SO om Solceller

Side 1

HTX 1. år

1

Vedvarende Energi – Solceller

Fysik

Et billede af solcellepanel der kan oplagre elektrisk energi^{[polfoto]}

Udleveringsdato – 28/5-2014

HTX 1. år

Side 2

2

Indholdsfortegnelse

Forside .................................................................................................. 1 Indholdsfortegnelse ................................................................................. 2 Indledning .............................................................................................. 3 Problemstilling ........................................................................................ 3 Vedvarende energi .................................................................................. 3 Solceller og solvarme i historisk perspektiv ................................................ 4 Solceller og deres opbygning ................................................................. 4-5 Solcelletyper. ......................................................................................... 6 Solpanel ................................................................................................ 7 Anvendelighed af solceller og de miljømæssige forhold ................. …………… 7-8

Konklusion . ........................................................................................... 8 Litteraturliste ........................................................................................... 9

Side 3

3

Indledning

Vi lever i en verden, hvor energien altid har haft en stor betydning og gennem tiden, har energiud-viklingen slået igennem og anses for i dag, som værende meget vigtig kilde. Set ud fra økonomisk og energimæssigt perspektiv, høster vi også mange fordele, da man gennem forskning er kommet frem til virkelige gode resultater som er med til at lette vores daglig dag. Der findes mange energi-former og her er de mest kendte: varme (termisk), lys (strålevarme), mekaniskenergi, elektriskener-

                                         [6]
gi, kemiskenergi, vedvarende energi og atomenergi .

Vedvarende energi er særdeles anvendelig i Danmark og herunder er solvarme en af de veludviklet og gennemprøvet teknologi, som rummer store muligheder for interessante løsninger. Endvidere er der også store økonomiske interesser ved, at forske i solvarme.

I rapporten vil der fokuseres på følgende områder: solcelle opbyggelse, solpaneler, typer af solcel-ler, generelt om vedvarende energi samt økonomiske og miljømæssige forhold. Slutteligt vil rappor-ten bygge på en konklusion, der indeholder en evaluering af opgaven.

Problemstilling

Der vil blive redegjort for vedvarende energi og solceller, dernæst vil jeg belyse teorien og brugen af solceller. Endvidere vil jeg inddrage fysiske love som er nødvendig for at have kendskab til den fotoelektriske effekt og spændingsforskel i solcellen. Økonomiske og miljømæssige fordele ved anvendelser af solceller, vil også blive inddraget. Ydereligere vil der også blive redegjort for den mest effektive solcelletype.

Vedvarende energi

De energikilder der ikke er begrænsede hører under vedvarende energi, og det er så vindenergi, vandkraft, solenergi, jordvarme og biomasse. CO

2

-neutral kendetegner vedvarende energi og adskil-ler sig fra fossile energikilder (olie, kul og gas). Brugen af vedvarende energikilder har medført en effektiv reduktion af drivhusgasudledning. I Danmark har man i en årrække fokuseret på vindenergi og har derfor en af verdens største vindmølleindustrier. Produktionen af vedvarende energi fortsæt-ter og de forskellige typer af vedvarende energi bliver støttet økonomisk af staten og EU kommissi-onen. De mest udbredte Vedvarende energi-teknologier er solvarme, vindmøller, vandkraft, geoter-

                             [2]
misk varme, solceller og bølge kraft .

Side 4

4

Solceller og solvarme i historisk perspektiv

Det var den franske fysiker Edmund Becquerel der opdagede den fotoelektriske effekt i 1839. Han var den der observerede, at der opstod elektriske spændinger når diverse materialer blev udsat for lys.

Senere blev opdagelsen udnyttet af amerikaneren Charles Fritts og han brugte metallet Selen til sin fremstilling af de første solceller. Disse solceller blev brugt til mange forskellige hensigter, såsom

lysmålere/lysantænder og sikring af forskellige maskiner. Solceller blev oprindelig udviklet til satel-

litter og de første solceller blev allerede sendt ud i rummet i 1958. Siden er der sket en voldsom teknologisk udvikling og i dag masseproduceres solceller. Et solcelleanlæg består af antal solcelle-paneler, som så er sammensat af større antal mono eller polykrystallinske solceller.

