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.
כבר בגיל 15 התחלתי להתעניין באנרגיה סולרית. עברנו מפורט לי שבניו-ג'רזי לקליפורניה, עברנו משלג להרבה חום ולצינורות נפט. ב-1973 הונהגה הקצבת דלק. משבר האנרגיה היה בעיצומו.
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. 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.
התחלתי לקרוא את כתב-העת "מדע פופולרי", ומאד התלהבתי מפוטנציאל השימוש באנרגיית השמש לפתרון המשבר. בדיוק התחלתי ללמוד טריגונומטריה בביה"ס התיכון, למדתי על הפרבולה ועל יכולתה לרכז קרני אור למוקד אחד. זה מאד הלהיב אותי. ובאמת הרגשתי שעשוי להיות כאן פוטנציאל לבנות משהו שיוכל לרכז אור. אז יסדתי את חברת "מתקנים סולריים". זו היתה חברה שבה בניתי פרבולות, לקחתי מפעל מתכת, ואני זוכר שבניתי פרבולות ומנועי סטירלינג במפעל מתכת. עסקתי בבניית מנוע סטירלינג על המחרטה, וכל האופנוענים התקרבו, ואמרו, "אתה בונה 'באנג' (לעישון חשיש), נכון?" עניתי, "לא, זה מנוע סטירלינג. באמת." אבל הם לא האמינו לי.
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. 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. 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.
מכרתי את התכניות למנוע ולצלחת האלה להצגה בשער האחורי של "מדע פופולרי". הם שילמו לי עליהם 8 דולר. והרווחתי די כסף לממן את שנתי הראשונה ב"קאל-טק". התרגשתי מאד להתקבל ל"קאל-טק". בשנתי הראשונה ב"קאל-טק" המשכתי את העסק. אך בשנה השניה ב"קאל-טק" התחילו לתת ציונים. בשנה הראשונה הציון היה עובר/נכשל, אך בשניה החלו הציונים. לא יכולתי להמשיך לנהל את העסק, היה עלי להמתין 25 שנה. חלומי היה להמיר אנרגיה סולרית במחיר סביר מאד, אבל נאלצתי להמתין עם זה. ראשית, עבודות הבית ב"קאל-טק". אח"כ, כשסיימתי את "קאל-טק", יצא המחשב האישי של יב"מ ב-1981 התמכרתי למחשב האישי של יב"מ
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 under which I could build multiple companies in succession.
וב-1983 יצא "לוטוס 1-2-3" והוא שיגע אותי לגמרי. התחלתי להפעיל את העסק עם 1-2-3, לכתוב לו תוספים, כתבתי ל-1-2-3 ממשק שפה טבעית. ייסדתי חברת תוכנה לימודית אחרי שהצטרפתי ללוטוס וייסדתי את "אידיאלאב", וכך היה לי גג שתחתיו יכולתי להקים מספר חברות ברצף.
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. 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. So what about making energy? Maybe we could make energy.
ואז, הרבה יותר מאוחר, ב-2000, ממש לאחרונה, משבר האנרגיה החדש בקליפורניה, או מה שהתיימר להיות משבר אנרגיה גדול - התקרב. ואני ניסיתי לבדוק אם יש דרך לבנות משהו שירוויח מזה להשגת אנרגיית-גיבוי למקרה שהמשבר אכן יגיע. התחלתי לבדוק איך נוכל לבנות מערכות-מצברים לגיבוי שייתנו לאנשים 4 שעות, 10 שעות, אפילו יום שלם, או שלושה ימים במונחי גיבוי חשמלי. אני שמח ששמעתם מוקדם יותר היום הדחיסות במצברים נמוכה בהרבה, מבחינת אנרגיה, בהשוואה לדלק. אפשר לאחסן הרבה יותר אנרגיה בדלק מאשר במצברים. תצטרכו למלא את כל מרחב החניה שלכם רק כדי לקבל 4 שעות של גיבוי מצברים. לכן הסקתי, אחרי שחקרתי את כל הטכנולוגיות האחרות שאנו יכולים להיערך לאיחסון אנרגיה - - גלגלי-תנופה, פריסות שונות של מצברים - כל אלה פשוט לא פרקטיים לאיחסון אנרגיה. אז מה עם ייצור אנרגיה? אולי נוכל לייצר אנרגיה?
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. 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.
