Referaat Päikeseenergia (3)

Aleksei Stempen
Päikeseenergia
REFERAAT
Õppeaines: ÖKOLOOGIA JA KESKONNAKAITSE
Ehitusteaduskond
Õpperühm: TEI21A
Juhendaja : lektor Sirle Künapas
Tallinn 2011
Sisukord
Päikesekollektorid 4
Sajandi läbimurre päikeseenergia salvestamisel. 6
Päikeseenergia taskusse. 7
Päikeseenergia eelised? 8
Päikeseenergia Eestis 8
Sissejuhatus
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!
Olulisim taastuv loodusvara on päikesekiirgus, mis on igasuguse energia algallikas . Energiakogus, mis Päikeselt aasta jooksul maapinnale jõuab on ligikaudu 3000 korda suurem kui kogu maailma energiatarbimine. 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.
Päikeseenergia kogumine ja kasutamine toimub kas passiivsel või aktiivsel kujul. Esimesel juhul projekteeritakse hoone nii, et see neelab võimalikult palju päikesekiirgust ja soojeneb seega iseenesest, teisel juhul kogutakse kollektoritega energiat kas soojusena või elektrina. Selleks paigaldatakse hoonete katustele või maapinnale päikesekollektorid. Päikesekollektorid on üldiselt ehitatud nii, et nad võivad energiat koguda nii selge kui ka pilvise ilmaga, kuigi viimasel juhul kujuneb energiasaak märksa väiksemaks.
Tänapäevane silikoon-päikesepaneel kasuteguriga juba 10%, valmistati esmakordselt 1956 a. Esimesed 108 päikesepaneeli lennutati kosmosesse 1958 aastal. Päikesepaneelid ja päikese elektrijaamad on sellest alates saanud osaks ka meie igapäeva elus. Valdkonna spekter algab pisikestest taskukalkulaatoritest, kelladest ja lõpeb võimsate elektrijaamadega, kus väljundvõimsusi mõõdetakse megavattides.
Päikesepaneelid soojatootmiseks on oluline osa selle energialiigi kasutamise võimalustest. Milleks maksta võrguelektri eest, et saada sooja vett ning mõnusalt hubast toasooja? Kõik see on lahendatav kasutades päevavalgust! Vaakumtoru päikesekollektor on erinevatest paneelitüüpidest kõige enam tootlikum, andes aastas energiat ca 700 KWh ulatuses kollektori tööpinna ühe ruutmetri kohta.

