Päikeseenergia tuleneb päikesekiirgusest, saadav energia on sobilik sooja tarbevee või elektri tootmiseks, samuti õhksoojuspumpade ja maakütte puhul kombineeritud küttelahendusena. Soojusenergia tootmise puhul kasutatakse mõistet päikesekollektor (päikeseküte), elektrienergia tootmise puhul mõistet päikesepaneel. Eesti tingimustes annab optimaalne kogus päikesekollektoreid märtsi lõpust oktoobri alguseni sooja vee tasuta ja talvisel perioodil olenevalt päikese aktiivsusest kuni 35% lisatoetust küttele. Sõltuvalt kaldenurgast on Eestis ühe kollektori tootmisvõimsuseks 80-120 kWh/m² kuus, 1m² pinnaga paneele toodab keskmiselt 1 kW elektrienergiat.
Kuigi eeldatakse, et Eestis pole päikeseküte atraktiivne meie kliima tõttu, siis tegelikkuses toodab 1 kW võimsusega süsteem Eestis ja Kesk-Saksamaal (päikeseküte laialdaselt levinud) arvestuslikult sama palju energiat aastas, ca. 850-1000 kWh. Eestis on arvestuslik võimsus kõrge tulenevalt suvekuude päikesekiirgusest, talvekuudel (november-veebruar) on tootlikkus väga väike, suve ja talvekuude tootlikkuse vahe on rohkem kui 10-kordne. Teisisõnu tuleb arvestada 8-kuulise hooajaga. Eesti päikesepaisteliste tundide arvuga (ca. 1500-2500) regiooniti saab tutvuda Statistikaameti kodulehel.
PÄIKESEKÜTTE KIRJELDUS
Alumiiniumraamistikul HEAT PIPE vaakumtorupaneelid 30-58/1800
Vaakumtorukollektori elemendi tehnilised andmed
Pikkus
Läbimõõt
Klaasi paksus
Soojuspaisumine
Materjal
Absorbeeriva materjal
Absorbeeruv kiirgus
Vaakum
Maksimaalne temperatuur
Maksimaalne töörõhk
1800 mm
58 mm
1,6 mm
3.3 x 10-6 ºC
Boorsilikaat klaas 3.3
Al-N/Al-Cu
>92% (AM1.5)
P<5×10-3 Pa >250 ºC
0.8 MPa
Valitud kollektoritüübi tutvustus
Vaakum on seni teadaolevalt parim soojusisolaator, sest kui puuduvad igasugused osakesed või on nende vahekaugus viidud võimalikult suureks – puudub ka võimalus anda osakeselt osakesele edasi soojusenergiat. Just sellel põhimõttel põhineb vaakumtoru ehitus – kahekihiline klaaskolb, kus kihtide vahel on vaakum, omastab maksimaalselt päikeseenergiat ega lase muundatud soojusenergiat tagasi väliskeskkonda.
Päikesekütesüsteemi HEAT PIPE tehnoloogia kolmekordse absorber (ingliskeeles: neelama, haarama) kihiga vaakumpaneelid annavad parima võimaliku tulemuse. Kolm kihti energiapüüdjas on väljaspoolt sissepoole loendades järgmised: peegeldus vastane kiht – tagab maksimaalse energia hulga omastamise paneeli poolt, energiapüüdja – muundab päikeseenergia soojusenergiaks ja infrapuna peegeldi – kasutab ära infrapunase ja UV kiirguse energiaspektri, mis annab energiat paneelile ka pilvise ilmaga ning on inimese silmale nähtamatu ning peegeldab juba toodetud soojusenergia maksimaalselt HEAT PIPE kolvile.
HEAT PIPE tehnoloogia kolb on välja töötatud maksimaalse soojusvahetuse toimimiseks vaakumtoru ja kollektori vahel. Kolb on täidetud inertse gaasiga, mis temperatuuri tõustes aurustub ning viib toodetud soojusenergia kiiresti kolvi pea kaudu kollektori pessa. Andes energia edasi ringlevale glükoolile, jahtub inertne gaas – muutub vedelasse olekusse ning valgub tagasi kolvi alaossa. Selline ringlus tagab vaakumtoru paneelis efektiivse soojusvahetuse.
