Mit fünfzehn Jahren begann ich, mich für Solarenergie zu interessieren. Meine Familie war von Fort Lee, New Jersey, nach Kalifornien gezogen, und damit zogen wir aus dem Schnee in die Hitze, und zu den Gasleitungen. Im Jahre 1973 war Gas rationiert. Die Energiekrise war an ihrem Höhepunkt angelangt.
Right when I was 15 was when I first got interested in solar energy. My family had moved from Fort Lee, New Jersey to California, from the snow to lots of heat, and gas lines. There was gas rationing in 1973. The energy crisis was in full bore.
Damals hatte ich angefangen, das "Popular Science Magazine" zu lesen und ich war von dem Potential sehr begeistert, das die Solarenergie bei dem Versuch, die Krise aufzulösen, darstellte. Ich hatte gerade Trigonometrie in der Schule belegt und lernte dort über Parabeln, und ihre Fähigkeit, Lichtstrahlen in einem Punkt zu konzentrieren. Das fand ich sehr aufregend und ich war davon überzeugt, dass es möglich sein würde, ein Gerät zu konstruieren, das Licht konzentrieren konnte.
I started reading "Popular Science" magazine, and I got really excited about the potential of solar energy to try and solve that crisis. I had just taken trigonometry in high school, I learned about the parabola and how it could concentrate rays of light to a single focus. That got me very excited. And I really felt that there would be potential to build some kind of thing that could concentrate light.
Daher gründete ich ein Unternehmen mit dem Namen "Solar Devices". Und in dieser Firma baute ich Parabeln nach. Ich schloss mich einer Schmiede an, Ich erinnere, wie ich in eine Schmiede ging, die Parabeln und Stirlingmotoren baute. Und ich war gerade dabei, diesen Stirlingmotor an einer Drehbank zu bauen, als diese ganzen Motorradfahrer zu mir herüberkamen und sagten: "Du baust eine Wasserpfeife, oder?" Und ich sagte, "Nein, das ist ein Stirlingmotor. Wirklich." Aber sie glaubten mir nicht.
So, I started this company called Solar Devices. And this was a company where I built parabolas, I took metal shop, and I remember walking into metal shop building parabolas and Stirling engines. And I was building a Stirling engine over on the lathe, and all the motorcycle guys said, "You're building a bong, aren't you?" And I said, "No, it's a Stirling engine." But they didn't believe me.
Ich verkaufte die Pläne für diesen Motor und die Schüssel auf den hinteren Seiten des "Popular Science Magazine" für je vier Dollar. Und damit verdiente ich genug Geld, um mein erstes Jahr im Californian Institute of Technology zu finanzieren. Es war unfassbar für mich, vom Caltech aufgenommen worden zu sein.
I sold the plans for this engine and for this dish in the back of "Popular Science" magazine, for four dollars each. And I earned enough money to pay for my first year of Caltech.
Und während meines ersten Jahres dort führte ich mein Unternehmen weiter. Aber im zweiten Jahr im Caltech fingen sie an, uns zu benoten. Im ganzen ersten Jahr ging es nur um Bestehen oder Durchfallen, aber das zweite Jahr wurde benotet. Ich schaffte es nicht, die Firma aufrechtzuerhalten und das resultierte in einem fünfundzwanzigjährigen Schlenker. Mein Traum war gewesen, Sonnenenergie sehr kostengünstig umzuwandeln, aber dann erfuhr ich diesen langen Umweg. Erst kamen meine Kurse im Caltech.
It was a really big excitement for me to get into Caltech. And at my first year at Caltech, I continued the business. But then, in the second year of Caltech, they started grading. The whole first year was pass/fail, but the second year was graded. I wasn't able to keep up with the business, and I ended up with a 25-year detour. My dream had been to convert solar energy at a very practical cost, but then I had this big detour.
Dann, als ich gerade meinen Abschluss gemacht hatte, wurde der IBM PC verkauft und ich wurde süchtig nach dem IBM PC im Jahre 1981. Und 1983 kam dann der Lotus 1-2-3 heraus, von dem ich total hin und weg war. Ich fing an, mein Unternehmen mit 1-2-3 zu organisieren, und begann, Add-Ins und ein Sprachverarbeitungsinterface für den 1-2-3 zu schreiben. Ich gründete ein Unternehmen für Bildungssoftware kurz nachdem ich zu Lotus gestoßen war. Und dann gründete ich Idealab, quasi als Fundament für eine Abfolge von weiteren Unternehmen.
First, the coursework at Caltech. Then, when I graduated from Caltech, the IBM PC came out, and I got addicted to the IBM PC in 1981. And then in 1983, Lotus 1-2-3 came out, and I was completely blown away by Lotus 1-2-3. I began operating my business with 1-2-3, began writing add-ins for 1-2-3, wrote a natural language interface to 1-2-3. I started an educational software company after I joined Lotus, and then I started Idealab so I could have a roof
Dann, viel später - im Jahr 2000, also erst kürzlich, sollte uns die neue Kalifornische Energiekrise - oder zumindest etwas, das als große Energiekrise beschrieben wurde, erreichen. Und ich versuchte also, einen Weg zu finden, etwas zu entwickeln, das sich dies zunutze machen konnte und die Menschen dazu bringen konnte, Energie zu speichern, für den Fall, dass die Befürchtungen wahr werden sollten. Und ich beschäftigte mich damit, wie wir batteriebasierende Speichersysteme konstruieren konnten, die fünf Stunden, zehn Stunden, vielleicht einen ganzen Tag, oder drei Tage Reserveenergie bieten konnten.
under which I could build multiple companies in succession. Much later -- in 2000, very recently -- the new California energy crisis -- what was purported to be a big energy crisis -- was coming. And I was trying to figure out if we could build something that would capitalize on that and get people backup energy, in case the crisis really came. And I started looking at how we could build battery backup systems that could give people five hours, 10 hours, maybe even a full day, or three days' worth of backup power.
