4. Solenergi

Solens energi bliver opfattet forskelligt af mennesker i forskellige områder af Verden. Her på de nordlige himmelstrøg værdsætter vi hver stråle og er gode til at udnytte energien. Længere sydpå er varmen fra solen stærk og mennesker beskytter sig mod solen i huse med små vinduer og aircondition som en attraktiv gode.

Den energi, vi modtager på Jorden, kommer fra solen i form af kortbølget stråling. Vores atmosfære, der omkranser Jorden, reflekterer knap en fjerdedel af den indkomne stråling. Dermed er det godt halvdelen af den stråling fra solen, der rammer vores atmosfære, som når helt ned til jordoverfladen. Her bruges den bl.a. til opbygning af biomasse og opvarmning af Jorden og havene.

Solindstrålingen er ikke den samme overalt på Jorden og den varierer meget afhængig af årstider og b. Om sommeren er indstrålingen større end om vinteren og den mindste solindstråling findes i de polare egne om vinteren.

 

Definition: Bredde- og længdegrader

Bredde- og længdegrader bruges til at inddele Jorden i sektioner. Det er den mest præcise måde at opgive en position på.

b er inddelt i 180 grader og går fra ækvator (0 grader) til syd- og nordpolen som angivet ved henholdsvis 90 grader sydlig bredde og 90 grader nordlig bredde.

Længdegrader passerer alle gennem polerne, og er inddelt i 360 grader. Udgangspunktet for længdegrader kaldes for nulmeridianen og går gennem Greenwich uden for London. Længdegraderne øst for Greenwich kaldes østlig længde, og går op til 180 grader østlig længde, vest for Greenwich går længdegraderne op til 180 grader vestlig længde.

 

Globus med bredde- og længdegrader. Alle breddegrader har samme indbyrdes afstand nemlig 111,12 km.

Mængden af den energi, der findes i solens stråler kaldes solarkonstanten. Den angiver, hvor stor en effekt solens stråler har på en overflade på 1 m2 målt vinkelret i forhold til solen, dvs. at de rammer lodret ned på fladen. Solarkonstanten er på 1367 W/m2. Denne værdi er målt på ydersiden af Jordens atmosfæren, men som omtalt er det kun en del af strålingen, der rammer Jorden. Afhængig af skyforhold og breddegrader er den reelle effekt, der når jordoverfladen på ca. 1000 W/m2. Ved ækvator er indstrålingen størst, og jo længere nord eller syd på man måler, desto lavere er indstrålingen pr. m2 på jordoverfladen, hvis man placerer sig vinkelret på solen er solindstrålingen næsten lige stor over hele kloden.

 

 

Solens spektrum. Solens synlige lys er kun en lille del af lysspektret. Ved større bølgelængder findes infrarødt lys og mikro-

bølger. De lavere bølgelængder er ultraviolet lys og røntgen stråler. Solindstrålingen ville være højere, hvis Jorden var placeret tættere på solen. I vores solsystem er den planet, som er tættest på solen, Merkur. Den har en maksimal soleffekt på over 14.000 W/m2, hvilket er medvirkende til, at Merkur kan opnå dagtemperaturer på over 450 °C.

 

Definition: Kelvinskalaen og det absolutte nulpunkt

Der findes et punkt kaldet det absolutte nulpunkt. Det er defineret som den tilstand, hvor enhver molekylbevægelse er ophørt, og det er ved dette nulpunkt at Kelvinskalaen “starter”. Det absolutte nulpunkt ligger på Celsiusskalaen ved -273,15 grader Celsius. Omregningen fra Celsius til Kelvin (K) er derfor:

TKelvin = TCelcius + 273,15

 

Fakta: Kelvin eller Celsius?    

Man skal være opmærksom på, om en temperatur skal være i Kelvin (K) eller Celsius når man bruger temperaturer direkte i formler. Har man at gøre med en temperaturforskel, er det lige meget om man anvender Kelvin eller Celsius, da forskellen vil være den samme.

