Elu päikeseenergial (0)

| 11
Tartu Ülikool
ELU PÄIKESEENERGIAL
referaat
Tartu 2012
Sisukord
Taastumatud ja taastuvad energiaressursid 3
Päikeseenergia 4
Päikeseenergia otsene kasutus 4
Passiivne päikeseküte 4
Fotoelektrilised süsteemid. 5
Päikesepaneelid 6
Päikeseenergia kaudne kasutus 6
Bioenergia 6
Mikrotuulegeneraatorid 8
Soojuspumbad 9
Kokkuvõte 10
Sissejuhatus
Iga päev langeb maale päikeselt energiakogus, millest maa-asukale jätkuks 27 aastaks.
Kasutame sellest ära vaid ühe protsendi. Kui inimesed kasutaksid ümbritsevat energiat keskkonna säästlikumalt, jätkuks ressursse ka kauemaks. Alternatiivseks energia ressursiks on taastuva energia (nt päikeseenergia) kasutamine. Kuid milleks saab taastuvenergiat kasutada? Mida hõlmab otseselt või kaudselt päikesekiirgust vahendavate taastuvenergiaallikate kasutamine?

Taastumatud ja taastuvad energiaressursid

Taastumatu energiaressurss ehk taastumatu energiaallikas on energiaressurss, mille kogus kasutamisel väheneb. Nende hulka kuuluvad fossiilkütuse liigid: kivi- ja pruunsüsi, nafta , maagaas, põlevkivi ja turvas . See on geoloogilises minevikus tekkinud biomass , mis on muundunud vormi, mida saab kütusena kasutada. Taastumatute energiaressursside hulka loetakse ka tuumakütus, sest kasutamise läbi väheneb selle allikas - uraanimaak (Remmelg, 2011a; Taastumatu energiaressurss, s.a.). Varud, mis on kujunenud miljonite aastate jooksul, ammendatakse järjest kasvava tarbimise tingimustes valdavas osas hinnanguliselt lähema 200 aasta jooksul. Sellepärast pööratakse praegu erilist tähelepanu taastuvate energiaallikate kasutusele võtule, et tulevikus ei tekiks energiapuudust (Remmelg, 2011a).
Taastuv energiaressurss ehk taastuv energiaallikas on energiaressurss, mida saab kasutada lakkamatult (nt loodete energia, laineteenergia, päikeseenergia, tuuleenergia, geotermaalenergia ), või mis taastub ökosüsteemi aineringete käigus (biomassi energia ja biokütus – puit, pilliroog, energiavõsa, suhkruroog jne), ilma et nende kogus inimkultuuri eksisteerimise ajamastaapi silmas pidades oluliselt kahaneks. Taastumine eeldab, et neid ressursse ei kasutataks rohkemal määral kui neid juurde tekib, st kui taastuva ressursi kasutamine pole ülemäärane, siis saab see olla sama intensiivusega püsiv nt tuhandete aastate jooksul (Kivinukk & Staak , 2008; Remmelg, 2011b; Taastuv energiaressurss, s.a.).
Taastuvate energiaallikate kasutamisega kaasneb vähene või minimaalne keskkonnamõju. Peamised neist on maastike ja elupaikade kahjustamine, müra ja visuaalne reostus. Tuuleparkide puhul on mõjutatud linnustik, veejõujaamade puhul kalastik. Taastuva energiakandja põletamisel vabanev süsinikdioksiid seotakse uuesti aineringes, mistõttu seda ei arvestata kasvuhoonegaasiheite hulka. Selliselt saab rahuldada energiavajadusi ja jätta järgnevatele põlvedele maailma, kus on tervem elukeskkond ja säilunud loodusressursse. Siiski, teatud juhul võib ka taastuvate energiaallikate kasutamine ökosüsteemile ohtlik olla, kui see toimub liiga intensiivselt ning juurdekasvu põhimõtteid arvestamata (Kivinukk & Staak, 2008; Remmelg, 2011b).