Ich bin froh, dass Sie vorhin schon gehört haben, dass Batterien im Vergleich zu Öl einen unglaublich viel weniger effektiven Energiespeicher darstellen. Man kann so viel mehr Energie über Treibstoffe speichern als durch Batterien. Man müsste den gesamten Raum eines Garagenstellplatzes füllen, nur um vier Stunden Batteriereserven zu haben. Und ich fand heraus, nachdem ich alle anderen Möglichkeiten erforscht hatte, die es für die Speicherung von Energie gab - Schwungräder, verschiedene Batterieflüssigkeiten - dass es einfach nicht praktisch war, Energie zu speichern.
I'm glad you heard earlier today, batteries are unbelievably -- lack density compared to fuel. So much more energy can be stored with fuel than with batteries. You'd have to fill your entire parking space of one garage space just to give yourself four hours of battery backup. And I concluded, after researching every other technology that we could deploy for storing energy -- flywheels, different formulations of batteries -- it just wasn't practical to store energy.
Aber wie verhielt es sich mit der Produktion? Vielleicht konnten wir Energie herstellen. Ich überlegte, ob nicht Solarenergie attraktiv geworden wäre. Seit 25 Jahren bin ich auf dem Gebiet schon involviert, lassen Sie mich also auf die Entwicklung von Solarzellen seitdem zurückblicken. Der Preis war von 10 Dollar pro Watt auf vier oder fünf Dollar gesunken, aber sich dann dort stabilisiert. Und er musste wirklich wesentlich niedriger werden, um kosteneffizient zu sein.
So what about making energy? Maybe we could make energy. I tried to figure out -- maybe solar's become attractive. It's been 25 years since I was doing this, let me go back and look at what's been happening with solar cells. And the price had gone down from 10 dollars a watt to about four or five dollars a watt, but it stabilized. And it needed to get much lower to be cost-effective.
Ich beschäftigte mich mit den Neuerungen, die Solarzellen erfahren hatten, und suchte nach weiteren Innovationen um Solarzellen günstiger produzieren zu können. Es gibt viele neue Möglichkeiten, dies zu tun, aber die Produktion verbraucht grundsätzlich immense Mengen Energie. Es wird sogar gesagt, dass mehr Energie benötigt wird, um eine Solarzelle herzustellen, als sie in ihrer ganzen Funktionszeit einbringen wird. Wenn wir die Energiemenge, die zur Solarzellenproduktion benötigt wird, reduzieren können, würde dies den Nutzen hoffentlich verbessern. Um die Solarzellen herzustellen, nimmt man zur Zeit quasi Silikon und stellt es bei 900°C für 17 Stunden in den Ofen. Viele Wissenschaftler arbeiten an Projekten, um dies zu reduzieren, aber auf diesem Gebiet konnte ich mich nicht einbringen. Also versuchte ich, einen anderen Weg zu finden, um kostengünstige Solarenergie zu gewinnen.
I studied all the new things that had happened in solar cells, and was looking for ways we could make solar cells more inexpensively. A lot of new things are happening to do that, but fundamentally, the process requires a tremendous amount of energy. Some people say it takes more energy to make a solar cell than it will give out in its entire life. If we reduce the amount of energy it takes to make the cells, that will become more practical. But right now, you pretty much have to take silicon, put it in an oven at 1600 F for 17 hours, to make the cells. A lot of people are working to try and reduce that, but I didn't have anything to contribute. So I tried to figure out what other way could we try
Ich machte mir also Gedanken - konnten wir nicht Sonnenlich mit einem großen Reflektor einfangen - wie ich damals in der Schule geplant hatte - und vielleicht konnten wir ja mit moderner Technologie große Kollektoren günstig herstellen, und das eingefangene Licht in einem kleinen Konverter konzentrieren, wodurch die Konvertierungsapparatur nicht so teuer sein müsste, im Gegensatz zu Solarzellen, die die gesamte Fläche, deren Sonneneinstrahlung eingefangen werden soll, abdecken müssen. Dies erschien mir nun vernünftig und realisierbar, da viele neue Technologien in den 25 Jahren entwickelt worden waren.
to make cost-effective solar electricity. What if we collect the sun with a large reflector -- like I had been thinking about in high school, but maybe with modern technology we could make it cheaper -- concentrate it to a small converter, and then the conversion device wouldn't have to be as expensive, because it's much smaller, rather than solar cells, which have to cover the entire surface that you want to gather sun from. This seemed practical now, because a lot of new technologies had come in the 25 years
Als erstes gab es viele neue Herstellungstechniken, und vor allem billige Minimotoren - bürstenlose Motoren, Servomotoren, Schrittmotoren, wie man sie zum Beispiel in Druckern und Scannern und so weiter nutzt Das war ein wichtiger Durchbruch. Günstig produzierbare Mikroprozessoren natürlich und noch wichtiger - genetische Algorithmen
since I had last looked at it. There was a lot of new manufacturing techniques, not to mention really cheap miniature motors -- brushless motors, servomotors, stepper motors, that are used in printers and scanners. So, that's a breakthrough. Of course, inexpensive microprocessors
Ich werde nur kurz etwas zu genetischen Algorithmen sagen. Sie stellen ein mächtiges Werkzeug für die Lösung hartnäckiger Probleme dar, das sich die natürliche Auslese zunutze macht. Man nimmt ein Problem, welches nicht durch eine durch und durch mathematische Antwort lösbar ist, und stellt ein evolutionäres System für vielfache Rateversuche auf, fügt Sex hinzu - was bedeuten soll, dass man die Hälfte einer ersten und die Hälfte einer zweiten Lösung nimmt und daraus neue Mutationen erstellt - und nutzt dann die natürliche Selektion, um die nicht so guten Lösungen abzutöten. Normalerweise kann man mit einem genetischen Algorithmus und einem heutigen Computer mit einem Prozessor von drei Gigahertz viele, viele früher kaum lösbare Probleme innerhalb weniger Minuten lösen. Wir versuchten dann, einen Weg zu finden, genetische Algorithmen für die Entwicklung eines neuen Konzentrators zu nutzen. Und ich werde Ihnen jetzt zeigen, was uns eingefallen ist.
and a very important breakthrough -- genetic algorithms. I'll be very short on genetic algorithms. It's a powerful way of solving intractable problems using natural selection. You take a problem that you can't solve with a pure mathematical answer, you build an evolutionary system to try multiple tries at guessing, you add sex -- where you take half of one solution and half of another and then make new mutations -- and you use natural selection to kill off not-as-good solutions. Usually, with a genetic algorithm on a computer today, with a three gigahertz processor, you can solve many formerly intractable problems in just a matter of minutes. So we tried to come up with a way to use genetic algorithms to create a new type of concentrator.