ניסיתי לבדוק אם האנרגיה הסולרית נעשית אטרקטיבית. כבר 25 שנה שאני עושה זאת, הבה נחזור לאחור ונבדוק מה קרה עם תאים סולריים. המחיר ירד מ-10 דולר לוואט ל-4 או 5 דולר לוואט, אך הוא התייצב. והוא היה צריך לרדת יותר מבחינת יחס עלות-תועלת. התעדכנתי בכל מה שקרה בתחום התאים הסולריים וניסיתי לחפש דרכים בהן נוכל לחדש ולייצר תאים סולריים יותר בזול. קרו הרבה דברים חדשים שאיפשרו זאת, אך ביסודו של דבר התהליך דורש כמות אנרגיה עצומה. יש האומרים שנחוצה יותר אנרגיה לייצור תא סולרי, מכל מה שהוא יפיק בכל תקופת חייו. קיווינו שאם נצמצם את האנרגיה שנחוצה לייצור התאים, זה ייעשה יותר מעשי.
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 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.
אך כרגע, צריך לקחת סיליקון, לחממו 17 שעות ב-1600 מעלות פרנהייט כדי לייצר תאים. המון אנשים מנסים בדרכים שונות לצמצם זאת, אך לא היה לי מה לתרום בתחום זה. אז חיפשתי דרך אחרת לייצר חשמל סולרי ביחס עלות-תועלת טוב. עלה בי רעיון, לרכז את השמש ברפלקטור גדול- כמו זה שחשבתי עליו כשהייתי בתיכון - ואולי בטכנולוגיה המודרנית נוכל לייצר אוסף זול וגדול יותר, לרכז את זה לממיר קטן, ואז מתקן ההמרה לא יצטרך להיות יקר, כי הוא הרבה יותר קטן יחסית לתאים סולריים, שצריכים לכסות את כל השטח שממנו רוצים לאסוף שמש. כעת זה נראה מעשי,
This seemed practical now, because a lot of new technologies had come in the 25 years 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 and a very important breakthrough -- genetic algorithms.
כי המון טכנולוגיות חדשות הופיעו ב-25 השנים מאז בדקתי זאת לאחרונה. ראשית כל, היו המון טכניקות ייצור חדשות, שלא לציין מנועים זעירים זולים מאד - מנועים ללא מברשות, מנועי סרוו, מנועי פסיעה, כמו במדפסות ובסורקים וכדומה. כך שזו פריצת דרך. כמובן, גם מעבדים זעירים זולים ועוד פריצת דרך חשובה ביותר: אלגוריתמים גנטיים. אלגוריתמים גנטיים, בקיצור נמרץ:
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.
זו דרך רבת-עוצמה לפתרון בעיות עקשניות בעזרת ברירה טבעית. לוקחים בעיה שלא מצליחים למצוא לה פתרון מתמטי טהור, בונים מערכת אבולוציונית שמבצעת הרבה נסיונות ניחוש, מוסיפים מין - לוקחים חצי של פתרון אחד וחצי של אחר ויוצרים מוטציות חדשות - ומשתמשים בברירה טבעית לביטול פתרונות לא מוצלחים. בד"כ, בעזרת אלגוריתם גנטי במחשב של היום
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. And I'll show you what we came up with.
ועם מעבד של 3 ג'יגה-הרץ, ניתן לפתור הרבה מאד בעיות שהיו בעבר בלתי-פתירות, בתוך כמה דקות. ניסינו למצוא דרך להשתמש באלגוריתמים גנטיים כדי ליצור סוג חדש של יחידת ריכוז. אראה לכם למה הגענו. באופן מסורתי, יחידות ריכוז נראות כך.
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.
הצורות האלה הן פרבולות. הן ממקדות את כל הקרניים המקבילות הנכנסות בנקודה אחת. עליהן לעקוב אחרי השמש, כי עליהן להיות מכוונות ישר אל השמש. יש להן בד"כ זווית קליטה של עד מעלה אחת, כלומר, שכאשר הן מוסטות ביותר ממעלה, שום קרן שמש לא תפגע במוקד. ניסינו למצוא דרך ליצירת אוסף לא עוקב, אוסף שיוכל לאסוף הרבה יותר ממעלה אחת של אור, וללא חלקים נעים. אז יצרנו לשם כך את האלגוריתם הגנטי הזה, יצרנו דגם גדול של מחזיר-אור רב-פנים, ואירעה אבולוציה מדהימה, פשוטו כמשמעו, מנסיון של מיליארד מחזורים, מיליארד נסיונות שונים, עם פונקציית כשירות שקבעה איך לאסוף את מירב האור, ממירב הזוויות, ביום אחד מן השמש.
