Päikeseenergia (0)

SISUKORD

SISUKORD 1
Sissejuhatus 2
1. Päikeseenergia kasutamine 3
1.1. Elektrienergia 4
1.2. Soojusenergia 4
1.3. Päikese energeetilise ressursi hindamise algeeldused 5
2. Päikeseenergia mõju keskkonnale 6
2.2. Maa kasutus 6
2.3. Vee kasutus 6
2.4. Ohtlikud materjalid 7
2.5. Globaalne soojenemine 7
3. Päikeseenergia tootmine 8
3.1. Päikeseenergia ja elekter 8
3.2. Päikesekiirguse liigid 8
3.2. Kuidas päikesepaneel toodab elektrit. 9
3.3. Päikeseenergia tootmine Eestis. 9
4. Päikeseenergia tehniline pool 10
5. Päikeseenergia plussid ja miinused 12
Kokkuvõte 13
Viidatud allikate loetelu 14

Sissejuhatus

Päikeseenergia on energia, mis on saadud päikesekiirguse energiast. Põhiliselt kasutatakse seda soojuse ja elektri tootmiseks aga ka loomulikus valgustuses.

1. Päikeseenergia kasutamine

Päikeseenergia kasutamise all mõeldakse enamasti päikesekiirguse kasutamist

• soojusenergia või
  
• elektrienergia tootmiseks.
  

Päikesekiirgust iseloomustab perioodilisus ja juhuslikkus: summaarne päikesekiirgus selgel ning pilvisel suvepäeval võib Eestis kordades erineda. Sealjuures oleneb reaalselt soojus - või elektrienergiaks muundatav ressurss suuresti:

• geograafilisest asukohast ning
  
• kohalikest klimaatilistest tingimustest.
  

Kuivõrd Eesti territoorium on suhteliselt väike, siis jaguneb päikese energeetiline ressurss suhteliselt ühtlaselt (suurimaks erinevuseks ~10 %).
Joonis 1. Päikese energeetilise resursi jagunemine

1.1. Elektrienergia

Elektrienergia tootmisel tuleb arvestada:

• tarbitava elektrienergia koguse ning
  
• tipukoormuse katmiseks vaja mineva tootmisvõimsusega.
  

Keskkonnateabe keskuse andmetel on ligikaudu 3462 km2 rohumaast metsastunud ja metsastumas. Sellest 1/5...1/4 oleks tõenäoliselt kasutatav PV paneelide (photovoltaic) paigaldamiseks. Sealjuures saab arvestada, et elektri transport kaugele toimub väiksemate kadudega kui soojuse puhul. Võttes arvesse ka maa-ala katvusteguri (50...60 %), siis tuleb maksimaalseks PV-paneeli pindalaks 400...500 km2.
Enamkasutatavate ränil baseeruvate PV paneelide 1 m2 annab tipuvõimsust 150 W ja toodab optimaalse paigutuse korral aastas 130 kWh elektrienergiat. 400 km2 pindalaga paneelid toodaks seega aastas 52 TWh elektrit.
Siinjuures tuleb arvestada, et suvisel ajal on sellise süsteemi elektrienergia toodang suurem, kui Eestis elektritarbimine (Eesti suvine baaskoormus on ~450 MW). Suvise koormuse katmiseks suvel vaja ainult 3 km2 (aastatoodanguks 390 GWh). Talvel on seevastu sõltuvalt kaldenurgast vaja baaskoormuse katmiseks 200...500 km2 suurust PV paneelide pindala. Kuivõrd talvine tipukoormus on 4...5 korda suurem, tegelikult vaja minevaks pindalaks on kuni 2500 km2.

