Päikesejälgija

Allikas: Vikipeedia
3-megavatine CPV-elektrijaam, mis kasutab kaheteljelisi jälgijaid Golmudis Hiinas[1]

Päikesejälgija ehk päikesejälitaja on seade, mis suunab oma koormust päikse suunas või muudab suunda päikese trajektoori põhjal. Selliste jälgijate koormuseks on tavaliselt päiksepaneelid, peeglid, läätsed, paraboolsed künad või fresneli peegeldid.

Lamedapinnaliste fototundlike paneelide puhul kasutatakse jälgimissüsteeme, et vähendada päikse langemisnurka paneelil. See suurendab ühe paneeli energia tootmismahtu võrreldes tavalise fikseeritud paneeliga.

Tavakasutuses prognoositi aastatel 2008–2009, et päikesejälgijaid on võimalik rakendada aastatel 2009–2012 enam kui 85% rakenduslikes paigaldistes, mis toodavad energiat enam kui üks megavatt.[2][3] Alates aprillist 2014 ei ole tekkinud täiendavat infot, mis toetaks neid prognoose, kuna päikesepaneelide hinna languse tõttu on päikesejälgijate kasutamine nüüd vähem efektiivne.

Koondavate fotovaaniliste elementide (CPV) ja koondatud päikeseenergia (CSP) rakendustes kasutatakse jälgijaid, et ergutada optilisi komponente. Jälgimissüsteemid eksisteerivad kõigis koondavates süsteemides, kuna need ei tooda energiat, kui nad ei ole suunatud täpselt päikese poole. Selliste süsteemide puhul kasutab optika päikesevalgusest ainult sirgjoonelist komponenti, mis tähendab, et nad peavad olema alati suunatud päikese poole. [4][5]

Otsevalgus[muuda | muuda lähteteksti]

Fototundlike elementide jaoks koosneb päikese valgus kahest põhi komponendist. Otse valgus, mis kannab 90% päikese energiast, ja hajutatud valgus, mis kannab ülejäänud 10%. Paneelide ja teiste valgustundlike süsteemide töö maksimeerimiseks tuleb nad suunata päikese poole nii palju kui võimalik. Otsevalgusest tuleva energia hulk, mis langeb paneelidele, sõltub valguse langemise nurgast paneeli suhtes. See sõltuvus ei ole tingitud ainult vähendatud pindalast, millele valgus langeb, vaid ka paneeli peegeldustegurist. Kuni 50° nurgani on peegeldushulk paneelil konstantne ja pärast seda väheneb see kiirelt.[6]

Energiakaod, kui paneel on i kraadi valesti suunatud. Paneelile langev energia hulk on leitav kui cos(i).
i Kadu i Kadu
0° 0% 15° 3,4%
1° 0,015% 30° 13,4%
3° 0,14% 45° 30%
8° 1% 60° >50%[7]
23,4°[8] 8,3% 75° >75%[7]

Kuna päike liigub ühe päeva jooksul 360° idast läände, tähendab see iga paigaloleva seadme jaoks 180° nähtavat valgust päevas. Lisades veel horisondi efektid, pinna reljeefid ja päikese teekonna sõltuvuse aastaajast, jääb efektiivseks vahemikuks keskmiselt 150°. Sel juhul näeb optimaalselt suunatud paigalolev päiksepaneel ühe ööpäeva jooksul kuni 75° nurka kummaski suunas. See tähendab, et paigalolev paneel kaotab kuni 75% energiast hommikul ja õhtul ning töötab täies mahus ainult keskpäeval.[9] Selliste kadude likvideerimiseks rakendatakse vertikaalteljel pöörlevaid jälgijaid. Ühe aasta jooksul säästavad üheteljelised jälgijad kuni 24–32% energiakadudest võrreldes paigalolevate süsteemidega.[10][11]