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 we could collect with a stationary component.
וזו הצורה שהתפתחה. זהו אוגר לא-עוקב עם 6 קרניים דמויות-טובה, וכל אחת מהן אוספת אור בדרך הבאה - אם אור השמש פוגע בדיוק כאן, הוא מוחזר מיד למרכז, ישירות לנקודה החמה, אך אם השמש אינו ישיר ומגיע מן הצד, הוא עשוי לפגוע בשני מקומות ולבצע שני החזרים. כך שלאור ישיר נדרש רק החזר אחד, ולאור מוסט עשויים להידרש שניים, ולאור בהסטה קיצונית עשויים להידרש שלושה. הנצילות יורדת ככל שמתרבים ההחזרים, כי בכל החזר מאבדים 10%. אך זה מאפשר לנו לאסוף אור מזווית של כ-25 מעלות. כך שהצלחנו לאסוף במשך כשעתיים וחצי ביום בעזרת רכיב נייח.
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.
אך תאים סולריים אוספים אור במשך ארבע וחצי שעות. ביום ממוצע, תא סולרי, מכיוון שהשמש נעה בשמיים ביצועי התא הסולרי יורדים בפונקציית גל סינוס בזוויות הבלתי-ישירות. הוא אוסף במשך כ-4.5 שעות אור-שמש ביום. אז אפילו כך, שזה נפלא ובלי חלקים נעים, ושיכולנו להגיע לטמפרטורות גבוהות, זה לא הספיק. היינו צריכים להתעלות על התאים הסולריים.
We needed to beat solar cells. 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.
אז בדקנו רעיון אחר. בדקנו דרך לשבור פרבולה לעלי-כותרת נפרדים שיעקבו. וכאן אתם רואים 12 עלי-כותרת נפרדים, שכל אחד נשלט ע"י מעבד-זעיר נפרד שמחירו דולר אחד בלבד. אפשר היום לקנות מעבד-זעיר של 2 מגה-הרץ בדולר אחד. ואפשר לקנות מנועי-פסיעה שבעצם לעולם לא מתבלים, מפני שאין בהם מברשות, בדולר אחד. אפשר לשלוט בכל 12 עלי הכותרת בפחות מ-50 דולר, ומבחינתנו זה מבטל את הצורך להזיז את המוקד, אלא להזיז רק את עלי הכותרת.
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. 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.
לכל המערכת יהיה פרופיל הרבה יותר נמוך, ובנוסף, נוכל לאסוף אור-שמש במשך 7-6.5 שעות ביום. וכעת, משריכזנו את אור השמש, מה נציב במרכז כדי להמיר את אור השמש לחשמל? ניסינו לבדוק כל מיני מנועי-חום שהיו בשימוש בעבר כדי לנסות להמיר אור-שמש לחשמל, או חום לחשמל. ואחד המעולים בכל הזמנים, מנוע הקיטור של ג'יימס וואט מ-1788, היה פריצת-דרך חשובה. ג'יימס וואט לא המציא את מנוע הקיטור אלא רק שיפר אותו. אך השיפורים שלו היו מדהימים. הוא הוסיף מנחי-תנועה-קווית לבוכנות, הוסיף מעבה לצינון הקיטור מחוץ לצילינדר, הפך את המנוע לבעל פעולה כפולה, כך שכוחו הוכפל.
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.
אלו היו פריצות-דרך חשובות. כולמר, כל השיפורים שהוא הכניס... שיחידת האנרגיה שלנו היום - וואט - קרויה בצדק על שמו. אז בדקנו את המנוע הזה, והיה בו פוטנציאל מסוים. מנועי קיטור הם מסוכנים, והיתה להם השפעה עצומה על העולם, כידוע לכם - המהפכה התעשייתית, האוניות והקטרים. אך הם בד"כ טובים כשהם גדולים, אך אינם טובים כל-כך בהפקת כוח מפוצלת. ויש בהם גם לחץ גבוה מאד, כך שהם מסוכנים.
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.
סוג מנוע אחר הוא מנוע האוויר החם. גם מנוע האוויר החם לא הומצא ע"י רוברט סטירלינג, אך רוברט סטירלינג בא ב-1816 ושיפר אותו באורח קיצוני. מנוע זה היה מעניין מאד ופעל רק על אוויר, ללא קיטור, והוביל למאות עיצובים יצירתיים במשך השנים, שניצלו את עקרון מנוע סטירלינג.
