Aurinkokennotyyppien ja aurinkokeräinten vertailu

Sähkömagnetiikan laitos SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet Seminaarityö, syksy 2007 Aurinkokennotyyppien ja aurinkokeräinten vertailu Nikkilä, Jarkko. 182341. jarkko.nikkila@tut.fi Paavola, Jaakko. 193939. jaakko.paavola@tut.fi Pöyhönen, Jussi. 182758. jussi.poyhonen@tut.fi

i SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO...1 2 AURINKOENERGIA...2 3 AURINKOKENNO...3 3.1 Piikennot...3 3.1.1 Miten piikenno toimii?...4 3.1.2 Piikennojen hyötysuhde ja tehokkuus...5 3.2 Ohutkalvotekniikka aurinkokennoissa...6 3.2.1 Amorfinen pii...7 3.2.2 Kupari-indiumdiselenidi...7 3.2.3 Kadmiumtelluuri...7 3.2.4 Galliumarsenidi...8 3.2.5 Monikerroksiset aurinkokennot...8 4 Aurinkokeräimet...9 4.1 Matalan lämpötilan aurinkokeräimet...9 4.1.1 Tasokeräin...10 4.1.2 Tyhjiöputkikeräin...10 4.2 Korkean lämpötilan eli keskittävät aurinkokeräimet...11 4.2.1 Lautasmallinen...11 4.2.2 Tornimallinen...12 4.2.3 Kourumallinen...12 5 Johtopäätökset...14

1 1 JOHDANTO Etsittäessä ratkaisuja ilmastonmuutokseen uusiutuvat energialähteet ovat nousseet ykköspuheenaiheeksi. Aurinkoenergia uusiutuvana energialähteenä laajamittaisena energiantuotantovälineenä on herättänyt myös mielenkiintoa. Aurinkoenergiaa on käytetty jo vuosikymmeniä energian tuottamiseen paikoissa, joihin runkoverkosta saatavaa energiaa on ollut vaikea tai mahdoton siirtää. Tällaisia paikkoja ovat mm. satelliitit, asuntovaunut, mökit ja veneet. Viime aikoina aurinkoenergiasta ja sen laajamittaisesta käytöstä sähköntuotantoon on kuitenkin tehty merkittäviä poliittisia päätöksiä, etenkin Euroopan unionin ja Yhdysvaltain alueella. Tässä työssä on vertailtu aurinkoenergian kahden tuotantomuodon aurinkosähkön ja aurinkolämmön eri valmistustekniikoita. Seuraavassa luvussa on kerrottu hieman yleistä tietoa aurinkoenergiasta, jonka jälkeen on verrattu eri aurinkokennoja. Luvussa neljä on kerrottu eri aurinkokeräimistä, joilla hyödynnetään aurinkolämpöä, jonka jälkeen viimeisessä luvussa on esitelty johtopäätöksiä työstä.

2 2 AURINKOENERGIA Aurinkoenergialla tarkoitetaan auringosta saatavan säteilyenergian hyödyntämistä energiantuotannossa. Tällä hetkellä auringosta saatavan energian hyödyntämiseen käytetään suurimmaksi osaksi kahta eri välinettä; aurinkokennoja ja keräimiä. Aurinkokennojen ja aurinkokeräinten periaatteellinen ero on, että aurinkokennot muuntavat Auringon säteilyä sähköenergiaksi valosähköisen ilmiön ansiosta, kun taas aurinkokeräimet muuntavat Auringon säteilyä lämmöksi, joka voidaan myös halutessa muuntaa sähköenergiaksi. Aurinkoenergian käyttö lisääntyy Maapallolla jatkuvasti. Monet maat ovat asettaneet itselleen tavoitteita, joiden mukaan ne pyrkivät kasvattamaan aurinkoenergian osuutta käyttämästään energiasta. Euroopan Unionin alueella pyritään sen tavoitesuunnitelman mukaan viisinkertaistamaan asennettujen aurinkokeräinten pintaala vuodesta 2006 vuoteen 2010 mennessä. Aurinkokennojen kapasiteetin lisäämiselle ovat suurimmat tavoitteet asettaneet Saksa ja Japani. Saksassa tuotettiin aurinkokennoilla vuonna 2006 2500 MW, tavoite vuodelle 2010 on 4500 MW. Aurinkoenergian hyödyntämistä on pyritty lisäämään myös lainsäädännöllä eri puolilla maailmaa. On asetettu lakeja, joiden mukaan kotitalouksissa on oltava asennettuna katolle aurinkokenno tai aurinkokeräin. (Anon. 2007)

