Päikesepaneel

Artikli eesmärgiks on tutvustada päikeseenergia kasutamist elektri tootmise eesmärgiga. Päikesepaneelid on kõige lihtsamad ja hooldusvabamad elektrienergia tootmise süsteemid. Elektri tootmiseks võrguühendusega lahendus koosneb päikesepaneelidest, nende kinnitustest ning inverterist. Elueaks sellistel süsteemidel on 30-50 aastat. Päikesepaneelide kasutamine võimaldab vähendada võrgust võetavat elektri hulka, siluda päevaseid tarbimistippe ning samuti müüa ülejääva osa elektrivõrku. 1

Üldist

Päikesepaneelid on fotogalvaanilistest elementidest (PV elemendid) koosnevad paneelid. Tegemist on otse päikesekiirgusest elektrienergiat tootvate seadmetega. 2

Ühe ruutmeetri kohta jõuab Eestis keskmiselt maapinnale 3489 MJ (0,0009692442 GWh) päikeseenergiat, mis vastab 969,2 kWh/m2 (näiteks kui PV elemendi kasutegur on 15%, siis aastane energiahulk on 145,4 kWh/m2). Eesti olusid kirjeldab joonis 1, kus on toodud aastane summaarne kiirgus ning potentsiaalne elektritoodang horisontaalpinnal ning optimaalse kaldenurgaga pinnal.3

Valdav osa päikesepaneeli koostematerjalist on räni 4:

a) amorfne (a-Si) - amorfse kilega päikesepaneelid;
b) kristalliline (c-Si) - mono- ja polükristallilised päikesepaneelid.

Kasutatava räni tüübist sõltub reeglina ka päikesepaneeli hind ning efektiivsus. Täpsemalt võib lugeda Päikesepaneelide liigitus. 5

Päikesepaneelide puhul iseloomustab efektiivsus protsentuaalselt päikesepaneeli võimet päikeseenergiat ümber muundada elektrienergiaks. Monokristallidest elementide efektiivsus on suurusjärgus 11-17%, polükristalsete päikesepaneelide efektiivsus aga 11-15%. Monokristalliliste päikesepaneelide tootmine on kulukam, sest kasutatakse suurte tahvlitena toodetud räni (lõigatakse päikesepaneelide suuruseks). Polükristallilised päikesepaneelid on odavamad, sest kasutatakse omavahel ühendatud väiksemaid elemente. Kõige enam on levinud mono- ja polükristallpaneelid, mille tootlikkus Eestis on ligilähedane. Amorfse kilega ehk õhukesekileliste päikesepaneelide efektiivsus jääb vahemikku 3-11%. Amorfse kile peamised eelised on madal tootmiskulu ja kasutamise mitmekülgsus, sest neil puudub kristalliline struktuur ning kile kantakse otse erinevatele materjalidele. Kilepaneelide peamiseks puuduseks on nende kõige väiksem kasutegur võrreldes teiste päikesepaneelide tüüpidega. 6

Joonis 1. Aastane summaarne kiirgus ning potentsiaalne elektritoodang horisontaalpinnal (maapinnal) (vasakpoolne joonis) ning optimaalse kaldenurgaga pinnal Eestis (parempoolne joonis)31

Päikesepaneelide eelised ja puudused

Päikesepaneelidel on välja toodud erinevaid eeliseid ja puuduseid. Päikesepaneelide eelisteks on 7:

a) energia tootmine langeb kokku büroohoonete, turismitlude jm sarnase tarbimismustriga hoonete tarbimisega;
b) PV-süsteem aitab siluda päevaseid tarbimise tippe.

Samuti tuuakse välja ka erinevaid puuduseid, mis päikesepaneelidel esineda võivad 8:

a) talvel ja suvel energia tootlikkuses sõltuvalt kaldenurgast ja päikese järgitavusest 20...50 kordne vahe;
b) suvine soojus suurendab ja talvine jahedus vähendab kadusid;
c) väikese kaldenurgaga paneelidel talvine hoolduskulu suurem ja energiatootlikkus väiksem;
d) Eestis hajutatud kiirguse osakaal suur - järgivajamite tasuvus küsitav;
e) madalad kasutegurid - tänasel hetkel 5...20%.

