Fraunhoferi difraktsioon (0)

Päikesepatereide kasutamise võimalused Eesti tingimustes
Sissejuhatus: teema aktuaalsus
Tänapäeval tähtsamateks energia al ikateks maailmas on põlevmaared nagu  nafta , 
kivisüsi, maagaas jne. Eesti ei ole  erandiks  ning kõige kasutatavamad  kütused  on 
imporditud süsivesikud ning  Eestis kaevatud põlevkivi. Sel ine olukord rahuldas 
kõike kuni põlevmaarde leiukohad ei hakanud ammenduma ning hinnad kütuseks ja 
energiaks ei hakanud tõusma. Sel el põhjusel tähelepanu oli pöördud taastuvate 
energia allikate poole, need on: tuule-, päikese-, geotermaalne, bio- ja 
hürdoeneergia. Eelised taastuva energia kasutamisest on kahjuliku gaasiheidise 
vähenemine, nende piiramatus ja sõltumatus impordist. Kahjuks, mitte kõik nimetatud 
energia allikate kasutamine on võimalik kuna Eestis puuduvad tuntavad looded, 
geotermaalsed al ikad ning Eesti  territoorium  on lame ja seega hüdroelektrojaamade 
ehitamine on ka pole väga efektiivne. Ülejäänudest variantidest me pöördusime 
tähelepanu päikeseenergia poole, kuna fotoelementide kasutus kahekordustub iga 
aastaga, mis teeb fotoelementidest maailma kõige kiiremini kasvava 
energiatehnoloogia., ja meie töö eesmärgiks on  uurimine , kas on selle kasutamine 
Eesti tingimustes või mitte. (показать слайды с картами, до карты Европы)
Ajalugu 
Seni pole meil päikeseenergiast aga peaaegu üldse toodetud elektrit, kuigi 
võimalused sel eks on. Pooljuhtpäikeseenergeetika seadistes muundub 
päikesevalgus elektrienergiaks fotovoltefekti abil. Sel e avastas juba 1839. aastal 
prantsuse füüsik  Alexandre  Edmond  Becquerel . Ta märkas, et mõned materjalid olid 
suutelised valguse toimel andma nõrka elektrivoolu. Hiljem põhjendas fotoelektrilise 
efekti teoreetilist külge  Albert  Einstein, kes pälvis selle eest Nobeli füüsikaauhinna. 
Esimene päikesepatarei ehitati aga aastal 1954 Ameerika Ühendriikides Bel i 
laboratooriumis. 
Pooljuhtpäikeseenergeetika seadmete, päikesepaneelide abil saab elektrienergiaga 
varustada eriseadmeid ja/või anda energiat välisesse elektrivõrku. Arvestatavaid 
eeliseid on päikesepaneelidel omajagu: nende abil on elektrienergiat võimalik toota 
ilma kasvuhoonegaaside heiteta ning neid saab hõlpsasti ühitada muude 
taastumatute  ja taastuvate energiaal ikatega, ühtlasi saab paneele paindlikult 
rakendada mujalgi. Päikesepatareisid saab paigaldada ni  tarbekaupadesse kui ka 
ehitistesse, ühendada eraldiseisvate teisaldatavate või paiksete moodulitena ja 
suurtesse keskelektrijaamadesse. 
Mis see päikesepatarei on?
Iga päikesepatarei süda on aukjuhtivusega  pooljuhtmaterjal , mis neelab 
päikesekiirgust. Neeldumise tulemusena vabanevad selles  materjalis  muidu seotud 
olnud  laengukandjad  – elektronid ja augud. Et neid laengukandjaid saaks kasutada 
elektrienergia  tootmiseks, tuleb  esmalt  augud elektronidest eraldada. Kõige lihtsam 
on selleks kasutada teist, elektronjuhtivusega pooljuhtmaterjali kihti, mis koostöös 
päikesekiirgust neelava pooljuhiga moodustab omamoodi barjääri. See takistab  ühelt  
poolt aukude äravoolu ning  teisalt  soodustab elektronide libisemist 
elektronjuhtivusega pooljuhti. Sellise eraldamise tulemusena kogunevad vabastatud 
augud ja elektronid päikesepatarei erinevatesse aladesse ning nende omavaheline 
kokkupuude  on raskendatud. 90% tänapäeval toodetavatest päikesepatareidest on 
valmistatud kristal ilisest ränist. Pole veel leiutatud (ja  vaevalt  et kunagi leiutataksegi) 
tehnoloogiat, kuidas ülipuhast ränikristalli saaks odavamalt toota. Seetõttu 
püütaksegi kogu maailmas välja töötada uusi odavamaid tehnoloogiaid 
polükristalliliste õhukesekileliste päikesepatareide tootmiseks. Räni kõrvale on 
ilmunud ka teised perspektiivsed  pooljuhtmaterjalid  nagu CuInSe2 ja CdTe.
