Päikesepaneelid

Fotoelemente liigitatakse tootmistehnoloogiate järgi üldiselt kaheks: kristalliline räni (ingl Crystalline Silicon) ja õhukesekihilised elemendid (ingl Thin Film).  Hetkel on installeeritud päikesepaneelidest ~80% valmistatud kristallilise räni baasil (mono- ja polükristall) ning ülejäänud on õhukesekihilised, mille hulka kuuluvad amorfne räni (a-Si), kaadmiumtelluriit (CdTe), vaskindiumgalliumseleniit, (CIS/CIGS) ja orgaanilised fotogalvaanilised elemendid (OPC). Tulevikus on oodata õhukesekihiliste päikesepaneelide  turuosa suurenemist, mis tuleneb selle tehnoloogia odavusest ja elementide efektiivsuse kasvust  (Joonis 1).

Joonis 1. Erinevate päikesepaneelide tehnoloogiate maailmaturu olukord praegu ja tulevikus

Peamised erinevusedtehnoloogiate vahel on paneelide turuhind, efektiivsus, temperatuuri koefitsient. Päikesepaneelide valikul on oluline, mis põhimõttel neid paigaldatakse ning igale tüüpobjektile on valiku tegemise lihtsustamiseks vajalik läbi viia lähem uurimine.Linnaoludesse paigaldatavaid elektrisüsteeme, kus ei ole laialdaselt vaba pinda, siis tehnoloogia valiku tegemisel tuleks lähtuda võimalikult kõrgest päikeseelementide efektiivsusest, mis lubab katuseruumi optimaalselt kasutada, tagab nende pikema eluea ning paigaldamishind on madalam.

Neid põhimõtteid järgides langeks valik kristallilisest ränist toodetud päikesepaneelidele, kuna hetkel on nende efektiivsus veidi kõrgem kui muudel õhukesekilelistel tehnoloogiatel. Joonis 2.on näha, et järgnevate aastakümnete jooksul ennustatakse kommertskasutuses olevate päikesepaneelide efektiivsuse tõusu.

Joonis 2. Masstootmises olevate erinevate päikesepaneelide tehnoloogiate efektiivsus praegu ning ennustused tulevikuks

Samuti tasuks Eestis kaaluda ka õhukesekihilise tehnoloogiaga päikesepaneelide paigaldust, kuna selle eelised kristallilise räni omade ees on järgmised:

• Keskmine tehasehind on veidi madalam kui kristallilise räni omadel
• Üldine CdTe temperatuuri koefitsient ehk toodangu sõltuvus temperatuurist on parem (-0,25%) kui ränist paneelidel (-0,5%)
• CdTe tehnoloogia ja tootmisprotsessid on kiires arengus, mis alandab hinda ja tõstab efektiivsust. aastaks loodetakse saavutada 0,29 €/W piir
• Õhukesekihiliste paneelide siseste ühenduste tõttu ei mõjuta varjude teke paneeli tööpinget niivõrd kui näiteks jadamisi ühendatud kristallräni elementidel, kus kehtib reegel, et kogu ahelat (ingl string) mõjutab kõige nõrgem lüli (5-10% kattev vari vähendab väljundvõimsust üle 80%)

Eestis on praegu õhukesekihilised päikesepaneelid veel niivõrd tagaplaanile jäetud, et tegelikult ei ole isegi olemas ühtset nime antud tehnoloogiale ning veel kutsutakse seda ka sadestatud kilega päikesepaneelideks. Õhukesekilelisi päikesepaneele Eestis praktiliselt ei kasutata, kuna neid peetakse ebatöökindlateks, ebaefektiivseteks ning ka kallimateks.

Päikesepaneelide efektiivsuse muutus tulenevalt keskkonnast

Seoses sellega, et päikesepaneelide efektiivsus väheneb, kui temperatuur ületab nominaalselt päikeseelemendi opereerimistemperatuuri (edaspidi NOCT: ingl Nominal Operating Cell Temperature), ning suureneb, kui temperatuur langeb alla NOCT, tuleb enne simulatsioonide tegemist teha selgeks, kui palju avaldab temperatuur mõju erinevate päikesepaneelide elementide toodetele. NOCT on kirjas kõigi päikesepaneelide tootelehtedel ning see jääb üldjuhul 45°C ümbrusesse. NOCT on mooduli temperatuur, kui välistemperatuur on 25°C, päikesekiirgus 0,8 kW/m² ning tuule kiiruseks on 1 m/s.

Tuule kiirus on päikesepaneelide efektiivsust tõstvaks teguriks, kuna tuul omab jahutavat efekti, eriti just Eesti klimaatilistes oludes, kus tuuled on talvisel perioodil väga külmad.

Joonis 3 Päikese elementide (kristallilise räni) maksimaalse võimsuse (efektiivsuse) sõltuvus välistemperatuurist

Välistemperatuuri muutus mõjutab päikesepaneelide efektiivsust lineaarselt (Joonis 4.) ja igal tootel on tehase poolt väljastatud maksimaalse võimsuse koefitsiendi sõltuvus temperatuurist ning need jäävad üldiselt alla 0,5%/°C. Joonis 3.4. on näha, et temperatuuri muutus mõjutab eelkõige väljundpinget. Kõige vähem mõjutab temperatuuri kõikumine õhukesekihiliste (ingl thin-film) fotoelementide toodangut, mille hulgas kaadmiumi ja telluriumiga (CdTe) kaetud kihiga fotoelementide temperatuuri koefitsiendiks on -0,31%/°C. Enamlevinud päikesepaneelide tehnoloogiate mono- ja polükristallilised päikese­paneelidel on see koefitsient aga vastavalt -0.38 ja -0.40%/°C (Joonis 3.5.).

Joonis 5. Durischi arvutusmudeliga saadud päikesepaneelide efektiivsused erinevate temperatuuridega: mSi- monokristall; pSi- polükristall; aSi- amorfne räni (sarnaselt õhukesekilelistele); CIS – vask, indium, seleen

Joonis 5. on näha, et Durischi arvutusmeetodiga saadud temperatuuri koefitsient on kõige parem õhukesekihilistel päikeseelementidel. Sama järelduse on teinud ka Annika Päsik enda 2011. aasta magistritöös “Ehitisintegreeritud fotoelektriliste päikesepaneelide tootlikkus Eesti kliimas”. Kasutades programmi PVGIS-i (ingl Photovoltaic Geographical Information System) ning TTÜ välislabori mõõteandmeid, leiti, et tasandatud elektrihind Eestis oleks parim just õhukesekihilistel päikesepaneelidel. See tulenes sellest, et suvine toodang oli kristallilise räni paneelidel tunduvalt madalam kui õhukesekihiliste omal, mis tegi tagasi selle tootlikkuse vahe, mis tulenes sellest, et  suure temperatuuri koefitsiendi tõttu on kristallilise räni päikeseelementide talvine efektiivsus 10% kõrgem.

• Käesolev artikkel on katkend Mihkel Mahlapuu 2014. aasta TTÜ magistritööst teemal:
  “Päikeseelektrijaama toodangu simulatsioon ja majanduslik analüüs linnatingimustes asuvatel hoonetel”