Päikeseenergia

Seotud artikkel: Energia salvestamise tehnoloogiad; Soojuse salvestamine; Elektrienergia salvestamine

Päikese kasutamine energiaallikana on kõige ligipääsetavam energiakasutuse liik, mida on võimalik kasutada absoluutselt kõigil. Päikeselt saabuva kiirgusliku energia passiivsel kasutamisel on oluline mõju meie elukeskkonna loomisel ning aktiivne kasutus võimaldab lisaks toota elektrit või sooja vett ilma energiatoorme peale ressurssi kulutamata. Päikeseenergiat kasutavad energiatehnoloogiad on ka erakordselt paindlikud ja skaleeritavad, olles rakendatavad hoone, kvartali, linnaosa ja tervete linnade mahus. Selge on see, et päikeseenergia kannab endas suurt potentsiaali, mida oleks võimalik rakendada vähendamaks hoonete energiatarbimist, pikemas perspektiivis linnade energiasõltuvust ning ka keskkonnakoormust. Tehnoloogiate mõju asub mõjule , kui kasvab tehnoloogiate tõhusus ja langeb hind. 9

Hetkeseisuga on päikesepaneelide kasutegur vaevalt 20%, mis muudab need ebaefektiivseks ning rakendamise ebarentaabliks. Samuti, lisaks madalale efektiivsusele ja kõrgele maksumusele on päikesepaneelide ja -kollektorite puuduseks veel ka energiatootmise tsüklilisus ning sõltuvus ilmastikust. Peamine energia tootmine toimub päeval ja on maksimaalne keskpäeval, mil päike on seniidis (Eesti päikesepaiste kestust aastal 2013 kirjeldab joonis 2). Peamine energia tarbimine toimub aga varahommikul ja õhtul, mis sellistel juhtudel eeldab energia akumuleerimist, ehk energia salvestamist (vt. Seotud artiklid). 10

Erinevalt tuulegeneraatoritest pole päikesepaneelide ja -kollektorite juures kasutuses kiiresti pöörlevaid osi ning nende otsene mõju loodus- ja elukeskkonnale on väike. Nentida tuleb, et siiski kaasneb keskkonnareostus ning emissioon nende tootmise ja utiliseerimisega, mida aitab vähendada tarbijate vastutustundlik käitumine. 11

 

Joonis 2. Päikesepaiste kestus Eestis 2014 a. Statistikaamet. Teemakaardid. (26.11.2015).

Olukord Eestis

Tänasel hetkel on Eestis päikeseenergia kasutamine elektri tootmise eesmärgil valdav majapidamistes, kus üldvõrguga liitumine pole võimalik (nt. Eesti väikesaared), või kus on see liiga kallis (nt. alajaam asub mitme kilomeetri kaugusel), samuti väikeste autonoomsete süsteemide puhul (valveseadmed, veebikaamerad, ilmajaamad, meremärgid jne). Heaks lahenduseks Eesti kliimas, arvestades aastaaegasid, on päikese- ja tuuleenergia kombinatsioon. 12

Rohkem on Eesti pinnal levinud soojavee päikesekollektorid. Oluliselt vähem on levinud päikeseenergiast elektri tootmine. Mõiste kontekstis kasutatakse soojusenergia tootmise puhul definitsiooni päikesekollektor ja elektrienergia tootmise puhul mõistet päikesepaneel. Päikesepaneelide korral toimub jagunemine, mida on kujutatud joonisel 3 ning samuti alapeatükis Päikesepaneelide liigitus. 13

Mastaabist, milline on Eesti päikeseenergia tootlikkus, võib tuua näite Saksamaa, kelle näol on tegu ühega maailma suurimatest päikeseenergia tootjatest. Saksamaal asub ca 50% kogu maailma päikeseelektrijamadest. Võrreldes Saksamaaga on Eestis päikeseenergiat küll vähem, kuid seda kompenseerib keskmisest madalam õhutemperatuur, mis omakorda tõstab päikesepaneelide efektiivsust. Kui võrrelda Eesti ja Saksamaa päikeseenergia tootlikkust, siis aasta lõikes on see üsna sarnane. Saksamaa keskpaigas on 1kW päikesepaneelide tootlikkus aastas 910 kWh. Saaremaal toodab näiteks 1kW süsteem võrku 910 kWh ning Lõuna-Eestis, kus ilm pilvisem 880 kWh aastas. 14

 

Joonis 3. Päikeseenergia ja paneelid Pinn, R. Väiketuulikute ja päikesepaneelide tootlikkuse ja tasuvuse võrdlus. (05.11.2014).

