Solceller
Solen sender ut en ufattelig mengde energi. Selv om en svært liten del av den treffer jorden, ville om lag et kvarter solenergi tilsvare hele menneskehetens energiforbruk i et helt år dersom vi kunne utnytte den effektivt. Solenergien er resultat av det vi kaller atomfusjon. Det vil si at lettere stoffer under stort trykk og med stor hastighet smelter sammen til tyngre stoffer, på solen først og fremst hydrogen til helium. Under en slik fusjon blir det frigjort store mengder energi. Det gjøres stadig forsøk på å etablere kontrollbare atomfusjoner på jorden som energikilde, men så langt har man ikke lykkes.
Blanding av varmeenergi og stråling
Solenergi en blanding av varmeenergi og stråling. Varme og lys er en kombinasjon av elektriske og magnetiske bølger. I en elektromagnetisk bølge varierer forholdet mellom elektrisitet og magnetisme slik at når elektrisiteten øker synker magnetismen og omvendt. Denne bølgen sprer seg i rommet til den treffer noe. Når den treffer jordens magnetfelt, atmosfæren eller selve jordoverflaten blir energibølgen enten reflekter eller absorbert. Der absorbsjonen er størst får vi høye temperaturer som for eksempel ørkenområder, mens snø og is reflekterer mesteparten av solenergien. Forholdet mellom refleksjon og absorbsjon er helt avgjørende for klima på jorden. Hvis menneskelig aktivitet endrer den kjemiske sammensetningen i atmosfæren, endres dette forholdet og vi får menneskeskapte klimaendringer.
Energi fra solen er forutsetning for livet på jorden, men levende organismer er avhengig av den rette energimengden. For lite energi og jorden blir en is planet, for mye energi og jorden kan ende opp som planet Venus hvor overflate temperaturen er på mange hundre grader.
Passiv bruk av solenergien
Passiv bruk av solenergien har blitt nyttet av mennesker så langt tilbake som vi kjenner til. Solenergi tørker vått tøy mange steder den dag i dag. Tørking av planter, fisk og kjøtt har vært og er fortsatt viktige måter for å ta vare på matvarer. Valg av byggematerialer som enten absorberte eller reflekterte sollys var med på å gjøre leveforholdene behagelige.
Mer aktiv bruk av sollyset knyttes til bruk av linser og speil. Allerede i 1774 benyttet Joseph Priestly konsentrering av sollys med en glasslinse til å oppdage grunnstoffet oksygen ved å varme opp og spalte kvikksølvoksid. Det var imidlertid Antoine Lavoisier også kalt den moderne kjemis far som ga det navn og som i sitt laboratorium utviklet en sol-dreven smelteovn som kunne oppnå 1750 grader. I 1882 bygget Augustin Mouchot og Abel Pifre en soldreven trykkpresse som trykket avisa Soleil Journal, eller på norsk Solavisa.
En stund var soldrevne varmtvannsbeholdere populære særlig i USA. Den første ble lansert i 1891, men fortsatt i dag er mange i bruk i de solrike statene i USA.
Solenergi har vært nyttet på mange måter før den ble koblet til moderne teknologi. I arabiske land har man kjøletårn som utnytter at kald luft er tyngre enn varm. Ved å fange oppvarmet varm vind øverste i høye tårn og la den kjøles ved for eksempel å tørke vått tøy produserte man kjøligere luft som kunne slippes ut på gatenivå i husene. Solenergi har blitt benyttet til å fordampe saltvann for å produsere salt. Ved å lede saltvann inn i grunne basseng hvor vannet lett fordamper frigjøres saltet.
Det finnes sol-tørkere hvor sollys slippes gjennom en glassplate og absorberes og dermed avgir varme på en mørk flate. Slik varmes luften. Den varme luften stiger og trekker ny kjøligere luft inn i tørkeren. Varm luften kan ledes gjennom et lukket rom for å tørke grønnsaker eller andre matvarer.
Solenergi blir også brukt til å fordampe saltvann. Ved å kjøle dampen kan den kondenseres og skaffe ferskt drikkevann i områder hvor tilgang på ferskvann er vanskelig.
Solceller, Ukategorisert
De to vanligste måtene å utnytte solenergien på er bruk av solceller for å omdanne sollys til elektrisitet og solfangere for å utnytte varmestrålingen fra solen.
