Back to Helsing's homepage
Rapporten syftar till att ge en överblick av solcellens utveckling och användning från den moderna solcellsteknikens födelse 1954 till idag. Rapporten tar upp uppbyggnad och funktion hos olika solcellstyper, som kiselsolcellen, tunnfilmssolceller och grätzelsolcellen. Den ger också exempel på tillämpningar i stor och liten skala. Den redovisar tekniker för lagring av energi och problemen med dessa samt olika miljöaspekter kring solcellstekniken.
De slutsatser vi dragit är att dagens solcellsteknik är väl utvecklad, miljövänlig och underhållsfri men dyr. För att tekniken ska kunna ersätta andra energikällor måste tillverkningen bli billigare. Den stora kostnaden ligger främst i de dyra materialen. För att tillverkningen ska bli billigare måste man antingen minska materialmängden eller markant öka verkningsgraden.
Kursen Teknikorintering är en del av ingenjörsprogrammet. Ett av momenten i kursen är ett projektarbete. Projektgruppen är sammansatt av åtta studenter från olika ingenjörsinriktningar, detta för att träna sammarbetsförmågan med personer som har olika bakgrund och intressen.
Ämnet solceller valdes efter att ha läst en artikel i tidningen "Ny teknik", där forskaren Lars Stolt berättar om den nya generationen av solceller.
Informationen vi använde fick vi från Internet, bibliotek, intervjuer och studiebesök. Därefter avgränsade vi arbetet och sovrade. Projektet delades upp i olika delar, där alla i gruppen ansvarade för en del. Genom de regelbundna projektmötena kunde de olika medlemmarnas arbete följas upp och bli sammstämmiga.
I alla århundraden har solen haft en central roll för allt liv här på jorden. Den har avgudats och dyrkats för sin stora kraft. Solen ger oss värme och ljus. Men på 1800-talet upptäckte man att solen kan ge oss energi också. Det var fysikern Heinrich Hertz som 1887 observerade den fotoelektriska effekten.
Han studerade då urladdningar mellan två elektroder och fann, att urladdningsströmmen ökade, när elektroderna belystes med ultraviolett ljus.
Förklaringen av denna effekt gjorde Albert Einstein och det var det han senare fick Nobelpriset för 1921. Einstein använde sig av Max Plancks antagande att ljuset inte bara är vågrörelse utan också kommer i form av små energipaket, fotoner. När ljuset föll in mot elektroderna i Hertz experiment, träffades elektroner i elektrodmaterialets atomer av fotoner. Då kunde det hända att vissa fotoner överförde all sin energi till elektroner de kolliderat med. Om denna energi var tillräcklig för att övervinna de krafter som band elektronerna till kärnan, medförde det , att fotonerna slog loss elektroner ur elektrodmaterialet. Strömmen av fria elektroner ökade. Den elektriska strömmen i kretsen ökade likaledes.
Hertz använde ultraviolett ljus. Med sådant ljus kan elektroner slås loss ur vanliga metaller, vilket inte går med vanligt solljus. Solljus förmår däremot att lösgöra elektroner ur alkalimetaller, vars yttersta elektroner är tämligen löst bundna. Varför solljus inte kan slå loss elektroner i vanliga metaller framgår av Einsteins modell. Det behövs nämligen en viss minsta energi hos fotonen för, att elektronen ska komma loss. Denna minsta energi varierar från grundämne till grundämne. Samtidigt ökar fotonernas energi, ju kortare vågor ljuset har.
Ultraviolett ljus är kortvågigare än den synliga delen av solstrålningen. Fotonerna är energirikare än det synliga solljusets och kan slå loss elektroner ur material, där elektronerna är hårdare bundna än i de så kallade alklimetallerna.
Steget från Einsteins förklaring av den fotoelektriska effekten till dagens solceller kräver ingen extrem högteknologi. Det var emellertid först i samband med halvledarteknikens snabba utveckling efter andra världskriget som den moderna solcellstekniken föddes (1954). Den nya energiomvandlingen kom snabbt till användning i rymden.
I början av 1970-talet stördes världens oljeförsörjning allvarligt, och detta ökade intresset för solcellstillämpningar på jorden. De hittills utvecklade solcellerna var gjorda för satelliter och mycket dyra. Därför sattes stora krafter in för att utveckla solcellen och förbilliga tillverkningen av den. Sedan dess har stora framsteg gjorts och idag finns många solcellstillämpningar av olika storlek. Trots den stora utveckling solcellstekniken genomgått sedan början av 70-talet är den fortfarande för dyr att tillämpa i stor skala och för att tekniken ska kunna bli en allvarlig konkurrent till andra energikällor krävs en betydande utveckling av produktionstekniken.