Plaatkollektori ja vaakumtorukollektori võrdlus
Lamekollektor
Päikesekiired tabavad paneeli nurga all nii hommiku- kui ka õhtupoolsel ajal ning risti paneeliga ehk optimaalse nurga all on päikesekiired tööpinnaga ainult keskpäeval – seega ei tööta paneel optimaalses võimsusväljastuses. Vältimaks optimaalse päikesekiirguse sattumist klaaspinnale liiga suure nurga all peab olema võimalikult täpselt seadistatud. Päikesekollektorite paigaldussuund lõuna suunas – peegeldus ja võimsuskadu. Soojuskaod kollektorist läbi suure klaaspinna – toodetud energia kaotatakse väliskeskonda. Oluline efektiivsuse langus talvekuudel ja tõus suvekuudel – energia tootmine ajahetkel millal tarbimine on madalseisus. Talvine madal energiaväljastus ning otsene oht mattuda lume- ja jääkihi alla . Vigastus või leke kollektorist nõuab terve kollektori väljavahetamist.
Vaakumkollektor
Päikesekiired tabavad kollektorid igal ajahetkel optimaalse nurga all – tagades täisvõimsusnurga ning optimaalse võimsusväljastuse. Suudab paremini kinni püüda hajusat kiirgust – töötab ka pilvise ilma korral kasutades UV ja infrapunase energiaspektri. Vaakumi kasutamise töttu on soojuskaod viidud miinimumi – kogu toodetud energia antakse edasi küttesüsteemi. Paigaldussuund ei pea olema täpselt lõunasse – süsteem töötab efektiivselt ka ± 45º lõuna suunast. Kõrgem efektiivsus energia vastuvõtul. Ideaalne soojusväljastus suurte temperatuurierinevuste korral – tagab soojavarustuse talvel ka väga külmade ilmadega. Vaakumtorud paigaldatakse kollektorile eraldi üksustena ja ei mõjuta purunemise korral süsteemi tööd tervikuna – vaakumtoru on ükshaaval vahetatav, samas süsteem jätkab tööd. Inertse gaasiga täidetud HeatPipe toimimis põhimõttel liigub soojusenergia alati torult edasi kollektorisse e. soojuskandjale, kunagi ei toimu vastupidist liikumist – toodetud energia antakse optimaalselt edasi küttesüsteemi, samas lamepaneelile omast energiakadu ümbritsevasse keskkonda ei ole.
Saksamaal läbiviidud võrdlustestid
I katses võrreldi paneelide termodünaamikat ning võimsuskadu kolmel eri päeval:
päikesepaiste, poolpilves ja pilves. Sinine joon on lamepaneeli ja roheline joon on vaakumtorupaneeli termodünaamika. Vertikaaltelg näitab tootlikust ja horisontaaltelg paneeli toodetud temperatuuri ja välistemperatuuri vahet. Lamepaneel kaotab efektiivsuses kohe kui toodetava temperatuuri ja välistemperatuuri vahe on rohkem kui 25 kraadi. Ehk lamepaneel sobib troopikasse ja subtroopikasse ning basseinide kütmiseks – nimelt sinna kus ei pea võrreldes ümbritseva keskonnaga tõstma temperatuuri rohkem kui 25 kraadi (maksimum tähistatud punase märgiga skeemis). Põhja- ja Kesk-Euroopa tingimustes on ainuõige kasutada vaakumtorupaneeli mis ei kaota soojust ja on päikese liikumisel taevavõlvil üle 90 kraadi pidevalt täisvõimsusnurgas e. päike on toruga risti. Eesti tingimustes kevad-suvi-sügis perioodil on toodetava temperatuuri ja välistemperatuuri vahe 40 – 80 kraadi, päikeselise ilma puhul rohkemgi. Seega vaakumtoru eelis on tõestatud.
II katses võrreldi paneelide tootlust ühes ja samas paigalduskohas paraleelselt samal
ajahetkel ning samades tingimustes.
