Päikesepaneelid (4)

Räpina Aianduskool
2KK2
Anneli Raud
PÄIKESEPANEELID
Keskkonnatehnika
Referaat
Räpina2010

SISSEJUHATUS

Keskkonnatehnika õppeaine referaadi teemaks valisin päikesepaneelid, kuna antud teema kohta leidsin olevat piisavalt materjali ja teema tundus ka endale innovatiivne ja huvitav.
Referaat koosneb kahest peatükist ja kuuest alapeatükist. Esimeses peatükis kirjeldan päikesepaneelide tööpõhimõtet ja nende liike. Samuti annan ülevaate kus ja kuidas kasutatakse päikeseenergiat Eestis ning mis on päikesepaneelide plussideks ja miinusteks.
Töö teises osas on juttu päikesepaneelide kasutamisest mujal maailmas. Kirjeldan teadlaste loodud uusi tootmis tehnoloogiaid päikesepaneelide paremaks muutmisel ja nende mõjust ümbritsevale keskkonnale. Lisatud on ka pilte erinevatest päikesepaneelidest.

1.PÄIKESEPANEELIDE TÖÖPÕHIMÕTE

Päikeseenergiat on õigete vahenditega võimalik muundada elektri- või soojusenergiaks.
Levinuim variant päikeseenergia kasutamisel on siiamaani olnud elektrienergia tootmine. Elektrit tootvate päikesepaneelide (pilt 1) tööpõhimõte seisneb peamiselt pooljuhtide fotoelektrilisi omadusi kasutades. Covertech Invest'i elektrivoolu tekitavad PV ( photo -voltaic) paneelid võimaldavad genereerida võimsust kuni 185 W. Paneelid on enamasti konstrueeritud mitmekümnest elemendist, mis eraldi tekitavad võimsust ca 5 W. Suurema võimsuse saavutamiseks ühendatakse mitu paneeli omavahel, olenevalt konkreetsest vajadusest. Seejärel ühendatakse paneelid akudega ning automaatikaga, mida on võimalik juhtida otse puldist või distantsilt, näiteks mobiiltelefoniga. Tarbijateni jõuabki vool akude kaudu.
Soojusenergiat tootvate paneelide tööpõhimõte on aga erinev. Päikesevalgus tekitab paneelides suure temperatuuri, mis juhitakse akumahutisse spetsiaalse vedeliku - glükooli abil, mis süsteemis voolab. Suurema võimsuse saavutamiseks kasutatakse jadamisi mitut paneeli. Süsteemi lahutamatuteks osadeks on ka rõhku reguleerivad ventiilid ning pump, mis paneb vedeliku süsteemis ringlema. Akumahuti funktsioneerib suure boilerina, kust hiljem saadakse soe vesi. Kogu protsessi, nagu ka eelneval puhul, juhib automaatika, mis hoiab etteantud temperatuuri ning takistab süsteemil külmumast.
1.Päikesepaneelid katusel