Solljuset kan betraktas som ett flöde av ljuspartiklar, s k fotoner. Varje foton har en energi som är omvänt proportionell mot ljusets våglängd. I solljuset finns ett spektrum av fotonenergier, från lågenergiskt ljus (infrarött ) till högenergiskt ljus (ultraviolett). När ljuset absorberas i cellmaterialet överförs ljusenergin till elektroner. Detta sker genom att en foton överför all sin energi till en elektron. En viss del av den överskottsenergi elektronen därigenom får kan erhållas som elektriskt arbete i en yttre krets. Tyvärr omvandlas dock en väsentlig del till värme i cellmaterialet och kan ej nyttiggöras till elektrisk energi. Solceller tillverkas som redan nämnts av halvledarmaterial. Dessa karakteriseras av det s k bandgapet (Eg). Bandgapet är ett energigap inom vilket elektronerna ej kan anta energitillstånd, det kallas ibland också det förbjudna bandgapet. När en foton absorberas av (överför all sin energi till) en elektron, exciteras elektronen frrån ett tillstånd vid den undre kanten av bandgapet, det s k valensbandet (Ev) till ett tillstånd ovan den övre kanten av bandgapet, ledningsbandet (El). Fotonen måste alltså ha en energi motsvarande minst bandgapet, annars sker överhuvudtaget ingen ljusabsorbtion i halvledarmaterialet. En elektron som genom ljusabsorbtion exciterats till en energinivå långt över den övre kanten av bandgapet, kommer snabbt att förlora sin energi, i form av värme, tills den når ett tillstånd precis vid den övre bandgapskanten. En elektron som exciteras till den övre bandgapskanten, eller ledningsbandet, lämnar en lucka efter sig vid den undre bandgapskanten (i valensbandet). Denna lucka kallas för ett hål och har positiv laddning. Både hål och exciterade elektroner kan röra sig fritt i halvledarmaterialet. Ljusabsorbtion i halvledare ger alltså upphov till rörliga laddningsbärare i form av hål i valensbandet och elektroner i ledningsbandet. Det är dessa som ger upphov till den elektriska ström som kan erhållas ur en solcell. För att detta skall ske krävs också att det finns ett i solcellen inbyggt elektriskt fält. Detta fält åstadkoms genom att utföra solcellen som en s k pn-övergång, en hopkoppling mellan halvledare av olika typ.
En kiselsolcell tillverkas av kristallint kisel och är nästan fyrkantig för att uppnå god packningsteknik. I stort är kiselsolcellen en pn-diod som täcker hela ytan av ca 10 x 10 cm. Baksidan av en kiselsolcell består av en bakkontakt. Ovanpå denna ligger sedan kristallint kisel i olika dopade lager vilket ger kislet lager av olika ledningstyp. Ovanpå detta finns ett lager av antireflekterande ämne för att inte reflektera bort viktig solenergi. Överst ligger sedan cellens "framkontakt" i form av ett gallerformat nät av metall. Gallret ska vara så litet som möjligt för att släppa igenom så mycket sol som möjligt. Tjockleken på en enkel solcell som i fig.1 nedan är 0.4 mm.
En solcell avger ca 0.5 V och det går inte att använda i praktiska tillämpningar. Därför seriekopplar man cellerna. Vanligtvis 36 st, för att få ut ca 18 V som är lättare att t ex lagra. Produkten av seriekopplingen blir en solcellsmodul. En typisk solcellsmodul består av 36 solceller och har måtten 0,98 x 0,44 m. Den har toppeffekten 55 W och levererar 3,15 ampere vid 17,5 volt. Modulverkningsgraden är 13 % och priset är från 35 kr / Wt och uppåt. En solcellsmodul är uppbyggd på en glasskiva. Celler och förbindningar är inbakade i ett lamineringsmaterial (t ex EVA). Bakskivan är täckt av en diffusionsspärr (t ex Tedlar).
En solcell är en pn-diod som aktiveras av solljus. Mellan områdena med olika ledningstyp bildas ett område utan rörliga laddningsbärare men med fasta laddade dopatomer, som ger upphov till ett elektriskt fält. När ljuset träffar solcellen bildar det negativa (elektroner) och positiva (hål) laddningsbärare. Dessa separeras av det elektriska fältet och cellen polariseras. Elektrisk ström kan ledas från den positiva sidan till den negativa.
