Alt du bør vite om solceller og solenergi

Vet du hvordan et solcellepanel fungerer og hvordan man får strøm fra solenergi? Les det du trenger å vite om både solenergi og solceller.

Innhold
  1. Hvordan virker en solcelle?
  2. Termisk solkraft og solfangere
  3. Hva hindrer solkraftproduksjonen?
  4. Solkraftens fremtid

Utnyttelse av solens energi kan gjøre solkraft til en viktig energikilde når vi må bort fra de fossile energikildene. Enn så lenge er imidlertid ikke panelene effektive nok og det er vel så mye potensiale som det er realitet når man snakker om solceller i dag.

1. Hvordan virker en solcelle?

Solceller utnytter sollyset direkte for å lage strøm. Dette skjer gjennom det som kalles den fotovoltaiske effekten. For å forklare hvordan sollyset bidrar til at solcellene lager strøm, må vi først gå nærmere inn på hvordan en solcelle er oppbygd.

Solceller består som regel av silisium

En solcelle består som regel av silisium, og hvert siliusiumatom har fire elektroner i det ytterste skallet (se Figur 1 og faktaboks).

Siden silisium, slik som alle andre atomer, ønsker å ha åtte elektroner i det ytterste skallet sitt, deler naboatomene elektronene mellom seg. Slik får alle atomene åtte elektroner i det ytterste skallet sitt.

Solceller består vanligvis av silisium
FIGUR 1: Et silisiumatom med fire elektroner i det ytterste skallet. Illustrasjon av Pumbaa.

Når silisiumets atomer deler elektroner, sier man at atomene er koblet til hverandre i et krystallgitter. Dette krystallgitteret er ikke godt egnet til å lede strøm.

Silisiumet dopes med andre stoffer

For å få silisiumet til å lede strøm bedre, tilsetter man andre stoffer som endrer elektronsammensetningen i stoffet. Dette kaller man doping. I solceller doper man som regel silisiumet med bor og fosfor.

En solcelle må derfor bestå av to lag med dopet silisium, slik at elektronene kan bevege seg fra et sted til et annet.

Det skapes en p-side og en n-side

Når det ene laget blir dopet med bor, oppstår det mangel på elektroner i dette laget. Dette kalles positiv doping (p-doping) og betyr at det finnes ledige elektronplasser (ofte kalt hull) i dette laget.

Det motsatte skjer i laget som tilsettes fosfor. Her blir det et overskudd av elektroner, noe som kalles negativ doping. De elektronene som er til overs i laget vil lett kunne flytte seg til andre plasser når anledningen byr seg.

Fordi n-siden (som ble dopet med fosfor) har et overskudd av elektroner og p-siden (som ble dopet med bor) har et underskudd av elektroner, vil elektronene flytte seg fra n-siden til p-siden. Dette skjer fordi elektroner alltid ønsker å fylle en ledig elektronplass.

   
Hva betyr det?

Atom: Den minste mengden grunnstoff. Er bygd opp av nøytroner, protoner og elektroner.

Nøytroner: Elektrisk nøytral partikkel som sammen med protoner bygger kjernen i alle atomer.

Proton: Positivt ladet partikkel som sammen med nøytroner bygger kjernen i alle atomer.

Elektroner: Negativt ladet partikkel som eksisterer i en sky (et skall) rundt atomkjernen. Elektroner kan lage elektriske strømmer.

Oktetregelen: Det ytterste skallet i et atom har ikke plass til flere enn åtte elektroner. Atomer arbeider alltid for å ha åtte elektroner i det ytterste skallet og kan gi, ta eller dele elektroner med naboatomer for å oppnå dette målet.

   
Vis mer

Vi får en balansert solcelle

Når elektronene flytter seg fra den ene siden til den andre siden, vil n-siden få en positiv ladning og p-siden vil få en negativ ladning. Dette skjer fordi det ene laget mister elektroner, mens det andre laget får flere.