1.1 Päikesepaneelide liigid

Pikemalt peatun elektrienergiat tootvatel päikesepaneelidel, PV-elementidel (photovoltaic). Suurem osa PV-materjalist on räni: kas amorfne (a-Si) või kristalliline räni (c-Si). Sellest tulenevalt on maailmaturul eri liiki elektrienergiat tootvaid päikesepaneele: mono - ja polükristallilised ning amorfse kilega päikesepaneelid. Räni tüübist sõltub ka päikesepaneeli hind ja efektiivsus: amorfne räni on odavam, kuid vähemefektiivne. Kristallilisest ränist päikesepaneelide kasutegur on suurem, kuid lähtematerjal on kallim, mis tuleneb räni puhastusprotsessist.
Elektrienergiat tootvate päikesepaneelide eriliigid on järgnevad.
Monokristallilised päikese­paneelid (Monocrystal solar panels) on kõige efektiivsemad, kuid tootmine on kulukas, sest paneelis kasutatakse kristallilist räni, mis on toodetud suurte tahvlitena. Hiljem lõigatakse need päikesepaneeli suurusteks, valmib üks suur element. Metallribadest elektrijuhid laotatakse üle elemendi, et püüda elemendist vabanevaid elektrone. 220 Wp (indeks p tähendab peak - ehk tippvõimsust) monokristalliline paneel annab 220 W võimsust ideaalsetes tingimustes. Näiteks kui päikeselt tulev energia on 800 W/m2, siis 200 Wp päikesepaneel suudab muundada elektriks 157 W energiat. Seega on monokristallilise päikesepaneeli kasutegur ligikaudu 20%.
Polükristallilised päikesepaneelid (Polycristal solar panels) on väiksema kasuteguriga, kuid veidi odavamad. Polükristallilistes päikesepaneelides kasutatakse mitmeid väiksemaid elemente, mis on omavahel ühendatud (ühe suure elemendi asemel). 200 Wp polükristalliline päikesepaneel suudab samadel tingimustel (800 W/m2) muundada elektriks 143 W energiat. Polükristallilise paneeli kasutegur jääb 17% juurde.
Amorfse kilega päikesepaneelid (Amorphous Thin film panels) Amorfse kilega paneele toodetakse kristallilistest paneelidest erinevalt: neil puudub täielikult kristalliline struktuur ning kile kantakse otse erinevatele materjalidele.
Amorfse kile peamised eelised on madal tootmiskulu ja kasutamise mitmekülgsus. Amorfset räni ja sarnaseid pooljuhte saab toota palju kiiremini. Neid saab kanda õhukeste kihtidena erinevatele materjalidele, samuti on võimalik teha painduvaid päikesepaneele. Kilepaneelide suureks puuduseks on nende kõige väiksem kasutegur hetkel saadaval olevate päikesepaneelide hulgas. 
Konkreetne näide ühest kodumajapidamisest, kus katuse pindala on 300 m2. Kui katta see kõik monokristalliliste päikesepaneelidega ning päikeselt saabuv energiavoog on 800 W/m2, siis päikesepaneeli võimsus on 47 100 Wp.
Kui kasutada polükristallilisi päikesepaneele, on võimsus 42 900 Wp. See on piisav võimsus ühele kodumajapidamisele, arvestades siiski, et majapidamises ei kasutata elektrikütet.

1.2 Päikesepaneelid Eestis

Tänapäeval rõhutakse aina rohkem taastuvatele energialiikidele. Euroopa lõunapoolsetes riikides käib pidev päikesepaneelide tootearendus. Ka Eestis on päikesepaneelid populaarsust kogumas, ehkki nende suhtes ollakse skeptilised, eriti meie pimedate ja lühikeste talvepäevade tõttu.
Esimesed päikesepaneelid seati üles 2006.a novembris TTÜ katusele, eesmärgiks oli jälgida päikesepaneelide näitajaid põhjamaal ning neid siin ka tutvustada.
2010.ndaks aastaks on kuumad suveilmad ja elektrihinna tõus suurendanud Eesti elanike huvi päikesepaneelide vastu ning tulevikus võib neist isegi heitliku ilmaga saada arvestatav energia tootmise viis. Üha rohkem võib eramajade, korteriühistute kui ka suurhoonete katustelt leida päikesepaneele, millega saab päevas soojendada kuni 500 liitrit vett. Lisaks soojadele ilmadele on huvi tõusu taga ka inimeste keskkonnateadlikkuse suurenemine.
Samuti on üheks huvi suurenemise põhjuseks elektrihinna tõus. Asjatundjad kinnitavad, et kui tulevikus jõuavad päikeseenergia hinnad elektrihinnaga samale tasemele , suurenevad veelgi nii huvi kui ka nõudlus päikesepaneelide järele. Kuigi päikeseenergia kasutamine on keskkonnasäästlik ning toimib isegi Eesti tingimustes hästi, saab sageli takistuseks päikesepaneelide kulukus, ent kogu maailmas töötatakse selles suunas et päikesepaneelid rohkem taskukohasemaks muutuksid.
Eestis on praegusajal Päikese kiirgusenergiat kõige enam kasutatud majapidamisvee soojendamiseks suvekuudel (aprillist 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.
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.

1.3 Päikesepaneelide suunamine Eesti oludes

• Eestis on optimaalne päikesepaneelide asetus suunaga lõunasse ja 40 kraadise nurga alla maapinna suhtes.
  
• Kagu või edela suunal väheneb tootlikkus ca 5% ja ida või lääne suunal ca 20%.
  
• November kuni veebruar on vertikaalselt paigaldatud päikesepaneelide tootlikkus ca 7% suurem kui 40 kraadise nurga all ja sellise paigutuse juures ei saja ka lumi paneelidele.
  