Mängden el som solcellen producerar är proportionell mot solljusets intensitet och solcellens verkningsgrad. Typisk verkningsgrad för den vanligast förekommande solcellstypen, kiselsolcellen, är ca 15 %. Vid en instrålning av 1000 W/m^2, vilket motsvarar klar sol, ger en 1 dm^2 stor solcell alltså 1,5 W. Man brukar kalla detta att solcellen har 1,5 W toppeffekt (Wt). När ljusintensiteten sjunker, t ex vid mulen väderlek, sjunker i motsvarande grad också strömmen. Spänningen är relativt konstant, den minskar endast något. Även temperaturen påverkar elgenereringen. Detta resulterar i att verkningsgraden minskar något vid ökande temperatur. Det beror på att spänningen sjunker något vid ökande arbetstemperatur. I specifikationer för solceller och solcellsmoduler anger man värdena vid 25(C. Som nämnts ovan har en vanlig kiselsolcell en verkningsgrad på ca 15 %. Man tycker det är ganska lågt men som jämförelse kan nämnas att i biobränslen lagras högst 1-2 % av solenergin och alla fossila bränslen är ju biobränsle som omvandlats. Det vore naturligtvis bra om solceller kunde bli effektivare, och det kan de bli, men att verkningsgraden befinner sig så pass långt från 100 % beror faktiskt mest på solen. Solljuset innehåller som bekant ett helt spektrum av våglängder. Solcellen är egentligen riktigt bra bara på en våglängd, nämligen den som motsvarar halvledarens s k bandgap. För sådant monokromt ljus kan verkningsgraden bli så hög som 60-70 %.
Ljus med energi mindre än motsvarande halvledares bandgap absorberas alltså inte överhuvudtaget. Detta kan därför inte omvandlas till energi. I praktiken passerar detta ljus genom halvledarmaterialet och absorberas först i baksideskontakten av metall. I metaller omvandlas absorberat ljus omedelbart till värme. Värme blir det också som redan nämnts av energirika fotoners överskottsenergi, dvs den del av fotonenergin som överstiger bandgapet. Det finns olika halvledare med vitt varierande bandgap. Med optimalt val av bandgap blir de sammanlagda förlusterna minimerade. Då förloras ca 55 % av solenergin genom de två mekanismerna som hör samman med ljusabsorbtionen. På grund av andra termodynamiska förluster kan endast ungefär två tredjedelar av av återstoden erhållas som elektrisk energi. Det innebär en högsta teoretisk verkningsgrad på 30 %. En sådan cell har en halvledare med bandgapet 1,4 eV, vilket motsvarar våglängden 0,9 (m. Det är infrarött ljus nära det synliga området. Den teoretiskt maximala verkningsgraden är dock inate så känslig för valet av bandgap, solceller av halvledare med bandgap i området 1,0 - 2,0 eV kan nå minst 25 %. I praktiken är det därför viktigare att finna halvledarmaterial med i övrigt goda egenskaper för att framställa solceller. Därför dominerar idag kisel, som har bandgapet 1,1 eV.
Det går att göra en mycket effektiv solcell för ljus med ett smalt spektrum. Det ligger därför nära till hands att försöka öka solcellsverkningsgraden genom att dela upp solljuset i olika våglängdsintervall - färger - och leda det till celler optimerade för varje färg. Som tidigare sagts så släpper solcellen igenom solljus med energier lägre än solcellens bandgap. Då kan man genom att placera en solcell med lägre bandgap under en solcell med högre bandgap utnyttja ett större spektrum av solljus. Bakkontakten måste då vara transparent och det går att bygga ihop fler än en solcell. På så sätt kan man öka verkningsgraden till 60 %. Man kan i princip sammansätta hur många solceller man vill men när man staplar celler ovanpå varandra på det här sättet orsakar man också extra optiska förluster. Verkningsgraden ökar mest från en till två eller tre solceller. För att komma upp i 60 % som nämnts ovan måste man använda över 30 solceller. Med tre celler närmar sig verkningsgraden 30 %.
För att elproduktion med solceller ska bli lönsamt måste kostnaden för solcellen sänkas betydligt. I en traditionell Kiselsolcell är den största kostnaden halvledarmaterialet. Kiselcellen är beprövad och har en hög verkningsgrad, men den är alldeles för dyr att producera för att bli lönsam. Forskare runt om i världen undersöker hur solceller ska kunna bli billigare, samtidigt som en hög verkningsgrad upprätthålls.
