Põhja-Euroopa tingimustesse sobiv kahes teljes päikest järgiva päikesepaneelide alusraami tasuvuse analüüs ja eelprojekt

Nüüdisaegne ühiskond sõltub elektrist. Ühelt poolt tarbib arvuliselt kasvav inimkond järjest rohkem energiat, teiselt poolt on aga selgeks saanud energiavarude piiratus ja traditsiooniliste energiatootmisviiside kahjulik toime keskkonnale. Selleks tuleb leiutada uusi ja tõhusamaid tehnoloogiaid, saavutamaks samade ressursside juures suurem kasutegur ja üha enam tuleb kasutusele võtta taastuvatest energiaallikatest tulevat energiat, et ka tulevikus oleks meie energiavajadused rahuldatud. Aastaks 2050 ennustatakse inimeste arvuks 9 miljardit. Kõige suurem energiaressurss on muidugi päike, millest tulevat energiat kasutatakse tänapäeval väga vähe. Päikesest tulev energia hulk on nii suur, et see kataks hetkel kogu maailma energiavajaduse 10 000 kordselt. Teoreetiliselt saaks kogu maailma energiavajaduse rahuldatud päikesepaneelidega, mis asuksid pindalal alla 800 x 800 km. Töö eesmärgiks seatud hüpotees leiab kinnitust. Esiteks, et päikest on mõttekas Põhja-Euroopas järgida, ja seda eriti Eestis piirkonnas, ning teiseks, et alusraam tasub ennast ära sama perioodi jooksul, mis PV-paneelide investeering ise. Aktiivse järgimisega saavutatakse Eesti piirkonnas kuni 40 % tootlikkuse kasv, mis on ka piisav teenimaks tagasi järgimissüsteemi investeeringut mõistliku aja jooksul. Eesti piirkonnas on aastane otsekiirguse energia hulk ca 1100 kWh/m2, mida on umbes sama palju kui keskmiselt kogu Saksamaal. Tasuvusaja pikkuse osas võrreldi ka ühes teljes järgiva süsteemi tasuvusaega, mis on sama pikk kui kahes teljes järgiva süsteemi puhul. Ühes teljes süsteem maksab natukene vähem, peamiselt lineaarajami maksumuse võrra, kuid samas on ka tema tootlikkuse kasv väiksem kui on seda kahes teljes järgiva süsteemi puhul ning sellest tulenevalt siis umbes sama pikk tasuvusaeg. Töö esimeses osas käsitleti päikesest tuleva energia hulga suurust, võrreldi aastast kiirgusenergia hulka erinevates Euroopa piirkondades saamaks aru kas ja kui palju on seda Eestis. Tulemusena leiab autor, et seda on samapalju kui on Saksamaal, kes on maailmas kõige suurem PV-paneelide kasutaja. Analüüsides Eesti kliima andmeid EMHI andmebaaside põhjal täpsemalt selgub, et Eestis on talveperioodil kiirgusenergiat vähe ja esineb ka perioode novembrist kuni jaanuarini, kus päikest ei paista üldse. Vastupidiselt talvele on suvel jällegi päikest aasta keskmisest oluliselt rohkem ja tõusu ning loojangu vaheline nurk on väga suur, millest tulenevalt ongi vaja päikest järgida. 46 Omamoodi efekt esineb meil veel talvel, kus kõige suurem kiirgusenergia ei tule otse päikese suunalt, vaid peegeldub lumelt. Selle efekti ärakasutamiseks tuleks päikest järgiva süsteemi puhul kasutada maksimaalse kiirgusvoo otsimise süsteemi, millest on lühidalt juttu ka käes olevas töös. Kuna Saksamaal on samapalju päikese energiat kui Eestis, siis on meie riigi areng PV-paneelide kasutusele võtul jäänud poliitilise tahte ja otsuste taha. Tuleviku suundi vaadates on selge, et meie energia nõudlus kasvab üha kiiremini kasvava rahvaarvu tõttu. Üha uusi tehnoloogiaid ja olemasolevate täiendusi tuleb kasutusele võtta, et suurendada efektiivsemat energiatootmist taastuvatest energiaallikatest. Fossiilsete kütuste varud on enamvähem kindlaks määratud ja kurb tõsiasi on, et neid ei jätku väga pikaks ajaks. Greenpeace’i hinnangul võiksime aastaks 2050 minna üle 100% taastuvenergia kasutamisele. Töö teises osas kirjeldati erinevaid päikese järgimise süsteeme ja selgitati nende sobivust erinevatesse geograafilistesse piirkondadesse. Eestis annab kõige suuremat efekti kahes teljes päikest järgiv süsteem, kuna sellega on võimalik saavutada kuni 40 % suurem tootlikkus, mis on piisavalt suur, et investeering päikese järgimisse tasuks ennast ära vähemalt sama perioodi jooksul, kui PV-paneelide investeering ise. Otsides Eesti tingimustesse sobivat järgimis-süsteemi, võrreldi turul pakutavaid analoogseid tooteid ning jõuti järeldusele, et ideaalset toodet ei ole. Kõige sobivamad tooted on Saksamaa tootja DegerTracker’i omad, kuid nende hind on natukene kõrge tasumaks ennast ära mõistliku aja jooksul. Optimaalse hinna leidmiseks koostas autor arvutuste põhjal graafiku, mis näitab järgimis-süsteemi tasuvuse aega sellele paigaldatud PV-paneelide nimivõimsusest tulenevalt. Et järgimis süsteemi tasuvusaeg hetkel kehtivate elektrihindade juures oleks 4 kWp, mis PV-paneelide võimsuse juures on enamvähem sama mis on PV-paneelide investeering ise, peaks järgimis-süsteemi investeering olema maksimaalselt 4000-4500 eurot. Töö kolmandas osas koostab autor eelprojekti Eesti tingimustesse sobiva päikese järgimise süsteemi maksumuse teada saamiseks ning tasuvusaja leidmiseks. Eelprojekti käigus koostati joonised, valiti sobivad materjalid, teostati vastupidavusarvutused. Metallist detailide ning muude komponentide hindade teadasaamiseks küsiti hinnapakkumised, mille põhjal arvutati välja toote omahind. Toote omahinna arvutamisel ei võetud hetkel arvesse toote väljatöötamisega kaasnevaid arenduskulusid, mis võivad osutuda kordades suuremaks, kui süsteemi enda maksumus. Eesmärk oli jõuda selgusele, et Põhja-Euroopa tingimustesse sobiva päikest järgiva süsteemi valmistamine