ELU PÄIKESEENERGIAL (0)

Tartu Ülikool
Sotsiaal- ja Haridusteaduskond
ELU PÄIKESEENERGIAL
Referaat
Koostas: Sanna Helena Koger
KELA2 Bak AÜ
Juhendaja : Margit Teller
Tartu 2013
Sissejuhatus
Valisin referaadi teemaks „elu päikeseenergial“ seetõttu, et teatud mõttes puutun sellega kokku peaaegu iga päev. Nimelt töötan lasteasutuses, kus 2009 aasta juunis valmis Euroopa Liidu regionaalarengu fondi raha abil projekt "Valga lasteaia Kaseke hoone rekonstrueerimine energiasäästliku passiivmaja pilootprojektina". Projekti kogumaksumus oli 22,8 miljonit krooni, millest Euroopa Liidu toetus KOIT programmi kaudu oli 16,8 miljonit krooni ning 6 miljoni krooniga finantseeris töid Valga linn. Kütteenergiat kulub 10 korda vähem kui tavalises uues lasteaias ning küttevajadus väheneb vana amortiseerunud maja omaga võrreldes 15–16 korda. Katusele on paigaldatud suur päikeseküttel põhinev soojaveekollektor, kust tuleb põhiosa soojast tarbeveest, rühmades on spetsiaalsed nõudepesumasinad, mis kasutavad kollektorist saadavat vett. (Valga, 2009)
Energia ja elu Maal
Ligikaudu kolmandik Maale langevast päikese kiirguseset peegeldub ilmaruumi, ligi pool kulub atmosfääri ja merede soojendamiseks, ligi veerand haihtub ilmaruumi Maalt tagasi peegelduva infrapunase kiirgusena. Maa taimestik kasutab fotosünteesiks ära vaid 0,02 protsenti Maale langevast kiirgusest ja selle arvel on miljonite aastate vältel tekkinud fossiilsete kütuste varud, mida saab käsitleda keemiliselt salvestunud päikeseenergiana. ( Tomson , 2000)
Maal eksisteeriva elu seisukohast on energia ülitähtis. On oluline, et siia jõuaks piisavalt energiat, kuid mitte liiga palju. Päikeselt ja kosmosest Maale kanduvad energia- ja ka ainevood on Maa algusaegadel olnud oluliselt suuremad ning järk-järgult kahanenud. Ent tänapäevalgi on Maale jõudva energia hulk liiga suur ja oleks hukatuslik mitmetele eluvormidele.
Liigse energia eest kaitseb Maad atmosfäär , mis Päikeselt saabuva ultraviolettkiirguse neelajana takistab selle maale jõudmist, vastasel korral orgaanilised ja biomolekulid muunduksid ning laguneksid. Et peamine ultraviolettkiirgust neelav gaas Maa atmosfääris on osoon , siis on mõistlik, et inimkond on piiranud osooni lagundavate gaaside kasutamist.
Päikeselt saabub Maale peamiselt nähtav ja infrapunakiirgus. Mõningad Maa atmosfääri koostises olevad gaasid, eeskätt veeaur, metaan , lämmastikoksiid, osoon ning süsihappegaas neelavad infrapunakiirgust, mis põhjustab kliima soojenemist. Ilmekaim näide sellest on liustike ja mandrijää sulamine , millega võib kaasneda maailmamere taseme tõus, mis ohustab ulatuslike üleujutustega. Sõltuvalt ilmselt peamiselt päikeseenergia taseme kõikumisest võib Maa kliima ka jahtuda ja oluline osa mandritest kattuda jääkihiga. Kliima jahtumine kitsendab samuti inimkonnale sobilikke elupiirkondi ning keskkonna elukõlbulikuks muutmiseks tuleb kasutada energiat, globaalses mastaabis väga palju energiat. Kas inimkonnal on seda piisavalt ja milline on enim kasutatav energialiik? (Palumaa, 2012)
PÄIKE – suurim ja parim jõujaam maailmas!
Mõnikord on vanimad asjad ikka parimad, sest pikemalt kui päike ei taga meile keegi energiat, ja seejuures täiesti sõltumatult!
Ilma päikeseta on elu maal täiesti mõeldamatu. Järelikult on loomulik, et ta suudab ka meie energia vajaduse osaliselt katta . Päike annab maale kahe nädala jooksul rohkem energiat, kui kõik inimeste poolt kastutatavad fossiilsed küttevõimalused kokku. Parim selle juures on aga see, et energia on täiesti tasuta, ilma hinnamuutusteta, täiesti riskivaba , lõpmatu ! (Solex, 2008)
Päikeseenergia otsene kasutus
Passiivse päikeseenergia kasutamine majade ehitamisel ja arhitektuuris

