Aurinkokenno: toiminta, sovellukset ja rooli kestävässä energiassa
Tutustu aurinkokennon toimintaan, käytännön sovelluksiin ja sen ratkaisevaan rooliin kestävän energiantuotannon murroksessa — tehokas opas aurinkoenergiaan.
Aurinkokennoilla on monia sovelluksia. Niitä on jo pitkään käytetty tilanteissa, joissa sähköverkosta ei ole saatavissa sähköä, kuten syrjäseutujen sähköjärjestelmissä, maapalloa kiertävissä satelliiteissa ja avaruusluotaimissa, kuluttajajärjestelmissä, kuten käsilaskimissa tai rannekelloissa, kauko-ohjatuissa radiopuhelimissa ja vesipumppusovelluksissa. Viime aikoina niitä on alettu käyttää aurinkopaneeleista koostuvissa kokonaisuuksissa, jotka on liitetty sähköverkkoon invertterin kautta, usein yhdessä nettomittauksen kanssa.
Aurinkokennoja pidetään yhtenä tärkeimmistä teknologioista kestävän energiahuollon aikaansaamiseksi. Ne muuntavat auringon säteilyn suoraan sähköksi puolijohdeperusteisten solujen avulla, eivätkä tuota paikallisia hiilidioksidipäästöjä käytön aikana. Teknologian kehitys on laskenut kustannuksia ja parantanut hyötysuhteita, mikä on lisännyt aurinkoenergian kilpailukykyä muihin energialähteisiin nähden.
Toimintaperiaate
Aurinkokennon periaate perustuu valosähköiseen ilmiöön: kennon puolijohdemateriaalit (useimmiten pii) absorboivat fotoneja, jolloin syntyy elektroneja ja aukkoja, jotka erotetaan kennon p-n-liitoksen muodostaman sähkökentän avulla. Tämän seurauksena syntyy tasavirtaa, joka voidaan muuttaa vaihtovirraksi invertterillä tai käyttää suoraan tasavirtaa vaativissa laitteissa. Tyypilliset taloudellisesti käytössä olevat kennot ovat monikiteistä (polykiteistä) ja yksikiteistä (monokiteistä) piikennot sekä ohuet kalvotekniikat (esim. CIGS, amorfinen pii).
Sovellukset
- Off-grid-ratkaisut: mökit, kaukotukiasemat ja maatalouden pumppujärjestelmät.
- Verkkoon liitetyt järjestelmät: kattopaneelit ja aurinkovoimalat, jotka syöttävät energiaa sähköverkkoon invertterin avulla ja hyödyntävät nettomittausta.
- Avaruus- ja satelliittisovellukset: luotettavat, pitkäikäiset aurinkopaneelit avaruuslaitteissa (maapalloa kiertävissä satelliiteissa).
- Pienelektroniikka: laskimet, rannekellot ja anturiverkot, joissa tarvitaan pitkäikäistä ja huoltovapaata virransyöttöä (käsilaskimissa jne.).
- Teolliset ja kaupalliset järjestelmät: tehdas- ja kauppakiinteistöjen katot, maa- ja kelluvat aurinkovoimalat.
Rooli kestävässä energiassa
Aurinkokennoilla on keskeinen rooli energiajärjestelmän decarbonisoinnissa. Ne tuottavat uusiutuvaa energiaa paikallisesti, vähentävät riippuvuutta fossiilisista polttoaineista ja tukevat hajautettua energiantuotantoa. Yhdistettynä energian varastointiin (akut) ja älykkääseen verkonhallintaan aurinkosähkö mahdollistaa myös verkon vakauden ylläpitämisen ja kuormitushuippujen tasaamisen.
Edut
- Matala käyttöpäästö: aurinkosähkö tuottaa vähän elinkaaripäästöjä verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin.
- Alhaiset käyttökustannukset ja vähäinen huoltotarve.
- Helppo skaaltavuus: pienistä kattojärjestelmistä suuriin aurinkopuistoihin.
- Nopea käyttöönotto ja modulaarisuus.
Haasteet ja rajoitukset
- Sähkön tuotanto on riippuvainen auringonvalosta (vuorokausi- ja vuodenaikavaihtelut), joten varastointi ja järjestelmäintegraatio ovat tärkeitä.
- Pinta-alan tarve suurille tuotantomäärille ja maisemavaikutukset.
- Materiaalien saatavuus ja kierrätettävyys — aurinkopaneelien loppuelinkaaren käsittely on yhä kasvava tekijä.
