SOL TILL ELEKTRICITET

SOL TILL ELEKTRICITET Dan Inborr Mathias Björk Högskolen I Östfold, Elektro Energiteknikk, 26.1.2010

SAMMANFATTNING Det finns två olika sätt att omvandla solenergi till elektrisk energi, med photovoltaics och med koncetrerad solenergi. I större anläggningar och solenergikraftverk används systemet för koncentrerad solenergi oftast. I mindre installationer används Photovoltaics -metoden hellre, men den kan också användas i större utföranden. Det forskas hela tiden efter nya och billigare sätt att omvandla energin effektivare. Solenergin är bra eftersom den är förnybar. INNEHÅLLSFÖRTECKNING SAMMANFATTNING... 2 INNEHÅLLSFÖRTECKNING... 2 1. Inledning... 3 2. Tillgänglighet... 4 3. Solenergi i praktiken... 5 3.1 Photovoltaics, (PV)... 5 3.2 Koncentrerad solenergi (CST)... 6 4. Kostnadseffektivitet... 7 DISKUSSION... 8 SLUTSATS... 9 REFERENSFÖRTECKNING... 10 HIOF097333 Sida 2

1. INLEDNING Denna rapport behandlar vi ämnet Sol till elektricitet. Med detta menar vi att vi använder solens energi för att göra upphov till elektricitet. Solens energi är grunden till allt liv på jorden. Utan värme från solen skulle jorden vara en mycket kall plats och det är solenergin som driver växternas fotosyntes. Solenergi utnyttjas ofta i dagens samhälle och det forskas hela tiden i hopp om att få en högre verkningsgrad på applikationerna som omvandlar solens energi till elektrisk energi. Det som är bra med solenergin är att den tar inte slut (förnybar energi), till skillnad från fossila bränslen som används kontinuerligt och är det bränsle som används mest för att göra upphov till elektrisk energi. Verkningsgraden hos de fossila bränslen är i regel mycket högre än hos solstrålningen, och dessutom mycket mera kostnadseffektivt. (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2009 b). Figur 1 är en bild på ett solkraftverk i Mojavaöknen i Kalifornien som använder sig av koncentrerad solenergi, se punkt 3.2. Figur 1. Solkraftverk i Kalifornien (The Mary Brogan Museum of Art and Science, 2008) HIOF097333 Sida 3

2. TILLGÄNGLIGHET Den mängd av solens strålningsenergi som faller på en yta per enhet area och per enhet tid kallas irradians. Medelvärdet på den utomjordiska irradiansen vinkelrätt mot solstrålarna på ytterkanterna av jordens atmosfär är ca 1.35 kw/m 2. Pga. att jordens omloppsbana är ellipsformad, så ändras avståndet mellan solen och jorden beroende på tiden på året, den utomjordiska irradiansen ändras då också med ± 3.4 % per år. Irradiansen på jorden yta kan i medeltal sägas som 1 kw/m 2 en solig dag. Nära ekvatorn har man mest strålningsenergi, den kan gå över 2000 kwh/m 2 per år och speciellt högt i öknen. I Nordeuropa (Danmark, Storbritannien, Grönland m.m.) är den årliga strålningsenergin endast ca 1000 kwh/m 2. I figur 2 visas den årliga strålningsenergin på jordytan per kvadratmeter (Goswami, Kreith, & Kreider, 2000) (Boyle, 2004). Figur 2. Årlig strålningsenergi per kvadratmeter på jordytan (GENI, 2010) HIOF097333 Sida 4