Efter årene blev solceller eksperimenterede videre i forskellige laboratorier og det var især, U-landene der var glade for solcellerne, dels pga. udnyttelsen i almindelig elforsyning. I dag ønskes der, at brugen af solceller forøges alle steder, hvor der skal bruges strøm.

Solvarmeanlæg som vi kender i dag stammer faktisk fra begyndel-sen af 1900 tallet. De første anlæg menes, at være installerede i Is-rael, men omkring årstallet 1930 begyndte Japan at udnytte solvar-men med ca. 250.000 anlæg. USA har også tidligere udnyttet sol-varmen, men det officielle begyndte i landene Israel og Japan.

Man startede med at udnytte solvarmen i i Danmark. Det var en lille gruppe i Danmark, der begyndte med eksperimenterne med solvarme og efter nogle år, udviklede produktionen og

dermed steg importen også i Danmark, dels pga. køb af udenlandske solfangere^{[1]}.

Solceller og deres opbygning

En solcelle er en halvleder af grundstoffet silicium (sand) som primært består af dioder og ved hjælp af den fotoelek-triske effekt optager dioder solens fotoner og bliver så ens-rettet. Da solcellen er en halvleder, kan den kun gå i en ret-ning. Når så solens lys rammer solcellen, får elektronerne i materialet tilført energi. Siden de kun kan gå i en retning, er de ensrettet elektrisk strøm. De fleste solceller kan omdanne ca. 9-15% af sollysets energi til el, mens de aktuelle og bedste typer solceller kan omdanne op til

Side 5

5

40% af den ind strålede energi. Der findes to forskellige lag af silicium, det ene lag er positivt ladet, mens det andet er negativt ladet. Det negative lag (n-lag) vil altid have et overskud af elektroner

(forurening af et grundstof fra hovedgruppe 5), mens den positive (p-lag) vil have underskud af elektroner (forurening af et grundstof fra hovedgruppe 3). Når de to silicium-lag er ”forurenet” med et hovedgruppe 5 og 3 grundstof, begynder dioden i de to silicium lag at fungere.

Solcellen omdanner solens lys til elektrisk strøm, men det er lyset og ikke kun solstrålerne, der akti-verer solcellen. Derfor produceres strøm uanset om det er gråvejr eller når der er overskyet. Solcel-ler består af 2 lag, et p-lag og et n-lag, de samles så sammen med modsat rettede elektroner. Når lyset rammer solcellen vil det også have en virkning på elektronerne, de vil nemlig rive sig løs og bevæge sig rundt i solcellen. Der vil forekomme en spændingsforskel i solcellen og ved hjælp af Einsteins fotoelektriske ligning, kan den potentielle energi til omdannelsen af energi udregnes:

Spændingsforskellen for store solceller kan være op til mellem 5 og 7 volt. Dette anses for at være lavt, og kan ikke benyttes af apparaturer der kræver energi, men problemet kan løses ved at forbinde solceller i serie dvs. energien bliver sendt til elnettet og derfra bliver elektrisk energi gennem spoler sendt videre og ved hjælp af dioder som kontakter, lukkes det ud.

Endvidere vil strømmen blive ledt til en omdanner, som så vil lave strømmen fra jævnstrøm til vek-selstrøm. Omdannelsen af strøm sker ved hjælp af en vekselretter der så placeres imellem solceller-ne og elmåleren. Den spændingsforskel der hermed skabes kan nemlig udnyttes til strømproduktion.

Når solcellerne har nået en begrænsning, altså når de ikke producerer strøm, får man normalt strøm fra elnettet, men hvis de derimod producerer mere, end der forbruges, sendes den ekstra strøm til de øvrige strømforbrugere.

E = h * f – A_{L}

E = Energi

h = Plancks konstant = 4,13*10-15 eV*s

f betegner lysets frekvens målt i Hz eV er en enhed for energi (elektronvolt).

Den fotoelektriske effekt forekom-mer, når der afgives elektroner fra et fast eller flydende stof, som på-

             [1]
virkes af fotoner .