3 3 AURINKOKENNO Aurinkosähköilmiön historia ulottuu vuoteen 1839, jolloin se huomattiin ensimmäisen kerran. Aurinkokennojen ensimmäiset käyttökohteet olivat avaruustekniikan sovelluksia. Vasta puolijohdetekniikan kehittyminen viimeisen 20 vuoden aikana on tuonut aurinkokennot laajempaan käyttöön. Aurinkokennojen toiminta perustuu juuri puolijohdemateriaaleihin: saapuva fotoni synnyttää absorboivaan puolijohteeseen varauksenkuljettajia (elektroni-aukko pareja). Elektronit kerätään johtimiin, jotka johtavat sähkön kulutuslaitteeseen. Aurinkokennojen materiaalina on yleisimmin käytetty piitä, mutta uusimmat innovaatiot alalla perustuvat ohutkalvo- ja nanotekniikkaan. Esimerkiksi yksi alan suurimmista toimijoista, Shell Solar, vaihtoi 2006 tuotannon Euroopassa perinteisestä piitekniikasta CIS-ohutkalvotekniikkaan (kupari-indiumdiselenidi) (Anon. 2006). Aurinkokennojen kasvua sähkömarkkinoilla on hidastanut niiden korkea hinta, matala hyötysuhde, sekä kennojen tuotannosta syntyvät korkeat päästöt. Aurinkokennojen tuotekehitys tähtääkin juuri näiden ongelmien ratkaisemiseen. 3.1 Piikennot Vielä nykyään aurinkokennojen yleisin materiaali on pii. Aineen olomuodoista aurinkokennojen historian aikana suosituin on ollut yksikiteinen pii, mutta monikiteinen pii on vallannut markkinoita viime vuosina. Vuonna 2004 piipohjaiset materiaalit hallitsivat markkinaosuuksissa: polykiteinen pii 62 %, monokiteinen pii 29 %, amorfinen pii 5 % ja nauha-pii 4 %. Yksikiteinen pii on menettänyt markkinaosuuksia viime vuosina. Kuten edellisessä kappaleessa mainittiin, monikiteiset piit ovat tällä hetkellä yleisin piikennojen valmistusmateriaali. Kennot valmistetaan puhdistamalla luonnossa esiintyvää piitä. Piikide kasvatetaan tankomuotoon, joka sitten sahataan n. 0.35 0.45 mm:n paksuisiksi kennoiksi. Yksikiteisessä kiderakenteessa atomit ovat tietyssä järjestyksessä. Tämän rakenteen heikkoutena on sen valmistuksen kalleus. Tuotanto vaatii erityistä huolellisuutta ja on hidasta. Monikiteisten kennojen valmistaminen on huomattavasti halvempaa, sillä niiden valmistaminen ei vaadi yhtä suurta tarkkuutta kuin yksikiteisten kennojen. Kennot valmistetaan valamalla, jolloin niihin saadaan selvästi havaittava monikidemuoto. Yksikide- ja monikidekennojen jatkokäsittely ovat samanlaiset. Yksikiteiset kennot ovat hieman tehokkaampia, kuin monikidekennot, mutta juuri monikidekennojen

4 valmistuksen huomattavasti halvemmasta hinnasta ja helppoudesta johtuen, se on yleisin tapa perinteisien kennojen valmistukseen. (Erat et al. 2001). 3.1.1 Miten piikenno toimii? Auringon säteily koostuu fotoneista eli valokvanteista. Kun fotoni törmää atomiin, se voi siirtää energiansa atomille, joka virittyy. Fotonin energian pitää olla riittävän suuri, jotta se voi irrottaa elektronin. Jos fotonilla on enemmän energiaa kuin irrotustyöhön vaaditaan, ylimääräinen energia siirtyy elektronin liike-energiaksi. (Aarnio 2005). Aurinkokenno koostuu kahdesta lähes samanlaisesta puolijohdemateriaalista (pja n-materiaali). Nämä materiaalit eroavat toisistaan atomien varausjakauman suhteen, mikä synnyttää kennon sisälle sähkökentän, joka vie positiiviset ja negatiiviset varaukset kennon sisällä eri suuntiin. Kun aurinkokenno kytketään ulkoiseen piiriin, varaukset purkautuvat piirin kautta. Kuvassa 1 on havainnollistettu aurinkokennon toiminta. Kuva 1. Aurinkokennon toimintaperiaate. (Aarnio 2005).

5 3.1.2 Piikennojen hyötysuhde ja tehokkuus Yksi suurimmista piikennojen kehityskohteista tulee olemaan hyötysuhteen parantaminen. Nykyisillä piikennoilla päästään laboratorio-olosuhteissa vain n. 25 % hyötysuhteeseen, kaupallisten sovellusten jäädessä 16 % hyötysuhteeseen. Asiaan on kuitenkin tullut huomattavia parannuksia piikennojen historian aikana, sillä ensimmäisillä kennoilla päästiin vain alle prosentin hyötysuhteeseen. Kuvassa 2 on esitetty piikennojen hyötysuhteen kehitys vuoteen 1998. Kuva 2. Piikennojen hyötysuhteen kehitys. (Green 1998). Suurin vaikutus kennon hyötysuhteeseen on siinä käytettävällä materiaalilla. Osa Auringon säteilystä heijastuu jo kennon pinnasta sekä osa absorboituu siihen. Tähän voidaan vaikuttaa valitsemalla kennon pintaan aineita, jotka läpäisevät säteilyä mahdollisimman hyvin. Aurinkokennojen liitännäislaitteiden hyötysuhteiden kehittäminen on myös erittäin tärkeää aurinkokennojärjestelmissä. Esimerkiksi akut, joilla aurinkoenergiaa varastoidaan, vaikuttavat suurelta osin järjestelmän hyötysuhteeseen, sillä uusimmatkin akut laskevat hyötysuhdetta 20 %.

