Sólarorka

Sólarorka er orka frá sólinni. Þessi orka er á formi hitageisla og ljóss. Sólin hefur sent þessa orku frá sér i milljarða ára. Þessi orka hefur verið notuð frá fornöld og er alltaf að þróast til hins betra.

Orkan sem berst til jarðar frá sólu á einni klukkustund nemur árlegri heildarorkuþörf alls mannkyns. Orkan í sólarljósinu er í raun uppspretta flestra annarra orkugjafa jarðar. Sólarorka er drifkrafturinn í veðrakerfum jarðarinnar og því er vind- og vatnsorka í raun tilkomin vegna hennar. Það sama gildir um orku sem mynduð er við brennslu trjáa og plantna því orkan sem þar losnar er sólarorkan sem plönturnar beisluðu við uppvöxt sinn. Einnig á þetta við um olíu, kol og gas, þessir orkugjafar myndast á milljónum ára úr jurtaleifum og því fyrir tilstilli sólar.

Það þarf ekki að vera heiðskýrt til þess að fá orku út úr sólarsellu en rétt staðsetning hefur mikil áhrif á nýtni hennar.

Vandamál við sólarsellur hér á landi er að orkuframleiðslan er óörugg, þ.e. háð veðri og árstíðum. Stofnkostnaður er því frekar hár miðað við orkugetu. Einnig eru góð rafhlaða mjög dýr og hafa í augnablikinu stuttan endingartíma vegna mikils álags.

Sólarorka er umhverfisvæn og endurnýjanleg orka. Einingarnar eru sjálfstæðar og auðvelt að færa og bæta við. Orkuframleiðslan er hljóðlát og veldur ekki röskun á landslagi. Rafhlaða getur geymt orkuna og framkvæmdin er ódýr miðað við að tengja rafmagnslínur langar leiðir. Einnig er lítill sem enginn rekstrarkostnaður.

Það er ekkert á móti því að sólarorkuvirkjun verði miklu meiri en hún er í dag nema að það þarf að framleiða tækin og lækka kostnaðinn.

Orka frá sólinni.

Sólin sendir frá sér geislunarorku og það er ekkert sem truflar það fyrr enn að geislarnir ná andrúmslofti jarðar. Efsta lag andrúmsloftsins tekur við 1367 W/m2 af sólarorku eða 176 petavött. Þessi talar lækkar þegar geislarnir ferðast lengra inn í andrúmsloftið. Það gerist vegna þess að gös draga að sér eitthvað af orkunni en einnig breyta geislarnir um stefnu þegar þeir lenda á litlum sameindum. Aðeins helmingur geislanna nær yfirborði jarðar og væri hægt að nýta í virkjun.

Á yfirborði jarðar, á hádegi, við miðbaug, í heiðskýru veðri, mælist sólarorka um 1000 W/m2. Þessi tala lækkar á hærri breiddargráðum. Við miðbaug koma sólargeislarnir beint inn og þá er minnst tap. Sólargeislarnir koma ekki lóðrétt inn að yfirborði jarðar heldur meira á ská. Yfir 38° breiddargráðu er útgeislun jarðarinnar meiri en geislun sem kemur frá sólinni. Þetta er öfugt suður og norður frá miðbaug að 38°.

Sólarorkan getur orðið meiri en 1000 W/m2, ef speglun sólarljóss bætist við, til dæmis að það speglist á vatni.

Hér á norðurhveli jarðar er mest sólargeislun á sumrin vegna þess að þá er okkar hluti jarðarinnar næstur sólu (vegna halla jarðar), sem þýðir meiri sól. Það verður að snúa sólarsöfnurum að sólargeislunum eftir árstíðum. Á sumrin geta þau verið næstum því lárétt en á veturna þurfa þau að vera næstum því lóðrétt. Eftir því sem sólin er lægri á himninum þurfa sólargeislarnir að fara í gegnum meira andrúmsloft, sem þýðir að geislarnir hafa meiri möguleika á að dreifast.

