Päikesepatarei

Allikas: Vikipeedia
24 päikesepaneelist koosnev installatsioon Mongoolias
Kodukootud päikesepaneel individuaalsetest päikeseelementidest

Päikesepatarei (ka päikesepaneel) koosneb päikeseelementidest ehk fotogalvaanilistest elementidest. Päikesepaneele kasutatakse komponentidena suuremates päikesepatarei maatriksites, mille abil toodetake päikeseenergiat nii kodus kasutamiseks kui ka võrku müümiseks. Tüüpiliselt on päikesepaneelide elektriline võimsus 100 kuni 320 vatti ning väljastatav vool on alalisvool. Päikesepaneelide oluline näitaja on nende efektiivsus: näiteks 8% efektiivsusega ning 230 W võimsusega päikesepaneel on pindalalt kaks korda suurem kui sama võimas, aga 16% efektiivsusega paneel. Kaubanduslikult müüdavate paneelide efektiivsus varieerub vahemikus 15–20 protsenti ning arendatavad tehnoloogiad lubavad ka efektiivsust üle 30 protsendi. Kuna päikesepaneelid toodavad piiratud hulgal energiat, siis enamik süsteeme koosneb mitmest päikesepaneelist. Sellised süsteemid võivad sisaldada ka akusüsteemi energia hoiustamiseks, inverterit, et alalisvoolu vahelduvvooluks muundada, ning päikesejälgijat (ingl solar tracker), et paneelidest maksimaalselt energiat ammutada.

Teooria ning ehitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Päikesepaneelid, mis koosnevad päikeseelementidest, muundavad valgusenergiat elektrienergiaks, kasutades ära fotoefekti. Suurem osa päikeseelemente põhineb erinevatel kristalliseeritud räni kasutavatel tehnoloogiatel. Enamik päikeseelemente on jäigad ning purunevad kergesti, seega tuleb neid kaitsta mehaaniliste kahjustuste ning ilmastikuolude eest. Leidub ka painduvaid päikeseelemente, kuid need on vähem levinud. Esimesed päikeseelemendid leiutati 1954. aastal Ameerika Ühendriikide uurimisinstituudis Bell Laboratories.

Elemendid ühendatakse elektriliselt kas jadamisi või rööbiti, olenevalt nõutud väljundpingest ja -voolust . Jadamisi ühendades on võimalik saada paneelidest suuremat pinget, kuid paralleelselt ühendades on väljundvool suurem. Tavaliselt kasutatakse päikesepaneelide ühendamiseks mõlemat ühendusmeetodit ning tulemuseks on paneelide maatriks või võrgustik.. Paneelide väljundites kasutatakse tihti ka dioode, kuna varjus olevad paneelid muutuvad tarbijateks ning vastassuunaline vool võib individuaalseid elemente kahjustada. Päikesepaneelide juures võidakse kasutada ka jahutust, kuna elementide temperatuuri tõustes väheneb nende efektiivsus. [1]

Olulisemad omadused ning vananemine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Paneelide omadusi mõõdetakse standardsetes tingimustes: energiatihedus 1000 W/m2, valgusspekter, mis sarnaneb suvisele päikesevalgusele 35. laiuskraadil ning temperatuuril 25 kraadi Celsiuse järgi. [2] Päikesepaneelide kõige olulisemad omadused on:

  • maksimaalne väljundvõimsus vattides (Pmaks);
  • pinge koormamata paneelil (Ukatkestus) ;
  • paneeli lühisvool (Ilühis);
  • pinge ning vool maksimaalses võimsuspunktis ((UMVP ja IMVP);
  • paneeli efektiivsus (%).

Nominaalne väljundvõimsus väljendab seda, kui palju toodab uus paneel standardsetes tingimustes elektrienergiat. Päikesepaneelid vananevad aja jooksul ning tüüpiliselt väheneb maksimaalne võimsus umbes 0,5 protsenti aastas.[3] Tihti annavad tootjad garantii, et tootlikkus püsib vähemalt 10 aastat 90% tasemel ja 25 aastat pärast paneeli kasutusse võtmist 80% tasemel. [4] Pinge koormamata paneelil näitab seda, kui suur on maksimaalne pinge, mis paneeli väljundis tekkida saab. Lühisvool määrab ära paneeli maksimaalse väljundvoolu. Väga oluline on ka paneeli efektiivsus. Efektiivsus määratakse standardtingimustel, kuid reaalses rakenduses sõltub efektiivsus paneeli töötemperatuurist.

Taaskasutamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Päikesepaneelide klaasist ning metallist detailid on võimalik uuesti kasutusse võtta. Samuti on taaskasutatavad kuni 95% paneelide pooljuhtmaterjalidest. [5]

  • Ränikristallidel põhinevad paneelid purustatakse ning nendest eraldatakse klaas, plastik ning metall. Võimalik on taaskasutada üle 80% päikesepaneelist (massi järgi). Kuna paneele kattev kaitsev klaasikiht on sarnane ehituses või autotööstuses kasutatavale klaasile, on võimalik seda taaskasutada näiteks klaasvilla või vahtklaasi tootmiseks. [5] [6]
  • 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 ning jagatakse seejärel erinevateks koostisosadeks. Sellise meetodiga on võimalik uuesti kasutada kuni 90% klaasist ning 95% pooljuhtmaterjalidest. [5] [6]

Alates 2010. aastast toimuvad Euroopas iga-aastased konverentsid, mis toovad kokku tootjad, taaskäitlejad ning uurijad, et arutada taaskasutuse tulevikumeetodite üle. [7]

Tarbimine ning hinnad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Päikesepaneelide müügiedu mõõdetakse paigaldatud süsteemide võimsuse alusel. Kui 2000. aastal installeeriti 277 MW väärtuses päikesepaneele, siis aastal 2011 oli see number 29 665 MW. Kumulatiivne installeeritud võimsus on kasvanud samal perioodil 1425 MW-lt 69 684 MW-ni, seega peaaegu 50 korda. Prognoositakse ka installatsioonide kasvu tulevatel aastatel. 2011. aastal osteti päikesepaneele regionaalselt kõige rohkem Euroopas, ületades ülejäänud maailma tarbimist mitmekordselt. Euroopas tarnitakse kõige rohkem päikesepaneele Saksamaale ning Itaaliasse. [8] [9]

Koos tarbimise tõusuga ning konkurentsi tihenemisega on langenud ka päikesepaneelide hind. Päikeseelementide tootmiskulu on perioodil 2006 kuni 2011 langenud üle kahe korra. [10] Sellega kaasnevalt on langenud seadmekomplektide hind ka lõpptarbija jaoks: Saksamaa näitel on aastatel 2006 kuni 2011 jaehind langenud samuti üle kahe korra. [11]

Erinevad kinnitussüsteemid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kautsele paigutatud päikesepaneelid

Katusel paiknevad paneelid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Üks kõige populaarsemaid viise paneelide paigaldamiseks on nende katusele monteerimine, kuna nii kasutatakse ära muidu tühjalt seisev pind. Võrreldes maapinnal paiknevate rakistega on katusele monteeritud päikesepaneelid odavamad ning vähem keerukad, kuna 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. [12]

Maapealsed rakised[muuda | redigeeri lähteteksti]

Maapealsete rakiste suureks eeliseks on nende paindlikkus: päikesepaneele saab paigutada maapinna suhtes erinevate nurkade alla ning sellega optimeerida paneelide tootlikkust. Katusele paigutatud paneelidega on see oluliselt keerulisem, kuna katuse kalle ning suund on määratud. Maapealsed paneelid on ka rohkem avatud tuulele, seega on nad paremini jahutatud. Maapealseid rakiseid kasutatakse enamasti just päikesejaamades, mis paiknevad suurel territooriumil ning toodavad energiat kümnetes või sadades megavattides. Sellistes parkides lisatakse rakisele tihti ka päikesejälgijad. [12]

Päikesejälgijad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Päikesejälgijatega süsteem tuvastab päikese asukoha ning korrigeerib paneelide suunda, et need paikneksid alati päikese poole. Tegemist on aktiivse süsteemiga ning paneelide liigutamiseks on üldjuhul vaja mootoreid. Kuna tegemist on liikuva süsteemiga, on sellise süsteemi ehitamine ning hooldamine samuti kallim ning keerulisem. Päikesejälgijatega süsteemid võivad tugevama tuule korral kahjustusi saada. Fikseeritud süsteemid on tuule suhtes oluliselt vastupidavamad. [13]

