Vanuit MyFundi

Alternatiewe energiebronne VII: Sonkrag

Opsomming

In hierdie artikel word 'n beknopte geskiedenis van die ontwikkeling van sonenergie gegee, asook 'n indringende blik op die chemiese en fisiese prosesse wat plaasvind binne 'n sonsel om lig na elektriese energie om te skakel. Die rigting van navorsing rakende en ontwikkeling van sonselle word ook kortliks bespreek, asook 'n paar sonkragprojekte wat tans in Suid-Afrika se landelike gebiede in werking is.

Die Kweekhuis, 'n omgewingsentrum by Joubert-park, Johannesburg, was een van die projekte wat vertoon is tydens die Wêreldberaad oor Volhoubare Ontwikkeling wat in 2002 in Suid-Afrika plaasgevind het. Sonenergie is 'n relatief goedkoop en doeltreffende alternatiewe energiebron. © Henner Frankenfeld / PictureNET Africa

Die idee dat sonenergie konvensionele fossielbrandstowwe as die energiehulpbron wat in al die planeet se kragbehoeftes sal voorsien, kan vervang, het 'n realistiese moontlikheid begin word eerder as 'n ideale wetenskaplike droom. Ontwikkelings in die soningenieurswese het die doeltreffendheid van sonpanele verbeter, en tegnologie het die installering en gebruik daarvan heelwat makliker as vantevore gemaak. As mens in ag neem dat die Son 'n konstante, kragtige bron van energie is, blyk die benutting van sonkrag-elektrisiteitsopwekkers in sonnige streke van die wêreld 'n verpligting of noodsaak eerder as 'n opsionele alternatief te wees.

Die intensiteit van die sonlig wat die Aarde se oppervlak tref, is gemiddeld in die omgewing van 1 000 W/m2 (Watt per vierkante meter). Om dit in perspektief te plaas: 'n Gewone koffiemasjien gebruik ongeveer 1 000 W (onthou dat 'n Watt = Joules per sekonde), so mens sou 'n 100 % doeltreffende sonpaneel van een vierkante meter groot benodig om 'n koffiemasjien van krag te voorsien! Die meeste sonpanele werk slegs teen 15 % doeltreffendheid, so tegnies gesproke sou mens slegs 'n PR (PC) en skerm met daardie hoeveelheid krag (dit is 150 W) in werking kan hou.

Agtergrond

Die eerste tekens van sonenergie-ontwikkeling het tydens die Industriële Revolusie (min of meer in die mid-1800's) plaasgevind, toe kommer jeens die gebruik van uitputbare natuurlike energiehulpbronne uitgespreek is. Ten spyte daarvan dat industrialisme en fossielbrandstofverbruik aan die orde van die dag was, is dit tog verbasend dat wetenskaplikes en ingenieurs selfs in daardie vroeë dae reeds die impak van meganisering op die omgewing bepeins het.

Die vanselfsprekende keuse op daardie tydstip was sonenergie, aangesien ander alternatiewe (soos golf- of geotermiese krag) nog nie ten volle deurdink was nie.

Ten tyde van die Eerste Wêreldoorlog het die ontwerpproses wetenskaplikes tot min of meer dieselfde ontwerpe wat vandag nog gebruik word, gelei. Dit was egter eers gedurende die 1970's, toe die wêreld onder die spanning van die "energiekrisis" gebuk gegaan het, dat die ontwikkeling en implementering van sonenergie-tegnologie met mening aangepak is. Die olieverbod van 1973 het die Amerikaanse regering genoop om die toedeling van fondse aan sonenergie-navorsing van $1-miljoen per jaar na $400-miljoen per jaar te verhoog!

In die afgelope paar dekades was daar 'n opswaai in nuwe ontwikkelings en verbeterings in die soningenieurswese, aangesien die mensdom hom begin wend het na alternatiewe en groen-energie-oplossings vir die energiekrisis wat deur die groeiende getalle uitgelok word.

Hoe sonselle werk

Sonselle staan ook bekend as fotovoltaïese selle en, soos die naam impliseer, is hulle selle wat lig (foto-) na elektrisiteit (-voltaïes) omskakel. 'n Groep fotovoltaïese selle wat as 'n eenheid aaneengeskakel is, word 'n module genoem.