Hægt er að reikna út stöðu sólar með jöfnunum:

δ = 23,45sin(2π(284+dn)/365)

cosθz = sinδ sinφ + cosδ cosφ cosω

cosψ =(cosθz sinφ – sinδ)/sinθz cosφ

Þar sem δ er horn lækkunar sólar, π er talan pí, dn er dagur númer, θ er hvirfilpunktur, φ er breiddargráða virkjunarinnar, ω er horn sólarstundu (breytist um 15°/tíma og er núll á hádegi), ψ er áttarhorn.

Bein notkun sólarorku.

Hús geta verið hönnuð til þess að nýta sólarorku beint, t.d. til hitunar og lýsingar. Það er hægt að safna sólarorku með speglum til þess að framleiða rafmagn með hita, kallast það hitaorka. Einnig er hægt að nota sólarsellur til þess að nýta sólargeisla og framleiða með því sólarraforku.

Óbein notkun sólarorku.

Orkuframleiðslu, eins og vindorka, vatnsafl, líforka og ölduorku er hægt að rekja til sólarorku.

Sólar varmaorka.

Þegar flestir hugsa um sólar varmaorku þá eru þeir að hugsa um vatnshitara á þökum bygginga. Þessi safnsvæði á þökum húsa eru látin snúa þannig að sem mest sólarljós skíni á þau. Það eru þrjú lög í svona safnsvæði, efsta lagið er gler eða plast og neðsta einangrun, það í miðjunni er venjulega stálplata umlukin koparrörum sem vatn getur runnið um og þannig hitnað ef sólin skín. Heita vatnið rennur svo í gegnum stóran vatnstank, sem er vel einangraður. Í honum er einnig raftæki til þess að hita vatnið upp á veturna. Heita vatnið af safnsvæðinu er látið hita vatnið fyrir húsið upp. Þetta er lokað kerfi. Í Norður-Evrópu, þar sem þetta kerfi er mjög vinsælt, þurfa safnsvæðin að standast frostveður og því er oft sett óeitraður frostlögur í rörin. Á svæðum þar sem sjaldan eða aldrei er frost er allt í lagi að hafa allt kerfið utan dyra. Einnig eru safnsvæðin oft minni vegna meira sólargeislunar (nýtni).

Virk sólarhitun.

Í virka sólarhitun er notaður sólarsafnari til þess að virkja orkuna. Þessi safnari sem venjulega er festur á þak byggingar safnar sólargeislum. Þetta er ekki flókið kerfi. Hitinn er undir 100 °C og notaður til þess að hita vatn fyrir heimili og sundlaugar.

Það væri hægt að búa til sólar vatnshitara með því að setja vatnsfötu við glugga sem sólin skín inn um og þannig er eiginlega hægt að segja að þróunin hafi byrjað í Bandaríkjunum. Í byrjun 20. aldarinnar seldi William J. Bailey í Kaliforníu vatnshitara sem voru einangraðir og því hægt að fá heita vatnið til að endast yfir nóttina líka. Framskriðið hægði þó á sér á þriðja áratug aldarinnar vegna þess að jarðgas varð ódýrara. Notkun í Flórída hófst einnig í byrjun 20. aldarinnar og stóð alveg fram á sjötta áratuginn þegar hún lagðist næstum því af vegna lágs jarðefnaeldsneytisverðs. Það var ekki fyrr en að verð á jarðefnaeldsneyti hækkaði á áttunda áratugnum að notkun sólarsafnara jókst aftur. Árið 2001 voru að minnsta kosti 57 miljón fermetrar af sólarsöfnurum í notkun.

Dæmi um sólarsafnara eru vatnshitarar á þökum húsa. Þeir eru af þremur gerðum: án glers sem efsta lags, kerfi sem hitar vatn og kerfi sem hitar loft. Einnig eru til safnarar sem eru bognir og nýta sér brennipunkt geisla til þess að hita upp vatn að gufumarki. Þeir safna þá brennipunktum í línu eða einn punkt.

Vandamál við þessa vatnshitara er að þeir eru venjulega festir á húsþök og því erfitt að viðhalda þeim en þeir eru venjulega gerðir mjög sterkir, sem þýðir að það þarf minna viðhald og það er jú kostur.

Varmavélar fyrir sólarorku.