Man bør imidlertid ikke glemme den så kalte passiv solvarmen. Det er systemer som fungerer uten tekniske hjelpemidler. Et sydvendt vindu kan kalles en passiv solfanger. I energieffektive passivhus kan sydvendte vinduer kombineres med massive bygningsmaterialer som lagrer varme om dagen og gir den tilbake om natten når temperaturen synker. Passiv solvarme er den formen for solenergi som per i dag er mest utnyttet i Norge. Bidraget fra den passive solvarmen er beregnet til 3-4 TWh (terrawatt timer) i den norske bygningsmassen. På en måte kan vi si at mennesker alltid har utnyttet passiv solvarme.
De aktive solfangerne
Her skal vi konsentrere oss om aktive solfangere. I aktive solfangeren omdannes solstrålene til varme. Prinsippet bak solfangeren baserer seg på at en mørk flate absorberer opp mot 95 prosent av solstråling. Den absorberte strålingsenergien omdannes til det som kalles termisk energi eller mer populært varme.
Varmen avgis til et varmebærende medium som sirkulerer gjennom solfangeren. Det varmebærende mediet er vanligvis vann eller en blanding av vann og glykol, men også andre væsker som olje eller luft kan være varmemedium. Varmemediet sirkulerer fra solfangeren via et rørsystem og inn til et varme-lager hvor varmen avgis, gjerne via en varmeveksler. Varme-lageret er oftest en isolert beholder fylt med vann eller en annen væske som holder godt på varmen.
Solfanger, rørføring og et varmelager
Et solfangeranlegg består altså i hovedsak av en solfanger, rørføring og et varmelager. I tillegg kommer styringssystem med pumper. Et solfangeranlegg leverer typisk 300–500 kWh varme per kvm solfangerareal, avhengig av type solfangere og systemløsning. I likhet med solceller kan solfangere integreres i bygningsfasaden eller taket, og slik erstatte andre bygningsmaterialer. Alternativet er at de plasseres utenpå tak, vegger eller på bakken.
Varmen fra solfangeranlegget brukes vanligvis til oppvarming av rom og vann som nyttes i husholdningen eller i produksjon, men større avanserte solfangeranlegg kan drive turbiner som igjen produserer strøm.
En solfanger kan også utstyres med speil som konsentrerer solstrålene. Man har da det man kaller en sol-ovn. Disse kan oppnå meget høye temperaturer, opptil 3000 °C. Det er utviklet enkle og billige sol-ovner for bruk i utviklingsland, hvor mangel på brensel ofte er kombinert med rikelig med solinnstråling
Selv om mange solfangeranlegg er lokale i betydningen at de betjener bare en eller noen få bygninger finnes det også store fjernvarmeanlegg som forsyner større bygningsmasser. I Akershus Energipark i Lillestrøm har Akershus Energi installert 12 810 m2 med solfangere. Anlegget var et av Europas største da det ble satt i drift i 2012. Dette solfangeranlegget skal levere 4 GWh per år.
Solfanger i Norge
I Norge utgjør oppvarming største delen av energi forbruket i bygg. For husholdninger er det estimert at nærmere 80 % av energibruken går til oppvarming av selve bygget eller til varmtvann. Dersom formålet er å benytte solenergien til oppvarming, så er det fordelaktig å konvertere solstrålene direkte til varme fremfor å gå veien om strøm da en unngår betydelig effekt tap.
Det finnes flere ulike typer solfangere. De to vanligste typene er plane solfangere og vakuumrørsolfangere. Den mest brukte løsningen i norske bygninger har til nå vært plane solfangere, men etter hvert har vakuumrørsolfangere blitt mer populære. Den plane solfangeren er den vanligste typen solfanger i Europa, mens i Kina, verdens største solfangermarked, dominerer vakuumrørsolfangere.
Solfangere kan være med å danne grunnstammen i miljøvennlige energisystemer, og slik bidra til at bygg blir helt eller delvis selvforsynt med energi. De fleste solfangeranlegg har en tilbakebetalingstid på mellom 5 til 15 år, mens levetiden for anleggene ligger på rundt 20 til 30 år. Solfangeranlegget gir dermed gratis varme i mange år etter at det er nedbetalt.
Solceller, Ukategorisert
Solvarme er en effektiv måte å utnytte solenergien på. I beste tilfelle kan det oppnås en virkningsgrad på omkring 80 %, noe som betyr at en stor del av solstrålene kan brukes til å skape varme.