• Helioarhitektuur e päikeseenergiast lähtuv arhitektuur
  

Helioarhitektuurina käsitletakse arhitekti võtteid päikeseenergia ärakasutamiseks või selle mõju vähendamiseks. Arhitektil on kaks ülesannet: tagada hoone esteetiline välimus ja tema asukate mugavus. Viimane oleneb temperatuurist, ventilatsioonist ja valgustusest. Arhitekti võimaluses on rida võimalusi:
Hoone asukoha ja asendi valik – üksiku hoone jaoks oleks põhjamaades sobiv asend künkliku maa lõunanõlv, paiknedes metsa suhtes nii, et see oleks tõke valitsevate tuulte eest.
Akende arvu, asendi ja konstruktsiooni valik. Lõunamaades, kus päike teeb liiga, peidetakse aknad seinaorvudesse; ehitatakse fassaadi suhtes nurga alla, või kaetakse petuseinaga, mis tõelisele majaseinale varju heidab. Põhjamaades oleks hea, kui akende paigutus oleks selline, et päike võimalikult pikalt (tumeda kattega ) põrandat soojendaks. Viimasel ajal kasutatakse suuremates ühiskondlikes hoonetes pealt klaaskatusega kaetud siseõuesid, kuhu avanevad ümber õue paiknevate tubade aknad. See võte lubab laiendada päevavalguse kasutamist.
Viimasel ajal on võetud kasutusele heliokollektorite demonstreerimine dekoratiivse elemendina maja välisilme kaunistamisel. Hea on dekoratiivsetel eesmärkidel kasutada vertikaalselt paiknevat helioseina, kaldasendis paigaldatud termilised heliokollektorid ja VP- paneelid tuleb jätta katusele. (Tomson, 2000)
Päikesesoojuse mõju on alati ajendanud inimesi projekteerima maju, kasutama ehitusmaterjale ja valima maja asukohta nii, et soojenemise ja jahtumise mõju oleks võimalik parimal viisil ära kasutada. Niisuguseid arhitektuuripõhimõtteid kasutati juba inimasustuste rajamisest alates, selle näiteid võib näha maal ja vanemates linnaosades. Näiteks Eesti vanadel taluhoonetel oli põhjaküljel kõige vähem aknaid või puudusid need seal üldse. Hoone põhjaküljele ei paigutatud kunagi välisust, sahver piirnes reeglina hoone põhjaseinaga jms.
Kui paikesevalgus langeb ehitisele, siis vastavalt materjali omadustele paikesekiirgus kas peegeldub, kandub edasi või neeldub. Paikese tekitatav soojus põhjustab ohu liikumist.

• Tagasipeegeldumine ehitistelt sõltub seina värvist:
  

• valged seinad peegeldavad soojust kõige enam. Nii näiteks on traditsioonilise ehitised Lõuna-Euroopas valged, et vahendada paikesekiirgusest tulenevat ülekuumenemist suvel;
• tume värvus peegeldab soojust vähem ja neelab rohkem. Selleks, et puuda rohkem soojust värvitakse Põhja-Euroopas majad sageli traditsiooniliselt tumedaks;
• soojus liigub maja soojemast osast kulmemale järgmiste protsesside kaudu:
• õhu liikumise kaudu siseruumis soojemast osast külmemasse või õhu liikumisega läbi avatud akende või uste. Traditsioonilised arhitektuurivormid kas soodustavad või pidurdavad soojusvoogusid, muutes üht või enamat nendest protsessidest.