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.
אבל אחרי מנוע סטירלינג, הגיע אוטו. שגם לא המציא את מנוע הבעירה הפנימית אלא רק שכלל אותו. הוא הציגו בפריס ב-1867, וזה היה הישג עצום כי הוא העלה בהרבה את דחיסות הכוח של המנוע. זה איפשר לקבל הרבה יותר כוח בחלל הרבה יותר קטן וזה איפשר להשתמש במנוע ליישומים ניידים. אז ברגע שיש לכם ניידות, אתם מייצרים המון מנועים כי יש לכם המון יחידות, לעומת אניות קיטור או מפעלים גדולים, שעבורם לא מייצרים יחידות כה רבות, כך שזה המנוע שבסופו של דבר יצא נשכר מן הייצור ההמוני בניגוד לכל יתר המנועים.
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. I want to give you a brief explanation of how we looked at it and how it works.
אז בגלל שהוא נכנס לייצור המוני, המחירים ירדו, 100 שנים של שכלול, פליטת הגזים צומצמה, ערך ייצור מצוין. נבנו מאות מליוני מנועי בעירה פנימית, בהשוואה לאלפי מנועי הסטירלינג. וכמעט שלא בונים כבר הרבה מנועי קיטור קטנים, אלא רק גדולים, לעבודות גדולות. אחרי שבדקנו את שלושת אלה ו-47 נוספים, הגענו למסקנה שהכי כדאי לנו להשתמש במנוע סטירלינג. ברצוני להסביר לכם בקצרה איך בדקנו אותו וכיצד הוא פועל.
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.
ניסינו לבדוק את מנוע הסטירלינג בדרך חדשה, כי זה היה פרקטי- המשקל כבר לא היווה שיקול. מנוע הבעירה הפנימית הצליח בגלל חשיבות נושא המשקל בגלל נושא הניידות. אך אם מנסים להפיק אנרגיה סולרית במיקום נייח המשקל לא כל-כך חשוב. הדבר השני שגילינו הוא שהנצילות לא חשובה כל-כך
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.
אם מקור האנרגיה הוא בחינם. בד"כ, נושא הנצילות הוא מכריע. כי עלות הדלק במשך חיי המנוע מגמדת את מחיר המנוע. אך אם מקור הדלק הוא בחינם, אז הדבר היחיד שחשוב הוא מחירו המיידי של המנוע. אז אינך רוצה להשיג מיטוב של נצילות, אלא מיטוב של כוח לדולר. אז הודות לתפנית חדשה זו, לאמת-מידה חדשה זו,
So using that new twist, with the new criteria, we thought we could relook at the Stirling engine, 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, because the sun is free. And that's the process we took -- let me show you how the engine works.
חשבנו שאנו יכולים לבחון מחדש את מנוע הסטירלינג, ולשלב גם אלגוריתמים גנטיים. עקרונית, לרוברט סטירלינג לא קדם גורדון מור שיספק לנו 3 ג'יגה-הרץ של כוח עיבוד. אז לקחנו את אותו אלגוריתם גנטי בו השתמשנו קודם כדי ליצור את יחידת הריכוז, מה שלא הצליח לנו, כדי לייעל את מנוע הסטירלינג. ולהביא את כל התכנון שלו מבחינת גדלים ומידות לייעול אופטימלי, כדי לקבל את מירב החשמל לדולר, בלי להתחשב במשקל, בלי להתחשב בגודל העיקר להמיר את מירב אנרגיית השמש, כי השמש בחינם. והתהליך שבחרנו - הבה ואראה לכם איך המנוע פועל. מנוע החום הכי פשוט, או מנוע האוויר החם,
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.
הוא כזה: לוקחים תיבה, מיכל מתכת, עם בוכנה. מדליקים מתחתיו אש, הבוכנה עולה. מסירים אותו מהאש ושופכים עליו מים או מניחים לו להצטנן, והבוכנה יורדת. זהו מנוע חום הכי בסיסי שיכול להיות. הבעיה היא שהנצילות היא מאית האחוז. כי מחממים את כל המתכת של התא ואחר מקררים את כל המתכת של התא, בכל פעם ופעם. ומקבלים חשמל רק מהאוויר שמתחמם באותה פעם, אך מבזבזים אנרגיה לצורך חימום וקירור המתכת אז למישהו היה רעיון חכם ביותר:
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.
