Päikesepaneelid

PV (photo-voltaic) paneelide tööpõhimõte seisneb pooljuhtide fotoelektriliste omaduste kasutamises, muundades päikeseenergia elektrienergiaks. PV paneelid on ühed töökindlamad taastuvenergiaallikad, kuna  puuduvad liikuvad osad. Samuti on väga väikesed ka hoolduskulud. Praktikas kasutatavad PV paneelid kujutavad endast omavahel ühendatud PV elemente (cells), mis on asetatud ühe metallraami (enamasti Al) sisse ja kaetud peegeldust vähendava pinnatöötlusega klaasiga. Seetõttu peab nende puhastamisel, eriti talvel, hoolikas olema. Klaasi purunemisel satub niiskus elementide vahele ja rikub elektrilised ühendused. On olemas ka ilma raamita seeriaid, mis võimaldab neid kasutada juba otse vastavalt paneeli kasutusotstarbele katuse- või fassaadilahendustes.

Suurem osa PV-materjalist on räni: kas amorfne (a-Si),  Polü(multi)kristall ( poly(mc)-Si) või monokristalliline räni (c-Si). Sellest tulenevalt on turul eri liiki elektrienergiat tootvaid päikesepaneele: mono-, multi-  ja polükristallilised PV paneelid.

Omaette rühma moodustavad sadestatud kilega (thin film) päikesepaneelid. See hõlmab mitmeid tehnoloogiaid (CdTe, CIGS, DSC, orgaanilised ja amorfsed räni baasil),  mis on väiksema kasuteguriga, aga ka odavamad.

Räni tüübist sõltub ka päikesepaneeli hind ja efektiivsus: thin film on odavam, kuid vähemefektiivne. Kristallilisest ränist päikesepaneelide kasutegur on suurem, kuid lähtematerjal on kallim, mis tuleneb räni puhastusprotsessist.

Üheks päikesepaneele iseloomustavaks suuruseks on efektiivsus, mis näitab kui mitu % paneelidele langevast päikeseenergiast muutub elektrienergiaks. Tuleb eristada elemendi ja paneeli efektiivsust. Elementide efektiivsused jäävad 13 - 20% juurde. Kasutajat huvitab aga enam paneeli efektiivsus, mis on mõnevõrra väiksem, kuna kogu paneeli pind ei ole elementidega kaetud ning lisanduvad veel valguskaod klaasis, EVA-s, elektrilised kaod laminaadisiseses vooluringis ja dioodides. Mida efektiivsem on paneel, seda väiksema pinna peame vajaliku energiakoguse kättesaamiseks katma.

Tabel näitab erinevate paneelitüüpide efektiivsuse arengut. 

Monokristallilised päikese­paneelid (Monocrystal solar panels) on kõige efektiivsemad, kuid tootmine on kulukas, sest paneelis kasutatakse räni, mis on toodetud suurte kristallidena. Hiljem lõigatakse need väiksemateks tükkideks, millest  valmib üks  element (cell). Metallribadest elektrijuhid laotatakse üle elemendi, et püüda elemendist vabanevaid elektrone.  Selliste paneelide efektiivsus jääb vahemikku 11 - 18%.

Polükristallilised päikesepaneelid (Polycristal solar panels) on väiksema kasuteguriga ja veidi odavamad. Polükristallilistes päikesepaneelides kasutatakse elemente, mis sisaldavad suurt hulka väikeseid ränikristalle. Polükristallilise paneeli kasutegur jääb 15% juurde.

Viimasel ajal on vahe polü- ja monokristalliliste paneelide hinnas ja kasuteguris üha vähenenud ja pole võimalik ühte teisele eelistada, kõik sõltub ikka konkreetsest paneelist.

Ränil põhinevaid PV paneele toodetakse ka Eestis alates 2000 a Soome firma NAPS Solar tütarettevõttes NAPS Solar Estonia.

Vaatleme ühe paneeli  valmimist. Paneelide kallimaid komponente fotoelemente (cells) kohapeal ei toodeta, need saabuvad Lõuna-Koreast, Taiwanist jne. Robot joodab fotoelementidele külge elektrit koguvad kontaktid ja ühendab elemendid omavahel ritta. Valmis read asetatakse spetsiaalsele karastatud klaasile. Klaasi ja elementide vahel on polümeerkile. Elementide read joodetakse kokku. Asetatakse veel üks polümeerkile ja paksem kaitsekile ning lamineeritakse need pressi all kokku. Lõigatakse ära ülejäävad polümeerkile osad ja siis katsetatakse iga paneeli, jälgides, et paneel vastaks nõutud parameetritele. Igale paneelile paigutatakse enne lamineerimist ainult talle omane triipkood.  Paigaldataks raam ja ühenduskarp. Paneel ongi valmis.  

