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.
15 éves voltam, amikor a napenergia érdekelni kezdett. A családom Fort Lee-ből a californiai New Jersey-be költözött. A hóból egyenesen a hőség és a gázvezetékek hazájába. 1973-ban gázjegyrendszer volt. Tombolt az energia válság.
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.
Elkezdtem olvasni a Popular Science magazint és nagyon izgatott lettem a napenergiában rejlő potenciáltól, ami megoldhatná a válságot. Trigonometriát kezdtem el tanulni a középiskolában, a paraboláról tanultunk, arról, hogy hogyan képes egyetlen pontba fókuszálni a fénysugarakat. Nagyon izgatott lettem. Arra jutottam nem lenne rossz ötlet építeni valamit, ami összpontosítani tudja a fényt. Szóval, elkezdtem dolgozni a Solar Devices-nál. Ennél a cégnél építettem a parabolákat, a fém műhelyben, és még emlékszem ahogy besétáltam a műhelybe, hogy parabolákat és Stirling motorokat építsek. Mikor az esztergapadon épp a Stirling motoron dolgoztam, bringás és motoros srácok jöttek oda és azt kérdezték, "Mi lesz ebből, vízipipa?" Erre én: "Nem, ez egy Stirling motor. Komolyan!" Nem hittek nekem.
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.
A motor terveit, a Popular Science magazin hátoldalán árultam és 4 dollárt kerestem minden darabon. Elég pénzt kerestem, hogy kifizessem az első évemet a Caltechnél. Nagyon nagy dolog volt számomra, hogy bekerültem a Caltechre. Első évben folytattam az üzletet. De a második évben elkezdtek osztályozni. Az első évben az értékelés még csak átment/megbukott volt, de a másodikban már osztályoztak. Képtelen voltam folytatni az üzletet, és 25 évig nem is tértem vissza hozzá. Az álmom az volt, hogy a napenergiát kedvező áron tudjam átalakítani de előtte még más utakat kellett bejárnom. Először is megírtam a szakdolgozatomat a Caltechnél. Végzős voltam, amikor megjelent az IBM PC, és 1981-ben az IBM PC függője lettem. Azután 1983-ban kijött a Lotus 1-2-3,
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.
és én teljesen odavoltam a Lotus 1-2-3 -tól. Az 1-2-3-hoz bővítményeket írtam és erre egy vállalkozást építettem. Egy természetes nyelvi felületet is írtam az 1-2-3-hoz. Miután csatlakoztam a Lotushoz, alapítottam egy oktató szoftvereket gyártó céget, és elindítottam az Idealab -et, így egy olyan közegben lehettem, ami lehetővé tette, hogy sorozatban több vállalatot indíthassak. Sokkal-sokkal később, 2000 -ben, tehát nem is olyan régen, közelgett az új californiai energia válság -
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.
vagy legalábbis az, amit nagy energia válságnak hívtak. Arra próbáltam választ találni, hogy van-e arra lehetőség, hogy építsünk valamit, ami előnyt kovácsol a válságból, és az embereknek tartalék energiát tud biztosítani, ha a krízis igazán kiteljesedik. Elkezdtem vizsgálni, hogyan tudnánk építeni olyan tartalék akkumulátor rendszereket ami az embereket ellátja, öt órára, tíz órára, egy napra, vagy akár három napra energiával. Örülök, hogy volt már szó arról egy előző előadásban hogy az akkumulátorokban tárolt energia mennyire "híg" az üzemanyagokban tárolthoz képest. Sokkal több energia raktározható el az üzemanyagban, mint az akkumulátorokban. Egy egész garázst kellene telerakni akkumulátorokkal, hogy csupán négy órányi tartalékod legyen. Miután végignéztem minden fellelhető technológiát, amit az energia tárolására használhatunk, lendkerekektől a különböző akkumulátorokig, arra jutottam, hogy nem éri meg az energiát eltárolni. De mi a helyzet az energia termeléssel?
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.
