Elektrienergia otsetootmine
Päikesekiirgusest otse elektrienergia tootmiseks kasutatakse
fotogalvaanilist elementi (inglise keeles „solar cell“ või „photovoltaic cell“,
ka PV-element), mis on elektriline seade, mis muudab fotogalvaanilise efekti
abil valgusenergia elektrienergiaks. Fotogalvaaniline element on
fotoelektrilise elemendi alamtüüp, mis suudab toota elektrivoolu ilma, et oleks
ühendatud väliste toiteallikate külge. Fotogalvaanilise elemendi tööpõhimõtet
lühidalt kirjeldades, kõigepealt tabavad
footonid päikesepaneeli ja neelduvad pooljuhtmaterjalis, näiteks ränis.
Seejärel lüüakse elektronid oma aatomitest välja, põhjustades elektrilise
potentsiaali erinevuse. Spetsiaalse paigutuse tõttu fotogalvaanilises elemendis
on elektronidel võimalik liikuda vaid
ühes suunas ja elektronide liikumisel läbi vastava materjali tekitatakse
elektrivool.
Fotogalvaaniliste elementide kogumid moodustavad
päikesepaneeli ehk PV paneeli (photovoltaic). Selle konstruktsioon on kihtidena
kokku laotud ja pressi all lamineeritud, eristada saab viit kihti:
- peegeldust vähendava pinnatöötlusega klaas;
- polümeerist kilematerjal;
- omavahel ühendatud päikesepatarei elemendid;
- polümeerist kilematerjal;
- alusmaterjal, milleks on tavaliselt plastikust
plaat.
Kokku lamineeritud kihtidele paigutatakse ümber
alumiiniumist raam, mille tagaküljele kinnitatakse kaablite niiskuskindlaks
ühendamiseks karp, kus asuvad ka dioodid, mis peavad elektrivoolu mööda juhtima,
kui paneel päikesevarju satub.
Pooljuhtmaterjalidena tuntakse mono- ja polükristallilist räni (polysilicon). Polükristalsete päikesepaneelide kasutegur on umbes 11-15%, ja nende tootmiskulud on madalad. Monokristallidest elementide efektiivsus on veidi suurem, 11-17%, samas on nende tootmiskulud kõrgemad. Päikesepaneelide efektiivsus iseloomustab, mitu protsenti suudab päikesepaneel päikeseenergiat ümber muundada elektrienergiaks. Üldiselt on selliste kristalsete paneelide (mono- ja polükristalsed) tootmiskulud ja hind kõrge, nende valmistamiseks kulub suurel hulgal materjali ja energiat ning nad on ise mahukad (ligikaudu 10 ruutmeetrise pinnaga paneel suudab toota kuni 1kW elektrienergiat). Lisaks sellele suudavad kristalsed paneelid toota elektrienergiat praktiliselt ainult otseses päikesevalguses - pilvise päevaga, varjus vmt. tingimustel nende elektrienergia tootmisefektiivsus langeb oluliselt, ligikaudu 7-8 korda. Viimane on oluline puudus parasvöötmelises kliimas, kus tihti on pilvine, näiteks suures osas Euroopas ning Põhja-Ameerikas, tähendaks fotoelementide abil elanikkonna energiatarbimisvajaduse rahuldamine maapinnast 5-15% suuruse osa katmist päikeseelementidega.
Kristalsed päikesepaneelid Põhja-Kanada majapidamises. Autor Marina Vaasma, 2012.
Lisaks eelnimetatutele tuntakse õhukesekilelisi paneele, mille efektiivsus jääb vahemikku 3-11%. Need tehnoloogiliselt uuemad amorfsed paneelid on õhukesed, painduvad ning mitmekülgsed, nende valmistamiseks kulub võrreldes traditsiooniliste fotoelement-seadmetega ülivähe materjali. Amorfsetest räni- või orgaaniliste polümeeride kiledest valmistatud painduv ligikaudu 10 ruutmeetrine päikesepaneel suudab toota kuni 500W elektrienergiat, kuid need paneelid muundavad vaid 10% päikese kiirgusest elektrienergiaks. Lisaks sellele suudavad amorfsed paneelid toota elektrienergiat otsesest päikesevalgusest, pilvise päevaga, varjus vmt tingimustel nende elektrienergia tootlikkus väheneb oluliselt. Arvestades amorfsete päikesepaneelide eeliseid, arendatakse materjale nende efektiivsuse tõstmiseks. Näiteks uuritakse intensiivselt valgustneelavaid pooljuhte, et luua uute omadustega, ka nanosuuruses pooljuht-kilesid.
Otsides uusi lahendusi efektiivsemaks päikeseenergiast elektri tootmiseks on mitmed teadlased ja insenerid leidnud, et kõige otstarbekam on muundada päikese kiirguseenergia esmalt soojuseks ja seejärel elektriks. Sel juhul on oluline intensiivistada päikeseenergia muundamist soojuseks ehk
- koguda päikeseenergia võimalikult suurelt pinnalt - selleks kasutatakse peegleid ning
- leida sobiv päikeseenergia vastuvõtja - keha ja aine, mis neelab päikesekiirgust ja mille temperatuur selle mõjul tõuseb.
Vasta!
Mida
iseloomustab päikesepaneelide efektiivsus?
Arvuta!
Mitu % elektrienergiat pinna kohta suudab amorfne paneel enam toota kui kristalne päikesepaneel?
Arvuta!
Ühe ruutmeetri kohta jõuab Eestis keskmise aastasummana maapinnale 3489 MJ päikeseenergiat, mis vastab 969,2 kWh/m2. Kui palju elektrienergiat aastas annab fotogalvaaniline element, kui selle kasutegur on 15%?