Många forskare tror att svaret på den frågan är tunnfilmscellen. Tunnfilmssolcellen fungerar på samma sätt som den traditionella kiselcellen d.v.s att producera el genom att göra en diod. Skillnaden är halvledarmaterialet, kislet har ersätts med en högabsorberande halvledare. Än så länge är tunnfilms solceller under utveckling. Det finns bara ett par typer att köpa.
Tunnfilmen är som nämnts tunnare än den traditionella kiselsolcellen. Den stora ekonomiska vinsten ligger således på material kostnaden. Men det finns andra fördelar också.
Tunnfilmens halvledar material är bara ett par mikrometer tjock. Kristallina kiselceller är hundra gånger tjockare. Det gör att kostnaden är försumbar för halvledar materialet i tunnfilmscellen. Det är den absolut inte i kiselcellen. Halvledarmaterialet i tunnfilmsceller har högre ljusenergi absoberingsförmåga än de kristallina kiselcellerna. de kan få upp det för elomvandling intressanta solljuset på en sträcka under 1 mikrometer. Det är därför de kan göras så tunna.
|
| Fig.5 Tillverkning av tunnfilmsmodul |
Tillverkningen av tunnfilmscellen är massproduktions anpassad. Filmen sprayas eller gasas på. På det sättet går det att belägga stora ytor på en gång. Produktionen går fort. För att solcellen ska bli en diod måste flera material påföras, och de olika materialen ska ha kontakt med varandra. De olika materialen sprayas på i olika skikt, mellan behandlingarna ristas cellen mekaniskt eller med laser på ett sådant sätt att nästa lager som sprayas på får kontakt med de andra.
Verkningsgraden hos tunnfilmsceller är hög. På laboratorier har forskare kommit upp till verkningsgrader på ca 18%. Tunnfilmscellerna är till skillnad från kristallina kiselceller inte så känsliga för väder och vind. Tunnfilmscellernas verkningsgrad sjunker inte mycket de första veckorna som de påverkas av väder och vind utomhus.
Det finns tre typer av tunnfilms solceller som är framstående. Det som skiljer dem huvudsakligen åt är valet av halvledarmaterial. De tre olika tunnfilmscellerna är:
Tunnfilmsceller av amorft Kisel har utvecklats länge. I amorfa material råder i motsats till de kristallina materialen oordning i atomstrukturen. Det gör att egenskaperna hos amorft kisel är olika mot den kristalina, en av egenskaperna är hög absorberingsförmåga. Forskare hade redan 1982 en cell som gav en verkningsgrad på 10%. Amorft kiselsolcellen förekommer ofta på solcellsdrivna miniräknare. Amorft kisel har precis som kristallint kisel den egenskapen att verkningsgraden sjunker betydligt de första månaderna i bruk. Verkningsgraden hamnar tillslut på omkring 5%. En till nackdel är att vid tillverkning förekommer användning av giftiga och explosiva gaser.
CdTe och CIS cellen är de två cellerna det satsa mest resurser på att utveckla. Fram för allt på grund av att deras verkningsgrader inte sjunker efter det att de tagits i bruk. Båda cellerna har uppnått verkningsgrader upp till 18% i laboratorium. Cellerna är inte känsliga för väder och vind. Skillnaden mellan dem ligger i halvledar materialet. CdTe cellen har halvledare av kadium. Kadium är inte speciellt miljövänligt, och dessutom har de som utvecklar CdTe cellen en tillverknings metod som har giftiga och explosiva gaser förekommande.
CIS cellen innehåller grundämnet Indium, som inte är vanligt förekommande. det är en nackdel vid storskalig produktion. Försök att ersätta Indiumet har gjorts men något sätt att helt ersätta Indium har inte hittats. I Uppsala finns en grupp forskare som utvecklar just CIS solcellen. De är världsledande på området. De har utvecklat en metod för tillverkning av tunnfilmsceller som inte innehåller några giftiga eller explosiva gaser. De har lyckats att ta fram en solcell för industriell tillverkning som har en verkningsgrad på 8%, och utveckling sker ständigt.
Båda cellerna är under utveckling. CdTe cellen har kommit längre än CIS cellen och ska snart finna på marknaden.