במקום לחמם את כל הצילינדר ולקרר את כל הצילינדר, מה אם נשים מסוט קטן בפנים - משהו קטן שמזיז את האוויר קדימה ואחורה. מניעים את זה למעלה ולמטה בעזרת מעט אנרגיה אך כעת רק מזיזים את האוויר למטה, לצד החם ולמעלה, לצד הקר, למטה, לצד החם ולמעלה, לצד הקר. אז כעת לא מחממים ומקררים לחילופין את המתכת, אלא רק מחממים ומקררים לחילופין את האוויר. זה מאפשר להעלות את הנצילות ממאית האחוז לכ-2 אחוז.
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, if you can design this to be low enough cost.
ואז לרוברט סטירלינג היה הרעיון הגאוני הזה, והוא, שעדיין לא מחממים את המתכת, בסוג מנוע זה, אלא אני עדיין מחמם שוב את כל האוויר. אני עדיין מחמם את האוויר בכל פעם ומקרר אותו בכל פעם. מה אם אניח ספוג תרמי באמצע, במעבר, היכן שעל האוויר לנוע כדי לעבור בין חום לקור? אז הכנו תיילים דקיקים, שברי זכוכית וכל יתר החומרים שיוצרים ספוג-חום. אז כשהאוויר נדחף למעלה כדי לעבור מהצד החם לקר הוא משאיר קצת חום בספוג. וכשהאוויר חוזר, אחרי שהתקרר, הוא אוסף שוב את החום. וכך מנצלים את האנרגיה פי חמש או שש. וזה מעלה את הנצילות עד 30-40 אחוז. זו המצאה לא מוכרת, אך מבריקה, של רוברט סטירלינג שהופכת את מנוע האוויר החם ממשהו לא הכי מעשי - כפי שגיליתי כשיצרתי את הגרסה הפשוטה הראשונה בתיכון - לדבר מעשי ובעל פוטנציאל רב, מרגע שמעלים את הנצילות, אם מתכננים כך שיהיה זול מספיק. כך שהתחלנו באמת לעבוד בכיוון של הוזלת העלות ככל האפשר
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.
בנינו דגם מתמטי ענק של אופן פעולת מנוע סטירלינג. הוספנו את האלגוריתם הגנטי. קיבלנו מזה את התוצאות של המנוע המיטבי. בנינו מנועים- בנינו 100 מנועים שונים בשנתיים האחרונות. מדדנו כל אחד, התאמנו מחדש את הדגם למה שמדדנו, וזה הוביל לאבטיפוס הנוכחי. זה הוביל למנוע מאד קומפקטי ולא יקר וכך נראה המנוע. הבה ואראה לכם איך הוא נראה במציאות.
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. So now you put the two things together.
אז זהו המנוע. זה פשוט גליל קטן כאן למטה שבתוכו המחולל וכל החיווט וזו הכיפה החמה - הצילינדר החם למעלה - חלק זה מתחמם, חלק זה קר, ויוצא מזה חשמל. גם ההיפך המדויק נכון. אם מכניסים חשמל, זה יתחמם וזה יתקרר, מקבלים קירור. כך שזה מחזור לגמרי הפיך, מחזור מאד יעיל, ודבר מאד פשוט לייצור. עכשיו מחברים את שני הדברים.
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.
לוקחים את המנוע, ואם אתם משלבים את עלי-הכותרת עם המנוע שבמרכז, עלי-הכותרת עוקבים והמנוע מקבל את אור השמש המרוכז, לוקח את החום הזה והופך אותו לחשמל. כך נראה האבטיפוס הראשון של המערכת שלנו יחד עם עלי-הכותרת והמנוע במרכז. זהוי ניסוי בחוץ, בשמש, וכעת אני רוצה להראות לכם איך נראה הדבר האמיתי.
(Applause)
(מחיאות כפיים)
Thank you.
תודה רבה.
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 -- six and a half to seven hours as the sun moves across the sky.