Varmavélar fyrir sólarorku er viðbót á virku sólarhituninni, en samt flóknara kerfi sem nær nógan hita til þess að virkja gufuvélar til þess að framleiða rafmagn. Það finnast margar gerðir en 90% sólarraforku af þessari gerð kemur frá einu orkuveri í Mojave eyðimörkinni í Kaliforníu. Þróun þessara varmavéla hefur verið frekar lítil og líkjast vélarnar í dag mikið þeim sem voru notaðar fyrir 100 árum. Sagan segir að Arkímedes hafi notað pússaða bronsskildi grískra hermanna til þess að beina ljósgeislum að og kveikja í skipi Rómverja.

Notast er við íhvolfa spegla til þess að safna sólargeislum í einn brennipunkt. Hitinn sem myndast er nógur til þess að upp komi suða, gufa myndast og hægt er að framleiða rafmagn. Þessir speglar verða að fylgja sólinni til þess að brennipunkturinn sé alltaf á réttum stað.

Til þess að framleiða mikið rafmagn með þessari gerð eru speglar settir upp í raðir á mjög stórum svæðum. Ef notaðir eru íhvolfir speglar þá safna þeir brennipunktum í miðju spegilsins en ef notaðir eru flatir speglar senda þeir brennipunktinn í átt að sólarturni.

Óvirk sólarhitun.

Hægt er að safna sólargeislum beint inn í mannvirki til þess að minnka orkuna sem fer í að hita það upp. Þessi kerfi nýta oftast hringstreymi lofts til þess að dreifa orkunni, þá þarf ekki dælur eða viftur og kerfið er oft hluti af mannvirkinu. Ef hús eru með stóra glugga með góðu gleri í er hægt að kalla það sólarsafnara.

Hægt er að rekja þessa notkun á sólarorku til Rómaveldis þar sem rómverjar notuðu gler til þess að loka gluggum á baðhúsum sínum. Þegar Rómaveldi féll lagðist notkun stórra glerglugga niður í yfir 1000 ár.

Einnig er hægt að hanna mannvirki svo þau hafi litla orkuþörf og einnig litla hitunarþörf. Við svona hönnun er hægt að minnka notkun á jarðefnaeldsneyti og minnka kostnað. Það þarf að einangra húsin vel, hafa stóra glugga í suður og þykka veggi eins og steypu eða múrsteina. Hitaveita hússins þarf að vera nýtin. Minna notuð herbergi eru höfð norðan til í húsinu. Skuggi frá öðrum húsum og trjám á að vera sem minnstur. Einnig væri hægt að bæta við gróðurhúsi.

Hliðarverkun við stóra glugga og flæði ljóss inn í hýbýli fólks er að það ætti að draga úr vetrarþunglyndi fólks þar sem maðurinn þarf á sólarljósi að halda allt árið.

Einnig væri hægt að nefna notkun dagsbirtu, sem þýðir að það þarf ekki að nota tilbúið ljós eins mikið. Hægt er að hanna hús með sem flestum gluggum, stórum gluggum eða löngum gluggum sem gefur birtu á stærra svæði innandyra.

Við allar þessar aðferðir þarf að taka tillit til aðstæðna og hugsa um hvaða umhverfisþættir koma inn á hverjum stað fyrir sig.

Ef geyma ætti heitt vatn frá sumri til vetrar þyrfti gríðarstóran geymslutank á stærð við sjálft húsið. Sjálft safnsvæðið þyrfti að vera mjög stórt. Þetta myndi vera mjög dýrt í framkvæmd og ekki víst hversu langan tíma þarf til þess að þetta borgi sig.

Ef margir vatnshitarar eru settir saman á stórt svæði og hitinn notaður fyrir nærliggjandi byggingar gæti uppsetning borgað sig. Kostnaður við uppsetningu sólarsellu er frekar hár miðað við uppsetningu annarra endurnýjanlegra orkugjafa, en verðið hefur lækkað á seinustu árum vegna aukinnar þróunar og aukningu í notkun.

Sólar raforka.

Sólarsella, eða sólarhlaða eins og hún er stundum kölluð, er næstum eingöngu úr kísil, sem er annað algengasta efnið í jarðskorpunni. Það eru engir hlutir sem hreyfast í sólarsellunni og ætti hún tæknilega séð að geta starfað að eilífu án þess að eyðileggjast. Útkoman úr sellunni er raforka.

