Solkraft — kan det løse energikrisen?
En rekke speil fokuserer solstrålene mot et punkt på toppen av et 60 meter høyt «krafttårn». De er i stand til å produsere varme som svarer til varmen fra over 1000 soler, og temperaturen kan komme opp i 2300 grader celsius.
I EN tid med knapphet på energi er det naturlig å trekke fram at solen er en uuttømmelig energikilde som lar lys og varme strømme ned over hele jorden. Den opprettholder en passende gjennomsnittstemperatur på jorden og tilveiebringer den energi som er nødvendig for planteveksten og derved for alt liv. Disse godene er så alminnelige at mange tar dem for gitt.
Men vi er blitt avhengige av andre former for energi som anvendes til mange forskjellige formål som solstrålene ikke direkte er anvendelige til. Hvis andre energikilder skulle bli uttømt, vil det da være mulig å varme opp hus og fabrikker ved hjelp av solstråler? Er det på en eller annen måte mulig å omforme solstrålene til elektrisitet som vi trenger til våre lamper, motorer, radioer og fjernsynsapparater? Er det mulig å lagre solenergi på tanker og bruke den som drivstoff i biler og fly?
Disse mulighetene blir nå alvorlig overveid. I mange laboratorier er vitenskapsmenn opptatt med å finne ut hvordan en skal kunne utnytte solenergien. Det er ingen tvil om at det er store muligheter der. Solstrålingen på et cirka 40 kvadratkilometer stort område i Arizona overfører en energimengde som tilsvarer den energi som produseres ved alle elektriske kraftverk i USA. Hva er da problemene?
Det største problem vi står overfor, er at sollysets stråler spres til alle kanter. En solfanger av begrenset størrelse mottar derfor forholdsvis lite energi. Men selv denne diffuse kraften er tilstrekkelig til at den kan utnyttes til visse ting. Hus som er bygd slik at de lar mye sollys slippe til, kan samle opp nok varme til at en kan spare mye på den energi en trenger til oppvarming. Vanntanker på taket kan varmes opp slik at en får tilstrekkelig varmt vann når en skal bade, vaske opp eller vaske klær.
Et annet problem som knytter seg til solkraft, er at den ikke alltid er der når vi ønsker den. Når solen går ned, blir kraften borte. Skyer stenger også for solkraften. Sollysets intensitet, antall timer med dagslys og antall dager med overskyet vær er forskjellig på de forskjellige breddegrader og årstider. På mange områder vil bruk av solkraft være avhengig av at en finner ut hvordan en skal kunne lagre energien mens solen skinner, for å kunne bruke den om kvelden og natten eller på overskyete dager.
En enkel måte å lagre solenergi på er å varme opp vann om dagen og oppbevare det i isolerte tanker til senere bruk. Det varme vannet kan også sirkulere gjennom radiatorer og på den måten benyttes til oppvarming. Når det er kaldt, må et slikt system suppleres med varme fra en annen kilde. Men som et tilskudd til oppvarming av boliger blir dette systemet allerede benyttet for å redusere behovet for gass eller elektrisitet.
I tillegg til denne elementære anvendelse av solvarmen finnes det mer avanserte måter å bruke den på. Ved å konsentrere solstrålene er det mulig å oppnå svært høye temperaturer. Hvem har ikke prøvd å holde et stykke papir under et forstørrelsesglass der hvor solstrålene samles, i brennpunktet, og så sett hvordan papiret har tatt fyr? Dette prinsippet anvendes i større målestokk ved at en benytter krumme speil som samler solstrålene til én kraftig varmestråle med så høy temperatur at den kan smelte de mest tungtsmeltelige materialer. I den sørlige delen av Frankrike finnes det en slik solovn. En dampkjele er plassert i brennpunktet, og på denne måten blir det produsert damp. Dampen driver en turbogenerator, som produserer elektrisitet til det nasjonale elektrisitetsverk. Fabrikanten tilbyr salg av solkraftverk som har en kapasitet på 1000 kilowatt.