Vi skiller mellom passive solenergi-systemer som ikke krever ekstra energi for å operere og derfor ikke driftskostnader eller avgir drivhusgasser i drift. Vanligvis er også vedlikeholdskostnadene lave.
Med aktiv bruk av solvarmen, mener vi bruk av en eller annen form for solfangere, teknologi for å omdanne solenergi til varme, samt en metode for å lagre varmen og transportere den dit vi har bruk for den.
Trykksatte og trykkløse systemer
Det skilles mellom to typer solfangersystemer; trykksatte og trykkløse systemer. I de trykksatte solvarmesystemene er varmemediet en blanding av vann og glykol. Det siste for å unngå at anlegge fryser hvis det er kuldegrader ute. Dermed kan solfangersystemet brukes hele året. Solfangerne i et trykkløst system er plane solfangere.
I de trykkløse solvarmesystemene kan varmemediet også være rent vann. I så tilfelle må systemet automatisk kunne tømmes hvis temperaturen blir for lav. Til det brukes en akkumulatortank som holder vanlig atmosfærisk trykk. Det er viktig at disse er godt isolert så varmetapet blir minst mulig. Akkumulator tanken nyttes også for å avlaste system hvis temperaturen skulle bli for høy. For å unngå bruk av energikrevende pumper må rørføringen være slik at alt vannet kan dreneres ved hjelp av tyngdekraften.
Trykksatte systemer kan levere høye temperaturer. Solfangerne i trykksatte solfangeranlegg kan både være plane solfangere og vakuumrørsolfangere.
En plan solfanger absorberes solenergien av et materiale med stor absorberingsevne. Det betyr at det som regel er svart. Varmemediet sirkulerer så gjennom kanaler i det absorberende materialet eller i rør under. Solfangeren kan være laget av plast, eller metall, vanligvis aluminium eller kobber med et isolerende stoff på sidene og under og gjerne et dekkglass på oversiden. Alt for å redusere varmetapet.
I vakuumrørsolfangere absorberes solenergien i sylindriske vakuumrør. Solfangeren kan være et kobberrør med frostsikker væske. Væsken sirkulerer ved hjelp av temperaturforskjeller. I systemet inngår en varmeveksler som transporterer varmen til akkumulatortanken. Vakuumrørsolfangere benyttes kun i trykksatte solvarmesystemer. Disse systemene er konstruert for å produsere høye temperaturer. De har lite varmetap også ved lave utetemperaturer, og har høy effektivitet også ved svak sol.
Speil
En annen måte å overføre solenergi til varme på er ved å bruke speil som reflekterer lyset mot et absorberende materiale. Denne metoden brukes til enkle kokeovner også kalt solovner mye brukt i solrike strøk hvor det enten ikke er tilgang på annet brensel for eksempel i ørkenstrøk eller for å spare bruk av trevirke eller tørket gjødsel.
I større målestokk finnes anlegg med flere hundre speil. Temperaturen i slike kan bli flere tusen grader når himmelen er skyfri. I slike varmekraftverk plasseres justerbare parabolspeil slik at solstrålene blir reflektert til et brennpunkt hvor væskefylte rør blir oppvarmet slik at væsken fordamper. I såkalte solparker kan flere slike enheter være koblet sammen, mens det i soltårn er én sentral mottaker med et større antall speil omkring. Dampen kan så ledes gjennom rør for så å drive gassturbiner.
Solskorstein
En annen type kraftverk kalles solskorstein. Prinsippet her er at solen varmer opp luften under et glasstak. Den varme luften beveger seg horisontalt til sentrum av anlegget, hvor det står en høy skorstein. På grunn av høyden på skorsteinen vil trekken som skapes kunne drive vindturbiner og tilhørende generatorer for strømproduksjon. Ved å ha varme lagre under glasstaket kan kraftverket produsere også i perioder uten direkte belysning.
Det eksperimenteres med forsøk på å bruke kombinasjon av blågrønnalger og solenergi til å produsere hydrogen, men foreløpig er ikke denne teknologien klar for storskalaproduksjon.
Solenergi kan også brukes til kjøling såkalt varmebasert kjøling som benytter seg av at kjøle effekten ved fordamping ved lavt trykk såkalt absorbsjonskjøling.
