Varumeestepingilt platsile
Ülo Vaher
04.05.2005

Inimkonna elektrienergiavajadused üha kasvavad ja seda ka keskmiselt ühe inimese kohta. Energiakriis ei ole enam kaugel, sest traditsioonilised energiaallikad – fossiilsed kütused – ammenduvad sellel või parimal juhul järgmisel sajandil. Eesmärgiks on seatud tõsta taastuva ja puhta energia, sealhulgas päikeseenergia, osakaal lähiaastakümnel 20%ni.

Tavalised aatomielektrijaamad on pärast Tsernobõli katastroofi muutunud ebapopulaarseteks ja enamikes riikides blokeerivad rohelised sellealasete programmide arendamist. Keskkonnaohutu termotuumaelektrijaama suurt ja kallist rahvusvahelist katsemudelit ITER alles hakatakse ehitama (vt TM 2004/5) ja arvestatavat panust elektritootmisesse tuleb oodata veel aastakümneid.

Lisaks tuleb meeles pidada, et fossiilsete kütuste kasutamisega kaasneb atmosfääri saastumine kasvuhoonegaasidega ja sellest tulenev lubamatu kliima soojenemine koos hävitavate tormide ja üleujutustega. Seepärast on teadus ja insenerimõte asunud senisest pingsamalt otsima alternatiivseid energiaallikaid, mis oleksid keskkonnaohutud ja mille lätted ammendamatud.

Selliseks allikaks on Päike, mille energiat saabub Maale umbes 10 000 korda enam, kui inimkond seda praegu kõigi energialiikide summana kulutab. Keskeltläbi jõuab maapinnani umbes 1 kW/m2.

Kuigi päikeseenergiat on inimesed alati kasutanud, siis elektri tootmiseks hakati seda kasutama alles 50 aastat tagasi. Valgus, sealhulgas ka päikesekiirgus koosneb osakestest – footonitest, mis teatud tingimustes võivad mingis aines vabastada selle aatomite vangistuses olevaid elektrone ja anda sellele “tööjõule” vaba liikumise võimaluse. Aga vabade elektronide suunatud liikumine – see ongi ju elektrivool! Kogu kunst seisneb selles, kuidas leida selleks kõige sobivamad ained.

Päikesepatareid

Tavalisem viis elektri saamiseks päikeseenergiast on teha seda päikesepatareide abil, mille algrakkudeks on ventiilfotoefektil põhinevad tõkkekihiga pooljuhtdioodid, mis sobival viisil üksteisega liidetakse, et saada arvestatavat voolutugevust. Harilikult liidetakse 40 rakku eraldi mooduliks ja 10-30 moodulit paneeliks. Enamasti monteeritakse sellised paneelid hoonete katustele ja vastavalt hoone suurusele ning tarbitavale elektrikogusele võib ühendada erineva arvu mooduleid. Seni peamiselt ränikristallidel põhinevate päikesepatareide elektriline kasutegur jääb 10% lähedale. Seega vajatakse 1 kW elektrienergia saamiseks umbes 10 m2 päikesepatareisid.

Päikesepatareisid on kasutatud erinevates valdkondades ja seadmetes, alates taskukalkulaatoritest kuni kosmoselaevade ja rahvusvahelise kosmosejaamani ISS (vt TM 2005/3), mille tööks vajaliku 110 kW toodavad päikesepaneelid kogupindalaga 2500 m2. Mõistagi on päikesepatareisid mõistlik kasutada eelkõige päikeseküllastes vähese pilvisusega piirkondades. Nende laialdasema leviku peamiseks piirajaks on aga madal kasutegur ja kõrge hind (1000–2000 kr/m2). Paljudes maailma pooljuhtlaborites, sealhulgas ka Eestis TTÜs, püütakse leida päikesepaneelidele efektiivsemaid, odavamaid ja töökindlamaid materjale. Ränikristalle sisaldavate klaaspindade asemel proovitakse kasutada õhukesi ränikilesid, kuid veelgi perspektiivikam oleks vask-indium-diseleniidi (CuInSe2 ehk CIS) või kaadmium-telluriidi (CdTe) taoliste ainete kasutamine üliõhukeste, mikromeetripaksuste kilede koostises.