6 Taulukko 1. Aurinkokennojen energiatehokkuuksia. (Anon. 2006b). Cell Technology Energy Payback Time (EPBT) 1 (yr) Energy Used to Produce System Compared to Total Generated Energy (%) Single-crystal silicon 2,7 10,0 10 Non-ribbon multicrystalline silicon 2,2 8,1 12 Ribbon multicrystalline silicon 1,7 6,3 16 2 Total Energy Generated by System Divided by Amount of Energy Used to Produce System 2 Taulukosta 1 on nähtävissä piikennojen eri tuotantomuotojen energiatehokkuuksia. Ensimmäisessä sarakkeessa on eri kennojen tuotantomuodot: yksikiteinen pii, monikiteinen pii ja nauhatekniikalla tuotettu monikiteinen pii. Nauhatekniikka on uusi innovaatio alalla. Sillä pystytään hieman tehokkaammin tuottamaan monikiteistä piitä. Toisessa sarakkeessa on laskettu energian maksuaika vuosina, mikä kertoo sen, kuinka monta vuotta kestää kyseisellä tekniikalla tuottaa saman verran sähköä, kuin kennon valmistamiseen on kulunut. Kolmannessa sarakkeessa on esitetty prosentteina kennon tuottamiseen käytetty energia jaettuna sen elinkaaren aikana tuottamalla energialla (käytetty arvoa 30 vuotta). Viimeisessä sarakkeessa on sama asia ilmaistu hieman eri tavalla: elinkaaren aikana tuotetun energian suhde kennon tuottamiseen käytetyllä energialla. Perinteinen yksikiteinen piikenno on selvästi tehottomin vaihtoehto. Nauhamonikiteinen pii tulee varmasti yleistymään tulevaisuudessa sen energiatehokkuuden vuoksi. 3.2 Ohutkalvotekniikka aurinkokennoissa Ohutkalvotekniikkaa hyödyntävät kennot ovat piipohjaisia kennoja huomattavasti ohuempia. Niiden toiminnallisen osan paksuus on 1-10μm, joka on huomattavasti pienempi kuin piikiteistä tehdyissä kennoissa. Siitä johtuen ohutkalvotekniikkaan pohjautuviin kennoihin tarvitaan vähemmän raaka-aineita kuin kiteisestä piistä valmistettuihin kennoihin. Sen lisäksi ohutkalvotekniikkaan pohjautuvat kennot ovat taipuisia, ja täten mahdollistavat rakenteiden joustavuuden. Ohutkalvokennojen valmistuksessa voidaan käyttää huomattavasti halvempia tuotantotekniikoita kuin yksitai monikiteisestä piistä valmistettujen kennojen tuotannossa.

7 Ohutkalvokennoissa voidaan käyttää kennomateriaalina amorfista piitä, kupariindiumdiselenidiä, kadmiumtelluuria ja galliumarsenidiä. Piin käyttö ohutkalvokennoissa on vähentymässä. Seuraavan sukupolven ohutkalvokennot perustuvat piittömien metallipuolijohteiden käyttöön. 3.2.1 Amorfinen pii Piillä on kiteinen ja amorfinen olomuoto. Amorfisessa olomuodossa ei ole selkeää rakennetta, vaan siinä atomit ovat hajallaan ilman säännönmukaisuutta. Kiteisellä ja amorfisella olomuodolla on erilaisia fysikaalisia ominaisuuksia. Amorfinen pii (a-si) pystyy absorboimaan auringonvaloa huomattavasti enemmän kuin kiteinen pii. Tämän vuoksi amorfisesta piistä voidaan valmistaa huomattavasti ohuempia kennorakenteita. Amorfista piitä voidaan valmistaa tyhjiössä pommittamalla piilevyä argonioneilla tai hajoittamalla tyhjiössä piistä ja vedystä koostuvaa silaanikaasua sähkökentän avulla. Amorfisen piikalvon alustana voidaan käyttää halpoja materiaaleja, kuten muovia. Amorfisella piillä on huonompi hyötysuhde kuin kiteisellä piillä: noin 7 %. Amorfisen piin huonoimpana ominaisuutena pidetään sen piirakenteen epästabiilisuutta, jonka vuoksi hyötysuhde laskee entisestään. Ensimmäisten käyttövuosien aikana kenno saattaa menettää 15 50 % maksimitehostaan. Monikerroksisilla rakenteilla on pyritty estämään hyötysuhteen lasku käytön aikana. Amorfinen pii on käytetyin materiaali ohutkalvotekniikkaan perustuvissa aurinkokennoissa. 3.2.2 Kupari-indiumdiselenidi Kupari-indiumdiselenidiyhdistettä (CIS) käytetään ohutkalvotekniikkaan perustuvana aurinkokennomateriaalina. Kupari-indiumdiselenidikennot valmistetaan ruiskuttamalla kupari-indiumdiselenidiyhdistettä lasilevylle. Yksinkertaisemman valmistusprosessin heikkous on se, että siinä joudutaan käyttämään myrkyllistä vetyseleenikaasua. Piikennoihin verrattuna kupari-indiumdiselenidikennoihin tarvitaan raakaaineita vähemmän. Lisäksi kupari-indiumdiselenidikennot toimivat pilvisellä säällä tehokkaammin kuin piikennot. Toisin kuin amorfisesta piistä valmistetun kennon CISkennon hyötysuhde ei heikkene käytössä. Hyötysuhde on kupariindiumdiselenidikennolle noin 10 %. Kupari-indiumdiselenidi on lupaava metallipuolijohdemateriaali. Siitä valmistetaan kennoja myös kaupalliseen tuotantoon. (Anon. 2006c). 3.2.3 Kadmiumtelluuri Ohutkalvotekniikkaan perustuva kadmiumtelluurikenno on kiteistä piipohjaista kennoa halvempi valmistavaa, tosin silläkin hyötysuhde on kiteistä piikennoa huonompi:

