Hoe elektrisiteit deur middel van sonselle en sonoonde opgewek word—en water in huise regstreeks verwarm kan word deur die son
BO: Elektrisiteit word opgewek deur middel van spieëls wat die son volg en die weerkaatste sonlig op een brandpunt op 'n toring konsentreer. Met die groot hitte wat sodoende verkry word, word water verhit tot stoom—en die stoom maak elektrisiteit op die konvensionele manier.
Kyk ook Mieliestronk se ander artikel oor sonkrag: klik hier
IE opwekking van energie deur middel van die son belowe geweldig baie vir die toekoms as volhoubare energiebron," gesels 'n wetenskaplike.
"Die son hou immers aan met skyn," vertel hy, "dag ná dag, eeu ná eeu, millennium ná millennium tot aan die voleinding van die wêreld. Man, enige mens sonder oogklappe moet kan sien ons redding lê by die benutting van sonkrag. Die antwoord lê oop en bloot voor ons as ons net by die venster uitkyk. Ons sal die son se ligtende strale vol belofte op die gras en bome sien speel..."
Hierdie kenner se ietwat digterlike waarneming bevat natuurlik 'n groot element van waarheid. Al is die son gemiddeld ongeveer 149.600.000 km ver van ons af, bevat hy so 'n verbysterende hoeveelheid energie dat hy alle stoflike lewe op die aarde moontlik maak. Wat meer sê, slegs 'n minuskule sowat een honderdste van 'n miljoenste persent van sy energie bereik ons planeet, maar dis heeltemal genoeg om oor en oor in al ons energiebehoeftes te voorsien.
Plante "weet" al van die begin af hoe om die sonenergie te gebruik om kos te maak—voedsel vir hulself en vir mens en dier. Al wat die mens tot betreklik onlangs nog kon doen, was om die son te gebruik om sy nat klere droog te kry, droëvrugte te maak, sy vel op die strand te verbruin of te verbrand... al sulke basiese dinge.
Maar met die ontwikkeling van die sontegnologie het die toestand in die jongste aantal dekades soos handomkeer verander. Veral met die koms van satelliete, wat buite die aarde se atmosfeer in die volle gloed van die son se strale wentel, het die tegnologiese benutting van sonenergie 'n besliste werklikheid geword. Selfs sekere selfone kan vandag al met sonkrag gelaai word.
Om nie te praat van die plan om straatligte bedags as 't ware met sonkrag te bekragtig sodat hulle snags met songelaaide batterye kan skyn nie.
Tog word die son nog nie eens naastenby ingespan soos dit kan nie. Elke minuut bereik genoeg energie van die son die aarde om ons 'n jaar lank al die krag te gee wat ons nodig het—as ons net in staat kon wees om dit reg te benut. En sonkrag is "skoon" krag... "silwerskoon" kan 'n mens maar sê. Dit kan aangewend word sonder enige besoedeling hoegenaamd en sonder die vrystelling van enige kweekhuis-gasse wat dreig om planeet aarde in 'n verskrikking te verander.
Daar is op die oomblik hoofsaaklik drie beproefde maniere waarop ons die son se energie tegnologies tot ons voordeel kan gebruik, naamlik deur middel van:
2. waterverwarming met die hitte van die son;
3. sonoonde wat water in stoom verander sodat die stoom op sy beurt kragopwekkers aandryf.
Baie geleerdes stem saam dat al drie hierdie maniere deur die mens ingespan behoort te word—die eerste twee veral deur huishoudings en sake-ondernemings, en die derde manier deur groot kragverskaffers soos Eskom. Dit kan die energiekrisis nie net verlig nie, sê hulle, maar dit kan dit uiteindelik grotendeels help oplos. Soos die bogenoemde wetenskaplike oor só 'n vooruitsig uitroep: "Nou kyk, watter heuglike dag sal dit nie wees nie!"