Det finns en fjärde typ av solcell som räknas till tunnfilmscellerna. Grätzelcellen, det är inte en solcell av diod typ utan i Grätzelcellen sker en elektrolyt. Grätzelsolcellen härmar växternas fotosyntes. Det är en elektrokemisk cell. Växterna är mycket skickliga på att omvandla solenergi till energi för eget bruk. I stället för klorofyll så används ett konstgjort färgämne. Det konstgjorda färgämnet har till uppgift att ta till sig solenergin. Färgämnet sitter fast på en halvledare av TiO2, Titandioxid. När färgämnet tillförs solenergi frigörs elektroner från färgämnet till TiO2. Elektronen attraheras av en bakkontakt av Tenn. Elektrolyten sluts av en motkontakt. Den schweiziska kemisten Michael Grätzel förbättrade cellen. Principen för Grätzel cellen har funnits i över 20 år. Men den var inte så efektiv. De tidiga försöken hade felet att titandioxiden med färgämet hade en för slät yta. Grätzel kom på att man skulle göra ytan så skrovlig och ojämn som möjligt.
Grätzelcellen har hittills kommit upp till en verkningsgrad på 10% i laboratorier miljö. Fördelen med Grätzelcellen är den att vid låg ljusstyrka sjunker inte spänningen nämnvärt. Det gör däremot solceller av diodtyp. Grätzel cellen har också fördelar ur miljösynpunkt. Inga miljöeffekter har ännu påvisats. Det stora problemet med Grätzel cellen är den flytande elektrolyten, den får inte avdunsta på varma sommar dagar och inte heller frysa på kalla vinterdagar. Det problemet har forskarna inte lyckats lösa ännu.
Ett av de viktigaste motiven för energilagring är att man ska försöka ta tillvara den instrålade solenergi som annars går förlorad utan att vi drar nytta av den. I viss mån söker man därför efterlikna naturen och bilda ett nytt energikapital. En av anledningarna till att vi inte direkt kan utnyttja mer än en liten del av energiflödet från solen är att vårt behov av energi är dygns-, vecko- och årstidsvarierande. Ett allmänt och lovvärt motiv för energilagring är därför att utjämna belastningsvariationerna på kraftverk och distrubitionsanordningar. Genom en överflyttning av t ex dagkonsumtionen av elektricitet till natten kan man erhålla en jämnare belastning. Besparingen här ligger i att det sammanlagda effektbehovet minskar.
Det har under årens lopp utvecklats en rad olika metoder för energilagring, och nya metoder tillkommer för att möta nya krav. I världen läggs nämligen mycket pengar och tid ned på att lösa just energilagringsproblemet. Det som är avgörande för vilka metoder som arbetas fram är naturligtvis hur lönsamma de i framtiden kan komma att bli. De faktorer som påverkar valet av lagringsmetod är följande:
Möjligheten att utnyttja el producerad av solceller är beroende på lagringsmöjligheter. Till exempel hur omgivningen ser ut geografiskt och hur stora ingrepp på miljön man kan tillåta sig göra. Storleken på energin som skall lagras är också av stor betydelse.
Här följer metoder som är under utveckling och sådana som idag används:
För elekrolysering av vatten krävs att man har två "ädla metaller" (ämnen). Till dessa kopplas en likspänning som I detta fall kommer från en solcellspanel. På grund av att vattnet är "oädlare" så bryts bindningarna I vattenmolekylen och två gaser avges, nämligen vätgas och syrgas. Det enda man sedan behöver göra är att fylla på mer vatten. När dessa gaser sedan förbränns I hop så blir den enda produkten nytt vatten.
Lagringen i vattenmagasin innebär att en stor landareal tas i anspråk samtidigt som stränderna eroderar. Detta skulle kunna fås till en marginell miljöpåverkan om den lagringskapacitet som finns i existerande vattenmagasin i storleksordningen 5TWh, skulle utnyttjas för lagring av solcellsel. Lagring i batterier (NiCd och blyaccumulatorer) används främst av egenförsörjda system och solcellsdrivna konsumentprodukter. Dessa står för en avsevärd del i systemets miljöbelastning eftersom de ofta innehåller tungmetaller. Vätgasen i sin tur kommer att utgöra en explosionsfara under transport från produktionsstället till användnigngsstället, detta går ej att komma ifrån. Likaså förbränning av vätgas i luft är en miljöförstörare. Det bildas vatten och kväveoxider, och kväveoxiderna försurar och bidrar till övergödning.
