VK1 Prosjekt Uke

 

 

 

Av

Renold Tennysen Christopher 2B

BHG 2005 – 2006

 

Tema: Solenergi

Fag: Fysikk

Veileder: Ole Kristian Apelseth

Problemsstilling: Hva er solenergi og hvordan kan vi utnytte mer av solenergien i framtiden uten noen ulemper for mennesker og naturen.

Læreplan mål: Jeg finner ikke de rette læremålene til dette emnet.

 

Forord

 

Dette var en interessant tema for meg fordi jeg kommer egentlig fra et land med mye solstråling året rundt. Det er lite som er bevisst på at det finnes slike fenomener i det landet. Ved hjelp av slike studier kan jeg bidra det landet har falt ned på grunnen på grunn av borgerkrigen til å vokse fram til et industrielt land.

Derfor ble problemstillingen: Hva er solenergi og hvordan kan vi utnytte den mer ved hjelp av sol anlegger uten noen ulemper for menneskeheten og naturen.

 

I Norge har de fleste sol anlegger i hyttene og på båtene. Her trenger ikke vi utnytte solen fordi det er lite solinnstråling på kort tid og her har vi flere andre energikilder også. Men i utviklingsland som jeg nevnte hjemlandet mitt Sri Lanka har veldig lite energikilder.

 

Men solenergien er det mye av, men de har ikke kunnskaper til å ta det i bruk.

 

Innledning

 

”Gud skapte de to store lysene, det største til å råde om dagen og det minste til å råde om natten, og stjernene.”

 

Slik ble solen ble til for lenge siden. Gud skapte solen slik at vi mennesker, dyr og planter skulle ha lys, varme for å kunne leve. Det var det kristne synspunktet. De fleste forskere og eksperter tror at solen ble til for ca. 5 milliarder år siden. Og at den har blitt til sånn som alle andre stjerner har blitt til. Ved at stjernetåker som inneholder gass og støv, klumper seg sammen og lager en stjerne. Sola som energi kilde har alltid blitt brukt. Vi vet av kunnskap at sola kan brukes til å varme opp noe, ”svarte klær blir varme” når noe er svart absorberer alt lys alt blir oppslukt av materialet. Hvit har motsatt effekt. Fordi svart absorberer kan man bruke det til å varme opp vann. I sydligere strøk har de ikke varmtvanns tank inne, men ofte oppe på taket i form av en svart tank som blir varmet opp av sola. Dette beviste jeg for meg selv ved å ta to plast pose med ( ikke bære pose) og la den ene i svart plate og den andre i hvit plate, og la den i solen. Etter noen minutter så var den sol lå i svarte platen var mye varmere enn hvite platen.

Det var først på 17-1800 tallet at solenergi kom til praktisk nytte.
Den franske forskeren Bequerell oppdaget i 1839 at sollys kunne produsere en svak elektrisk strøm i visse materialer. Egentlig kommer det aller meste av energien vi mennesker bruker fra sola. Unntakene er kjernekraft, ekte jordvarme. Energien i ved er solenergi som trærne har lagret gjennom fotosyntese, mens kull, olje og gass er dannet av planter og dyr som levde av solenergi for lenge siden. Solen driver været og dermed også opphavet til vann, vind og bølgekraft. Når vi snakker om solenergi mener vi likevel direkte utnyttelse av energien i strålingen fra sola. Dette er den største fornybare energikilden på jorden. Målet med bruk av solenergi er å få utnyttet sola mer. Og menneskene har gjennom tidene funnet fram mange forskjellige måter å utnytte solenergien på. Vi kan også nytte energien i sollyset til å lage elektrisk strøm. Bruk av solenergi til oppvarming er lite interessant for norske forhold på grunn av lite solinnstråling om vinteren når behovet er størst. Likevel er det flere områder med stort behov for varme om sommeren der solstrålingen er størst. Badeanlegg, varmtvann i hoteller og andre bygninger kan ha utbytte av solvarme utnyttelse.

 

En flate som hele tiden er plassert vinkelrett på solstrålene fanger inn de største energimengdene.

Bruk av slike anlegg i land som har mye solstråling året rundt kan de leve av dette. Det er mangel på rent vann som er problemet for mange menneskene i Afrika, Asia og i deler av Sør-Amerika kan dette problemet bli løst ved å bruke slike anlegg og bruke solstrålingen til å ta saltvannet og omforme den til rent drikke vann. Bruke dette til å lage mat og varme slik at de slipper vedfyring.

 

Hvordan kan vi utnytte solenergien?