Vanselfsprekend is daar darem nie net voordele in die aanwending van elk van hierdie stelsels nie, maar ook sekere nadele. Ons kyk egter eers na die onteenseglike voordele (terwyl ons ook die werking van elkeen van hierdie stelsels beskryf) en daarna kom die nadele van sonkrag in een samevattende afdeling onder die loep.
1. Sonselle en hul voordele
SONSELLE, wat eintlik "fotovoltaïese" of "fotoëlektriese" selle genoem word, skakel lig regstreeks om in elektrisiteit. Die fotovoltaïese proses behels die direkte omskakeling van lig tot elektrisiteit op die atomiese vlak. Sekere stowwe het 'n eienskap bekend as die fotoëlektriese effek, wat meebring dat hul atome die fotone van lig absorbeer en elektrone uit die atome vrystel. Wanneer hierdie vry elektrone vasgevang word, is die resultaat 'n elektriese stroom wat as elektrisiteit gebruik kan word.
Die fotoëlektriese effek is die eerste keer in 1839 deur 'n Franse fisikus, Edmund Bequerel, beskryf. Bequerel het bevind dat sekere stowwe klein hoeveelhede van 'n elektriese stroom produseer wanneer hulle aan lig blootgestel word. Die eerste fotovoltaïese module is in 1954 deur Bell Laboratories in Amerika gebou. Dit is 'n sonbattery genoem en was eintlik maar net 'n aardigheid omdat dit te duur was om baie gebruik te word.
In die 1960's was dit die ruimte-industrie wat sonselle die eerste keer ernstig begin aanwend het om krag aan boord van ruimteskepe te verskaf. Danksy die ruimteprogramme het die tegnologie vooruitgegaan en is sy betroubaarheid gevestig, terwyl die koste ook begin daal het. Tydens die energiekrisis van die 1970's het die fotovoltaïese tegnologie erkenning gekry as 'n kragbron vir nie-ruimtelike gebruike.
BO: Die basiese werking van 'n sonsel (lees direk hieronder meer daaroor).
Maar werk hoe 'n basiese sonsel of fotovoltaïese sel? Die illustrasie hierbo toon die prinsiep. Sonselle word gemaak van dieselfde soort halfgeleier-stowwe, soos silikon, wat in die mikroëlektroniese bedryf gebruik word. Vir sonselle word 'n dun halfgeleier-wafel spesiaal behandel om 'n elektriese veld te vorm, positief aan die een kant en negatief aan die ander kant. Wanneer lig op die sonsel val, word elektrone uit die atome in die halfgeleier-stof losgeboender. Indien elektriese geleiers met die positiewe en negatiewe kante verbind is, om 'n elektriese stroombaan te vorm, kan die elektrone in die vorm van 'n elektriese stroom vasgevang word—met ander woorde om elektrisiteit te verskaf.
Hierdie elektrisiteit kan gebruik word om 'n lig te laat brand of 'n stuk elektriese gereedskap te laat werk. In 'n sonnige klimaat kan 'n mens genoeg krag uit 'n rooster van samegestelde sonselle van net een vierkante meter kry om 'n gloeilamp van 100 W te laat brand.
'n Aantal sonselle wat met mekaar gekonnekteer en in 'n steunstruktuur of raam gemonteer is, word 'n fotovoltaïese module genoem. Die raam is van aluminium of 'n ander roesvrye metaal met 'n beskermingsplaat van glas om die sonselle teen die wind en weer te beskerm, asook om meganiese stewigheid te verseker
Modules is ontwerp om elektrisiteit van 'n sekere spanning, soos vir 'n gewone 12-volt-stelsel, te verskaf. Die stroom wat gelewer word, hang regstreeks af van hoeveel lig op die module val.
BO: Sonselle word saamgegroepeer en gekonnekteer om 'n fotovoltaïese module te vorm. Modules word aaneengekoppel in 'n rooster.
Veelvuldige modules kan aaneengekoppel word om 'n rooster te vorm. In die reël kan ons sê dat hoe groter die oppervlak van die module of rooster is, des te meer elektrisiteit sal geproduseer word. Fotovoltaïese modules en roosters lewer gelykstroom-elektrisiteit.