Tabel 1
1kW võimsusega päikesepaneelide süsteemi tootlikkus Eestis
Lõuna suund ja nurk
maapinna suhtes 40 kraadi
2-teljelise järgiva ajamiga
(2- axis tracking system)
Tootlikkus
kWh kuus
kWh päevas
kWh kuus
kWh päevas
Jaanuar
16,7
0,54
2,12
O,68
Veebruar
40
1,43
52,8
1,89
Märts
71,6
2,31
95,8
3,09
Aprill
102
3,4
148
4,92
Mai
125
4,04
199
6,43
Juuni
121
4,03
196
6,52
Juuli
122
3,93
196
6,33
August
99,7
3,22
145
4,69
September
69,7
2,32
94,1
3,14
Oktoober
43
1,39
55,3
1,78
November
17,2
0,57
21
0,7
Detsember
10
0,32
12,5
0,4
Aasta keskmine
69,8
2,3
103
3,39
Aastas kokku
838
1240

1.4 Päikesepaneelide plussid ja miinused

Päikesepaneelide elueaks on 30 aastat.
Päiksepaneelid ehk PV paneelid (photovoltaic) on aina enam Eestis populaarsust koguv taastuvenergia liik ja seda mitmel põhjusel:

• Praktiliselt hooldusvaba süsteem - vaja vaid jälgida, et PV paneelide pind puhas oleks ja kontrollida elektrisüsteemide korrasolekut.
  
• Väiksema päikesepaneelide süsteemi paigaldamine ja ühendamine ei ole keerukas, sellega saab hakkama igaüks, kes on oma majapidamises kokku puutunud lihtsamate ehitus- ja elektritöödega. Sobivad detailid PV paneeli kinnitamiseks saab osta ehituspoest.
  
• Saab paigaldada katusele, seinale või maapinnale.
  

Päikesepaneelide miinuseks on nende pikem tasuvusaeg võrreldes tuulegeneraatoritega ja Eesti oludes talvel vähene tootlikkus. Kui kasutada autonoomset elektrisüsteemi, siis meie kliimas on parim päikese- ja tuuleenergia kombinatsioon:

• Seadmete üldmaksumus on odavam kui talveperioodil kompenseerida PV paneelide väiksemat  tootlikkust tuulegeneraatori abil. 
  
• Talvel on Eestis tuulenergiat enam kui suvel, päikeseenergiaga jälle vastupidi.
  
• Üldjuhul on pilves ja sajune ilm, kui päikeseenergiat vähe, tuulisem; päikesepaisteline päev seevastu jälle tihti tuulevaikne.
  

2.PÄIKESEPANEELIDE KASUTAMINE MUJAL MAAILMAS

Maailma suurimaks kristallilisest ränist päikesepaneelide tootja on 2001a asutatud Hiina firma Suntech Power , (pilt 2) Päikesepaneelid katavad laiutava kaheksakorruselise peahoone terve esiseina. Peaaegu 2600 kahe meetri pikkust paneeli moodustavad maailma suurima elektrivõrku ühendatud päikeseenergiafassaadi. Koos katusel asuva 1800 väiksema paneeliga suudab see patarei genereerida päikeselisel päeval megavati võimsust. Ootuste kohaselt suudab patarei toota üle miljoni kilovatt -tunni elektrienergiat aastas – sellest piisaks Hiinas üle 300 inimesele.
2.Suntech Power Holdings Co
Suurim päikespaneelide turg on Saksamaa, kus asub ligi 80% kogu Euroopas paigaldatud päikesepaneelidest. Päikeseenergiat soosivad ka Jaapan ja Ameerika Ühendriigid. USA-s on teoksil programm, mille eesmärk on katta päikesepaneelidega miljon katust. Päikeseenergeetika suurimat kasvu on viimasel ajal olnud märgata Hiinas. Tähelepanuväärne on seegi, et Lõuna-Portugalis algas sel aastal maailma suurima päikesest elektrienergiat tootva kompleksi, 11-megavatise elektrijaama ehitus, mis koosneb 52 000 päikesepaneelide moodulist. See päikeseelektrijaam peaks suutma varustada elektrienergiaga umbes 8000 majapidamist.
Hispaanias Barcelona eeslinnas asuvale surnuaiale pandi päikesepaneelid. Santa Coloma de
Grameneti surnuaiast (pilt 3) sai päikesepaneelide tõttu energiatootmiskeskus. Päikesepaneelid paigutati surnuaeda, kuna nimetatud eeslinn on üsna täis ehitatud ning sellised päiksele avatud suuri platse on seal vähe. Matmispaika üles pandud 462 päikesepaneeli aitavad rahuldada 60 majapidamise energiavajaduse.
3.Hispaania Santa Coloma de Grameneti surnuaia päikesepaneelid