8 ikääntymisestä riippumatta noin 10 %. Kadmium on myrkky, joka on haitallinen ihmiselle ja ympäristölle. Kadmium-telluurin vaikutuksia pitkäaikaiselle altistukselle tutkitaan ennen kuin sitä voidaan lähteä käyttämään suuremman mittakaavan kaupallisissa sovelluksissa. Kadmiumtelluuri on havaittu hyväksi materiaaliksi käytettäväksi monikerroksisissa aurinkokennoissa. Monikerroksiset aurinkokennot koostuvat kadmiumtelluurin lisäksi läpikuultavasti johtavasta oksidista, kadmiumsulfidista ja alustamateriaalista. 3.2.4 Galliumarsenidi Galliumarsenidi (GaAs) on yhdistelmäpuolijohde, joka muodostuu galliumista ja arseenista. Galliumia saadaan sivutuotteena sulattamalla muita metalleja. Sen huono ominaisuus on se, että se on kultaa harvinaisempi alkuaine. Arseeni on taas myrkyllinen ja karsinogeeni. Galliumarsenidista valmistetut kennot absorboivat valoa erittäin tehokkaasti. Toisin kuin piistä valmistetuilla kennoilla, galliumarsenidikennolla ei tehontuottaminen juuri heikkene lämpötilan kasvaessa. GaAs-kennot kestävät hyvin säteilyä vaurioitumatta, mikä tekee kennosta houkuttelevan käytettäväksi avaruussovelluksissa sen lisäksi, että galliumarsenidikennoilla on korkea hyötysuhde. 3.2.5 Monikerroksiset aurinkokennot Tekemällä aurinkokenno useammasta kerroksesta käyttäen eri materiaaleja saadaan kennon ominaisuuksia parannettua. Hyötysuhde saadaan nousemaan jopa yli 30 %. Galliumarsenidi on hyvä materiaali suunniteltaessa monikerroksisia aurinkokennoja. Galliumarsenidista valmistetaan monikerroksisia aurinkokennoja tekemällä kerrokset samasta materiaalista eri rakenteella. Kadmiumtelluurista tehdään monikerroksisia aurinkokennoja lisäämällä sen lisäksi kerrokset läpinäkyvää, johtavaa oksidia ja kadmiumsulfidia.

9 4 Aurinkokeräimet Aurinkokeräin on järjestelmä, joka on tarkoitettu keräämään lämpöä absorboimalla Auringon säteilyn energiaa johonkin väliaineeseen. Lämmenneellä väliaineella voidaan lämmittää haluttua kohdetta tai sen energiaa voidaan muuttaa muuhun muotoon, kuten sähköenergiaksi. (Anon. 2007b). Aurinkokeräimellä tarkoitetaan arkikielessä usein tyypeistä yleisintä eli levymäistä tasokeräintä, mutta käsitteen alle kuuluvat myös monen muunkin tyyppiset rakennelmat, esimerkiksi lautasmalliset, tornimalliset ja kourumalliset keräimet. Voidaan myös puhua aurinkolämpöjärjestelmistä. Aurinkokeräimet voidaan jakaa kahteen luokkaan: matalan lämpötilan sovelluksiin ja korkean lämpötilan sovelluksiin. (Korpela 2007). Matalan lämpötilan sovellukset lämmittävät niihin osuvalla Auringon säteilyllä suoraan väliainetta. Näissä sovelluksissa ns. absorbtiopinnan pinta-alan tulee olla suuri, jotta mahdollisimman paljon Auringon säteilyä saadaan absorboitua väliaineeseen. On tyypillistä, että väliaineen lämpötila pysyy niissä suhteellisen matalana. Korkean lämpötilan sovellukset, ns. keskittävät keräimet, keskittävät erilaisilla peilijärjestelmillä säteilyä yhteen tai useampaan fokusointipisteeseen. Näissä sovelluksissa peilien pinta-alan tulee olla suuri, jotta mahdollisimman paljon Auringon säteilyä saadaan keskitettyä. Keskittävään keräimeen siis osuu täsmälleen sama määrä säteilyenergiaa kuin pinta-alaltaan samankokoiseen matalan lämpötilan aurinkokeräimeenkin, mutta se keskittää tuon energian merkittävästi pienemmälle alalle. Tästä suuresta energiakonsentraatiosta johtuen väliainetta voidaan lämmittää huomattavan korkeisiin lämpötiloihin (Anon. 2007g). 4.1 Matalan lämpötilan aurinkokeräimet Matalan lämpötilan aurinkokeräimiä käytetään useimmiten tuottamaan lämpöä hyvin paikalliseen tarpeeseen. Tyypillinen sovellus on rakennuksen katolla olevat tasokeräimet, jotka lämmittävät rakennusta ja käyttövettä. Matalan lämpötilan aurinkokeräimillä lämmitetyn väliaineen lämpöenergiaa ei ole kannattavaa muuntaa sähköenergiaksi, sillä hyötysuhde jää matalan lämpötilan vuoksi hyvin pieneksi. (Anon. 2007g).