Ettersom de løse elektronene tar plassene sine på p-siden, vil det etter hvert oppstå et isolerende lag – en barriere – mellom den n-dopete og den p-dopete siden.

Barrieren vil etter hvert hindre at flere elektroner flytter seg mellom sidene, og det oppstår en balanse i solcellen. Det er den balanserte solcellen vi bruker for å fange opp sollysets energi.

Her er en illustrasjon av solcellens oppbygging og hva som skjer når sollyset treffer cellen:

Solceller består vanligvis av silisium
FIGUR 2: Slik fungerer et solcellepanel når solen treffer panelet. Original illustrasjon av Studio BBK, oversatt av Nettbureau.

Elektroner frigjøres når sollyset treffer

Sollys kalles på fagspråket lysfotoner. Disse lysfotonene kan slå løs elektronene i barrieren når de treffer solcellen.

Når et elektron frigjøres, oppstår det også en ledig elektronplass i solcellen. Både elektronet og plassen kan bevege seg fritt, men spenningen mellom silisiumlagene gjør at elektronet som slås løs beveger seg mot n-siden og den ledige plassen mot p-siden.

Elektronene går gjennom en elektrisk krets

Nå er det et ekstra elektron på n-siden og en ledig plass i p-siden. Hvis solcellepanelet er koblet til en krets, vil elektronet bevege seg gjennom kretsen og tilbake til p-siden, hvor det finnes en ledig elektronplass.

Dette gjør elektronet fordi spenningsforskjellen mellom lagene gjør at elektronene ikke kan vandre tilbake den veien de kom. Siden elektronet likevel gjør alt for å fylle en ledig plass, tar den omveien gjennom den tilsluttede kretsen. Når elektroner beveger seg gjennom kretsen genereres strøm.

Solfanger er termisk solkraft
FIGUR 3: Slik fungerer en solfanger med væske, tilknyttet en bolig. Illustrasjon av aurielaki.

2. Termisk solkraft og solfangere

Akkurat som solceller, benytter solfangere seg av energien i solstrålene som treffer jorda vår. Men i stedet for at sollysets energi blir omformet til elektrisitet, omdanner små solfangere energien til varme.

Vi kan altså ikke bruke små solfangere til å produsere elektrisitet til huset eller lade mobiltelefonen, men vi kan bruke dem til å varme opp vann og bolig.

Store solfangeranlegg kan imidlertid brukes til å produsere elektrisitet. Dette skjer indirekte ved at solens varme brukes til å varme opp væske, som deretter kan brukes til å produsere elektrisitet.

Aktive og passive solfangere

Man skiller gjerne mellom aktive og passive solfangere. Aktive solfangere må absorbere og samle solenergien, og krever ofte en innsats fra oss mennesker. Et passivt system, derimot, er et system som utnytter sollysets varme direkte uten tekniske hjelpemidler.

Hvis luften i huset ditt blir varmet opp på dagen fordi solen steiker inn gjennom vinduene, er huset ditt et eksempel på en passiv solfanger. Det er som regel ikke passive solfangere vi fokuserer på når vi ser mot solenergiens fremtid som en nyttig fornybar energikilde, fordi varmen verken kan lagres eller fraktes videre.

Flate solfangere

Et eksempel på aktive solfangere er en flat solfanger. En flat solfanger er et type drivhus som varmer opp vann til en bolig (se Figur 3). Den flate solfangeren er ofte malt svart, noe som gjør at den absorberer varme svært effektivt.

Inne i solfangeren ligger det et tynt rør som snor seg rundt. Inne i dette røret sirkulerer et varmemedie som blir varmet opp mens det beveger seg gjennom røret. Dette mediet kan være vann, en blanding av vann og glykol, eller luft.