Päike liigub 46° põhja ja lõuna suunas ühe aasta jooksul. Selle tõttu näeb sarnaselt paigaldatud päikesepaneel päikest kuni 23° nurga all olenevalt aastaajast. Arvestades päikesepaneelide efektiivsust, tähendab see kuni 8,3% kadusid kaks korda aastas. Jälgijad, mis likvideerivad nii päevast kui ka aastaajast sõltuvat päikese liikumist, on kaheteljelised päikesejälgijad. Kaheteljeliste jälgijate eelis üheteljeliste ees on ainult 4% energiakadu. Selle tõttu on nad tihti vaidluse all, et kas tehnika on väärt nii väikest energiasäästu. Lisaks veel sõltuvalt seadme asukohast planeedil saab paneel erineva hulga valgust erineval aastaajal. Need vahekorrad saavad muutuda nii ekstreemseks, et ühe- ja kaheteljelisel jälgijal ei olegi enam märkimisväärset vahet.

Alusraamitüübid[muuda | muuda lähteteksti]

Päikesepaneeli liikumisvabaduse valik sõltub selle asukohast ja koormuse tüübist. Peamised kasutatavad tüübid on paigalolevad, üheteljelised ja kaheteljelised.

Paigalolev[muuda | muuda lähteteksti]

Paigaloleva raamiga päikesepaneelid hoone katusel

Kõige tavalisem ja odavam rakendus hoonete katustel on paigalolev päikesepaneel. Need paneelid on tihti paigutatud ühtlaselt kaldus oleva katusega. Paigalolevatel süsteemidel on suuri eeliseid võrreldes jälgimisrakendustega.

  • Mehaaniliselt lihtsamad – neid on lihtsam toota, paigaldada ja ülal pidada.
  • Tuulekindlamad – neile on kergem luua kindlad kinnitused, kõigil teistel tüüpidel peab arvestama tuulekindlusega, kuna nad ei ole nii kaitstud.
  • Päikesepaneeli suunakindlus – tavaliste siledapinnaliste paneelide puhul isegi suuremad valgusenurgad mõjutavad paneeli tootmisedukust väga vähe. Hajutatud valgusest on ikka võimalik saada üle 10% otsevalgusest[12], ja selle tõttu kaod ei ole väga suured.

Tähtis on mainida, et paigalolevad süsteemid toimivad hästi ainult mittekoondavate süsteemide puhul, mis vajavad päikese valguse sirgjoonelist komponenti.

  • Suunavad peeglid

Üldjuhul suurem osa jälgimissüsteemidest suunavad koormust ennast päikese poole aga on ka olukordi, kus see ei ole lihtsalt võimalik. Mitmed kogujad on liiga massiivsed, et neid realistlikult liigutada. Kõrge temperatuuri kogujad, kus energiat hoitakse kuuma vedeliku või gaasina, vajavad sirgjoonelist valgust ja neid endid ei saa päikese poole suunata. Otsekütte süsteemid, valgustussüsteemid hoonetele ja fikseeritud sisseehitatud päikeseenergial töötavad küpsetid nagu Scheffleri peegeldi kuuluvad kõik selle sama kategooria alla. Selliste olukordade puhul peab rakendama liikuvaid peegleid, mis alati suunavad päikese valgust kogujale. Päikese keerulise teekonna ja täpsusnõuete tõttu rakendavad heliostaatpeegelsüsteemid üldiselt kaheteljelist jälgijat. Teistes sama eesmärgiga süsteemides, kus piisab lamedapinnalisest või kumerast peeglist, rakendatakse üheteljelisi jälgijaid.

Üheteljeline[muuda | muuda lähteteksti]

Üheteljelistel päikesejälgijatel on ainult üks telg, mille ümber nad ennast pööravad. Tavarakendustes suunatakse see telg paralleelseks põhjasuuna meridiaaniga. Paremate jälgimisalgoritmidega on neid võimalik suunata mistahes ilmakaare järgi. On palju erinevaid üheteljelisi jälgimissüsteeme ning nende peamised vahed tulenevad sellest, mille suhtes nende pöördenurk on seatud.