Päikeseenergia

Päikeseenergia on energia, mis on saadud päikesekiirguse energiast. Põhiliselt kasutatakse seda soojuse ja elektri tootmiseks. Päikeseenergia vabaneb Päikesel toimuvate termotuumareaktsioonide tulemusel. Päikesekiirgus on puhtaim ja mõjusaim energiaallikas (Remmelg, 2011b). Üldiselt võib taastuvenergia tehnoloogiad jaotada päikeseenergiat otseselt kasutavateks (päikesepaneelid, päikesepatareid, passiivenergia) ja päikest kaudselt kasutavateks taastuvenergiatehnoloogiateks (tuuleturbiinid, biomass, soojuspumbad jm) (Kivinukk & Staak, 2008).

Päikeseenergia otsene kasutus

Passiivne päikeseküte

Mõiste “passiivne päikeseküte” on kasutatav juhul, kui lühilaineline päikesekiirgus soojendab läbi akende hoonesse paistes selle siseosi. Isegi Eesti ilmastikus on ehitise aruka projekteerimise korral võimalik katta 25% selle kütmisvajadusest passiivse päikesekütte abil. Üks tähtsaid tegureid soojuskadude vähendamisel madala välistemperatuuriga aastaaegadel on akende hea soojusisolatsioon . Soodsat kombinatsiooni korraliku soojusisolatsiooni saavutamiseks kujutavad endast vaakumaknad ja läbipaistvad isolatsioonimaterjalid (Lehtveer, 2007).
Kui päikesevalgus langeb ehitisele, siis vastavalt materjali omadustele päikesekiirgus kas peegeldub, kandub edasi või neeldub. Päikese tekitatav soojus põhjustab õhu liikumist. Tagasipeegeldumine ehitistelt sõltub seina värvist: valged seinad peegeldavad soojust kõige enam. Nii näiteks on traditsioonilised ehitised Lõuna-Euroopas valged, et vähendada päikesekiirgusest tulenevat ülekuumenemist suvel; tume värvus peegeldab soojust vähem ja neelab rohkem. Selleks, et püüda rohkem soojust värvitakse Põhja-Euroopas majad sageli traditsiooniliselt tumedaks; soojus liigub maja soojemast osast külmemale. Passiivse päikeseenergia rakendamisel saavutab parima tulemuse juhul, kui kodu on projekteeritud või ehitatud hoonena, mille puhul on mõeldud päikeseenergia maksimaalsele ärakasutamisele talvel ja ülekuumenemise vältimisele suvel (Kivinukk & Staak, 2008).
Passiivse päikesekütte alla kuulub näiteks vaakumklaasimine, „arukad“ aknad, passiivne päikeseküte, päikeseküte päikeseruumi kasutamisega, päikesevalguse kasutamine (Lehtveer, 2007).

Fotoelektrilised süsteemid.

Fotoelektrilist tehnoloogiat kasutades on võimalik muundada päikesevalgus päikeseelementide abil otse elektriks. Kuna päikesevalgus hajub ühtlaselt, on võimalik igas ehitises tekitada päikeseenergiat kohapeal. Päikesekiirguse tugevus sõltub vahemaast, mis tuleb kiirgusel läbida Maa atmosfääris. Keskpäeval, kui päike asub kõige kõrgemal, on vahemaa lühim ja päikesekiirgus on sel ajal kõige intensiivsem. Päikese loojudes vahemaa pikeneb ja kiirguse intensiivsus väheneb. Samal ajal väheneb ka päikeseelementide tootlikkus – seega elektri tootmine ööpäeva jooksul varieerub (Kivinukk & Staak, 2008).
Laiuskraad määrab ära aastase päikesetundide arvu ning aastase päikesekiirguse hulga.
Päikeselisel päeval saab päikesekiirgust vastu võtta vahetult, kuid pilvisel päeval on kiirguse
vastuvõtmine piiratud, sest pilvedes olevad veepiisad hajutavad seda. Nii näiteks pärineb pool kogu Prantsusmaal aasta jooksul toodetud PV-elektrist otseselt päikesekiirtest ning teine pool hajuvalgusest, mis on olemas ka pilvisel päeval. Kiirgusteguri erinevus väga pilvise ja väga päikesepaistelise päeva vahel võib olla kuni kümnekordne (Kivinukk & Staak, 2008).
Fotoelektriline protsess tekib siis, kui päikesevalgus langeb pooljuhtmaterjali pinnale, kus muudetakse mõnede elektrilaenguga osakeste liikumist nende orbiidil aatomi tuuma ümber. Kui pooljuht on varustatud sobivate lisanditega, liiguvad elektrilaenguga osakesed
ühele pinnale, indutseerides elektrivoolu. Iga element tekitab väga väikese koguse elektrit. Tugevama elektrivoolu saamiseks ja elektrivõimsuse suurendamiseks ühendatakse elemendid kokku nii, et tekivad suured fotoelektrilised paneelid ehk moodulid. Kuna elemendid on väga õhukesed ja purunevad kergesti, ümbritsetakse nad ilmastikukindla materjaliga ning kaetakse läbipaistva ja tugeva klaasikihiga. Moodulid on tavaliselt ristkülikukujulised ning mõne millimeetri paksused. Neid on võimalik integreerida ehitusmaterjalidesse (katusekivid, tahvelkiltkivi või läbipaistvad raamid). Katus on päikeseelementide paigutamise jaoks kõige sobivam koht, kui ta on päikesekiirguse vastuvõtmiseks õige asetusega (Kivinukk & Staak, 2008).