• Passiivse paikeseenergia rakendamine kodus
  

Passiivse paikeseenergia rakendamine kodus sõltub kodu asukohast ja projektist.
• Parima tulemuse saavutab juhul, kui kodu on projekteeritud või ehitatud hoonena, mille puhul on mõeldud paikeseenergia maksimaalsele ärakasutamisele talvel ja ülekuumenemise vältimisele suvel.
• Loomuliku ventilatsiooni kaudu on võimalik ohutemperatuuri hoones alandada, kasutades niisuguseid meetodeid nagu loomulik ohuliikumine, ohutemperatuuri erinevus või korstnaefekt.
• Kuuma kuiva õhku võib jahutada ja niisutada väikeste üksteisest eemal asuvate purskkaevudega.
• Elutoad võiks planeerida maja lõuna- või laanepoolsele küljele, et talvist vahest paikesekiirgust võimalikult rohkem ära kasutada.
• Uste ja akende oige asukoht võimaldab majas loomuliku ventilatsiooni toimimist maja soojemate ja külmemate osade vahel.
• Lõunapoolsetesse seintesse neelduvad paikesekiired võimaldavad soojuse konduktsiooni läbi ehitise siseseinte.
• Valguse ülekanne läbi akna võimaldab infrapunastel kiirtel konvektsiooni abil toaõhku soojendada . Kui välisaknaklaas katta seestpoolt vastava peegeldava kihiga, peegelduvad infrapunased kiired tuppa tagasi ega lase soojusel hajuda.
• Passiivsete ehituselementide lisamine võimaldab paikesekiirguse peegeldamist või hajutamist, et vältida suvel päikesekiirgusest tingitud ülekuumenemist.
• Soojuse säilitamiseks on võimalik vahetada olemasolevad aknad ventilatsiooniavadega akende või peegelkihiga klaasidega akende vastu.
• Tuulutusavaga kahekordse akna vahele võib paigutada horisontaalse ribikardina ehk nn veneetsia kardina. Ühelt poolt on ribid värvitud mustaks, teiselt poolt valgeks, mis võimaldab soojusel sisse imbuda või tagasi peegelduda. Aknal on väljas- ja seespool avad, mille abil soe õhk pääseb tuppa või toast välja.
• Maja lõunapoolsele välisseinale on võimalik lisada klaasist paneel , et tekiks Trombe’i sein – must või tume sein, mis on asetatud maja välisseinast paar sentimeetrit eemale, nii et moodustub ohuvahe. Õhk ringleb loomulikul teel soojusvoogude põhimõttel. Nii tuulutusavadega aknaid kui Trombe’i seina on ideaalne ara kasutada külmadel päikesepaistelistel talvepäevadel.

• Veel soovitusi päikesekiirguse kasutamiseks kodus:
  

• Sobivad aknakatted aitavad hoida head sisekliimat. Sel moel välditakse suvel vajadust kasutada õhukonditsioneeri ja aidatakse talvel hoida soojust. Tähtis on paigaldada aknakatted nii, et need suunaksid päikesekiirguse ruumidesse ainult soovitud aastaajal.
• Maja lõunaküljes kasvav lehtpuu varjab lõunapoolsed aknad. Lehed annavad suvel varju, kuid langevad sügisel maha.
• Väljapoole akent võib paigaldada katted : see takistab suvel päikesevalguse langemist aknale ja hoiab talvel öösel soojust paremini majas.
• Ribikardinatega saab reguleerida valgust, lisaks peegeldavad need soojust. Ribikardinaid võib paigaldada horisontaalselt (nn veneetsia kardinad ) või vertikaalselt.
• Akende kohale paigaldatud sirmid varjavad otsese päikesekiirguse eest, kui päike on kõrgel taevas. Samal ajal laseb sirm päikesel sisse paista, kui päike on laskunud madalamale.
• Väljapoole paigaldatavat rulood saab tõmmata varikatusena välja või tagasi sisse, sõltuvalt päikesekiirguse peegeldamise vajadusest.
Passiivse päikeseenergia tehnoloogia parandab ruumis mugavustunnet, sest takistab päikesekiirguse soovimatut mõju. Loomuliku ventilatsiooni kasutamisel kujunevad ruumides ühtlasemad sisetemperatuurid, väheneb nn haige maja sündroomi tekke võimalus. (Teistmoodi energia. Tallinn, 2008)
Energiaallikad – päikesepaneelid – aktiivne päikeseenergia