Die sonpanele van die Internasionale Ruimtestasie (waarheen die Amerikaanse pendeltuie kort-kort vertrek) is 'n baie bekende voorbeeld van hierdie soort kragopwekkers.
En danksy sonselle het ons natuurlik vandag ook satelliet-TV, betroubare weervoorspellingsdienste, internetverbindings via satelliet en baie ander dienste.
REGS: Rooster op rooster op rooster van sonselle vorm 'n massiewe kompleks van sonpanele wat by 'n Amerikaanse lugmagbasis in Kalfornië aangebring is. Die prys:
$4 576 753.
Maar ewe belangrik, vertel kenners, is dat sonpanele met sonselle in plekke met baie sonskyn by huise en kantore aangebring kan word om die gebruik van kosbare netwerkkrag (Eskom-krag in ons geval) dramaties te verlaag.
Die sonselle kan gedurende kragonderbrekings gebruik word om rekenaars aan die gang te hou of lig te verskaf waar dit noodsaaklik is. Ander (of dieselfde) sonselle laai bedags batterye, wat snags vir kragopwekking gebruik kan word wanneer die son nie skyn nie.
Optimiste voorsien selfs die dag dat sonselle gebruik kan word om derduisende batterye te laai, wat by herlaaisentrums ingelewer en gekollekteer word en gebruik kan word in motors, fabrieke en enigiets elektries wat aan die gang moet bly. Eendag, wie weet, kan dit dalk nog gebeur. Maar op die oomblik is dit nog nie kostedoeltreffend en prakties nie...
2. Waterverwarming deur die son en die voordele daarvan
IN stelsels van son-waterverwarming word basies geen elektrisiteit opgewek nie, maar word die hitte van die son regstreeks gebruik om warm water te verkry waar dit nodig is. Dit beteken veral groot kragbesparing waar geisers (warmwatersilinders) in huise verhit word sonder om gebruik te maak van skaars en duur elektrisiteit.
Die beginsel is glad nie ingewikkeld nie, soos die tekening hierbo illustreer. Die son skyn op glaspanele bo-op jou huis se dak. Water word deur pype binne-in die paneel gepomp (en die pompwerk kan gedoen word deur middel van 'n kleiner fotovoltaïese paneel op die dak; 'n bietjie kragopwekking is dus tog ter sprake). Die pype in die son-water-paneel is swart aan die buitekant, sodat hulle die sonstrale se hitte nie wegkaats nie, maar absorbeer en warm raak wanneer die son daarop skyn. Die water word in en uit 'n geiser gepomp, waaruit die verhitte water getap word soos nodig.
Die voordele hiervan lê voor die hand. Die bedrae op jou elektristeitsrekening sal aanmerklik daal en jy sal jou deel doen om krag vir die land te bespaar. Son-waterverwarming is 'n baie praktiese opsie in 'n land soos Suid-Afrika met sy baie son.
3. Sonoonde vir kragopwekking en die voordele daarvan
SOOS gesê, is sonoonde installasies wat water in stoom verander sodat die stoom op sy beurt kragopwekkers aandryf.
Die bekendste soort sonoond gebruik 'n magdom spieëls, wat aan die een kant of rondom 'n hitteopvangstoring oor die omringende landskap versprei is en saam die son se lig weerkaats en dit op een brandpunt konsentreer om 'n geweldig hoë temperatuur te bereik. By die brandpunt kan water verhit word tot stoom, wat op die gewone manier aangewend kan word om turbines te laat draai en elektrisiteit op te wek. Die spieëls is só ontwerp dat hulle kan beweeg om die son op sy pad van oos na wes oor hemelkoepel te volg.
'n Sonoond by Odellio, Frankryk, wat vir wetenskaplike proefnemings gebruik word, kan 'n hitte van tot 33 000 grade Celsius genereer. In Kalifornië is die sogenaamde Solar One-kragsentrale gebou, wat inderdaad die son se hitte gebruik het om stoom te maak waaruit elektrisiteit verkry is en wat van 1982 tot 1986 gebruik is.
