Päikese- ja tuuleenergia kodumajapidamises

Päikeseenergia

Kui õnnestuks kinni püüda kogu Päikeselt maapinnale jõudev energia, võiks poolteisetunnise päikesepaistega tagada maakera aastase energiavajaduse. See teadmine on sundinud paljusid teadlasi ja insenere nuputama, kuidas saavutada päikeseenergia kasutamine ja salvestamine. 

Aastatel 2008-2010 korraldati kümne riigi koostöös uuring, millega anti päikeseenergia tootmisele kosmoses esimene arvestatav rahvusvaheline hinnang.

Suhteliselt värske, Pariisis asuva rahvusvahelise astronautika akadeemia (IAA) uurimuse kohaselt, võib Maa orbiidil tiirlevaid, päikeseenergiat koguvaid ja seda Maale edastavaid jõujaamu luua praeguste, laboris rakendatavate tehnoloogiate baasil umbes kümne aasta jooksul. Kogu globaalset energiavajadust rahuldava tehnoloogia loomine on võimalik 10-20 aastaga ning projekt muutuks tasuvaks umbes 30 aasta pärast (J. K. Sutt, TÜ teadusuudised „novaator“, 16.11.2011).

IAA kontseptsiooni kohaselt viidaks ekvaatori kohal orbiidile kõigepealt üks, siis veel mõned ning lõpuks palju satelliite. 
Väga suure läbimõõduga satelliidid koguksid päikesevalgust ööpäevaringselt. Päikeseenergia muundataks kosmoses elektrienergiaks ning edastataks seejärel mikrolainete või laseritega Maale, kus see suunatakse vooluvõrku.

USA California osariigis Fresno maakonnas tahetaksegi juba tuleval kümnendil tagada 250 000 majapidamise energiatarve kosmosesatelliitide abil toodetud elektriga. Miks kosmosest saadavale päikeseenergiale nii palju tähelepanu pööratakse? Aga sellepärast, et erinevalt maapealsetest päikeseenergiajaamadest ei sega satelliit-päikesejaamu pilved ega öö. Nii on võimalik elektrit toota 24 tundi ööpäevas. Kui projekt peaks osutuma Fresno maakonnas edukaks, siis kavandatakse samalaadset energiatootmisviisi laiendada ka teistesse piirkondadesse.

Kuid tulgem Maale lähemale. Võime ette kujutada, et kõrbesse paigutatud suured päikesepaneelid suudavad rohkesti päikeseenergiat püüda. Massachusettsi tehnoloogiainstituudi uuringud aga näitavad, et tegelikult oleks päikesepaneelide kasutamine kõige efektiivsem hoopis kõrgmäestikus.

Uuringu käigus mõõdeti päikesekiirguse tugevust üle maakera eri paigus. Tuli välja, et see oli kõige kõrgem Himaalajas ja Andides, sest suurtes kõrgustes läheb atmosfääris kaduma vähem valgust (nagu vahendavad ERR Teadusuudised New Scientist).

Teine põhjus, miks kõrgmäestikus on päikeseenergia kogumiseks paremad väljavaated, on mäestikus valitsev madal õhutemperatuur. Kui õhk on liiga soe, näiteks 40°C, siis läheb 13% toodetavast energiast lihtsalt kaotsi. Külm õhk aga hoiab paneelid jahedana, säilitades nende efektiivsuse.

Hispaania lõunaosas,  Sevilla lähedal asuvas Fuentes de Andalucías on maapealne termopäikeseelektrijaam, kus päeval talletatakse energiat, millest öösel toodetakse elektrit. Selle tehnoloogia vastu on olnud huvi ka väljaspool Hispaaniat, kuid maailmamajanduse raske seis on tohutut alginvesteeringut nõudva lahenduse eksporti praegu pidurdanud.

Andaluusia väljadel 195-hektari suurune päikeseenergial toimiv Gemasolari elektrijaam koosneb 2600 päikesepeeglist, millest igaühe pindala on 120 ruutmeetrit. Paneelid on paigutatud ringidena ümber torni, milles on sulasooladega täidetud mahutid. Paneelidelt tornile peegelduv päikeseenergia on 1000 korda intensiivsem kui Päikeselt Maale jõudev energia. Seda talletatakse sooladega täidetud anumates, mille temperatuur ulatub üle 500 C°. Nende soolade abil toodetakse auru, mis paneb tööle elektriturbiinid. Nii saabki jaam töötada ööpäevaringselt.