1.2. Soojusenergia

Päikese abil soojusenergia tootmisel tuleb arvestada, et transportimise kaod on soojusenergia transportimise korral tunduvalt suuremad kui elektrienergia puhul.
Eestis linnade ja asulate alune pindala kokku on ~800 km2 so ~1,8 %. Tootmiseks kasutatava pinna osakaal sellest võiks hoonete katuste ja fassaadide kasutamise korral olla eeldatavalt 1/10...1/8. See pind oleks mõistlik kasutada kollektoritega sooja tootmiseks (maksimaalselt 100 km2 - numbri täpsustamiseks oleks vaja teada kontorihoonete ja elamute katuste kogupinda). Praktiliselt jääks kasutatav pindala siiski vahemikku 1...2 km2 kanti mis võimaldaks aastas toota kuni 3000 TJ soojusenergiat.

1.3. Päikese energeetilise ressursi hindamise algeeldused

Päikese energeetilise ressursi hindamisel lähtuti järgmistest algeeldustest:
Päikesekiirgus Eesti pinnale on ~1000 kWh/m2/a.

Enamkasutatavate ränil baseeruvate PV paneelide 1 m2 annab tipuvõimsust 150 W ja toodab optimaalse paigutuse korral aastas 130 kWh elektrienergiat.

Päikesepaneelidega on aastaks 2050 kaetud 45 km2 (ehk 4500 ha, ehk 45 000 000 m2).

Maa-ala katvustegur on 50...60%

2. Päikeseenergia mõju keskkonnale

Päikeseenergia on üldiselt väga hea keskkonnale. Selle tootmisega ei teki õhusaastet ja see ei soodusta globaalse soojenemise arengut.
Küll aga on mõningaid aspekte päikeseenergia tootmisest ja kasutamisest, mis vähesel määral siiski keskkonda mõjutab.
On olemas kaks suuremat tehnoloogia kategooriat päikeseenergia tootmisel, mida arvesse võtta keskkonna mõjul: fotogalvaanilised elemendid (päikeseelemendid) ja suured päikese soojuselektrijaamad.

2.2. Maa kasutus

Suurte päikesepaneelide paigaldamine võtab ruumi. Päikesepaneele paigaldatakse suurtele aladele ning ka päikese soojuselektrijaamad on massiivsed ning võtavad ruumi. Siinjuures tuntakse muret maapinna kahjustamise üle ning samuti ka sealse elustiku/elupaiga kaotamise üle.
Kui tuulegeneraatorid saab paigutada aladele, mis on ühtlasi ka kasutuses põllumajanduslikel eesmärkidel, siis päikesepaneelidega asi nii lihtne pole. Need võtavad märksa rohkem ruumi, mistõttu minimaliseeritakse väärtusliku maa kasutust ebaväärtusliku maa kasutamisega, st püütakse paigutada päikesepaneele ja soojuselektrijaamu kasutuskõlbatutele aladele (miiniväljad, alad, kus loodus ei kasva jne). Väiksemad paneelid, mis on mõeldud elu- ja ärihoonetele, paigaldatakse nende hoonete katustele, et mitte raisata maa-alasid.

2.3. Vee kasutus

Päikeseenergias elektri saamisel ei kasutata vett. Küll aga läheb vett tarvis osade päikeseelementide komponentide tootmiseks.
Suurtel päikese soojuselektrijaamadel on jahutussüsteemid, mis põhinevad veel. Sellised päikese soojuselektrijaamad, mis kasutavad veepõhist jahutussüsteemi, kasutavad ära umbes 600-650 gallonit vett mW/h elektri tootmise kohta. Kuivjahutussüsteemid aga suudavad vähendada vee tarbimist ca 90%. Küll aga tulenevad sellest omad miinused. Sellised vee säästmissüsteemid on kallimad ning vähema efektiivsusega.

2.4. Ohtlikud materjalid

Päikeseelementide tootmises käib läbi palju ohtlikke materjale, mis enamasti kasutatakse pooljuhtide pindade puhastamisel. Need kemikaalid on soolhape, väävelhape , lämmastikhape, vesinikfluoriid, 1,1,1-trikloroetaan ja atsetoon .
On ka vahe selles, millest neid päikeseelemente tehakse. Õhukesekileliste elementide tootmises kasutatakse palju rohkem kemikaale kui traditsiooniliste silikoonist päikeseelementide tootmises. Nende kemikaalide alla kuuluvad.
Kui neid toksilisi materjale ei käidelda korrektselt, siis võivad need üpriski ohtlikuks nii keskkonnale kui ka inimestele osutuda.

