Fagið

Nýting sólarorku til rafmagns- og varmaorkuframleiðslu

júl. 23, 2021 Fagið

Höfundar

Aron Óttarson
B.Sc. í vélaverkfræði.
Helstu málefni
Hafsteinn Helgason
Byggingaverkfræðingur M.Sc.
Helstu málefni
Ingvar Júlíus Baldursson
Rafmagnstæknifræðingur B.Sc.
Helstu málefni

Nýting sólarorku er hverfandi á norðlægum slóðum þó sólarljósið sé sterkt og birtan oft mikil. Hálendisskálar hérlendis eru margir og er raforka og orka til kyndingar yfirleitt framleidd með brennslu dísilolíu. Þessa olíu þarf að flytja á staðinn gjarnan á illförnum vegum, en því fylgir töluverð áhætta, bæði fyrir flutningsaðilann og umhverfið.

Á þessum slóðum er ekkert varaafl og því getur engin raf- eða varmaorkuframleiðsla átt sér stað án olíunnar með núverandi kerfi. Vetrarnotkun yfir helgar tíðkast í einhverjum þessara skála en meginnotkun skálana er yfir sumartímann þegar bjart er allan eða stóran hluta sólarhringsins. Allt bendir til þess að nýta megi sólarorku, bæði til raf- og varmaorkuframleiðslu, í meira mæli heldur en gert er.

Frá því að byrjað var að framleiða raforku með sólarsellum hefur kostnaður þess minnkað frá $76,67/watt árið 1977 niður í $0,37/watt árið 2017 [1]. Þessi lækkun á kostnaði stafar af stöðugri þróun og aukinni nýtni raforkuframleiðslunnar. Í dag hafa sólarpanelar á almennum markaði um 20% hámarksnýtni við raforkuframleiðslu, hluti orkunnar tapast við endurspeglun og geislun en mesta tapið, oft um 80% af heildarorkunni, tapast sem varmaorka út í umhverfið.

Gögn frá Veðurstofu Íslands sýna að meðalsólgeislun á höfuðborgarsvæðinu er um 150 W/m² frá apríl til september. Það má því gera ráð fyrir að um 2,9 kWh/m² tapist í formi varmaorku á hverjum degi yfir þetta tímabil.

Til þess að nýta varmaorkuna sem annars tapast út í umhverfið hafa verið framleiddir sólarpanelar útbúnir að innan með koparlögnum.

Varmaorkan sem myndast í sólarpanelnum hitar upp vökva í koparlögnunum. Þegar vökvinn hefur náð ákveðnu hitastigi er honum dælt úr sólarpanelunum eftir einangruðum lögnum í niðurgrafið og einangrað forðabúr. Þar flæðir vökvinn í gegnum koparlagnir sem liggja inni í forðabúrinu. Varmaorkan frá sólarpanelunum flyst í gegnum koparlagnirnar í vatnið í forðabúrinu þar sem orkan getur verið geymd. Einfölduð mynd af þessu kerfi er sýnd á mynd 1.

Sólarorka á norðlægum slóðum - rannsóknarverkefni EFLU Mynd 1. Einfölduð mynd af varmaorkukerfi byggt á sólarpanelum.

Varmaorkuframleiðslu nýtni sólarpanelana er um 60%, eða um 80% nýtni sólarorku í heild með raforkuframleiðslu samstundis. Nýta má í kringum 90% af uppsafnaðri varmaorku sumarsins yfir vetrarmánuðina til þess að létta á varmaorkuþörf hálendisskála [2].

Tilraunasólarorkuver á þakhæð

Til að kanna fýsileika þess að nýta sólarorku til raf- og varmaorkuframleiðslu á Íslandi var sett upp tilraunasólarorkuver á suðursvölum þakhæðar EFLU í Reykjavík sumarið 2019. Kerfið byggist á tveimur raðtengdum 260W einkristalla sólarpanelum með 16% raforku framleiðslunýtni, í þessum panelum eru koparlagnir sem hita upp vatns/glýkólblöndu sem flæðir frá sólarpanelunum og inn í gróðurhús þar sem varmaorkan er nýtt við gólfhitun áður en því er svo dælt aftur út í sólarpanelana.

Gróðurhúsið hýsir einnig mælibúnað sem mælir og sendir gögn um raf- og varmaorkuframleiðslu kerfisins í vefgátt, dælubúnað vökvans og ylplastvegg fylltan af pússningarsandi sem dregur í sig varmaorku frá sólgeislum sem falla á hann. Ylplast notað í verkefninu var styrkt af Fást ehf.

Sólarorka á norðlægum slóðum - rannsóknarverkefni EFLU Mynd 2. Gróðurhús og sólarpanelar á þaksvölum EFLU að Lynghálsi 4 í Reykjavík.

Mæling raf- og varmaorkuframleiðslu

Raforkuframleiðsla kerfisins er mæld með búnaði sem þróað var af sérfræðingum EFLU, á meðan varmaorkuframleiðslumælingar eru gerðar af búnaði sem fylgir sólarpanelunum. Á myndum 4 og 5 má sjá gröf sem sýna raforkuframleiðslu, varmaorkuframleiðslu og hitastig vatns í kerfinu yfir ágúst 2020 og febrúar 2021.

