Aurinkokenno

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Photovoltaikanlage.jpg
Aurinkokennostoa
Aurinkoenergia
Fysikaalisia perusteita

Aurinko · Auringon säteily
Absorptio · Valosähköinen ilmiö

Käyttö lämmityksessä

Aurinkolämmitys · Aurinkokeräin
Aurinkokeitin

Käyttö sähköntuotannossa

Aurinkokenno · Aurinkolämpövoima
Ilmavirtavoimala

Katso myös: Aurinkosähkö
Aurinkokennoja

Aurinkokenno on laite, jolla auringon säteily muunnetaan sähköenergiaksi valosähköisen ilmiön avulla. Kennon toiminta perustuu kahteen pääperiaatteeseen: saapuva fotoni synnyttää absorboivaan puolijohteeseen varauksenkuljettajia, jotka kerätään kulutuslaitteeseen tai akkuihin. Aurinkosähköä voidaan tuottaa myös infrapunavalosta.[1] Yleisimpiä aurinkokennojen materiaaleja ovat yksikiteinen pii, monikiteinen pii, galliumarsenidi ja amorfinen pii.

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Albert Einstein selitti valosähköisen ilmiön, johon piipohjaiset aurinkokennot perustuvat. Valosähköilmiö havaittiin ensimmäisen kerran 1830-luvulla, mutta vasta 1880-luvulla ilmiötä alettiin ymmärtää edes jollain tasolla. Tuolloin Hertz havaitsi, että pinnan valaiseminen helpotti jonkin pakoa (vuonna 1887), tunnemme nämä hiukkaset elektroneina. Tämä ajatus ei ollut mitenkään vallankumouksellinen, sillä pinnan potentiaalienergiavyöhykkeen olemassaolo tiedettiin jo. Edison havaitsi vuonna 1883, että materiaalin kuumentaminen erittäin korkeaan lämpötilaan vapautti elektroneja (Edison ei tuntenut elektronia). Pienintä energiaa, jolla elektroni irtoaa kappaleen pinnasta kutsutaan irrotustyöksi (f) ja se on materiaalivakio. Hertzin käyttämät kappaleet eivät olleet riittävän kuumia, jotta elektroni olisi irronnut lämpöenergialla.[2]

Vuosina 1886-1900 saksalaiset fyysikot Wilhelm Hallwachs ja Philipp Lenard tutkivat yksityiskohtaisesti valosähköilmiötä ja saivat melko odottamattomia tuloksia: monokromaattisen valon osuessa kennoon elektroneja ei irtoa ellei käytetyn valon taajuus ollut korkeampi kuin rajataajuus; käytetyn valon intensiteetti ei vaikuta pysäytysjännitteeseen (jännite, jolla elektronien kulku katodilta anodille saadaan estettyä). Klassinen fysiikka ei kyennyt selittämään valosähköilmiön ominaisuuksia, vaan siihen vaadittiin elektronia ja Max Planckin kvanttihypoteesia. Vuonna 1905 Albert Einstein kehitti valosähköilmiölle tarkan analyysin olettamalla, että valon säde koostuu pienistä energiapaketeista, joita hän kutsui fotoneiksi tai kvanteiksi. Osuessaan kappaleen pintaan fotoni absorptoituu elektroniin, mutta vastoin klassisen fysiikan käsitystä energian siirtymisestä elektroni saa joko koko fotonin energian tai ei mitään. Jos absortoituvan fotonin energia on suurempi kuin irrotustyö, elektroni voi paeta pinnalta. Suurempi intensiteetti taajuuden pysyessä samana tarkoittaa sekunnissa emittoituvien elektronien määrän kasvua eli suurempaa jännitettä. Suurimmalla osalla metalleista rajataajuus on UV-alueella, mutta kaliumin ja cesiumin oksideilla rajataajuus on näkyvän valon alueella.[2]