„Päikesepatarei koosneb kahest ränikihist erinevatega lisanditega ( boor  või fosfor; 
fosforil  on vaba  elektroonpaar , mida ta võib doneerida, aga booril on vaba 
elektroonorbital, kuhu ta võib elektrone vastu võtta). Ühes kihis  tekkivad  
vabaelektronid, aga teises nende puudus, ni  nimetatud augud. Kui patareile 
langevad valgusefotonid, algab elektronide li kumine ühest kihist teisesse, teisisõnu 
tekib elektrivool, mis  liikub  metalliliste  kanalite  kaudu akusse või elektritarbijale, ja 
pärast tagasi esialgsesse kihisse. Mida suurem on päikesepatarei pindala, seda 
võimsam see on, samuti võib ka ühendada mitu väikest  patareid , et suurendada 
nende võinsust. Päikesepatareid tavaliselt katab klaasikiht, mis kaitseb patareid 
mehaanilisest  ning väliskeskkonna mõjust.“
Päikeseenergia maailmas ja Eestis
Kogu maailmas toodeti 2011. aastal PV-paneelidega 0,5 % elektrienergiast 
(tippkoormuse ajal 1 %), Euroopas 2 % (4 %) 
Teatavasti on Saksamaa suurim päikeseenergia tootja maailmas, seal asub ca 50% 
kogu maailma päikeseelektrijaamadest.
Kui võrrelda  päikesepaneelide tootlikkust Eestis ja Saksamaal, siis aasta lõikes on 
see sama. Eestis on päikeseenergiat küll vähem, aga seda kompenseerib 
keskmisest madalam  õhutemperatuur , mis omakorda tõstab päikesepaneelide 
efekti vsust.
Eesti eripäraks on see, et talvekuudel langeb päikesepaneelide  tootlikkus  oluliselt 
ehk perioodil märts kuni oktoober toodavad päikesepaneelid pea 90% kogu 
aastasest energia kogusest.  Eestiga  sarnased kiirgusnäitajad on mitmes riigis - 
näiteks  Iirimaal , Suurbritannias, Belgias, Hol andis, Saksamaal,  Austrias ,  Taanis  ja 
Rootsis.
Praegu kasutatakse Eestis päikeseenergiat elektri tootmiseks peamiselt 
autonoomsetes süsteemides, kus talvekuudel on kompenseeritakse vähest 
päikseenergiat muude energiaallikatega, nagu näiteks  tuuleenergia  või elektri 
tootmine diiselgeneraatoriga.
Eesti suurim ja moodsaim päikeseelektrijaam asub Jüris, AS-i ABB 
madalpingeajamite tehase katusel. Jaam toodab aastas umbes 20 000 kWh 
elektrienergiat, millega kaetakse kogu tehase arvutipargi ja osa valgustuse 
energiatarbest. Päikeseenergia tootmisvõimsuste kasvu  oodatakse  lähiaastal (-
aastatel) tööd alustavast Baltimaade suurimast päikeseelektrijaamast Võrumaal, 
Keema  külas.
TTÜ ja päikesepatareid 
Eestis on tegelikult päikesepatareide uurimisega tegeldud juba päris mitu aastat. 
Võiks isegi öelda, et aastakümmet, sest Tallinna Tehnikaülikooli  materjaliteaduse  
instituudis alustati Cu2S-päikesepatareide  uurimist  juba eelmise sajandi 80ndatel 
aastatel. Edasi  jätkus  töö põhiliselt CuInSe2 ja CuInS2 baasil loodud 
päikesepatareidega, sest juba kolmkümmend aastat tagasi avastati, et mõnedel 
keerulistel kolmikühenditel on päikesepatareide valmistamiseks ülisobivaid omadusi. 
Selliste materjalide lipulaev on ühend CuInSe2 (vaskindiumseleni d, lühendatult 
CInSe), mis paistab silma ülisuure neeldumiskoefitsiendi poolest. Mida rohkem üks 
pooljuht päikesekiirgust neelab, seda õhemat kihti on vaja päikesepatarei jaoks ja 
seda odavamalt saab seda luua.
Hoolimata teadlasterühma väiksusest on TTÜs kümne aasta jooksul saavutatud 
arvestatav tase nii kolmikühendite  uurimisel  kui ka nende materjalide alusel 
päikesepatareide valmistamisel. On üsna meeldiv tõdeda, et TTÜs on välja töötatud 
täiesti uut tüüpi päikesepatareid, mille  tootmisest  tulevikus on huvitatud mitu maailma 
juhtivat suurettevõtet. Üsna pikaajaline koostöö on näiteks Euroopa ühe suurima 
klaasitootjaga Scheuten Glasgroep Hol andist, kes tõsimeeli püüab saada lähimas 
tulevikus ka Euroopa suurimaks päikesepatareide tootjaks.