In 1995 is Solar One omgeskakel in 'n kragsentrale wat Solar Two genoem is. Groter heliostate (spieëltoestelle wat die son volg) is in 'n kring om die hitteopvangstoring aangebring, sodat daar uiteindelik meer as 1900 heliostate was wat oor 'n gebied van byna 83 000 vierkante meter versprei was. Dit het Solar Two in staat gestel om die ekwivalent van seshonderd sonne te weerkaats, waardeur 10 megawatt elektrisiteit opgewek kon word.
BO: Solar Two met sy kragtoring wat omring is deur spieëls wat die gang van die son oor die hemelkoepel volg.
Foto: NREL, U.S. Department of Energy / Sandia National Laboratories
Waar Solar One water regstreeks verhit het, het Solar Two die son se hitte gebruik om die soort sout wat salpeter genoem word tot 565 grade Celsius te verhit en te smelt (eintlik is 'n mengsel van natriumnitraat of Chili-saltpeter en kaliumnitraat of gewone salpeter gebruik). Die gesmelte salpeter is toe gebruik om water te laat kook om stoom te verkry.
Hierdie ompad is nuttig geag omdat hitte in die gesmelte salpeter bewaar kon word met die oog op kort onderbrekings in die sonlig as gevolg van wolke. Die gesmelte salpeter sou ook in die toekoms gebruik kon word om snags stoom te maak vir die opwekking van elektrisiteit. Solar Two se werksaamhede is in 1999 gestaak en in 2001 het 'n universiteit dit omgeskakel in 'n soort teleskoop vir die meting van gammastrale wat die aarde se atmosfeer tref.
Solar Een en Solar Two was bloot eksperimenteel. Solar Two het hom nietemin as so geslaag bewys dat 'n kommersiële kragsentrale met die naam Solar Tres-kragtoring met Solar Two-tegnologie nou in Spanje gebou word. Daar word gemeen dat dit met sy groter tenk vir gesmelte salpeter dag en nag gedurende die somer elektristeit sal kan verskaf en regdeur die jaar teen omtrent 65 persent van sy potensiaal.
REGS: Kragopwekking deur middel van die paraboliese trog.
Foto: NREL, U.S. Department of Energy
Ook met die sogenaamde paraboliese trog kan die son se hitte vir kragopwekking gebruik word. Dit bestaan uit 'n lang paraboliese spieël met 'n buis soos dié in 'n vakuumfles wat al met die fokuspunt langs oor die volle lengte van die paraboliese spieël loop. Sonlig word deur die spieël weerkaats en op die buis gekonsentreer. 'n Hittegeleidingsvloeistof, meestal olie, vloei deur die buis, absorbeer die hitte en word dan gebruik om water te verhit tot stoom waarmee elektrisiteit gegenereer word.
Die grootste werkende sonkragstelsel is op die oomblik van die paraboliese soort. Dit is geleë by Kramer Junction in die Amerikaanse staat Kalifornië en bestaan uit vyf segmente wat elk 33 megawatt elektrisiteit kan opwek.
Die voordele van sonenergie wat met behulp van spieëls in elektrisiteit omgeskakel word, hoef beswaarlik uitgespel te word. As die installasies eers gevestig is, maak dit elektrisiteit wat absoluut verniet, gratis en pasella opgewek word! Daar word ook geen besoedelende kweekhuis-gasse in die atmosfeer ingepomp soos byvoorbeeld by steenkool-kragsentrales nie. Daar is geen gevaarlike afvalstowwe waarvoor wegsteekplekke gevind moet word soos deur kernkrag-installasies gedoen moet word nie.
In Suid-Afrika kan die Karoo, Kalahari en ander sonnige plekke vir sonkragopwekking benut word. Die argument dat daardie plekke nie geskik is vir die generering van stoom vir turbines nie—omdat daar so min water is—hou volgens kenners nie steek nie. Die stoom hoef immers nie alles in die atmosfeer te ontsnap nie, maar kan deur vernuftige prakseersels afgekoel en herbenut word.