Mõnikord on targem minna ringi

See kehtib mitte üksnes mägedes, vaid ka päikeseenergia muundamisel elektrienergiaks. Nimelt on paljud teadlased ja insenerid leidnud, et kõige otstarbekam on muundada Päikese kiirguseenergia esmalt soojuseks ja siis soojus omakorda elektriks. Selle tee eelisteks on suurem kasutegur ja võimalus ära kasutada teada-tuntud soojuse elektriks muutmise tehnikat. Uusi tehnilisi lahendusi vajab vaid päikeseenergia muundamine soojuseks. Selleks on tarvis kahte peamist komponenti: 1) päikeseenergia kogujat võimalikult suurelt pinnalt ehk kollektorit – mõistagi tuleb selleks kasutada peegleid ja 2) kollektorite kogutud päikeseenergia vastuvõtjat e ressiiverit, milleks tuleb muidugi valida mingi keha ja aine, mis neelab päikesekiirgust ja mille temperatuur selle mõjul tõuseb. Tinglikult võiks rääkida veel ka kolmandast komponendist, nimelt soojuse ülekandemehhanismist ja -viisist aurugeneraatorisse. Edasi käib protsess juba soojuselektrijaamadest tuntud teed pidi, kus aur juhitakse auruturbiini, mis omakorda käivitab elektrigeneraatori.

Üldiselt päikeseelektri tootmise efektiivsuse määravad just edukad tehnilised lahendused nii kollektori kui ka ressiiveri puhul. Kollektoritena (peegelsüsteemidena) pakutakse välja renn-, tasa- ja liudpeegleid.

Rennpeegelsüsteemid

Nendes süsteemides kasutatakse paraboolse ristlõikega pikki rennitaolisi peegleid, mis on kinnitatud põhjast lõunasse kulgevale horisontaalsele kandeteljele. Sellisele peeglile langev kiirgus koondub sirgjoonelisse fookusse, mis kulgeb piki renni, kui vaid renn on suunatud otse päikesele. Selle kindlustab ajam, mis pöörab renni tema horisontaalse kandetelje ümber samasuguse nurkkiirusega nagu Päike liigub taevavõlvil. Öösiti toimub muidugi nende tagasipööramine suunda, kust hommikul Päike tõuseb, ja päevane töötsükkel algab taas. Selliseid peegleid, mille suurus on kümneid ruutmeetreid, kogutakse päikeselisele väljale ühe elektrijaama tarbeks kümneid ja sadu, vastavalt jaama soovitud võimsusele.

Rennpeeglite kasutamisel on soojuse akumulaatoriteks e ressiiveriteks soojuskandjaga täidetud mustad torud, mis kulgevad piki peegli joonfookust. Et torudest ei eralduks oluliselt soojust tagasi õhku, on nad asetatud optiliselt selektiivse kattega klaasist vaakumtorusse, tänu millele pääseb absorberisse 96% päikese lühilainelisest kiirgusest, kuid absorberist tagasikiirgunud pikalainelisest kiirgusest pääseb välja vaid 7%. Tänu sellele kuumenevad ressiiveri torud ja selles ringlev soojuskandja, milleks on enamasti sünteetiline õli, kuni 400 ∞C.

Rennpäikeseelektrijaamu ehitati USAs California lähedal Mojave kõrbes aastatel 1984 kuni 1991 üheksa varianti võimsustega 14 kuni 90 MW. Rennpäikeseelektrijaamade arendamisel loodetakse edu saavutada ka Euroopa Liidus. Nimelt Hispaanias projektiga DISS, kus soojuskandjana võetakse kasutusele õli asemel vesi(aur).

Heliostaadid ja ressiiveritorn

Teise kollektori tüübi moodustavad poolkaarekujuliselt paigutatud tasapeeglid ehk nn heliostaadid, mis kontsentreerivad päikesekiirguse ja peegeldavad selle välja serval kõrguva torni otsas olevale ressiiverile. Algul kasutati siin lihtsaid hõbetatud klaaspeegleid, kuid hiljem mindi üle metallmembraanile pinguldatud peegeldavatele polümeerkiledele. Kusjuures membraani ja kile vahelisse ruumi tekitati väike vaakum, mistõttu kile omandas kergelt nõgusa vormi, mis parandas päikesekiirguse fokuseerimist ressiiverile. Peegel, mille pindala võib küündida 100 m2, on üles-alla ja paremale-vasemale pööratav nii, et temalt peegeldunud päikesekiirgus on kogu aeg suunatud torni tipus olevale ressiiverile. Suurim seda tüüpi päikeseelektrijaam – 10 MW võimsusega Solar One – töötas Mojave kõrbes Barstow lähedal 1982 kuni 1988. Selle ressiiver koosnes ümber kesksilindri paigutatud vertikaalsetest torudest, milles tekkis aur temperatuuriga 515 ∞C. Hiljem ressiiveri konstruktsiooni muudeti, kui soojuskandjaks valiti veeauru asemel sula naatrium- ja kaaliumsool, mis tagas parema soojuse ülekande ja võimaldas kasutada osa sellest soojussalvestis, et toota elektrit veel kolm tundi pärast päikeseloojangut (see oli Solar Two).