Hitastig vökvans í kerfinu er að ná reglulega yfir 30°C um miðjan mars, en þá mætti byrja að hita upp vatnsforðabúrið. Hámarkshitastig sem vökvinn nær hækkar svo með tímanum og nær hámarki um lok ágúst við rúmlega 70°C.

Yfir þetta tímabil var framleitt um 106 kWh/m² af varmaorku árið 2020, á sama tíma mældist raforkuframleiðslan um 23 kWh/m². Þetta samsvarar framleiðslu á um 0,63 kWh/m²/dag af varmaorku og um 0,14 kWh/m²/dag af raforku að meðaltali. Mynd 3 sýnir heildar orkuframleiðslu á fermeter frá miðjum mars til lok ágúst árið 2020.

Sólarorka á norðlægum slóðum - rannsóknarverkefni EFLU Mynd 3. Orka framleidd af tilraunakerfi eftir mánuðum 2020.

Nýting varmaorkunnar

Hluti ástæðunnar fyrir tilraunarsólarorkuversins var að athuga hvort hægt væri að nýta varmaorku framleiðslu sólarpanelana til húshitunar. Orkunotkun til húshitunar er háð ótal breytum: stærð húsnæðis, fjölda glugga, uppbyggingu hússins, staðsetningu og aldri hússins svo einhver séu nefnd. Forsendur Orkuspárnefndar reikna með að meðalorkuþörf íbúðarhúsnæði til kyndingar sé í kringum 60 kWh/m³ [3]. Sé þessi tala notuð fyrir hefðbundinn 80 m² sumarbústað með um 3 metra lofthæð þyrfti um 14,4 MWh af varmaorku. Til að ná þessari varmaorkuframleiðslu þyrfti um 130 m² af sólarpanelum (80 sólarpanelar). Ef einungis á að kynda rýmið þegar notkun er á skálanum, aðallega um helgar, lækkar þessi orkuþörf um rúmlega 70%, en þá þyrfti um 40 m² af sólarpanelum (um 25 sólarpanelar).

Um 40 m² af sólarpanelum þyrfti til að kynda
80 m² bústað sem er notaður um helgar.

Möguleiki á að nýta til upphitunar vatns

Erfitt er að anna eftirspurn húshitunar með slíkum sólarpanelum en önnur möguleg nýting varmaorkunnar er við upphitun vatns fyrir heita potta. Meðalstór heitur pottur, líkt og þeir sem tíðkast í sumarbústöðum, rúma um 1200 lítra af vatni. Upphitun á vatni frá 5°C upp í 40°C sem rúmar slíkan pott tekur um 49 kWh eða um 196 kWh á mánuði ef fylla á pottinn einu sinni hverja helgi. Til þess að ná því með góðu móti yfir allt sumarið þyrfti því um 13 m² af sólarpanelum, eða um 9 samskonar sólarpanela og notað er í tilraunaverkefninu.

Nýta mætti varmaorku til upphitunar vatns fyrir heita potta eða sturtuferðir.

Í hálendisskálum þar sem heitir pottar eru ekki endilega til staðar mætti nýta vatnið sem baðvatn fyrir sturtur en meðallöng sturtuferð þarfnast um 40 lítra af vatni, hver sturtuferð notar því um 1,7 kWh miðað við að baðvatnið sé við 40°C. Frá miðjum mars til ágústloka er framleidd nóg orka á hvern fermeter af sólarpanelum til þess að hita upp vatn fyrir um 10 sturtuferðir á hverjum mánuði yfir þetta tímabil.

Sólarorka á norðlægum slóðum - rannsóknarverkefni EFLU Mynd 4. Gögn um vatnshitastig, varma- og raforkuframleiðslu í ágúst 2021 (vantar 14-17 ágúst vegna endurbóta á kerfi)

Tækifæri til staðar á viðkvæmum landsvæðum

Það er nokkuð ljóst að ekki er hægt með góðu móti hægt að réttlæta kaup á um 80 sólarpanelum (um 130 m² af sólarpanelum) til þess að anna eftirspurn eftir húshitun í sumarbústað eða fjallaskála.

Hins vegar má vel huga að því að setja upp lítið raf- og varmaorkuver byggt á slíkum sólarpanelum í sumarbústöðum og fjallaskálum til þess að draga úr varmaorkuálagi á viðkvæmu landsvæði. Þessi varmaorka getur verið notuð til upphitunar á heitum pottum eða til baðvatns.

Varmaorkuframleiðslan er töluverð meiri en raforkuframleiðslan eins og sjá má á mynd 3 eða um 81% af framleiddri orku yfir það tímabil. Raforkuframleiðsla sólarorkuversins er lítil frá nóvember til mars, vísbendingar eru um að með því að bæta vindrafstöð við kerfið væri hægt að fá stöðugri raforkuframleiðslu, en það er annað rannsóknarverkefni.

Sólarorka á norðlægum slóðum - rannsóknarverkefni EFLU Mynd 5. Gögn um vatnshitastig, varma- og raforkuframleiðslu í febrúar 2021.

Þetta rannsóknarverkefni EFLU hlaut brautargengi frá Nýsköpunarsjóð námsmanna árið 2019 og var unnið af Aroni Óttarsyni undir handleiðslu Hafsteins Helgasonar og Ingvars J. Baldurssonar starfsmanna EFLU.