Etter å ha blitt varmet opp på vei gjennom solfangeren, fortsetter varmemediet til et varmelager. Dette er ofte en tank eller beholder fylt med vann, som ofte kalles akkumulatortank. Etter at varmen fra solfangeren er overført til varmelageret fordeles varmen videre til byggets varmesystem ved behov, enten som vann til vasken, til radiatorer eller som gulvvarme.

Solfanger er termisk solkraft
Crescent Dunes Solar Energy Project i Nevada er et eksempel på en konsentrisk solfanger, med salt som sin spesialblanding. Foto av The Bureau of Land Management.

Andre typer solfangere

Et eksempel på en annen type solfanger er en konsentrisk solfanger. Den består av en mengde speil som reflekterer solstråler inn mot et tårn i et bestemt midtpunkt.

I dette tårnet kan det finnes ulike spesialblandinger som enkelt tar til seg og holder på varmen som produseres av refleksjonen til alle speilene. Denne spesialblandingen kan for eksempel bestå av vann, natrium eller smeltet salt.

Et annet eksempel på en konsentrisk solfanger er en parabolformet plate som styrer solstråler mot et bestemt punkt. Her kan det ligge mat, som kan varmes opp ved hjelp av solstrålene.

3. Hva hindrer solkraftproduksjonen?

Det at man kan utnytte solstråler både direkte og indirekte gjør tilsynelatende solenergi til en enorm ressurs. Med tanke på at jorden mottar over 10 000 ganger mer energi enn planetens befolkning bruker, så skulle man kanskje tro at solkraft fantes overalt. Hvorfor er det ikke sånn?

Her er noen av grunnene til at solkraft ikke har høy utbredelse ennå:

1. Sollys gir ikke en jevn strøm av energi

Solen lyser ikke på hele kloden til alle døgnets tider. Sollys er uforutsigbart. For å kunne utnytte sollyset måtte man kunne lagre strøm og/eller flytte strømmen effektivt fra steder med mye sol til steder med lite sol. Det har vi ikke muligheten til ennå.

2. Vi kan ikke gjøre all solenergi om til strøm

Alt sollys som treffer jorda gir oss ikke nødvendigvis mer strøm. Lys kan f.eks. reflekteres av solceller og andre ting på veien, noe som hindrer strømproduksjon og oppvarming av vann og luft.

Skyene over oss reflekterer også lys, mens atmosfæren absorberer en del av sollyset som skinner inn på jorda.

Av og til kan til og med de frigjorte elektronene i solceller bevege seg tilbake til elektronplassen før de går til hver sin side av cellen etter at sollyset traff cellen. Det betyr at sollyset ikke skapte noe strøm i solcellen, selv om den traff cellen som den skulle.

3. Solceller er ikke effektive nok

Kommersielle solceller klarer bare å omgjøre femten til tjue prosent av tilgjengelig sollys til strøm. Den solcellen som omdanner energi best i verden, gjør bare om lag 46 prosent av sollyset om til strøm.Siden denne cellen var svært dyr å produsere, er ikke teknologien kommersialisert og dermed ikke tilgjengelig for alle ennå. Vi har altså en lang vei å gå for å gjøre solceller mer effektive.

Utviklingen i teknologien har likevel sett mange framsteg de siste årene, og dette er noe av grunnen til at mange har høye forventninger til fremtidens solceller.

4. Solkraft krever store arealer

Siden solceller er lite effektive, trenger man store paneler for at man kan generere nok strøm til å dekke forbrukernes behov.

Det store solfangeranlegget i Ivanpah i California tar for eksempel opp et område på 16 kvadratkilometer. Siden dette anlegget befinner seg i ørkenen, bruker det imidlertid ikke opp viktig landbruksareal.

Likevel måtte anlegget redusere sin planlagte størrelse for ikke å ødelegge habitatet til ørkenskilpadder i området, samt en rekke planter.

