Päikeseenergia
Päikesekiirguse allikaks on Päikesel toimuvad looduslikud tuumasünteesi protsessid. Päikesel muundub tuumasünteesi kaudu u. 650 miljonit tonni vesinikku sekundis, kusjuures energiaks muunduv mass on 4,6 miljonit tonni. Päikese kiirgusvõimsus Maa atmosfääri ülakihtides on suurusjärgus 174 petavatti (10^15 W). U. 30 % sellest peegeldub tagasi avakosmosesse, ülejäänu salvestub aga Maa atmosfääri, ookeanidesse ja maismaasse. Tehiskaaslaste poolt mõõdetud päikesekiirguse võimsust Maa pindalaühiku kohta nimetatakse solaarkonstandiks, selle suurus on u. 1366 vatti ruutmeetri kohta. Solaarkonstant varieerub aasta jooksul 6,9 % ulatuses Maa orbitaalse liikumise tõttu. Kuna Maa diameeter Päikeselt vaadates on ligikaudu 1/11000 radiaani, on Päikese koguvõimsus peaaegu 3,8 x 10^26 vatti. Ühe aasta jooksul Maale langev päikeseenergia hulk on kaks korda suurem kui kogu inimkonna käsutuses olevast fossiil- ja tuumkütuste varust saadav energia kokku.
Kaasajal üks kõige kiiriemini kasvavaid alternatiivenergia liike on fotoelektrilised päikesejaamad, n. 2008. aasta jooksul kasvas fotoelektriliste päikesepatareide tootmisvõimsus maailmas 70%, saavutades 13 GW. Turu juht fotoelektriliste päikesepatareide valdkonnas oli Hispaania, mis ehitas sama perioodi jooksul 2,6 GW jagu uusi elektrivõrku ühendatud päikeseenergiarajatisi. Baltimaades ja Eestis ongi võimalik kasutada vaid fotoelektrilisi päikesejaamu, kuna need suudavad elektrienergiaks konverteerida ka atmosfääris hajunud päikesekiirgust. Fotoelektriliste tehnoloogiate hulka kuuluvad ventiilfotoelemendid, lampdioodfotoelemendid, fototransistorid ja –türistorid ning elektrokeemilised vedelikelemendid. Energeetikas kasutatakse neist vaid ventiilfotoelemente -- teiste tootlikkus on liiga madal.
Ventiilfotoelemendi saame, kui ühendame omavahel kaks pooljuhti. Need pooljuhid on tahked materjalid, mille aatomid paiknevad võreja struktuurina. Praktikas kasutatakse siin peamiselt räni mille aatomi välimises elektronkihis on neli elektroni. Pooljuhtivat materjali, milles tekivad päikesevalguse mõjul vabad elektronid ning mis omandab seeläbi negatiivse laengu, nimetatakse n-pooljuhiks ehk emitteriks. Emitteri saame näiteks, kui viime räni kristallvõresse fosforiaatomeid, mille välimises elektronkihis on viis elektroni (seda nimetatakse räni doteerimiseks fosforiga). Pooljuhtivat materjali, milles tekivad päikesevalguse mõjul positiivse laenguga augud nimetatakse p-pooljuhiks ehk fotoelemendi baasiks. Baasi saame näiteks, kui doteerime räni booriaatomitega, mille välimises elektronkihis on kolm elektroni. Kahe vaid mõne mikromeetri paksuse p- ja n-pooljuhi kihi vahel moodustub p-n siire ehk ruumlaengu tsoon. Fotoelektrilise effekti mõjul tõukavad piisavalt energiarikkad footonid välja elektronid, mille tulemusena algab vabade elektronide liikumine üle energeetilise lõhe vastaselektroodi kristallvõre "aukudesse" ja vastupidi – "aukude" tekkimine seal, kus enne asusid elektronid. Kui fotoelemendi väline vooluahel on suletud, saamegi elektrivoolu.