En die nuwe tegnologie waarin Chili-salpeter en gewone salpeter saam tot smelting verhit word, om energie te bewaar wat snags gebruik kan word om water in stoom om te skakel, verpletter enige beswaar dat sonkrag onprakties is omdat dit onbruikbaar sou wees wanneer die son nie skyn nie.
a) Baie duur
DIE groot nadeel van al die bogenoemde metodes van sonkrag-benutting is dat die aanvangskoste op die oomblik duur is.
Die eenvoudigste en mees basies geiserverwarmingspanele by huise kan miskien nog vir 'n paar duisend rand aangebring word. Maar 'n blote rugsteunstelsel wat sowel son- as windkrag gebruik om darem net jou ligte, televisie, CD- en DVD-spelers te laat werk wanneer Evkom se krag faal, kan jou enigiets tot R40 000 uit die sak jaag. Moet ook nie vergeet van die batterye wat jy moet laai om voorsiening te maak vir die tye wanneer die son nie skyn en die wind nie waai nie.
'n Stelsel van R160 000 tot R200 000 kan jou huis bes moontlik van standhoudende "groen krag" voorsien wat jou van die grootste frustrasie van Evkom se kragonderbrekings kan bevry, maar nou word gepraat van 'n groot uitgawe waarvoor die meeste huiseienaars sekerlik sal terugdeins. 'n Batterybank maak sowat R48 000 van die R160 000 plus uit.
Om alles te kroon. word selfs gesê dat sonselle baie meer kos as die hoeveelheid elektrisiteit wat hulle in hul leeftyd kan verskaf.
En die veel groter sonoonde met die magdom spieëls wat konvensionele kragsentrales sou kon vervang, is na verhouding ook glad nie goedkoop nie. Boonop wek sulke installasies slegs krag op en bied hulle geen ander voordele soos die damme van hidroëlektriese kragsentrales nie.
'n Sonkragsentrale van die heliostaat-soort met 600 spieël-eenhede sou miskien 6000 huise van krag kan voorsien, nie juis veel meer nie. Nagenoeg twaalf jaar gelede is Amerika se Solar One vir $48.5 miljoen in Solar Two verander en vandag sou dit stellig heelwat meer gekos het. Die enigste koste-inligting wat ons oor Solar One self kon bekom, was dat dit baie duur was om te bou.
Tog lyk dit steeds of die aanvanklik hoë kapitaalkoste van sonkragsentrales binne jare verhaal sal kan word en dat 'n land soos Suid-Afrika baat kan vind by die oprigting van talle sulke aanlegte. Die koste om hierdie soort sentrales in stand te hou en te bedryf, is immers minimaal in vergelyking met dié wat byvoorbeeld met steenkool werk.
b) Dis net vir wêrelddele wat baie sonnig is
DIT sal 'n mens weinig baat om sonkrag te probeer tem as daar te dikwels geen sonnige dae op die plek is waar jy dit probeer doen nie. Dit is juis om hierdie rede dat daar in Brittanje nie veel van sonenergie gebruik gemaak word nie. In daardie land het 'n mens in die reël 'n baie groot oppervlakte vir sonpanele nodig om 'n behoorlike hoeveelheid elektrisiteit te verkry.
c) Werk nie snags nie
SONSONDERGANG in die weste, sonkragsentrale buite weste! Dan gaan staan alles en moet batterye inskop om krag te verskaf. (Hierdie nadeel, soos ons boontoe gesien het, geld egter vandag nie meer in dieselfde mate nie as gevolg van die nuwe tegnologie van gesmelte salpeter, wat genoeg sonenergie bewaar om regdeur die nag stoom te genereer wat elektrisiteit kan opwek.)
Die koste van die prosesse rondom die benutting van sonenergie
DIE onderafdeling a) Baie duur van Die nadele hierbo bevat 'n aantal interessante aspekte wat ook onder die opskrif reg hierbo tuis hoort.