Side 6

6

Fordelene ved solceller er, at deres produktion af strøm er gratis, de er støjfrie og de lever i ca. 40-

50 år. Det negative ved solceller er, at de kræver en del plads – ca. 6-12m^{2} pr kWp og det andet er,

at de er ikke er særlige glade over for skygger, som sandsynligvis vil reducere deres ydeevne.

Solceller kan bruges til en lang række formål, f.eks. lommeregnere, havelampere og til solcellean-læg der producerer strøm til elnettet. Solcelleanlæg er ofte monteret på taget af et hus og giver for-

brugerne deres egen mulighed for strøm og dermed også gøre dem uafhængig af stigende elpriser^{[1]}.

Solcelletyper

Der findes tre forskellige silicium solceller: De monokrystallinske, de polykrystallinske og de amor-fe solceller.

Mono: De monokrystallinske solceller er ofte sorte eller grå med den samme overflade. Solcellerne er skåret af siliciumblok og har derfor runde hjørner, men tit bliver cellerne skåret til i kvadrater, da man ønsker at få mindre afstand mellem cellerne og som resultat får man så en højre virkningsgrad.

Cellerne er placeret på et gitter, der er lavet af metal og de er så monteret mellem to lag glas. Man ønsker den højeste effekt og det kan man få ved, at montere cellerne på hvid baggrund, der så re-flektere det lys, der rammer ind imellem cellerne og derfor er temperaturet så lav som muligt, at man kan opnå en høj effekt. Effektivitet hos monokrystallinske solceller er ca. mellem 14-16%.

Levetid for både mono- og polykrystallinske celler er ca. 40-50 år.

Poly: Polykrystallinske solceller er ofte blå og består af silicium krystaller. De er bygget op på samme måde som monokrystallinske solceller, dog med mange mindre solceller, hvad angår størrel-se og retning. De har ofte en lidt lavere virkningsgrad sammenlignet med monokrystallinske solcel-ler, men deres afstand mellem cellerne er til gengæld mindre. Effektivitet hos polykrystallinske sol-celler er ca. mellem 14-16%. Fælles for mono og polykrystallinske solceller, er at der kræves mere

energi for fremstillingen og derfor er de ikke så gode som amorfe/tyndfilmssolceller.

Amorfe/tyndfilmssolceller: Amorfe solceller eller tyndfilmssolceller kan ses i tyndfilm og har en

mørkoverflade. Det er nemlig amorfe solceller, der bruges i lommeregnere. Effekten på tyndfilms-solceller er lavere end effekten på mono og polykrystallinske solceller, men prisen er også lavere hos tyndfilmssolceller. Når direkte sollys rammer tyndfilmssolceller, er de mindre effektive end de krystallinske solceller, men ved dårlig vejrforhold fungerer tyndfilmssolceller bedre, specielt i sjæl-

                             [1]
landsområder, hvor det ofte er skyet .

Side 7

7

Effektivitet hos tyndfilmssolceller er ca. mellem 6-10% og de har en kortere levetid end krystallin-

                          [1]
ske. Deres levetid er ca. 25-35 år .

Solpanel

Et solpanel består af en kasse med rør (fyldt med vand), som netop bliver opvarmet vha. solens

energi. Solpaneler bruges til, at producere energi uden at anvende energikilder såsom kul/kraftværk-

gas. Energien udnyttes fra solen og netop denne energi, kan spare os for de store omkostninger i elnettet. Solpaneler er ofte udformet som store firkantet paneler og med et dæklag, er der også sikret det maksimale energi som kommer ind til absorberen og, at mindst mulig energi slipper ud igen. Af den grund er dæklaget så lavet af gennemsigtigt glas. Når sollys rammer dæklaget, vil en lille mængde af lyset reflekteres fra solfangeren. Det resterende af lyset trænger igennem dæklaget og rammer absorberen, der så omdanner sollyset fra kortbølget energi til varme (langbølget energi).