Rahvusvahelise Energiaagentuuri initsiatiivil rajati 1981. a analoogne tornjaam ka Euroopas. Selles kasutati soojuskandajana naatriumi, mis aga põhjustas 1986. a tulekahju. Jaam ehitati ümber ja uues kasutati soojuskandjana lihtsalt õhku.

Praegu töötab selline eksperimentaalne elektrijaam CESA-1, mille võimsus on 1 MW, Euroopa Liidu katsepolügoonil Lõuna-Hispaanias Almeria lähedal. Selle ressiiveris kasutatakse traatvõrgustikku, millest imetakse läbi kuni 700 ∞C kuumenenud õhku. On tehtud katseid vähendada ressiiveri mõõtmeid, kasutades selleks traatpunutiste asemel poorset keraamikat, mis võimaldab tõsta töötemperatuuri ja seeläbi ka seadme kasutegurit. Seadme termilis-elektriline tasutegur ulatub 45%. Euroopa Liit on alustanud juba ka 10 MW tornpäikeseelektrijaama ehitamist Sevilla lähistel.

Liudpeeglid ja Stirlingi mootorid

Kolmandaks kollektori põhitüübiks on pöördparaboloidi- e liuakujulised peeglid läbimõõduga kuni 10 m. Pinguldatud membraanpeeglid asetsevad metalltoestikul, mida ajamite abil pööratakse nii, et nad on päeva jooksul pidevalt suunatud Päikesele. Selle konstruktsiooni on välja töötanud Saksa firma Schlaich, Bergermann ja partnerid. Peegli fookuses asetseb ressiiver, mille põhiosa moodustab Stirlingi mootor ja sellega ühendatud elektrigeneraator. Seadme efektiivsus ulatub 30%ni. Võimsus sõltub muidugi peegli diameetrist ja on piirides 5–25 kW, seega sobiv väiketarbijale, kes elab kohas, kus puudub elektrivõrk.

Uus lehekülg päikeseelektri tootmises

Samal ajal kui paljud teadlased ja insenerid murdsid päid päikeseenergia elektriks muutmise erinevate keeruliste projektide kallal, tuli Stuttgarti ülikoolis töötaval ehitusinseneril Jörg Schlaichil lihtsalt geniaalne ja geniaalselt lihtne idee, kuidas panna Päike elektrit tootma. Tuleb lihtsalt ehitada suur kasvhoone ja selle keskele kõrge tuulutustorn, mille sisse tuulerootoriga elektrigeneraator. Kasvuhoones soojenenud õhk tõuseb mööda toru üles ja paneb elektrigeneraatorid tööle. Ei mingeid erilisi kalleid materjale ega seadmeid.

Idee autori näol ei ole siiski tegemist mingi poolhullu isemõtlejaga. Nimelt oli ta oma loomingu eest saanud juba varem mitmeid rahvusvahelisi auhindu, näiteks kuulsa Ting Kau silla eest Hongkongis või Frankfurdi jalgpallistaadioni klaaskatuse eest. Ta on muuseas ka üks terroristide poolt hävitatud New Yorgi WTC asemele rajatava keerduva kujuga kõrgusesse pürgiva Vabaduse Torni sõrestikstruktuuriga ülemise osa autoreid. Kusjuures sellesse ossa on kavas paigutada 30 tuuleelektrigeneraatorit, mis kataksid viiendiku hoone energiavajadusest.

Hullumeelsed ideed ellu!

Insener J. Schlaichil ei ole kombeks jätta oma ideid paberile vedelema. Nii suutis ta veenda Saksa ja Hispaania valitsust oma “päikesekorstna” idee teostatavuses ja kaubelda neilt välja rahalist toetust projekti realiseerimiseks. 1982. a valmiski firma Schlaich ja Bergermann toel 50 kW võimsusega elektrijaama prototüüp Madridist 150 km lõunasse jääva linnakese Manzanarese lähedal.