זאת יחידה בעלת 12 עלי-כותרת עלי-כותרת אלה עולים כדולר כ"א - קלי-משקל, מפלסטיק מוזרק מחוזק באלומיניום המנגנון ששולט בכל עלה הוא שם למטה, עם מעבד-זעיר בכל אחד יש צמדים תרמיים בכל מנוע - חיישנים קטנים שמאתרים את החום כשהשמש פוגעת בהם. כל עלה מתכוונן מעצמו כך שהטמפרטורה שעליו תהיה מירבית. כשהשמש זורחת בבוקר, עלי-הכותרת מחפשים את השמש, מוצאים אותה ע"י חיפוש הטמרפטורה הכי גבוהה כדקה וחצי או שתיים אחרי שהקרניים פוגעות בכיפה החמה המנוע חם מספיק כדי להתניע ואז המנוע יפיק חשמל במשך כשש וחצי שעות ביום - שש וחצי עד שבע שעות כשהשמש נעה בשמיים חלק קריטי שאנו יכולים לנצל
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.
הוא שיש לנו המעבדים הזעירים הזולים האלה וכל אחד מעלי-כותרת אלה הוא אוטונומי, וכל אחד מהם יודע מתי אין לשמש הגדרת-משתמש. אז לא צריך לציין באיזה קו רוחב ואורך נמצאים, לא צריך לציין את זווית השיפוע של הגג, לא צריך לציין את הכיוון. למערכת לא איכפת מכל זה. היא רק מחפשת את הנקודה הכי חמה, היא מחפשת שוב אחרי חצי שעה, מחפשת שוב אחרי יום ושוב אחרי חודש ובעצם מוצאת את המיקום הגאוגרפי לפי כיוון תנועת השמש כך שלא צריך להגדיר לה דבר מהבחינה הזאת.
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.
היחידה פועלת כך שכשהשמש זורחת המנוע מופעל ומקבלים מכאן חשמל: זרם-חילופין, זרם ישר, זרם ישר 12 וולט, כך שזה יכול לשמש ליישומים מסוימים. יש לנו כאן ממיר שנותן 117 וולט זרם-חילופין ומקבלים גם מים חמים. המים החמים הם אופציונאליים. אין הכרח להשתמש במים החמים. זה מתקרר בעצמו. אך יש אפשרות לחמם מים חמים וזה מעלה עוד יותר את הנצילות כי חלק מהחום שבד"כ משוחרר ניתן לנצל כאנרגיה מועילה, אם לבריכה או למים חמים.
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. Then the petals will move into position, and the engine will start.
הבה ואראה לכם סרטון קצר איך זה נראה בפעולה. אז זה הניסוי הראשון שביצענו בחוץ וכל אחד מעלי-הכותרת מחפש באופן עצמאי. בהתחלה הם נעים בפסיעות גסות, ובצורה מאד עדינה בהמשך. מיד כשבצמד התרמי יש קריאת טמפרטורה שמציינת שהם מצאו את השמש, הם מאיטים ומבצעים חיפוש עדין, ואז כל עלי-הכותרת נעים למקומם והמנוע מופעל. עבדנו על זה במשך השנתיים האחרונות.
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.
אנו מאד שמחים על ההתקדמות, אך יש לנו עוד דרך ארוכה, הבה אספר לכם מעט על כך. כך אנו רואים את המערכת בהתקנה ביתית. תהיה לכם ודאי יותר מיחידה אחת על הגג. זה יכול להיות על הגג, בחצר האחורית או בכל מקום אחר אין צורך בכמות יחידות כדי לספק חשמל לכל הבית, אתם פשוט חוסכים כסף עם כל יחידה שאתם מוסיפים.
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. 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.
כך שעדיין אפשר להשתמש ברשת החשמל בהתקנה כזו, כאספקת הגיבוי שלכם-- מובן שאי-אפשר להשתמש בהם בלילה, ולא בימים מעוננים. אך ע"י צמצום השימוש באנרגיה, בעיקר בשעות העומס- בד"כ שהמזגן פועל, או בזמנים דומים - זה מפיק את אספקת השיא בשעות העומס, כך שזו מערכת מאד משלימה. כך אנו רואים יישום במגורים.
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 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. 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.