Käyttökohteita[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aurinkokennoja käytetään esimerkiksi maata kiertävissä satelliiteissa, avaruusluotaimissa, kannettavissa laitteissa, kuten taskulaskimissa ja rannekelloissa ja sähköverkon ulottumattomissa olevilla alueilla esimerkiksi valaistukseen ja veden pumppaukseen. Vuoden 2008 asennuksista aurinkokennoilla tuotetusta sähköstä liitettiin sähköverkkoon 98,7 %, EU:ssa ja 3 % Suomessa.[3]

Helsingin ekologisen rakentamisen alueella Viikissä on Suomen ensimmäinen aurinkosähköä käyttävä asuinkerrostalo. Viidennes kiinteistösähköstä saadaan aurinkokennoilla. Järjestelmä on liitetty Helsingin Energian sähkönjakeluverkkoon, johon kesäaikana ylimäärä aurinkosähköä siirtyy. Talossa on 39 asuntoa. Sähköteho on 24 kW. Aurinkokennot ovat osa parvekejulkisivuja. Asukkaat voivat seurata tuotettua energiaa ja säteilytehoja reaaliaikaisesti internetistä. Projekti kuuluu EU:n PV-Nord –hankkeeseen.[4][5][6] Viikissä oli tarkoitus myydä sähkö Helsingin energialle, siten että sama määrä sähköä olisi myöhemmin saatu tarvittaessa. Verovirasto ja tulli estivät sen. Koska määräykset tekivät sähkön myynnin mahdottomaksi, saa Helsingin energialaitos ylimääräisen sähkön toistaiseksi ilmaiseksi (vuonna 2007). Vuonna 2007 aurinkokennot tuottivat 16 % tässä rakennuksessa käytetystä sähköstä.[7]

Saksassa yli 90 % järjestelmistä on kytketty sähköverkkoon. Baijeriin valmistui vuonna 2006 kaksi maailman suurinta PV-aurinkopuistoa: 12 MW:n Gut Erlase ja 10 MW:n Pocking. Pocking-puistossa on kuusi 1,67 MW:n yksikköä, 57 600 paneelia, ja sen pinta-ala on 10 jalkapallokenttääselvennä. Moduulit ovat neljässä rivissä, ja niiden yhteispituus on 16,5 km. Puisto vähentää hiilidioksidipäästöjä fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna 10 000 tonnia vuodessa 20 vuoden ajan. Järjestelmän on kehittänyt Shell Solar. Järjestelmä vihittiin tasan vuorokausi Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden 20-vuotismuistopäivän jälkeen.[8][9][10]

Lokakuussa 2006 Google ilmoitti rakentavansa 1,6 MW:n järjestelmän pääkonttoriinsa. Kalifornian kuvernööri Arnold Schwarzeneggerin tavoite on asentaa Kaliforniaan 3 000 MW:n aurinkokennoja (2017).[11]

Aurinkokennojen tehokkuus riippuu auringon säteilyenergian määrästä, eli se riippuu maasta, paikallisesta ilmastosta ja ilmansaasteiden määrästä. Parhaimmillaan aurinkoenergiajärjestelmät ovat aurinkoisissa maissa, jotka sijaitsevat päiväntasaajan molemmin puolin.[12]selvennä. Useimpien aurinkokennojen teho kuitenkin laskee lämpötilan noustessa ja pohjoisessa päivänvaloa saadaan kesäaikana ympäri vuorokauden, joten vuositasolla aurinkoenergiaa voidaan taloudellisesti hyödyntää pohjoisillakin leveysasteilla. [13] Toisaalta kesäauringon laajemmasta kaaresta ekliptikalla seuraa energian talteenoton vaikeutuminen jota voi korjata esim. seurannalla, joka tosin monimutkaistaa laitteistoa ja nostaa sen hintaa.