Solceller, Ukategorisert
En beskrivelse av hva som frigjør energi fra solen, er omtrent slik:
I sentrum av sola er det ekstremt varmt – hele 15 millioner grader celsius. På grunn av den enorme massen til sola, er også trykket inni kjernen enormt. Det som skjer da er at atomkjernene til hydrogen fusjonere. Fusjon betyr at grunnstoffene smelter sammen ved at elektroner hopper over til den andre. Fire hydrogenkjerner blir til en heliumkjerne. I denne prosessen frigjøres det energi. Helium veier mindre enn hydrogenatomene til sammen.
Forholdet mellom masse og energi utrykkes ved den berømte likningen til Albert Einstein E= mc2, noe som betyr at selv en forsvinnende liten masse blir omdannet til en kolossal mengde energi (E står for energi, m står for masse og c står for lysets hastighet opphøyd). Denne massen frigjøres som strålingsenergi som sendes ut i verdensrommet og blant annet treffer jorda. Denne energien kan vi høste inn, og kaller den solenergi.
Den globale oppvarmingen
Den globale middeltemperaturen er i all hovedsak styrt av hvor mye energi jorden mottar fra sola og hvor mye energi jorden sender tilbake til verdensrommet i form av varmestråling. Denne utvekslingen av energi kalles jordens energibudsjett. De siste 10 000 år har energien inn i og ut av systemet vært i ganske god balanse, med kun gradvise temperatursvingninger på under én grad i gjennomsnitt.
Ny teknologi blant annet værsatellitter, har gjort det mulig for oss å overvåke alle deler av klimasystemet nøye – fra toppen av atmosfæren til dypt ned i havet. Alle disse observasjonene viser at verden blir varmere. En rekke uavhengige forskningsinstitutter arbeider i dag med å analysere alle målingene fra ulike deler av kloden til en sammenhengende tidsserie for global middeltemperatur.
I 2015 nådde vi for første gang en økning i den globale middeltemperaturen på én grad i forhold til førindustriell tid. Når den globale middeltemperaturen på jorda nå stiger, betyr det at mengden energi inn i klimasystemet øker. Endringer i middeltemperaturen, er altså et symptom på en ubalanse i energibudsjettet.
Global oppvarming innebærer ikke at temperaturen øker like mye for hvert år eller like mye overalt på jorden. Global oppvarming er en gradvis prosess, mens det er store naturlige svingninger i temperaturen fra år til år. For å studere klimaendringer må vi se på trender over lengre tid.
En global oppvarming på én grad krever en stor mengde energi. Det stabile klimaet som har vært en forutsetning for utviklingen av vår sivilisasjon er i endring og selv tilsynelatende små endringer kan få alvorlige konsekvenser for oss.
Det er fortsatt betydelig uenighet om hva som forårsaker oppvarmingen. Energibalansen kan påvirkes av en rekke faktorer som endringer i solstråling, vulkanutbrudd, skyer og andre naturlig variasjon.
Drivhuseffekten
Vi vet imidlertid at en av de viktigste faktorene for klimaet på jorden er drivhuseffekten. CO₂ og andre drivhusgasser har den egenskapen at de fanger opp deler av den utgående varmestrålingen fra jorden og dermed bidrar til at den gjennomsnittlige overflatetemperaturen er 15 plussgrader isteden for 18 minusgrader som vi ellers ville hatt. Øker mengden klimagasser vil gjennomsnittstemperaturen øke.
Vi vet at menneskelig aktivitet produserer klimagasser. Ved å forbrenne fossilt brensel frigjøres solenergien som er bundet i brenselet, men samtidig får vi CO₂ som biprodukt. Den viktigste menneskeskapte klimapåvirkningen er økte utslipp av CO₂-gass. Denne gassen er viktig for planteproduksjon og blir delvis tatt opp i havet og delvis av vegetasjonen, men det som ikke kan tas opp av naturen blir værende i atmosfæren hvor det bidrar til å fange solenergi, noe som gir økt global oppvarming.
Hvordan temperaturen endrer seg framover avhenger i stor grad av hvor mye og hvor raskt vi klarer å redusere våre utslipp av drivhusgasser. Mengden CO₂ i atmosfæren varer i mange hundre år. Derfor vil karbonet vi slipper ut nå fortsette å gi en oppvarmende effekt mange år framover.