אנו גם רואים בכך פוטנציאל גדול בחוות אנרגיה במיוחד בשטחים מרוחקים מוצפי שמש. זהו באמת שילוב טוב של שני הגורמים האלה. מסתבר שיש המון שמש חזקה בכל העולם, אך יש מקומות מיוחדים, שבהם התברר שזול יחסית למקם אותם ובהרבה מקומות נוספים שבהם יש כוח-רוח חזק. בתור דוגמה, הנה מפה של ארה"ב ולמעשה כל מקום ללא ירוק או כחול הוא אידאלי, אך אפילו האזורים הירוקים או הכחולים הם טובים, לא כמו האזורים באדום, כתום או צהוב. אך הנקודה החמה סביב לאס וגאס, עמק המוות ואזור זה היא טובה מאד. וכל זה משפיע על משך תקופת החזר ההשקעה, לא שאי אפשר להשתמש באנרגיה סולרית, אפשר להשתמש בה בכל מקום בעולם. זה רק משפיע על תקופת ההחזר בהשוואה לחשמל מן הרשת. אך אם אין לכם אספקה מרשת החשמל, אז כל סוגיית החזר ההשקעה שונה לגמרי. זה פשוט כמה וואטים אתם מקבלים לכל דולר, ואיך באפשרותכם להרוויח מהשימוש בחשמל זה כדי לשנות איכשהו את חייכם.
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.
זוהי מפת ארה"ב. זוהי מפת העולם ושוב, אפשר לראות ריכוז ענק במרכז היכן שנמצא חלק גדול מהאוכלוסיה, ושם יש הזדמנויות אדירות לאנרגיה הסולרית. וכמובן, ראו את אפריקה. לא יאומן איזה פוטנציאל יש שם לניצול אנרגיה סולרית, ואשמח מאד לדבר עוד על מציאת דרכים שנוכל לסייע בכך.
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. 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 that we're really shooting for in the company.
אז לסיכום, הייתי אומר שהמסע שלי הראה לי שניתן לבחון רעיונות ישנים באור חדש, ולעתים, רעיונות שנפסלו בעבר יכולים להפוך למעשיים אם מיישמים שיפורים טכנולוגיים או חידושים. אנו מאמינים שאנו מתקרבים למשהו מאד מעשי וזול. לטווח הקצר מטרתנו להקטין בחצי את עלות התאים הסולריים ולטווח הארוך: להחזיר את ההשקעה בפחות מ-5 שנים והחזר השקעה בפחות מ-5 שנים הופך זאת לכלכלי מאד, כך שאינכם צריכים להסתפק בגישה של תחושה טובה לגבי נושא האנרגיה כדי לרצות מערכת כזאת: זה פשוט הגיוני מבחינה כלכלית. כרגע, תקופת ההחזר של אנרגיה סולרית היא 30-50 שנה. אם זה יורד לפחות מ-5 שנים, אין מה לחשוב על זה כי האינטרס הוא לרכוש - מישהו אחר יממן זאת עבורך, ואתה יכול להתחיל לעשות כסף כבר מהיום הראשון. זו בעצם המטרה הרצינית שאנו בחברה מכוונים אליה.
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, 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.
למדתי שני דברים נוספים שמאד הפתיעו אותי - האחד, כמה אנו מתייחסים בקלילות לנושא האנרגיה. יצאתי כאן מהמעלית, ורק מלהסתכל על הבמה כרגע - יש כאן אולי 20 פנסי תאורה של 500 וואט. שזה 10,000 וואט תאורה לכיוון הבמה, כוח-סוס אחד הוא 756 וואט, בעוצמה מלאה. אז בעצם יש 15 סוסים שדוהרים בשיא המהירות רק כדי להאיר את הבמה. שלא להזכיר את 200 הסוסים שכנראה דוהרים בזה הרגע כדי שמיזוג האוויר יפעל. וזה פשוט מדהים. נכנסים למעלית, ויש בה אור. מובן שכעת אני מאד רגיש להשארת אור דולק בטעות בבית. אך בכל מקום מסביבנו יש שימוש מתמיד באנרגיה
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, and I really hope we can get there.
כי היא כה זולה. והיא זולה כי מסבסדים אותנו באנרגיה שהופקה באמצעות מהשמש. נפט, ביסודו, הוא אנרגיית שמש מרוכזת. הוא נטען במשך מיליארד שנים בהמון אנרגיה ולכן הוא מכיל את כל האנרגיה שלו. ולדעתי אין לנו זכות-מלידה סתם לנצלו הכי מהר שאפשר. וזה יהיה נהדר אם נמצא דרך להשתמש באנרגיה מתחדשת, כך שכאשר נשתמש באנרגיה גם ניצור אותה באותה מהירות, ואני באמת מקווה שנגיע לכך. תודה רבה לכם, הייתם קהל נהדר.
Thank you very much, you've been a great audience.
(מחיאות כפיים)