Päikesekollektorid

Eestis pole täpseid uuringuid päikeseenergia kasutamise kohta tehtud, kuid võib väita, et päikeseenergial toimivad küttesüsteemid on võimelised katma umbes poole eramaja aastasest sooja vee vajadusest, hoides kokku kütteõli või elektrit ning säilitades selle võrra ka elukeskkonna puhtamana.
Päikesekiirguse intensiivsus ja kestvus sõltuvad laiuskraadist, kohaliku kliima iseärasustest, aastaajast, ööpäevast ning õhu puhtusest. Meie laiuskraadidel on võimalik kasutada päikesekütet kombineeritult koos teiste soojusallikatega, kuna meie päikesekiirguse ressursid on küllaltki väikesed ning mitteregulaarsed. Päikesekollektorite baasil töötava päikeseenergia kasutamine on lisakütte võimalus, mille abil saab hoone aastasest soojusenergia tarbest katta 20–60%.
Kuidas päikesekollektor töötab? Läbinud kollektori spetsiaalkatte, langeb otsene päikesekiirgus kollektori tumendatud kunstmaterjalist või metall -pinnale, kus kiirgus neeldub ning muundatakse juurdekuuluva tehnilise keskuse abil vajaminevaks soojusenergiaks. Põhisõlmedest kuuluvad solaarse küttesüsteemi juurde lisaks kollektorile veel juhtimis- ja andmekeskus, mahuti(d) soojuse akumuleerimiseks ning tarbevee soojussõlm. Viimane välistab vajaduse eraldi soojaveeboileri järele. Võimalik on kasutada ka olemasolevaid mahuteid.
Kollektorid paigaldatakse katusekattele või monteeritakse sarnaselt katuseakendega katusesse. Kollektor täidab sel juhul samaaegselt katusekatte ülesannet, pole tarvis kollektorialust laotuspinda eraldi katta. Kollektorid saab paigaldada ka juba kasutuses olevale majale . Kollektori kasutegur sõltub mitmetest asjaoludest: hoone soojustuse tasemest, kollektori pinna suurusest, kollektori suunast ilmakaarte suhtes. Samuti kollektori kaldenurgast: väikseim 30°, maksimaalne 70°. Päikesekollektori optimaalseks orientatsiooniks loetakse lõunasuunda, kaldenurgaga, mis vastab asupaiga laiuskraadile. Eestis on sobivaimaks kaldenurgaks 45-60°.
Meie laiuskraadidel on reaalselt võimalik (majanduslikult õigustatud) päikese soojuse kasutamine sooja tarbevee saamiseks ja salvestamiseks alates märtsi algusest kuni septembri lõpuni. Päikeseküttesüsteemis peab kindlasti olema ka salvestuspaak, mis võimaldaks akumuleerida soojust pilvisteks päevadeks. Sõltuvalt kaldenurgast on Eestis ühe kollektori tootmisvõimsuseks 80-120 kWh/m² kuus.
On solaarküttesüsteeme, mida saab kasutada vaid tarbevee soojendamiseks, kui ka selliseid, mis kütavad maja. Süsteemid, mis täidavad mõlemat eelnimetatud funktsiooni, võimaldavad Eesti klimaatilistes tingimustes kogu aastasest soojus -energia tarbest katta 20–60%. Ainult tarbevee soojendamiseks ettenähtud solaarkütte-süsteemid võimaldavad aastast kütteenergia kokkuhoidu 5–15% kogu soojusenergeetilisest vajadusest. Kombineeritud solaarküttesüsteemi hind on 2–2,5 korda kõrgem üksnes tarbevee soojendamise süsteemi hinnast, kokkuhoid soojusenergia pealt on aga kuni kaheksa korda suurem. Solaarkütte-süsteem on ühekordne investeering , edaspidi kulub pisut raha vaid soojussõlme tööshoidmiseks.
Päikesekollektorite hinnad on väga erinevad. Päikeseküttesüsteemi kogu hind jaguneb laias laastus kolmeks osaks: 1/3 kollektor, 1/3 akumulatsioonipaak ja 1/3 paigaldus- ja ühenduskulud. Oluline faktor alginvesteeringu tegemisel on kasutusaeg – mida pikem see on, seda suurem on tasuvus . Tasuvusajaks arvestatakse praeguste kütusehindade juures umbes 15 aastat. Arvestades aga fossiilsete kütuste järjepidevat ning paratamatut kallinemist, lüheneb päikesekollektorite tasuvusaeg kindlasti. Enamik kollektoreid säilitab 100% tootlikkuse 25–30 aastaks. Erinevatest element-osadest kohapeal katusesse monteeritavate seadmete parameetrid püsivad muutumatuna 50–60 aastat. Kollektorid ei “kustu” päevapealt, nende tootlikkus võib hakata langema märkamatult.
Päikeseküttesüsteemist saadava soojuse hind on konkurentsivõimeline teistest energiaallikatest saadava soojuse hinnaga. Päikeseküttesüsteemis soojendatud vee hind on soodsam elektriga soojendatud veest samadel sooja tarbevee temperatuuridel (45-55ºC). Solaarküttesüsteem on täisautomaatne, mis teeb tema kasutamise mugavaks. Ekspluatatsioonikuludes tuleb pisut kulutada pumba ja automaatika tööshoidmiseks.
Viiekordsete paneelelamute keskmise aastase arvutusliku sooja tarbevee soojuse vajaduse (155 MWh) juures, on vaja kollektorit pinnaga 130 m² ja soojussalvestuspaaki mahuga5,5 m³. Sellise hulga veega on võimalik keskmiselt varustada 135 inimest, kolme ööpäevaseks varuks oleks vaja vastavalt paaki mahuga 16,5 m³.
Joonis 1.Päikesekollektorid maja katusel Joonis 2.Veesoojendamine kollektorite abil

Sajandi läbimurre päikeseenergia salvestamisel.