Traditionell sehen Konzentratoren aus wie dieser hier. Diese Formen sind Parabeln. Sie nehmen alle parallel einfallenden Strahlen und fokussieren sie in einem Punkt. Sie müssen die Sonne verfolgen, da sie direkt auf die Sonne ausgerichtet sein müssen. Normalerweise haben sie eine akzeptierte Winkelveränderung von einem Grad, was bedeutet, dass, sollte die Ausrichtung mehr als einen Grad abweichen, kein Sonnenlicht fokussiert werden kann. Also versuchten wir, einen Weg zu finden, einen nicht folgenden Kollektor zu bauen, einen Kollektor, der viel mehr als nur ein Grad Licht sammeln würde, aber ohne bewegliche Teile. Wir bildeten einen bestimmten Algorithmus, um dies auszuprobieren und bauten ein vergrößertes Modell eines vielschichtigen Reflektors, und es entwickelte sich etwas sehr Erstaunliches, und es entwickelte sich im wahrsten Sinne des Wortes, aus einer Billion verschiedener Versuche, mit einer Fitnessfunktion, die definierte, auf welche Weise man das meiste Sonnenlicht aus den meisten Winkeln, einen Tag lang, sammeln konnte,
And I'll show you what we came up with. Traditionally, concentrators look like this. Those shapes are parabolas. They take all the parallel incoming rays and focus it to a single spot. They have to track the sun, because they have to point directly at the sun. They usually have a one degree acceptance angle -- once they're more than a degree off, none of the sunlight rays will hit the focus. So we tried to come up with a non-tracking collector that would gather much more than one degree of light, with no moving parts. So we created a genetic algorithm to try this out, we made a model in Excel of a multisurface reflector, and an amazing thing evolved, literally, from trying a billion cycles, a billion different attempts, with a fitness function that defined how can you collect the most light, from the most angles, over a day, from the sun.
Und dies ist die Form, die sich schließlich herauskristallisierte. Es ist ein nichtbewegliche Kollektor mit diesen sechs tubaförmigen Trichtern, und jeder dieser Trichter sammelt Licht auf die folgende Weise - Wenn das Sonnenlicht hier eintrifft, könnte es direkt zum Zentrum reflektiert werden, dem Hot Spot, aber wenn die Sonne in einem Winkel dazu und außerdem von der Seite eintrifft, könnte es in zwei Stellen auftreffen und zweimal reflektiert werden. Direkt einfallendes Licht würde also nur einmal reflektiert, Lichtstrahlen aus einem Winkel zweimal, und Licht aus extremen Winkel vielleicht dreimal. Die Effizienz sinkt mit jeder Reflektion, da etwa 10% pro Reflektion verloren gehen. Dies erlaubte uns aber, Licht aus Winkeln von minus zu plus 25° zu sammeln. Damit konnten wir mit einer unbeweglichen Version zweieinhalb Stunden pro Tag Sonnenlicht sammeln.
And this is the shape that evolved. It's this non-tracking collector with these six tuba-like horns, and each of them collect light in the following way -- if the sunlight strikes right here, it might bounce right to the center, the hot spot, directly, but if the sun is off axis and comes from the side, it might hit two places and take two bounces. So for direct light, it takes only one bounce, for off-axis light it might take two, and for extreme off-axis, it might take three. Your efficiency goes down with more bounces, because you lose about 10 percent with each bounce, but this allowed us to collect light from a plus or minus 25-degree angle. So, about two and a half hours of the day
Solarzellen sammeln aber viereinhalb Stunden lang Licht. An einem Durchschnittstag verhält sich die Leistung einer Solarzelle - da die Sonne über den Himmel zieht - ähnlich einer Sinuskurve in den Bereichen ungünstiger Winkel. Sie sammelt durchschnittlich etwa viereinhalb Stunden Sonnenlicht pro Tag. Trotz der guten Idee ohne sich bewegende Teile - es konnten hohe Temperaturen erreicht werden - war es nicht genug. Wir mussten die Solarzellen schlagen. Also sahen wir uns eine andere Idee einmal genauer an.
we could collect with a stationary component. Solar cells collect light for four and a half hours though. On an average adjusted day, a solar cell -- because the sun's moving across the sky, the solar cell is going down with a sine wave function of performance at the off-axis angles. It collects about four and a half average hours of sunlight a day. So even this, although it was great with no moving parts -- we could achieve high temperatures -- wasn't enough. We needed to beat solar cells.
Wir entwickelten einen Weg, eine Parabel in individuelle Blütenblätter zu unterteilen, die der Sonne folgen würden. Was Sie hier sehen sind 12 separate Blätter, die mit individuellen Mikroprozessoren bewegt werden könnten, die nur etwa einen Dollar kosten würden. Man kann heute einen Zwei-Megahertz-Mikroprozessor für einen Dollar kaufen. Und man kann Schrittmotoren kaufen, die sich so gut wie nicht abnutzen, da sie keine Bürsten benutzen, ebenfalls für einen Dollar. Wir können alle dieser 12 Blätter für weniger als 50 Dollar kontrollieren und dies erlaubt uns, nicht länger den Fokus bewegen zu müssen, sondern nur die Blätter. Das ganze System wäre wesentlich vereinfacht, und trotzdem wären wir in der Lage, für sechseinhalb bis sieben Stunden pro Tag Sonnenlich zu sammeln.
So we took a look at another idea. We looked at a way to break up a parabola into individual petals that would track. So what you see here is 12 separate petals that each could be controlled with individual microprocessors that would only cost a dollar. You can buy a two-megahertz microprocessor for a dollar now. And you can buy stepper motors that pretty much never wear out because they have no brushes, for a dollar. So we can control all 12 of these petals for under 50 dollars and what this would allow us to do is not have to move the focus any more, but only move the petals. The whole system would have a much lower profile, but also we could gather sunlight for six and a half to seven hours a day.