Päikesepaneelide liigitus

Vastavalt valdavale osale päikesepaneeli koostematerjalile, milleks on räni, eristatakse ka erinevat liiki päikesepaneele 15,16:

a) Kristalsed paneelid - tegemist on kallimate ja efektiivsemate tehnoloogiatega. Monokristalsed ja polükristalsed on praegusel hetkel sagedamini kasutatavad ja nende töönäitajaid kasutatakse päikesest saadava elektrienergia hulga määramiseks. Efektiivsuse nominaalse näitaja, arvestatuna pindala suhtes, on selline, et ligikaudu 10 m2 pinnaga paneel suudab toota kuni 1 kW elektrienergiat.
b) Amorfsed paneelid - tegemist on amorfse kilega päikesepaneelidega, mis on odavamad ja vähemefektiivsemad. Tehnoloogia on moodsam, mis võimaldab väga õhukeste ning painduvate paneelide tootmist. Efektiivsuse nominaalsed näitajad pindala suhtes on sellised, et ligikaudu 10 m2 pinnaga paneel suudab toota kuni 500W elektrienergiat. Amorfsed paneelid suudavad elektrienergiat toota valgusest. Pilvise päevaga, varjus vmt. tingimustel need elektrienergiat ei suuda toota.

Päikesepaneelide tootlikkus

Saksamaa näide võrdlemaks Eesti ja Saksamaa päikesepaneelide tootlikkust on taaskord sobiv, kuna aasta lõikes on see suurusjärgult sarnane. Eestis on päikeseenergiat küll vähem, aga seda kompenseerib keskmisest madalam õhutemperatuur, mis omakorda tõstab päikesepaneelide efektiivsust. Eesti eripäraks on see, et talvekuudel langeb päikesepaneelide tootlikkus oluliselt, ehk perioodil märts kuni oktoober toodavad päikesepaneelid 90% kogu aastasest energia kogusest. 17

Päikesepaneelide tootlikkust on võimalik Eesti oludes väga edukalt arvutada PVGIS andmebaasi18 abil. Samuti on leitavad ning välja toodud ka selgitused otsingu läbiviimiseks ning lähteandmete sisestamiseks. 19

Päikesepaneeli tootlikkus on suurim, kui see on suunatud otse päikesele. Kuna aga päikese kõrgus ja asukoht horisondil päeva jooksul muutuvad, siis kaotab fikseeritud paigutusega päikesepaneel oma efektiivsust. Siit tulenevalt on ka tootlikkuse suurimad mõjutajad, milledeks on paneelide kalle ning asimuut. Mõjurite vältimiseks paigaldatakse paneele spetsiaalsetele ühe- või kaheteljelistele "jälgijatele", mis võivad anda ca 30% rohkem elektrienergiat võrrelduna fikseeritud süsteemidega. 20,21

Päikesepaneelide tootlikkust Eestis kirjeldab tabel 1

Paneelide kalde ja asimuudi mõju nende tootlikkusele 22:

a) tootlikkus võrreldes 40 kraadise kaldega paneelidega väheneb ligikaudu 1%, kuid kasutatav pind suureneb 5 % võrra, mistõttu suurema arvu paneelide installeerimisest tulenev summaarne aastane tootlikkus suureneb teoreetiliselt 10%;
b) paneelide paigaldusel kaldega 30º tuleb arvestada mustumisest tingitud kadudega 2...10%, väiksema kaldega paigaldamisel suurenevad mustumisest tingitud kaod märgatavalt;
c) päikesekiirgus pinnaühikule ei muutu kui PV-paneele pöörata lääne või ida suunal 15 kraadi;
d) kui paneelid on pööratud lõuna suhtes 15...25 kraadi, siis toob see kaasa ca 1% päikesekiirguse languse pinnaühikule sh ka samaväärse tootlikkuse languse.

