Päikesepaneel

Fotoelektrilise süsteemi (PV-system) võimalikud komponendid:
Solar Cell – päikeseelement, Solar Module – päikesemoodul,
Solar Panel – päikesepaneel, Solar Array – paneelide massiiv

Polükristallilisest ränist elementidest koosnev PV-moodul

Päikesepatarei on päikesekiirgust muundav elektrienergia allikas, mis on moodustatud päikeseelementidest ehk fotogalvaanilistest elementidest (inglise keeles photovoltaic cell, lühend PV cell).

Üldiseloomustus

Päikesepatarei algne komponent (vähim koostisosa) on päikeseelement – suurepinnaline fotoelement, mis muundab päikesekiirguse energiat vahetult elektrienergiaks. Ühe elemendi pinge on 0,5–0,6 V ja saadava elektrivoolu tugevus oleneb peamiselt elemendi valgust neelava pinna mõõtmetest, kuid ka kasutatavatest pooljuhtmaterjalidest ja elemendi ehitusest.

Suuremate pinge- ja vooluväärtustega elektritoiteallika saamiseks ühendatakse elemendid patareiks, mida nimetatakse päikesemooduliks või -paneeliks. Moodulite võimsus võib olla mõnest millivatist kuni mõnesaja vatini. Kõige väiksemaid päikesepatareisid kasutatakse käekellades ja kalkulaatorites, suuremaid näiteks akuga välisvalgustites.

Suurepinnalisi (enamasti kuni 1 m²) mooduleid nimetatakse harilikult päikesepaneelideks, ka PA-paneelideks (nt 36-elemendiline paneel, 830×675×33 mm, 12 V, 100 W). Päikesepaneelid võivad koosneda mitmest moodulist. Paneelid ühendatakse omakorda vajaliku pinge saamiseks jadamisi ja elemendijadad vajaliku võimsuse saamiseks rööbiti. Niisugused päikesepaneelidest moodustatud patareid paigaldatakse näiteks hoonete katusele.

Päikesepaneelidest moodustatud patarei on võimalik ühendada kohaliku vahelduvvooluvõrguga. Et päikesemoodulid ja -paneelid on alalisvooluallikad, ühendatakse nad vahelduvvooluvõrku läbi vaheldi ehk inverteri. Niisuguse muundusseadme abil on võimalik saada elektritarvititele vajalikku vahelduvvoolu ka eraldi päikesepatareist. Harilikult kuulub siis fotoelektrilisse ehk PA-süsteemi energiasalvestina akupatarei, samuti mõõte- ja lülitamisseadised.

Olulised parameetrid ja omadused

Paneelide tunnussuurusi mõõdetakse standardtingimustes: energiatihedus 1000 W/m², valguskiirguse spekter, mis sarnaneb 35. laiuskraadi suvise päikesevalguse omaga temperatuuril 25 °C.

Päikesepaneelide kõige olulisemad tunnussuurused on järgmised:

• Nimivõimsus väljendab seda, kui palju toodab uus paneel standardsetes tingimustes elektrienergiat. Päikesepaneelid vananevad aja jooksul, tüüpiliselt väheneb maksimaalne võimsus umbes 0,5 protsenti aastas. Tihti annavad tootjad garantii, et tootlikkus püsib vähemalt 10 aastat 90% tasemel ja 25 aastat pärast paneeli kasutusse võtmist 80% tasemel.
• Avaahelapinge (pinge koormamata paneelil) näitab seda, kui suur on pinge, mis paneeli väljundis tekkida saab.
• Lühisvool määrab ära paneeli maksimaalse väljundvoolu.
• Pinge ja vool maksimaalses võimsuspunktis iseloomustavad paneeli suurimat võimsust.
• Paneeli efektiivsust väljendab energiamuundamise kasutegur (standardtingimustel); reaalses rakenduses sõltub efektiivsus näiteks paneeli töötemperatuurist.

Koos tarbimise suurenemise ja konkurentsi tihenemisega on langenud päikesepaneelide hind. Päikeseelementide tootmiskulu on perioodil 2006–2011 langenud üle kahe korra. Sellega kaasnevalt on langenud seadmekomplektide hind ka lõpptarbija jaoks.

