Hvernig sólarorka virkar
Sólarorka er ein algengasta endurnýjanlega orkulindin á jörðinni. Á hverjum degi veitir sólarljósið gríðarlegt magn af orku sem hægt er að nýta til ýmissa þarfa manna, allt frá raforkuframleiðslu til vatnshitunar. Í ljósi vaxandi orkuþarfar og áhyggna af áhrifum loftslagsbreytinga er nýting sólarorku að verða sífellt mikilvægari lausn. En hvernig virkar sólarorka í raun og veru? Þessi grein fjallar um grunnhugtökin , hvernig hún virkar, helstu þætti og þætti sem hafa áhrif á afköst sólarorkukerfa.
Sólarorka sem endurnýjanleg auðlind
Sólin gefur frá sér orku í formi rafsegulgeislunar. Hluti þessarar geislunar nær til yfirborðs jarðar sem sýnilegt, innrautt og útfjólublátt ljós. Þessa orku er hægt að fanga og breyta í aðrar gagnlegar orkuform. Ólíkt jarðefnaeldsneyti, sem er takmarkað og losar mikið magn kolefnis, er sólarorka endurnýjanleg, óþrjótandi á mannlegum tíma og tiltölulega umhverfisvæn þegar hún er notuð.
Nýting sólarorku er almennt skipt í tvo meginflokka: sólarorku með sólarljósi (PV) til að framleiða rafmagn og varmaorku með sólarljósi til að framleiða hita. Báðar aðferðirnar virka eftir mismunandi meginreglum, þó þær nýti báðar sólargeislun.
Hvernig sólarplötur virka
Ljósvirk kerfi breyta sólarljósi beint í rafmagn. Grunnreglan er ljósvirkni, fyrirbæri þar sem hálfleiðaraefni mynda rafstraum þegar þau verða fyrir ljósi.
1. Hálfleiðaraefni og PN-tengingar
Sólarplötur eru samsettar úr mörgum sólarsellum. Sólarsellur eru yfirleitt gerðar úr sílikoni, hálfleiðaraefni sem getur leitt rafmagn við ákveðnar aðstæður. Til að framleiða rafmagn er sílikonið „dópað“ til að mynda tvö aðskilin lög:
– N-gerð, sem hefur umfram rafeindir (neikvæð hleðsla).
– P-gerð, sem skortir rafeindir eða hefur „göt“ (jákvæð hleðsla).
Þegar þessi tvö lög eru sameinuð myndast PN-tenging. Innra rafsvið myndast við tenginguna sem gegnir lykilhlutverki í aðskilnaði hleðslnanna.
2. Fótónagleypni og myndun rafeindahola
Sólarljós samanstendur af orkumiklum ögnum sem kallast ljóseindir. Þegar ljóseindir lenda á sólarsellu getur kísillinn tekið upp orku þeirra. Ef ljóseindin hefur næga orku mun hún „losa“ rafeind úr tengi sínu og mynda rafeinda-holu par.
3. Aðskilnaður hleðslu með rafsviði
Rafsviðið við PN-tenginguna þrýstir rafeindir að N-laga laginu og holur að P-laga laginu. Þessi aðskilnaður kemur í veg fyrir að rafeindir sameinast holum aftur og myndi þannig spennumun.
4. Myndun rafstraums í rafrás
Þegar sólarsella er tengd við ytri rafrás flæða rafeindir í gegnum vírana til baka á hina hliðina. Þessi rafeindaflæði myndar rafstraum. Rafmagnið sem sólarplötur framleiða er jafnstraumur (DC). Hins vegar nota mörg heimilistæki og raforkukerfi riðstraum (AC), sem krefst viðbótarbúnaðar.
Helstu íhlutir sólarorkuverkerfis (PLTS)
Til þess að rafmagn frá sólarljósi sé notað á öruggan og skilvirkan hátt samanstendur sólarorkukerfi venjulega af nokkrum meginþáttum:
1. Sólarplötur (PV einingar)
Fanga sólarljós og framleiða jafnstraum.
2. Breytir
Breytir jafnstraumi í riðstraum svo hægt sé að nota hann í búnaði eða dreifa honum á netið.
3. Sólhleðslustýring (á rafhlöðukerfi)
Stjórnaðu hleðslu rafhlöðunnar til að koma í veg fyrir ofhleðslu eða ofhleðslu.
4. Rafhlaða (valfrjálst)
Geymið orku til notkunar á nóttunni eða þegar skýjað er.
5. Festingargrind og kaplar
Styður spjaldið í ákveðnum halla og leiðir rafmagn á öruggan hátt.
