Päikesevalgustuse tõhusam rakendamine

http://hei.eas.ee/index.php?option=com_content&view=article&id=221:paeikesevalgustuse-tohusam-rakendamine&catid=56:2008-detsember
pühapäev, 05 September 2010

Autor: Kevin Bullis,
MIT Technology Review

Uue päikesevalguse koondamise mooduse abil võib päikesevalgusest toodetavast elektrist kujuneda tõsine konkurent fossiilkütustele.

MIT-i tehnoloogia

Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (Massachusetts Institute of Technology ehk MIT) hämaras laboris valgustab Marc Baldo ultraviolettlambiga 10-sentimeetriste külgedega ruudukujulist klaasplaati. Ta on katnud klaasi pinna värvainetega, mis hõõguvad valguse käes kergelt oranžides toonides. Klaasi servad aga säravad eredamalt – võib näha nelja täiuslikult sirgelt kulgevat, kitsast helendavoranži triipu.

Klaasplaadi näol on tegemist uut laadi päikesevalgusekoondajaga ehk seadmega, mis neelab hajutatud valgust ja koondab selle suhteliselt väikesele päikesepatareile. Päikesepatareide nime all tuntud mitmekihiliste, imeõhukeseks töödeldud ränist valmistatud elektrooniliste seadmete tootmine on kallis, ning mida suuremad on patarei mõõtmed, seda kallim on ka seade. Päikesevalgusekoondajate abiga saab päikesepaneelidega toodetava elektri hinda alandada, kuna see tehnoloogia võimaldab kasutada märksa väiksemaid päikesepatareisid. Kahjuks aga valmistatakse päikesevalgusekoondajaid reeglina kõverpeeglitest või läätsedest, mis on üsna suured ja rasked ning vajavad seetõttu Päikese liikumise järgimiseks kallite mehaaniliste süsteemide abi.

Erinevalt tavapärastes päikesevalguse koondajates kasutatavatest peeglitest ja läätsedest toimivad Baldo klaasplaadid kui lainejuhid, mis juhivad valgust samal meetodil nagu fiiberoptilised kaablid, mis saadavad kaugete vahemaade taha optilisi signaale. Klaasplaate katvad värvained neelavad päikesevalgust ning erinevatel lainepikkustel klaasile langeva valguse püüdmiseks kasutatakse erinevaid värvitoone. Pärast valguse neelamist kiirgavad värvained valguse edasi klaasi pinnale, mis omakorda juhib selle klaasi servadele. Klaasi servadele kinnitatud päikesepatareid neelavad valguse endasse ja muundavad selle elektriks. Mida suurem on klaasi pind võrreldes klaasi servade paksusega, seda rohkem valgust koondatakse ja seda odavam on toodetav elekter (teatud piirini, loomulikult).

Elektrotehnika dotsendina töötav Marc Baldo avaldas oma avastuse hiljuti ajakirjas Science. Leitu põhjal ennustab Baldo, et tema loodud päikesevalgusekoondajaid oleks võimalik valmistada piisavalt suurtes mõõtmetes, tootmaks nende abiga sellisel hulgal elektrit, et pakkuda konkurentsi praegu fossiilkütustest saadavale elektrile. Baldo väidab isegi, et päikesevalgusekoondajatega varustatud päikesepaneelide näol „võib olla tegemist odavaima päikesevalgust rakendava tehnoloogiaga”.

Salajane koostisosa

Baldo päikesevalgust koondavate seadmete valmistamine algab aga hoopis ühes teises laboris. Järeldoktoriõppurist teadur Shalom Goffri võtab kapist välja hulga pudeleid, mille sees on kirjud värvipulbrid, ja mõõdab pulbrikogused väikestesse anumatesse. Osa neist värvidest on loodud autovärvide koostises kasutamiseks, teisi aga kasutatakse orgaanilistes valgusdioodides. Mõlemat tüüpi värvained ei tuhmu päikesevalguse käes ka pikkade aastate vältel ning see omadus on päikesevalguse koondajate puhul äärmiselt oluline. Kui pulbrikogused on valmis mõõdetud, lisab Goffri neile lahustit, mille toimel muutuvad pulbrid vedelaks tindiks.

Järgmine samm leiab aset väikeses hermeetiliselt suletud kastis, vältimaks olukorda, et Goffri värvainete valmistamisel kasutatavate lahustite aure sisse hingab. Goffri torkab oma käed karbi klaasist esiküljele kinnitatud paksudesse mustadesse kaitsekinnastasse ja segab kastis peituvad tindid omavahel ettevaatlikult kokku. Tintide õige vahekorra leidmine lahendas seda tüüpi päikesevalguse koondajatega tegelevatele teadlastele kõige enam muret tekitanud probleemi. Kui katta klaasplaat värvainega, mis neelab näiteks rohelise ja sinise värvi spektrivahemikus kiirguva päikesevalguse ning kiirgab valguse välja samal lainepikkusel, neelab värv kiirguva valguse peagi taas endasse ja vaid väike osa sellest jõuab klaasi servadeni. Kõnealune probleem on kuni Baldo avastuse tegemiseni seadnud oma piirid ka päikesevalgust koondavate klaasplaatide suurusele, sest mida pikem on teekond, mille valgus peab enne klaasi servadeni jõudmist läbima, seda väiksem osa valgusest suudab seda läbida.

Segades teatud värvikombinatsioone ja teisi valgustneelavaid molekule, valmistab Baldo värve, mis neelavad endasse üht tooni valgust, kuid kiirgavad välja teist tooni valgust. Tänu spetsiaalsetele värvidele ei neeldu kiirguv valgus tavapärasel moel kärmelt tagasi värvipinda, mistõttu jõuab suurem osa sellest klaasi servadeni.