Graafiku jooned:
tumepunane – torupaneel
roheline – päikese kiirguse tsensor
helepunane – lamepaneel
tumesinine – GEYSER toru
helesinine – GEYSER plaat
Teljed: vertikaaltelg – temperatuur kraadides; horisontaaltelg – aeg minutites.
Päikese kiirgus on algfaasis tugevam siis aga pilvede tõttu kiirgus langeb (roheline joon). Nii kui päikese kiirgus väheneb, kaob ka lamepaneeli võimekus tööd teha. Torupaneel aga seevastu säilitab pikalt töövõime ja muutused e. kõikumised on minimaalsed (tumepunane joon).
Võrdluses on ka GEYSER paneelid – nii toru kui lamepaneel. Nende töös on samuti märgata torupaneeli ülekaal. Torupaneeli eelised on ilmselged.
Lamedad päikesepaneelid sobivad kuuma kliimasse, otsesesse päikesekiirgusesse,
tõstmaks temperatuuride vahet maksimaalselt kuni 25 kraadi.
Vaakumtoru kollektorid toodavad puhaskasu talvel ja annavad suure tootlikuse suvekuudel.
Nad sobivad hästi külmema välisõhu temperatuuridega ja ideaalselt olukordadesse kus tuleb järjepidevalt jälgida pikka madalt päikesepaistet, pakkudes soojusenergiat järjepidevamalt kui lamepaneelid.
Järeldused
Kuna võrdlustestid näitavad selgelt, et meie laiuskraadil on efektiivsem torupaneel, siis saab. Päikeseküttesüsteemi ülesehitamisel ainukeseks valikuks olla vaakumtorukollektoritega süsteem. Selline ülesehitus tagab soojatootmise efektiivsuse selle ajal kui sooja on tarvis ehk kevad ja sügiskuudel. Kogutootlikus aasta lõikes on vaakumtorupaneeli kasutades suurem lamekollektorist erinevate katsetuste tulemusena ca 15- 20 % . Eelpooltoodut arvesse võttes on Päikeseküttesüsteem õige projekteerida meie kliimas sobivamiad päikeseküttekollektoreid e. vaakumtorukollektoreid kasutades.
Päikesekiirguse omadused
Valguse jõudmine maa atmosfääri
Päikesekiirgust väljaspool atmosfääri võime vaadelda musta keha kiirgusena temperatuuril
6000°K. See on nn. lühilaineline kiirgus lainepikkuste vahemikus 100…4000 nm. Inimsilma tundlikkuse alusel jaotatakse see kolmeks vahemikuks:
ultraviolett – 100…400 nm
nähtav valgus – 400…740 nm
lähedane infrapunane – 740…4000 nm
Maa kaugus Päikesest on 147…152 mlj. km. Keskmiselt jõuab Maa atmosfäärini päikesekiirtega risti asetsevale pinnale kiirgusvoog 1400 W * m-2 ehk 1,94 cal * cm-2 *min-1. Seda suurust nimetatakse solaarkonstandiks.
Valguse muundumine atmosfääris
Hajumine. Atmosfääri sisenenud lühilaineline kiirgus hajub. Kõige enam hajuvad sinised ja violetsed kiired. Sellepärast paistab taevas sinise, mitte aga mustana. Päikesepaistelise
ilmaga saame eristada otsest kiirgust (S’) – päikeseketta suunast paralleelsete kiirte kimbuna langev kiirgus ja hajunud kiirgust (D) – taevavõlvi helendust, mis kokku moodustavad summaarse kiirguse (Q). Q = S’+ D. Pilves ilmaga esineb ainult hajuskiirgus.
Neeldumine. Atmosfääri läbimisel nõrgeneb valgus mõnedel lainepikkustel väga tugevasti. Osoonikiht lõikab ära spektri ultravioletse osa, mis on lühem kui 290 nm. Nähtava valguse ja infrapunase osas neelavad tugevasti veeaur, süsihappegaas ja õhuaerosool. Ekvaatoril jõuab maapinnani kuni 86% solaarkonstandist (läbib atmosfääri vertikaalselt), meie laiuskraadil vaid kuni 58% e. päikesekiirtega risti asetsevale pinnale kiirgusvoog 812 W * m-2 ehk 1,13 cal * cm-2 *min-1.