  • Horisontaaltelg
4 MW horisontaalteljeline jälgija Vellakoil Tamil Nadus Indias[13]
Horisontaalteljelised kaldega moodulid Hiinas Xitieshan lähedal

Üheteljelised horisontaalpäikesejälgijad jagunevad omakorda kaheks peamiseks tüübiks. Esimese puhul paigaldatakse paneelid ühtlaselt 0° all. Selliste süsteemide puhul on suure alalised paigaldused väga paindlikud. Lihtsa geomeetria tõttu on väga lihtne hoida kõiki telgi paralleelsena teineteise suhtes. Õige vahe määramisega on lisaks veel võimalik maksimeerida toodetava energia hulka, mis sõltub peamiselt pinna reljeefist ja varju tingimustest. Selliseid süsteeme on võimalik rakendada ainult väikestel laiuskraadidel. Teises horisontaalpaigaldussüsteemis on paneel paigaldatud väikese kaldenurgaga. Selliseid süsteeme rakendatakse suurematel laiuskraadidel, kus 0° nurk ei ole enam väga efektiivne. Horisontaalteljelisi süsteeme eelistatakse suuremate installatsioonide puhul, kuna need kulutavad vähem ruumi kui vertikaalteljelised süsteemid, see omakorda vähendab projektide kulusid.[14][15]

  • Vertikaaltelg

Vertikaalteljeliste jälgijate puhul on pöörlemistelg suunatud risti maa pinnaga. Sellised jälgijad pööravad ennast lääne suunas ja olenevalt süsteemi ehitusest pööravad ennast öösel tagasi algusolekusse või teevad täisringe. Kõige paremad kasutusalad selliste jälgijate puhul on suurtel laiuskraadidel, kus horisontaalteljelised ei saa enam hakkama. Suurematel laiuskraadidel peab arvestama ka varjudega, mis on sellel jälgimissüsteemil suurem probleem kui horisontaaljälgijatel. Selle tõttu muutub kogujate tihedalt pakkimine keeruliseks optimeerimisprobleemiks. Vertikaalteljeliste jälgijate puhul on paneelid alati kinnitatud nurga all pöörlemistelje suhtes.

  • Kaldtelg
Kaldteljega jälgimissüsteem Siziwangqis Hiinas

Kõik üheteljelised jälgijad, mille pöörlemistelg ei ole horisontaalne ega vertikaalne maa suhtes kutsutakse kaldteljelisteks jälgijateks. Jälgijate kaldenurga valikud on tavaliselt piiratud tuule profiili ja süsteemi kõrguse tõttu. Tagurdamismeetodiga on võimalik kaldteljelisi süsteeme paigaldada pöördtelje suhtes risti kõigil tihedustel, nii et varje ei tekiks. Kahjuks selline pakkimine sõltub kaldenurgast ja laiuskraadist ja ei ole sobilik igas konfiguratsioonis. Kaldnurgalistel jälgijatel on mooduli esikülg tavaliselt suunatud paralleelseks pöördteljega. Selle tõttu, kui süsteem jälgib päikest, siis seadme liikumine kujutab silindrit, mis on pöördelt sümmeetriline ümber pöördtelje.

  • Polaartelg

Polaarteljeline jälgija on kõige tuntum teleskoobi tugistruktuuri meetod. Selliste jälgijate puhul on kallakuga telg ühtsustatud Põhjanaelaga ehk kallak on võrdne asukoha laiuskraadiga. Selle tõttu on jälgija pöördtelg sarnane maa pöördteljega.

Kaheteljeline[muuda | muuda lähteteksti]

Kaheteljelistel jälgijatel on kaks telge, mille ümber on võimalik koormust liigutada. Tavarakendustes on need kaks telge teineteise suhtes risti. Maaga ühendatud telg on primaartelg ja teine telg, mille nurk sõltub esimesest teljest on sekundaartelg. On mitmesuguseid kaheteljelisi jälgimissüsteeme, üldiselt neid klassifitseeritakse primaartelje nurga järgi maa suhtes. Kaks kõige tuntumat tüüpi on ots-kallak- ja asimuut-altituud-jälgijad. Koormuse suund jälgija suhtes on väga tähtis seadme efektiivsuse arvutamisel. Tavaolukordades on koormused suunatud paralleelselt teise pöördteljega. Kaheteljelised süsteemid lubavad optimaalse energiahulga kogumist, kuna nende puhul on koguja alati suunatud päikese poole, sõltumata päikese asukohast taevas.