Lehet, hogy tudnánk energiát termelni. Elkezdtem ezzel foglalkozni. Talán pont a napenergia lesz a nyerő. 25 év telt el azóta, hogy legutóbb ezzel foglalkoztam, ideje visszatekinteni, hogy mi is történt közben a napelemekkel. Az ára 10 dollár/watt -ról lecsökkent 4-5 dollár/watt -ra. de itt megállt. Pedig ennél jóval olcsóbbnak kellene lennie, hogy költséghatékony legyen. Tanulmányoztam az összes újítást a nepelemekkel kapcsolatban próbáltam rájönni milyen irányba kellene elindulnunk hogy a napelemeket jóval olcsóbbá tehessük. Sok olyan újdonság van, ami ezt célozza meg, de alapvetően a gyártási folyamathoz rengeteg energia kell. Néhányan úgy tartják, hogy több energiára van szükség egy napelem legyártásához, mint amennyit az egész élettartama alatt megtermel. Remélhetőleg, ha csökkenthetnénk a cellák gyártásához szükséges energiamennyiséget el tudnánk érni, hogy gazdaságos legyen.
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.
Ma még rengeteg szilíciumra van szükség, amit 900 fokon kell sütni 17 órán át hogy egy cella elkészüljön. Rengeteg ember dolgozik azon, hogy lecsökkentsék ezt, de ehhez a részéhez én nem tudok hozzátenni semmit. Én azt próbáltam meg kitalálni, milyen más módszerek jöhetnek szóba, hogy hatékonyabb napenergiát kapjunk. Eszembe jutott az az ötlet, hogy mi van akkor, ha a napfényt egy nagy reflektorral összegyűjtjük - valahogy úgy ahogy még középiskolásként gondoltam - de a modern technológiákkal már olcsóbban tudnánk olyan nagy kollektorokat gyártani amik az energiát egy kis átalakítóba koncentrálnák, és az átalakítónak így már nem kellene olyan drágának lennie, mert ez sokkal kisebb, mint a napelem, aminek az egész felületet be kell borítania, melyről a fényt gyűjti. Ez célravezetőnek tűnt,
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.
mert rengeteg új technológia jelent meg az utóbbi 25 évben, mióta utoljára ezzel foglalkoztam. Először is, rengeteg új gyártási technológia van, nem mellékesen rendkívül olcsó miniatűr motorok, szénkefe nélküli motorok, szervó motorok, léptető motorok, amiket a nyomtatókban, szkennerekben, stb. használnak. Ez egy nagy áttörés. Természetesen, olcsóbbak a mikroprocesszorok is. Valamint van még egy nagyon fontos újdonság: a genetikus algoritmus. Csak pár szóban arról, hogy mi is ez.
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.
Ez egy nagyon hatékony mód a makacs problémák megoldására, a természetes kiválasztódás elvével. Veszel egy problémát, amit nem tudnál megoldani tiszta matematikával, építesz köré egy evoluciós rendszert, ami végigpróbál rengeteg tippet, nemet adsz hozzá ahol veszed két megoldás felét, ezekkel új mutációkat hozol létre és a természetes kiválasztódást használod arra, hogy a rossz eredményeket kiszórja. A genetikus algoritmusokkal egy mai számítógép
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.
egy 3 GHz-es processzorral rengeteg olyan problémát old meg, ami korábban megoldhatatlan volt csupán néhány perc alatt. Kipróbáltuk tehát a genetikus algoritmusokat, hogy egy újfajta gyűjtőt hozzunk létre. Megmutatom mit értünk el vele. Hagyományosan, egy gyűjtő így néz ki.
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.
