Solföljaren

Inledning

Hur skulle människan i dag klara sig utan el? Ektriciteten har blivit något vi giort oss beroende av. Någonting vi tar för givet. Två hål i väggen som vattenfall så självklart uttrycker sig i reklamen.

Men vad kommer att hända nu när kärnkraften avvecklas och miljömedvetenheten tursamt nog ökar hos allt fler?

Då jag inför det här examensarbetet funderade på vad jag skulle göra, var jag fast beluten att bygga något, eftersom elektronik och tekniska problemlösningar alltid varit ett stort intresse för mig.

Helst skulle det vara något som kunde vara användbart i vardagen på ett eller annat sätt, jag funderade omkring bankens övervakningskameror som inte särskilt ofta får med rånaren på bild, skulle en värmesökande kamera kunna vara något användbart.

Men då jag en dag satt och bläddrade i en uppslagsbok fick jag syn på en sida om solcellspaneler. Då jag började läsa stod det att solcellspalelerna ger högst uteffekt endast då solen befinner sig vinkelrätt mot cellerna.

Alla paneler man ser på taken är ju fast monterade. Vilket ger ett mycket lågt energiutbyte då solen inte befinner sig vinkeltätt mot panelen.

Varför inte använda en styrning till solpanelerna så de följer solen och alltid ger maximal uteffekt?

Utmaningen stod klar.

Solenergi

Solenergi utstrålar från solen med en totaleffekt som beräknats till 4*10 EE 23 KW. En mycket liten del därav 1,7*10 EE 14 KW når jorden så att intensiteten mot en yta vinkelrätt mot solstrålningen utanför atmosfären är 1,35 KW\kvadratmeter (solarkonstanten). Vid strålningens passage genom atmosfären sker en kraftig minskning av solenergi infallet genom absortion och reflektion. Som ett medelvärde gäller att 60% av den instrålade effekten når marken, d.v.s totalt 1,0*10 EE 14 KW. Svårigheten med att utnyttja solenergin hänger dels samman med att den förekommer i så utspädd form, dels att instrålningen ofta dåligt sammanfaller med behovet energi. Till detta kommer att omvandlingen till andra önskade energiformer kan vara kostsam och endast möjlig med låg verkningsgrad.

Solceller

Solceller omvandlar solljus direkt till elektricitet. Avsaknaden av rörliga delar innebär att livslängden för solceller blir mycket lång eftersom någon förslitning av ingående komponenter inte förekommer.

Solcellen består av en dopad halvledare, vanligen kisel i vilken fotoner från solen ger en spänning över en övergång mellan en p-ledande och en n-ledande halvledare, med åtföljande ström. På ensliga platser såsom i fjällvärlden, på öar där framdragning av el-ledningar blir kostsam, används solceller för elproduktion.

Inom områden dit elnätet når har solceller för närvarande svårt att konkurrera med andra elproduktionsmetoder på grund av kostnaden.

Hur ljus blir el

Ljusparticklarna i solljuset (fotonerna) 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 en väsentlig del till värme i cellmaterialet och kan ej nyttiggöras till elektrisk energi. Jag nämde tidigare om det så kallade bandgapet, vilket är ett energigap inom vilket elektronerna ej kan anta energitillstånd, det kallas i bland också för det förbjudna bandgapet. När en foton överför sin energi till en elektron, exiteras elektronen från ett tillstånd vid den undre kanten av bandgapet, det så kallade valensbandet (Ev), till ett tillstånd ovan den övre kanten av bandgapet, ledningsbandet (El). (B illustrerar detta).

Fotonen måste alltså ha en energi motsvarande minst bandgapet, annars förekommer överhuvudtaget ingen ljusabsortion i halvledaren, (A illustrerar detta).

En elektron som genom ljusabsortion exiterats till en energinivå långt över den övre kanten av bandgapet, kommer snabbt att förlora energi, i form av värme, tills den når ett tillstånd precis vid den övre bandgapskanten (C illustrerar detta).

En elektron som exiterats 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 exiterade elektroner kan röra sig fritt i halvledarmaterialet.

Ljusabsortion 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 så kallad pn-övergång. (en hopkoppling av halvledare av olika typ).

Verkningsgrad

Mängden el som solcellen producerar är proportionell mot solljusets intensitet och solens verkningsgrad. Typisk verkningskrad för den vanligast förekommande celltypen , kiselcellen är cirka 15%.

Vid en instrålning av 1000 W/kvadratmeter, vilket motsvarar klar sol, ger en 1 kvadratdecimeter stor solcell 1,5 W. Man brukar kalla detta att solcellen har 1,5 W toppeffekt (tw).

När ljusintensiteten sjunker till exempel vid mulen väderlek, sjunker i motsvarande grad också strömmen. Spänningen är relativt konstant, den minskar endast något. Se fig 3.

även temperaturen påverkar elenergeringen. Detta resulterar i att verkningsgraden minskar något vid ökande temperatur, vilket beror på att spänningen sjunker något vid ökande arbetstemperatur. I specifikationer för solceller och solcellsmoduler avges värdena vid cirka 25 grader celcius.

Som framgår av ström/spänning karaktäristiken i diagrammet ger en kiselcell ca 0,5V vilket är i minsta laget för att vara praktiskt användbart. Därför seriekopplar man lämpligt antal i en så kallad seriemodul. Kiselcellens verkningsgrad på 15 % tycker många att 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 långt från 100% beror faktiskt mest på solen.

Solljuset innehåller som bekant ett helt spektrum av våglängder. Solcellen är egentligen riktigt bra på en våglängd, nämligen den som motsvarar halvledarens så kallade bandgap. För sådant monokromt ljus kan verkningsgraden bli så hög som 60-70%.