Aansluitend daarby is nog 'n brokkie interesante inligting: Aan die einde van 2007 is uit Brittanje berig dat Europa dit oorweeg om meer as 5 miljard (vyfduisend miljoen) Britse pond te bestee aan die oprigting van 'n string reuse-sonkragsentrales langs die woestynkuste van Noord-Afrika en die Midde-Ooste aan die Middellandse See.
Indien dit realiseer, sal meer as honderd van hierdie opwekkers, elk bedien deur duisende spieëls, elektrisiteit opwek wat per ondersese kabel na Europese vasteland en Brittanje gelei word. Sodoende sal in sowat 'n sesde van Europa se kragbehoeftes voorsien kan word, terwyl daar ook beduidend minder lugbesoedeling sal wees van kragsentrales wat met fossielbrandstowwe werk.
Daar is egter 'n kinkel in die kabel—en daarmee word nie die letterlike elektrisiteitskabels in die Middellandse See bedoel nie. Krag wat op hierdie manier opgewek word, sal tans omtrent 15-20 eurosent (11 tot 14 Britse pennies) per kilowatt-uur kos—byna twee maal meer as die koste van elektrisiteit wat met steenkool opgewek word. Teen sulke pryse sal min lande oorreed kan word om na sonkrag oor te skakel.
Maar sonkragopwekking kan in die toekoms natuurlik na verhouding veel goedkoper word in die mate dat fossielbrandstowwe skaarser en duurder raak. Dan kan die prentjie dalk aansienlik verander.
Die Europese Unie toon in elk geval steeds soveel belangstelling in die sonkrag-tegnologie en ander hernieubare energiebronne dat hy €50 miljard (50 duisend miljoen euro) vir 'n program hieroor bewillig het wat van die jaar 2007 tot 2013 moet strek.
Veiligheidsaspekte van sonkragbenutting
SONENERGIE is doodveilig waar die opwekking van elektrisiteit ter sprake kom. Omtrent al waarteen by sonoonde gewaak moet word, is oorverhitting van die ontvanger waarop die strale van die son deur die spieëls gekonsentreer word. Dit kan straks 'n ongeluk veroorsaak.
Nog 'n veiligheidsaspek is om werkers by die aanleg te beskerm teen oormatige blootstelling aan sonlig, wat vanselfsprekend by so 'n buitelug-installasie kan gebeur.
Die praktiese uitvoerbaarheid van sonkragbenutting
SONENERGIE kan oral benut word waar daar genoeg sonskyn is—en genoeg ruimte om die sonpanele of sonoonde te installeer.
Gelukkig is daar in baie gebiede waar daar baie son is, soos woestyne en halfwoestyne, ook meestal genoeg grond wat nie as kosbare landbougrond beskou word nie. En selfs in landbougebiede sal 'n sonkragsentrale nie soveel van die landoppervlakte beslaan as wat vele damme met hidroëlektriese installasies met water bedek nie.
Vergelyk die Amerikaanse sonkraginstallasie Solar Two se 83 000 vierkante meter vol spieëls met die 370 miljoen vierkante meter grond wat ons Gariepdam met water toemaak wanneer hy vol is. Bygesê die Gariep se hidroëlektriese kragopwekking kan darem tot 360 megawatt styg, teenoor die skamele 10 megawatt wat Solar Two kon lewer. Maar vir dieselfde kraglewering as die Gariepdam sou 'n aantal Solar Twos slegs omtrent 3 miljoen vierkante meter grond nodig gehad het.
Die impak van sonkragbenutting op die omgewing
NET so seker as wat die son skyn, so seker kan bewaringsbewustes wees dat die benutting van sonkrag nie die omgewing kan benadeel nie. Die sonlig is immers in elk geval daar. Die enigste verskil is dat dit nou nuttig gebruik word waar dit andersins in die lug en grond verlore sou gegaan het—of deur 'n klompie dorsland-plante ingespan sou gewees het om hul blare groen te kleur!