Általában parabola alakúak. A párhuzamosan érkező sugarakat egyetlen pontba koncentrálják. Folyamatosan mozognak, mert közvetlenül a nap felé kell mutatniuk. A követés tűrése körülbelül egy fok, ez azt jelenti, hogy ha több mint egy fokkal eltér a helyzetük a kívánttól, már semmit nem gyűjtenek be. Megpróbáltunk kidolgozni egy nem követő gyűjtőt, egy gyűjtőt, ami az 1 foknál sokkal többet tud befogni, mozgó alkatrészek nélkül. Írtunk tehát a problémára egy genetikus algoritmust, készítettünk egy XL-es méretű modelt a folytonos felületű reflektorról és egy csodálatos dolog alakult ki, szó szerint evolválódott, a milliárdnyi ciklusból, milliárdnyi különböző próbálkozásból, azért, hogy a lehető legtöbb napfényt tudjuk begyűjteni, a legtöbb szögből egy nap folyamán.
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.
Végül ez a forma alakult ki. Ez egy nem követő gyűjtő, hat tubaszerű tölcsérrel, amik a következőképpen gyűjtik a sugarakat. Ha a napfény ide süt, lehet hogy egyből középre, a gyűjtőbe verődik vissza, de ha a nap a tengelyen kívűlről jön, oldalról már lehet hogy két helyet is érint, kétszeres visszaverődéssel. Tehát a közvetlen fény mindössze egyszer verődik vissza, a tengelyen kívüli lehetséges, hogy kétszer, és az extrém tengelyen kívűl esetleg háromszor. A hatékonyság minden visszaverődéssel csökken, mert minden visszaverődésnél 10% energia elveszik. De ez lehetővé teszi, hogy fényt gyűjtsünk akár +/- 25 fokos szögből is. Ezzel a nem mozgó kialakítással napi 2,5 órán át tudunk energiát gyűjteni. Igaz, a napelemek 4,5 órán keresztül képesek napfényt gyűjteni.
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.
Egy átlagos napon egy a napelemen a teljesítmény, - mivel a nap vándorol az égbolton - szinusz függvény szerűen nő és csökken, a merőlegesen kívüli tartományban. Így körülbelül 4,5 órán át gyűjti a napfényt. Az eredményünk nem volt rossz így mozgó alkatrészek nélkül - magas hőmérsékletet tudtunk elérni így is, de ez még nem volt elegendő. Le kellett győznünk a napelemeket.
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.
Így egy másik ötletet vettünk elő. Megvizsgáltuk mi történik, ha a parabolát több, külön mozgó sziromra bontjuk szét. Itt láthatják a 12 különálló szirmot, melyeket külön-külön lehet irányítani egy-egy processzorral, aminek darabja csak $1. Egy 2 MHz -es mikroprocesszort már $1 -ért megkaphatunk. És másik $1 -ért kapunk olyan léptetőmotorokat, amik lényegében sohasem romlanak el, mert nincs bennük szénkefe. Így kevesebb mint $50 -ból tudjuk vezérelni mind a 12 szirmot, ez pedig lehetővéteszi, hogy a fókuszpontot ne kelljen többé mozgatnunk, elég csak a szirmokat.
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.
Az egész eleve sokkal laposabb, és képes napi 6,5 - 7 órán át gyűjteni a napfényt. Most, hogy egy pontba koncentráltuk a napfényt, mit tegyünk középre, ami a napfényt elektromosságá alakítja? Elővettünk minden hőerőgépet, amit a történelem során használtak, hogy a nap- vagy hőenergiát elektromossággá alakítsák. Minden idők egyik legnagyobb áttörését James Watt 1788-as gőzgépe jelentette. Valójában nem James Watt találta fel a gőzgépet, ő csak finomított rajta. De a finomítása hihetetlen volt. Újfajta lineáris szabályzókat adott a dugattyúkhoz, beillesztett egy kondenzátort a rendszerbe, hogy a hengeren kívül hűtse le a gőzt, a gőzgépet pedig oda-vissza működésűvé alakította, így megduplázta az energiát.
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.
Ezek mind jelentős áttörések voltak. Úgy értem, az általa bevezetett újítások révén megérdemelten nevezték el róla az energia mértékegységét. Megvizsgáltuk ezt a motort és láttunk is benne lehetőséget. Bár a gőzmotorok veszélyesek, óriási hatást fejtettek ki világunkra, ipari forradalom, hajók, mozdonyok. Általában igen jelentős a méretük így nem alkalmasak házi energia termelésre. Valamint olyan nagy nyomáson üzemelnek, hogy az is veszélyessé teszi őket.