Die selle word gemaak van 'n halfgeleidende materiaal, gewoonlik silikon, wat 'n spesifieke breukdeel van die lig wat daarop skyn, absorbeer. Na die ligdeeltjies wat die sel se oppervlak tref, word verwys as insidentfotone. Hulle word in werklikheid deur die elektrone in die silikon geabsorbeer.

Die fisiese proses waartydens fotone geabsorbeer word, al dan nie, is afhanklik van die hoeveelheid energie wat individuele fotone met hulle saamdra: 'n Foton benodig 'n minimum hoeveelheid energie (na verwys as 'n drempelenergie) om die elektron van die oppervlak af vry te stel, sodat dit 'n geleierelektron kan word. Indien die energie minder as hierdie drempel is, word die foton hervrygestel vanaf die oppervlak, tesame met van die hitte-energie. Die drempel is gewoonlik min of meer 1.2 eV (elektron-Volts) en slegs driekwart van die fotone wat van die Son af kom, bevat hierdie hoeveelheid of meer.

Noudat van die elektrone vry is om te beweeg, is dit nodig dat hulle 'georganiseer' word sodat 'n elektriese stroom geskep word. Metaalkontakte aan die bo- en onderpunte van die sel skep 'n elektriese veld wat die vrye elektrone forseer om in 'n bepaalde rigting te beweeg. As dít eers gebeur, kan die elektriese stroom op so 'n roete gestuur word dat dit benut kan word. Die watt-verbruik van 'n sonsel hang geheel en al van die omvang van hierdie stroom af, asook van dié van die elektriese veld.

Halfgeleier

Die halfgeleiermateriaal benodig 'n kristalvormige en 'n elektroniese struktuur om te verseker dat elektrone vrylik losgelaat word. Al is silikon die voorkeurelement, het dit een nadeel, naamlik dat slegs 'n paar elektrone vrygestel word wanneer hitte op die soliede kristal uitgeoefen word. Om dít te oorkom, word die silikon wat in sonselle gebruik word, 'gedoepa' (onsuiwer gemaak) deur middel van die inbring van ander elemente. Daar word dikwels van fosfor en boor gebruik gemaak in hierdie doepaproses, aangesien hul elektroniese struktuur veel meer bevorderlik vir die vrystelling van elektrone is.

Slegs een atoom of doepa-element per miljoen silikon-atome word benodig om die gewenste resultaat te verkry, aangesien die elektrone van die element wat ingebring is, veel minder energie benodig om uit die kristalvormige struktuur gewerp te word. Indien silikon gedoepa word met fosfor, word daar na die resultaat verwys as N-tipe silikon, terwyl P-tipe silikon voortgebring word indien boor toegevoeg word (waar "N" en "P" onderskeidelik op negatief en positief dui). N-tipe silikon is veel meer geleidend as normale silikon, aangesien daar veel meer vrye elektrone beskikbaar is. P-tipe silikon word daardeur gekenmerk dat dit oor veel meer elektrongate wat elektrone kan ontvang, beskik as gewone silikon.

Albei tipes silikon word (in aanraking) in die elektriese veld wat deur die sel geskep word, geplaas - in werklikheid sou die veld nie geskep kon word sonder aanraking tussen hierdie twee lae nie: By aanraking begin die ekstra elektrone by die raakvlak tussen die lae vanaf die N-tipe silikon die beskikbare gate in die P-tipe laag opvul. Dit maak dit moeiliker vir enige ander elektrone om die raakvlak oor te steek. Hierdie proses word voltooi wanneer ekwilibrium bereik word en die elektriese veld word geskep. Hierdie veld dwing elektrone om vanaf die N-tipe laag na die P-tipe laag te beweeg - en gevolglik beweeg elektrone slegs in een rigting.

Kragskepping

Die sonfotone wat die oppervlak van die halfgeleier tref, werp die elektrone wat uiteindelik die elektriese stroom vorm, uit. Aangesien die elektriese veld tot 'n potensiële verskil regoor die hele veld aanleiding gee, werk die twee bestanddele saam om die krag wat as 'sonkrag' bekend staan, te skep.