Goffri valmistatavad värvid neelavad ultraviolettkiirgust läbi rohelise valguse ja kiirgavad välja oranžides toonides valgust. Kui Goffri on lõpliku koostisega värvisegu valmis saanud, valab ta sellest väikese koguse 10-sentimeetriste külgedega ruudukujulisele klaasplaadile. See plaat on suurimate mõõtudega klaasplaat, mis mahub 2000 pööret minutis keerlevasse seadmesse, mis tindi ühtlaselt klaasi pinnale laiali ajab. Paari minuti möödudes on tint lahtunud ning protsess lõppenud. Oranži tooni kattega päikesevalgusekoondaja on valmis.

Prototüüp

Elektri tootmiseks ühendab Goffri päikesevalgusekoondaja päikesepatareidega. Tema käe all valmib seade, mida nimetatakse tandem-päikesemooduliks. See on päikesepaneel, mis kasutab päikesevalgusest eralduva energia püüdmiseks kaht eri tüüpi päikesepatareid, tänu millele toimib paneel tõhusamalt kui üksnes ühe päikesepatarei jõul töötav päikesepaneel. Erinevatel lainepikkustel kiirguvast päikesevalgusest eraldub erinev kogus energiat: kõige enam energiat eraldab ultraviolettkiirgus, kõige vähem aga infrapunakiirgus. Iga erineva lainepikkuse juures kiirguva valguse jaoks kasutatakse just sellele lainepikkusele sobivas toonis päikesepatareisüsteemi. Näiteks päikesepatarei, mis on loodud selleks, et muundada elektriks infrapunakiirgus, muundab enamiku läbi sinise valguse klaasile langevast kiirgusest heitsoojuseks. Sarnane protsess toimub siis, kui kõrge energialaenguga sinise valguse püüdmiseks loodud päikesepatarei puutub kokku punase valgusega: valgus läheb päikesepatareist läbi, ilma et patarei selle endasse neelaks. Ideaaltingimustes peaks efektiivsuse mõttes kasutama kõiki erinevatel lainepikkustel kiirguva valguse püüdmiseks mõeldud päikesepatareisid koos, kuid see on sageli liiga kallis ning ebapraktiline.

Baldo päikesevalgusekoondajad on hea ja odav viis erinevatel lainepikkustel kiirguva valguse püüdmiseks loodud päikesepatareide ühendamiseks: ühte seadmesse on võimalik koondada nii erinevat tooni päikesevalgusekoondajad kui ka eri tüüpi päikesepatareid. Prototüübi valmistamiseks võtab Goffri kõrge energialaenguga valguse püüdmiseks sobiva päikesepatarei ja liimib selle plastraami siseküljele. Seejärel paigutab ta raami sisse päikesevalgusekoondaja ja teeb seda sellise nurga all, et koondaja servad jäävad päikesepatareidega kohakuti. Päikesevalgusekoondaja püüab kinni ultraviolett-, sinise ja rohelise valguse ning kiirgab välja oranži valguse, mille päikesepatareid seejärel elektriks muundavad. Värvispektri punastes ja infrapunatoonides kiirguv madalama energialaenguga valgus tungib läbi päikesevalgusekoondaja ja jõuab klaasi järgmise kihini. Prototüübis on teiseks kihiks tavaline standardmõõtmetes silikoonpäikesepatarei, mida ei ole ühendatud ühegi päikesevalgusekoondajaga.

Eeldusel, et päikesevalgusekoondaja küljepikkus on ca 30 cm, suudab prototüüp Baldo sõnul muundada elektriks pea kaks korda rohkem päikesevalgusest eralduvat energiat kui tavaline päikesepatarei. Teisisõnu: selle seadme abil toodetav elekter on 30% odavam kui tavaliste päikesepatareidega toodetav elekter.

Baldo aga usub, et tulevikus on võimalik hinda veelgi langetada. Infrapunakiirguse puhul ta päikesevalgusekoondajat ei kasuta, sest seni pole sellelt lainepikkuselt kiirguva valguse tarvis piisavalt efektiivset värvikombinatsiooni leitud. Ometi usub ta, et tulevikus töötatakse ka infrapunakiirguse neeldumiseks sobivad värvained välja. Kui nii peaks minema, saab ta väikese lisakulu eest lisada oma seadmesse veel teisegi päikesevalgusekoondaja ja asendada tavamõõtmetes silikoonpäikesepatarei päikesevalgusekoondaja servade külge kinnitatava väiksema ja odavama päikesepatareiga. Kui fotogalvaaniliste elementide hind järgnevate aastate jooksul langeb (mis peaks kõigi eelduste kohaselt juhtuma), võib Baldo väljatöötatud seadme abil toodetava elektri hind langeda kivisöest toodetava elektri hinnaga umbes samale tasemele.

Laboris on aga veel toimetamist küllaga, sest on vaja laiendada valgustoonide hulka, mida päikesevalgusekoondajad oleksid võimelised neelama, et leida igale spektritoonile vastavas toonis päikesevalgusekoondaja. Baldo sõnul on aga aeg tuua see tehnoloogia laboriseinte vahelt välja ja viia turule. Tulu saamise eesmärgil on ta koos oma kolleegidega loonud ettevõtte Covalent Solar. Massachusettsi osariigis Cambridge’i linnas asuv ettevõte plaanib tuua oma esimesed tooted, milleks on tõenäoliselt tandem-päikesemoodulid, turule järgmise kolme aasta jooksul.

Autoriõigused: 2008 Technology Review, Inc. Levitaja: Tribune Media Services