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.
Egy másik típusú motor az un. hőlégmotor. A hőlégmotort sem Robert Stirling fedezte fel, de ő volt az, aki 1816 -ban radikálisan megújította. Mivel ez a motor csak levegőt használt, nem gőzt, az elmúlt időkben százszámra születtek az újabb ötletek amik a Stirling motor elvén működnek.
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.
De a Stirling motor után, jött Otto, aki szintén nem talált fel belső égésű motort, csak finomított rajta. 1867-ben Párizsban mutatta be, jelentős eredmény volt, mert ekkor növekedett meg igazán a motorok energia sűrűsége. Így sokkal több energiához tudunk jutni sokkal kisebb helyen, ami a motorok mobil felhasználását tette lehetővé. Egyrészt megvan a mobilitás, valamint rengeteg motor készül, mert nagy az igény szemben a gőzhajókkal vagy a nagy gyárakkal, amiből nem kell annyi, így ebben a motorban teljesedett ki a tömeggyártás, az, amit a többi nem tudott elérni.
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.
Mivel elindult a tömeggyártása a költségek csökkentek, 100 évnyi finomítás után a kibocsátási értékek is lecsökkentek óriási darabszám mellett. Mára több százmillió belső égésű motort gyártottak, szemben a néhány ezernyi Stirling motorral. De még ennyi kisméretű gőzgép sem készült vagy fog készülni, ezek is csak egész nagyok a nagyobb műveletekhez. Miután megvizsgáltuk ezt a 3-at és 47 másikat, arra következtetésre jutottunk, hogy a Stirling motort lehetne a legjobban használni. Pár szóban arról, hogy hogyan vizsgáltuk meg és hogyan működik.
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.
Egy új, praktikusabb megközelítésben vizsgáltuk a motort, mivel a súly a mi esetünkben nem játszott szerepet. A belső égésű motor sikere a súlyából eredt, hiszen önmagát kellett szállítania. De, ha egy fix helyen kívánjuk átalakítani a napenergiát, a súlynak nincs jelentősége. A másik dolog, amit megállapítottunk, hogy a hatékonyság sem számít annyira
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.
ha az energiaforrás ingyenes. Normál esetben a hatékonyság kulcsfontosságú hiszen a motor üzemeltetési költsége mellett maga a motor ára eltörpül. De ha az üzemanyag ingyen van, az egyetlen dolog, ami számít, a motor bekerülési költsége. Így nem a hatékonyságra kell optimalizálni, hanem a dolláronként elérhető teljesítményre. Ezzel az új megközelítéssel,
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.
és a genetikus algoritmus alkalmazásával vizsgáltuk meg újból a Striling motort. Anno Robert Stirlingnek nem volt szerencséje Gordon Moorék találmányához a három gigahertz-es processzorhoz. Ugyanazt a genetikus algoritmust használtuk, ami ugyan a gyűjtőnél nem hozott sikert, hogy ezúttal a Stirling motort optimalizáljuk, és megkapjuk az alkatrészeinek azt az ideális méretét ami mellett dolláronként a legtöbb energia nyerhető, nem törődve a súllyal, a mérettel csal azzal, hogy az ingyenes napfényből a legtöbb energiát alakíthassuk át. Ez volt a folyamatot, hadd mutassam be hogyan is működik a motor. A minden idők legegyszerűbb hőerőgépe a következő.
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.
Vegyél egy dobozt, egy acél dobozt egy dugattyúval. Helyezz alá lángot és a dugattyú felemelkedik. Vedd le a lángról, locsold le vízzel vagy hagyd kihűlni és a dugattyú lesüllyed. Ez egy hőerőgép. Ez a legalapvetőbb hőerő gép, ami csak létezik. A problémája, hogy a hatékonysága 0,01%, mert fel kell melegíteni fémhengert aztán lehűteni azt minden egyes ciklusban. Hasznosítható energia csak a felmelegített levegőből nyerhető, míg rengeteg elveszik a fémház melegítése és a hűtése során.