Uus avastus võimaldab päikeselt kogutud energiat odavalt salvestada ning seega ületada peamine komistuskivi, mis on siiani takistanud päikeseenergia kujunemist peamiseks energiaallikaks.
Massachusettsi tehnoloogiainstituudi keemiaprofessor Daniel Nocera on välja töötanud katalüsaatori, mille abil saab vee molekule lõhkudes hapnikku toota. Reaktsiooni käigus vabanevad vesinikuioonid. Lihtsasti ja odavalt valmistatavat katalüsaatorit saab kasutada suurte koguste vesinikugaasi valmistamiseks päikeseenergia abil. Seejärel saab vesinikku põletada või kütuseelementides kasutada, et toota energiat ka siis, kui päike ei paista. Nocera avastus aitab teadlastel edasi arendada kunstliku fotosünteesi ideed ning jäljendada energiatootmiseks taimi, kelle energiatootmisel just vee lõhkumine on üheks esimeseks sammuks.
Päikeseenergia kasutamise üheks piiranguks on ikka jäänud asjaolu, et maksimaalne tootlus saavutatakse vaid mõne tunni jooksul keskpäeval. Idee lõhkuda vett selleks, et saada päikeseenergia salvestamiseks vesinikku, pole praeguseni olnud kuigi praktiline, kuna reaktsioon vajas liiga palju energiat ning reaktsiooni energiavajadust vähendavad katalüsaatorid olid liiga kallid või kasutasid väga haruldasi materjale. Nocera katalüsaator rajab teed odavatele ja laialt kättesaadavatele veelõhkumistehnoloogiatele.
Nocera lõi uue katalüsaatori osana uurimisprogrammist, mille eesmärgiks on luua kunstlik fotosüntees, mis oleks looduslikust fotosünteesist tõhusam ning toodaks kasutuskõlblikke kütuseid, näiteks vesinikku. Nocera on lahendanud kunstliku fotosünteesi ühe kõige raskema probleemi: veest hapniku tootmise. Enne Nocera katalüsaatori kaasamist kommertsseadmetesse peab veel siiski palju tööd tegema. Siiski usuvad teadlased, et edasine töö peaks sujuma ladusalt, kuna katalüsaatorit valmistada on lihtne ning seega saavad paljud teadlased korraga uute katsetuste juurde asuda.

Päikeseenergia taskusse.

Päikesepaneelide panek katusele on üks asi, kuid haarata õhust üks pihutäis päikesevalgust selleks, et anda särtsu oma iPod -ile, taskutelefonile, fotokaamerale või mõnele muule mobiilsele vidinale, on hoopis teine asi. Pisikese portatiivse päikesepaneeliga saame muuta ennast sõltumatuks kaamerapatareisid müüvatest kauplustest ja hotelli seinapistikutest ning võtta ette pikki retki loodusesse .
Kindlasti mõtlevad täna Apple™ tarkurid tulevikus päikeseenergial töötavale iPhone™, iPod™ või isegi sülearvutile, kuid täna sõltub elektroonika valdavalt sellest, mis tuleb seinapistikust. Loomulikult pakutakse meile täna juba piisavalt energiasäästunippe nagu kuvari ümberhäälestamist väiksemale energiatarbimisele või rutiinselt standby mooduli kasutamist kui arvuti pole töös, kuid kõik need väikesed soovitused ei vabasta meid enam kui mõneks päevaks tsivilisatsioonist.
Juhul, kui soovime pikemaks ajaks juhtme seinast välja tõmmata, kuid kasutada jätkuvalt oma iPod-i, fotokaamerat ja muid elektroonilisi abivahendeid, siis peame ennast varustama portatiivse päikesepaneeliga, mille mõõtmed võivad olla üllatavalt väikesed. Väiksemõõtmelisi päikesepaneele pakuvad turul täna juba mitmed valmistajad, oluline on siinkohal vaid jälgida pakutavate toodete efektiivsust, hinda ja toote kättesaadavust.