Perinteisesti aurinkokennoille suosittuja käyttökohteita ovat olleet pienkohteet, kuten vesipumput ja taskulaskimet. Kesämökkien, asuntovaunujen, veneiden ja autojen ilmastointilaitteiden käyttövoiman tuottajana ne ovat yleisiä. Jääkaapit, pakastimet, viestintälaitteet ja kannettavat tietokoneet saavat sähköä aurinkokennoista myös erämaassa. Syrjäiset kohteet, kuten majakat tai tukiasemat, on järkevintä sähköistää aurinkoenergialla tai hybridijärjestelmällä liittämällä verkkoon.

Aurinkoenergian tärkeä tulevaisuuden sovellutus saattaa olla veden hajottaminen elektrolyyttisesti vedyksi ja hapeksi polttokennoja varten.[12] ESA on kehittänyt aurinkoenergialla kulkevan auton ja Husqvarna ruohonleikkurin. Saksassa asennettiin vuonna 2006 3,5 MW autoihin, liikennevaloihin jms.[11] Etenkin Kiina, Saksa ja Japani tukevat aurinkokennojen rakentamista.

Aurinkokenno[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kennojen tyypillinen käyttöikä on noin 30 vuotta. Aurinkokennot voidaan jakaa tasapaksuihin levykennoihin (flat-plate PV), joissa auringonvalo tuottaa suoraan sähköä sekä keskittäviin aurinkokennoihin (concentrating PV (CPV) panels), joissa auringonvalo keskitetään tai tiivistetään sähkön tuotantoa varten. Levykennojen huipputeho on yleensä 5-300 W. CPV-kennojen huipputeho vaihtelee 0,5-40 kilowattiin. CPV-markkinat kasvavat tällä hetkellä nopeimmin. Vuonna 2004 CPV:n osuus markkinoista oli 1 %.[14]selvennä

Aurinkokennojen tuotanto[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Katso myös tilastot aurinkoenergian tuottaminen artikkelissa Aurinkoenergia.

1990-luvulla PV(photovoltaic)-markkinat kasvoivat vuosittain 33 %: 60 MW (1994) 1 GW (2004). Vuonna 2004 kapasiteetti kasvoi 60 %. Uusista järjestelmistä 80 % kytkettiin verkkoon (2004). Kasvu on merkittävintä Saksassa, Japanissa ja joissakin Yhdyvaltojen osavaltioissa, kuten Kaliforniassa, New Jerseyssä ja Arizonassa. Kasvusta on aiheutunut hetkellinen piimateriaalien pula. Se on antanut hetkellisen markkinaedun ohutkalvomateriaaleille ja keskittäville aurinkokennoille.

Suurin aurinkokennojen tuottaja vuonna 2010 oli Kiina (13 018,4 MWp - megawatt-peak). Euroopan suurin aurinkokennojen tuottaja oli Saksa (2 656,2 MWp, 9,8 % osuudella koko maailman aurinkokennojen tuotannosta) [15].

Aurinkokennojen tuotanto[16]
Vuosi MW
2001 401
2002 558
2003 759
2004 1 196
2005 1 771
2006 2 474
2007 3 733
2008 6 900

Aurinkokennojen tuotantoalueet vuonna 2007 jakautuivat seuraavasti: Eurooppa 29 %, Japani 25 %, Kiina 22 %, Taiwan 10 %, USA 7 % ja muut 8 %.[16]

Jos yritysten laajennustiedotteet ja arviot toteutuvat, aurinkokennojen tuotantokapasiteetti olisi 4,8 GW 2006/2007.[17] Piin tuotantomäärät ovat olleet rajoittava tekijä. 2006–2008 vuosituotanto voi lisääntyä jopa 2 GW:lla. Aurinkokennojen tuotanto oli 1,7 GW vuonna 2005, 1,15 GW vuonna 2004 ja 0,56 GW vuonna 2002. Valoenergiamarkkinat kasvoivat 40 % vuonna 2001 ja 2002. Maittain tuottajat vuonna 2005 olivat: Japani 830 MW, Eurooppa 470 MW, Kiina 200 MW ja USA 150 MW. Markkinaosuudet maittain 2002 ja (1997): Japani 44 % (25 %), Eurooppa 25 % (23 %) ja USA 20 % (41 %). Vaikka hinta on yhä muita energiamuotoja korkeampi, aurinkoenergian mahdollisuudet edulliseksi energiaksi ovat suuret. Tuotannon lisäys laskee hintaa ja kehitys nostaa tehoa. Kokemuksen mukaan tuotannon kaksinkertaistaminen on laskenut hintaa 20 %. Sharp ennustaa hyötysuhteen nousevan 17 %:sta 23-24 %:iin 2010-luvulla.