Päikesepaneelid kosmoses[muuda | redigeeri lähteteksti]

Päikesepaneelid ESTCube-1 kere küljes
Päikesepaneelid rahvusvahelise kosmosejaama küljes

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% ning mis tootsid kokku alla 1 W elektrienergiat. Esimestel päikeseenergiat kasutavatel tehiskaaslastel olid paneelid kinnitatud kere külge, kuid aja jooksul kasvas vajadus energia järele ning kere pindalast jäi väheseks. [14]

Selle probleemi lahenduseks töötati välja paljudest paneelidest koosnev lahtivolditav süsteem. Sellised süsteemid suudavad toota küll rohkem energiat, kuid lisavad satelliidile massi. Ka on paneelide lahtivoltimiseks vajalikud mehaanilised lahendused keerulised. Viimaste aastakümnete jooksul toimunud tehnoloogiline areng on viinud kergemate ning töökindlamate mehhanismide suunas. Suur hüpe on toimunud ka päikesepaneelide tehnoloogias. Kui Vanguard-1 paneelid olid kõigest 10% kasuteguriga, siis tänapäevased päikeseelemendid on 30% hüveteguriga [15] ning arendatakse ka juba 35% kasuteguriga elemente [16].

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Päikeseelement

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. EIC. EIC Diodes in Solar photovoltaic (PV) Systems. (pdf) Kasutatud 8.05.2013. (inglise keeles)
  2. SolarContact. How To Compare Solar Panels. Kasutatud 7.05.2013. (inglise keeles)
  3. The Median Degradation Rate for PV Solar Panel Modules. 2011. Kasutatud 7.05.2013. (inglise keeles)
  4. SolarEnergy. Guide to Understanding Solar Warranties. 2009. Kasutatud 7.05.2013. (inglise keeles)
  5. 5,0 5,1 5,2 Lisa Krueger. Overview of First Solar's Module Collection and Recycling Program. (pdf) Kasutatud 3.05.2013. (inglise keeles)
  6. 6,0 6,1 K.Wambach, S. Schlenker, A. Müller, B. Konrad. A Voluntary Take Back Scheme and Industrial Recycling of Photovoltaic Modules. (pdf) Kasutatud 3.05.2013. (inglise keeles)
  7. 3rd International Conference on PV Module Recycling. 2013. Kasutatud 7.05.2013. (inglise keeles)
  8. EPIA. Global market outlook for photovoltaics until 2016. 2012. (pdf) Kasutatud 1.05.2013. (inglise keeles)
  9. SolarPlaza. Top 10 World's Biggest PV Markets. 2012. Kasutatud 6.05.2013. (inglise keeles)
  10. Galen Barbose, Naïm Darghouth, Ryan Wiser. Tracking the Sun V. 2012. (pdf) Kasutatud 1.05.2013. (inglise keeles)
  11. SolStats. Solar panel prices – drop by half over the last 5 years. 2012. Kasutatud 6.05.2013. (inglise keeles)
  12. 12,0 12,1 getSolar. Solar Roof vs. Ground Installation. Kasutatud 6.05.2013. (inglise keeles)
  13. Solarize Energy. Solar trackers: Pros and cons. Kasutatud 6.05.2013. (inglise keeles)
  14. P. Alan Jones & Brian R. Spence. Spacecraft Solar Array Technology Trends. (pdf) Kasutatud 3.05.2013. (inglise keeles)
  15. W. Köstler, M. Meusel, T. Kubera, T. Torunski. TRIPLE JUNCTION SOLAR CELLS WITH 30.0% EFFICIENCY AND NEXT GENERATION CELL CONCEPTS. 2011. (pdf) Kasutatud 3.05.2013. (inglise keeles)
  16. G.F.X.Strobl, D.Fuhrmann, W.Guter, V.Khorenko,W.Köstler, M.Meusel. ABOUT AZUR’S “3G30-advanced”SPACE SOLAR CELL AND NEXT GENERATION PRODUCT WITH 35% EFFICIENCY. 2012. (pdf) Kasutatud 3.05.2013. (inglise keeles)