6. Mælir og rafmagnsvörn
Þar á meðal sjálfvirkur straumbreytir (MCB), yfirspennuvörn, jarðtenging og eftirlitsverkfæri fyrir öryggi og afköst.
Almennt eru til nokkrar gerðir af sólarorkuverum: tengd við raforkunetið, ótengd við raforkunetið (sjálfstæðar með rafhlöðum) og blendingur (samsetning af raforkuneti og rafhlöðum).
Hvernig sólarorkuver virkar
Ólíkt sólarorkuverum, sem breyta ljósi í rafmagn, nýta sólarorkuver orku sólarinnar sem hita. Meginreglan er einfaldari: sólargeislun frásogast af ákveðnu yfirborði og hitinn er síðan notaður til að hita vökva (vatn eða varmaflutningsvökva).
1. Sólarsafnarar og varmaupptaka
Aðalþáttur hitakerfis er sólarsafnari, oftast spjald með dökkum, gleypnum yfirborði. Dökki liturinn hjálpar til við að gleypa meiri geislun og dregur úr ljósendurskini.
2. Varmaflutningur til vökva
Að aftan við yfirborð safnarans eru rör þar sem vatn eða sérstakur vökvi rennur. Þegar yfirborð safnarans hitnar flyst orka til vökvans með leiðni og varmaflutningi. Hitaði vökvinn er síðan leiddur í geymslutank eða notaður beint.
3. Sólarhitaforrit
Varmaorka sólar er mikið notuð til að:
– heimilisvatnshitari (sólarvatnshitari),
– hitari fyrir sundlaug,
– hitunarferli í iðnaði,
– til stórfelldra sólarvarmaorkuvera (CSP) sem einbeita ljósi með speglum til að framleiða gufu og snúa túrbínum.
Þættir sem hafa áhrif á afköst sólarorku
Jafnvel þótt sólarljós sé gnægð, þá er orkuframleiðsla frá sólkerfum mjög undir áhrifum eftirfarandi þátta:
1. Styrkur sólargeislunar
Því meiri sem ljósstyrkurinn er, því meiri orku er hægt að framleiða. Ljósstyrkurinn er háður landfræðilegri staðsetningu, árstíð og loftslagsaðstæðum.
2. Spjaldhorn og stefna
Sólarrafhlöður virka best þegar sólarljós fellur hornrétt á yfirborðið. Þess vegna verður að aðlaga stefnu og halla rafarrafhlöðanna að breiddargráðu staðsetningarinnar.
3. Hitastig spjaldsins
Athyglisvert er að sólarsellur hafa tilhneigingu til að minnka skilvirkni þegar hitastig er of hátt. Loftræsting og fjarlægð frá þakinu getur hjálpað til við að draga úr ofhitnun.
4. Skuggar og óhreinindi
Skuggar frá trjám, byggingum eða loftnetum geta dregið verulega úr afköstum. Ryk og óhreinindi draga einnig úr ljósgegndræpi og því þarf að þrífa spjöld reglulega.
5. Gæði íhluta og uppsetningar
Ófullnægjandi inverterar, kaplar, tengi og vernd geta valdið orkutapi og öryggisáhættu.
Kostir og áskoranir sólarorku
Sólarorka hefur marga kosti: hún er ókeypis, losar lítið, þarfnast tiltölulega lítillar viðhalds og er hægt að setja hana upp bæði í litlum og stórum stíl. Þar að auki geta sólarplötur hjálpað til við að draga úr þörf fyrir rafmagn sem byggir á jarðefnaeldsneyti.
Hins vegar eru einnig miklar áskoranir, sérstaklega óregluleg framleiðsla (framleiðsla er háð veðri og dag- og næturvaktum) og rýmisþörf fyrir stórar uppsetningar. Algengar lausnir eru meðal annars notkun rafhlöðu, blendingskerfa og úrbætur á skilvirkni spjalda og orkunýtingu.
Lokun
Grundvallarreglan á bak við sólarorku er að fanga sólargeislun og breyta henni í nothæfa orku, annað hvort rafmagn með sólarorku eða hita með varmaorkukerfi . Með réttum íhlutum, góðri hönnun og fullnægjandi viðhaldi getur sólarorka verið mikilvægur þáttur í umbreytingunni yfir í hreina orku. Í framtíðinni munu tækninýjungar, kostnaðarlækkun og stefnumótandi stuðningur flýta enn frekar fyrir notkun sólarorku sem sjálfbærrar orkulausnar fyrir samfélagið.