Man må altså vurdere hvilke arealer som kan brukes til solkraftanlegg og hvilken innvirkning et slikt anlegg vil ha på dyre- og plantelivet i nærheten. Det er først når man tar disse faktorene med i beregningen, at man kan si noe om hvor miljøvennlig og bærekraftig et slikt anlegg vil være.

Har man for eksempel et solcelleanlegg på taket hjemme, vil de miljømessige påvirkningene i forbindelse med områdets planteliv og landareal være minimale.

5. Solkraft har også et karbonavtrykk

For å produsere solceller bruker man vann, silisium og giftige kjemikalier. Solcelleprodusentene må derfor være nøye med hvordan de produserer silisium og behandler de giftige kjemikaliene. De må også vurdere hvor mye energi de bruker for å produsere solcellene.

Solcellepanel produsert i Kina har blant annet et mye høyere karbonavtrykk enn panelene produsert i Europa, fordi Kinas energiproduksjon i større grad består av fossile energikilder, slik som kull. Produserer vi derimot solceller i Norge, hvor mesteparten av energien kommer fra vannkraft, står vi igjen med en mye mer miljøvennlig solcelle.

Ulike solfangere bruker i tillegg vann i produksjonen av strøm. Siden mange av de største solfangeranleggene befinner seg i svært tørre ørkenområder, må produsentene overveie hvorvidt vannbruken er forsvarlig.


4. Solkraftens fremtid

Til tross for mange ulemper forbundet med solkraft, ser man fortsatt svært positivt mot solkraftens fremtid. Dette henger sammen med at man stadig vil forbedre teknologien, som igjen kan løse problemene man har med teknologien i dag. I tillegg er de miljømessige konsekvensene langt lavere enn de som er forbundet med fossile energikilder.

Solcellepanel utvikles i tillegg i en rekordfart. The International Energy Agency (IEA) annonserte at kapasiteten i verdens solcelleanlegg steg med 50 prosent i 2016, med en total kapasitet på omtrent 74 GW. Ifølge IEA sto Kina for omtrent halvparten av disse utvidelsene.

Solcellepanel er videre anslått å vokse raskest av alle de fornybare energikildene i løpet av de neste fem årene. Denne utviklingen er mulig fordi man stadig klarer å redusere produksjonskostnadene, samtidig som store land som Kina og India satser på teknologien.

Siden Europas utvikling innenfor fornybar energi synker i forhold til foregående år, ser man mot Asia og Afrika for den største utviklingen. USA har også store muligheter for å øke sin fornybare energiproduksjon, men med den nåværende politiske makten er det vanskelig å si hvorvidt dette vil bli satset på i løpet av de neste årene.


Artikkelserie: Alt om fornybar energi

Denne artikkelen er en del av en artikkelserie hvor Strøm.no gir deg informasjon om de ulike fornybare energikildene:

  1. Bølgekraft – Fortsatt lite utviklet
  2. Bioenergi – En miljøvennlig energikilde?
  3. Geotermisk energi – Fremtidens energikilde?
  4. Solceller og solenergi
  5. Solkraft – En voksende industri
  6. Tidevannsenergi er lite utviklet
  7. Vannkraft – Slik produseres strøm i Norge
  8. Vindmøller – Slik lager de strøm

Kilder

International Energy Agency / [Ted-Ed] YouTube / The National Geographic / [SciToons] YouTube / Teknologirådet / HowStuffWorks.com 1 og 2 / Union of Concerned Scientists 1, 2 og 3 / Teknisk Ukeblad / Forskning.no


Følg oss på Facebook

Følg oss gjerne på vår Facebookside.

Kontakt oss

Send oss en e-post

Tjenester

Strøm.no er en gratis og uforpliktende anbudstjeneste. La selskapene konkurrere om å gi deg beste strømavtale!

Strøm Privat

Strøm Bedrift

Strøm Borettslag

Sammenlign strømpriser

Populære steder

Trondheim

Oslo

Kristiansand

Tromsø

Fredrikstad

Bergen

Norge