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.
Valakinek az az okos ötlete támadt, hogy ahelyett hogy az egész hengert felmelegítjük és az egész hengert lehűtjük iktassunk be egy elválasztót, ami a levegőt áramoltatja oda és vissza. Ezt minimális energiával lehet fel - le mozgatni, és így már csak a levegőt mozgatod le a meleg oldalra és fel a hideg oldalra, és újra le a meleg oldalra és fel a hideg oldalra. Így már nem az egész fém házat kell lehűteni, felmelegíteni, elég csak a levegőt. Ezzel a változtatással a hatékonyság 0,01%-ról 2%-ra emelkedett.
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.
Aztán megjelent Robert Stirling egy remek ötlettel, ami az volt, hogy továbbra sem a fémet melegítem hanem újra felmelegítem a levegőt. Továbbra is minden ciklusban hűtöm és fűtöm a levegőt. Mi lenne, ha betennék valamilyen hőszivacsot középre, a levegő útjába, ami eltárolja a hőt miközben a levegő a meleg oldalról a hideg oldalra áramlik. Ehhez vékony drótot, törött üveget és még sok mást kipróbált ami alkalmas lehet a célra. Így amikor a levegő elindul a meleg oldalról a hideg oldalra, némi hőt elátrol ez az egység, az un. regenerátor. Aztán ahogy a levegő visszaáramlik miután lehűlt, újra felveszi azt a hőt. Így ugyanazt az energiát ötször, hatszor is felhasználja. Ezzel pedig 30-40%-ra emelkedik a hatékonyság. Robert Stirlingnek ez a kevéssé ismert, de brilliáns találmánya az, ami az alap hőlégmotort, ami elég gazdaságtalan - mint ahogy erre én is rájöttem a középiskola alatt - egy igen nagy lehetőségeket rejtő szerkezetté teszi, ha el tudjuk érni, hogy a gyártási költségeket kellően lecsökkentsük. Így azon kezdtünk el dolgozni, hogy a lehető legalacsonyabbra vigyük az előállítás költségeit.
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.
Építettünk egy matematikai modellt arról, hogy hogy működik a motor és bevetettük a genetikus algoritmust. Megkaptuk az adatokat az optimális motor építéséhez, és elkezdtünk motorokat építeni, 100 különbözőt az elmúlt két évben. Méréseket végeztünk mindegyiken, az eredményeket beépítettük a modellbe így jutottunk el a jelenlegi prototipushoz. Egy nagyon kompakt, olcsó motorhoz. Így néz ki maga a motor. Hadd mutassam meg, milyen is valójában.
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.
Szóval, ez a motor. Ez a kis henger tartalmazza a generátort és csatlakozókat, ez a meleg csúcs, a meleg henger itt felül, ez a rész melegszik fel, ez a rész hül le, és itt kapunk elektromos áramot. Igazából fordítottan is működik. Ha elektromosságot vezetünk be, ez a rész meleg, ez pedig hideg lesz, így hűtőgépet kapunk. Ez egy teljesen visszafordítható folyamat, nagyon hatékony és nem is olyan nehéz megcsinálni. Rakjuk hát össze a kettőt.
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.
Megvan a motorunk, amit most összeillesztünk úgy a szirmokkal, hogy középre kerüljön. A szirmok úgy mozognak, hogy a motorra koncentráltan vetüljön a napfény, majd ez a hő ott átalakul elektromossággá. Így nézett ki az első prototipusunk összeállítva, a szirmok közepén a motorral. Ez kerül majd ki a napra és most szeretném megmutatni, hogy is néz ki valójában.
(Applause)
(Taps)
Thank you.
Köszönöm.
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.