Tabel 1. Mono- ja polükristall päikesepaneelide tootlikkus Eestis 32

Päikesepaneelide paigaldus

Päikesepaneelide paigaldamisel hoonestatud piirkonnas on võimalik valida erinevate paigaldusviiside vahel. Paigaldamisel maapinnale tuleb arvestada täiendava kuluga, mis kaasneb kandekonstruktsiooni väljaehitamisega, mis omakorda eeldab vaba aluspinna olemasolu, kuhu konstruktsioon rajada. Samuti on võimalik paneele paigaldada nii lamekatustele (problemaatilised asjaolud on lumi ja võrdlemisi väike kaldenurk), kui ka viilkatustele. Viilkatustele paigaldamisel tuleb tähelepanu pöörata tuleohutusele ning samuti on soovitatav jätta paigaldamisel katuse ja paneeli vahele vähemalt 10 cm vahet, mis võimaldaks ligipääsu paneelile ning samuti toimiks õhutusena (vähendades paneelide kuumenemisest tingitud kadusid). Visuaalselt kõige atraktiivsem viis paigaldamiseks on integreeritud katusekate, mille korral on tarvis arvestada, et paneelid peavad tagama ilmastikukindluse. Seejuures muudab see oluliselt maksumust. Paneele on võimalik paigaldada ka hoonete fassaadidele, kuid mis vähendab nende efektiivsust 20...40% (seda ainult teatud piirkondades). Sellise paigaldusviisi eeliseks on kaitse lume kuhjumise vastu. 23

Paneelide paigaldamisel on oluline, et paneelide ühendused ning kinnitused. Tarvis oleks kasutada tugevamaid kinnitusi kui katusematerjalidel ning samuti on oluline tagada ka õhu piisav juurdepääs paneelide tagusele. Paneelide ventileeritus on asjaolu, mida on vajalik jälgida. Erilist tähelepanu tuleb pöörata elektriohutusele ning välistada juhtmete valeühendused. Mõistlik on kasutada paneele fassaadielementidena, mitte nende katteks. 24

Päikesepaneele võib integreerida samuti ka teistesse erinevatesse paigaldistesse nagu kiirtee äärised ja müratõkked, sillad, viaduktid, tammid, katusealused jms. 25

Tehnoloogia maksumus

Investeeringumahukus

Investeeringumahukust kirjeldavad tabel 2 ning joonis 4. Investeeringumahukus on toodud kahel erineval päikesepaneelide ühendusviisil 26:

Tabel 2. Investeeringud PV-süsteemidesse 33

Joonis 4. Investeeringute jaotus PV-süsteemide korral 34

1) võrguühendusega ehk ON-grid - kohapeal elektrit ei salvestata, ülejääv elekteri n võimalik müüa võrku (mikrotootja). Kui tarbimine ületab tootmise, siis toimub täiendav tarbimine elektrivõrgust;
2) võrguühenduseta ehk OFF-grid - toodetud elektrienergia tarvitatakse kohapeal, ülejääv elektrienergia salvestatakse akupanka. Tootmise vähenedes tarvitatakse akumuleeritud energiat.

Päikesepaneelid tulevikus

Täislahendusega moodulite hinnad on tänase päevani langenud võrrelduna aastaga 2011 ligi 60%. Tulenenud on selline langustrend töötlemiskulude alanemisest. Samuti on põhjuseks polükristallilise räni hinna langus ning tööstuse enda efektiivsuse paranemine. Lähiaastate jooksul prognoositakse languse jätkumist lisanduva 30-40% suurusjärgus (vt. joonis 5, samuti ka joonist 6). Kui siiamaani on maksumuse alanemine pärinenud räni hinna langusest siis tuleviku hinnalangust prognoositakse tasakaalusüsteemide arvelt. 27

PV-paneelide hinnad arvatakse kukkuvat kuni 0,50 $/W kohta (442,83 €/kW) järgnevate aastate jooksul. Leidub tootjaid, kes isiklike prognooside kohaselt suudavad sellist toodud hinda pakkuda juba aastal 2014. Eesmärgiks on paneelide puhul hinnapiir 0,40 $/W, ehk 354,26 €/kW. 28