Nun, da wir das Sonnenlicht konzentriert haben, was stellen wir ins Zentrum, um das Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln? Also sahen wir uns all die verschiedenen Wärmekraftmaschinen einmal an, die in der Vergangenheit benutzt worden sind, um Sonnenlicht in Elektrizität oder Hitze in Elektrizität umzuwandeln. Und als eine der großartigsten überhaupt, war James Watts Dampfmaschine von 1788 ein unglaublicher Durchbruch.. James Watt hat die Dampfmaschine eigentlich gar nicht erfunden, er hat sie nur weiterentwickelt. Aber seine Verbesserungen waren verblüffend. Er fügte den Kolben neue lineare Bewegungsführungen hinzu, er nutzte einen Kondensator, um den Dampf außerhalb des Zylinders zu kühlen, er machte den Motor doppelt wirkend, sodass er die doppelte Leistung brachte. Das waren die größten Verbesserungen. Also ich meine, von den Entwicklungen, die er machte - und daher ist es gerechtfertigt dass unser Maß der Energie, das Watt, nach ihm benannt ist. Wir schauten uns diesen Motor also einmal genauer an und erkannten auch wirklich Potential. Dampfmaschinen sind gefährlich, und sie hatten einen unglaublichen Effekt in der Welt, wie Sie wissen - die Industrielle Revolution und Schiffe und Lokomotiven. Aber normalerweise mussten sie sehr groß sein, und daher sind sie nicht gut nutzbar für verteilte Energiegewinnung. Außerdem stehen sie unter großem Druck und sind daher gefährlich.
Now that we have concentrated sunlight, what are we going to put at the center to convert sunlight to electricity? So we tried to look at all the different heat engines that have been used in history to convert sunlight or heat to electricity, And one of the great ones of all time, James Watt's steam engine of 1788 was a major breakthrough. James Watt didn't actually invent the steam engine, he just refined it. But his refinements were incredible. He added new linear motion guides to the pistons, he added a condenser to cool the steam outside the cylinder, he made the engine double-acting, so it had double the power. Those were major breakthroughs. All of the improvements he made -- and it's justifiable that our measure of energy, the watt, today is named after him. So we looked at this engine, and this had some potential. Steam engines are dangerous, and they had tremendous impact on the world -- industrial revolution and ships and locomotives. But they're usually good to be large, so they're not good for distributed power generation. They're also very high-pressure, so they're dangerous.
Ein anderer Motortyp ist der Heißluftmotor. Und der Heißluftmotor war auch nicht von Robert Stirling erfunden worden, aber Robert Stirling kam in 1816 daher und verbesserte ihn radikal. Dieser Motortyp - unglaublich interessant, er macht sich nur Luft zunutze, keinen Dampf - hat über dei Jahre zu Hunderten verschiedenen Designs geführt, die alle das Prinzip des Stirlingmotors nutzten.
Another type of engine is the hot air engine. And the hot air engine also was not invented by Robert Stirling, but Robert Stirling came along in 1816 and radically improved it. This engine, because it was so interesting -- it only worked on air, no steam -- has led to hundreds of creative designs over the years that use the Stirling engine principle.
Aber nach dem Stirlingmotor kam Otto daher, und auch er erfand den Verbrennungsmotor nicht, sonder entwickelte ihn nur weiter. Er führte ihn 1867 in Paris vor, und es war eine große Leistung, da er die Leistungsdichte des Motors drastisch erhöht hatte. Man konnte jetzt wesentlich mehr Leistung auf kleinerem Raum unterbringen und das ließ zu, dass der Motor für mobile Anwendungsmöglichkeiten offen wurde. Und sobald man Mobilität hat, kann man viele Motoren produzieren, da man mehr Einheiten benötigt, im Gegensatz zu Dampfschiffen oder großen Fabriken, für die nicht so viele Einheiten notwendig sind, also war dies der Motortyp der aus der Massenproduktion Nutzen zog, was alle anderen Motoren nicht taten. Weil er also in Massen produziert wurde, wurden die Produktionskosten gesenkt, hundert Jahre Weiterentwicklung, Abgase wurden reduziert, ein unglaublicher Produktionswert. Es wurden hunderte Millionen Verbrennungsmotoren gebaut, verglichen mit Tausenden Stirlingmotoren. Und nicht annähernd so viele kleine Dampfmaschinen werden mehr gebaut, nur große für große Betriebe. Nach Untersuchung dieser drei Möglichkeiten, und 47 anderen, schlossen wir, dass der Stirlingmotor der am besten geeignete sei.
But after the Stirling engine, Otto came along, and also, he didn't invent the internal combustion engine, he just refined it. He showed it in Paris in 1867, and it was a major achievement because it brought the power density of the engine way up. You could now get a lot more power in a lot smaller space, and that allowed the engine to be used for mobile applications. So, once you have mobility, you're making a lot of engines because you've got lots of units, as opposed to steam ships or big factories, so this was the engine that ended up benefiting from mass production where all the other engines didn't. So, because it went into mass production, costs were reduced, 100 years of refinement, emissions were reduced, tremendous production value. There have been hundreds of millions of internal combustion engines built, compared to thousands of Stirling engines built. And not nearly as many small steam engines being built anymore, only large ones for big operations. So after looking at these three, and 47 others, we concluded that the Stirling engine would be the best one to use.
Ich möchte Ihnen kurz erklären, worauf wir geachtet haben und wie das Ganze funktioniert. Wir versuchten also, den Stirlingmotor einmal in neuem Licht zu betrachten, weil es nun praktisch war - das Gewicht spielte keine Rolle mehr. Der Verbrennungsmotor zog damals davon, weil Gewicht wichtig war, daman sich ja schließlich bewegte. Aber wenn man versucht, Solarenergie an einer Stelle zu erzeugen, spielt Gewicht keine Rolle. Und wir fanden heraus, dass die Effektivität auch keine Rolle spielt, wenn die Energiequelle kostenlos ist. Normalerweise ist Effektivität essentiell, da die Treibstoffkosten des Motors die Anschaffungskosten bei weitem übersteigen. Wenn aber der Treibstoff kostenlos ist, dann sind nur die Anschaffungskosten des Motors wichtig. Man möchte also nicht die Effektivität optimisieren, sondern die Leistung pro Dollar. Nach diesem Wandel, dem neuen Kriterium, dachten wir, wir könnten den Stirlingmotor neu besehen, und auch die genetischen Algorithmen einbringen.