Päikesepaneelid

Kuigi meie piirkond ei ole just kõige soodsam päikesekütte rakendamiseks, on seda võimalik kasutada suurema osa aastast, eelkõige kraanivee soojendamiseks. Hea päikeseküttesüsteem võib aastaringselt soojendada umbes poole vajalikust soojast veest ning tagada maja kütte 10–20% ulatuses. Suvekuudel võib see katta kogu sooja vee vajaduse. Päikesekollektorite tehnoloogia kindlustab kõrge kasuteguri , madalad investeerimiskulud ja töökindla süsteemi (Kivinukk & Staak, 2008).
Kuna tüüpiline kiirgust neelav paneel on kahe meetri pikkune ja ühe meetri laiune, on selliseid paneele kõige lihtsam püstitada maja katusele, juhul kui hoone asukoht on soodne ja
päikesekiirgus langeb katusele enamuse päevast. Kiirguskoguja peaks ideaalis olema paigaldatud suunaga lõunasse, optimaalne paigaldusnurk on asukoha laiuskraad pluss 15°. Seda on kerge saavutada lameda katuse puhul. Viilkatuse korral paigaldatakse kiirguskoguja tavaliselt paralleelselt katusega või uue ehitise korral võib see olla kohe osa katusest. Kui kiirguskoguja nurka on võimalik reguleerida, on optimaalne nurk suvel 30° ja talvel 70°, kuna päike on taevas madalamal. Hoone konstruktsioon peab olema selline, et see oleks võimeline taluma kiirguskoguja massi, vastasel juhul on vaja lisatoestust. Selle kontrollimise peab läbi viima paigaldaja (Kivinukk & Staak, 2008).