• Päikeseelektri ajalugu
  

Otsene päikeseenergia kasutamine algab 7. saj e.m.a., mil tule süütamiseks kasutati suurendusklaasi ja nõguspeegleid.
Fotoelektrilise efekti avastas 1887. aastal Hinrich Rudolf Hertz . Efekti olemust selgitas Albert Einstein kvantfüüsika põhimõttel 1905. aastal. Selle töö eest omistati talle Nobeli füüsikapreemia 1921. aastal.
1876. aastal avastasid William Grylls ja Richard Evans Day, et seleeni abil on võimalik toota elektrit.
1883. aastal pani Ameerka leiutaja Carles Fritts esimesena kokku seleenil põhineva päikesepatarei .
1954. aastal Daryl Chapin jt arendasid Belli laboris ränist fotoelemendi (PV), loodi Ameerika Ühendriikide fotoelektri teooria. Tulemuseks esimene päikesepaneel, mis oli võimalik konventeerima päikeseenergiat elektriks nii, et seda saaks kasutada tegelikuks elektritootmiseks. Bell Telephone Labora suutis toota ränist päikesepaneeli, mille efektiivsus oli 6 protsenti.
1955. aastal alustas Western Electric päikeseelementidega (patareidega) varustatud seadmete jaemüüki. Esimesed tooted olid arvemasinad ja perfokaartide dekodeerijad.
Hoffman Elektronics jõudis 1959. aastal massiliselt toodetavate päikesepatareide puhul 10 protsendilise efektiivsuseni. Järgmisel aastal oli protsent 14.
1963. aastal paigaldas Jaapanis 242-vatise koguvõimsusega PV-paneelid teletornile, millest sai tollal maailma suurim päikeseenergiat kasutav objekt.
1970-ndatel aastatel hakati päikesepatareisid kasutama navigatsioonituledes, ruuporites, majakates, raudtee ülesõitudel ja kodumajapidamistes, kus tavaenergiavõrku ühendamine poleks end ära tasunud.
1982. aastal ehitas Paul MacCrady esimese päikeseenergiat kasutava lennuki (The Solar Callenger), millega ta lendas Prantsusmaalt üle kanali Inglismaale . Lennukil oli üle 16 000 PV-paneeli, mis olid asetatud lennuki tiibadele.
2000. aasta teisel poolel hakati CO2 emissiooni vähendamiseks toetama taastuvenergia tootmist ja kasutamist. Lõuna – Euroopas muutus massiliseks 30 kW võrguühendusega PV süsteemide lisamine hoonete katusele. Suurimaks päikeseenergia arendajaks sai Saksamaa.
Eesti esimene tõsiselt võetav PV elektri kasutaja oli Veeteede Amet, mis varustas 1990. aastate lõpus PV-paneelidega meremärke ja tuletorne.

• Kuidas valmib päikesepaneel?
  

Paneelide kallimaid komponente kohapeal ei toodeta, need tuuakse Lõuna-Koreast ja Taiwanist.

Robot joodab fotoelementide külge elektrit koguvad kontaktid ja ühendab elemendid omavahel ritta .

Valmis read asetatakse spetsiaalselt karastatud klaasile (see peab vastu pidama tugeva vihm - või rahesaju korral). Klaasi ja elementide vahel on polümeerkile.

Elementide read joodetakse kokku.

Paneelile asetatakse veel üks polümeerkile ja paksem kaitsekile.