 

Hvis al energien i solens stråler blev optaget og gemt i dyr, planter og jordbund, ville temperaturen på Jorden stige eksplosivt. Heldigvis er det ikke tilfældet, for Jorden sender også stråling tilbage til universet. Alle legemer (mennesker, sten, dyr, planter, etc.), som har en temperatur over det absolutte nulpunkt, udsender varmestråling. Jorden udsender stråling hele døgnet over hele Jorden. Om dagen mærker vi det ikke, da den indkomne stråling er større end den udgående, men om natten bliver det køligere, fordi der ikke er nogen solindstråling. Set over et helt døgn eller et helt år, udsender Jorden den samme mængde varmeenergi, som den modtager. Derfor har middeltemperaturen gennem tusinder af år været stort set konstant indtil år ca. 1900.

 

Definition:  Stefan-Boltzmanns lov

Alle legemer med en temperatur over det absolutte nulpunkt afgiver varmestråling til sine omgivelser. Et legeme kan udsende, reflektere og absorbere stråling. Hvis et legeme absorberer al den stråling det modtager kaldes det for en sort legeme. Den stråling, det udsender, er så kun bestemt af overfladetemperaturen på legemet. Sammenhængen mellem overfladetemperatur og den udstrålede effekt pr. areal er givet ved Stefan-Boltzmanns lov:

P = σ · T4

P er den udstrålede effekt i Watt (Joule pr. sekund) pr. kvadratmeter af overfladen. T er temperaturen målt i Kelvin. σ kaldes for Stefan-Boltzmann konstanten og er:

σ = 5,67 · 10-8 W/(m2 · K)

 

Eksempel: Stefan-Boltzmanns lov

I en radiator løber varmt varm. Overfladen på en radiator antages at være 60 °C, og radiatoren har et samlet overfladeareal på 1 m2.

Hvor stor effekt afgives fra radiatoren ved stråling?

Da arealet er 1 m2 og Stefan-Boltzmanns lov udtrykker effekt pr. areal fås den samlede udstrålede effekt til:

P = 1 m2 · 5,67 · 10-8 W/(m2 · K) · (60 + 273,15K)4 = 698,6W

(OBS. I eksemplet modregnes lokalets temperatur ikke – altså den stråling som kommer fra omgivelserne. Vil man indregne dette, ser formlen sådan ud: P = σ · (T– TC4), hvor TC4 angiver omgivelsernes temperatur, f.eks. P = σ · ((60°C + 273,15 K)– (21°C + 273,15 K)4).

 

Øvelse: Energi tilført jorden

Jorden radius er 6371 km målt ved ækvator.

Udregn hvor meget energi Jorden bliver tilført pr. sekund fra solen. Brug dagens temperatur udendørs.

Solvarme

En solfanger bygger på et simpelt princip om at udnytte solens energi til at opvarme vand. En simpel solfanger er en isoleret kasse dækket med glas. Under glasset er en sort plade, der fungerer som en absorber. Den absorberer energien i solen stråler, og omdanner det til varme. Varme overføres til nogle rør, som ligger på bagsiden af absorberen. I rørene løber en væske, som er en blanding af vand og en frostsikret væske. Væsken transporterer varmen væk fra solfangeren og hen til en varmtvandsbeholder. Her afgives varmen fra væsken til vandet, som opvarmes. Den afkølede væske sendes tilbage til solfangeren for igen at blive opvarmet af solen. Vandet i beholderen kan så anvendes til bad, opvask, tøjvask eller opvarmning af en bolig.
Figur 3.1.4. Solfanger på et hustag.Glasset i solfangeren har samme funktion, som glasset i et drivhus, og gør at solfangeren bliver meget varm. Solvarmeanlæg kan installeres på taget af bygninger eller på store lukkede arealer. Solfangere kan fungere med diffust lys i modsætning til solceller, som skal have direkte lys.

 

 

 

Glasset i solfangeren har samme funktion, som glasset i et drivhus, og gør at solfangeren bliver meget varm. Solvarmeanlæg kan installeres på taget af bygninger eller på store lukkede arealer. Solfangere kan fungere med diffust lys i modsætning til solceller, som skal have direkte lys.

Potentialet for solvarmeanlæg er stort. I Danmark kan en solfanger på 1 m2 give omkring 500 kWh på et år. Det svarer til at en solfanger på 5 m2 dækker 60% af det årlige behov for varmt brugsvand til en familie på 4 personer. I sommerperioden kan den dække 100% af behovet. Når der ikke er tilstrækkeligt med energi fra solen, kan man anvende en varmepumpe som supplement. Dermed opnås en sikkerhed for, at en husstand altid kan få dækket varmebehovet.