2.1 Päikesepaneelide tehnoloogiad

Kohmakate raamidega pinksilaua suurused paneelid ei mõju kuigi esteetiliselt. Tehnoloogia areng jõudnud siiamaale, et tähelepanu hakatakse üha enam pöörama ka erineva disainiga lahenduste väljatöötamisele. Üheks võimaluseks on disainida päikesepaneele, mis näeb välja nagu traditsioonilised katusekattematerjal. Energiat tootvad elemendid on õhukese ja eemalt eristamatu kihina kantud näiteks katusekividele. Üks kivi ei tooda küll palju energiat, siiski võib terve katus soodsa kliimaga piirkondades anda energiat kogu majale .
Mujal maailmas ja ka Eestis püütakse järjest enam välja töötada odavamaid ja võimsamaid tehnoloogiaid päikesepaneelide tootmisks.
Tallinna tehnikaülikooli teadlased loodavad saavutada maailmas läbimurret päikeseenergeetikas, kasutades päikesepaneelide valmistamisel kõrgvaakumtehnoloogiast odavamaid - pulbrilisi tehnoloogiaid. Pulbriosakestest valmistatakse päikesepaneeli kihti, mis püüab päikeseenergiat. Olenevalt sellest, kui tihedalt suudetakse pulbriosakesi aluspinnale pakkida , saadakse luua kas madalama või kõrgema efektiivsusega päikesepatarei.
Hiljuti esitlesid USA teadlased oma uut leiutist – isepuhastuvaid päikesepaneele, mille tehnoloogia põhineb Marsi missioonide jaoks väljatöötatud lahendustel. Paneelide isepuhastuv kattepind suurendab elektrienergia tootmise efektiivsust ning vähendab hoolduskulusid suurtes päikesepaneelide parkides. Suured päikesepaneelide pargid laiuvad praegu juba Ameerika Ühendriikides, Hispaanias, Saksamaal, Lähis-Idas, Austraalias ja Indias. Enamasti asuvad need pargid kõrvetava päikesega kõrbealadel, kus kuiv ilm ja tuuled paiskavad tolmu päikesepaneelidele. Tolm piirab paneelidele langeva valguse hulka, vähendades seega ka toodetava energia kogust. Sellistes paikades on puhas vesi raskesti kättesaadav, tehes paneelide puhastamise kulukaks. Neljagrammine kogus tolmu ühel ruutmeetril vähendab päikeseenergia muundamise efektiivsust 40% võrra.
Stanfordi ülikooli insenerid töötasid välja tehnoloogia, mis päikese valgus- ja soojuskiirgust kombineerides võiks päikesepaneelide efektiivsust praegusega võrreldes vähemalt kahekordistada. Uus tehnoloogia kannab nime PETE (photon enhanced thermionic emission). Ning: kui praeguste, fotoelektriliste päikesepaneelide efektiivsus temperatuuri kasvades väheneb, siis selle puhul hoopis kasvab. Enamikus fotoelektrilistest paneelidest muundab päikesevalguse elektriks räni. Ent nõnda suudetakse ära kasutada vaid pool peale langevast päikesevalgusest; ülejäänu tekitab lihtsalt jääksoojust. Ka seda saaks koguda ja elektriks muundada – ent väga kõrgetel temperatuuridel, mida fotoelektrilised süstemid ei saavuta. Teiseks kahaneb soojuse tõustes päikesepaneelide eneste efektiivsus.
Stanfordi teadlased avastasid aga, et kui katta pooljuhtmaterjal (milleks on ka räni) õhukese kihi tseesiumiga (keemiliselt väga aktiivne leelismetall ), suudab see elektrit toota nii valgusest kui soojusest. Tehnoloogia töötab kõige paremini nn paraboolpeeglitega (pilt 4) – kuni 800-kraadist temperatuuri võimaldavate seadmetega, mida enamasti kasutatakse suurtes päikesefarmides.
4.Paraboolpeeglid - uue tehnoloogia parim väljund - Ühendriikides Mojave kõrbe päikesefarmis.