1 4.1.1 Tasokeräin Tasokeräimen ulkonäköä kuvaavat parhaiten sanat levymäinen tai paneelimainen. Tämän levyn ulkopinta toimii eristettynä kotelona väliaineen sisältävälle keruuputkistolle. Tyypillisesti kuparista tai alumiinista tehty keruuputkisto on pinnoitettu mustanvärisellä absorbtiopinnoitteella. Parhaimmissa keräimissä tämä pinnoite on ns. selektiivistä absorptiopinnoitetta, joka imee lämpöenergian eikä juurikaan päästä sitä emittoitumaan infrapunasäteilyn muodossa pois. (Anon. 2007b). Tasokeräin keruuputkistoineen suunnataan Aurinkoon päin. Keräimen Aurinkoon päin oleva ulkopinta tehdään erikoisvalmistetusta lasista, joka läpäisee erittäin hyvin Auringon säteilyä, muttei juurikaan keräimestä päin tulevaa infrapunasäteilyä. Toisekseen lasipinta eristää absorbtiopinnan ja keruuputkistot ympäristöstä minimoiden näin ilman mukana siirtyvät lämpöhäviöt. Auringon säteily lämmittää keruuputkistoissa olevaa väliainetta, joka on yleensä joko vettä tai jotakin huonosti jäätyvää liuosta, kuten glykolia. Lämpötila- ja tiheyseroista johtuvan konvektio-ilmiön aiheuttamana lämmennyt väliaine alkaa virtaamaan lämmitysjärjestelmässä. Keräimen keruuputkistoista lämmennyt väliaine johdetaan sitten joko suoraan käyttöön, kuten rakennuksen lämpöpattereihin tai sitten varastoidaan säiliöön esimerkiksi käyttövedeksi. Tilalle keruuputkistoihin virtaa kylmää väliainetta, joka edelleen lämpiää ja samalla viilentää kerääjää. Jos väliainetta ei voida sellaisenaan käyttää kohteen lämmittämiseen, voidaan erityisellä järjestelmällä siirtää väliaineen lämpö tarkoitukseen sopivaan toiseen väliaineeseen. (Anon. 2007f). 4.1.2 Tyhjiöputkikeräin Tyhjiöputkikeräimessä on useita keruuputkiston sisältäviä lasiputkia rinnakkain. Lasiputkien sisään on imetty tyhjiö ja niiden sisäpinta on päällystetty selektiivisellä pinnoitteella. Tällä rakenteella saadaan Auringon säteilyenergia mahdollisimman hyvin lasiputken sisään samalla kun ulos johtuva ja infrapunasäteilyn muodossa ulos säteilevä energia saadaan minimoitua. Tämän rakenteen ansiosta tyhjiöputkikeräimen väliaineeseen saadaan aikaiseksi korkeampia lämpötiloja kuin tasokeräimessä. Suurin etu tästä on hyvin kylmissä olosuhteissa tai muuten niissä tapauksissa, kun tarvitaan erittäin kuumaa vettä. Väliaineen virtausta säätämällä voidaan vaikuttaa siihen, kuinka lämpimäksi väliaine lämmitetään. Toinen hyötynäkökohta tyhjiöputkikeräimessä tasokeräimeen verrattuna on se, että sen putkimaisesta rakenteesta johtuen se ei ole riippuvainen säteilyn tulosuunnasta. Toisin sanoen se on aina suunnattuna aurinkoon päin ja pystyy lisäksi hyödyntämään ympäristöstä tulevaa hajasäteilyä, joten lämpöä saadaan kerättyä myös pilvisellä säällä. (Anon. 2007k). Yleisesti käytetään tasokeräimiä silloin, kun väliaineen lämpötilaksi riittää noin 95 C tai vähemmän, kuten esimerkiksi huoneilman tai käyttöveden lämmityksessä. Sen sijaan tyhjiöputkikeräimillä voidaan väliaine saada lämmitettyä 150-220 C:een, kun