Et mer avansert anlegg av dette slaget er blitt bygd i Albuquerque i New Mexico, og hensikten er å undersøke hvilke økonomiske muligheter slike fullt utbygde kraftverk vil ha. En rekke speil fokuserer solstrålene mot et punkt på toppen av et 60 meter høyt «krafttårn». Hvert speil er litt over en kvadratmeter stort, og 25 av disse er montert i et kvadrat på en heliostat. Ettersom solen forandrer stilling på himmelen, må heliostaten sørge for at speilene følger solens bevegelser og holder den reflekterte strålen rettet mot målet. Det finnes 222 slike heliostater, som er plassert i en trekant nord for tårnet. Et dataanlegg styrer hver heliostat for seg og regulerer dem i samsvar med avstand og retning.
Når alle heliostatene fokuserer solstrålene mot tårnet, blir alt det sollys som faller på et åtte mål stort område, konsentrert mot en cirka 0,5 kvadratmeter stor flate. Varmen kan tilsvare varmen fra over 1000 soler eller nå en temperatur på 2300 grader celsius. Ved tidligere forsøk smeltet heliostatstråler hull i en stålplate i løpet av få sekunder.
Etter forsøk med en vannkjele i tårnet er det blitt planlagt å bygge et solkraftverk med en kapasitet på 10 000 kilowatt ved Barstow i California. Et slikt kraftverk kan kobles til samkjøringsnettet i den sørlige delen av California kanskje allerede i 1981.
Elektrisitet fra sollys
Andre forskere arbeider mot et mål på lengre sikt, nemlig å omforme sollys direkte til elektrisitet. Selve prinsippet er ikke nytt. Vi har i mange år gjort bruk av innretninger som er basert på den fotoelektriske effekt. En fotocelle i et kamera gir for eksempel opplysning om hva som er den rette blenderåpning i forhold til lysstyrken. Lyset produserer en svak elektrisk strøm, som beveger en nål på en tallskive. Å finne ut hvordan en ved hjelp av det samme prinsippet skal kunne produsere nok strøm til at den kan utnyttes til mer omfattende arbeid, er en kjempeoppgave, men resultatet kan bli til stor nytte.
Hvordan kan lys produsere elektrisitet i en fotocelle? Hemmeligheten ligger i bruken av et halvledende element. Et element som er en god leder, slik de fleste metaller er, har sine elektroner svært løst bundet til atomene. De beveger seg fritt og kan transportere strøm. I isolatorer er elektronene fast bundet i sine kretsløp og kan ikke bevege seg fritt. Halvlederne ligger mellom disse to; elektronene er bundet, men ikke så fast. Det skal bare en liten ytre påvirkning til for å få dem til å bevege seg.
Rent silisium er en dårlig leder. Men hvis det tilsettes litt forurensninger, blir det en mye bedre leder. Hvis for eksempel silisium tilsettes litt arsen, som har fem ytre elektroner, ett mer enn silisium, som har fire, oppstår det et overskudd av frie elektroner i krystallet. Litt bor, som bare har tre ytre elektroner, forårsaker et underskudd. De manglende elektroner kalles huller. Et elektron fra et naboatom kan lett «hoppe» ned i et slikt hull og derved selv etterlate seg et hull. Det virker som om hullene flytter seg, og det oppstår en strøm.
Det førstnevnte urene silisium kalles n-type silisium, fordi det har et overskudd av elektroner (negative). Det andre slaget kalles p-type silisium, fordi det har et overskudd av huller (positive). Hvis disse to typer silisium plasseres overfor hverandre, dannes det en np-overgang. Elektronene vil strømme i bare én retning og krysse denne overgangen. Dette er grunnlaget for transistoren, som på mange områder har erstattet de mye større vakuumrør eller elektronrør.