 

Folk har lenge utnyttet direkte solenergi uten at de har tenkt over dette. Den får plantene til å vokse som gir oss de viktigste næringsstoffene, videre kan vi se på biologiske mangfoldet som også gir oss viktige næringsstoffer. Den bidrar til å holde husa våre varmere enn ute temperatur, selv før vi begynner å fyre fordi byggingen av huset gjør at den solenergien som kommer inn gjennom vinduene, ikke slipper like lett ut. Vi kan omdanne solstrålingen til elektriskstrøm som kalles solstrøm.

Når vi skal snakke om hvordan vi kan utnytte solenergien direkte, må vi tenke på litt mer på andre fremgangsmåter, som gjør at solenergien kan erstatte bruk av olje eller vannkraft. De kan deles i tre typer: passiv solvarme, aktiv solvarme og elektrisitet fra solenergi.

 

Passiv solvarme

Passiv bruk av solvarme betyr ganske enkelt, det er å bygge hus slik at de tar enda bedre vare på solenergien enn normalt. En enkelt teknikk som blir brukt er å gjøre vinduene mot sør ekstra stor og den mot nord små, og samtidig isolere veggene ekstra godt. Andre teknikker er å bruke glass med belegg som gjør det vanskeligere for varmestrålingen å slippe ut, og å ha tunge veggkonstruksjoner som betong kan vi lagre varme inne i huset.

 

Aktiv solvarme

Aktiv bruk av solvarme betyr oftest å ta i bruk apparater til å varme opp luft eller en væske. Et vanlig aktivt solvarmeanlegg består i prinsippet av 3 deler: solfanger-varmetransport system og varmelager. Disse komponentene kan inngå i bygningskonstruksjoner på en naturlig måte. Systemet blir ofte styrt av en liten elektronisk enhet som er forbundet med solfangeren og lageret. Dersom temperaturen i solfangeren overstiger temperaturen i varmelageret, transporterer en vifte eller pumpe varme fra
solfangeren til lageret. Så lenge det er mulig å tilføre energi til lageret pågår denne transporten. Solvarme vil normalt ikke kunne dekke det totale energibehovet for oppvarming, men gi et betydelig bidrag vår, sommer og høst.

 

Figur 2 viser forskjellen på passiv sol energi

 

 

Figur 3. viser et aktivt solvarmeanlegg. Solvarmeanlegg i et varmesystem i et hus.

 

 

 

Elektrisitet fra solenergi

 

De fysiske fenomener som omdanner direkte solstråling til elektrisk energi kalles ” den fotovoleiske effekt. Det er blitt funnet mange produkter som blir drevet av sollys. De kjente produktene er kalkulatorer, klokker og radioer. Solceller bruker i satellitter, i fly og båter. Her blir energien lagret i batterier.

 

Nå skal jeg si litt om hvordan solcellene fungerer.

 

Grunnstoff silisium har 4 elektroner i sitt siste skall. En silisium atom inngår i par- binding med fire silisium atomer og blir krystall. Silisium krystall er nøytrale og ikke kan lede strøm. Grunnstoff fosfor har 5 elektroner i siste skallet. Blander vi fosfor atomer i silisium, gir et silisium atom med en fosfor atom gir et nytt material som har en frie elektron. Dette materiale kalles N-type material og prosessen kalles ”doping”. I liknende måte, ved å blande Bor atomer i silisium lages P-type material. Bor atom, som har tre elektroner i siste skallet, lager par-binding med tre silisium atomer og det oppstår en ledig plass for en elektron. Det ledige palasset kalles en ”hole” og fungerer som en positiv ladning. N-type material har frie elektroner eller negativ ladninger og P-type material har positiv ladninger. Nå vi tenke oss at N-type og P-type materialer sette sammen på hverandre. De elektronene ved siden av mellom flate i N-type material flytter seg og fylle ’hole’ene ved siden av mellom flate i P-type material. På grunn av forflyttingen av elektroner oppstår det positive ladninger i N-type material og negative ladninger i P-type material ved siden av mellom flate. De nye ladningene sette opp en elektrisk felt som hindrer videre flytting av elektroner fra N-type til P-type material. Nå har vi en solcell som har N-type material, P-type material og midt i mellom en spenningsmur som kalles ’potetial barrier’ på engelsk. Spenningsmur hindrer flytting av elektroner fra N-type til P-type material men trekke elektroner fra P-type til N-type material hvis det finnes noe i nærheten. Når vi belyser solcellet elektroner P-type material får energi og flytter seg rund og blir trukket inn i N-type material når de kommer i nærheten av spenningsmuret. Da N-type blir enda negativ og P-type enda positiv og kan fungere som en batteri.