Kiletatud paneelid lamineeritakse pressi all kokku.

Lõigatakse ära üle olevad polümeerkile osad.

Iga paneeli katsetatakse arvutis, jälgides, et paneel vastaks nõutud parameetritele. Paneelile paigutatakse vaid talle omane triipkood.

Paigaldatakse alumine raam ja ühenduskarp.

Paneel ongi töövalmis.
( Pinn , M.; Pinn, R.; Pinn, M., 2012)

• Päikesepaneelide kasutus ja liigid
  

PV ( photo voltaic)-paneelide tööpõhimõte seisneb pooljuhtide fotoerektriliste omaduste kasutamises, muundades päikeseenergia elektrienergiaks. PV-paneelid kujutavad endast omavahel ühendatud PV-elemente ühe metallraami sisse ja peegeldust vähendava pinnatöötlusega klaasiga. Suurem osa PV- materjalist on amorfne polükristall või monokristalliline räni, millest sõltub ka päikesepaneeli hind ja efektiivsus. Kristallilisest ränist päikesepaneelide kasutegur on suurem, kuid need on puhastusprotsessist tulenevalt kallimad. Mida efektiivsem paneel, seda väiksema pinna peab katma vajaliku energiakuguse saamiseks. Elektrienergiat tootvate päikesepaneelide liigid:

Monokristallilised päikesepaneelid – kõige efektiivsemad, kuid tootmise teeb kulukaks paneelis kasutatud suurte kristallidena toodetud räni. Kasutegur 11-18 protsenti.

Polükristallilised päikesepaneelid – väiksema kasutegurina, veidi odavamad; kasutataksesuurt hulka väikseid ränikristalle sisaldavaid elemente. Kasutegur jääb 15 protsendi juurde. (Ränil paiknevaid PV-paneele toodetakse Eestis alates 2000. aastast Soome firmas NAPS Solar tütarettevõttes NAPS Solar Estonia.)

Amorfse kilega päikesepaneele saab toota palju kiiremini, sest kile kantakse õhukese kihina otse erinevatele materjalidele ja neil pole kristallilist struktuuri. Seetõttu on nende kasutegur madalaim ja efektiivsus jääb vahemikku 3-11 protsenti. Neid päikesepaneele kasutatakse energiaküllaste piirkondade suurtes elektrijaamades suurtel pindadel. (Pinn jt, 2012)
Kõige lihtsam on kinnitada paneelid hoone lõunapoolsele viilkatusele. Eestis on optimaalne, aasta lõikes maksimaalse energiakoguse andev paneelide paigaldusnurk maapinna suhtes 40 kraadi. Samas on võimalik süsteemi efektiivsuse tõstmiseks võimalusel paneelide nurka muuta suvekuudeks 30-40 kraadise nurga alla ja talvekuudeks (nov-veebr) tõsta 90 kraadise nurga alla ( tootlikkus suureneb umbes 7 protsenti). Suurendamaks PV-paneelide võimsust, on võimalik kasutada ka päikese jälgimisseadet (Solar Tracer), mis liigutab moodulit vastavalt päikese liikumisele. Neid jagatakse ühe- ja kaheteljelisteks, millest viimased jälgivad täpsemalt päikese liikumist ja suurendavad paneelide aastast tootlikkust meie laiuskraadidel kuni 40 protsenti (detsembris 18 protsendist juuni 53 protsendini). Praeguseks kasutab Eestispäikeseelektrit sadakond majapidamist ja objekti. (Pinn jt, 2012)
Päikeseenergeetikal on tulevikku ka Eestis
Naftat ja muid fossiilseid energiavarusid ei jagu lõputult. Juba pikka aega on töötatud teiste võimaluste kallal: tuulejõud, veevool , biomass, Päikese kiirgusenergia . Viimasest on Eestis ehk juttu tehtud kõige vähem, kuid ka päikeseenergeetika võib tulevikus meile oluline olla.
Paljude ekspertide arusaamad tuleviku energeetikast viitavad ühel või teisel moel sellele, et lähiajal võiks elekter meie kodudesse jõuda päikesepatareide kaudu.
Samal ajal ei jõua elektrienergia juba praegusajal ligi kolmandikuni maa elanikkonnast.
Aastas Maale langeva Päikese kiirgusenergia hulk on tohutu: 178 000 TW. See arv ületab kogu inimkonna energiakulu samal ajavahemikul umbes 15 000 korda. Eesti-suurusele pindalale langenud energiast piisaks, et täielikult rahuldada maailma praegused vajadused. 
2030. aastaks peaks pooljuhtpäikeseenergeetika seadiste (päikesepaneelide) abil toodetud elektrienergia hõlmama umbes 4% maailma elektritoodangust ja aastaks 2040 ligi 10% (praegu hõlmab pooljuhtpäikeseenergeetika maailma elektritoodangust ligikaudu 0,01%). Et seda saavutada, piisab , kui pooljuhtpäikesepaneelide toodang püsiks tulevikus viimase viie aasta kasvutempos, s.o. umbes 40% lisa igal aastal.  Suurim päikesepatareide tootja on Jaapan, kus valmib ligikaudu 50% kogu maailma päikesepaneelidest. Suurim turg on Saksamaa, kus asub ligi 80% kogu Euroopas paigaldatud päikesepaneelidest. ( Krustok , J.; Mellikov, E., 2012)
Päikeseenergia kasutusvõimalused Eestis