  • Ots-kallak
Kaheteljeline ots-kallak-jälgimissüsteem posti otsas

Kaheteljelised ots-kallak-jälgijad on posti otsa paigaldatud süsteemid. Posti ümber pöörlemine tagab ida-Läänesuunalise liikumise ja posti otsas olev T- või H-kujuline mehhanism lubab horisontaalteljelist liikumist. H-kujuliste süsteemide puhul võivad sekundaarsed teljed olla omavahel ühendatud, vähendades paigaldamiskulusid. Teiste sarnaste süsteemide puhul võivad vertikaalteljed olla fikseeritud asimuudiga ning sõltuda horisontaalteljest. Selliste süsteemide puhul on kergem koormus ühendada maaga, kuna jälgija ei keera kaableid ümber primaartelje. Paigalduse mõttes on ots-kallak-päikesejälgijad väga paindlikud. Lihtsa geomeetria tõttu tuleb seadmete pöördtelgi hoida lihtsalt paralleelsena parima paigalduse jaoks. Teiste päikesejälgimissüsteemide puhul tuleb kasutada väiksemat paigaldustihedust, et üks jälgija ei kataks teist oma varjuga. Ots-kallak-jälgijad saavad seda kompenseerida, suunates ennast rohkem horisondi järgi, parandades sellega kogutud energia hulka.[16]

  • Asimuut-altituud
Väikse alusega asimuut-altituud-jälgimissüsteem

Kaheteljelisel asimuut-altituud-jälgijal on peatelg vertikaalne maaga. Teist telge kutsutakse tavaliselt kõrguse teljeks. Tööpõhimõttelt sarnanevad need väga ots-kallak-süsteemidega, aga erinevus seisneb selles, kuidas paneele pööratakse päevasel jälgimisel. Asimuut-altituud-süsteemid kasutavad suurt maas olevat rõngast, mis lubab paremat raskuse jaotust kui ots-kallak-süsteemides olevad pulgad. Selle tõttu võivad asimuut-altituud-süsteemid kanda palju suuremaid koormusi. Tähtis on märkida, et asimuut-altituud-süsteeme ei saa sama tihedalt paigaldada kui ots-kallak-süsteeme puhtalt rõnga diameetri tõttu.

Jälgimissüsteemid[muuda | muuda lähteteksti]

Peamised tegurid, millega peab arvestama jälgimissüsteemi valides, on installatsiooni suurus, kohalikud elektrihinnad, valitsuse pakutavad stiimulid, maapinna piirangud, laiuskraad ja kohalikud ilmaolud. Üheteljelisi horisontaaltüüpi jälgijaid rakendatakse tavaliselt suuremates hajustootmisprojektides ja rajatisesuurustes projektides. Üheteljelise süsteemi mehaaniline lihtsus ja robustsus hoiavad selle ülalpidamiskulud väiksena, mis on väga ahvatlev suuremate projektide korral. Kuna paneelid paigaldatakse horisontaalselt, ei ole neil iseenda varjamise probleeme ja nad on hooldamiseks kergesti ligipääsetavad. Vertikaalteljelised jälgijad, mis pöörlevad ainult ümber vertikaaltelje, on väga ahvatlevad suurtel laiuskraadidel, kus päike liigub pikalt mööda madalat kaart. Selliseid jälgijaid on tihti võimalik aastaaja järgi nihutada, kui nurk muutub liiga suureks. Kaheteljelisi päikesepaneelidega süsteeme rakendatakse väiksemates elamuinstallatsioonides ja kohtades, kus on väga suured valitsuse soodustariifid. Kaheteljelisi kasutatakse ka koondavate kogujate puhul, kus täpsus on väga tähtis.