2.5. Globaalne soojenemine

Kuigi päikeseenergiast elektri genereerimine ei põhjusta globaalset soojenemist, siis näiteks tootmine, materjalide vedu, installatsioon, hooldus ja demonteerimine võivad seda küll tekitada mingil määral.1

3. Päikeseenergia tootmine

3.1. Päikeseenergia ja elekter

17. sajandil kirjeldati esmakordselt elektrienergiat ka teaduslikult, ning alates sellest ajast on inimkonna elektrienergia kasutamine jõudsalt kasvanud.
Seni pole meil päikeseenergiast aga peaaegu üldse toodetud elektrit, kuigi võimalused selleks on. Pooljuhtpäikeseenergeetika seadistes muundub päikesevalgus elektrienergiaks fotovoltefekti abil. Selle 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 Belli laboratooriumis.

3.2. Päikesekiirguse liigid

Päikesekiirguse, mida kasutavad päikesepaneelid elektri tootmiseks, saab jagada kolme klassi: otsekiirgus, hajuskiirgus ja maapinnalt peegelduv kiirgus.
Otsekiirgus on paralleelsete kiirtena leviv päikesekiirgus, mis jõuab maapinnani siis, kui taevas on pilvitu. Otsekiirgus annab kõige enam energiat, mille maksimaalseks püüdmiseks kasutatakse ka ühe- või kaheteljelisi päikest järgivaid ajameid (tracking system). Otsekiirgust esineb Eestis kõige enam saartel ja Põhja-Eestis. Lõuna-Eestis on pilvisust enam ja seega päikesepaneelide tootlikkus mõnevõrra väiksem.
Hajuskiirgus e difuusne kiirgus tekib pilvede või udu mõjul, aga ka õhusaaste on hajuskiirguse tekkimise põhjuseks. Hajuskiirguse puhul ei ole üldjuhul vahet, mis ilmakaarde paneelid suunatud on, energia tootlikkus jääb samaks. Seda seletab lihtne asjaolu, et pilvise ilmaga ei teki objektist varju. Kuigi difuusne päikesekiirgus on oluliselt väiksema energiaga kui otsekiirgus, siis ikkagi on see arvestatav elektri tootmisel päikeseenergiast. Praktilised mõõtmised näitavad, et pilves ilmaga on paneelide tootlikkus ca 7 korda väiksem võrreldes otsekiirgusega.
Kolmas liik on maapinnalt peegelduv päikesekiirgus. Eesti puhul on täiesti arvestatav lume pinnalt peegelduv päike. Näiteks veebruaris keskpäevase päikesepaistelise ilmaga näitasid mõõtmistulemused Tallinna lähiümbruses otsekiirguseks 850W/m2, aga 80-85° nurga all maapinna suhtes, kus hakkas mõju avaldama ka lumepinnalt peegelduv päikesevalgus, näitas kiirgusemõõtja 900W/m2.2

3.2. Kuidas päikesepaneel toodab elektrit.

Päikesepaneelis toimub valgusenergia muundamine elektrienergiaks fotogalvaanilise efekti abil, milles elektromagnetkiirguse osakesed tabavad päikesepaneeli ja neelduvad pooljuhtmaterjalis, näiteks ränis. Elektronid lüüakse oma  aatomitest välja, põhjustades elektrilise potentsiaali erinevuse. Elektronid hakkavad liikuma läbi materjali, tekitades elektrit. Päikesepaneelid toodavad päikesekiirgusest alalisvoolu, mida saab kasutada seadmete toiteks või patareide laadimiseks. Ühendades süsteemi inverteri saab alalisvoolust hõlpsasti tekitada vahelduvvoolu, mis on tänapäeval levinud ülekandevõrkudes.
Päikeseenergia on ainus taastuv, tasuta tarbitav ja sisuliselt ammendamatu Maal kättesaadav energialiik.