- Hyötysuhde- ja suorituskykyrajat: tavallisten piikennojen hyötysuhde on tyypillisesti noin 15–22 % (huipputeknologiat parempia), mutta kehitys jatkuu.
Tulevaisuuden suuntaukset
Aurinkoteknologia kehittyy usealla rintamalla: uusiin materiaaliratkaisuihin (esim. perovskiitti), tehokkaampiin kennorakenteisiin, parempaan integrointiin rakennuksiin (BIPV, eli rakennuksiin integroidut aurinkojärjestelmät) sekä edullisempiin ja kierrätettäviin valmistusprosesseihin. Akustoratkaisut ja älykkäät ohjausjärjestelmät parantavat aurinkosähkön hyödyntämistä kokonaisenergiajärjestelmissä.
Yhteenveto
Aurinkokennot ovat monipuolinen ja nopeasti kehittyvä energiaratkaisu, jolla on merkittävä rooli globaalissa siirtymässä kohti kestävämpää energiantuotantoa. Ne soveltuvat sekä pieniin että suuriin käyttötarkoituksiin, ja kun niiden tuotanto, varastointi ja kierrätys otetaan huomioon kokonaisuutena, aurinkosähkö tarjoaa kilpailukykyisen ja ympäristöystävällisen vaihtoehdon perinteisille energialähteille.
Kolmen sukupolven kehitys
Ensimmäinen
Ensimmäisen sukupolven aurinkosähkö koostuu suuripintaisesta, yksikerroksisesta p-n-liitosdiodista, joka pystyy tuottamaan käyttökelpoista sähköenergiaa auringonvalon aallonpituuksilla olevista valonlähteistä. Nämä kennot valmistetaan tyypillisesti piikiekosta. Ensimmäisen sukupolven aurinkokennot (jotka tunnetaan myös piikiekkoon perustuvina aurinkokennoina) ovat hallitseva teknologia aurinkokennojen kaupallisessa tuotannossa, ja niiden osuus aurinkokennomarkkinoista on yli 86 prosenttia.
Toinen
Toisen sukupolven aurinkosähkömateriaalit perustuvat puolijohteiden ohutkalvopäällysteiden käyttöön. Nämä laitteet suunniteltiin alun perin korkeahyötysuhteisiksi moniliitosvalokennoiksi. Myöhemmin huomattiin, että ohutkalvomateriaalin käytön etuna oli kennon suunnittelussa tarvittavan materiaalin massan vähentäminen. Tämä vaikutti osaltaan siihen, että ohutkalvoaurinkokennojen kustannusten ennustettiin alenevan huomattavasti. Tällä hetkellä (2007) tutkitaan tai massatuotannossa on erilaisia teknologioita/puolijohdemateriaaleja, kuten amorfinen pii, monikiteinen pii, mikrokiteinen pii, kadmiumtelluridi, kupari-indiumselenidi/sulfidi. Ohutkalvoaurinkokennojen hyötysuhteet ovat tyypillisesti alhaisemmat kuin piitä sisältävien (kiekkopohjaisten) aurinkokennojen, mutta myös valmistuskustannukset ovat alhaisemmat, joten sähkötehon hinta on alhaisempi ($/watt). Pienemmän massan etuna on myös se, että paneelien sijoittamiseen katoille tarvitaan vähemmän tukea ja että paneelit voidaan asentaa kevyisiin materiaaleihin tai joustaviin materiaaleihin, jopa tekstiileihin. Näin voidaan valmistaa kannettavia, rullalle rullattuja aurinkopaneeleita, jotka mahtuvat reppuun ja joita voidaan käyttää matkapuhelinten tai kannettavien tietokoneiden virranlähteenä syrjäseuduilla.
Kolmas
Kolmannen sukupolven aurinkosähkötekniikka eroaa kahdesta muusta hyvin paljon, ja se määritellään laajasti puolijohdekomponentteina, jotka eivät käytä perinteistä p-n-liitosta erottamaan fotogeneroituneita varauksenkuljettajia toisistaan. Näihin uusiin laitteisiin kuuluvat fotoelektrokemialliset kennot, polymeeriaurinkokennot ja nanokiteiset aurinkokennot.
Kolmannen sukupolven aurinkosähköä kehittäviä yrityksiä ovat muun muassa Xsunx, Konarka Technologies, Inc. , Nanosolar ja Nanosys. Myös Yhdysvaltain kansallinen uusiutuvan energian laboratorio (National Renewable Energy Laboratory, http://www.nrel.gov/) tekee tutkimusta tällä alalla.
Etsiä