Sonselle absorbeer slegs ongeveer 15 % van die Son se energie, aangesien sonlig uit 'n verskeidenheid van energiefrekwensies (die elektromagnetiese spektrum) saamgestel is en slegs sigbare lig deur die selle geabsorbeer word. Die res (infrarooi, ultraviolet, mikrogolf, ens) word dus nie gebruik nie - derhalwe die swak doeltreffendheid. Ander faktore, soos die reflektiwiteit van die silikonmateriaal, verswak die doeltreffendheid van die sel nog verder. Dit is om hierdie rede dat die silikon voorsien word van 'n refleksiewerende laag wat weerkaatsing tot minder as 5 % verminder.

Die hele sel word laastens met 'n glasplaat bedek om die binnekant teen omgewingsfaktore te beskerm.

Sonenergie in die toekoms

Die fokus by die verdere ontwikkeling van sonenergie lê in die oorkoming van die probleem van sonverhitting in die nag of tydens die wintermaande wanneer dagligure beperk is. In eenvoudige stelsels (soos dié in gewone huise) kan 'n paar batterye ongebruikte energie opgaar, wat dan snags benut kan word. Op 'n groter skaal word permanente stoorstelsels egter benodig om energie vir langer tydperke te verskaf.

In hierdie stadium duur navorsing rakende fotovoltaïese selle voort in die strewe om superdoeltreffende sonkragopwekkers en reservoirs te vind om oortollige energie te stoor. Verdere navorsing oor en ontwikkeling van ander alternatiewe energiehulpbronne om saam met sonkrag gebruik te word, word ook tans onderneem. Hulpbronne wat wissel van geotermiese krag en hidro-elektriese krag tot golfkrag (sien afsonderlike artikels in die reeks "Alternatiewe energie") is moontlikhede in die volhoubare alternatiewe-energie-nywerheid.

Sonenergie in Suid-Afrika

Ten spyte daarvan dat Suid-Afrika een van die lande met van die hoogste vlakke van sonbestraling is, het nog relatief min op die gebied van sonkrag-elektrisiteitsopwekking plaasgevind. Wat wel gebeur het, het amper geheel en al staatgemaak op buitelandse befondsing vir projekte met landelike en arm gebiede as basis.

'n Sprekende voorbeeld is dié van die Nederlandse energiemaatskappy Nuon wat beloof het om 8 000 sonenergiestelsels aan KwaZulu-Natal te lewer en te installeer tussen 2004 en 2006. Nuon het kragte met die Suid-Afrikaanse energiemaatskappy Rural Area Power Solutions (Pty) Ltd (RAPS) saamgesnoer om NuRa te vorm in 'n poging om die installering en bestuur van hierdie stelsels te fasiliteer. Dit het gevolg op die Suid-Afrikaanse regering se aankondiging van 'n aansporingsplan wat (buite- of binnelandse) beleggers sou aanmoedig om in volhoubare energiestelsels vir landelike gebiede te belê.

Nog 'n Suid-Afrikaanse maatskappy wat op die voorfront van sonkrag is, is die Energy Development Corporation (EDC). EDC het twee vername sonenergieprojekte in Suid-Afrika geïmplementeer: Die Son-Water-Verhittingsprojek, en die Son-Koker-Projek. Eersgenoemde is ten dele befonds deur die UNDP, en is daarop gemik om elektrisiteitsonkostes te verminder, werksgeleenthede te bied en elektrisiteitsbehoeftebestuur te verbeter, terwyl hulle terselfdertyd op fossielbrandstofverbruik besnoei.

Die Son-Koker-Projek is ook ten dele deur die UNDP befonds, en was daarop gemik om die gebruik van sonkrag-oonde as kostedoeltreffende, veilige en omgewingsvriendelike kookmetodes te bevorder - 'n besonder nuttige hulpmiddel in 'n arm, landelike omgewing.

(Sien ook: "Alternatiewe energiebronne I: Inleiding" en "Internasionale sonkraggebruik".)

Back to Top