Päikeseenergia eelised?

• Päikeseelektri süsteem töötab hääletult.
  
• Päiksepaneelil pole kuluvaid osi.
  
• Päiksepaneelid on hooldusvabad.
  
• Päiksepaneeli “kütus” ehk päikesevalgus on tasuta saadaval.
  
• Päikeseelektri süsteem võimaldab kas osalist või täielikku sõltumatust elektrivõrkudest.
  
• Päikeseelektri tootmine on keskkonnasõbralik.
  
• Päikeseelektri süsteemi saab vajaduse korral lihtsalt laiendada ning liita sellega uusi paneele või teisi energiaallikaid.
  

Päikeseenergia Eestis

Eestimaal ringi liikudes jäävad juba üsna tihti silma eramajade katustele paigaldatud soojavee päikesekollektorid. Nendelt, kes päikeseenergial toimiva veeküttesüsteemi on oma eramajale paigaldanud, kuuleb vaid positiivset hinnangut.
Oluliselt vähem on aga Eestis levinud päikeseenergiast elektri tootmine, samal ajal kui mujal maailmas ehitatakse kuuldavasti pidevalt juurde nii suuri kui ka väikeseid päikeseelektrijaamu.
Miks siis on Eestis päikesest elektri tootmine nõnda vähe levinud? Siinkohal lükkaks ümber müüdi, mida alatihti kuuleb – Eestis ei ole ju piisavalt päikest. Teatavasti on Saksamaa suurim päikeseenergia tootja maailmas, seal asub ca 50% kogu maailma päikeseelektrijaamadest.
Võrreldes Saksamaaga on Eestis päikeseenergiat küll vähem, aga seda kompenseerib keskmisest madalam õhutemperatuur, mis omakorda tõstab päikesepaneelide efektiivsust. Kui nüüd võrrelda Eesti ja Saksamaa päikeseenergia tootlikkust, siis aasta lõikes on see üsna sarnane. Eesti eripäraks aga on see, et talvekuudel on siin päikeseenergiat võrreldes suvise ajaga ligi 8 korda vähem. Kui võrrelda numbreid, siis näiteks Saksamaal asukohaga Berliin on 1kW päiksepaneelide tootlikkus aastas 829 kWh ja Tallinnas on see 835 kWh.
Eestis on peamisteks päikeseelektrijaamade arengut pidurdavateks teguriteks elektrienergia madal ostuhind ja väga keerukas üldvõrguga liitumise protsess eraisikule kui väikesele tootjale. Soomes näiteks on võimalik lihtsustatud korras väikeste päikese- ja tuuleenergia süsteemide liitmine võrguinverteriga üldvõrku.
Saksamaal makstakse hoone katusel asuva kuni 30kW võimsusega PV paneelide võrku ühendatud süsteemi puhul kuni 0,33 €/kWh ja Tšehhis 0,47 €/kWh. Eestis makstakse päikeseenergiast toodetud elektri eest täna 0.09 €/kWh.
Eestis taastuvenergia tänaste ostuhindade puhul oleks võrku ühendatud süsteemi tasuvus ca 30a ja Eesti päikesega ning Saksamaa hindadega ca 10a. Päikesepaneelide elueaks loetakse 25-30 aastat.
Täna on Eestis päikeseenergia kasutamine elektri tootmise eesmärgil valdav majapidamistes, kus üldvõrguga liitumine pole võimalik (n Eesti väikesaared) või on see liialt kallis ( alajaam asub mitme km kaugusel), samuti väikeste autonoomsete süsteemide puhul (valveseadmed, veebikaamerad, ilmajaamad, meremärgid jne).
Kui kasutada autonoomset elektrisüsteemi ka talvel, siis meie kliimas on hea lahendus 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.
Joonis 3.Päikesekollektori uuem versioon
KASUTATUD ALLIKAD
http://www.efipa.ee/index.php?lang=est&main_id=134
http://www.taastuvenergia.ee/paikeseenergia-eestis.html
Tallinna Keskraamatukogu
10