Kui valguse sagedus ei ole piisavalt kõrge (s.t. footonid ei oma piisavalt energiat, et elektroni p-n siiret stimuleerida), on valgus ebaefektiivne. Teisest küljest, kui valguse sagedus on liiga suur, saavad elektronid piisavalt energiat üle energeetilise lõhe hüppamiseks, kuid ülejäänud energia genereerib vaid soojust. Enamiku päikesevalguse footonite energia jääb 1 eV (1,6 x 10^-17 J) ja 3 eV (4,8x10^-17 J) vahele. Energeetiline lõhe, mis maksimiseerib päikeseenergia konversiooni elektrienergiaks on umbes 1,5 eV (2,4 x 10^-17 J). Normaaltalitusel fotoelemendi pinge on enamasti 0,5 V. Iga element tekitab väga väikese koguse elektrit. Tugevama elektrivoolu saamiseks ja elektrivõimsuse suurendamiseks ühendatakse elemendid kokku nii, et tekivad suured fotoelektrilised paneelid ehk moodulid. Kuna elemendid on väga õhukesed ja purunevad kergesti, ümbritsetakse nad ilmastikukindla materjaliga ning kaetakse läbipaistva ja tugeva klaaskihiga.
Fotoelementide abil on lihtne muundada päikesekiirgust elektrienergiaks, nad ise ei ole aga energiaallikad ega ka salvesta energiat. Kui päikesevalgus kaob, katkestab fotoelement elektri tootmise. Kuna päikesekiirguse intensiivsus maapinnal teatavasti tugevalt varieerub, on fotoelementide kasutamisel vajalik tasakaalustussüsteem, mis annab energiat, kui valgust ei ole. (Intensiivsust on võimalik tõsta valguse fokuseerimise kaudu paneelile läätsede abil, see tõstab kiirgustihedust mitukümmend korda, kuid nõuab patarei varustamist orienteerimissüsteemiga). Tasakaalustussüsteem võib olla nii energiasalvestussüsteem, mis ladustab päikesevalguse abil toodetud elektrienergiat kui ka lisaenergiaallikas, mis toodab energiat päikesevalguse puudumisel.
Peamine tegur, mis takistab päikeseenergia laialdast kasutuselevõttu, on pooljuht-päikesepaneelide kõrge hind, mis kajastub ka nende toodetud elektri hinnas. Kaasaegsed päikesepaneelid hakkavad end (ideaalsetes tingimustes) energia poolest ära tasuma 1 – 1,5 aastaga, see on aeg mille jooksul toodetakse nende valmistamiseks kulunud energia. Kuna ka päikesepaneelide poolt toodetud energia sõltub tugevasti ilmastikuoludest, on mõistlik võrrelda nende reaalset võimsust nominaalvõimsusega. Tüüpilistel päikesepaneelidel jääb see asetuse tõttu 25% piiridesse, kuid kui võtta kasutusele nende asetamine õige nurga all ning automaatne pööramine, on seda võimalik tõsta. Teiseks takistavaks teguriks on päikeseenergia varieeruvus aja jooksul, mis on seotud ilmastikutingimuste, öö-päeva tsükli ning aastaaegadega.
Eesti tingimustes paikneva individuaalelamu päikeseenergialahenduseks soovitaksime täisautomaatset süsteemi, mis toodaks elektrienergiat päikesepaneelidest koguvõimsusega 1kW ning muundaks selle tavaliseks 220 V, 50 Hz vahelduvpingeks. Ööpäevaste kõikumiste tasakaalustamiseks peaks süsteem sisaldama ka energiasalvestuseks vajalikke seadmeid (n. pliiakusid) ning juhtimistarkvara minimaalse välistarbimise (tsentraalsest elektrivõrgust pärineva energia) automaatseks tagamiseks. Mõõte/juhtimissüsteem näitaks kui palju energiat paneelidest tuleb, kui palju tarbitakse ning haldaks maja energiaallikaid vastavalt eelnevalt määratud programmile.
- Vajadusel on võimalik andmed salvestada serverisse/andmebaasi, kust on võimalik interneti vahendusel jälgida paneelide tootlikust ja maja energiatarvet erinevatel ajavahemikel.
- Soovi korral on interneti vahendusel võimalik maja energiasüsteemi ka juhtida.
- Arvestuslikult on süsteem suveperioodil maist septembrini suuteline katma suurema osa maja energiatarbest ning juunist augustini kogu maja energiatarbe.
Küsige pakkumist või personaalset tutvustust – Kontakt