Jorden och dess atmosfär tar emot kontinuerligt 1.7*10 17 W strålningseffekt från solen. I en värld med 10 miljarder invånare och med en genomsnittsförbrukning på 10 kw per person blir den totala effektförbrukningen 10 11 kw. Så om man tänker att man kan använda 1 % av den strålning som träffar jordytan, med anläggningar som har en verkningsgrad på 10 % så skulle kunna få ut ca 10 14 kw vilket räcker till gott å väl för att försörja planeten med energi. Denna kalkylering är ofta uppmärksammad och påpekad av solenergientusiaster, men i verkligheten så har denna energikälla stora ekonomiska och tekniska problem som hindrar den från att förverkligas. Dessa problem nämns sällan i samband med denna makroskopiska uppfattning av solenergi (Goswami, Kreith, & Kreider, 2000). 3. SOLENERGI I PRAKTIKEN 3.1 PHOTOVOLTAICS, (PV) Ett Photovoltaic -system konverterar solljuset till likström. Photo betyder ljus och voltaic betyder spänning. Detta system skapar ett elektriskt fält (spänningsdifferens) för de exciterade elektronerna, som är genererade av fotonerna från solljuset, att flöda i en extern krets. Det elektriska fältet är permanent skapat pga. närvaron av np-knutpunkter i photovoltaic -systemet för att generera energi. Photovoltaic -teknologin använder halvledarceller med storlek på ca några kvadratcentimeter. De utstrålade fotonerna från solljuset separerar de positiva och negativa laddningsbärarna i det absorberande materialet i photovoltaic -systemet. Den elektriska strömmen är skapad pga. dessa laddningar i närvaro av ett elektriskt fält. PV-tekniken används oftast i mindre installationer som stugor, bilar men kan också nyttjas i större anläggningar (Tiwari & Ghosal, 2007). Figur 3 visar en PV-solcell. HIOF097333 Sida 5

Figur 3. Solcell med photovoltaics (Calfinder Contractors, 2009) Det finns många olika tekniker, inklusive fjorton olika typer av solceller, t.ex. tunn film, mono kisel, polykristallisk kisel, och amorfa celler, liksom många andra olika sätt att koncentrera solenergi. Det är för tidigt att veta vilken teknik som kommer att bli dominerande (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 a). 3.2 KONCENTRERAD SOLENERGI (CST) Ett CST-system använder linser eller speglar och spårningssystem för att fokusera en stor area av solljus till en liten area. Det koncentrerade ljuset används sedan som värme eller som värmekälla till ett konventionellt kraftverk. En parabolisk uppfångare består av en linjär parabolisk reflektor som koncentrerar ljuset till en mottagare placerad längs reflektorns centrala linje. Mottagaren är ett rör placerad direkt ovanför mitten av paraboliska spegeln och är fylld med en fluid. Reflektorn följer solen under dagens ljusa timmar på en viss bana. En fluid (t.ex. smält salt) upphettas till 150-350 C som rinner genom en mottagare och sedan används som värmekälla för ett kraftproduktionssystem. Figur 4 visar en bild av ett CST-system (Wikipedia, The Free Encyclopedia, 2010 a). HIOF097333 Sida 6

Figur 4. Koncentrerad solenergi (The Green Octopus, 2009) 4. KOSTNADSEFFEKTIVITET Fastän solenergi är i praktiken gratis så kan kostnaderna bli ganska stora för att skapa en anläggning som kan konvertera solenergi till elektrisk energi. Genom att försumma inflationen kan man göra en simpel kostnadsberäkning på detta vis. Tänk dig att en anläggning har en livstid på T år och en initialkostnad på C 0 NOK. Om systemet under sin livstid tar emot en medelenergi Q, så är energikostnaden lika med anläggningskostnaden dividerat med den totala energimängden den kan leverera under sin livstid. T.ex. om en anläggning kostar 570 NOK/m 2 yta, har en uppskattad livstid på 20 år, och är installerad i ett land var den årliga effektiva strålningseffekt per areal är 200 W/m 2 (detta är ett medeltal för ett dygn) så blir kostnaden för solenergin C s lika med ekvation 1 (Goswami, Kreith, & Kreider, 2000). HIOF097333 Sida 7