1 väliaineen virtaus on estetty. Tyhjiöputkikeräimen hyötysuhde on tyypillisesti välillä 35-85 prosenttia ja tasokeräimen välillä 35-74 prosenttia. (Anon. 2007b). 4.2 Korkean lämpötilan eli keskittävät aurinkokeräimet Korkean lämpötilan aurinkokeräimistä rakennetaan lähes ainoastaan suuria aurinkovoimaloita, jotka tuottavat sähköenergiaa höyryturbiinin tai stirling- eli kuumailmamoottorin avulla. Korkeat lämpötilat mahdollistavat sähköisen tai mekaanisen energian tuottamisen hyvällä hyötysuhteella. Tätä aurinkoenergian muotoa kutsutaan aurinkolämpövoimaksi (engl. Solar thermal power) tai keskittäväksi aurinkovoimaksi (engl. Concentrated solar power eli CSP). Lämmön tuotantoon korkean lämpötilan aurinkokeräimiä ei ole kaupallisesti hyödynnetty, johtuen ainakin osaksi siitä, että tällaiset aurinkolämpövoimalat sijaitsevat lähes poikkeuksetta syrjäisillä alueilla, joista lämmön siirtäminen käyttöön olisi kallista. (Anon. 2007b; Anon. 2007f; Anon. 2007g). Huonona puolena korkean lämpötilan aurinkokeräimissä on niiden tehon lähes täydellinen pudotus pilvisellä säällä, koska ne eivät pysty keskittämään pilvistä sironnutta säteilyä kovin hyvin. Pilvisellä säällä energiaa voidaan kuitenkin ottaa sähköntuotantokäyttöön lämpövarastosta. Lämpövarastossa johonkin sopivaan väliaineeseen, kuten korkean lämpökapasiteetin omaaviin nestemäisiin natriumpohjaisiin yhdisteisiin, on varastoituna keräimen normaalissa toiminnassa tuottamaa lämpöenergiaa. Käytännössä kuitenkin suuri osa aurinkolämpövoimaloista on ns. hybridejä, mikä tarkoittaa, että pilvisellä säällä tai Auringon laskettua ne ottavat tarvittavan energiansa fossiilisista polttoaineista. Keskittävien aurinkokeräimien peilit tarvitsevat lisäksi aina automatiikan, joka pitää ne suunnattuna Aurinkoa kohti koko päivän ajan. Tällaisia peilejä kutsutaan heliostaateiksi. (Anon. 2007d; Anon. 2007k). 4.2.1 Lautasmallinen Lautasmallinen keskittävä keräin, englanniksi parabolic dish, keskittää yhden tai useamman parabolisen heijastuspeilin avulla Auringon säteilyä yhteen fokusointipisteeseen. Ideaalinen parabolinen heijastuspeili heijastaa kaikki siihen saapuvat heijastuspeilin pystyakselin kanssa yhdensuuntaiset säteet fokusointipisteeseen. Koska maan pinnalle saapuvat Auringon säteet ovat lähes täysin keskenään yhdensuuntaisia, tarvitsee heijastuspeilin pystyakseli saada suunnattua suoraan kohti Aurinkoa, jotta saataisiin lähes kaikki heijastuspeiliin tuleva säteily heijastumaan fokusointipisteeseen. Fokusointipisteeseen syntyvää korkeaa lämpötilaa voidaan käyttää esim. teräksen sulattamisessa, vetypolttoaineen valmistuksessa tai

1 sähkön tuottamisessa. Häviöitä aiheutuu lähinnä heijastuspeilin parabolisen muodon sekä heijastuskyvyn epätäydellisyydestä. Lisäksi sääoloilla on vaikutusta näihin häviöihin, etenkin järjestelmissä, joissa fokusointipiste on kaukana heijastuspeilistä. (Anon. 2007k). Maailman suurin lautasmalliseen keskittävään keräimeen perustuva laitos avattiin Ranskassa vuonna 1970. Siinä lukuisat peilit heijastavat Auringon säteilyä suureen paraboliseen heijastuspeiliin, joka keskittää säteet ja voi saada aikaan jopa 3000 C lämpötilan fokusointipisteeseen. (Anon. 2007i). 4.2.2 Tornimallinen Tornimallinen aurinkokeräin, englanniksi solar power tower, perustuu siihen, että kehämuodossa olevat peilit keskittävät Auringon säteilyä kehän keskellä olevaan torniin. Tornissa säteilyenergia absorboidaan ja johdetaan väliaineeseen varastoitavaksi tai siirrettäväksi käyttötarkoitusta varten. Tornimallisessa aurinkokeräimessä käytettävät peilit ovat heliostaatteja. Ensimmäinen tornimalliseen aurinkokeräimeen perustuva testivoimala oli Mojaven aavikolle Californiaan vuonna 1981 rakennettu 10 MW:n tehoinen, 1818 peiliä käyttävä ja pinta-alaltaan 72 500 m² kokoinen Solar One. Espanjaan rakennetaan parhaillaan samaan teknologiaan perustuvaa 15 MW voimalaa Solar Tres. Se kattaa 240 000 m² pinta-alan 2 493 peilillään ja tulee olemaan kaupallinen sähköntuottaja. (Anon. 2007g; Anon. 2007l). 4.2.3 Kourumallinen Kourumalliseen aurinkokeräimeen eli paraboloidiseen kouruun (engl. parabolic through) perustuvat voimalat ovat tähän mennessä menestyksekkäimpiä ja kustannustehokkaimpia keskitettyyn Auringon säteilyyn pohjautuvista voimaloista. Tällaisessa keräimessä kovera, kourumainen peili keskittää Auringon säteilyn kohti keskellä kulkevaa ja väliainetta sisältävää absorbtioputkea. Kokonaisessa voimalassa näitä peilejä asetetaan useiksi pitkiksi riveiksi sopivin välimatkoin, jolloin ne kattava suuren pinta-alan. Peilit ovat heliostaatteja, eli ne pysyvät suunnattuna Aurinkoon päin koko päivän ajan. (Anon. 2007c; Anon. 2007g). Kaliforniassa Mojave-autiomaassa sijaitsee yhdeksästä paraboloidikouruihin perustuvasta aurinkovoimalasta koostuva kokonaisuus, joka tunnetaan nimellä SEGS. Yhteistehoa näillä voimaloilla on 354 MW ja niihin kuuluu yli miljoona peiliä, jotka peittävät yli 6.4 km² pinta-alan. Näistä yhdeksästä voimalasta 80 MW:n tehoiset SEGS VIII ja SEGS IX ovat tehokapasiteetiltaan maailman suurimmat aurinkoenergiaa hyödyntävät voimalaitokset. (Anon. 2007h).