 

Figuren viser illustrasjon av hvordan et solcelle virker. Solcellen er ofte koblet til en regulator som kontrollerer ladningen på batteriet. Regulatoren er viktig for å oppnå lang levetid på batteriet. Forbrukere som lys, radio og fjernsyn er koblet til batteriet gjennom regulatoren. Et typisk solcelleanlegg til hyttebruk koster ca. 7000kr

 

De første solcellene som ble laget var av Selen og hadde en virkningsgrad på bare 1%. Dagens solceller blir hovedsakelig laget av Silisium og har en virkningsgrad på 20% ( se kilder).En solcelle på 10x10 cm vil i fullt sollys utvikle ca. 3 Ampère med en spenning på ca. 0, 5 Volt. For at dette skal være brukbar må derfor flere celler kobles i serie og settes sammen til paneler.

 

 

 

 

Konsentrerende solfangere

Hvis det blir behov for temperaturer over 100 grader Celsius kan såkalte konsentrerende solfangere brukes. Disse solfangerne kan kun utnytte direkte solstråling, og bør derfor bevege seg etter solen. Selve solfangeren består av blanke metallplater som reflekterer og konsentrerer solstrålene mot et bestemt punkt.

 

Figur 4 viser eksempler på konsentrerende solfangere

 

Soltårn er en type solfangere som konsentrerer parallell direkte solstråler på et lite punkt. Solens bevegelser blir fulgt av mange speil på bakken. Solstrålene blir reflektert til et punkt i tårnet der kan temperaturen bli opptil 3000 grader Celsius.

Denne energikonsentrasjonen kan vi bruke til å produsere damp/trykk som driver turbiner og produserer elektrisitet. Vi kan også bruke varmen fra solfangeren uten å gjøre den om til elektrisitet.

Solenergi kan fokuseres og gi konsentrert energi ved hjelp av speil som følger solens bevegelse. Refleksjonene dreies og sollyset blir fokusert mot et oljefyrt rør. Varmen i oljen driver en turbin som gir elektrisk strøm. Ved riktig forhold kan konsentrert solstråling gi varme høyere enn 3000°C.

Figur: Viser sollys som blir fokusert mot et oljefyrt rør.

 

 

Figur: Viser et soltårnanlegg.

 

 

Vakuumsolfangere

Dobbeltveggede glassrør med vakuum mellom lagene. Virker på samme måte som en termos. Strålingen som slipper gjennom glasset absorberes av et sort legeme inne i røret. Overføring av energi til varmemediet kan enten skje ved direkte sirkulasjon inne i glassrøret.

Vakuumsolfangeren har god evne til å oppta mye og avgi lite energi i kalde klima. Til og med på dager med minusgrader ute og uten direkte sol vil den kunne produsere varmt vann. Virkningsgraden i et solcellepanel er på omkring 12-15 %, mens vakuumsolfangeren har en virkningsgrad på 85- 95 %. Dette er oppdaget for land som Norge, som har en vinterhalvår og sommerhalvår. I andre land, for eksempel land i Afrika, Asia og Sør-Amerika kan de få større nytte av strømmen de får fra et solcellepanel enn varmtvannet de får fra en vakuumsolfanger.

 

 

Drøfting

Jorden mottar etter 15 minutter nok energi fra solen til å drive alt som trenger strøm i et helt år her på jorden. Men det er likevel bare en liten del av energien som vi bruker kommer fra solen. Det er på grunn av at, å utnytte solenergi er dyrt. Men det blir billigere og billigere etter hvert som teknologien utvikler seg. 

I motsetning til solenergi, er det lett å utnytte energi i fossilt brensel. Det er nok derfor det blir brukt mest nå for tiden. Vi har også kjernekraft som gir fra seg radioaktivt avfall som er vanskelig å bli kvitt på en trygg måte, og eksplosjoner som vi kjenner godt fra ”Tjenorbyl ulykken” som folk fortsatt lider av. Hadde vi kun brukt sollys som energikilde hadde det ikke vært nødvendig å bruke fossil energi som kull, olje og gass. Og i alle fall sluppet å bruke kjernekraft.

 

Vi har forskjellige typer energikilder. De deles inn i de 2 hovedgruppene, fornybar- og ikke fornybar energi.

Fornybar energikilde: Eksempel på fornybar energi er jo solen, som jeg skriver om. Men vi har også vind og bølger som også er fornybare. Grunnen til at de kalles fornybare er at de aldri vil bli oppbrukt. Og de fornybare energikildene er mer miljøvennlige enn de andre.  