Ez itt a 12 szirmot tartó egység. A szirmok darabja kb. $1 -ba kerül, pehely könnyű fröccsöntött műanyag, alumíniummal futtatva. A mozgatómechanizmus a microprocesszorral mindegyiken itt van alul. Kis termikus szenzorok vannak a motoron, amik érzékelik a hőt, ha a nap rájuk süt. Mindegyik szirom úgy állítja önmagát, hogy a legmagasabb hőmérsékletet tudja közvetíteni. Mikor reggel a nap felkel, minden szirom elkezdi keresni a napot, úgy, hogy igazából a legmagasabb hőmérsékletet keresi. Kb. 1,5 - 2 perccel azután, hogy a napsugarak elkezdik melegíteni a motort, az kellően felmelegszik, hogy elinduljon, és elektomosságot termeljen 6,5 - 7 órán át naponta. 6,5 - 7 órán át, miközben a nap áthalad az égbolton. Igazán az a nagyszerű ebben, hogy
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.
kihasználjuk ezeket a rendkívül olcsó processorokat, mindegyik szirom teljesen önálló, és mindegyik magától találja meg a napot előzetes beállítások nélkül. Nem kell előre betáplálnunk koordinátáinkat, hogy milyen meredekségű a tetőnk, milyen a tájolása. Ezekre egyáltalán nincs szükség. A rendszer mindig a legmelegebb pontot keresi. Ezt keresi félóra, ezt keresi egy nap, ezt keresi egy hónap múlva is. Alapvetően a Nap mozgásából meg tudja határozni, hogy hova is lett telepítve a Földön anélkül, hogy bármit előre be kellene táplálnunk.
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.
A rendszer egyszerűen működik, a nap felkel, a motor beindul, és ezen a részen megjelenik a feszültség, ami lehet egyen- és váltóáram is. Itt most 12V a feszültség, amit sokféleképpen tudunk hasznosítani. Inverter is van benne, így 117 V váltóáramot is kaphatunk és kapunk forró vizet is. A forró víz opcionális. Nem feltétlenül kell használni ezt a lehetőséget, mert le tudja hűteni magát, de ha szükségünk van rá, vizet is tud melegíteni számunkra, ami még jobban megemeli a hatékonyságot, mert olyan hőt haszosítunk, ami máskülönben elveszne. Így viszont felhasználhatjuk akár egy medencében, akár a háztartásban.
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.
Hadd mutassak egy videot, hogyan működik. Ez volt az első teszt miután kitelepítettük, minden szirom külön-külön pozicionálja magát. Amilyen darabosan megy ez eleinte, olyan finoman mozog majd később. A termikus szenzor érzékeli mikor áll rá a napra, aztán lelassul és finom hangolásba kezd, minden szirom pozícióba áll ezek után pedig elindul a motor. Szóval ezen dolgoztunk az utóbbi két évben.
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.
Nagyon izgatottak vagyunk a dologgal kapcsolatban, hiszen nagy út áll még előttünk, hadd beszéljek erről is egy keveset. Így fog majd kinézni a telepített egység, előfordulhat, hogy nem is egy, hanem több egység lesz a tetőn. De nem csak ott lehet, telepíthetjük a hátsókertben is vagy bárhol. Nem kell annyit elhelyezni, hogy az egész házat ellássa, viszont minden újabb egységgel pénzt tudunk megspórolni.
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.
Igaz hogy ebben a formában még mindig függünk a hálózati áramtól, hiszen nem működik a rendszer éjjel, nem működik felhős napokon. De ezzel csökkenthetjük az energia felhasználást, különösen csúcsidőben, mikor egyszerre megy a légkondi a többi berendezéssel, mert a rendszer is ilyenkor termeli a legtöbb áramot, így nagyon hatékony kiegészítő lehet belőle. Ez az elképzelésünk a lakossági felhasználásról.
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.