Päikeseenergia kaudne kasutus

Bioenergia

Bioenergia on biomassi või biomassisaaduste põletamisel saadud energia. Biomass koosneb kõikvõimalikust bioloogilisest materjalist - puidust, sõnnikust, põllumajandusjäätmetest -, selle saaduste hulka kuuluvad aga taimsed õlid, etanool ja anaeroobse lagunemise tulemusena tekkinud gaas . Kõige tavalisem on biomassi põletamine vahetult soojuse saamiseks, kuid biomassi saab kasutada ka kütusena elektrienergia tootmisel turbiinide abil (Kivinukk & Staak, 2008; Lehtveer, 2007).
Tänapäeval katab bioenergia 15% maailma energiavajadusest ja on poolele inimkonnast kõige tähtsam energiaallikas. Esikohal on bioenergia maailma kõige vaesemate inimeste jaoks, kes sõltuvad toiduvalmistamisel ja kodu soojendamisel puuküttest. Toidu küpsetamisel lahtisel tulle kasutatakse aga ära kõigest 5% küttepuude energiast ning seetõttu on paljudel puhkudel võimalik vähendada tulepuidu kogumiseks vajaliku töö mahtu tõhusa pliiditehnoloogia rakendamisega (Lehtveer, 2007).
Tahked vääristamata biokütused. Metsa- ja põllumajanduse kõrvalsaadustest - näiteks pehmest lehtpuidust, puude langetamis- ja harvendamisjäätmetest – saab selliseid vääristamata biokütuseid nagu küttepuit, laastud , puukoor ja põhk. Niisuguse toormaterjali töötlemine enne põletamist, mis leiab harilikult aset suuremates katlamajades, piirdub tavaliselt kuivatamise ja sobivas suuruses tükkideks hakkimisega. Kõige tähtsam näitaja tahkete biokütuste kütteväärtuse hindamisel on nende niiskusesisaldus (Lehtveer, 2007).
Tahked vääristatud biokütused. Puusöe, puidubriketi, puidugraanulite ja puidupulbri valmistamine tõstab küll kütuse hinda, kuid harilikult teevad selle eelised kuhjaga tasa (Lehtveer, 2007). Puusütt toodetakse sellise termokeemilise protsessi (pürolüüs) abil, milles lenduvad materjalid tõrjutakse kuumuse abil välja ja mille esmasaaduseks on gaasid (kerged süsivesinikud, CO, CO2 ja veeaur), õlid ( raskemad süsivesinikud ja tõrvad) ning puusüsi. Puusüsi põleb väga ühtlaselt ja väga vähese suitsuga ning seda kasutatakse paljudes maailma paikades toidu valmistamiseks ja metallurgias redutseerimisainena (Lehtveer, 2007).
Kui biomass pressitakse vähem kui 20 mm läbimõõduga kämpudeks, nimetatakse selliseid klotse graanuliteks. Graanulite standardläbimõõt on 6, 8 ja 12 mm. Graanuleid on küll lihtsam käsitseda kui briketti, kuid toormaterjalile esitatavad nõuded on rangemad. Graanulite puhul kasutatakse samasuguseid võtteid nagu kütteõliga töötamisel ja õlipõleteid on võimalik lihtsal viisil ümber ehitada, nii et nendega saaks põletada ka graanuleid. Seega võib üleminekut biograanulitele vaadelda vahepealse abinõuna CO2 heitmete vähendamisel (Lehtveer, 2007).
Vedelad biokütused. Fossiilsete vedelkütuste asendajaks võivad saada vedelbiokütused. Kõige tähtsam turg nende jaoks on transpordisektor , kuid teatud asjaoludel võib kütteõli väljavahetamine pakkuda huvi ka teistele majandusharudele. Vedelbiokütuseid on mitut liiki - alkoholid, taimsed ja loomsed õlid ning esterdatud õlid (Lehtveer, 2007).
Põllumajanduses, toiduainetetööstuses, reoveekäitluses ja jäätmete töötlemisel saab märja orgaanilise biomassi allutada anaeroobsele kääritamisele. Reoveemuda, sõnniku ja orgaaniliste jäätmete töötlemiseks on loodud mitut tüüpi reaktoreid (Lehtveer, 2007).
Biogaas. Anaeroobne kääritamine on mikroobne protsess, mille käigus süsivesikud lagundatakse CO2-ks ja CH4-ks. See on loomulik protsess, aga tänu reaktori kasutamisele on
võimalik reaktsioonisaadusi kokku koguda ja ära kasutada. Metaani osakaal võib sõltuvalt
reaktsiooni toimumise tingimustest kõikuda 40% ja 70% vahel, kuid tavaliselt on see 50%. Metaani kütteväärtus on enamasti ligikaudu 4 kWh/m3 (Lehtveer, 2007).
Prügilad ei ole mitte ainult ebameeldivad ja maad raiskavad rajatised, vaid eritavad
ka kasvuhoonegaasi metaani. Sellised gaasieritised lehkavad vastikult ja võivad iseenesest süttida. Gaasi saab aga ka aktiivselt välja pumbata või lihtsalt prügimäe alt torude kaudu välja juhtida. Gaas vabastatakse üleliigsest niiskusest, analüüsitakse automaatselt ja põletatakse ahjudes või tööstusseadmetes (Lehtveer, 2007).
Jäätmetest saadav bioenergia. Kodumajapidamistes ja tööstusettevõtetes tekkivate jäätmete mahu üha kasvav suurenemine on muutunud paljudes riikides järjest tõsisemaks keskkonnaprobleemiks. Jäätmeid võib vaadelda kui energiaressurssi, mis pakub koos traditsiooniliste taaskasutusmeetoditega välja lahenduse suurte prügilate tekke vältimiseks (Lehtveer, 2007).