I want to give you a brief explanation of how we looked at it and how it works. So we tried to look at the Stirling engine in a new way, because it was practical -- weight no longer mattered for our application. The internal combustion engine took off because weight mattered, because you were moving around. But if you're trying to generate solar energy in a static place the weight doesn't matter so much. We also discovered that efficiency doesn't matter so much if your energy source is free. Normally, efficiency is crucial because the fuel cost of your engine over its life dwarfs the cost of the engine. But if your fuel source is free, then the only thing that matters is the up-front capital cost of the engine. So you don't want to optimize for efficiency, you want to optimize for power per dollar. So using that new twist, with the new criteria, we thought we could relook at the Stirling engine,
Robert Stirling konnte nicht auf Gordon Moore zurückgreifen, um drei Gigahertz Prozessorleistung zur Verfügung zu haben. Also nahmen wir den selben genetischen Algorithmus, den wir benutzt hatten, um den Konzentrator zu entwickeln, mit dem wir ja keinen Erfolg hatten, um damit den Stirlingmotor zu optimieren und die Designgrößen und alle Dimensionen genau dem Optimum anzupassen, das die meiste Leistung pro Dollar einbringen würde, ungeachtet des Gewichts und ungeachtet der Größe, um die beste Umwandlung der Solarenergie zu erreichen, weil die Sonne umsonst ist.
and also bring genetic algorithms in. Basically, Robert Stirling didn't have Gordon Moore before him to get us three gigahertz of processor power. So we took the same genetic algorithm that we used earlier to make that concentrator, which didn't work out for us, to optimize the Stirling engine, and make its design sizes and all of its dimensions the exact optimum to get the most power per dollar, irrespective of weight, irrespective of size, just to get the most conversion of solar energy,
Und diesen Prozess haben wir durchgeführt - lassen Sie mich Ihnen zeigen, wie es funktioniert: Der einfachste Wärmemotor, oder Heißluftmotor, aller Zeiten wäre dieser hier - man nimmt eine Box, einen Stahlkanister, mit einem Kolben. Man stellt eine Flamme darunter, und der Kolben wird nach oben bewegt. Man entfernt das Ganze von der Flamme und gießt Wasser darüber oder lässt es abkühlen, und der Kolben sinkt. Das ist eine Wärmekraftmaschine. Das ist im Grunde genommen der einfachste Wärmemotor, den man sich denken kann. Das Problem ist, dass die Effektivität sich um ein Hunderstel Prozent bewegt, da man das ganze Metall der Kammer heizt und es dann jedes Mal wieder abkühlen muss. Und die gewonnene Leistung ist nur die der gleichzeitig erwärmten Luft, aber all die Energie, die das Heizen und Abkühlen des Metalls benötigt, wird verschwendet. Irgendjemand hatte aber eine sehr gute Idee, Anstatt den gesamten Zylinder zu heizen und dann wieder abzukühlen, warum sollte man nicht einen Verdränger einbauen - ein kleines Ding, das die Luft hin- und herschiebt. Das bewegt man dann hoch und runter durch ein kleines bisschen Energie, aber nun schiebt man die Luft nur herunter zum heißen und hoch zum kalten Ende, herunter zum heißen Ende und hoch zum kalten. Jetzt heizt und kühlt man nicht mehr das Metall, sondern heizt und kühlt die Luft. Das ermöglicht es, die Effektivität von einem Hundertstel Prozent auf etwa zwei Prozent zu erhöhen.
because the sun is free. And that's the process we took -- let me show you how the engine works. The simplest heat engine, or hot air engine, of all time would be this -- take a box, a steel canister, with a piston. Put a flame under it, the piston moves up. Take it off the flame and pour water on it, or let it cool down, the piston moves down. That's a heat engine. That's the most fundamental heat engine you could have. The problem is the efficiency is one hundredth of one percent, because you're heating all the metal of the chamber and then cooling all the metal of the chamber each time. And you're only getting power from the air that's heating at the same time, but you're wasting energy heating and cooling the metal. So someone came up with a very clever idea. Instead of heating and cooling the whole cylinder, what about if you put a displacer inside -- a little thing that shuttles the air back and forth. You move that up and down with a little bit of energy but now you're only shifting the air down to the hot end and up to the cold end. So, now you're not alternately heating and cooling the metal, just the air. That allows you to get the efficiency up from a hundredth of a percent to about two percent.
Und dann hatte Robert Stirling eine geniale Idee, die etwa besagt: Also ich heize jetzt nicht mehr das Metall bei diesem Motortyp, aber ich muss immer noch die Luft immer wieder neu aufheizen. Ich heize und kühle die Luft immer noch abwechselnd. Was wäre, wenn ich einen thermischen Schwamm in der Mitte anbringe, in den Durchgang zwischen Heiß und Kalt, den die Luft passieren muss? Also machte er aus dünnen Drähten und Glassplittern, und vielen anderen Materialien einen Thermoschwamm. Wenn sich die Luft also nach oben bewegt, um vom heißen zum kalten Ende zu gelangen, lässt es etwas Wärme im Schwamm. Und wenn die Luft wieder zurückkommt, nachdem sie abgekühlt worden ist, kann sie diese Wärme wieder aufnehmen. Damit verwendet man die Energie fünf oder sechs mal wieder, und das steigert die Effektivität zu zwischen 30 und 40 Prozent. Das ist eine wenig bekannte, aber brilliante, geniale Erfindung Robert Stirlings, die aus der etwas unpraktischen Wärmekraftmaschine - die ich durch meine wirklich einfache Version in der Schule kennenlernte - eine wirklich vielversprechenden Möglichkeit macht, wenn man die Effektivität hoch genug, und die Produktionskosten niedrig genug machen kann.
