Denne kaffen skal gjøre solfangere langt mer energieffektive

En oppstartsbedrift som kommer ut av et miljø på Høgskolen på Vestlandet (HVL) har utviklet teknologi som skal gi høyere virkningsgrad fra solenergi på bygninger.

Løsningen er å bruke kaffe. Helt standard instant-kaffe som du finner i hyllene på en dagligvarebutikk.

Du må riktig nok gjøre noe med kaffen, men resultatet er solfangere med 25 prosent høyere virkningsgrad enn standardløsninger i dag.

Teknologien er utviklet av Boris Balakin, professor i termisk fysikk og flerfasestrømning ved HVL. Han og forskergruppen har jobbet med nanopartikler siden 2013.

Solfangere ser ofte ut som solcellepaneler, men produserer varme og ikke elektrisitet. Varmen brukes som regel til å varme opp vann, for eksempel i en varmtvannsbereder.

Balakin forklarer at virkningsgraden for kommersielle PV-paneler typisk er rundt 20 prosent. Vanlige solfangere kan ligge på rundt 50 prosent i Norge.

Tar opp sollys direkte

Utfordringen er at solfangere mister effektivitet når temperaturforskjellen mot omgivelsene øker. Jo varmere solfangeren er i forhold til lufta rundt, jo mer varme lekker ut. Da sitter man igjen med mindre energi.

Forskergruppen har derfor jobbet med såkalt direkte absorpsjon, der sollyset tas opp i selve væsken i stedet for i en metallabsorber.

– Når absorpsjonen skjer volumetrisk i væsken, får vi en jevnere temperaturfordeling. Det gjør at overflaten blir kaldere enn i en standard solfanger, og dermed reduseres varmetapet, sier han.

Alle solfangere varmer opp væske. Utfordringen er å lage en væske som tar opp solenergi effektivt uten å være giftig eller kostbar. Da brukes nanopartikler.

Vann tar i seg selv ikke opp sollys spesielt effektivt. I vanlige solfangere absorberer en svart metallplate sollyset og varmer opp væske indirekte på grunn av tvungen konveksjon. Med nanopartikler i væsken, kan den absorbere sollyset selv. Da skjer oppvarmingen i hele volumet, og ikke bare på en overflate.

Bryter ned pulverkaffe

I prinsippet får du bedre termiske egenskaper om nanopartiklene er laget av ulike metaller, men de er i mange tilfeller toksiske.

Løsningen ble å bruke instant-kaffe, altså pulverkaffe som løses i vann og brytes ned med ultralyd. Dette gir partikler i størrelsen 90 til 300 nanometer.

– Kaffe er noe vi drikker. Det betyr ikke at alt er ufarlig i nanoskalering, men det er mindre problematisk enn mange andre partikkeltyper, sier han.

Selv om væsken ser ut som vanlig kaffe, er det neppe lurt å drikke den. Det er tilsatt stoffer som hindrer at partiklene klumper seg, og glykol som reduserer fordamping.

Partiklene må være i nanostørrelse, ellers vil de synke og klumpe seg. Da holdes de svevende i væsken, slik at den kan brukes i rør og pumper over tid. Samtidig blir absorpsjonen av solenergien jevn gjennom hele volumet.

Væsken absorberer

I en vanlig solfanger varmes en svart metallplate opp av sollyset, før varmen overføres til væske i rør under. I løsningen fra HVL er det i stedet væsken som absorberer mesteparten av sollyset.

I den første prototypen ble nanofluidet holdt bak en gjennomsiktig front slik at sollys kunne trenge inn og varme væsken direkte. Det ga ifølge Balakin rundt 25 prosent høyere virkningsgrad.

Men konstruksjonen viste seg å være komplisert å bygge, blant annet fordi væsken måtte holdes tett inne bak den store transparente flaten. Derfor har de gått videre med en enklere løsning de kaller Solar Skin.

De lar et tynt sjikt av væske strømme over en overflate, fordelt med en dyse. Sjiktet er bare én til tre millimeter tykt, og absorberer sollyset direkte mens det renner over flaten.

– Da slipper vi mye av kompleksiteten med å kapsle inn væsken. Samtidig kan vi fortsatt hente ut varmen effektivt, sier Balakin.

Dette åpner for å kombinere strøm- og varmeproduksjon med solceller. Det kan gjøres ved å justere mengden nanopartikler i væsken, og gjøre at den slipper mer lys gjennom til solcellene. Væskestrømmen kan også stanses dersom man ønsker maksimal strømproduksjon.

Skal testes i Førde

Så langt er teknologien testet i prototyper, både utendørs og i laboratoriet. Om vinteren har forskerne brukt lamper for å simulere sollys innendørs.

Neste steg er testing i større skala. Forskningsrådet støtter et verifiseringsprosjekt med to pilotanlegg, i Førde og Storbritannia. Prosjektet har også fått støtte fra Innovasjon Norge.

– Det viktigste nå er å vise at dette fungerer i praksis, at det kan installeres og brukes av andre, og at det faktisk gir lavere energibruk fra nettet, sier Balakin.

Teknologien skal kommersialiseres gjennom oppstartsselskapet Direct Beam Technology, som forskerne har etablert sammen med partnere fra næringsliv og innovasjonsmiljøer.

Mål om billigere solfangere

Balakin anslår at dagens solfangere koster rundt 5000 kroner per kvadratmeter i Norge. Målet er å komme betydelig lavere.

– Basert på det vi ser nå, tror vi det er mulig å komme ned mot 3000 kroner per kvadratmeter. Men det må bekreftes når vi får produksjon i større skala, sier han.

Han understreker at det fortsatt er flere spørsmål som må besvares før teknologien kan tas i bruk i større omfang, blant annet knyttet til levetid og drift over tid.

– Vi har gode resultater fra prototyper, men nå må vi bevise at dette fungerer stabilt over flere år, sier Balakin.