Här följer en tabell för att visa fördelar och nackdelar med solceller ur miljösynpunkt.
| Solceller | Fossila bränslen | Kärnkraft | ||
|---|---|---|---|---|
| Resursförbrukning | indium | kol, olja, naturgas | uran, dagbrott | |
| Växthuseffekt | nej | ja | nej | |
| Försurning | nej | ja | nej | |
| Övergödning | nej | ja | nej | |
| Luftföroreningseffekterpå levande organismer | nej | ja | nej | |
| Risker vid tillverkning | giftiga gaser och explosioner | oljeutsläpp, explosioneroch brand i anläggningar,gruvolyckor | risk för utsläpp av radioaktivt material vid uranbrytning och bränsleframställning | |
| Risker under drift | små | små | liten sannolikhet,stora konsekvenser | |
| Riskabelt avfall | Cd-haltigt avfall | metaller i aska och avfall från rökgasrening | radioaktivt avfall | |
| Koppling till kärnvapen | nej | nej | ja | |
| Energilagring | nödvändig, kan förutses ge miljöbelastning eller explosionsrisk | som bränsle, marginell miljöbelastning | som bränsle, marginellmiljöbelastning |
Fördelarna med solceller i drift är att eftersom solen är energikälla sker det inte några miljöfarliga utsläpp som förorenar luften och vattendragen vilket sker vid användning av fossila bränslen. Den ger inget radioaktivt avfall som kärnkraften. Den stör heller inte omgivningen eftersom det inte finns några rörliga delar som för oväsen. Solceller är inte lika begränsade som andra energikällor. Uran och fossila bränslen finns bara i begränsade mängder medan solen kommer att lysa så länge människan existerar.
Problemen med solceller utgörs av de stora ytor som krävs för storskalig produktion, hälsoeffekter vid tillverkning och omhändertagning av miljöfarliga ämnen vid skrotning av cellerna. Även lagring av energin från solceller kan ge miljöpåverkan.
Ett av problemen med en storskalig användning av solcellsanläggningar är de stora ytor som krävs för att täcka elkonsumtionen i världen. Men tittar man på möjligheterna att placera celler så behöver man inte dessa stora ytor. De ytorna som skulle behövas för fristående anläggningar som skulle täcka hela jordens elkonsumtion motsvarar enligt Lars Stolt:
1/10000 av jordytan eller 1/1000 av ökenområden o dyl eller 1/300 av uppodlad mark eller 1/50 av byggnader, vägar o dyl.
Sverige utnyttjar 5-10 TWh el och det skulle behövas en anläggning på 150 km2 för att producera 10TWh per år. Med tanke på att det finns 160 km2 lämplig takyta att placera dessa på borde detta inte vara något större problem. Man skulle till och med kunna argumentera för att de stora ytorna som behövs är ett sett att hålla landskapet öppet.
När solceller tillverkas används en mängd farliga ämnen som personal och även omgivningen kan utsättas för. Hälsorisken för personal är det största problemet i tillverkningsprocessen. Vid en eventuell olyckshändelse skulle även omgivningen påverkas av utsläpp. Personalen utsätts för en rad farliga ämnen som används och bildas vid tillverkning av solceller.
I kristallina kiselceller använd en form av fosfor. Denna är starkt frätande på hud och slemmhinnor eftersom den reagerar med vatten och bildar frätande ämnen.
I solceller av amorft kisel används giftiga och högexplosiva gaser t ex silan som självantänder vid kontakt med luft vilket kan ske vid byte av gastub eller vid läckor i systemet. Vid dopning används diboran och fosfin som är mycket giftiga gaser och som dessutom självantänder vid kontakt med luft.
I CIS- och CdTe-celler utgör användningen av kadmium risker i både arbetsmiljö och för omgivningen. Men kadmiumförgiftning är ett långsamt förlopp och kan kontrolleras genom regelbundna hälsoundersökningar hos personal. Det är därför mera riskfritt att arbeta med kadmiuminnehållande celler än det som innehåller högexplosiva och giftiga gaser. Omgivningen kan påverkas vid olyckor i produktionsanläggningar och kadmium kan komma ut i naturen.
Konsumentprodukter är vanligen drivna av solceller av amorft kisel men det förekommer också av CdTe-typ. I konsumentprodukterna används även batterier tillsammans med solceller och batterierna kan innehålla kadmium,. I konsumentprodukter drivna av solceller är det olämpligt att använda kadmiuminehållande solceller eftersom dessa produkter kastas direkt i soporna då de tjänat ut. Kadmium sprids då ut i naturen t ex via rökgaser från sopförbränning.
Egenförsörjande system är också ofta batteriberoende. Dessa kan ha stor betydelse ur naturvårdssynpunkt eftersom man slipper dra långa elledningar genom skogen till avlägsna elkonsumenter som t.ex sommarstugor. I nätanslutna system, vilket inte är aktuellt än, är solcellsdrift ett klart bättre miljöval än andra bränslen vilket visas i tabell 1.