Varmen har det svært ved at trænge ud gennem glasset, mens sollyset har det lettere og denne situa-tion kender vi nemlig fra drivhuset, hvor lyset omdannes til varme. Selvom det er overskyet opvar-mer solfangeren også selv, lidt ligesom drivhuset (drivhuseffekten). Under dæklaget ligger absorbe-ren og den består normalt af en metalplade med et rørsystem (cirkulation af en væske) og netop her, overføres varmen til væsken, når solenergien rammer pladen. Isolering i en solcelle er ganske sim-

                                                              [2]
pelt, panelet er isoleret i bunden og siderne, dels pga. mindskning varmetabet .

De antal celler der kan rumme i et solcellepanel er ca. 36 celler for standardpaneler.

Anvendelighed af solceller og de miljømæssige forhold

Solcellerne bliver anvendt til mange udstyr, der bruger el: lommeregnere, havelampere, mobiltele-foner, elnettet osv. Ud fra de forskellige vedvarende energiformer, er solenergi den mest populær og sikker energikilde. For at specificere os lidt nærmere i solenergi, må vi først kende til solindstrå-

ling i Danmark. Solindstrålingen i Danmark er på ca. 1.000 kWh pr. m^{2} pr. år (vandret flade) og
med en hældning på 45^{o} flade er det ca. 1.200 kWh pr. m^{2} pr. år målt^{[7]}.

Interessen for solenergi er steget efter årene og i de tidligere år, begyndte man faktisk, at finde for-

skellige metoder til at udnytte solenergi til dagligdagslivet (solpaneler/solfangere). Interessen skyl-

des de fordele solenergi kan give os, de faldende energiregninger, faldende reserver af fossile brændstoffer og det miljømæssige (afbrænding af fossile brændstoffer). Generering af energi i form af sollys løser faktisk de ovenstående problemer og samtidig er det også gratis, og også uskadeligt

Side 8

8 for miljøet. Af den grund, er det gået op for mange virksomheder, at skifte til solenergi for at opfyl-

de deres energibehov^{[2]}.

Solenergi er helt klart også en vedvarende energikilde til hjemmet, fordi der ikke er store omkost-ninger på spil, og for det andet kan solenergi bruges til næsten alt – i hjemmet er det primært have-belysning. Før man overvejer solceller i sit hus, bør man overveje hvilken solcelletype, der passer bedst i forhold til hustagets vending – hvis taget vender syd er poly og monokrystallinske celler de bedste – hvis taget derimod vender mod øst er tyndfilms solceller de foretrukne, da bedre kan op-

               [2]
fange indirekte lys .

Konklusion

Jeg kan ud fra denne opgave konkludere, at vedvarende energi og solceller har haft en stor betyd-ning i miljødelen og økonomidelen. Ud fra de vedvarende energiformer har jeg konsekvent valgt at arbejde med solceller, fordi solcelleteknologien anses for at være populær samt for at have en god omdømme, hvad angår en sikker energikilde. Brugen af solceller har reduceret de store priser i el-regningerne og adskillelsen fra fossile energikilder har sparet os for de negative miljømæssige kon-sekvenser. For at kende mere til den teoretiske del af solcellen, har jeg blandt andet gjort brug af

Side 9

9

Einsteins formel til energiomdannelsen (den fotoelektriske effekt). Ud fra forskellige kilder

[1, kapitel 3,

s. 108-120]

, kan der konkluderes at hvis et hustag vender stik syd er poly og monokrystallinske celler mest effektive, pga. deres opfangning af indirekte sollys.

Litteraturliste

Bøger:

1. Solceller + Arkitektur - Arkitektens forlag 2005
2. Solvarme + Arkitektur - Bogværket 2011

Internetsites:

3. http://www.avisen.dk/masser-af-miljoe-job-paa-vej-til-danmark_133499.aspx
4. http://finans.tv2.dk/nyheder/article.php/id-:s%C3%A5dan-bliver-st%C3%B8tten-til-

solceller-i-fremtiden.html

5.

http://hoejteknologifonden.dk/nyheder/nyhedsoversigt/danske_forskere_laver_solceller_femten_ga

nge_mere_effektive/

6. http://www.eusolceller.dk/solceller-indstraaling-placering.asp?nodeid=43