• Päikese kiirgusenergiat ehk kõige enam kasutatud majapidamisvee soojendamiseks suvekuudel (aprillist septembrini). Seda on rakendatud näiteks Vändra haiglas ja Keila SOS-lastekülas.
  
• Maasse salvestatud päikeseenergia arvel on soojuspumba abil võimalik aasta ringi kütta elumaju – ka see kaudne päikeseküte on Eestis küllalt hästi levinud. Niiviisi tuleb soe majja näiteks Paldiski reisisadama terminalis, Rõuge põhikoolis ja Jägala kirikus. (Krustok jt, 2012)
  

Päikeseenergia kasutusvõimalustest üldisemas plaanis

• Pooljuhtpäikeseenergeetika seadmete, päikesepaneelide abil saab elektrienergiaga varustada eriseadmeid ja/või anda energiat välisesse elektrivõrku. Lauspilves päevadel on aga päikesepatareide tõhusus ja toodetav elektrienergia hulk suhteliselt väike.
  
• Päikesepatareisid saab paigaldada nii tarbekaupadesse kui ka ehitistesse ning suurtesse keskelektrijaamadesse. 
  
• Praegusajal on päikest püüda kallis sest paraku ei suuda me siinset kiirgusenergia varu täielikult ära kasutada: suvel paistab päike enamik osa päevast nii, et lõuna suunas orienteeritud päikesepaneel ei näe seda – päike paistab piltlikult öeldes selja tagant. Seetõttu tuleks päikesepatareidega kaetud pindala suurendada ligikaudu kaks korda.
  

Me pole nii rikkad, et suudaksime laialdaselt oma katuseid päikesepatareidega katta. Praeguste hindade puhul oleks katus niisama kallis kui maja. (Krustok jt, 2012)
Kasutatud kirjandus:

• Firma Solex, 2008. Tere tulemast säästva kütteenergia kodulehele. - http://www.solex.ee/
  
• Palumaa, P. 1/2012. Horisont - http://www.horisont.ee/node/1784
  
• Tallinn, 2008. Teistmoodi energia. - http://www.recestonia.ee/energia&kliima/Teistmoodi%20energia.pdf
  
• Lasteaed Kaseke koduleht . Valga, 2013. - http://kaseke.valga.ee/et/majast
  
• Tomson, T. 2000. Helioenergeetika.
  
• Pinn, M.; Pinn, R.; Pinn, M. Elekter päikesest ja tuulest.
  
• Krustok, J.; Mellikov, E. Eesti Loodus 2012/12 – Päikeseenergeetikal on tulevikku ka eestis.