Solceller, Ukategorisert
Solstrålingen varmer opp Jorden. Lufttemperaturen kan komme opp i nærmere 60 grader Celsius. De varmeste målingene er gjort i Afrika i den libyske ørkenen og i Death Valley i USA. I Europa er det Spania med 50 grader som har rekorden. Forsvinner solstrålingen faller temperaturen raskt. Kulden fra verdensrommet hvor temperaturen er nær det absolutte nullpunkt, om lag minus 273 grader Celsius. Antarktisk har rekorden med nesten minus 90 grader, mens det er målt nesten 70 minus flere steder i Sibir. Kulderekorden i Europa har også Russland med minus 55 grader, hvis vi ser bort fra Grønland hvor det er målt minus 66 grader. Ved siden av mengden solstråling influerer både fuktigheten, vinden og høyden over havet på temperaturen følt temperatur, noe et oppslag fra 2015 er en illustrasjon på:
«I den iranske byen Bandar Mahshahr ble det registrert effektive temperaturer opp mot 73 varmegrader da hetebølgen som steker hele Midtøsten fortsetter. Selv om den reelle temperaturen «bare» var 46 varmegrader, var luftfuktigheten på det som beskrives som «utrolige nivåer».
Som vi alle vet avhenger opplevd varme av omgivelsenes lederegenskaper. Tørr varm luft føles mye mindre varm enn vann med samme temperatur. Man skiller derfor mellom reell temperatur som måles med termometeret og effektiv temperatur som er et uttrykk for følte temperatur forskjeller.
Persiabukten er, sammen med Rødehavskysten av Etiopia og Somalias kyst til Adenbukta, kjent som de stedene i verden som får de høyeste effektive temperaturene. Dette er på grunn av at temperaturen i vannet kan bli over 30 grader, og vannet fordamper mye raskere. Dette fører til mindre luft avkjøling og høyere luftfuktighet, som igjen gir høyere effektive temperaturer. Den høyeste effektive temperaturen som er målt var i Dhahran i Saudi Arabia i 2003 da man nådde 81 effektive varmegrader.
Slike temperaturer kan drepe levende organismer. Menneske dør for eksempel når kroppstemperaturen blir noen og førti grader. Kroppens nedkjøling er avhengig av væskefordamping, derfor må man ha mye å drikke i varmt vær for ikke å oppleve ubehag. Når hetebølger rammer bebodde områder, spesielt i fattige land med liten mulighet til kunstig regulering av inneklima, er det ikke uvanlig at mange mennesker dør.
På samme vis er levende organismer avhengig av varme. Blir temperaturen for lav dør vi. Uten mulighetene for varmeisolerende klær og oppvarmede boliger ville store deler av jorden være ubeboelige for mennesker.
Den enkleste bruk av solinnstrålingen er direkte oppvarming. Ved å utforme bygningskonstruksjoner og innretninger optimalt kan innstrålingen sørge for bolig- og vannoppvarming, og for energi til matlaging og tørking av landbruksprodukter. Bygninger kan varmes opp «passivt», det vil si ved innstråling gjennom vinduer, tak og vegger, og «aktivt» ved hjelp av solfangere og bruk av materialer som kan lagre varme som for eksempel vanntanker.
Passiv bruk av solenergi har blitt brukt av mennesker helt siden man begynte å bygge hus. Ved å bygge hus vendt mot sør kan man utnytte varmen og lyset som kommer fra sola og dermed spare bruk av andre energikilder. Glass slipper gjennom kort bølget stråling og inventaret kan absorbere denne energien og sender så ut lang bølget stråling som gir oppvarming. Ettersom materialer har ulik evne til å absorbere varme, er valg av materiale i inventar viktig. Det har blitt mer og mer vanlig å bygge hus, leiligheter og andre bygninger med tanke på å utnytte solenergien best mulig. I tillegg er god isolasjon også viktig for å spare energi. I dag planlegges de fleste solenergisystemene i nybygg, men det er også mulig å gjøre om et eldre hus til solhus.
Ved å montere solfangere på taket er det mulig å utnytte solvarmen ennå bedre. Med solfangere kan en varme opp vann slik at vannet kan brukes både til oppvarming av huset og til oppvarming av vann til forbruk. Varmt vann som ikke blir brukt med det samme kan lagres i flere dager i isolerte tank. Når det ikke er nok sol til at solfangerne kan en supplere med andre energikilder.