Eurooppalainen Q-Cells kaksinkertaisti tuotantonsa 2005. Japanilaiset Sharp ja Kyocera lisäsivät tuotantoaan 30 % vuonna 2005. Sanyo kasvoi neljänneksi suurimmaksi japanilaisyritykseksi seitsemänneltä tilalta. Kiinan aurinkokennotuotanto kolminkertaistui 65 MW:sta 200 MW:iin vuonna 2005. Vuoden 2005 lopussa Kiinan tuotantokapasiteetti oli 300 MW. Kolme kiinalaista yritystä on ilmoittanut laajentavansa tuotantoaan 1500 MW:lla 2008–2010 mennessä (Nanjing CEEG PV Tech, Yingli Solar ja Suntech Power).[18]

Amerikkalaisten mukaan maailman ohutkalvo-pV-tuotanto oli 85 MW vuonna 2005 ja he ennakoivat vuoden 2008 kapasiteetiksi 500 MW, josta puolet USA:ssa. United Solar Ovonic tuotti amorfisen silikonin aurinkokennoja 22 MW (2005). First Solar tuotti kadmium-telluridi (CdTe) -ohutkalvokennoja 20 MW vuonna 2005. Yritys suunnittelee laajentavansa 100 MW:n (2007). Shell Solarin ohutkalvokennot perustuvat kupari-indium-diselenidiin (CIG), johon lisätään gallium Ga ja rikki S (CIGSS). Hyötysuhde on 11,7 % - tutkijat ovat saaneet hyötysuhteen 19 %:iin. Kennoja on myyty Euroopassa vuodesta 2006.[19] Ruotsalainen ohutkalvokennoja tutkiva Solibro AB ja Q-Cells muodostivat yhteisyrityksen tuotteiden kaupallistamiseksi marraskuussa 2006. Alustavan tehtaan kapasiteetti on 25-30 MW Thalheimissa.[11]

Yritykset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tuotanto ja kapasiteetti (MW)[20][3]
Tuotanto Kapasiteetti
# Yritys Maa 2005 2006 2007 2008 2007 2009
1 Q-Cells Saksa 166 253 389 574 516 800
2 First Solar USA - 60 207 503 308 1000
3 Suntech Kiina 82 158 327 498 540 1000
4 Sharp Japani 427 434 363 473 710 710
5 JA Solar Kiina - 25 113 300 175 600
6 Kyocera Japani 142 180 207 290 240 650
7 Yingli Green Energy Kiina 150 282 600
8 Motech Taiwan 60 102 196 272 240 580
9 SunPower USA/Filippiinit - 63 150 237 214 414
10 Sanyo Japani 125 155 165 215 265 500
11 Baoding Yingli Kiina - 35 143 200
12 Solarworld Saksa 37 86 130 190 205 650
13 Mitsubishi Electric Japani 100 111 121 150
14 BP Solar UK-USA 86 86 102 130
15 Solarfun Kiina - 25 88 240
16 Isofotón Espanja 75 61 85 135 180
x Muut - 640 948 1 908
- Schott Solar Saksa 92 93 149 425
- Photowatt Ranska 33 35 60
x Yhteensä - 1 771 2 474 3 733 6 176

Vuonna 2004 10 suurimman yrityksen osuus oli 80 % markkinoista ja loput jakautui 30 yrityksen kesken. Vuoden 1,2 GW:n aurinkokennojen lisäys jakautui yritysten kesken järjestyksessä seuraavasti: Sharp (jp) 27 % (314 MW), Kyocera (jp) 9 %, BP Solar (us, es, aut, in) 7 %, Q-Cells (de) 6 %, Mitsubishi Electric (jp) 6 %, Shell Solar (us, de) 6.0%, Sanyo (jp) 5 %, RWE - Schott Solar (de, usa) 5 %, Isofoton (es) 5%, Motech (tw) 3% ja muut 20 %.[17] Ala on nopeasti kasvava.