Aktiivne jälgija[muuda | muuda lähteteksti]

11MW PS10 Sevilla lähedal Hispaanias. Pildi tegemise ajal oli õhus tolm, mis tegi valguskiired nähtavaks

Aktiivsed jälgijad rakendavad mootoreid ja hammasülekandeid, et suunata koormust päikese suunas. Jälgimissüsteemides rakenduvad tehnoloogiad arenevad pidevalt ja uued läbimurded Google'i ja Eternity poolt on võtnud kasutusele terastrossid ja vintsid, et vahetada välja kallimaid ja õrnemaid komponente. Kaheteljelisi aktiivjälgijaid kasutatakse valdavalt heliostaatide suunamisel, kus valgus peab olema väga täpselt suunatud keskse koguja suunas. Kuna heliostaatsüsteemides on kõigil peeglitel erinevad orientatsioonid, kasutatakse sellistes kohtades tavaliselt keskseid juhtimissüsteeme. Valgustundlikel päikesejälgijatel on tavaliselt kaks või enam fotosensorit, olenevalt sellest, mitme teljega on tegemist. Need fotosensorid on tavaliselt paigaldatud jälgijal nii, et kui nendelt loeatavate väärtuste erinevus on null, on seade on päikese poole suunatud. Kuna aktiivsete jälgijate puhul rakendatavad mootorid tarbivad energiat suunamise ajal, on tähtis neid kasutada ainult siis, kui selleks on vajadus. Seetõttu aktiivjälgijad orienteerivad ennast diskreetsete sammudena ainult siis, kui mootori kasutus säästab rohkem energiat kui ta seda kulutab. Tähtis on ka arvestada pilviste ilmadega, kus vahetute varjude teke võib jälgija segadusse ajada.

Passiivne jälgija[muuda | muuda lähteteksti]

Kõige tuntum passiivjälgimissüsteem rakendab surve all olevaid keevaid vedelikke. Sellistes süsteemides liiguvad vedelikud ühest otsast teise, kasutades päikese energiast tingitud rõhku, mis omakorda suunab jälgijat. Kuna selline süsteem ei ole ilmselgelt kuigi täpne, ei rakendata seda koondavates süsteemides. Passiivsetel jälgijatel on lisaks vaja kasutada summutusseadmeid, et kaitsta süsteemi tuule mõju eest. Passiivjälgijad on väga aeglased võrreldes teiste süsteemidega ja kulutavad kuni tunni hommikusest valgusest, et ennast tööle ajada. Uuemat tüüpi passiivjälgimissüsteemid kasutavad päikesepaneelide taga olevat hologrammi, mis peegeldavad paneelidest läbinud valgust tagasi süsteemi, et suurendada selle efektiivsust. Sellised süsteemid ei pea liikuma, kuna hologramm suunab valguse alati õiges suunas.

Kronoloogiline jälgija[muuda | muuda lähteteksti]

Rootsis asuv päikeseteleskoop, mis rakendab asimuut-altituud-jälgijat

Kronoloogilised jälgijad kasutavad lihtsat ja potentsiaalselt väga täpset süsteemi. Kronoloogiline jälgija pöörab ennast sama kiirusega ja samal teljel, nagu maa pöörab ennast päikese suhtes, ainult vastassuunas. Selle saavutamiseks rakendatakse lihtsaid pööramismehhanisme, mis pööravad seadet konstantse kiirusega 15° tunnis. Tavaliste päikesepaneelide puhul sellisest süsteemist piisab, aga teleskoopide suunamisel on tähtis kasutada ilmset päikeseaega või päikesekella aega. See on tähtis, kuna päikese trajektoor taevas sõltub aastaajast, mis võib tavalise kronoloogilise jälgija puhul tekitada mitmekraadise suunamisvea. Mõned kronoloogilised päikesejälgijad kasutavad GPS-süsteeme, et määrata päikese suund väga täpselt nende enda asukoha, kuupäeva ja aja järgi.