Mikrotuulegeneraatorid

Kõige lihtsam tuuleveski koosneb masti otsas olevast generaatorist ja kolmest labast. Labade sihvakas kuju tuleneb nende aerodünaamilisest eripärast, kus tuule survejõud peab ületama liikumisel tekkiva õhutakistuse. Tuuliku labad on võlli kaudu kinnitatud generaatoriga (n-ö tagurpidi elektrimootoriga), mille südamiku (rootori) pöörlemise energia muutub elektrienergiaks. Kaasaegsed tuulegeneraatorid on erineva suurusega alates 1,5 meetrist, mida saab kasutada kodumajapidamises, ja lõpetades hiigelsuurte turbiinidega, mis on ühendatud otse elektrivõrku kas üksikult või mitmekaupa, moodustades tuulepargi.
Tuuleturbiin töötab vastupidiselt ventilaatorile. Selle asemel, et kasutada elektrit tuule tegemiseks ventilaatorilabade liikumise abil, kasutab turbiin tuult elektri tegemiseks. Kuigi me teame üldprintsiipi, et tuule surve lükkab rootori võlli külge kinnitatud labad liikuma, siis
tegelikkuses võetakse tööprotsessi alguses elektrivõrgust elektrit selleks, et anda mitmeid tonne kaaluvale rootorile see algne pöörlemiskiirus, mis on vajalik tuulejõu ja rootori pöörlemisinertsi tasakaalupunkti saavutamiseks. Alles siis, kui rootoril on vajalik kiirus saavutatud, lülitab tuuliku automaatika generaatori vastupidiselt tööle, nii et see enam mitte ei
võta võrgust elektrit, vaid hoopis annab seda võrku tagasi. Mida suuremaks paisub tuul, seda
kiiremini hakkavad labad pöörlema. Kuid selleks, et liiga kiire hoog labasid vurrina keerlema
ei paneks, on tuulikul, nagu ka autol, võlli üleandekiiruse kontrollimiseks käigukast, mis hoiab tuulikulabasid pidevalt ühtlases pöörlemiskiiruses. Tugeva, üle 10 m/s tuulega liiguvad labad ikka ühesuguse kiirusega, tänu käigukastile vurab generaatori rootor neljakordse kiirusega ja annab ka neli korda rohkem toodangut (Kivinukk & Staak, 2008).
Toodetud elekter juhitakse mööda edastamis- ja jaotusliine alajaama ja sealt edasi tarbijale. Turbiin kinnitatakse kõrgele tornile või postile, mis on piisavalt kõrged selleks, et tuul takistamatult ligi pääseks. Tuuliku juhtimisautomaatika pöörab tuulikulabad alati kõige tugevamate ja püsivamate tuulte suunas. Tuule suuna muutudes pöörab ka tuuleturbiin oma nina alati tuule poole ja tuule vaibudes või tugevnedes keeravad ka üksikud labad ennast ümber oma telje, et vastavalt vajadusele kas püüda rohkem tuult (on täiesti lapikult vastu tuult) või vastupidi – liiga tugeva tuule korral tekiks väiksem takistus (keeravad ennast kitsa servaga vastu tuult, et tuulik katki ei läheks). Suurtel turbiinidel on kogu ülemise osa (labade ja generaatori) pööramiseks suured mootorid ja labade ümber oma telje pööramiseks väikesed mootorid. Pisikestel mikroturbiinidel lahendatakse tuuldepööramine aga sabas asuva tuulelipuga (Kivinukk & Staak, 2008).
Parima tulemuse saavutamiseks peab tuulel olema takistamatu juurdepääs turbiinile. Puud, hooned ja künkad takistavad õhu liikumist ja/või põhjustavad turbulentsi. Niisuguste
takistuste läheduses toodetava elektrienergia hulk väheneb. Mõju avaldub kümneid meetreid
ülalpool takistusi, puudest ja majadest ees- ja külgsuunas ning sadu meetreid allatuult. Künkad võivad teatavatest suundadest puhuva tuule täielikult blokeerida, kõrvaldades sel moel olulise tuuleallika. Seetõttu on tähtis läbi mõelda, kuhu turbiin paigaldada, ning teha tuule kiiruse mõõtmised, et tuuleturbiini võimsust maksimaalselt ära kasutada. Selleks võib kuluda aasta. Enamik tuuleturbiine paigaldatakse avamaale, kus keskmine tuule kiirus on vähemalt 12 km/h (Kivinukk & Staak, 2008).