Yritykset Euroopassa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Euroopassa aurinkokennojen liikevaihto oli 9,2 mrd. € vuonna 2007 ja 5,7 mrd. € vuonna 2006. Euroopan työllisyys oli 70 000 ihmistä vuonna 2007.

Saksassa aurinkokennoja valmistaa 8 yritystä: Deutsche Cell, ErSol Solar Energy, EverQ, Q-Cells, Scheuten Solar (ennen Shell Solar), Schott Solar, Solarwatt Cells ja Sunways.[11] Vuonna 2007 Saksassa oli yli 10 000 alaan liittyvää yritystä ja 80 osien tuotantoyritystä. German Solar Industry Federation arvioi, että aurinkokennot työllistivät maassa 6000 yritystä ja niiden liikevaihto oli 3,8 miljardia euroa 2006. BSW:n mukaan Saksan myynti oli 5,46 mrd. € vuonna 2007 ja 4,45 mrd. € vuonna 2006. Saksassa oli vuonna 2008 15 tehdasta rakenteilla, mikä vastaa 10 000 työpaikkaa. Saksan työllisyys kasvoi 30 000:sta 40 000:een (50% asennus, 43% tuotanto ja 7% myynti).

Vuonna 1997 Suomen 400 000 kesämökistä 5-/ % oli aurinkokennot sähkönlähteenä. Suomessa Neste Oilin NAPS oli suurin myyjä. Markkinoiden johtajat olivat: Siemens 18 MW, Kyocera 12 MW, Solarex 8 MW, BP 8 MW, Solec 3,5MW, Astropower 3 MW, ASE 3 MW, Photowatt 2,5 MW, Eurosolar 2,5 MW, Isophoton 2 MW ja NAPS (Suomi) 2 MW. Yhteensä tuotanto oli 93 MW.[21]

Yritykset Yhdysvalloissa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yhdysvaltalaisia yrityksiä on mm. GE (osti AstroPower:n 2006), BP Solar, United Solar Ovonic ja First Solar.

Schott Solar ja Solarworld suunnittelivat vuonna 2008 tuotannon lisäämistä Amerikassa. Piistä oli vuonna 2008 yhä pula, mutta vuoden 2010 tuotannoksi arvioidaan 8000-10000 MWp.Sharp on tiedottanut rakentavansa 1 000 MWp amorfisen piikennotehtaan vuoteen 2010 mennessä.[20]

Yritykset Japanissa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Japanissa suurin PV-valmistaja on Sharp. Japanissa tuotanto on 0,71 GW/vuosi.[22] Yrityksellä on Euroopan markkinoita varten tehdas Walesissa, jota se laajensi 2007 kaksinkertaiseksi 220 MW/a.[23] Muita japanilaisyrityksiä on mm. Sanyo (260 MW/a 2007), Kyocera ja Mitsubishi.

Kustannukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yhdysvaltojen energiaministeriön mukaan multikidekennojen takaisinmaksuaika on 2-4 vuotta ja ohutkalvokennojen 1-2 vuotta.[24]

Feed in tariff –järjestelmällä tuetaan uusiutuvan energian käyttöönottoa lähes kaikissa teollisuusmaissa. Kreikka sääti aurinkoenergialain helmikuussa 2007, Italia 25.8.2006 ja Espanja 26.3.2007. Kreikan takuutariffi on Saksaakin suurempi. Espanjan hintatuki on 44 eurosenttiä/kWh 25 vuoden ajan.[25] Ruotsi antaa toukokuusta 2006 julkisille rakennuksille 60 % tukea aurinkokennojen asennukseen [26]. Suomessa tukea voi saada yritykset ja yhteisöt maksimissaan 60 % kustannuksista.[27]

Tulevaisuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aurinkokennoja käyttävä Gossamer Penguin lennossa 25.7.1979 [1].