Inverterite, transformaatorite ning ka raamistiku maksumused on samuti langemas. Inverterite hinnalanguseks on senini olnud suurusjärgus 10-15% aastas, mida arvatakse ka jätkuvat. Samuti toimub kulude alanemine ka paigaldamise valdkonnas, mis esmajoones tuleneb mastaabisäästust ning võib langeda 575,68 €/kW kuni 398,55 €/kW. Päikeseenergiaseadmetega seotud tööde hulk peaks aga nõudlusega sammu pidamiseks tõenäoliselt suurenema, kuid kogenumad paigaldajad, kel kasutada paremad seadmed ja parem tehnika laiaulatuslikemate süsteemide paigaldamiseks, saavad tõenäoliselt enim kompenseeritud palgakasvu abil, mis on saavutatud läbi tõhususe kasvu. 29

Toodud prognooside, mis puudutavad PV-süsteemide maksumuse alanemist, aluseks on ekspertarvamus, mille koostajaks on Deutsche Bank. 30

 

Joonis 5. Prognoositud maksumuse alanemine aastatel 2014-2017 35

Joonis 6. Prognoositud maksumuse alanemine aastatel 2014-2017 36

Täiendavat lugemist

Aasta

Kategooria

Pealkiri

 

Veebileht

Eesti Päikeseenergia assotsiatsioon

2013

Ettekanne

Energiatehnoloogiate tulevikust

2013

Aruanne

Energy resources of Estonia. ENMAK 2030+

2013

Ettekanne

PV-paneelide T&A töö Eestis

2013

Aruanne

Tuule ja päikeseenergia kasutamine Tartu linnas

2013

Aruanne

Tuule- ja päikeseenergia kasutusvõimalused Eestis

2013

Aruanne

Väiketuulikute ja päikesepaneelide tootlikkuse ja tasuvuse võrdlus

2012

Aruanne

Päikeseenergeetika põhialused

2013

Aruanne

Energia lokaalse tootmise analüüs büroohoonele Taastuvenergialahendused

2003

Ülevaade

Eesti kiirguskliima teatmik

2013

Ettekanne

Nullenergiahooned maasoojuse ja päikeseenergiaga

2013

Ettekanne

Energiatehnoloogiate tulevikust

2012

Ettekanne

Taastuvenergia 100% - üleminek puhtale energiale

2008

Ülevaade

Teistmoodi energia

2013

Kogumik

TEUK kogumik

2013

Aastaraamat

Taastuvenergia aastaraamat 2013

2012

Aruanne

Varustuskindluse aruanne 2012

2013

Aruanne

Eesti elektrisüsteemi varustuskindluse aruanne 2013

2014

Aruanne

Eesti elektrisüsteemi varustuskindluse aruanne 2014

2015

Aruanne

Eesti elektrisüsteemi varustuskindluse aruanne 2015

-

Veebileht

Päikeseküte

2007

Ettekanne

Eesti energiatehnoloogiate arendusstrateegia eeluuring

2007

Aruanne

Energiatoodete maksustamise uuring

2014

Ettekanne

Euroopa energiapoliitika valikud. Kas Euroopal on üldse valikut

2014

Ettekanne

Eesti uus energiapoliitika. Konkurentsivõimeline taastuvenergia Eestis

2014

Ettekanne

Eesti energiapoliitika mõju riigi konkurentsivõimele

2014

Ettekanne

Eesti põlevkivienergeetika tulevik

2014

Ettekanne

Eesti energiamajanduse arengukava aastani 2030

2015

Uuring

Current and Future Cost of Photovoltaics

2014

Aastaraamat

Taastuvenergia aastaraamat 2014

Viited

  1. Saar, M. Nullenergiahooned maasoojuse ja päikeseenergiaga.↩︎
  2. Päikeseküte. Päikesepaneelid ja päikesekollektorid.↩︎
  3. Rosin, A. Päikeseenergeetika põhialused.↩︎
  4. Muiste, M., Veskimeister, J. Tuule ja päikeseenergia kasutamine Tartu linnas.↩︎
  5. Päikeseküte. Päikeseenergia Eestis: sissejuhatus.↩︎
  6. Taastuvenergia OÜ. Päikeseenergia Eestis.↩︎
  7. PVGIS. PVGIS - Interactive maps.↩︎
  8. Päikeseküte. Päikesepaneelide tootlikkuse arvutamine.↩︎
  9. PVGIS. Solar radiation and photovoltaic electricity potential. Country and regional maps for Europe(28.01.2014).↩︎
  10. REneweconomy. Why solar costs will fall another 40% in just two years. (10.02.2015).↩︎