När man skrotar använda celler är det främst de som innehåller kadmium som måste tas om hand om speciellt. Solceller innehållande kadmium måste tas om hand speciellt för att inte kadmium ska läcka ut i naturen. Kadmiumet skulle förorena i grundvattnet som skulle leda till att kadmium kom in i dricksvattnet. En amerikansk studie av kadmiumhalten hos CIS- och CdTe-celler visade att kadmiumhalten i CdTe-celler översteg EPA:s (Environmental Protection Agency) gränsvärde med 8 ggr och borde därför klassas som miljöfarligt avfall, medan CIS-cellen bara var 15% av värdet.
Återvinning av ämnen i cellerna vore att rekommendera eftersom det skulle minska miljöpåverkan och dessutom minska utarmningen av t.ex. indium som är en beståndsdel i alla celler.
Konsumentprodukter och egenförsörjande system är ofta beroende av batterier för lagring av el. Dessa innehåller ofta tungmetaller vilket utgör en väsentlig del av miljöbelastningen. Lagring i vätgas innebär en explosionsrisk vilket påverkar miljön på samma sätt som avgasutsläpp från fordon.
Ett typiskt solenergisystem består av en solpanel som alstrar elektricitet. En regulator övervakar systemets funktion. Den ser också till att batteriet som lagrar elektriciteten inte blir överladdat eller laddas ur för mycket, dvs den garanterar en optimal livslängd för batteriet. Kylskåp, TV, lampor, vattenpump etc fungerar med ström från batteriet. Om man vill använda vanlig 230 volts utrustning kan en växelriktare (inverter) som omvandlar 12 volt likström till 230 volts växelström kopplas in till systemet.
Vårt nordiska klimat är inget hinder för användningen av solenergi. Tabellen visar energiproduktionen för en solpanel med 45( lutning.
Ett villatak i Mellansverige som är vinklat 45( mot horisonten mottar varje år ca 1150 kWh/m2, om det är orienterat mot söder. Antag att det har en yta av 50m2 och helt täcks av med solcellsmoduler med 12,5% verkningsgrad. Anläggningens effekt blir då:
12,5% ( 50m2 = 6,25 kWt.
Faktorn 0,85 används för att ta hänsyn till småförluster, t ex för hög temperatur, lastanpassare, smuts mm. Den årliga elproduktionen blir:
12,5% ( 1150 kWh/m2 ( 50 m2 ( 0,85 = 6100 kWh
Detta motsvarar drygt en normal villafamiljs årsförbrukning av hushållsel.
I ett ödsligt områdemitt i Spanien, ligger Europas största solkraftverk. På en yta av 30 000 m2 står 8 000 solcellspaneler i 30° vinkel mot solen. Det är det tyska energiföretaget RWE som finansierar projektet, som kostat över 100 miljoner kronor.
Solpanelerna levererar kraft åtta timmar om dagen och räcker till att mätta energibehovet för 2000 människor.
Jämfört med ett kärnkraftverk är detta mycket lite. Ett modernt kärnkraftverk levererar mer än 2000 gånger mer energi. För att åstadkomma lika stor effekt med solceller skulle en yta stor som 3 500 fotbollsplaner behöva täckas.
Det vanligaste sättet att lagra solel är att använda batterier eller ackumulatorer. Hur stor ackumulatorbank som behövs, beror förutom på förbrukningen också på anläggningens storlek och hur länge man skall klara sig utan sol. Det är viktigt att batterierna inte överladdas eller urladdas för djupt. Sådant påverkar batteriernas livslängd. För att motverka detta använder man en regulator som kontrollerar laddningen. Om man använder systemet utan växelriktare blir systemet likspänt och befintlig elutrustning kan ej användas.
Ett sätt att lösa lagringsproblemet är att använda elnätet som lager. Då säljer man el när man har överskott och köper när man har underskott. I ett sådant system måste man ha en växelriktare och en elmätare som mäter hur mycket el man levererar till nätet. Den vanliga elmätaren mäter ju bara hur mycket el man köper.
|
| Fig.10 Framtida solkraftverk i rymden |
I framtiden kommer vi kanske att se solkraftverk ut i rymden. Ett solkraftverk i rymden lider inte av moln och nätter, utan kan producera elektricitet 24 timmar per dygn året runt. Satelliter med solpaneler på 50 kvadratkilometer skulle med stora mikrovågsantenner kunna stråla ner energi motsvarande fem kärnkraftsreaktorer. Sex sådan här solkraftverk i rymden skulle täcka Sveriges totala behov. På jorden skulle man då kunna ta emot mikrovågorna. En aldrig sinande källa, utan vare sig lagringsbehov, växthusgaser eller radioaktivtavfall.