Katusele paigutatud päikesepaneelid

Katusel paiknevad paneelid

Üks kõige levinumaid viise paneelide paigaldamiseks on nende katusele monteerimine, kuna nii kasutatakse ära muidu tühjalt seisev pind. Võrreldes maapinnal paiknevate paigaldistega on katusele monteeritud päikesepaneelide patarei odavam,sest kinnitussüsteem on lihtne. Paneelide paigutamine võib osutuda keerukamaks, kui katus on ebatraditsioonilise kujuga. Tihti osutuvad mureallikateks läheduses paiknevad kõrged puud, mis paneelid varju jätavad. Et säilitada päikesepaneelide maksimaalset väljundvõimsust, tuleb nende pinda aeg-ajalt puhastada. Tavaliselt piisab sellest, kui paneelidele vihma sajab, kuid vihmavaestes piirkondades võib katusel asetsevate paneelide puhastamine tülikaks osutuda.

Maapealsed paigaldised ja päikeseelektrijaamad

 Pikemalt artiklis Päikeseelektrijaam

Maapealset paigaldust kasutatakse enamasti just päikeseelektrijaamades, mis paiknevad suurel territooriumil ja toodavad energiat kümnetes või sadades megavattides. Niisugustes jaamades võib olla sektsioonidesse ja rühmadesse ühendatuna sadu tuhandeid paneele võimsusega 50–1000 W. Maapealsetes paigaldistes saab paneelid paigutada maapinna suhtes erinevate nurkade alla ja sellega optimeerida paneelide tootlikkust. Sellistes nn päikeseparkides on tihti kasutusel päikesejärgijad.

Päikesejärgimissüsteem tuvastab päikese asukoha ja korrigeerib paneelide asendit, et need paikneksid alati päikese poole. Tegemist on aktiivse süsteemiga ja paneelide liigutamiseks on üldjuhul vaja mootorajameid. Kuna tegemist on liikuva süsteemiga, on sellise süsteemi ehitamine ning hooldamine kulukas, kuid saadakse kõrgem kasutegur – kuni 20 %. Päikesejärgmissüsteemid võivad tugevama tuule korral kahjustusi saada. Fikseeritud süsteemid on tuule suhtes oluliselt vastupidavamad.

Päikesepaneelid ESTCube-1 kere küljes

Päikesepaneelid rahvusvahelise kosmosejaama küljes

Päikesepatareid kosmoseaparaatidel

Päikesepaneelid on toiteallikaks enamikule meie päikesesüsteemis opereerivatele tehiskaaslastele. Esimest korda kasutas päikeseenergiat ameeriklaste satelliit Vanguard-1 1958. aastal. Vanguard-1 kere külge kinnitati päikesepaneelid, mille efektiivsus oli 10% ja koguvõimsus alla 1 W. Esimestel päikeseenergiat kasutavatel tehiskaaslastel olid paneelid kinnitatud kere külge, kuid aja jooksul kasvas vajadus energia järele ja kere pindalast jäi väheseks. Selle probleemi lahenduseks töötati välja paljudest paneelidest koosnev lahtivolditav süsteem. Viimaste aastakümnete jooksul toimunud tehnoloogiline areng on andnud selleks järjest kergemaid ja töökindlamaid mehhanisme. Suur hüpe on toimunud ka päikesepaneelide tehnoloogias, mille tulemisena on tänapäevastel päikeseelementidel kasutegur üle 35%.

Taaskasutamine

Päikesepaneelide klaasist ja metallist detailid on võimalik uuesti kasutusse võtta. Samuti on taaskasutatavad kuni 95% paneelide pooljuhtmaterjalidest.

• Ränikristallidel põhinevad paneelid purustatakse ning nendest eraldatakse klaas, plastik ja metall. Võimalik on taaskasutada üle 80% päikesepaneelist (massi järgi). Kuna paneele kattev kaitsev klaasikiht sarnaneb ehituses või autotööstuses kasutatava klaasiga, on võimalik seda taaskasutada näiteks klaasvilla või vahtklaasi tootmiseks.
• Ränil mitte-põhinevate paneelide taaskasutamine on keerulisem ning nõuab spetsiaalseid tehnoloogiaid: üks levinumaid viise on kasutada erinevaid keemilisi vanne materjalide eraldamiseks. Näiteks Cd-Te põhinevad paneelid purustatakse ja jagatakse seejärel erinevateks koostisosadeks. Sellise meetodiga on võimalik uuesti kasutada kuni 90% klaasist ja 95% pooljuhtmaterjalidest.

Alates 2010. aastast toimuvad Euroopas iga-aastased konverentsid, mis toovad kokku tootjad, taaskäitlejad ja uurijad, et arutleda taaskasutuse tulevikumeetodite üle.

Vaata ka

• Päikeseelement