C s = C 0 Q T C s = 200 NOK W 570 m 2 1000 ( kw ) W m 2 24 h dag 365 dag 20 år år Ekvation 1. Kostnadsberäkning (Goswami, Kreith, & Kreider, 2000) C s = 0.01627 NOK kwh Men det som vi måste beakta är att ingen anläggning kommer att arbeta med 100 % effektivitet. Pga. lagen om termodynamik så kan endast en bråkdel av den infallna energin ovandlas till nödvändig värmeenergi. Om vi grovt antar att anläggningen har en verkningsgrad ή c på 50 %, så blir kostnaderna i det förra exemplet dubblerade, se ekvation 2 (Goswami, Kreith, & Kreider, 2000). C s = C 0 = 0.03253 QTή c kwh Ekvation 2. Kostnadsberäkning (Goswami, Kreith, & Kreider, 2000) Fastän kostnaderna är endast 3.25 öre/kwh så om man placerar anläggningen på en plats där den årliga effektiva strålningsenergin är 100 W/m 2 så dubbleras kostnaderna för solenergin men kostnaderna för systemet förblir densamma. Denna beräkning är en väldigt grov uppskattning på effektiviteten med solenergin (Goswami, Kreith, & Kreider, 2000). DISKUSSION Den kostnadsberäkning vi gjorde i punkt 4 är ju dock en grov uppskattning. Som vi nämnde tidigare har man inte räknat med inflationen alls, och vi får inte glömma kostnader för investering, underhåll, övervakning samt transportering av den elektriska energin. Solenergi är en bra energikälla för att den är förnybar. Men den är ändå svår att utnyttja pga. att irradiansen varierar kraftigt beroende på platsen. HIOF097333 Sida 8

SLUTSATS Här i Norden är möjligheterna för utnyttjande av solenergi inte så väldigt bra, den enda tiden vi har möjlighet är sommarmånaderna. Detta för att solen lyser inte så ofta här och inte så starkt. Bäst möjligheter för utnyttjande av solenergi finns runt ekvatorn, för där lyser solen som starkast och väldigt ofta. Solenergikraftverk byggs oftast med CST-metoden medan photovoltaic-metoden används mest i mindre anläggningar men undantag kan förekomma. HIOF097333 Sida 9

REFERENSFÖRTECKNING Boyle, G. (2004). Renewable energy, power for a sustainable future. Oxford: Oxford. Calfinder Contractors. (2009). Is the DOE Wasted on Nuclear Power? Calfinder: http://solar.calfinder.com/blog/solar-politics/is-the-doe-wasted-on-nuclear-power/ den 11 3 2010 GENI. (2010). Solar Energy. Global Energy Network Institute (GENI): http://www.geni.org/globalenergy/library/renewable-energy-resources/solarbig.shtml den 11 3 2010 Goswami, D. Y., Kreith, F., & Kreider, J. F. (2000). Principles of Solar Engineering. England: CRC Press. Sundén, B. (2006). Värmeöverföring. Lund: Studentlitteratur. The Green Octopus. (2009). Earth. The Green Octopus: http://thegreenoctopus.info/solar-energy-and-itsfuture den 11 3 2010 The Mary Brogan Museum of Art and Science. (2008). Solar Energy. Your energy generation: http://www.yourenergygeneration.com/energy_solar.html den 11 3 2010 Tiwari, G. N., & Ghosal, M. K. (2007). Fundamentals of RENEWABLE ENERGY SOURCES. Oxford: Alpha Science International Ltd. Wikipedia, The Free Encyclopedia. (2010 a). Solar power. (Wikimeda Foundation, Inc) Wikipedia, The Free Encyclopedia: http://en.wikipedia.org/wiki/solar_power den 26 01 2010 Wikipedia, The Free Encyclopedia. (2009 b). Solenergi. (Wikimedia Foundation, Inc) Wikipedia, The Free Encyclopedia: http://sv.wikipedia.org/wiki/solenergi den 26 01 2010 HIOF097333 Sida 10