Eesti teadlased on seega üpris pädevad ni  päikesepatareide väljatöötamise alal kui 
ka nende uurimise alal. Seetõttu on grupp meie füüsikuid lülitunud ka üleeuroopalise 
teadusprojektiga  PERFORMANCE , mil e eesmärk on juba toodetud 
päikesepaneelide katsetamine ning nende elektritootmise suutlikkuse pikaajaline 
ennustamine .
Pihustusmeetodil on tehnikaülikoolis valmistatud ja uuritud päikesepatarei kõigi 
komponentide (optilise akna kiht, puhverkiht, absorberkiht) omadusi. Kuigi  patarei  
omadused sõltuvad kõigist struktuuri komponentidest, on määrava tähtsusega 
absorberkiht. Lihtsustatult on pihustamisprotsess sel ine:  sobivate  lähteainete lahus 
pulveriseeritakse piiskadena eelkuumutatud alusplaadile. Kuumal alusel toimub 
lahuse komponentide või lahuses moodustunud uue lähteaine  termiline   lagunemine , 
mille käigus tekibki kile.
Praegune TTÜ-s olemasolev  tehnoloogia  võimaldab pihustamismeetodil valmistada 
kõik päikesepatarei  kihid  kokku 40 minutiga, kuid päikesepatarei efektiivsuse 
suurendamiseks  on vaja veel teha edasist teadustööd. 
Revolutsiooniline  päikesepatareide  tehnoloogia  TTÜ teadlastelt
Tallinnas ja Viinis (Austria) tegutsev täiesti uut tüüpi painduva päikesepatarei 
tehnoloogiat arendav ettevõte  Crystalsol  teatas, et on sõlminud uue 
investeerimiskokkuleppe kogusummas 8 miljonit eurot.
Crystalsol arendab täiesti uut tüüpi madalate tootmiskuludega päikesepatareisid, mis 
on hoonetesse integreeritavad ning pakuvad mitmekülgset eelist võrreldes hetkel 
maailmas kasutatavate päikesepatarei tehnoloogiatega. crystalsol´i 
revolutsioonilisteks tehnoloogiateks on esiteks ainulaadne valgust neelav 
materjalikiht, mis on valmistatud kristallilisest pooljuhtpulbrist ning teiseks 
tootmisprotsessina kasutatav roll-to-roll-meetod, mis tagab kõrge tootlikuse. 
Kristalliline pooljuhtpulber koosneb keskmiselt 40 µm suurustest monoteradest, mis 
on kinnitatud ühe kihina polümeerkilele.  Pulbri  koostisosadeks on vask,  tsink , tina, 
väävel ja  seleen  (CZTS-materjal), mis välistavad päikesepatareides tavapäraselt 
kasutatavate kallite ja haruldaste materjalide kasutamise (näiteks  indium  ja telluur).
Päikeseenergia hind
Päikese elektroenergia hind 1-ks KWh-ks on praegu umbes 0,25 eurot. 
Tasuvus:
+  akud  (показать слайд распределения по месяцам) Tootlikkus: 14 012 kWh 
aastas (üks inimene Eestis tarbib keskmiselt 4500 kWh aastas)
Päikesepatareide keskmine garanti  on 20 aastat, aga see võib töötada 35 aastani.
Prognoositakse, et aastaks 2020 elektri hind, mis on toodetud 
tööstuselektrijaamades landeb 0,1 euroni, ja 0,15 euroni elektriks, mis on toodetud 
elumaja päikesepaneelidega.
Päikesepatareid hakkavad end ära  tasuma
Kui seni kehtisid päikeseenergia kohta väited, et sel moel toodetud  elekter  on ülikal is 
ning patareide  tasuvusaeg  ületab nende  eluea , siis päikesepatareide uus põlvkond 
suudab end Kesk-Euroopa tingimustes tasa teenida kahe aastaga.
Peamiselt Euroopa päikeseenergia juhtriikide Saksamaa ja  Hispaania  ettevõtteid 
ning teadusasutusi koondav projekt CrystalClear teatas äsja, et on jõudnud 
päikesepaneelide efektiivsuses uue maailmarekordini: polükristalsest ränist 
päikesepaneelide kasutegur ulatus kuni 16,4 protsendini. Senine  rekord  oli USA 
Sandia laborites tehtud paneelide käes, mil e kasutegur oli suudetud viia 15,5 
protsendini.
Uue rekordi toel peab CrystalClear võimalikuks, et seeriatootmises on võimalik 
päikesepaneelide hind viia pi rini üks euro paneeli võimsuse ühe vati kohta. Veel 
aastal 2003 oli see näitaja 2,5 eurot. Kahekilovatine päikesepatarei maksaks sel 
juhul pisut üle 30 000 krooni.