And then Robert Stirling came along with this genius idea, which was, well, I'm still not heating the metal now, with this kind of engine, but I'm still reheating all the air. I'm still heating the air every time and cooling the air every time. What about if I put a thermal sponge in the middle, in the passageway between where the air has to move between hot and cold? So he made fine wires, and cracked glass, and all different kinds of materials to be a heat sponge. So when the air pushes up to go from the hot end to the cold end, it puts some heat into the sponge. And then when the air comes back after it's been cooled, it picks up that heat again. So you're reusing your energy five or six times, and that brings the efficiency up to between 30 and 40 percent. It's a little known, but brilliant, genius invention of Robert Stirling that takes the hot air engine from being somewhat impractical -- like I found out when I made the real simple version in high school -- to very potentially possible, once you get the efficiency up,
Also machten wir uns jetzt auf die Suche nach den geringstmöglichen Produktionskosten. Wir erstellten ein riesiges mathematisches Model der Funktionsweise eines Stirlingmotors. Wir wandten den genetischen Algorithmus an. Wir nahmen die Ergebnisse für die optimale Apparatur. Wir bauten Apparaturen - es wurden etwa 100 verschiedene Versionen in den letzten zwei Jahren. Wir vermaßen jede und wir passten unser Modell den Ergebnissen an, und daraus entwickelten wir den derzeitigen Prototypen. Es wurde eine sehr kompakte, günstige Maschine. Und so sieht sie aus. Lassen Sie mich Ihnen Zeigen, wie sie in Lebensgröße aussieht. Also hier haben wir die Maschine. Es ist nur ein kleiner Zylinder hier unten, der den Generator und all die Kabelage in sich hat, und dies ist die heiße Kappe, der heiße Zylinder am oberen Ende - dieser Teil wird heiß, dieser ist kalt, und heraus kommt Elektrizität. Und die genau Umkehrung funktioniert auch. Wenn man Elektrizität hineinleitet, wird dies heiß werden und dies wird kalt, man erhält Kühlung. Es ist also ein komplett umkehrbarer Kreislauf, ein sehr effektiver Zyklus, und eigentlich ziemlich simpel herzustellen.
if you can design this to be low enough cost. So we really set out on a path to try and make the lowest cost possible. We built a huge mathematical model of how a Stirling engine works. We applied the genetic algorithm. We got the results from that for the optimal engine. We built engines -- so we built 100 different engines over the last two years. We measured each one, we readjusted the model to what we measured, and then we led that to the current prototype. It led to a very compact, inexpensive engine, and this is what the engine looks like. Let me show you what it looks like in real life. So this is the engine. It's just a small cylinder down here, which holds the generator inside and all the linkage, and it's the hot cap -- the hot cylinder on the top -- this part gets hot, this part is cool, and electricity comes out. The exact converse is also true. If you put electricity in, this will get hot and this will get cold, you get refrigeration. So it's a complete reversible cycle, a very efficient cycle, and quite a simple thing to make.
Nun setzen wir die zwei Dinge zusammen. Man hat also die Maschine, was passiert also, wenn man die Blätter und die Maschine in der Mitte kombiniert? Die Blätter verfolgen die Sonne, und dadurch bekommt die Maschine konzentriertes Sonnenlicht, und nutzt diese Hitze, um Elektrizität zu erzeugen. Unser erster Prototyp sah so aus, mit den Blättern und dem Motor in der Mitte. Dieser wird gerade in der Sonne betrieben, aber jetzt möchte ich Ihnen zeigen, wie das Ding in echt aussieht. (Applaus) Vielen Dank.
So now you put the two things together. So you have the engine. What if you combine the petals and the engine in the center? The petals track and the engine gets the concentrated sunlight, takes that heat and turns it into electricity. This is what the first prototype of our system looked like with the petals and the engine in the center. This is being run out in the sun, and now I want to show you what the actual thing looks like. (Applause) Thank you.
Dies ist ein Exemplar mit 12 Blättern. Diese Blätter kosten etwa einen Dollar pro Stück - leichtes injektionsverbolztes Plastik, aluminiumbeschichtet. Der Mechanismus, der jedes Blatt kontrolliert, ist dort unten mit einem Mikroprozessor in jedem einzelnen. Auf dem Motor sind Thermoelemente - kleine Sensoren, die die Hitze feststellen, wenn sie von Sonnenlicht getroffen werden. Jedes Blatt justiert sich selbst unabhängig von den anderen um die höchste Temperatur zu liefern. Wenn die Sonne morgens aufgeht, werden die Blätter die Sonne suchen, und finden sie, indem sie nach der höchsten Temperatur suchen. Etwa anderthalb bis zwei Minuten nachdem die Strahlen begonnen haben, auf die heiße Kappe zu treffen, wird der Motor warm genug sein, um zu starten, und dann wird der Motor Elektrizität für etwa sechseinhalb Stunden pro Tag generieren - sechseinhalb bis sieben Stunden, während die Sonne über den Himmel zieht.
So this is a unit with the 12 petals. These petals cost about a dollar each -- they're lightweight, injection-molded plastic, aluminized. The mechanism to control each petal is below there, with a microprocessor on each one. There are thermocouples on the engine -- little sensors that detect the heat when the sunlight strikes them. Each petal adjusts itself separately to keep the highest temperature on it. When the sun comes out in the morning, the petals will seek the sun, find it by searching for the highest temperature. About a minute and a half or two minutes after the rays are striking the hot cap the engine will be warm enough to start and then the engine will generate electricity for about six and a half hours a day --
Ein wichtiger Bestandteil, den wir nutzen, sind diese kostengünstigen Mikroprozessoren und, dass jedes dieser Blätter autonom sind, und jedes findet die Position der Sonne für sich heraus, ohne, dass der Benutzer involviert würde. Sie müssen also keine Koordinaten eingeben, Sie müssen auch nicht das Gefälle Ihres Daches angeben, und Sie müssen nicht einmal die Ausrichtung Ihres Hauses wissen. Das kümmert das Gerät nicht wirklich. Es sucht einfach nach dem heißesten Punkt, und es sucht eine halbe Stunde später nocheinmal, und einen Tag später, und einen Monat später. Im Grunde findet es heraus, wo Sie auf der Welt sind, indem es den Weg der Sonne verfolgt, daher muss man wirklich nichts eingeben.
six and a half to seven hours as the sun moves across the sky. A critical part that we can take advantage of is that we have these inexpensive microprocessors and each of these petals is autonomous, and each of these petals figures out where the sun is with no user setup. So you don't have to tell what latitude, longitude you're at, what your roof slope angle is, or what orientation. It doesn't really care. What it does is it searches to find the hottest spot, it searches again a half an hour later, a day later, a month later. It basically figures out where on Earth you are by watching the direction the sun moves, so you don't have to actually enter anything about that.