2.2 Päikesepaneelide mõju ümbritsevale

Päikesepaneelide mõju looduskeskkonnale vähe uuritud. Päikesepaneelide mõju näiteks veeputukate arvukusele ei ole peaaegu üldse uuritud. USA bioenergia keskuse uuring näitas, et päikesepaneelid võivad putukate arvukust kahandada. Teadlased selgitasid, et näiteks kiilid võivad päikesepaneele nende peegelduse tõttu veepinnaks pidada. Putukad võivad päikesepaneelidel paljuneda, muutudes samas teistele loomadele ja lindudele kergeks saagiks . Niiskust vajavad vastsed võivad aga kuumas päikeses hukkuda. Päikesepaneelide puhul on tegemist niinimetatud ökoloogiliste lõksudega. Inimesed vajavad päikesepaneele lisaenergia tootmiseks, kuid need paneelid võivad kõigutada ökoloogilist tasakaalu. Mida enam päikesepaneele, seda suurem on veeputukate hukkumise tõenäosus. Teadlased tegid katse Ungaris Duna-Ipoly rahvuspargis, kuhu pandi erineva disainiga päikesepaneele. Uuriti, kuidas kiilid nende suhtes käituvad. Kuid paneelid tõmbasid peale kiilide veel mitmeid putukaid ligi, kes seal paljuneda püüdsid ja oma munad jätsid. Tulemused näitasid, et putukad eelistasid neid päikesepaneele vähem, millel oli valge äär või vahel valged jooned. Eelistuseks olid ühtlased suured, katkestamata paneelipinnad. Just neil hukkus putukaid ja vastseid kõige enam. Et putukate elu säästa, tuleks paneelid osadeks jagada, et ühtlast läikivat pinda vähem oleks.

KOKKUVÕTE

Päikesepaneelide toodang kasvab meeletus tempos . Viimasel ajal on see kasvanud peaaegu 40% aastas. Selliste arengutempode juures peaks enamikes Euroopa riikides päikesepatareide abil toodetud elekter muutuma konkurentsivõimeliseks teiste elektritootmisviiside kõrval aastaks 2030. Järelikult me elame ajas, kus Eestis peaaegu tundmatu päikeseelekter vallutab tormiliselt ülejäänud maailma energeetikat. Kuigi päikeseenergia kasutamine on keskkonnasäästlik ning toimib isegi Eesti tingimustes hästi, saab sageli takistuseks päikesepaneelide kulukus. Sarnaselt paljude teiste maadega võiks ka Eesti valitsus vaadata rohkem tulevikku ning toetada rahaliselt päikesepatareide laiemat levikut.
Loodetavasti toob aeg häid uudiseid, sest elektrienergia hinnad tõusevad pidevalt, samas kui päikesepaneelid muutuvad üha odavamaks ning efektiivsemaks. Ilmselt ei lähe enam kaua, kui suur osa inimkonnast saab asuda kasutama energiaallikat, mida jätkub külluses veel miljarditeks aastateks.

KASUTATUD MATERJALID:

http://forte.delfi.ee/news/teadus/article.php?id=23434297
http://www.covertech.ee/?pageid=51&lang=et
http://inseneeria.eas.ee/index.php?option=com_content&view=article&id=283%3Aoige-aeg-on-paeikesepaneelid-kasutusele-votta&catid=56%3Amaerts-2010&Itemid=27
http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:6wHgKNcJES8J:uudised.err.ee/index.php%3F06211459+p%C3%A4ikesepaneelid+eestis+2010&cd=9&hl=et&ct=clnk&gl=ee
http://www.taastuvenergia.ee/paikeseenergia-eestis.html
http://elektritsaabtasuta.blogspot.com/2010/10/paikesepaneelide-elueaks-on-30.html
http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:dpOANYOdrIcJ:www.loodusajakiri.ee/eesti_loodus/index.php%3Fartikkel%3D1549+p%C3%A4ikesepaneelid+maailmas&cd=6&hl=et&ct=clnk&gl=ee
http://www.postimees.ee/?id=272876
http://www.ap3.ee/?PublicationId=5a62f920-ee8f-4697-83f8-4f8ba9aa0c26
http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:iWp8pgzcenwJ:www.opleht.ee/%3Farchive_mode%3Dheading%26headingid%3D1084+p%C3%A4ikesepaneelide+tulevik&cd=1&hl=et&ct=clnk&gl=ee
http://www.ehitusinfo.ee/index.php?aid=1714
http://teadus.err.ee/komment?id=2551&cat=1&pgk=1
http://www.elu24.ee/?id=51548
http://www.tehnikamaailm.ee/est/tech/2007/03/?headerID=766
PILDID: www.google.com image search
SISUKORD
SISSEJUHATUS 2
1.PÄIKESEPANEELIDE TÖÖPÕHIMÕTE 3
1.1 Päikesepaneelide liigid 4
1.2 Päikesepaneelid Eestis 5
1.3 Päikesepaneelide suunamine Eesti oludes 6
1.4 Päikesepaneelide plussid ja miinused 7
2.PÄIKESEPANEELIDE KASUTAMINE MUJAL MAAILMAS 8
2.1 Päikesepaneelide tehnoloogiad 9
2.2 Päikesepaneelide mõju ümbritsevale 11
KOKKUVÕTE 12
KASUTATUD MATERJALID: 13
14