Lõuna-Euroopas  tasuks  selline paneel end ära aastaga, Kesk-Euroopas kahe 
aastaga. Põhja-Euroopa kohta CrystalClear arvutusi ei paku.
Ligilähedaselt arvutades: keskmiselt paistab päike ööpäevas 12 tundi ning elektri 
hind on praegune Eesti kodutarbija päevane elektritariif, siis Eestis läheks sellise 
paneeli äratasumiseks aega pisut kauem kui kolm aastat.
CrystalCleari idee seisneb  kasutatava  polükristalse ränikihi  paksuses , see on vaid 
120-160 mikronit, praegu toodetavate paneelide puhul on see näitaja 180-200 
mikronit.
Siiski saab CrystalCleari puhul rääkida alles uuringutefaasi  lõpust , seeriatootmisse 
võivad uued  paneelid  jõuda viie kuni seitsme aastaga.
CrystalClear sai oma projekti 28 miljoni euro  suurusest  eelarvest rohkem kui poole 
(16 miljonit eurot) Euroopa Liidu teadusrahast.
Kui õnnestuks kinni püüda kogu päikeselt maapinnale jõudev energia, võiks 
pooleteise tunni päikesepaistega tagada maakera aastase energiavajaduse. Paraku 
kuulub selline idee ulme valdkonda.
Ekspertide hinnangul võib hetkel  tuumaenergia   arendamist  kindlalt vältiv Saksamaa 
selle sajandi keskpaigas toota neljandiku tarbitavast elektrist päikesepatareide abil.
Päikesepatareid vs Soojuskollektorid
Kollektorid  toodavad soojusenergiat otsese soojusülekande teel vedelikule. Võib 
öelda, et hetkel olemasolevate tehnoloogiatega on elektri tootmisel kasutegur 
märgatavalt madalam kui soojuskollektoritega süsteemidel. Näiteks ei ole mõistlik 
kasutada elektrit tootvat paneeli vee soojendamiseks, kuna päikesenergia 
ärakasutamise efektiivsus võrreldes soojustehnilise kollektoriga langeb sel juhul 
vähemalt 3 korda!  Sama suure pindalaga soojuskollektori tippvõimsus on umbes 6 
korda suurem elektrikol ektori vastavast näitajast. Ka eeldatav eluiga on patareidel 
lühem ja efekti vsuse langus aastatega kordades suurem kui soojuskollektoritel. 
Samuti on elektrisüsteemi hoolduskulud tõenäoliselt suuremad, kuna kasutatavaid 
akusid on vaja vahetada oluliselt sagedamini kui küttevee või tarbevee salvestit. 
Sellegipoolest soovitame päikesepatareisid kasutada, põhiliselt koduse valgustuse ja 
madalama energiatarbega olmetehnika kontekstis eeskätt majapidamistes, kus 
puudub või on ebakindel  elektrivarustus . Mõlemad päikesepüüdmise  tehnoloogiad  on 
igati "rohelised" ja selles mõttes alati tasuvad!
Eestis on praegusajal Päikese kiirgusenergiat ehk kõige enam kasutatud 
majapidamisvee soojendamiseks suvekuudel (april ist septembrini). Seda on 
rakendatud näiteks Vändra haiglas ja  Keila  SOS-lastekülas. Ilmselt üsna pea 
hakkavad päikeseenergiat sel moel kasutama ka kämpingud ja turismitalud, kus 
sooja vee  tarve  on üsna suur. 
Samuti ühajärve puhkekeskuse tarbevett hakkab kütma 400-ruutmeetrine 
päikesepark, mis hakkab  katma  10–15 protsenti puhkekeskuse energiavajadusest. 
Aga seda võimsust pole pi savalt vee soojendamiseks nõutud temperatuurini, mis on 
65 kraadi, ja seega päikesega soojendatud vett veel soojendatakse katlas.
Kokkuvõte
Tänapäeval päikeseenergia hind on liiga kõrge, aga kuna sellel energeetikaalal on 
suur potentsiaal, praegu ei ole otstarbekalt mitte luua suuri elektrijaamu, mis toodab 
kõrge hinnaga elektrit, vaid investeerida rohkem uuringutesse, mis mitu aastat pärast 
võimaldab meid toota päikeseenergiat konkurentsivõimelisuse hinnaga.
Allikad:
http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell
http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy
http://vetrodvig.ru/?p=2532
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solar_land_area.png?uselang=ru
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:SolarGIS-Solar-map-Europe-en.png ?
uselang=ru
http://www.youtube.com/watch?v=he_JjrXEfN0
http://www.renewablegreenenergypower.com/solar-panel-efficiency/
http://www.taastuvenergia.ee/paikeseenergia-eestis.html
http://veebiakadeemia.ee/puramiidi-tipus/uue-polve-paiksepatarei/
http://www.pv.ttu.ee
http://www.sunheat.ee