Käsitsi juhitav jälgimine[muuda | muuda lähteteksti]

Mitmel arengumaal kasutatakse automatiseeritud suunamise asemel operaatoreid, kes suunavad süsteeme käsitsi. Sellised süsteemid on tihti palju robustsemad ja kasulikud ümbruskonna elanikele, kuna see tekitab uusi töökohti.

Probleemid[muuda | muuda lähteteksti]

Päikesejälgimissüsteemide kasutamisel on suureks probleemiks nende tootmis- ja hoolduskulud. Jälgimissüsteemid olid valdavalt kasulikumad, kui fototundlikud paneelid olid kallimad. Kallimate paneelide puhul on mõistlikum ühe paneeli efektiivsust parandada, selle asemel et lihtsalt rohkem paneele kasutada, mis tänapäeval kehtib palju vähem. Uute fikseeritud paneelide lisamine jälgija asemel teeb ka hoolduskulud väiksemaks.[17] Jälgimissüsteemid ei sobi ka elamute katustele, kuna nende puhul peab arvestama paneeli liikumisruumi ja tuule tingimustega. Selle tõttu on jälgimissüsteemid pigem kasutusel maapinnal, kus süsteemil on rohkem ruumi end keerata, ja tunneb vähem tuule mõju. Suur probleem jälgijatega tekib siis, kui neid kasutatakse tihedalt ja need hakkavad üksteist varjama. Keskpäeval ei ole see tihti ilmne, aga hommikul ja õhtul võivad lähestikku asuvad paneelid, mis on paigaldatud ida-lääne teljele, üksteist peaaegu täiesti varjata. See tähendab, et jälgimissüsteemid peavad olema hõredalt paigutatud, see aga võib vähendada kogutud energiat ruutmeetri kohta. Suuremate maa-alade puhul ei tekita see probleeme.

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Kirjandus[muuda | muuda lähteteksti]

  1. ↑ http://www.suntrix.cn/home-en/projects/golmud-3mw-hcpv.aspx
  2. ↑ Customers Recognize the Power of Solar Tracking Accessed 4-3-2012
  3. ↑ Tracking Systems Vital to Solar Success Accessed 4-3-2012
  4. ↑ Antonio L. Luque; Viacheslav M. Andreev (2007). Concentrator Photovoltaics. Springer Verlag. ISBN 978-3-540-68796-2.
  5. ↑ Ignacio Luque-Heredia et al., "The Sun Tracker in Concentrator Photovoltaics" in Cristobal, A.B.,Martí, A.,and Luque, A. Next Generation Photovoltaics, Springer Verlag, 2012 [ISBN 978-3642233692]
  6. ↑ For example Figure 6 (Si+SiO2 SLAR) at Bio-mimetic nanostructured surfaces for near-zero reflection sunrise to sunset, Stuart A. Boden, Darren M. Bagnall, University of Southampton, retrieved 5-June-2011
  7. ↑ 7,0 7,1 Greater due to higher reflectance at high angles of incidence.
  8. ↑ Maximum seasonal variation (at summer or winter solstice), as compared with accurate alignment at equinox.
  9. ↑ Table at Air mass coefficient
  10. ↑ William David Lubitz, "Effect of Manual Tilt Adjustments on Incident Irradiance on Fixed and Tracking Solar Panels", Applied Energy, Volume 88 (2011), pp. 1710–1719
  11. ↑ David Cooke, "Single vs. Dual Axis Solar Tracking", Alternate Energy eMagazine, April 2011
  12. ↑ 900 W/m2 direct out of 1000 W/m2 total as per Reference Solar Spectral Irradiance: Air Mass 1.5 NREL, retrieved 1 May 2011
  13. ↑ https://www.facebook.com/media/set/?set=a.734789869874356.1073741841.234143546605660&type=3
  14. ↑ http://www.suntrix.cn/home-en/news-events/company-news/xitieshan-solar-tracker.aspx
  15. ↑ example of HTSAT
  16. ↑ "Backtracking", Lauritzen Inc.
  17. ↑ Solar Trackers: Pros & Cons Accessed 4-3-2012
Pärit leheküljelt "https://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Päikesejälgija&oldid=6491837"