Und es funktioniert so, dass das Gerät sich anschaltet, wenn die Sonne hervorkommt, und dann bekommt man hieraus Elektrizität. Wir verfügen über Wechsel- und Gleichstrom, und bekommen 12 Volt Gleichstrom, die für bestimmte Anwendungen genutzt werden können. Dank eines eingebauten Inverters bekommen wir auch 117 Volt Wechselstrom, und auch heißes Wasser. Wobei das heiße Wasser optional ist. Man muss das heiße Wasser nicht nutzen, es kann auch abkühlen. Aber man kann das Gerät auch zum Erhitzen von Wasser nutzen, was die Effizienz noch steigert, da man Teile der Hitze, die man normalerweise verlieren würde, nun als wertvolle Energie nutzen kann, sei es in einem Pool oder für heißes Wasser.
The way the unit works is, when the sun comes out, the engine will start and you get power out here. We have AC and DC, get 12 volts DC, so that could be used for certain applications. We have an inverter in there, so you get 117 volts AC. And you also get hot water. The hot water's optional. You don't have to use it, it will cool itself. But you can use it to optionally heat hot water and that brings the efficiency up even higher because some of the heat that you'd normally be rejecting, you can now use as useful energy, whether it's for a pool or hot water.
Lassen Sie mich Ihnen in einem kurzen Film zeigen, wie das Ganze in Aktion aussieht. Dies ist der erste Test im Freien und jedes der Blätter sucht jetzt also individuell nach dem besten Winkel. Sie führen erst grobe, und später sehr feine Justierungen durch. Wenn sie dann eine Temperaturmessung erhalten, die darauf deutet, dass sie die Sonne gefunden haben, verlangsamen sie ihre Justierungen und führen eine wesentlich genauere Suche durch, und dann werden alle Blätter ihre Position einnehmen und der Motor wird starten.
Let me show you a quick movie of what this looks like running. This is the first test where we took it outside and each of the petals were individually seeking. And what they do is step, very coarsely at first, and very finely afterward. Once they get a temperature reading on the thermocouple indicating they found the sun, they slow down and do a fine search.
Wir haben die letzten zwei Jahre hieran gearbeitet. Und obwohl wir sehr begeistert von unseren Fortschritten sind, haben wir doch noch einen sehr langen Weg vor uns, und darüber möchte ich Ihnen jetzt ein wenig erzählen. So stellen wir uns die Installation auf einem Wohnhaus vor, obwohl man wahrscheinlich mehr als ein Exemplar auf dem Dach anbringen würde. Es könnte auf dem Dach, im Garten oder irgendwo anders angebracht werden und man muss auch nicht genug Geräte haben, um das gesamte Haus zu versorgen, man spart nur mit jedem hinzukommendem Gerät Geld. Bei dieser Art der Anwendung ist man noch immer an das normale Netz angeschlossen, das als Sicherheitsversorger dient - diese Geräte kann man natürlich bei Nacht nicht nutzen, und auch nicht an bewölkten Tagen.
Then the petals will move into position, and the engine will start. We've been working on this for the last two years. We're very excited about the progress, we have a long way to go though. This is how we envision it would be in a residential installation: you'd probably have more than one unit on your roof. It could be on your roof, your backyard, or somewhere else. You don't have to have enough units to power your entire house, you just save money with each incremental one you add. So you're still using the grid potentially, in this type of application, to be your backup supply -- of course, you can't use these at night, and you can't use these on cloudy days.
Aber durch die Reduktion des Energieverbrauchs, vor allem in den Hauptbelastungszeiten - also wenn die Klimaanlage läuft oder Ähnliches - generieren die Geräte den Großteil der Energie in den Zeiten, in denen auch am meisten Energie verbaucht wird, was sich da also sehr gut ergänzt. So würden wir uns also die Anwendung auf Wohnhäusern vorstellen.
But by reducing your energy use, pretty much at the peak times -- usually when you have your air conditioning on, or other times like that -- this generates the peak power at the peak usage time, so it's very complementary in that sense.
Wir denken auch, dass die Nutzung in Energiefarmen großes Potential hat vor allem in abgelegenen Gebieten, in denen viel Sonnenschein vorkommt. Das ist eine wirklich gute Kombination dieser zwei Faktoren. Es stellt sich heraus, dass es natürlich viel kräftige Sonne überall auf der Welt gibt, aber an speziellen Orten, an denen es relativ billig wäre, die Geräte aufzustellen, und auch an vielen weiteren Orten, wo ebenfalls hohe Windenergie vorkommt.
This is how we would envision a residential application. We also think there's very big potential for energy farms, especially in remote land where there happens to be a lot of sun. It's a really good combination of those two factors. It turns out there's a lot of powerful sun all around the world, obviously, but in special places where it happens to be relatively inexpensive to place these
Zum Beispiel haben wir hier eine Karte der Vereinigten Staaten. Überall, wo es nicht grün oder blau ist, ist eigentlich ein idealer Aufstellungsort, und auch die günen oder blauen Regionen sind noch gut, aber eben nicht genauso gut wie die roten, orangen oder gelben Gebiete. Aber dieser heiße Fleck um Las Vegas und Death Valley herum ist sehr, sehr gut.
and also in many more places where there is high wind power. So an example of that is, here's the map of the United States. Pretty much everywhere that's not green or blue is a really ideal place, but even the green or blue areas are good, just not as good as the places that are red, orange and yellow. But the hot spot right around Las Vegas and Death Valley is very good.