Idag kan man bygga mikrovågslänkar där bara 40 procent av energin försvinner i omvandling till mikrovågor och tillbaka till likström igen. Man håller också på att pröva andra sätt att få ner energin, t.ex. optiskt drivna lasrar. Men lasern medför problem vid moln och kan medföra hälsorisker.
Den här tekniken är dyr idag, t.ex. kostar det ungefär 30 000 kronor per kilo att skicka upp något till en låg omloppsbana.
| Redan idag har tiotusentals stugägare i Norden löst sin elförsöjning med hjälp av solenergi. Att ansluta sig till elnätet kan vara både oekonomiskt och opraktiskt. Fritidshuset kanske ligger på en ö. Man kan välja mellan olika lösningar som passar ens behov bäst. De mindre systemen räcker bara till några lampor, medan de större kan driva allt man är van vid så som TV, kyl, spis, mm. Gemensamt kan man säga att underhållsbehovet är litet. Den enda driftkostnaden är batteribyte, vilket normalt ska göras var femte år. |
| Fig.11 Tak täckt av solcellspaneler |
Företaget Neste har utvecklat ett solcellsdrivet kylskåp för att förvara mediciner och vacciner i rätt temperatur. Kylskåpet finns både i en stationär och en mobil variant. Den stationära modellen är tänkt att användas vid ensligt belägna sjukhus och kliniker. Vid transporter kan den mobila kylskåpet monteras på en bil, båt eller som bilden visar, en kamel! Då vatten ofta är kan vara svårtillgängligt har Neste även tagit fram en solcellsdriven pump. Detta kan i förlängningen leda till färre sjuka och betydligt större skördar. | 
|
| Fig.12 ‘Camel Fridge’ |
|
| Fig.13 En av världens snabbaste solcellsdrivna bilar |
Solcellsdrivna bilar visas allt oftare upp på mässor etc. Tyvärr är de flesta långt ifrån klara att serietillverkas. I och med de nya stränga miljökraven som införts i vissa av USAs delstater, kommer antalet alternativa fortskaffningsmedel att öka. Förväntningarna på solcellsdrivna bilar är därför stor, och marknaden för dem väntas öka kraftigt.
Segelbåtar avsedda för att klara sig länge på egen hand utrustas med solcellspaneler. Då vattnet reflekterar solljuset kan olika konstruktioner användas för att spegla detta till panelerna. Systemet blir därigenom mindre känsligt för störningar (moln). Små elektroniska apparater är särskilt lämpliga att driva med solceller, då de drar lite ström. Allt oftare utrustas miniräknare, klockor mm med små billiga solceller. Apparaterna utrustas ofta med ett litet batteri som ersätter solcellerna då dessa ej kan leverera ström.
Dagens solcellsteknik är väl utvecklad, miljövänlig, underhållsfri men dyr. För att tekniken ska kunna ersätta andra energikällor måste tillverkningen bli billigare. I dagsläget är inte tekniken tillämpbar i stora anläggningar. Däremot är den väl tillämpbar och ekonomiskt försvarbar i sommarstugor, fyrar och i allmänhet där det är långt till elnätet.
Den stora kostnaden ligger främst i de dyra materialen. För att tillverkningen ska bli billigare måste man antingen minska materialmängden eller markant öka verkningsgraden.Den mest lovande tekniken just nu är tunnfilmstekniken som just syftar till att minska materialmängden.
Anne-Marie Tillman och Torbjörn Svensson, 1993: Miljökonsekvenser av ny energiteknik.. Stockholm
CG Claesson, 19/3 1995: Göteborgsposten . Göteborg
Nutek, 1993: Solceller Forskning, teknik och ekonomi. Stockholm
Ny Teknik. 1996:36. Stockholm
Populär Vetenskap nr 11, 1995. "Solkraftverk i rymden", Hans Arby. (sid 40)
Populär Vetenskap nr 4 1995, "En riktig solskenshistoria". (sid 58)
Populär Vetenskap nr 6, 1995. "När strömmen faller från himlen", Georg Francken (sid 16).
Produktbeskrivning, Gällivare Photovoltaic
Produktbeskrivning, NESTE Advanced Powers Systems
Teknik & Vetenskap nr 4, 1996. "Nutek förstärker solenergiarbetet", Sofia Lavenius (sid 49)
Intervju med Lars Stolt, forskare vid Uppsala universitet
Internetadresser