 

Fakta:Direkte og diffust sollys

Direkte stråling kommer direkte fra solen i klart solskinsvejr. Omkring halvdelen af sollyset i Danmark er direkte stråling. Den andel halvdel er sollyset er diffus stråling. Det er sollys, som er passeret gennem skyerne, og stråling, som er reflekteret tilbage fra omgivelserne.

 

CASE: Solkomfur

Her er sjove og inspirende artikler om hvordan solenergi kan udnyttes på alternative måder:
De første er som et solkomfur og beskriver virkemåde og en bygge- og forsøgsvejledning hvis man vil prøve at bygge et selv.

 

Øvelse: 

Hvem opfandt Fresnel-linsen, og hvad er specielt ved den?

Undersøg hvordan linsen adskiller sig fra linsen i et forstørrelsesglas.

Hvorledes adskiller en Tesla-turbine sig fra almindelige turbine i kraftværker?

 

Solceller

Den meget store mængde energi, der findes i solens stråler, kan på elegant vis omdannes til elektrisk energi, der kan udnyttes i de apparater og maskiner, vi bruger i hverdagen. Solceller omdanner solens stråler direkte til elektrisk energi ved det, der kaldes Fotovoltaisk effekt. Den blev opdaget af den franske fysiker A. C. Becquerel i 1839, men først i midten af sidste århundrede fik det praktisk anvendelse. I starten blev solceller anvendt i områder, hvor det enten var uøkonomisk eller meget besværligt at skabe en forbindelse til det eksisterende elnet f.eks. afsidesliggende beboelsesområder. I rumfart blev solceller imidlertid meget anvendt, da de kun vejer lidt, og solstrålingen i rummet er meget kraftigere end på Jorden, hvilket sikrer satellitter og rumstationer en sikker strømforsyning.

Satellitter, som orbiterer om Jorden, benytter solceller som energikilde.Solceller er i dag en moden og gennemprøvet teknologi, som ikke skal igennem flere besværlige udviklingsfaser. Det gør solceller til et godt alternativ til den nuværende elforsyning baseret på fossile brændsler. Mindre solceller kan anvendes til lamper, busstoppesteder, lyssignaler og lignende.

En solcelle er opbygget af et absorberende materiale kaldet en halvleder, oftest silicium, hvorpå solen stråler rammer. Solstråler er fotoner, som vi kan opfatte som små pakker med energi. Når en foton rammer solcellen, absorberes noget af dens energi af halvlederen, og en elektron bliver slået løs, så den kan vandre frit i materialet. Samtidig skabes et elektrisk felt, som tvinger elektronerne til at vandre i samme retning. Elektroner der vandrer, er netop det, vi kender som elektrisk strøm.

Fakta: Atomskaller    

I 1922 gav den danske atomfysiker Niels Bohr (1885-1962) en systematisk forklaring på opbygningen af atomers elektronbaner. Han påviste, at de elektriske kræfter mellem elektronerne har betydning for deres kemiske egenskaber. Elektronerne bevæger sig baner rundt om atomkernen og forskellige baner har forskellige energier. Bohrs model fastslog, at elektroner samler sig i såkaldte skaller og hans model kaldes skalmodellen. Skallerne navngives K, L, M, N, osv. Skallen med den mindste energi er K-skallen og den har plads til 2 elektroner. De næste skaller er L-skallen der har plads til 8 elektroner og M-skallen der har plads til 16 elektroner.

 

De mest udbredte solceller er monokrystallinske silicium celler. Silicium (Si) har atomnummeret 14 og har dermed 14 elektroner i alt. Silicium danner et krystalgitter så hvert Si-atom deler 4 elektroner med 4 andre Si-atomer. Det samlede antal elektroner i yderste skal er dermed 8 og Oktet-reglen er opfyldt.

 

Det periodiske system. (Klik for fuld størrelse)

 

Elektronkonfigurationen for silicium og et udsnit af gitterstrukturen for silicium. En solcelle består at 2 lag af Si-krystaller. Hvert lag er ”forurenet” med et ekstra grundstof, og normalt anvendes Fosfor (P) og Bor (B). Elektronkonfigurationen for Fosfor og Bor er vist i figur 3.32 og de har henholdsvis 5 og 3 elektroner i deres M-skal.