De úgy gondoljuk érdemes gondolkozni energiafarmokban is különösen az olyan távoli helyeken, ahol nagyon sokat süt a nap. Itt két kedvező tényező egyszerre áll fenn. Nyilvánvaló, hogy a Földre igen nagy mennyiségben érkezik a hasznosítható napenergia és pont oda érkezik a legtöbb, ahova a legolcsóbban lehet telepíteni és ezek közül sok helyen még szélenergia is hasznosítható. Például vegyük az USA területét. Igazából minden olyan rész kiváló, ami nem kék vagy zöld, bár ezek is jók, csak nem annyira mint a piros, narancs vagy sárga területek. Ezek a részek itt Las Vegas körül és a Halál Völgyben igazán nagyon jók. És mindez befolyásolja a megtérülési időt is, nem arról van szó, hogy ne lehetne napenergiát használni, mert napenergiát bárhol használhatunk a Földön. A megtérülés akkor számít, ha a hálózati árammal haszonlítjuk össze. Ha kihagyjuk a számításból a hálózati áramot, akkor megtérülés kérdés rendkívül egyszerűvé válik. Csak az számít, hogy hány wattot termelhetünk dolláronként, és hogyan tudjuk ezt az energiát úgy a hasznunkra fordítani hogy megváltoztassa az életünket.
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.
Ez az USA térképe. Ez pedig a Földünk, nézzék középen ezeket a hatalmas területeket azokat, ahol eleve nagy a népesség, hatalmas a lehetőség a napenergia hasznosításra. Nézzék Afrikát! Felfoghatatlan, hogy mennyi napenergiát tudnánk ott hasznosítani és szeretnék majd még arról is beszélni, hogyan tudnánk ebben segíteni.
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.
Összefoglalásként azt mondanám, hogy a példám bebizonyította, hogy érdemes a régi találmányokat újszerűen megközelíteni mert néha kiderül, hogy amit régen elvetettünk kis változtatással és az új tehnológiákkal ötvözve hatékony eszközzé válhat. Hiszünk abban, hogy nagyon közel kerültünk egy igazán használható megoldáshoz. Rövidtávú célunk, hogy ezt a napelemek árának felére szorítsuk, hosszútávon pedig szeretnénk öt év alá csökkenteni a megtérülést. Ha ez elérjük, hirtelen mindez rendkívül gazdaságossá válik. Már nem csak ruháznánk be ilyenekre, mert szeretnénk zöldnek érezni magunkat. Egyszerűen meg fogja érni. Manapság a napenergia beruházások megtérülése 30 - 50 év között van. De ha lemegyünk öt évre, már gondolkodnunk se kell rajta mert a beruházást más fogja megfizetni helyettünk és pénzt fog termelni már az első naptól kezdve. A cégen belül ez a cél lebeg előttünk leginkább. Még két meglepő dolog, ami feltünt nekem:
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.
az egyik hogy milyen magától értetődőnek vesszük az energiát. Míg elsétáltam ide a lifttől és körülnéztem a színpadon, itt legalább 20 500 wattnyi világítás van telepítve. 10 000 wattnyi fény világítja meg a színpadot. Egy lóerő 756 wattnak felel meg. Itt legalább 15 ló szalad teljes erőből, csak azért hogy a színpadon világos legyen. Nem beszélve arról, a további 200 lóról, ami ahhoz kell, hogy menjen a légkondi. Elképesztő, hogy belépünk a liftbe és ott folyamatosan világítanak a lámpák. Ma már nagyon odafigyelek arra is, hogy ne hagyjam feleslegesen égve a lámpákat. Valójában mindenhol felelőtlenül használjuk az energiát,
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.
csak azért mert olyan olcsó. De csak azért olcsó, mert rendelkezésünkre áll a napenergia koncentrátuma. Az olaj napenergia koncentrátum. Évmilliárdok és rengeteg energia kellett ahhoz, hogy ez az energia mennyiség elraktározódjon benne. Nem hiszem hogy velünk született jogunk lenne mindezt olyan gyorsan felhasználni, ahogy csak tudjuk. Nagyszerű lenne, ha megújulóvá tehetnénk az energiafelhasználásunkat hogy amit valahol felhasználunk, ugyanott meg is termeljük. Remélem ez nem csak álom marad. Köszönöm szépen, nagyszerű közönség voltatok!
Thank you very much, you've been a great audience.
(Taps)