När det talas om solkraft och solcellsteknik finns ett stort fokus på att öka verkningsgraden i hur mycket av energiinstrålningen vid optimala omständigheter, som själva cellerna kan ta upp. Det finns teoretiska maxima, och varför är verkningsgraden så viktig, när det räcker med 0.3% av jordens yta för att förse mänskligheten med hela sitt förädlade energibehov via solen?
 |
| Solkraftpark med solföljare vid E18 utanför Västerås. |
Solenergi har ett antal förluster inbyggda i systemet. Det första är förstås atmosfären, som tar upp en del av energin, som ligger på runt 1350 W/m2 utanför atmosfären. När man anger verkningsgraden på solkraft brukar man istället schablonmässigt räkna med att solcellerna står i en vinkel på 48.2 grader, vilket innebär att solljuset passerar en sträcka på 1.5x atmosfärens tjocklek. Detta leder i sin tur till en normaliserad solinstrålning på 1000 W/m2 vid denna vinkel mot solen. Det innebär förstås att en helt plant installerad solcell vid ekvatorn på höst- eller vårsolståndet har större solinstrålning än detta, men detta är alltså schablonen som räknas mot. 1000 W/m2 är också en snygg siffra.
Naturligtvis blir denna nominella solenergi lägre när vinkeln mot solen inte är perfekt och solen står på en punkt där mer av atmosfären ligger mellan solkraftanläggningen och solen.
Solceller har ett bandgap inom vilka spektrumfrekvenser de verkar, vilket gör att man får spektrumförluster. Har en foton för låg energi för bandgapet passerar den rakt igenom och kan inte ge ifrån sig sin energi.Och har den för hög energi kan den inte heller nyttjas. Teoretiskt optimalt blir minst 48% energiförluster på grund av detta.
Ytterligare minst sju procentenheter försvinner på svartkroppstrålning, vilket också varierar med temperaturen. Detta är anledningen till att solceller ger mindre energi vid högre temperaturer, en fördel för solenergi på våra breddgrader.
Därtill finns rekombinationsförluster, vilket kräver en större förklaring av fysiken bakom den fotoelektriska effekten,. När det gäller kisel blir under optimala omständigheter förlusterna ytterligare 10 procentenheter.
Sammanslaget kallas dessa minsta möjliga förluster för Schokley-Queissiers gräns. Under optimala omständigheter kan solceller ge 33.7% i verkningsgrad. I laboratorier har verkningsgraden nått 26% och det finns kommersiella solceller med en verkningsgrad över 20%.
Dock tillkommer ytterligare förluster, eftersom solcellerna måste installeras som en del av ett system, som solpaneler. De behöver skydd mot vädrets makter, vilket betyder att man får reflextans mot solapanelens glas, glas som också tar upp en del av solenergin som värme, och därtill är inte produktionen av solceller helt perfekt.
Det går dock att komma runt delar av Schokley.-Queisseier. Man kan stapla två solceller med olika bandgap ovanpå varandra och nå teoretisk högsta verkningsgrad på 42%. Detta kallas tandemceller. När antalet olika staplade bandgap går mot oändligheten kan man teoretiskt nå 68% i verknignsgrad. Sedan finns det ett antal andra teoretiska tekniker, som photon upconversion, hot carrier injection, och fluoresence downconversion, samt förstås alternativa solcellsmaterial, som inte är baserade på den billiga och ur mänskligt perspektiv oändliga tillgången av kisel ("sand"). Dessa alternativa tekniker är inte konkurrenskraftiga eller stabila idag.
Den solinstrålning som sker på 0.3% av jordens yta räcker för att ge mänskligheten all den förädlade energi vi använder idag. Sahara täcker 6% av jordens yta. Sverige har lite sämre solinstrålning och här skulle 0.8% av landarealen krävas, eller 400 m2 per person. En tvåbarnsfamilj med en villatomt på 1200 m2 skulle alltså kunna vara självförsörjande på hela sitt energibehov, inklusive det man köper in som varor och tjänster från resten av samhället, och inklusive all uppvärmning och alla transporter om solkraften kunde konverteras till detta.
Det som skulle krävas för svensk del är att belägga en yta lite större än Gotland med solceller, fast naturligtvis utspritt över landet nära behoven.
I världen i snitt behövs 50 m2 per person vid aktuell förbrukning av förädlad energi, vilken förstås inte ligger på svensk nivå på de flesta platser. Både på grund av levnadsstandard, men också på grund av breddgraden med tillhörande klimat, samt transportavstånd på dessa av nödvändighet glest befolkade breddgrader.
Varför är då solcellers verkningsgrad så viktig? Vi har uppenbarligen inte brist på utrymme?
Solceller och solpaneler i sig har blivit så billigt idag att en mycket stor del av solkraftens kostnad handlar om installationskostnader eller om man så vill arbetskraftskostnader. De senare är som bekant bland de högsta i världen här i Sverige.
Kan man alltså dubbla verkningsgraden halverar man installationskostnaderna. Det krävs lika mycket arbete, men man installerar dubbelt så mycket solenergi. När över 50% av kostnaden är installationen, så är det där snarare än på priset på solpanelerna man kan göra de största effektiviseringarna.
Min egen solkraftanläggning installerades på mindre än en dag, oräknat ställningsbygget och rivandet av byggnadsställningarna och inkopplingen av anläggning, vilket bara tog någon timme när elektriker var på plats. Arbetet var mycket effektivt, men är nog svårt att effektivisera mycket mer. Bättre då att få effektivare solceller och mer effekt från samma yta och samma arbetsinsats.
Så vad hindrar ett hushåll från att maximera mängden solceller på fastigheten? Ett problem är nätkostnaderna. Har man som de flesta idag 16A i huvudsäkringar, så kan man maximalt ha 16*3*230=11 kW installerat. Själv har jag 20A, och kan därmed installera knappt 14 kW, eller nästan 3x dagens installation på 4.76 kWp.
Därefter får man en smäll i skallen i högre nätavgift från elnätägaren, när man måste säkra upp huvudsäkringen. Detta gör tyvärr att ekonomin i en större anläggning går förlorad, där allt eller det mesta av den ekonomiska vinsten går till nätägarens avgifter.
Solenergi är naturligtvis inte en möjlig lösning för hela världens energibehov, i synnerhet inte på våra breddgrader, där man inte bara måste ta hänsyn till att solen trots allt bara skiner delar av dygnet, och därtill när vi behöver minst energi under sommarhalvåret. I Sverige är dock lagring möjlig genom att låta vatten vara kvar i våra vattenkraftmagasin, som dock kan behöva byggas ut, vilket aldrig skulle gå igenom miljöklagomålen, om de inte ska användas sommartid.
För det skattebetalande hushållet är solkraft lönsamt i Sverige idag, trots de höga arbetskraftskostnaderna, men svårare att räkna hem som ren solkraftproducent. Sverige och Norden har dock låga elpriser när man tar bort skatterna, och solkraft har nått grid parity i större delen av världen. Det finns inte heller några praktiska begränsningar i tillgången till kisel, utan begränsningarna blir snarare kring kablar och kopplingar i koppar, aluminium eller silver.