Amorfse kilega päikesepaneele (Amorphous Thin film panels) toodetakse kristallilistest paneelidest erinevalt: neil puudub täielikult kristalliline struktuur ning kile kantakse otse erinevatele materjalidele. Amorfse kile peamised eelised on madal tootmiskulu ja kasutamise mitmekülgsus. Amorfset räni ja sarnaseid pooljuhte saab toota palju kiiremini. Neid saab kanda õhukeste kihtidena erinevatele materjalidele, samuti on võimalik teha painduvaid päikesepaneele. Kilepaneelide suureks puuduseks on nende kõige väiksem kasutegur hetkel saadaolevate päikesepaneelide hulgas.  Nende efektiivsus jääb vahemikku 3 - 11%. Kuna Thin film paneelide puhul on võimsusühiku hind madalaim, siis kasutatakse neid päikeseenergiaküllaste  piirkondade suurtes  päikeseelektrijaamades, kus on kasutada suured pindalad.

Majapidamises kasutatavad päikesepaneelid jäävad võimsusvahemikku 20 - 260 W. Suuremate võimsuste saamiseks moodustakse mitmest päikesepaneelist päikesepatarei, jada. Paneelide olulisemad andmed on võimsus, pinge ja väljastatav voolutugevus. 

Päikesepaneeli elektrilisi parameetreid iseloomustatakse läbi volt-amper karakteristiku ehk I-V kõvera.

Päikesepaneeli tehnilistes andmetes on näha mitme parameetri puhul lisatähist mpp (maximum power point). MPP on maksimaalne punkt I-V (voolu-pinge)*kõveras, kus kõvera ühes otsas on lühis (Isc) ja teises otsas avatud ahel (Uoc). Praktikas näeks see välja nii, et kui me päikesepaneeli avatud ahelale hakkame sujuvalt rakendama koormust ja samal ajal mõõdame pinget ja voolu, siis mpp on see punkt, kus I x V on maksimaalne P. Näiteks 36 päikesepatarei elemendiga mono- või polükristallist päikesepaneelidel on mpp vahemikus 15 - 18 V. Mida madalam on paneeli temperatuur, seda kõrgem on pinge U ja mida suurem on päikesekiirgus, seda suurem on vool I. 

Päikesepaneeli mpp punkti oskab määrata MPPT kontroller (Maximum power point tracker).

Inimesel, kes igapäevaselt ei puutu kokku taastuvenergia valdkonnaga, võtab PV paneelide tehniliste andmete leht tihtipeale silme eest kirjuks. Seega lahkan näitena autonoomsesse süsteemi sobiva 80 W päikesepaneeli tehnilist andmestikku: 

·       SolarWorld SW 80 poly - tavaliselt juba PV paneeli nimetus annab meile teada, mis on paneeli maksimaalne võimsus ja mis liiki päikesepatarei elementidega tegemist on. Näitena toodud nimetuses on tegemist siis firma SolarWorld 80 W võimsusega polükristall-päikesepaneeliga.

·       PERFORMANCE UNDER STANDARD TEST CONDITIONS (STC: 1000 W/m², 25 °C, AM 1.5) - paneeli testimisel on kasutatud standardtingimusi, kus pinnale langeb päikesekiirgust (spekter AM 1,5) 1000 W/m²ja päikesepateri elemendi temperatuur on 25 °C.

·       Maximum power Pmax 80 W - PV paneeli maksimaalne võimsus. See on ka peamiseks kriteeriumiks päikesepaneeli tehnilistes andmetes ning näitab Umpp ja Impp suhet ( Pmax = Umpp x Impp).

·       Power tolerance -5 /+10% - paneeli võimsuse tolerants, mis näitab lubatud kõikumist tehnilistes andmetes.

·       Maximum power point voltage Umpp(Vmp) 17,9 V - pinge maksimaalse võimsuse puhul.

·       Maximum power point current Impp(Imp) 4,49 A - vool maksimaalse võimsuse puhul.

·       Open circuit voltage Uoc 21,9 V - avatud ahela pinge.

·       Short circuit current Isc 4,78 A - lühisahela vool.

·       Maximum system voltage SC II 1000 V - süsteemi maksimaalne pinge paneelide jadaühenduse puhul.

·       TC Isc 0,034 %/K; TC Uoc - 0,34 %/K; TC Pmpp - 0,48 %/K - iseloomustab PV paneeli parameetrite muutumist elemendi temperatuurist sõltuvalt. 

