Solenergi

Solenergi er betegnelsen på den energien som solen produserer og avgir gjennom stråling. På jorden er det i ulik grad mulig å utnytte denne energien til produksjon av energi. Solenergi kan i hovedsak utnyttes på to forskjellige måter, som produksjon av varme eller av elektrisk energi. Teknologier for solenergi defineres bredt som enten passiv solenergi eller aktiv solenergi, avhengig av måten en tar opp, konverterer og distribuerer energien på. Passiv solenergi kan utnyttes i bygninger som står slik at de får mye sollys, har massive materialer som varmes opp eller har lysspredende egenskaper. En tenker også på utforming av bygninger og rom som setter luften i naturlig sirkulasjon. Aktiv solenergi er teknologier som solfangere for oppvarming og utnyttelse av solenergi, konvertering av sollys til elektrisitet enten direkte, ved å bruke solceller eller indirekte ved hjelp av termisk solkraft.

Flyttbart panel for solenergi, India

Teknologier for utnyttelse av solenergi

Ved slutten av 2020 var verdens installerte effekt for anlegg som fanger opp solenergi 714 GW. Kina med sine 254 GW var enkeltlandet med størst kapasitet.

Passiv solenergi

Hus med store vinduer mot sør for å fange opp mest mulig sollys i Zwolle, Nederland.

Foto: Erik Wannee

Systemer for passiv solenergi defineres ut fra at varmeenergi strømmer naturlig ved hjelp av varmeledning (konduksjon), stråling og konveksjon. Det kan skje så enkelt som at sollyset varmer opp bygningskroppen ved absorpsjon.

En typisk måte å utnytte sollyset på er at det skinner gjennom vinduer og absorberes av vegger, gulv, møbler og tak. Når disse flatene varmes opp avgis langbølget stråling som vinduene ikke slipper ut. I fyringssesongen dekker passiv solvarme rundt 10 % av energibehovet i norske boliger årlig. Hus kan være bygget og planlagt for å ta vare på solenergi, slik at utnyttelsen blir størst mulig. Massive, indre vegger med mørk overflate absorberer og lagrer solvarmen som skinner inn i rommet gjennom vinduene, og holder rommet varmt når solen har gått ned. I bygninger der dette er godt planlagt kan bygningskonstruksjonen være slik at den sørger for oppvarming om vinteren, og nedkjøling om sommeren. Isolasjonen i huset vil være en viktig del av konstruksjonen, det samme vil vinduene (fylt med argon).

Aktiv solenergi

Systemer for aktiv solenergi går ut på at en såkalt solfanger varmer opp et medium som vann eller luft. Mediet kan sirkuleres slik at energien både kan transporteres og lagres. Typisk er dette installasjoner for bygninger og hus, der solfangere er montert på taket og der rør, ventiler, pumper, tanker og andre innretninger transporterer energien for romoppvarming eller oppvarming av tappevann. Årlig energiproduksjon i Norge fra en solfanger kan forventes i området 400–450 kWh/m², mens i tropiske områder kan en forvente 1000–1200 kWh/m². Til varmelager benyttes en stor vanntank og om mediet er luft, benyttes stein som luften kan sirkulere rundt. Varmelagret kan dimensjoneres for én dags forbruk, men det kan også være så stort at det kan benyttes for en hel vintersesong.

Selve solfangeren er den viktigste komponenten i systemet og mye utvikling har vært gjort for å optimalisere disse. Solfangere i form av paneler med vann som sirkulerer gjennom kanaler er det vanligste. Over kanalene er det ett eller flere dekkglass. Solfangere kan være en integrert del av tak, eller vegger av bygninger.

Bruk av reflektor for solkoking i Afrika

Foto: Tom Sponheim

Land som Tyskland, Østerrike og Hellas har vært ledende på bruk av solfangere, men de benyttes også på Kypros, i Spania, Italia, Kina, Japan og USA. Noen av disse landene har også påbud om at en viss del av energibruken i bygninger skal dekkes med solenergi. Vanligst er det med anlegg for oppvarming av varmtvann, lengre nord øker også antallet anlegg for romoppvarming.

Solkjøling er prosesser der sollyset driver prosesser som gir nedkjøling av luft eller vann. Slike prosesser kan være svært nyttige der behovet for nedkjøling og air-conditioning er tilstede når solen skinner. For eksempel kan ammoniakk benyttes som kjølemedium og vann som absorpsjonsmedium, slik at en oppnår romtemperatur under −30 °C med en varmekilde som holder over 70 °C.

