samma energi strålar tillbaka ut i det stora, kalla yttre rymden på natten i form av infrarött ljus. Konceptet med en strålningsdiode utnyttjar denna process, vilket teamet har bevisat kan generera elektricitet.

Närhelst det finns ett energiflöde kan vi omvandla det mellan olika former.

– Teamledare Professor Ekins-Daukes

När vi utvecklade den artificiella processen med fotovoltaik för direkt omvandling av solljus till elektricitet, har den termoradiativa processen på liknande sätt avlett den infraröda energin från en varm jord in i det kalla universum.

På samma sätt som en solcell kan producera elektricitet genom att absorbera solljus, producerar den termoradiativa dioden elektricitet genom att avge infrarött ljus till en kallare omgivning.

I båda fallen är temperaturdifferensen det som gör att vi kan generera elektricitet.

– Medförfattaren till artikeln, Dr. Phoebe Pearce

Det som tidigare var en teoretisk process har praktiskt genomförts av teamet för att bekräfta att specialiserade och mycket mer effektiva enheter kan tillverkas i framtiden för att fånga energin i mycket större skala.

Prof. Ekins-Daukes liknade den nya forskningen vid Bell Labs‑ingenjörernas arbete när de visade den första praktiska kisel‑solcellen, som bara var cirka 2 % effektiv. Vi har kommit långt sedan dess och kan nu omvandla omkring 23 % av solens ljus till elektricitet.

Enligt medförfattare Dr. Michael Nielsen:

Även om kommersialiseringen av dessa teknologier fortfarande ligger långt fram, är det en så spännande plats att vara på som forskare att befinna sig i början av en utvecklande idé.

Denna nya teknik kan, enligt forskarna, hitta många framtida tillämpningar, inklusive att driva bioniska enheter som artificiella hjärtan som för närvarande använder batterier som måste bytas ut regelbundet. Så deras banbrytande teknik kan potentiellt eliminera behovet av batterier i vissa enheter eller hjälpa till att ladda dem.

Hittills har dock den så kallade strålningsdioden kunnat generera ”relativt mycket låg effekt”. Det har varit en utmaning att upptäcka effekten, och det återstår ungefär ett decennium av universitetsforskning innan industrin tar upp den. Men i teorin är det möjligt för teknologin att ”så småningom producera omkring en tiondel av en solcelles effekt.”

Efter den ”entydiga demonstrationen av elektrisk kraft” började teamet arbeta med ett nytt material som är lättare att tillverka och därmed kan skalas upp.

Samtidigt arbetar teamet med att tillämpa sin teknik på rymdfarkoster som satelliter. Soldrivna satelliter är inget nytt; de demonstrerades faktiskt första gången 1958.

Drivna av solceller är dessa rymdfarkoster beroende av batterier under förmörkningsförhållanden. Så nu tillämpar UNSW‑forskarna tekniken för att generera kraft till satelliter när de kretsar i mörker.

Tekniken, som först användes i rymden, har nu använts för att producera enorma mängder elektricitet från solenergi för våra hem, och på liknande sätt avser Prof. Ekins-Daukes ”att flyga strålningsdioden i rymden inom de kommande två åren.”

Klicka här för att lära dig varför den ökande användningen av solenergi markerar början på solåldern.

Skiftet till ren & riklig solenergi

Eftersom solpaneler kräver solljus för att generera kraft och därför inte kan fungera på natten, har mycket forskning och utveckling arbetat med att hitta lösningar på detta problem.

Ett av sätten som har adresserats är batterilagring, som används för att lagra överskottsenergi. Den lagrade energin kan sedan användas när som helst, på natten och under molniga dagar. Företag som Tesla (TSLA ) Powerwall eller Generac PWRcell erbjuder ett alternativ. Dessa batteribanker fungerar som fristående elkälla under strömavbrott.

Ett annat sätt är nettomätning. Här ger tillgång till ett solköpsprogram dig möjlighet att använda det lokala elnätet som ditt batteri. För att få krediter på fakturan måste du skicka tillbaka överskottsenergin som dina solpaneler genererar under dagen till nätet. De intjänade krediterna kommer att dras av på din elräkning för att täcka din nattliga energiförbrukning.

Forskare har till och med skapat solpaneler som samlar elektricitet från natthimlen. Till exempel fungerar anti-solceller i omvänd riktning mot solpaneler under dagen. Dessutom finns friktionsdrivna paneler som omvandlar rörelse till energi och utnyttjar strålning från varma ytor.

Nyligen har forskare vid Stanford University designat en ny typ av solpanel för att producera elektricitet på natten. För detta integrerade de en termoelektrisk generator i de konventionella solcellerna. Den kan inte bara erbjuda kontinuerlig kraftproduktion utan förbättrar även effektiviteten under dagen.

Sedan finns det kaliforniska startup-företaget Reflect Orbital, som har delat sin plan att sälja solljus på natten. För att uppnå detta planerar de att använda en konstellation av satelliter utrustade med mylarmirrors som kommer att kretsa 370 miles över jordens yta. De kommer att reflektera solljus på solpaneler på jordens yta.

Vi tror att solljus är den nya oljan, och rymden är redo att stödja energiinfrastruktur.

