Aurinkoenergia antaa toiveita
Peilirivistö on kohdistettu 60 metrin korkuisessa ”energiatornissa” olevaan pisteeseen. Se pystyy kehittämään yli tuhatkertaista auringonpaistetta vastaavan kuumuuden, kun lämpötila nousee 2300 asteeseen
ENERGIAPULAN aikana ei ole jäänyt huomaamatta, että aurinko on tyhjentymätön energianlähde, joka antaa hyödyllistä valoaan ja lämpöään kaikkialle asuttuun maahan. Se ylläpitää maapallolla miellyttävää keskilämpötilaa. Se antaa energiaa kasvien kasvulle ja sen kautta kaikelle elämälle. Nämä edut ovat niin ilmeisiä, että monet pitävät niitä itsestään selvinä.
Mutta me olemme tulleet riippuvaisiksi muista energiamuodoista monissa käyttötarkoituksissa, joissa auringonsäteily ei ole suoraan käyttökelpoista. Jos muut energianlähteet hupenevat ja loppuvat, olisiko meidän mahdollista lämmittää kotejamme ja tehtaitamme auringonsäteillä? Voisimmeko jollakin tavalla muuttaa auringonsäteet sähköksi lamppujamme ja radio- ja televisiovastaanottimiamme varten ja moottoriemme käyttövoimaksi? Voisimmeko varastoida auringon energiaa säiliöihin autojemme ja lentokoneittemme polttoaineeksi?
Näitä mahdollisuuksia harkitaan nykyään vakavasti. Tiedemiehet tekevät nykyään monissa laboratorioissa perustutkimusta niistä menetelmistä, joilla auringon energiaa voitaisiin hyödyntää. Siitä ei ole epäilystäkään, että auringossa on energiaa. Esimerkiksi auringonsäteilyssä, joka lankeaa Arizonassa neliölle, jonka jokainen sivu on vain 26 kilometriä, on yhtä paljon energiaa kuin kaikki yhdysvaltalaiset sähkövoimalat kehittävät yhteensä. Mitkä sitten ovat ongelmat?
Ensimmäinen kohtaamamme ongelma on se, että auringonvalo on luonnostaan hajanaista. Pienikokoiset kerääjät ottavat vastaan suhteellisen vähän energiaa. Mutta tällainen hajaantunutkin energia on riittävä joihinkin käyttötarkoituksiin. Rakennukset, jotka on suunniteltu ottamaan vastaan auringonvaloa, voivat vangita niin paljon lämpöä, että se säästää melkoisesti lämmitykseen tarvittavaa polttoainetta. Katolle sijoitetuissa säiliöissä voidaan kuumentaa kylpemiseen ja astioiden tai pyykin pesuun sopivaa vettä.
Toinen aurinkoenergian luontainen rajoitus on se, että sitä ei ole aina silloin kun me haluamme sitä. Sen tulo loppuu auringon laskiessa. Myös pilvet estävät meitä saamasta auringon energiaa. Auringonvalon voimakkuus, valoisien tuntien ja pilvisen sään määrä vaihtelevat leveysasteen ja vuodenaikojen mukaan. Aurinkoenergian vastaanotto moniin tarkoituksiin riippuu siitä, että keksitään keinoja energian varastoimiseksi silloin kun aurinko paistaa ja sen käyttämiseksi iltaisin ja öisin tai pilvisinä päivinä.
Aurinkoenergiaa voidaan varastoida yksinkertaisesti lämmittämällä vettä päiväsaikaan ja säilyttämällä sitä eristetyissä säiliöissä käytettäväksi illalla ja yöllä. Kuumaa vettä voidaan myös kierrättää lämpöpattereissa talon lämmittämiseksi. Huonolla säällä tällaista järjestelmää olisi täydennettävä toisesta lähteestä. Mutta sitä käytetään jo apulämmitysjärjestelmänä, jolla vähennetään kaasun tai sähkön tarvetta.
Monimutkaisemmat aurinkolämmön käyttötavat menevät tätä perussovellutusta pitemmälle. Keskittämällä auringonsäteitä on mahdollista saavuttaa paljon suurempia lämpötiloja. Kukapa ei olisi tehnyt koetta, jossa hän on pannut paperinpalan suurennuslasin alle auringonsäteiden polttopisteeseen ja seurannut, miten se kyti ja leimahti liekkeihin? Tätä periaatetta sovelletaan suuressa mitassa käyttämällä kaarevia peilejä auringonsäteiden keskittämiseksi häikäiseväksi, valkoiseksi hehkuksi pienelle alueelle, jonka kuumuus riittää sulattamaan vaikeimminkin sulavat materiaalit. Eräässä tällaisessa Etelä-Ranskassa sijaitsevassa aurinkouunissa polttopisteeseen sijoitetun höyrykattilan avulla kehitetään sähköä, joka syötetään maan sähkövoimaverkkoon. Valmistaja tarjoaa myytäväksi tuhannen kilowatin tehoisia aurinkovoimaloita.