Solkoking er et konsept som har blitt utviklet for folk i fattige land, der energibehovet til matlaging er den viktigste energibruken for en husholdning. I mange land brukes, ved, trekull, gjødsel, parafin og propan til matlaging, men disse kildene kan være begrensende eller farlige. Solkoking går ut på at en reflektor konsentrerer sollyset mot et svart kokekar. Temperaturen kan komme opp i 80–130 °C.

Termisk solkraft

Ivanpah Solar Power Facility i Mojave-ørkenen, California, USA.

Det meste av elektrisk kraftproduksjon i verden skjer i varmekraftverk med forbrenning av kull og gass eller varmen kommer fra kjerneenergi. Felles for alle disse er at en varmekraftmaskin, i praksis en dampturbin, driver en generator. Også solenergi er tatt i bruk for å drive turbiner, omtalt som termisk solkraft. Vanligvis benyttes regulerbare speil og solfangere som varmer opp vann til damp, som igjen driver en dampturbin. På en stor flate settes det opp speil som konsentrerer sollyset mer enn ti ganger. Disse speilene reguleres i løpet av solens gang over himmelen. Bare direkte sollys utnyttes, dermed benyttes helst steder med mye klarvær. I slike systemer benyttes ellers standard komponenter som turbiner, varmevekslere og så videre, som en finner i konvensjonelle varmekraftverk.

Teknologier som har blitt testet ut er såkalte parabolske trau, soltårn og parabolske disker (speil). Parabolske trau består av smale rørformede solfangere montert i fokus over et parabolsk speil. Mange slike trau kan monteres i parallelle rader på en stor landflate. Solstrålingen blir dermed konsentrert 70 til 100 ganger og fokusert mot solfangeren som varmer opp olje, og her kan temperaturen bli opptil 400 °C. Via en varmeveksler overføres varmen fra oljen til vann som fordamper og driver en dampturbin. Solfangeren utformes for høy absorpsjonsevne, høy transmittans og høy varmeledningsevne.

I et soltårn er solfangeren montert i en kompakt enhet i toppen av et tårn. På bakken rundt tårnet er det mange regulerbare speil som konsentrerer sollyset mot solfangeren. Solfangeren varmer opp vann direkte eller indirekte, for at damp skal drive en dampturbin. Prinsippet med parabolske speil er lik de andre metodene, men her er speilet formet parabolsk og solfangeren står montert i fokus over speilet. Fordelen med parabolske speil er høy virkningsgrad, opp mot 30 %. En variasjon over dette konseptet benytter en stirlingmotor istedenfor dampturbin.

Kraftverk for å utnytte termisk solkraft har vært bygget, men få har greid å bli så vellykkede at de har kunnet produsere elektrisk kraft kommersielt. Mellom 1984 og 1991 ble det bygget ni slike kraftverk i California, disse har vært i drift siden. Etter at det ble opprettet offentlig støtte til slike kraftverk i 2007, har det blitt bygget 40 termisk solkraftverk i Spania og noen flere er også bygget i USA.

Termisk solkraft har mulighet for å levere store energimengder på en gunstig måte. Om bare 1 % av verdens potensial for termisk solkraft blir utnyttet, anslås det at klimamålene som FNs klimapanel anbefaler, kan møtes. Tilbakebetalingstiden for den energien som går med til å bygge et anlegg, er mindre enn ett år. Dessuten kan mange av materialene i et slikt kraftverk brukes på nytt. Anleggene kan også bygges med lagringskapasitet for termisk energi, dermed kan de produsere elektrisitet selv i perioder uten sol. Slike kraftverk kan da levere grunnlast i kraftsystemet de er tilknyttet. Konseptene bygger på energilagring i medier som smeltet salt, keramiske partikler, grafitt og betong som tåler høy temperatur. Det har (før 2012) blitt bygget kommersielle anlegg med lagringskapasitet på 15 timer.

Elektriske solceller

Et lite solcelleanlegg på taket av en bygning i Bonn, Tyskland.