– Reflect Orbital medgrundare Ben Nowack på X (tidigare Twitter)

Om vi tittar på siffrorna är solenergi utan tvekan ledande bland rena energikällor. 2023 var faktiskt ett rekordår för denna energikälla då världen installerade 447 GW ny solkapacitet, hela 78 % av den totala nya förnybara kapacitetstillväxten. Med en ökning på 87 % jämfört med föregående år registrerade den globala solmarknaden en tillväxttakt som inte setts sedan 2010.

Den största delen av denna tillväxt drevs av Kina, som är världens största solmarknad. De lade till 253 GW ny sol‑PV‑kapacitet, en ökning på 167 % och stod för 57 % av den globala installerade kapaciteten förra året.

Denna ”oförutsedda tillväxt” i total solenergi, enligt Global Market Outlook for Solar Power 2024-2028, berodde på ett massivt prisfall på cirka 50 % för moduler. Detta prisfall har orsakats av en betydande ökning av den globala PV‑tillverkningskapaciteten som lett till överkapacitet.

Förutom att beställningar från tidigare år äntligen installerades 2023 har privatpersoner, företag och regeringar vänt sig till solenergi som en pålitlig och kostnadseffektiv lösning på höga energipriser.

Med fortsatt produktutbud, kostnadsförbättringar och de många fördelarna tekniken ger, förutspår rapporten ”betydande efterfrågetillväxt för sol‑PV‑kraft under de kommande åren.”

Företag som driver solenergisektorn framåt

Låt oss nu titta på några framstående namn som har tagit alternativa vägar för att generera energi.

Clearway Energy (CWEN ) (CWEN ) är ett sådant företag som driver vindkraftparker och solkraftverk för att tillhandahålla ren, förnybar energi, medan Ormat Technologies (ORA ) fokuserar på geotermisk kraftproduktion. Heliogen är ytterligare ett namn inom detta område, och använder AI och avancerad spegelteknik för att koncentrera solljus och generera elektricitet. Enphase Energy (ENPH ) och Piedmont Lithium (ELVR ) leder samtidigt energilagringsfältet.

#1. Bloom Energy

Detta företag använder solidoxidbränslecellsteknologi för att generera pålitlig och effektiv elektricitet. Genom att använda sina energiserver för on‑site‑generering erbjuder Bloom Energy (BE ) ett renare alternativ till traditionell kraftproduktion och minskar beroendet av elnätet.

Vid skrivande stund handlas BE‑aktierna till $10,80, ned 26,82 % år‑till‑datum, med ett marknadsvärde på $2,465 bn. Bloom Energy har ett EPS (TTM) på -1,30 och ett P/E (TTM) på -8,31. För Q2 2024 rapporterade företaget $335,8 miljoner i intäkter, en ökning med 11,5 % jämfört med föregående år. Bruttomarginalen för kvartalet var 20,4 %, medan driftsförlusten uppgick till $23,1 miljoner. Bloom Energy emitterade också 3 % konvertibla gröna obligationer under den perioden för att stärka sin balansräkning.

Dessutom har företaget samarbetat med AI‑ledaren CoreWeave (CRWV ) för att driva Chirisa Technology Parks‑ägda högpresterande datacenter. Bloom‑bränsleceller kommer även att driva Silicon Valley Powers 20 MW av AWS‑datacenter. Enligt Blooms VD KR sridhar:

Det är nu allmänt förstått att efterfrågan på elektricitet förväntas vida överstiga den tillgängliga tillgången via nätet. Detta ger Bloom en enorm möjlighet. Vi ser höga nivåer av kommersiellt intresse för våra produkter och lösningar. Vi fortsätter att leverera bra, utveckla vår teknik och bygga ut vårt team för framtida tillväxt.

#2. NextEra Energy

Med fokus på sol, vind och batterilagring har NextEra blivit en av de största producenterna av förnybar energi. Företagets aktier handlas för närvarande till $83,85, upp 38,05 % YTD, vilket ger NextEra ett marknadsvärde på $172,27 bn. Dess EPS (TTM) är 3,67 och P/E (TTM) är 22,85.

För 2Q24 rapporterade företaget ett GAAP‑nettoresultat på $1,622 miljarder samtidigt som de lade till över 3 000 MW nya förnybara och lagringsprojekt i sin backlogg. För ett par månader sedan meddelade deras dotterbolag NextEra Energy (NEE ) Resources, tillsammans med Entergy, ett gemensamt utvecklingsavtal för att påskynda skapandet av upp till 4,5 GW ny solkraft och energilagringsprojekt.

Slutsats

Solen är en outtömlig energiresurs och när den kombineras med effektiva och avancerade teknologier erbjuder den stor potential att möta den snabbt växande globala energiefterfrågan och ta itu med klimatförändringarna.

Som den framväxande ledaren i den pågående globala övergången till ren energi har solindustrin sett stora investeringar, som överträffade alla andra generationsteknologier sammantagna förra året och utveckling. Allt detta har lett till många genombrott inom solteknik, såsom solspårande solceller, tryckbara solceller, fotovoltaiska fönster och naturligtvis nattlig solenergiproduktion, vilket kan hjälpa solenergi att bli den långsiktiga energilösningen för framtida generationer.

Klicka här för en lista över de bästa solaktierna att investera i.