Albuquerquen kaupungin läheisyyteen New Mexicoon on rakennettu taidokkaampi tämäntyyppinen järjestelmä sen tutkimiseksi, mitä taloudellisia mahdollisuuksia se tarjoaa täysimittaisia voimaloita silmällä pitäen. Peilirivistö on kohdistettu 60 metrin korkuisessa ”energiatornissa” olevaan pisteeseen. Kukin peili on 1,2 kertaa 1,2 metriä, ja 25 peiliä on sijoitettu neliön muotoon yhden ”heliostaatin” päälle. Kun aurinko liikkuu taivaalla, heliostaattia täytyy kallistaa auringon liikkeen tahdissa, jotta siitä heijastuva säde osuisi jatkuvasti kohteeseen. Tornin pohjoispuolella olevalle kolmikulmaiselle kentälle on sijoitettu 222 tällaista heliostaattia. Tietokone ohjaa kutakin erikseen sen etäisyyden ja suunnan mukaan.
Kun ne kohdistetaan yhdessä torniin, kaikki 0,8 hehtaarin alueelle lankeava auringonvalo keskittyy noin puolen neliömetrin alueelle. Yli tuhatkertaista auringonpaistetta vastaava kuumuus saavuttaa 2300 asteen lämpötilan. Ensimmäisissä kokeissa heliostaattien säteet sulattivat nopeasti reiän teräslevyyn.
Sen jälkeen kun tornissa on tehty höyrykattilakokeita, Barstowiin Kaliforniaan aiotaan rakentaa 10000 kilowatin aurinkovoimala, joka voidaan yhdistää Etelä-Kalifornian sähkönjakeluverkostoon kenties jo vuonna 1981.
Sähköä auringonvalosta
Sillä välin toiset tiedemiehet ponnistelevat kohti kauaskantoista päämäärää: auringonvalon muuttamista suoraan sähköksi. Itse periaate ei ole uusi. Olemme käyttäneet vuosia valosähköilmiöön perustuvia laitteita. Esimerkiksi kamerassa oleva valokenno osoittaa, mikä aukko tai suljinaika on sopiva käytettäväksi siinä valossa, jossa sen edessä oleva näkymä on. Valo kehittää vähäisen sähkövirran, joka siirtää mittarin osoitinta. Tämän virran vahvistaminen siinä määrin, että siitä saadaan käyttökelpoista tehoa, on suunnaton yritys, mutta sellainen, joka tarjoaa suuria etuja.
Miten valo voi kehittää sähköä valokennossa? Salaisuus piilee puolijohteiden käytössä. Useimmat metallit ovat hyviä johteita, ja niissä elektronit ovat varsin löyhästi kiinni atomeissa. Ne siirtyvät vapaasti paikasta toiseen kuljettaen virtaa. Eristeissä elektronit ovat tiukasti radoillaan, eivätkä ne pääse vapaasti liikkumaan. Puolijohteet ovat hyvän johteen ja eristeen väliltä; elektronit ovat sidottuja, mutta eivät tiukasti, niin että vain pieni töytäys riittää irrottamaan ne vapaasti liikkuviksi.
Puhdas pii on huono johde. Mutta vähäiset epäpuhtaudet tekevät siitä paljon paremman johteen. Esimerkiksi pieni määrä arseenin kaltaista alkuainetta, jolla on viisi ulkoelektronia, yksi enemmän kuin piillä, antaa kiteeseen vapaita elektroneja. Tai hiven booria, jolla on vain kolme ulkoelektronia, aiheuttaa vajauksen. Puuttuvia elektroneja sanotaan aukoiksi. Toinen elektroni voi helposti hypätä aukkoon viereisestä atomista, ja vaikutus on sama kuin jos aukko siirtyisi ja positiivinen virta liikkuisi.
Ensiksi mainitun kaltaista epäpuhtauksia sisältävää piitä sanotaan n-tyyppiseksi (negatiiviseksi) piiksi, koska siinä on liikaa elektroneja. Toiseksi mainitun kaltaista piitä sanotaan p-tyyppiseksi (positiiviseksi), koska siinä on liikaa aukkoja. Jos nämä kaksi piityyppiä liitetään yhteen, ne muodostavat n-p-liitoksen. Elektronit virtaavat ainoastaan yhteen suuntaan tämän liitoksen läpi. Tähän perustuu transistori, joka on korvannut aiemmat kömpelöt elektroniputket nykyisillä pikkuriikkisillä piisiruilla.