3.3. Päikeseenergia tootmine Eestis.

Suvel 40 kraadise nurga all ja talvel 60 kraadise nurga all lõunasuunas Eestisse paigaldatud päikesepaneeli energiatootlikkus on enam-vähem sama tõhus kui Saksamaal, mistõttu müüt, et Eestis ei ole energia tootmiseks piisavalt päikest, ei vasta tõele. Päikesepaneel ei vaja energiatootmiseks otsest päikest vaid  piisab ka valguskiirguse olemasolust.
Päikesepaneeli tootlikkuse põhiline näitaja on ränielemendi efektiivsus, st kui palju sellele langevast päikesekiirgusest suudetakse konventeerida elektrienergiaks. Üldiselt suudab ühekilovatine süsteem toota aastas 950–1100 kwh energiat.3

4. Päikeseenergia tehniline pool

Päikeseenergia tuleb meile tänu päikesepaneelide. Päikesepaneeli ehk PV paneeli (photovoltaic) võib ehituselt võrrelda pangakaardiga, mis kihtidena kokku laotud ja pressi all lamineeritud. Kihte on viis:

• Peegeldust vähendava pinnatöötlusega klaas;
  
• Polümeerist kilematerjal;
  
• Omavahel ühendatud päikesepatarei elemendid;
  
• Polümeerist kilematerjal;
  
• Alusmaterjal, milleks on tavaliselt plastikust plaat.
  

Kui erinevad kihid on omavahel kokku lamineeritud, pannakse ümber alumiiniumist raam, tagaküljele kinnitatakse kaablite niiskuskindlaks ühendamiseks karp, milles asuvad ka dioodid, mis peavad elektrivoolu mööda juhtima, kui paneel päikesevarju satub.
Päikesepatarei elemente valmistatakse erinevatest materjalidest ja sellest on tingitud ka nende nimetused:

• MONOKRISTALL – efektiivsus 11–17%;
  
• POLÜKRISTALL – efektiivsus 11–15%;
  
• ÕHUKESEKILELINE (thin film ) – viit erinevat alaliiki, mille tüüpiline efektiivsus jääb vahemikku 3–11%.
  

Efektiivsus iseloomustab, mitu protsenti suudab päikesepaneel päikeseenergiat ümber muundada elektrienergiaks.
Kõige enam on levinud monokristall ja polükristall paneelid. Nii mono - kui ka polükristall paneelide tootlikkus Eestis on sama.
Päikesepaneeli efektiivsusega puutub tavatarbija kokku läbi paneeli mõõtmete : kindla suurusega pinnaühikult (nt hoone katus) toodavad suurema efektiivsusega paneelid rohkem energiat. Seega ei ole niivõrd vahet, mis on paneeli efektiivsus, olulisem on 1W maksumus.
Päikesepaneeli elektrilisi parameetreid iseloomustatakse läbi volt- amper karakteristiku ehk I-V kõvera.
Päikesepaneeli tehnilistes andmetes on näha mitme parameetri puhul lisatähist mpp ( maximum power point). MPP on maksimaalne punkt I-V (voolu-pinge) kõveras, kus kõvera ühes otsas on lühis (Isc) ja teises otsas avatud ahel (Uoc). Praktikas näeks see välja nii, et kui me päikesepaneeli avatud ahelale hakkame sujuvalt rakendama koormust ja samal ajal mõõdame pinget ja voolu, siis mpp on see punkt, kus I x V on maksimaalne P. Näiteks 36 päikesepatarei elemendiga mono- või polükristall päikesepaneelidel on mpp vahemikus 15 – 18V. Mida madalam on paneeli temperatuur seda kõrgem on pinge U ja mida suurem on päikesekiirgus seda suurem on vool I.
Päikesepaneeli mpp punkti oskab määrata MPPT kontroller (Maximum power point tracker).4

5. Päikeseenergia plussid ja miinused

Tänapäeval rõhutakse aina rohkem taastuvatele energialiikidele. Üks taastuv energialiik on ka päikeseenergia. Maailmas käib hetkel pidev päikesepaneelide tootearendus, kas see tuleb kasuks või toob see kahju?
Päikeseenergia kasutamise plussid:

• Päikeseenergia on keskkonnasäästlik taastuvenergia . Sellega väheneb fossiilsete kütuste põletamine energia saamiseks, samuti maavarade kaevandamine ja sellega kaasnevad keskkonda kahjustavad tegurid.
  