Taulukko 2. Korkean lämpötilan sovellusten 1tunnuslukuja. (Anon. 2007e). Parabolic Trough Power Tower Dish/Engine Size 30-320 MW* 10-200 MW* 5-25 kw* Operating Temperature (ºC/ºF) 390/734 565/1,049 750/1,382 Annual Capacity Factor 23-50%* 20-77%* 25% Peak Efficiency 20%(d) 23%(p) 29.4%(d) Net Annual Efficiency 11(d )-16%* 7(d )-20%* 12-25%*(p) Commercial Status Commercially Scale-up Prototype Available Demonstration Demonstration Technology Development Risk Low Medium High Storage Available Limited Yes Battery Hybrid Designs Yes Yes Yes Cost $/m2 630-275* 475-200* 3,100-320* $/W 4.0-2.7* 4.4-2.5* 12.6-1.3* $/Wp ** 4.0-1.3* 2.4-0.9* 12.6-1.1* *Values indicate changes over the 1997-2030 time frame. **$/Wp removes the effect of thermal storage (or hybridization for dish/engine). (p) = predicted; (d) = demonstrated; (d ) = has been demonstrated, out years are predicted values Taulukko 2 kertoo korkean lämpötilan sovellusten eri tunnuslukuja. Huomiota kannattaa erityisesti kiinnittää hyötysuhteisiin (Peak Efficiency) sekä eri kustannusten arvioituun hinnankehitykseen välillä 1997-2030 ($/m²; $/W; $/Wp).

1 5 Johtopäätökset Sähköntuotantoon on kaksi eri vaihtoehtoa: aurinkokennot ja korkean lämpötilan aurinkokeräinsovellukset. Aurinkokennot sopivat parhaiten hyvin paikalliseen sähköntuotantoon, esimerkiksi rakennuksen katolle asennetut aurinkokennot tuottamaan sähköä saman rakennuksen tarpeisiin, mutta niistä on rakennettu aurinkovoimaloitakin. Aurinkokennoilla on siis yksinkertaisinta ja halvinta rakentaa pienen mittakaavan sähköntuotantojärjestelmä. Aurinkokennojen hyvä puoli on myös se, että ne kykenevät tuottamaan jonkin verran sähköä myös pilvisellä säällä. Aurinkosähkön tuottaminen aurinkokennoilla on hyvin perusteltavissa etenkin maantieteellisillä alueilla, joissa Auringon valoa on tarpeeksi tarjolla ympäri vuoden. Aurinkokennojen kehittäminen pohjautuu tulevaisuudessa monikerroskalvojen tutkimukseen sekä nanoteknologian kehittämiseen. Monikerroksisia aurinkokennoja tehdään paremmiksi hakemalla ideaalisia suhteita jokaiselle mikrometrinohuelle kerrokselle. Aurinkokennojen käyttö yleistyy jatkuvasti ja jos niiden tekniikka kehittyy ja hinnat tulevat laskemaan reilusti, on mahdollista, että tulevaisuudessa suuri osa rakennuksista tullaan varustamaan aurinkokennoilla. Visioissa, joissa nanoteknologialla tuotettuja aurinkokennoja voidaan valmistaa edullisesti valtavia määriä paperikoneen tyyppisillä järjestelmillä, kaikki rakennukset voitaisiin helposti päällystää aurinkokennoilla. Vaikkei tällaisin halpoihin nanoteknologiakennoihin edes saataisi kovin suurta hyötysuhdetta, tarvitsisi maailmanlaajuisesti varsinaisilla sähkövoimaloilla tuottaa reilusti vähemmän sähköä. Rakennusten peitossa on maailmassa kuitenkin huomattavan suuri pinta-ala. Korkean lämpötilan aurinkokeräinsovelluksia eli keskittäviä aurinkokeräimiä on puolestaan kannattavinta käyttää suuria aurinkovoimaloita rakennettaessa. Ne voittavat hyötysuhteensa puolesta aurinkokennoihin perustuvat voimalat, mutta ovat herkkiä säätilan vaihteluille. Maailmassa olisi valtavasti potentiaalia korkean lämpötilan sovellusten valjastaman aurinkolämpöenergian hyödyntämiselle. Aurinkolämpövoimalat vaativat kyllä suuria pinta-aloja käyttöönsä, mutta olosuhteiden puolesta näille voimaloille otollisinta aluetta ovatkin autiomaat, joissa maa-alalle ei ole muutakaan käyttöä. Hiekkaerämaahan rakentaminen ei myöskään aiheuta juurikaan ekologisia vahinkoja. Huomattava etu korkean lämpötilan aurinkokeräinsovelluksissa on myös se, että peileillä on reilusti halvempaa peittää voimalan vaatima suuri pinta-ala kuin aurinkokennoilla. Esimerkiksi peittämällä yhdeksän prosenttia Nevadan osavaltiosta kourumallisilla aurinkokeräinjärjestelmillä voitaisiin tuottaa tarpeeksi sähköenergiaa