Aber alles, was das beeinflusst, ist die Amortisationsdauer, und das heißt nicht, dass man keine Solarenergie nutzen kann, man kann Solarenergie überall auf der Welt nutzen. Es beeinflusst nur die Amortisationsdauer, wenn man mit Elektrizität über das Stromnetz vergleicht. Aber wenn man keine Elektrizität über das Stromnetz bezieht, verändert das die gesamte Amortisationsfrage von grundauf. Dann spielt es nur eine Rolle, wie viel Watt man pro Dollar erhält, und auf welche Art man die Leistung nutzen kann, um sein Leben etwas zu verändern.
And is only affects the payback period, it doesn't mean that you couldn't use solar energy; you could use it anywhere on Earth. It just affects the payback period if you're comparing to grid-supplied electricity. But if you don't have grid-supplied electricity, then the question of payback is a different one entirely. It's just how many watts do you get per dollar, and how could you benefit from that to change your life in some way.
Hier haben wir also eine Karte der vereinigten Staaten. Das hier ist die Karte der Erde und wieder kann man diesen breiten Streifen in der Mitte sehen, wo auch ein großer Teil der Weltbevölkerung lebt, und das ermöglicht große Chancen für die Nutzung von Solarenergie. Und werfen Sie einen Blick auf Afrika, natürlich. Es ist unglaublich, wie groß das Potential für Solarenergie dort ist und ich bin sehr begeistert, mehr über Wege zu reden, wie wir darauf hin arbeiten können.
This is the map of the whole Earth, and you can see a huge swathe in the middle where a large part of the population is, there's tremendous chances for solar energy. And of course, look at Africa. The potential to take advantage of solar energy there is unbelievable, and I'm really excited to talk more about finding ways we can help with that.
Zusammenfassend würde ich sagen, dann mir meine Reise gezeigt hat, dass man alte Ideen in neuem Licht besehen kann, und dass manche Ideen, die in der Vergangenheit verworfen wurden nützlich sein können, wenn man neue Technologien und Wendungen anwenden kann. Wir glauben, dass wir nahe an einer praktischen und erschwinglichen Lösung sind. Unser kurzfristiges Ziel dafür ist die Hälfte des Preises für Solarzellen und langfristig planen wir eine Amortisationsdauer von weniger als fünf Jahren. Und bei weniger als fünf Jahren Amortisationsdauer wird alles plötzlich sehr ökonomisch.
So, in conclusion, I would say my journey has shown me that you can revisit old ideas in a new light, and sometimes ideas that have been discarded in the past can be practical now if you apply some new technology or new twists. We believe we're getting very close to something practical and affordable. Our short-term goal for this is to be half the price of solar cells and our longer-term goal is to be less than a five-year payback. And at less than a five-year payback, this becomes very economic.
Man muss also nicht nur ein reines Energiegewissen haben wollen um eines dieser Geräte haben zu wollen. Es macht auch einfach ökonomisch Sinn. Momentan befindet sich die Amortisationsdauer für Solarzellen bei 30 bis 50 Jahren. Wenn man diese auf fünf Jahre senken kann, muss man eigentlich gar nicht nachdenken, es ist im Eigeninteresse - jemand anders wird es finanzieren und vom ersten Tag an kann man praktisch Geld verdienen. Das ist unser großes Ziel, auf das wir zur Zeit zusteuern.
So you don't have to just have a feel-good attitude about energy to want to have one of these. It just makes economic sense. Right now, solar paybacks are between 30 and 50 years. If you get it down below five years, then it's almost a no-brainer because the interest to own it -- someone else will finance it for you and you can just make money from day one. So that's our real powerful goal
Ich habe zwei Dinge gelernt, die mich sehr überrascht haben - zum einen, wie unbedacht wir mit Energie umgehen. Ich lief vom Fahrstuhl hierher und und wenn man sich nur einmal die Bühne ansieht - hier sind wahrscheinlich gerade etwa 20.500 Watt an Licht in Betrieb. 10.000 Watt Licht regnen geradezu auf die Bühne herunter, eine volle Pferdestärke sind 756 Watt. Im Grunde genommen rennen hier fünfzehn Pferde mit Höchstgeschwindigkeit, nur um die Bühne hell zu halten. Von den 200 Pferden gar nicht zu reden, die gerade laufen, um die Klimaanlage in Betrieb zu halten. Es ist unglaublich, man geht in den Fahrstuhl und innen ist das Licht an.
that we're really shooting for in the company. Two other things that I learned that were very surprising to me -- one was how casual we are about energy. I was walking from the elevator over here, and even just looking at the stage right now -- so there's probably 20,500-watt lights right now. There's 10,000 watts of light pouring on the stage, one horsepower is 746 watts, at full power. So there's basically 15 horses running at full speed just to keep the stage lit. Not to mention the 200 horses that are probably running right now to keep the air-conditioning going. And it's just amazing,
Mittlerweile reagiere ich sehr sensible, wenn Zuhause das Licht angelassen wird. Überall um uns haben wir unersättliche Energieverbrauch, weil Energie so billig ist. Und sie ist so billig, weil wir gefördert wurden von Energie, die von der Sonne konzentriert worden ist. Im Grunde ist Öl nämlich konzentrierte Solarenergie. Es wurde eine Milliarde Jahre lang mit einer Unmenge Energie gepresst um mit so viel Energie angefüllt zu sein. Und wir haben kein Geburtsrecht, diese Energie so schnell zu verbrauchen, wie wir es im Moment tun. Und es wäre großartig, wenn wir einen Weg finden könnten um unseren Energieverbrauch erneuerbar zu machen, sodass wir die Energie nutzen, die wir mit der gleichen Geschwindigkeit erzeugen, und ich hoffe wirklich, dass wir diesen Punkt erreichen werden.
walk in the elevator, and there's lights on in the elevator. Of course, now I'm very sensitive at home when we leave the lights on by mistake. But, everywhere around us we have insatiable use for energy because it's so cheap. And it's cheap because we've been subsidized by energy that's been concentrated by the sun. Basically, oil is solar-energy concentrate. It's been pounded for a billion years with a lot of energy to make it have all that energy contained in it. And we don't have a birthright to just use that up as fast as we are, I think. And it would be great if we could make our energy usage renewable, where as we're using the energy, we're creating it at the same pace,
Vielen Dank, Sie waren ein tolles Publikum. (Applaus)
and I really hope we can get there. Thank you very much, you've been a great audience.