Selle kollektoriosa koosnes 240 m diameetriga lahtiste servadega 2 m kõrgusest plast- ja klaaskatusest, mis keskel liitus kindlalt 195 m kõrguse toruga. Päikesekiirguse mõjul umbes 17 kraadi võrra soojenenud õhk muutub teatavasti kergemaks ja hakkab piki toru sisemust ülespoole tõusma, tekitades selles tuuletõmbuse 12 m/s. Selle tuule abil pandigi liikuma tuulegeneraatorid. Seadme tööd uuriti 7 aasta jooksul väga põhjalikult ning koostati selle arvutimudel. Nendest uurimustest selgus, et elektrijaama efektiivsus suureneb proportsionaalselt kollektori pindalaga ja torni kõrgusega. Samuti selgus, et klaaskatuse maksumus moodustas kogumaksumusest umbes poole, torni osa vaid neljandiku, mistõttu on seadme võimsuse tõstmiseks majanduslikult kasulikum suurendada eeskätt torni kõrgust. Samuti on kasulikum ehitada üks suur, kui kaks väikest.

Uurimis- ja modelleerimistööde tulemusena jõuti järeldusele, et parima resultaadi annaks hiigelsuur kompleks, mille kollektori diameeter ulatuks 7 km-ni ja 150 m läbimõõduga torni kõrgus 1 km-ni. Kollektori all olev õhk soojeneks 30 kraadi võrra ja tekitaks tornis õhuvoolu liikumise kiirusega 15–20 m/s. Asetades selle õhuvoolu teele torni sisenemisel 32 tiivikutega 6,25 MW turbiini, peaks jaam andma elektrit koguvõimsusega 200 MW, millest piisaks keskmise linna varustamiseks elektrienergiaga.

Seda tüüpi kollektori positiivseks omaduseks on see, et ka pilvisema ilmaga ei tööta ta palju kehvemini, sest erinevalt päikesepatareidest kasutab ta hästi ära ka Päikese nähtamatuid infrapunakiiri, mis pilvedest läbi tulevad. Lisaks annab seade elektrivoolu ka öösel, seda just tänu päeva jooksul kollektorialusesse pinnasesse salvestunud soojuse vabanemisele. Vajaduse korral on võimalus paigutada kollektori alla soojussalvestiteks ka spetsiaalsed mustad veetorud.

Sellise elektrijaama toodangu loomulik ööpäevane dünaamika vastab ligikaudu ka lõunapiirkondade ööpäevasele elektritarbimise dünaamikale, mille tipp on pärastlõuna paiku, kuna peamise tarbimise moodustavad kliimaseadmed.

Elektrijaama ehitusmaterjalidena vajatakse peamiselt tsementi, mida saab toota kohapeal, ja läbipaistvat plasti. Tänapäevane ehitustehnika lubab tsementi pumbata ka 1000 m kõrgusele. Kartuse, et nii kõrge torn võiks tuules tugevasti kõikuma hakata, välistab asjaolu, et torni kõrguse suhe tema läbimõõtu ei ületa suhet 7-8 : 1. Täiendavaks torni stabiilsuse tagamiseks monteeritakse tema sisse veel radiaalsed tugevdusvardad, mis ülaltvaates meenutavad jalgrattakodaraid.

Las Päike särada, temast jätkub meile kõigile

Esimene selline hiiglane, millest saab inimeste poolt seni loodud sarnastest rajatistest suurim, hakkab kerkima Kagu-Austraaliasse mõnesaja kilomeetri kaugusel Melbourneist. Ettevõtmise taga on USA firma Solar Mission ja Austraalia firma Enviro Mission, mis on pühendunud keskkonnaohutu päikeseenergia kasutamisele. See on ka üks perspektiivseid teid fossiilsete kütuste kasutamisega paratamatult kaasnevate kasvuhoonegaaside emissiooni piiramisele ja Kyoto kokkuleppest kinnipidamisele. Austraalia valitsus on asunud igati toetama seda uuenduslikku suunda rohelises energeetikas. Päikeseenergiasamba vastu on huvi ärganud ka Lõuna-Aafrikas, Marokos, Egiptuses, Indias ja Hiinas.

Sarnased artiklid