Päikesepatereide kasutamise võimalused Eesti tingimustes (0)

Päikesepatereide kasutamise võimalused Eesti tingimustes
Sissejuhatus: teema aktuaalsus
Tänapäeval tähtsamateks energia allikateks maailmas on põlevmaared nagu nafta , kivisüsi, maagaas jne. Eesti ei ole erandiks ning kõige kasutatavamad kütused on imporditud süsivesikud ning Eestis kaevatud põlevkivi. Selline olukord rahuldas kõike kuni põlevmaarde leiukohad ei hakanud ammenduma ning hinnad kütuseks ja energiaks ei hakanud tõusma. Sellel 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 allikad 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 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.
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 energiaallikatega, ühtlasi saab paneele paindlikult rakendada mujalgi. Päikesepatareisid saab paigaldada nii 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 kristallilisest 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, nii nimetatud augud. Kui patareile langevad valgusefotonid, algab elektronide liikumine 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 efektiivsust .
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, Hollandis, 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 (vaskindiumseleniid, 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 Hollandist, kes tõsimeeli püüab saada lähimas tulevikus ka Euroopa suurimaks päikesepatareide tootjaks.
Eesti teadlased on seega üpris pädevad nii päikesepatareide väljatöötamise alal kui ka nende uurimise alal. Seetõttu on grupp meie füüsikuid lülitunud ka üleeuroopalise teadusprojektiga PERFORMANCE , mille 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 selline: 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 garantii 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 ülikallis 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, mille kasutegur oli suudetud viia 15,5 protsendini.
Uue rekordi toel peab CrystalClear võimalikuks, et seeriatootmises on võimalik päikesepaneelide hind viia piirini 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 elektrikollektori vastavast näitajast. Ka eeldatav eluiga on patareidel lühem ja efektiivsuse 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 (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. 
Samuti ühajärve puhkekeskuse tarbevett hakkab kütma 400-ruutmeetrine päikesepark, mis hakkab katma 10–15 protsenti puhkekeskuse energiavajadusest.
Aga seda võimsust pole piisavalt 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