Soojuspumbad

Soojuspump on süsteem, mis ammutab soojusenergiat madalamast temperatuurist ja
siirdab selle kõrgemale temperatuurile. Soojusenergiat ammutatakse õhust, maa sisemusest,
ventileeritavast õhust või veest. Energia siirdatakse kompressortehnika ja soojusvahetite
abil meile kasulikuks soojuseks, millega köetakse ruume ja tarbevett. Soojuspumba
maakontuuris (maatoru, kollektor) ringlevat vedelikku soojendab pinnases salvestatud
päikeseenergia mõne kraadi võrra. Soojuspumba sees muundatakse need mõned kraadid
soojusvahetite ja kompressortehnika abil soojusenergiaks, mis siirdatakse edasi soojusjaotussüsteemi, kas siis põrandaküttetorudesse, radiaatoritesse või soojaveeboilerisse. Elektrienergiat on vaja üksnes kompressori ja tsirkulatsioonipumpade töös hoidmiseks. Ühe kilovati ostuenergiaga võime siirdada kütteks kaks kilovatti või enam looduslikku (tasuta) energiat, soojustegur võib ulatuda üle 300. Soojuspumbad võivad toimida ka vastupidi ja suvel ruume jahutada. Seega on ühe süsteemiga võimalik kütta või jahutada eluruume ning toota sooja tarbevett (Kivinukk & Staak, 2008).
Soojuspumbasüsteemi jaoks vajaminev taastuv soojusenergia hulk sõltub maja geograafilisest asukohast ja maja soojapidavusest. Mida soojem kliima, seda kõrgem on algtemperatuur ning seda tõhusam on soojuspumba töö. Kuldreegli kohaselt peaks pump olema nii suur, et toodaks 90% vajaminevast soojusenergiast. Väga külmadel päevadel tuleks kasutada lisakütteallikat, näiteks elektriradiaatorit või puuküttekaminat (Kivinukk & Staak, 2008).

Kokkuvõte

Selleks, et olla keskkonnasäästlikumad, tuleks kasutama hakata alternatiivseid energia ressursse. Taastuvenergiat võib kasutada kohalikul tasandil soojuse tootmiseks kortermajade kütmiseks, sooja tarbevee tootmiseks või üksikute hoonete energiaga varustamiseks. Otseselt või kaudselt päikesekiirgust vahendavate taastuvenergiaallikate kasutamine hõlmab viit peamist protsessi: päikesesoojuse neeldumine vee soojendamiseks (päikeseenergiaküte); päikesevalguse otsene muundamine elektriks (fotoelektrilised süsteemid või päikesepaneelid); õhuliikumise (tuule) muundamine elektriks (tuuleturbiinid); päikesevalguse muundamine toitaineteks, mis võimaldavad taimedel ja puudel kasvada (biomass); madalakraadise soojuse salvestamine maapõues ( maasoojuspumbad ) (Kivinukk & Staak, 2008).
Kasutatud kirjandus
Kivinukk, A., & Staak, M. (2008). Teistmoodi energia. Külastatud aadressil http://www.recestonia.ee/energia&kliima/Teistmoodi%20energia.pdf .
Krustok , J., & Mellikov, E. (2006). Päikeseenergeetikal on tulevikku ka Eestis. Külastatud aadressil http://www.loodusajakiri.ee/eesti_loodus/index.php?artikkel=1549 .
Lehtveer, U. ( Koost .). (2007). Taastuvenergia käsiraamat. Külastatud aadressil http://www.ecoprint.ee/juss/elf/raamat_low.pdf .
Remmelg, L. (2011a). Taastumatud energiaallikad . Külastatud aadressil http://www.bioneer.ee/eluviis/roheline_kontor/aid-10302/Taastumatud-energiaallikad .
Remmelg, L. (2011b). Millised on taastuvad energiaallikad? Külastatud aadressil http://www.bioneer.ee/eluviis/roheline_kontor/aid-10540/Millised-on-taastuvad-energiaallikad -.
Taastumatu energiaressurss. (s.a.). Külastatud aadressil http://et.wikipedia.org/wiki/Taastumatu_energiaressurss .
Taastuv energiaressurss. (s.a.). Külastatud aadressil http://et.wikipedia.org/wiki/Taastuv_energiaressurss .