Uppfinningarmaður sólarsellunnar var Edmond Bequerel, sem lýsti árið 1839 tilraun sinni með rafhlöðu. Hann komst að því að ef silfurplötur í rafhlöðunni fengu á sig sólarljós jókst spennan í henni. Nokkrar gerðir komu á eftir þessari uppgötvun, en nýtni þeirra var öll undir 1%. Á sjötta áratugnum kom tímamótaskref í þróun núverandi sólarsellu. Vísindamenn hjá Bell Telephone Laboratories voru að skoða áhrif ljóss á hálfleiðara. Hálfleiðarar eru málmleysingjar eins og german og kísill, sem hafa eiginleika sem líkjast eiginleikum leiðara, lítið viðnám, en einnig eiginleika sem líkjast eiginleikum þétta, stoppa næstum alveg rafstraum. Nokkrum árum áður hafði smárinn(transistor) verið fundinn upp. Hann er úr kísil en hann er mengað með bór eða fosfór.

Sólarsellan samanstendur af samskeytum milli tveggja þunna laga af ólíkum hálfleiðurum, jákvæðum og neikvæðum. Báðir hálfleiðararnir eru úr kísil en jákvæði hlutinn er mengaður með smá bór sem veldur ákveðinni vöntun á lausum rafeindum og neikvæði hlutinn er mengað með örlitlum fosfór sem gefur umframmagn af lausum rafeindum. Samskeytin gera það kleyft að mynda það rafsvið sem nauðsynlegt er fyrir straummyndun en það þarf utanaðkomandi áreiti til þess að hleðslur færist til í sellunni. Ljóseind kemur inn í jákvæðu-neikvæðu samskeytin. Hún gefur rafeindunum orku og getur komið þeim á hærra orkusvið. Við þetta ferli verða rafeindirnar frjálsari í ferðum og geta því leitt rafstraum. Að þær fari upp á hærra orkusvið gefur eftir svæði og það eykur einnig leiðnimöguleika og hreyfanleika.

Hámarksnýtni sólarsella er 35% en nýtnin er oftast á milli 10% og 15%.

Einkristallaðar kísil sellur voru langmest notaðar þangað til nýlega. Vinnslu ferlið á þessum sellum er mjög dýrt og langt.

Fjölkristallaðar kísil sellur hafa aðeins verið notaðar í um 20 ár. Framleiðsla á þessum sellum er ódýrari og tekur minni tíma og er því betur samkeppnishæfari en einkristölluðu sellurnar.

Sólarsellur eru notaðar á ýmsum stöðum, til dæmis í stöðumæla, siglingabaujur og fjarmælingar á veðri eða umferð. Einnig eru þær oft á þökum húsa og framleiða þá rafmagn fyrir heimilið. Þá er sniðugt að vera með vatnshitara líka og framleiða alla sitt rafmagn og heitt vatn sjálfur.

Sólarorkuver af þessari gerð eru oft sett á land þar sem fyrir er röskun á umhverfi, til dæmis í kringum hraðbrautir eða lestarteina.

Notkun á Íslandi.

Fjölmargir eru farnir að selja sólarsellur og þá sérstaklega fyrir hjólhýsamarkaðinn. Sú sala hefur stóraukist síðustu árin. Það eru aðallega sumarhúsa- og hjólhýsaeigendur sem nýta sér sólarorku.

Í Sesseljuhúsi umhverfissetri, á Sólheimum í Grímsnesi, er fræðslusetur um umhverfismál og sýningar um sjálfbærar byggingar. Þar er verið að koma fyrir stærstu sólarsellusamstæðu á Íslandi, 16 sólarsellum sem hver er 140 W og alls 2,24 kW. Ef miðað er við nýtingarhlutfallið 9% af fullum afköstum ætti hún að framleiða á einu ári: 9% * 365 dagar/ári * 24 klst/dag * 2,24 kW = 1766 kWh. Eigendur hússins hafa reiknað út að ísskápurinn í húsinu eyði 142 kWh á ári og þessi raforkuframleiðsla gæti því séð 12 slíkum ísskápum fyrir rafmagn í heilt ár.