Solcelleteknologien har de siste årene gått gjennom en utrolig teknologiutvikling og kostnadsreduksjon, og er allerede den billigste teknologien for kraftproduksjon mange steder i verden.
I polare strøk har solcellepaneler lenge blitt brukt for strøm til off-grid tekniske installasjoner som værstasjoner, fyrlykter og telekommunikasjonstårn. Det har vist seg som en svært driftssikker løsning. I tillegg har man fått øynene opp for bygningsmonterte anlegg hvor man dekker både tak og fasader med solcellepaneler. Dette har krevd lite tilpasning til polare klima og kan bidra til økt andel fornybar energi i polare bosetninger.
Men bygningsmonterte solkraftverk har sine begrensninger. Himmelretningen og vinklingen på panelene dikteres av byggets orientering og arkitektur, og ikke alle steder på et bygg får like god soleksponering. Det er også en naturlig størrelsesbegrensning, og montering av slike anlegg krever en grad av skreddersøm.
Derfor er det ønskelig å utforske mulighetene for større bakkemonterte solkraftverk i polare områder. Her kan systemet optimaliseres for energiproduksjon og størrelsen vil ikke være prisgitt tilgjengelige bygningsoverflater. Anlegget kan utvides over tid og man kan bruke teknologier som tosidige paneler og trackersystemer for å øke produksjonen.
Storskala bakkemonterte solkraftverk er stadig mer vanlig på sørligere breddegrader, men hva skjer om man bruker samme utforming i polare klima? Hvilke prinsipper for design av solkraftverk lar seg overføre fra læreboka og hvilke nye klimapåkjenninger må tas hensyn til?
Tosidige solcellepaneler gunstig på snø
Det var noe av bakgrunnen da NMBU (Norges miljø- og biovitenskapelige universitet) og UNIS (Universitetssenteret på Svalbard) gikk sammen for å installere et lite bakkemontert solkraftverk i Adventdalen ved Longyearbyen. Siden de klimatiske påkjenningene ville være annerledes, måtte det utvikles ny kunnskap for riktig design av slike installasjoner.
Ett av de største spørsmålene var knyttet til etablering av snøfonner i anlegget, så det ble et naturlig fokusområde for studiet. Hvordan snøfonner dannes avhenger mer av formen på solkraftverket enn materialet. Derfor ble det bygget et «mock-up» solkraftverk av treverk. Enkelt forklart består anlegget av fire rader med flater som vender mot solen i en gitt vinkel.
Også produksjonspotensialet var av interesse. Det eksisterer ingen bakkemonterte anlegg på tilsvarende breddegrader og en studie i ytelse er nytt for forskningsfeltet. Særlig interessant er potensialet for bruk av tosidige solcellepaneler. De kan utnytte den reflekterte strålingen fra bakken og er spesielt gunstig der snøen ligger lenge. Derfor ble det installert et solcellepanel som vendte mot himmelen og et som vendte mot bakken på anlegget. Anlegget ble designet i tråd med tradisjonelle prinsipper for design av solkraftverk og har en vinkel på 30 grader og panelflaten er hevet en meter over bakken.
Produserte mer enn beregningene
Kort tid etter at anlegget var montert i Adventdalen kunne man se at det begynte å dannes snøfonner på vindens leside. Snøfonnene økte gradvis i størrelse og ble på sitt største 1,8 meter høye og mer enn 50 meter lange.
Snøfonnene vokste ikke bare vekk fra, men også inn mot anlegget, hvor en rad etter hvert ble delvis begravd. Det vil åpenbart redusere kraftproduksjonen, men snøfonnene kan også skade modulene og stativene hvis de blir store nok.
Erfaringene viser altså at bakkemonterte solkraftverk i områder med mye snødriv, krever tilpasninger.
Kraftproduksjonen fra solcellepanelene ga mer oppløftende resultater. Panelet som var vendt mot himmelen produserte 5 prosent mer enn teoretiske produksjonsberegninger etter man har normalisert for forskjeller i innstrålingen. Det kan bety at de etablerte beregningsverktøyene for solkraft ikke er like nøyaktige i arktiske strøk som i sørlige strøk. Dette kan skyldes feil i strålingsspekter, temperatur eller andre ukjente forhold.
Vind, kulde og snø hadde positiv effekt
Solceller blir varme når de produserer strøm, noe som bidrar til lavere spenning og dermed lavere virkningsgrad for solcellene. I forsøket ble det kontinuerlig logget temperatur på solcellepanelet som viste seg å holde seg svært lav mens solcellene produserte strøm. Effekten av temperatur på strømproduksjon er selvfølgelig et kjent fenomen, men forsøket antyder at nedkjølingen av solcellepanelet i det vindutsatte klima gir økt ytelse og kan være undervurdert i simuleringene.
Solcellepanelet som var vendt mot bakken fikk en liten produksjonstopp midnatt om sommeren
Panelet som var vendt mot bakken produserte hele 37 prosent sammenlignet med panelet som vendte mot himmelen i perioden før snødekket smeltet. Etter at snødekket smeltet dalte produksjonen til 16 prosent. Det tydeliggjør det positive bidraget snødekket har på produksjonen til tosidige paneler. På steder hvor snøen ligger enda lengre enn i Adventdalen kan bruk av tosidige paneler være svært gunstig.
Et annet interessant fenomen var at solcellepanelet som var vendt mot bakken fikk en liten produksjonstopp midnatt om sommeren når sola står rett mot baksiden av anlegget. Polarsommeren kan dermed gi solkraft døgnet rundt.
Flere fordeler
Klimaet i polare områder har altså flere fordelaktige karakteristikker for solkraftproduksjon, men bakkemonterte solkraftverk i polare klima forutsetter at vi kan løse utfordringene som klimaet gir.
For å unngå snøfokk er snøgjerder til å avsette snøen før den kommer inn i anlegget en mye brukt løsning. Man kan også endre utformingen på selve anlegget, slik at snøen ikke samler seg, eller at man utformer anlegget for å avsette snø der man ønsker det.
Solkraftverk er fleksible i utformingen og det er mange forskjellige måter man kan tilpasse designet på, slik at man minker risikoen for snøfonndannelse på uønskede steder.
Spennende fremtid for polare solkraftverk
Det videre arbeidet ligger i å utforske hvordan utformingen av solkraftverk påvirker snøfonndannelsen, og hvilken strategi som er mest hensiktsmessig for å realisere økonomiske og miljømessig bærekraftige solkraftverk i polare klima.
Kunnskapen som utvikles gjennom forskningsprosjektet vil forhåpentligvis kunne bidra til at det etableres polare, bakkemonterte solkraftverk med høy ytelse, lave kostnader og liten risiko for at det tøffe klimaet reduserer anleggets levetid.
Polare solkraftverk kan være en relevant løsning for Longyearbyen hvor kullkraftverket utfases, og også for mange andre bosettinger i Arktis og Antarktis.
Disse dronene får belønning for å lære å finne klimagasser