Kuvittele, että otamme nyt kaksi levyä, joista toinen on n-tyypin ja toinen p-tyypin piitä, ja panemme ne yhteen. Transistorisirun asemesta meillä on nyt aurinkopari. Jos aurinko saa paistaa siihen, niin se imee itseensä yksittäisten auringonvalohiukkasten, fotonien, energiaa, joka vapauttaa elektroneja piiatomeista. Jos kennon kaksi sivua kytketään piiriksi, elektroneja virtaa n-sivulta p-sivulle. Tätä sähkövirtaa voidaan käyttää energiana. Se on auringonvalosta tehtyä sähköä.
Kaikkea auringonvalon energiaa ei voida ottaa talteen sähköksi. Auringonvalohiukkasen (fotonin) energia muuttuu 1,5:stä 3 elektronivolttiin, kun väri vaihtuu punaisesta violettiin. Mutta elektronin irrottamiseksi piikiteessä tarvitaan vain noin yksi elektronivoltti, joten muu energia menee hukkaan lämpönä. Yksittäisen piikennon teoreettinen hyötysuhde on parhaimmillaan 22 prosentin luokkaa. Parhaiden tähän mennessä valmistettujen kennojen hyötysuhde on todellisuudessa noin viisitoista prosenttia. Toivotaan, että yhdistämällä erilaisista alkuaineista tehtyjä puolijohteita useiksi kerroksiksi auringonvalon energiasta voidaan muuttaa jopa puolet sähköksi.
Aurinkokennojen sovellutuksia
Aurinkosähkökennot ovat jo saaneet tärkeän aseman nykyisessä teknologiassa, ja niitä käytetään avaruusaluksissa energianlähteenä. Tämä sovellutus sopii niille ihanteellisesti. Matkalla planeetalta toiselle ne ovat koko ajan täydessä auringonpaisteessa (kiertoradalla yli puolet ajasta). Pilviä ei tule tielle, eivätkä sade tai tuuli pieksä niitä. Avaruustutkimusbudjetit peittävät niiden aiheuttamat kustannukset.
Niinpä me huomaamme, että Skylabista tai Marsiin menneistä Viking-aluksista törröttäneet suuret aurinkosiivet ovat silmiinpistävin piirre niiden siluetissa. Aurinkokennot ovat osoittautuneet luotettaviksi ja pitkäikäisiksi. Marsia kiertäneen Viking-aluksen voimala tuotti yhä 600 wattia kaksi vuotta sinne saapumisensa jälkeen. Sen suorituskyky tällaisessa vaativassa tehtävässä puhuu varmasti sen puolesta. Viking-alukseen voidaan hyvin uhrata äärimmäistä huolellisuutta ja aurinkokennojen tavattomat valmistuskustannukset tällaisen virheettömän toiminnan takaamiseksi. Mutta niiden nykyisiä kustannuksia on laskettava yli 95 prosenttia, jotta ne saataisiin taloudellisesti houkutteleviksi sähkövoimaa varten maan päällä. Tämä voisi näyttää työntävän odotteet aurinkosähkövoimasta kauas tulevaisuuteen, mutta muiden puolijohdelaitteiden kohdalla nähty hintojen valtava putoaminen tarjoaa toiveita siitä, ettei aurinkosähkövoima ole kovinkaan kaukana. Monissa laboratorioissa harjoitetaan aktiivista tutkimustyötä, jotta aurinkokennot saataisiin halvemmaksi automaattisilla valmistusmenetelmillä. Aurinkoenergian innokkaat puoltajat väittävät, että aurinko voisi tyydyttää 20 prosenttia Yhdysvaltain energiantarpeesta vuoteen 2000 mennessä.
Aurinkosähkövoimalla on yksi ominaisuus, joka erottaa sen jyrkästi monista muista sähköntuottomenetelmistä. Se on luontaisesti modulaarista. Toisin sanoen perustuotantoyksikkönä on yksi pieni moduuli. Jotta energiaa saataisiin enemmän, moduuleja pelkästään liitetään enemmän yhteen. Näin ei voida sanoa höyryllä kehitettävästä sähköstä. Energian tuottamiseksi tällä halvalla tavalla tarvitaan suuri öljyä ja kivihiiltä polttava voimala. Sama pitää paikkansa myös ydinvoimasta ja vielä ylenpalttisesti enemmän fuusiovoimasta. Mutta auringon kehittämä sähkö näyttää tulevan yhtä halvaksi niin pienissä kuin suurissakin voimaloissa.