 

Ikke fornybar: Olje, kull, og gass er de aller viktigste ikke fornybare energikildene våre. Men de vil ikke vare evig slik som de fornybare vil. Det har oppgitt noen årstall hvor lenge de ikke fornybare ressursene vil vare. Olje sies å vare i kanskje 50 år til, naturgassen omtrent 65 år og kullet i ca 300 år. Så etter slik det ser ut, må vi satse på de fornybare energikildene for å kunne leve det samme luksuriøse livet ”vi” lever nå. Ellers blir det vel tilbake til steinalderen.

 

Når vi har bestemt for å satse på solenergi må vi også se på hva som er fordelene og ikke minst ulempene ved solenergien.

 

Fordeler med solenergi: Solenergi er gratis, vi betaler mye penger på varer og tjenester som ikke er nyttig eller godt for oss men vi betaler ingen ting til det viktigste for oss å leve. Ved bruk av solenergi unngår vi ulemper som knytter seg til andre energiformer. Solenergi er det eneste fornybare energikilden som finnes i så store mengder at den kan erstatt all bruk av kull, olje, gass og kjernekraft. Solenergi har flere miljøfordeler. I motsetning til vannkraft og vindkraft trenger ikke den faste plasser i naturen, landskapet, og i motsetning til bioenergi skaper den ingen luft forurensning mens den brukes. Solceller kan plasserer hvor som helst, i motsetning til vindmøller som må plasseres der det blåser mest.

 

Ulemper ved bruk av solenergi: Det er vanskelig å samle nok energi til en hel by, fordi solvarmen ikke er så konsentrert. Fordi energien ikke er så stabil, må den lagres, noe som både er dyrt og vanskelig. Elektrisitet som sola produserer er fortsatt dyrt. Forskning innenfor dette krever mye penger.

 

Siden solstrålene som når frem til jordens overflate er svekket på grunn av støv og fuktighet i atmosfæren hadde det vært verdt om vi sender opp store solceller til verdensrommet. Det er jo allerede solceller i verdensrommet, men det er på forskjellige teleskop og satellitter som bruker energien selv. Hvis vi hadde sendt opp et svært solcellepanel så hadde det mottatt mye mer energi enn de gjør på jorden. Og den elektrisiteten som hadde blitt produsert kunne blitt omgjort til mikrobølger og sendt til jorden. Og så ville disse bølgene bli omgjort til elektrisitet igjen. Dermed blir elektrisitet produsert uten at det blir farlig for mennesker og miljøet eller kostet så mye. Kanskje om noen tiår kan vi se store solceller fly rundt himmelen. De er de mest kloke folk som bruker fritiden til å lage biler som går fremover ved hjelp av strøm produsert av solceller.  Det finnes også VM på dette. Så kanskje om et par år så går alle bilene på solenergi.

 

Kilder:

http://www.solenergi.no/e_m_nr_1_2000.PDF                                   

http://www.solenergi.no/strategirapport.PDF

http://www.solkraft.no/Solfangere1.htm

http://vev1.gs.bergen.hl.no/~lro23/index.html

http://fuv.hivolda.no/prosjekt/oddarnehemmingstad/sol.html

http://redhead.stud.hive.no/Nsm/mappe%206/for.doc.htm

http://www.bellona.no/no/energi/38593.html

http://www.solkraft.no/

http://www.solarnor.no/text/view/5303.html

http://rstnett.cappelen.no/autoimages/313_solfanger.pdf

http://www.solenergi.no/Solenergi_gratis_lys_varme.pdf

http://www.skjolberg.com/

http://www.solenergi.dk/visTekst.asp?id=1

http://www.norsksolfangerindustri.no/solenergi_i_andre_land.htm

http://www.norsksolfangerindustri.no/solenergi_i_andre_land.htm

http://www.bellona.no/no/harde_miljoefakta/miljoeeffektive_energiloesninger/11599.html

http://www.solenergi.no/teknologi.html

http://www.ntnu.no/sffe/documents/technoport/Technoport_Thomassen_solceller.pdf

 

Kildekritikk

Det er veldig mye kilder jeg brukte, nesten alt på nettet men jeg skriver bare de viktigste her. Jeg så mange sider om solenergi og leste nøye etter. De fleste kildene stolte jeg på fordi på flere sider stod det samme men bare skrevet om. Jeg brukte noen andres prosjekter for se hvordan de har formulert Problemstillingen, hva de har tatt med i innledningen og sånt. Jeg fikk gode hjelp fra lørdagsskolen jeg går på, der underviser gode professor som egentlig er lærere i HIB.