PERFORMANCE AT 800 W/m², NOCT (Nominal Operating Cell Temperature), AM 1.5- järgnevalt on toodud tehnilised andmed, kui päikesepaneel asub välistingimustes, kus päikesekiirgus on           800 W/m²ja õhutemperatuur 20 °C ning tuulekiirus 1 m/s:

·       Maximum power Pmax 58,0 W

·       Maximum power point voltage Umpp 16,1 V

·       Maximum power point current Impp 3,59 A

·       Open circuit voltage Uoc 19,7 V

·       Short circuit current Isc 3,85 A

Paneelide soetamisel tasub tähelepanelik olla ja mitte segi ajada nimipinget ehk seda pinget, mida hakkab väljastama laadimiskontroller (tavaliselt on see 12 V, 24 V, 48 V) ja paneeli poolt väljastatavat maksimaalset avatud ahela pinget Uoc, mis võib olla nimipingest oluliselt suurem. 12(24) V PWM kontrolleri kasutamisel on soovitav et paneeli Vmp oleks vahemikus 17 - 18 V       (34 - 36), väiksema pinge korral ei toimu laadimine korralikult, kõrgema pinge korral läheb osa energiast kaotsi.

Tuleb arvestada ka seda, et paneelide parameetrid on antud 20 °C juures. Temperatuuri alanedes tõusevad paneeli toodetav võimsus ja pinge oluliselt. Meie näidispaneeli puhul on                          TC Uoc - 0,34%/K ja TC Pmpp - 0,48%/K, mis tähendab, et  - 20 ~C temperatuuri korral on meie paneeli

                        Uoc = 21,9 + ( 21,9 x 0,0034 x 40) = 24,9 V

                        Pmax = 80 + (80 x 0,0048 x 40) = 95,4 W 

Paneelide valikul on veel kaks kriteeriumi:

1. Võimsus ruutmeetri kohta W/m2 - see näitab, mitu vatti energiat üks m2 paneeli pinda toodab. Üldiselt jäävad need väärtused 100 - 150 W/m2 vahele. Suurematel ja monokristallilistel paneelidel on erivõimsus üldiselt parem.
2. Ühe vati maksumus ehk mitu eurot tuleb ühe W päikeseelektri eest välja käia. Kohalikus kaubanduses jäävad hinnad vahemikku 0.8 - 1,6 €/W. Internetikaubamajades algavad paneelide hinnad 0,6 €/ W. Siinjuures ei tohiks unustada, et neile hindadele võib lisanduda transport, toll ja käibemaks. Samuti on probleeme garantii ja tootetoega.

Kõige lihtsam on kinnitada paneelid hoone lõunapoolsele viilkatusele. Eestis on optimaalne paneelide paigaldusnurk maapinna suhtes 40%, mis annab aasta lõikes maksimaalse energiakoguse. Kui soovitakse süsteemi efektiivsust tõsta, on võimalusel mõistlik muuta nende nurka - suvekuudel on soovitavaks nurgaks 30 - 40 kraadi, talvekuudel novembrist veebruarini on mõistlik tõsta paneelid 90-kraadise nurga alla (tootlikkus suureneb ca 7%). See vähendab ka nende kattumist lumega. Samas tuleb olla ettevaatlik viilkatusele paigaldatud paneelide nurga muutmisega, kuna sinna taha võib koguneda suures koguses lund, mis võib ohustada nii katusekonstruktsioone kui ka paneele. 

Suurendamaks veelgi PV paneelide võimekust, on võimalik kasutada päikese järgimisseadet (Solar Tracker), mis liigutab moodulit vastavalt päikese liikumisele. Trackerid jagatakse ühe- ja kaheteljelisteks. Viimased jälgivad päikese teekonda täpsemalt ja  suurendavad paneelide aastast tootlikkust meie laiuskraadil kuni 40%, tootlikkuse tõus on aasta lõikes erinev kõikudes  detsembri 18% ja juuni 53% vahel. Samas on trackerite hinnad seoses PV paneelide hindade langemisega jõudnud samasse suurusjärku PV paneelidega. Näiteks 4 KW PV paneeli katab         30 m2 ja maksab ca 2000 € , samas 30 m2 kaheteljelise trackeri hind on üle 4000 €. Tracker vajab oma eeliste ärakasutamiseks laialt avatud horisonti päiksetõusust loojanguni. Samas kui trackeriga saavutatav lisaenergia on võimalik saada lihtsalt paneele lisades, nii tõuseb oluliselt süsteemi töökindlus, kuna puuduvad liikuvad osad.