on teostatav ja toote müügihind jääb alla hinnapiiri, kust alates süsteemi investeering tasub ennast ära sama perioodi jooksul kui sellel paiknevate PV-paneelide investeering ise. 47 Jooniste koostamisel piirduti koostude ja alakoostude koostamisega, mis olid piisavad hindamaks metallist detailide tootmismaksumust. Töö koostamise käigus kogutud kiirgushulga andmed Eesti piirkonnas, peamiselt PVGIS andmebaasist ja EMHI mõõtmistulemused, võivad olla tõesed, kuid reaalsete tulemuste saamiseks tuleks läbi viia võrdlev test fikseeritud, ühes teljes ja kahes teljes järgiva süsteem vahel. Igal konkreetsel piirkonnal on omad eripärasused ja neid PVGIS andmebaas ei kajasta. Sellist katset või mõõtmistulemust ei ole autorile teadaolevalt seni Eestis mitte ükski ettevõte ega haridusasutus korraldanud. Autori haridustee jätkumisel magistriõppes või tööalaste ülesannete käigus on autori kindel soov ja eesmärk teostada selline võrdlev katse ja see avalikustada.

“Cost-benefit analysis and conceptual design of dual axis solar tracker for Northern Europe condition”. Choosing the topic for the academic thesis wasn’t difficult for the author. The interest came from the work, where the author designed for a customer a dual axis solar tracker without knowing, what is the knowledge behind it. The customer order was with given parameters. From this point on the author wanted to know more and to get an understanding whether it is reasonable to follow the sun in Estonian region, in how many axis and how much energy it can give more. It is clear, that one day all the fossil fuels are coming to the end and then it is late to think how we can go on. We have to think now! Electricity consumption is growing every year and 2/3 of it comes from fossil fuels. To be able to use electricity in future, like we are doing it today, we have to develop new technology’s, make the old systems more better and more efficient to get the maximum from a existing technology. One thing that we can to with PV-panels is to use them together with solar tracker. Work author has established a hypothesis that active dual axis solar tracking in Estonian region gives significant productivity growth and at the same time the tracking systems earns itself back in same time as PVsystem investment itself. At the moment with present electricity prices and without any subsidy it is approximately 15 – 20 years. Thesis contains three main chapters. First chapter analyses the sun as power source and how much energy we get from there. Also author comperes the amount of energy in different regions in Europe to find out, how much solar energy is available in Estonia, and it is almost same amount as in Germany. In the end of first chapter author describes the existing situation in solar energy and the plans for the future base on different global organization annual reports. Second chapter describes principle of solar tracking and different solar tracking systems like one horizontal axis, one tilted axis, dual axis and others. From authors point of view there is one important project described and it is the first solar park in Estonia, that is using dual axis solar trackers. End of chapter two author calculates the cost and the size for dual axis tracking system that 49 is needed to be able to earn for the system itself back within optimum time. Roughly it has to be 1000 EUR per installed kWp at the tracker. In other words, if 4 kW of PV-panels are installed at the solar tracker, then the cost for it must be approximately 4000 EUR. Then the investment in tracking system earns itself back in same time as the PV-panel system (PV-panels, inverter, installation etc.), according to the electricity prices at the moment. Third chapter is about conceptual design of dual axis solar tracker for Northern Europe condition. In this chapter author chose suitable materials, explains why he chose those and makes necessary strength and durability calculations to evaluate the correctness of the selected materials. To calculate the cost of whole system, there are assembly and subassembly drawings made by author. According to the drawings, price inquiries were made to metalworking companies to get the cost for frame and metal parts. All mechanical parts like slew drive, linear actuator, sensors and electrical components like controller, power supply, motors, switches where selected by author himself and inquiries were made to get the prices. End of third chapter all costs are merged and the result is as it was expected. The production cost does not contain cost for developing, that is much higher as the cost for on tracker. Target was to get knowledge, that it is possible to produce a new and for North Europe condition a solar tracker with lower price if it is for a solar tracker on the market that is more or less suitable for Estonia region. Work with the target hypothesis is confirmed. In Estonia and in other North Europe country’s is expedient to track the sun, especially in dual axis. With active sun tracking the growth of energy productivity in Estonia region is 40 % per year and the amount of energy, that is produced more, is enough to cover the investment for a dual axis solar tracking system within same time as the investment for PV-panel system itself.