La oss si at vi legger sammen to lag silisium, et lag av n-typen og et lag av p-typen. I stedet for en transistor har vi nå en solcelle eller en fotospenningscelle. Hvis den utsettes for sollys, blir energien i fotonene, de elementærpartikler lysstråling består av, absorbert og tjener til å frigjøre elektronene fra silisiumatomene. Hvis de to sidene av cellen blir forbundet slik at det dannes en krets, vil elektronene fra n-siden strømme til p-siden. Denne elektriske strømmen kan utnyttes. Det er elektrisitet produsert av sollys.
Ikke all energien i sollyset kan gjenvinnes som elektrisitet. Energien i et foton varierer fra 1,5 til 3,0 elektronvolt, i likhet med en farge som kan variere fra rødt til fiolett. Men det skal bare omkring 1,0 elektronvolt til å frigjøre elektronet i silisiumkrystallet. Resten av energien går derfor tapt som varme. Den maksimale teoretiske virkningsgrad i en enkelt silisiumcelle er omkring 22 prosent. De mest effektive celler en hittil har fremstilt, har en virkningsgrad på 15 prosent. En håper at en ved å kombinere forskjellige typer halvledere i flere lag skal kunne oppnå å omdanne helt opp til 50 prosent av solenergien til elektrisitet.
Solcellenes anvendelse
Solcellene har allerede inntatt en viktig plass i den moderne teknologi. De er for eksempel blitt brukt i stor utstrekning som strømkilde i forskjellige typer romfartøyer, noe de egner seg spesielt godt til. På en romferd mellom planetene i et solsystem utsettes solcellene hele tiden for fullt sollys (i et kretsløp over halvparten av tiden). Det kommer ingen skyer i veien, og de blir ikke utsatt for regn eller vind. Omkostningene inngår i budsjettene for romforskning.
Vi finner derfor at et av de mest fremtredende trekk ved romlaboratoriet Skylab og ved Viking-romsondene, som ble sendt til Mars, var de store solcellepanelene de var utstyrt med. Solcellene har vist at de er pålitelige og holdbare. Kraftanlegget i en av Viking-sondene produserte fortsatt 600 watt elektrisitet to år etter at sonden hadde landet på Mars. Dets yteevne i forbindelse med en slik krevende oppgave taler absolutt til dets fordel. De omhyggelige forberedelser og enorme summer det koster å fremstille solceller med en slik perfekt yteevne, er det nok mulig å spandere på en Viking-sonde. Men omkostningene på det nåværende tidspunkt må reduseres til under en tjuendedel hvis det skal være økonomisk fordelaktig å benytte solceller til fremstilling av elektrisk energi på jorden. Dette kan kanskje gi inntrykk av at mulighetene for å produsere elektrisk kraft ved hjelp av solenergi ligger langt ute i framtiden, men de store nedskjæringer i utgiftene som vi har sett når det gjelder apparater med halvledende materialer, gir løfte om at det kan lykkes tidligere. I mange laboratorier arbeides det intenst for å finne fram til automatiske prosesser som kan gjøre solceller billigere. Begeistrede tilhengere av solkraft hevder at i år 2000 vil solen kunne forsyne De forente stater med 20 prosent av den kommersielle energien landet har behov for.
Det finnes et trekk ved solkraft som skiller den klart ut fra mange andre måter å produsere elektrisitet på. Den grunnleggende produksjonsenheten er et enkelt lite element. For å få mer kraft kobler en bare sammen flere elementer. Dette kan en ikke gjøre når elektrisitet skal produseres ved hjelp av damp. Det krever et stort anlegg å produsere billig kraft ved å brenne olje eller kull. Dette er også tilfelle når det gjelder kjernekraft, og det vil i høy grad være tilfelle når det gjelder fusjonskraft. Men elektrisitet fra solcellekraftverk ser ut til å kunne bli like billig fra små anlegg som fra store.