Tämä herättää provosoivan kysymyksen: olisiko mahdollista päästä eroon laajoista sähkövoimaverkoista, joilla on olennainen merkitys nykyisessä järjestelmässä? Kukaties tulevaisuuden voimala on enemmän yhdyskunnan tai naapuriston hanke tai yksinäisissä asumuksissa jopa talokohtainen. Tällainen ajatus häiritsee niitä, jotka ovat järjestäneet sähkön tuotannon valtavien alueellisten tai valtakunnallisten verkostojen varaan. On ymmärrettävää, että ne teollisuusjohtajat, jotka tuntevat tällaisen mullistavan uutuuden uhkaavan heidän nykyiseen järjestelmään tekemiään suuria sijoituksia, eivät ole sen innokkaita kannattajia. Jotkut väittävät, että aurinkovoimaa voitaisiin kehittää nopeammin, jos nämä eivät olisi jarruttamassa.
Muut suoran aurinkosähkön edut ovat selvästi houkuttelevia. Se on puhdasta, melutonta ja varmaa. Ei ole liikkuvia osia eikä mitään, mikä kuluisi rikki. Sen käyttö on yksinkertaista. Se ei aiheuta saastumista. Siitä saatava energia on ilmaista ja yhtä uusiutuvaa kuin auringonvalo päivästä toiseen. Vieläkö ihmettelet, miksi toiveet tällaisesta energianlähteestä saavat sen puolestapuhujat vaatimaan kaikkien ponnistelujen suuntaamista kohti sen nopeaa toteutumista?
[Huomioteksti s. 6]
Siinä auringonpaisteessa, joka lankeaa Arizonassa neliölle, jonka jokainen sivu on vain 26 kilometriä, on yhtä paljon energiaa kuin kaikki yhdysvaltalaiset sähkövoimalat kehittävät yhteensä
[Huomioteksti s. 7]
Aurinkoenergian innokkaat puoltajat väittävät, että aurinko voisi tyydyttää 20 prosenttia Yhdysvaltain kaupallisen energian tarpeesta vuoteen 2000 mennessä
[Huomioteksti s. 7]
Suoran aurinkosähkön etuja: ei saastumista, ei melua, ei mitään, mikä kuluisi rikki, ja siitä saatava energia on yhtä ilmaista ja uusiutuvaa kuin auringonvalo päivästä toiseen
[Tekstiruutu s. 8]
Aurinkoenergiaa avaruudesta
Kaikkein uskomattomin idea auringonvalon hyväksikäytöstä sähkövoimana voisi olla lähtöisin jostakin tieteiselokuvasta. Valtava aurinkopaneelien rivistö, jonka pinta-ala olisi 50 neliökilometriä, koottaisiin avaruudessa. Tämä energiaa kokoava asema pantaisiin 36000 kilometrin korkeudessa olevalle radalle, jossa se olisi paikallaan päiväntasaajan yläpuolella olevassa valitussa kohdassa. Kehitetty energia suunnattaisiin mikroaaltojen avulla maan päällä sijaitsevaan kymmenen kilometrin läpimittaiseen vastaanottoantenniin. Tuotetut viisi miljoonaa kilowattia kattaisivat New Yorkin tarpeen. Tämä ehdotus tarjoaa erään selvän edun maahan sidottuihin aurinkokokoojiin nähden. Avaruusvoimala toimisi 24 tuntia vuorokaudessa, ja pilvinen sää ei häiritsisi energian kokoamista eikä sen lähettämistä mikroaaltojen välityksellä.
Mutta nykyisen avaruusajan tekniikan mahdollisuudet eivät riitä tällaisen hirviön rakentamiseen. Rakettien kehittäminen ja materiaalien ja työntekijöiden kuljetus avaruuteen maksaisi miljardeja dollareita. Ja epäillään, että harhaantuneet mikroaallot olisivat vaaraksi vastaanottoaseman lähellä asuville ihmisille. Miten se voisi vaikuttaa myös ionosfääriin ja säähän ja radioon ja televisioon? Tähtitieteilijät valittavat, että tällaiset kirkkaat taivaalla olevat kappaleet estäisivät pysyvästi heitä tutkimasta ääretöntä avaruutta, sillä siihen he tarvitsevat pimeää taivasta. Sähkölaitosten toimitusjohtajat voisivat kannattaa tätä suunnitelmaa, koska joutuisit olemaan yhä riippuvainen heidän sähkönjakelujärjestelmästään.
Mutta jos voisit varastoida energiaa yöksi, sinun voisi olla parempi ottaa aurinkoenergiasi suoraan auringosta silloin kun se paistaa taloosi ja välttää tällainen monimutkainen kiertotie. Voithan siihen mennessä, kun aurinkosatelliiteista tulee todellisuutta, kyetä keräämään riittävästi aurinkoenergiaa kotitaloutesi tarpeisiin aurinkokennojen avulla, joita on vain kolme neliömetriä talosi katolla.