Elektriske solceller omdanner solenergi direkte til elektrisk energi ved hjelp av fotoelektrisk effekt. Solceller består av halvledere som er dopet, det vil si at fremsiden har et overskudd av elektroner og baksiden et underskudd, eller motsatt. I grensesjiktet mellom de forskjellig dopede lagene, oppstår et elektrisk felt som driver de frie elektronene mot fremsiden av cellen. Atomer som fanger opp fotoner i lyset blir eksistert til høyere energinivåer, dermed kan elektroner frigjøres. Ved å tilknytte solcellenes frem og baksider til en elektrisk krets kan energien utnyttes.

Solcelleanlegg leverer likestrøm. Når det skal tilknyttes et overliggende kraftsystem blir det nødvendig å anvende et vekselretteranlegg. I mange tilfeller anvendes solcelleanlegg for små isolerte kraftsystemer, og da benyttes batterier for energilagring.

Solcelleanlegg er robuste og krever lite vedlikehold, og en stor fordel er at de kan produsere energi uten å være tilknyttet noe overliggende kraftsystem. Dermed kan de brukes til alt fra små elektroniske enheter til avsidesliggende hus. En annen fordel er at de kan være en del av bygningskroppen som tak eller vegger. Det er også mange solcelleanlegg som tilkobles overliggende kraftnett for å mate inn energi som eieren får betalt for. På grunn av denne store fleksibiliteten øker produksjonen av solceller hvert år, med en gjennomsnittlig årlig produksjonsøkning på 43 % per år fra 2000 til 2012.

Da en begynte med produksjon av solceller i 1960- og 1970-årene, trengtes det mer energi å produsere dem enn de noen gang kunne levere tilbake av elektrisk energi i sin levetid. Denne tilbakebetalingstiden er sterk forbedret. En tynnfilm CdTe-celle kan produsere mer elektrisk energi enn den energi som gikk med til produksjonen i løpet av 0,68 år, for krystallinske silikonceller er tiden mindre enn to år (2016).

Virkningsgraden for solceller har så langt ikke vært spesielt høy, med en teoretisk beste virkningsgrad under 30 % (2016). Årsaken er at mye av sollyset enten bare blir absorbert eller reflektert. Det forskes derfor på enheter der flere transparente, tynne solceller settes sammen, slik at sollys med kort bølgelengde skaper energi i den første enheten og de lengre bak påvirkes av lengre bølgelengder. I eksperimenter har en med slike konsepter greid å få en virkningsgrad helt opp mot 44 %.

Solkraft til drivstoffproduksjon

Solkraft kan benyttes til å produsere kjemiske drivstoff som hydrogen, syntesegass, metanol og diesel. Prosessene går ut på å benytte elektrokjemiske, fotokjemiske eller termokjemiske reaksjoner. I den første prosessen lages hydrogen ved elektrolyse drevet av elektrisitet fra solkraft. Med fotokjemiske prosesser etterlignes fotosyntesen i planter til å lage energirik biomasse. Ved termokjemiske prosesser skapes det høy temperatur som driver en endotermisk kjemisk reaksjon, med drivstoff som sluttprodukt. Stoffene en bruker til reaksjonen kan være vann, karbondioksid, metanol, dimetyleter og syntetisk olje.

Flytende solcelleanlegg

Flytende solcelleanlegg er systemer med store paneler med solceller som flyter på overflaten av drikkevannreservoarer, dammer i steinbrudd, innsjøer, vannkanaler eller andre vannflater. Systemene har noen fordeler fremfor lignende anlegg på land. Blant annet at tomtekostnadene på land er større, samt at det er færre regler og reguleringer for konstruksjoner som flyter på vann. I motsetning til de fleste landbaserte solenergianlegg, vil ofte flytende anlegg knapt være synlige for publikum.

Litteratur

• Fossdal, Marit L. m.fl. (2007). Fornybar energi 2007. Norges vassdrags- og energidirektorat. ISBN 9788241006326. 

• Goswami, D. Yogi og Kreith, Frank, m.fl. (2016). Energy efficiency and renewable energy – Handbook (2. utg.). Taylor & Francis Group, LLC. ISBN 978-1-4665-8509-6. CS1-vedlikehold: Flere navn: forfatterliste (link)
• Arvizu, Dan m.fl. (2012). Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation – Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change – Technical Summary. Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-02340-6. 

Eksterne lenker

• «Informasjon om solenergi», Norsk solenergiforening
• «Energi og miljø: Solenergi», Institutt for energiteknikk (IFE)