Tänu sellele suudab jaam toota 60% rohkem energiat kui teised päikeseenergial töötavad elektrijaamad, millel energia talletusvõimalus puudub.

Eelpool nimetatud ideed ja projektid on väga suuremahulised ja kallid, nende väljaarendamine on mõeldav vaid mitme riigi koostöös. Üksikmajapidamised nendega esialgu liituda ei saa ja ega olegi vajadust, sest üksikmajapidamiste tarvis sobivaid päikesepaneele toodetakse juba aastaid ja need on turul kõigile kättesaadavad. Probleemiks vaid väga kõrge hind. Veel mõned aastad tagasi moodustas päikesepaneeli maksumus turul võimsuse ühe vati kohta 2,5 eurot. Nii kõrge hind muudab tasuvusperiood väga pikaks (20-30 aastat), mis ei tee nende kasutamist piisavalt atraktiivseks. Kuid ka selles valdkonnas on mitmete uurimuste ja katsetuste tulemusena juba saavutatud häid tulemusi. Euroopa päikeseenergia juhtriikide Saksamaa ja Hispaania ettevõtteid ning teadusasutusi koondavas projektis CrystalClear peetakse võimalikuks, et paneeli hind õnnestub seeriatootmises uue tehnoloogia kasutuselevõtuga viia ühe euroni võimsuse ühe vati kohta (TÜ teadusuudised „novaator“ 29.06.2009).

Ligilähedaselt arvutades: kui päike paistab ööpäevas keskmiselt 12 tundi ning elektri hind vastab Eesti kodutarbija praegusele päevasele elektritariifile, siis tasuks selline paneel ära kolme-nelja aastaga.

Sagedasti on kuulda arvamust, et Eestis ei ole päikesepaneelide kasutamine õigustatud, sest aastas on vähe päikeseküllast aega. Nii see tegelikult ei ole. Aprillist oktoobrini on Eestis võimalik päikese abil katta üle 90% kütte ja soojaveesüsteemides vajatavast energiast. Aasta keskmises arvestuses efektiivsus küll langeb, kuid 60%  sooja vee saamiseks vajalikust energiast on päikeselt võimalik saada küll. Soomlaste aastaid kestnud katsetused viitavad aga sellele, et päikese soojusega ei saa arvestada vaid kahes kuus – detsembris ja jaanuaris.

Soomes kasutatakse päikeseenergiat nii elektri kui ka soojuse tootmiseks. Paneelid on erinevad, üks osa neist paigutatakse elektrienergia ja teine osa sooja vee tootmiseks.

Soome ajakirja ECO2 nr 2: 2012 andmetel kasutab Soome keskmine, 150 m2 üldpinnaga väikeelamu 50 m2päikesepaneele, mis toodavad aastas 6500-8500 kWh elektrit. Kaheksaruutmeetrine päikesesalvestuspaneel aga soojendab tarbevett.

Tuuleenergia

NASA kosmoseinseneri Mark Moore’i visiooni kohaselt võiks tuuleenergiat toota maapinnast 600, 3000 või 9000 meetri kõrgusel lendavate turbiinide abil, millelt energia juhitaks alla nanotorude abiga (TÜ teadusuudised: „novaator“ 20.12.2010).

Mark Moore´i väite kohaselt võib õhus hõljuvatel tuulikutel olla suur tulevik, sest kõrgustes on tuule kiirus palju suurem ja püsivam. 

Kõrguse suurenemisel 80 meetrist kuni 500 meetrini tõuseb tuule kiirus poolteist kuni kaks korda.

10 000 meetri kõrgusel on see 80-meetrisest algkõrgusest juba 10 korda suurem.

Rohkem tuult = rohkem energiat

600 meetri kõrgusel on tuule kiirus maapinnaga võrreldes kaks kuni kolm korda suurem. Kuna tuule kiiruse kasvades tuleb sellest saadava energia hulk kuupi tõsta, siis saaks 600 meetri kõrgusel juba kaheksa kuni 27 korda rohkem energiat ning lisaks on tuule kiirus sellel kõrgusel ka vähem muutlik.

Kui saata turbiinid veelgi kõrgemale, siis 9000 meetri kõrgusel on tuule kiirus juba 240 km/h. Kui maapinnal asuvate tuuleturbiinide poolt toodetakse 500 vatti ruutmeetri kohta, siis 9000 meetri kõrgusel võiks rääkida juba 20-40 kilovatist ruutmeetri kohta.