Dette kan få en til å spørre: Er det mulig å kvitte seg med de store kraftverkene som er så viktige i det nåværende system? Kanskje framtidens kraftverk vil bli et prosjekt for lokalsamfunnet eller til og med for avsidesliggende hus. Denne tanken foruroliger dem som har tilrettelagt produksjonen av elektrisitet i tilknytning til store regionale eller nasjonale kraftoverføringssystemer. Det er forståelig at industriledere som føler at deres store investeringer i det nåværende system er truet, kanskje ikke er så begeistret for å støtte en slik radikal omlegging. Noen hevder at hvis de ikke hadde vært så trege av seg, kunne solkraften utvikles mye raskere.
Det å produsere elektrisk kraft direkte ved hjelp av sollyset har tydeligvis mange fordeler. En slik produksjon vil være ren, støyfri og pålitelig. Det finnes ingen bevegelige deler, og det er ikke noe som kan bli utslitt. Det er enkelt å bruke den. Den forårsaker ingen forurensning. Energikilden er gratis, og den fornyes fra dag til dag. Det er derfor ikke så merkelig at tilhengere av solkraft krever at det blir gjort alle mulige anstrengelser for å utnytte solenergien snarest mulig.
[Uthevet tekst på side 6]
Solstrålingen på et cirka 40 kvadratkilometer stort område i Arizona overfører en energimengde som tilsvarer den energi som produseres ved alle elektriske kraftverk i USA
[Uthevet tekst på side 7]
Noen fordeler ved å produsere elektrisk kraft direkte ved hjelp av sollyset: Ingen forurensning, ingen støy og ingen deler som blir utslitt. Energikilden er gratis, og den fornyes fra dag til dag
[Ramme på side 8]
Solkraft fra rommet
Den mest utrolige idé med hensyn til hvordan en kan omforme sollys til elektrisk kraft, er som hentet ut av en science fiction film. Den går ut på at et stort antall solcellepaneler, som ville dekke et område på 50 kvadratkilometer, kunne settes sammen ute i rommet. Dette solcellekraftverk vil så bli brakt inn i en stasjonær bane ved ekvator 36 000 kilometer over jorden. Den kraften som ble produsert, ville bli overført ved hjelp av mikrobølger til en antenne på jorden. Denne antennen ville ha en diameter på ti kilometer. De fem millioner kilowatt som ville bli produsert, ville være nok til å dekke forbruket i byen New York. Forslaget har en åpenbar fordel framfor solkraftverk på jorden. Kraftverket i rommet kunne arbeide døgnet rundt, og overskyet vær ville ikke virke forstyrrende, verken i oppsamlingen av energi eller i overføringen ved hjelp av mikrobølger.
Men en slik kjempemessig konstruksjon ligger ikke innenfor rammen av den nåværende romfartsteknologi. Det ville koste milliarder av kroner å utvikle raketter og transportere materialer og arbeidsfolk ut i rommet. En lurer også på om spredningen av mikrobølger ville utgjøre en fare for folk som oppholdt seg i nærheten av mottagerstasjonen. Et annet spørsmål er hvilken innvirkning det kunne ha på ionosfæren og været og på radio og fjernsyn. Astronomene hevder at disse lysende gjenstandene på himmelhvelvingen vil sette en stopper for deres videre utforskning av rommet, ettersom de trenger en mørk himmelhvelving for å kunne drive sin forskning. Offentlige kraftselskaper vil kanskje stille seg positiv til denne planen, for du ville fortsatt være avhengig av deres kraftoverføringssystem.
Men hvis du kunne lagre energi til natten, ville du kanskje foretrekke å få solkraft ved at solen skinner på huset ditt, og derved unngå dette kompliserte prosjektet. Før satellitter med solcellekraftverk blir en realitet, vil du kanskje være i stand til å produsere nok solkraft til eget forbruk ved hjelp av solceller som ikke dekker mer enn tre kvadratmeter av taket på huset ditt.