1 koko Yhdysvaltojen tarpeisiin. Se tarkoittaa neliön muotoista aluetta, jonka sivu on 100 mailia eli noin 160 km pitkä (Anon. 2007). Lämmöntuotantoon sopivin tekniikka on matalan lämpötilan aurinkokeräinsovellukset. Ne ovatkin tällä hetkellä ainoa kaupallisesti lämmöntuotantoon hyödynnetty aurinkoenergiatekniikka. Yleisimmin niitä käytetään tuottamaan lämpöä hyvin paikallisesti, tarkoittaen että yhtä rakennusta kohden on oma lämmitysjärjestelmänsä. Matalan lämpötilan aurinkokeräinten hyötysuhde on parhaimmillaan hyvin korkea verrattuna aurinkokennojen hyötysuhteeseen. Näin ollen ei ole kovin kannattavaa tuottaa lämpöä aurinkokennojen tuottamalla sähköllä, jos se voidaan tehdä aurinkokeräimilläkin. Korkean lämpötilan aurinkokeräinsovelluksia voitaisiin periaatteessa käyttää kaukolämmön tuotantoon, mutta niihin perustuvien voimaloiden tyypillisesti syrjäinen sijainti tekee tästä käytännössä kannattamatonta.

1 LÄHTEET Aarnio, P. 2005. Miten aurinkokenno toimii? Helsinki, Laboratory of advanced energy systems. Helsinki univercity of teghnology. Anon. 2006. IEA Photovoltaic Power Systems Programme, Annual report 2006. Fribourg, IEA Photovoltaics Power Systems Programme. 121 s. Anon. 2006b. Energy efficiency and renewable energy. U.S. Department of energy. [WWW]. [Viitattu 2.10.2007]. Saatavissa: http://www1.eere.energy.gov/solar/pv_basics.html. Anon. 2006c. Meeting the energy challenge - Shell's commitment to alternative energy. [WWW].[Viitattu2.10.2007] Saatavissa: http://www.shell.com/home/content/shellsolar/ news_and_library/press_releases/2006/energy challenge_0202.html Anon. 2007. Aurinkokenno. [WWW]. [Viitattu 2.10.2007]. Saatavissa: http://fi.wikipedia.org/wiki/aurinkokenno. Anon. 2007b. Aurinkokeräin. [WWW]. [Viitattu 2.10.2007]. Saatavissa: http://fi.wikipedia.org/wiki/aurinkoker%c3%a4in. Anon. 2007c. Aurinkolämpövoima. [WWW]. [Viitattu 2.10.2007]. Saatavissa: http://fi.wikipedia.org/wiki/keskitt%c3%a4v%c3%a4_aurinkovoima. Anon. 2007d. DOE s Concentrating Solar Power Overview. U.S. Department of energy. [WWW]. [Viitattu 2.10.2007]. Saatavissa: http://www.energylan.sandia.gov/sunlab/overview.htm. Anon. 2007e. Overview Of Solar Thermal Technologies. U.S. Department of energy. [WWW]. [Viitattu 3.10.2007]. Saatavissa: http://www.energylan.sandia.gov/sunlab/pdfs/solar_overview.pdf Anon. 2007f. Solar Collector. [WWW]. [Viitattu 2.10.2007]. Saatavissa: http://en.wikipedia.org/wiki/solar_collector. Anon. 2007g. Solar Thermal Energy. [WWW]. [Viitattu 2.10.2007]. Saatavissa: http://en.wikipedia.org/wiki/solar_power_generating_station. Anon. 2007h. Solar Energy Generating Systems. [WWW]. [Viitattu 2.10.2007]. Saatavissa: http://en.wikipedia.org/wiki/segs. Anon. 2007i. Solar Furnace. [WWW]. [Viitattu 2.10.2007]. Saatavissa: http://en.wikipedia.org/wiki/solar_furnace.

1 Anon. 2007j. Solar Power Tower. [WWW]. [Viitattu 2.10.2007]. Saatavissa: http://en.wikipedia.org/wiki/solar_power_tower. Anon. 2007k. Solar Thermal Collector. [WWW]. [Viitattu 2.10.2007]. Saatavissa: http://en.wikipedia.org/wiki/solar_thermal_collector. Anon. 2007l. Solar Tres Power Tower. [WWW]. [Viitattu 3.10.2007]. Saatavissa: http://en.wikipedia.org/wiki/solar_tres. Erat, B. Erkkilä, V. Löfgren, T. Nyman, C. Peltola, S. Suokivi, H. 2001. Aurinko-opas aurinkoenergiaa rakennuksiin. 1.Painos. Nurmijärvi, Kirjakas KY. 219 s. Korpela, Aki. SMG-4050 Energian varastointi ja uudet energialähteet. 2007. Tampere. Tampereen teknillinen yliopisto, sähkömagnetiikan laitos. Luentomoniste.