Tänu energiatiheduse enam kui 50-kordsele kasvule oleks tegemist ka potentsiaalselt odavama tuuleenergiaga.

Kanada firma MagennPower oli juba 2011. aastal valmis tootma 100 MW võimsusega generaatoreid, mis oleksid paigutatud suurte, stabiliseerivate ribidega kaetud piklike heeliumõhupallide sisse. Generaatorite tiivikud paikneksid palli läbival horisontaalsel võllil. Firma kodulehe andmetel generaator töötaks, kui tuule kiiruste vahemik on 3 m/s kuni 28 m/s või isegi enam. Rõhutatakse, et tänu püsimisele 150–300 m kõrguses on seda võimalik kedagi häirimata üles lasta tarbijale kõige vajalikumas kohas ja et 1 kWh energia maksumus oleks 20–25 senti (TM oktoober 2011).

Lisaks suurtele kõrgustele püütakse tuuleenergiat kasutada ka meredel ja ookeanidel, kus tuule kiirus kasvab maismaaga võrreldes kordades suuremaks. Nii on konstrueeritud meretuulik NOVA (pildil), mille tööpõhimõte seisneb aerodünaamikal.

Tänapäeval ehitatakse tuuleenergia kasutuselevõtuks seadmeid, mida nimetatakse tuuleturbiinideks. Moodsad tuuleturbiinid jaotatakse rõhtsa võlliga (horisontaalseteks) ja püstvõlliga (vertikaalseteks) turbiinideks. Püstvõlliga turbiini labad pöörlevad ümber vertikaalse telje, nagu näiteks töötab köögist tuntud käsimikser. Horisontaalne e. propellerturbiin sarnaneb hiigelsuure tiivikuga lennukimootorile. Pea kõik kaasajal kasutusel olevad suure võimsusega tuuleturbiinid (üle 99%), mida kasutatakse tuuleparkides, on horisontaalse teljega. Tüüpiline horisontaalvõlliga turbiin koosneb kahe või enama labaga tiivikust (rootorist), mis on ühendatud masinagondliga. Gondel on reeglina paigutatud posti otsa, mis on kinnitatud vundamendiplokile. Rootori labad pöörlevad vertikaalsel tasandil, gondel aga on võimeline pöörama horisontaalsel tasandil.

Kodumajapidamistes kasutatakse sama tööpõhimõttega (vertikaalse ja horisontaalse teljega) tuulikuid, kuid märgatavalt väiksemate gabariitidega ja maapinnale lähemal. 

Teatud tuulekoridorides on tuulikud põhimõtteliselt väga suureks abiks, et vähendada üha kallinevast elektrivõrgust saadava elektrienergia kulusid.

Uurimuste põhjal suudavad vertikaalteljelised tuulegeneraatorid olla horisontaalteljelistest 10 korda tõhusamad (Fyysika.ee 18.07.2011). Vertikaalvõlliga tuulikud on tuule väiksematel kiirustel soodsama hinna ja suurema tootlikkusega. Nii toodab üks 2kW mudel aastas ca 5700kWh elektrienergiat, kui tuule keskmine kiirus on 5m/s. Vertikaalteljelised tuulegeneraatorid alustavad tööd juba tuule kiirusega 2 m/s, töötavad vaikselt ja ei sõltu tuule suunast. Selliseid tuulikuid on saadaval võimsusega 0,2 – 10kW.

Näiteks tuulik, mille labade diameeter on 3 m ja kõrgus 2 m, suudab seitsme labaga hakata tootma elektrienergiat, kui tuule kiirus on 3 m/s. Maksimaalseks tuulekiiruseks on lubatud 24 m/s. Kui tuule kiirus on 7-8 m/s, teeb see 80 p/min. Nominaalne võimsus 5000 W ja maksimaalne võimsus 5200 W.

Siin esitatud tuulikud on Eestis müügil, kuid leiavad suhteliselt kõrge hinna tõttu vähe kasutamist. Samas ei ole tuulikute isetegemine eriti keeruline. Eestis on hulgaliselt hakkajaid meistrimehi, kes on selle ülesandega edukalt valmis saanud. Sellest aga järgmistes kirjutistes.

Arvi Altmäe
9.09.2012