 

Elektronkonfiguration for fosfor og bor.

 

Definition: Oktet-reglen

Atomer i hovedgrupperne i det periodiske system stræber efter at få fyldt deres yderste skal, så deres elektronkonfiguration kommer til at ligne den nærmeste ædelgas. Dvs. de vil gerne opnå samme antal elektroner i yderste skal som nærmeste ædelgas. Antallet af elektroner kan ses i figur 3.1.7.

 

Når man ”forurener” ét stof med et andet vil det sige, at man tvinger et atom med en anderledes elektronkonfiguration ind i krystalgitteret. I Si-solcellen opstår det, man kalder et N-lag og et P-lag. I N-laget tvinges et atom, der har 5 elektroner ind i yderste skal, og der vil derfor være frie elektroner som bevæger sig frit. I P-laget indfører man et atom med kun 3 elektroner i yderste skal, og der vil opstå ”huller”, der ligesom de frie elektroner kan bevæge sig.

 

Øvelse: Oktetreglen

Bestem vha. Oktetreglen hvilke elektronkonfiguration følgende grundstoffer vil have, og hvilken ædelgas de har samme antal elektroner som.

  • Kulstof (C)
  • Klor (Cl)
  • Calcium (Ca)
  • Phosphor (P)
  • Berylium (Be)
  • Oxygen (O)
  • Selen (Se)

Hvis N-laget og P-laget placeres i berøring med hinanden vil de ekstra elektroner fra N-laget hoppe over til de tommer ”huller” i P-laget. Dette fænomen vil ske meget oftere, hvis solen skinner på solcellen. Så vil energien fra lyset i form af fotoner løsrive elektroner fra krystalgitteret og bevæge sig fra N-laget til P-laget. Elektroner i bevægelse er netop det, vi kender som strøm og forbindes de to lag gennem et ydre kredsløb kan man producere elektricitet.

Princippet i en silicium solcelle. Solenstrålernes energi løsriver elektroner, som bevæger sig i et eksternt kredsløb.

 

Udfordringer

Selvom solenergi kan lyde som fantastisk løsning er der dog stadig nogle udfordringer forbundet med anvendelse af den.  Solartermisk energi involverer indsamling af solstråler gennem solfangere (hvilket ofte involverer store spejle) har brug for store landområder til indsamling. Dette påvirker det naturlige økosystem, hvilket betyder de planter og dyr, der lever der. Desuden følger også en miljøpåvirkning, når bygninger, veje, transmissionskabler og transformatorer til anlægget skal bygges.  Solceller bruger den samme teknologi som til produktion af silicium-chips til computere. Denne fremstillingsproces bruger giftige kemikalier. Der anvendes også giftige kemikalier til fremstilling af batterier til at lagre solenergi i. Så før vi kan kalde denne teknologi for fremtidens energikilde er der nogle udfordringer, som skal løses.

 

Fremtidigt potentiale

Solceller har allerede fundet vej ind i hverdagen i form af energikilde til simple lommeregnere og lignende, og de sidste år kommer de mere og mere frem som energikilder til større anvendelser. Eksempelvis bruges solceller i dag til at forsyne P-automater i København med strøm. Den danske stat har i dag en fordelsordning til husstande med solceller. Det har betydet, at rigtig mange borgere i 2012 har valgt at sætte solcelle på taget af deres hus, og pr. september 2012 er der i Danmark registeret solceller for i alt 117,7MW (læs mere her). Vi kan altså se, at der allerede er stort potentiale i denne teknologi.

 

 

P-automater i Københavnsområdet er i dag drevet af solsceller. Derved behøver automaten ikke at være koblet til elnettet, dvs. vi sparer kabler. Der bliver ikke dannet så meget energi, men automaten bruges ikke så ofte og i standby-mode oplageres energien.

 

Øvelse: Fotovoltaisk effekt

I fremtiden kunne man forestille sig at opstille solcelleparker, ligesom vi i dag har vindmølle parker. Kig på nedenstående kort over solindstråling og overvej, hvor det ville være smart at opstille solcelleparker. Overvej også konsekvenser ved at placeringen af disse parker.

 

[ssquiz id=”17″]

Link til kapitel 5: Vindenergi

More...