• Ammendamatu ressurss. Päikest on külluses, see on tasuta ja varud on piirmatud.
  
• Päikeseenergia toodetakse kohapeal, sellega ei kaasne transpordi kulusi ja ka hoolduskulud on suhteliselt väikesed.
  
• Energiatootmise kulusid saab prognoosida ja neid kütusehinna kõikumine ei mõjuta.
  
• Päikeseelektrisüsteem töötab hääletulut.
  

Päikeseenergia kasutamise miinused:

• Mass tootmiseks on vaja suurt pinda. Päikesepaneelid vajavad küllaltki suurt maa-ala, kui nende abil arvestataval hulgal elektrit toota.
  
• 3 kuud aastast(talveperioodil) töötab 30% võimsusel. Talvekuudel on päikesepaneelide kasutamise efektiivsus madal.
  
• Fotoelemendid on liialt kallid
  
• Tänane tehnoloogia on ebaefektiivne, vaid viiendik päikeseenergiast muudetakse elektrienergiaks.
  
• Päikesepaneelide tootmine on kallis ning selleks on vaja spetsialiseeritud tööjõudu.5 6
  

Kokkuvõte

Päikeseenergia on keskkonnasäästlik taastuvenergia, kuna sellega väheneb fossiilsete kütuste põletamine energia saamiseks. Päike on ju siiski tasuta ning varud on piiramatud . Talvel on küll efektiivsus madalam kui muul aastaajal ja tänane tehnoloogia ei ole veel piisavalt efektiivne, aga areneb kindlasti edasi tulevikus.

Viidatud allikate loetelu

• Veebisait
  

[1] „Päikeseenergia ressurss“. [Võrgumaterjal]: http://www.energiatalgud.ee/index.php?title=P%C3%A4ikeseenergia_ressurss
[2] „Environmental Impacts of Solar Power“ [Võrgumaterjal]: http://www.ucsusa.org/clean_energy/our-energy-choices/renewable-energy/environmental-impacts-solar-power.html#.VEYyr7CsWKE
[3] „Päikeseenergiast“ [Võrgumaterjal]: http://www.eternalen.ee/paikeseenergiast
[4] „Päikesepaneelide müük“ [Võrgumaterjal]: http://solar4you.ee/paikesepaneelide-muuk/
[5] „Päikesepaneelide mükk ja paigaldamine“ [Võrgumaterjal]: http://www.taastuvenergia.ee
[6] „Päikeseenergia plussid ja miinused“ [Võrgumaterjal]:
http://xn--pikesepaneelid-5hb.com/paikesepaneelide-plussid-ja-miinused
[7] „Solar Power Pros and Cons “ [Võrgumaterjal]:
http://lifestylesolarinc.com/solar-power-pros-and-cons/

1 „Environmental Impacts of Solar Power“ [Võrgumaterjal]: http://www.ucsusa.org/clean_energy/our-energy-choices/renewable-energy/environmental-impacts-solar-power.html#.VEYyr7CsWKE
2 „Päikesepaneelide müük ja paigaldamine“ [Võrgumaterjalid]: http://www.taastuvenergia.ee/
3 „Päikesepaneelide müük“ [Võrgumaterjalid]: http://solar4you.ee/paikesepaneelide-muuk/
4 „Päikesepaneelide müük ja paigaldus“ [Võrgumaterjal]: http://www.taastuveenergia.ee
5 „Päikesepaneelide plussid ja miinused“ [Võrgumaterjal]: http://päikesepaneelid.com/paikesepaneelide-plussid-ja-miinused/
6 „Solar Power Pros and Cons“ [Võrgumaterjal]: http://lifestylesolarinc.com/solar-power-pros-and-cons/
14