EPIA:n mukaan (9/2008) aurinkokennoilla (PV) voidaan tuottaa 12 % Euroopan sähköstä vuonna 2020. Aurinkokennojen hinta on laskenut 20 % kapasiteetin kaksinkertaistuttua. Saksan aurinkoteollisuuden yhdistyksen (BSW-Solar) mukaan Saksassa aurinkosähkön hinta asennettuna on laskenut 35 % vuodesta 2006 vuoden 2008 loppuun.[28] Teknologinen kehitys ja massatuotanto laskevat hintaa. Siksi teollisuuden tavoite on 40 % vuosikasvu.[29]

Aurinkokennojen hinta on laskenut hitaasti verrattuna muihin puolijohdetuotteisiin, kuten mikropiireihin. Piikiekolle tehtävien aurinkokennojen valmistuksessa on käytetty kustannussyistä mikropiiripiirituotannolle kelpaamatonta laatua, jonka määrä on ollut rajoitettua. Aurinkokennojen vapauduttua yksikiteisestä piistä, on tämä riippuvuus jäänyt toissijaiseksi. Tulevaisuudessa panostukset kasvihuoneilmiön välttämiseen tulee auttamaan aurinkokennotekniikan edistymistä. European PV Industry Assosiation (EPIA) ja Greenpeace arvioivat kapasiteetiksi 200 GW vuonna 2020 ja vuonna 2040 tuotannoksi 25 % koko maailman sähkönkulutuksesta.[30] EPIA eli Euroopan aurinkokennoteollisuuden yhdistys ennustaa aurinkokennot kilpailukykyisiksi huipputunteina Etelä-Euroopassa vuonna 2015 ja muualla Euroopassa vuonna 2020. EPIA:n mukaan aurinkoenergiasta kehittyy merkittävä halpa sähkölähde tulevina vuosikymmeninä.[31]

Aurinkokennotavoitteet: Japani 4 820 MW (2010), Italia 1 000 MW (2015), Korea 1300 MW (2012)[11] ja USA 5-10 GW (2015)[11](s.100) ja USA 30 GW (2020).[32] EU arvioi, että Saksaan on asennettu 4500 MW aurinkokennoja 2010.[33]

Aurinkoenergian haittana on auringonpaisteen jaksoittaisuus ja investointikustannukset. Jaksoittaisuuden aiheuttamia ongelmia voidaan poistaa säätövoimalla ja energian varastoinnilla. Aurinkokennoihin ja alan kilpailuun panostavat maat ovat ottaneet käyttöön syöttötariffi-järjestelmän tukemaan pientuottajia.

Aurinkokennoja käytetään myös voimanlähteenä kokeellisissa autoissa, mutta tehot ovat vielä pieniä ja aurinkoautoilla on toistaiseksi vain kilpailtu Australiassa ja muissa valoisissa maissa.

Saharan reuna-alueiden ja muiden vastaavien kuivien alueiden varustaminen aurinkokennojen käyttämillä kastelujärjestelmillä on eräitä suuria haaveita, joiden toteutuminen helpottuu tekniikan kehittyessä.

Satelliittiaurinkovoima on kallista ja toistaiseksi vasta tutkimusasteella. Japani ja Yhdysvallat ovat suunnitelleet lähettävänsä avaruuteen aurinkovoimaloita eli satelliitteja, joihin on kiinnitetty kilometrien pituisia aurinkokennoja. Tuotettu sähkö siirrettäisiin maahan ilmeisesti mikroaalloilla tai IR-laserilla. NASA esitti jo 1970-luvulla avaruusvoimalan rakentamista. Suunnitelman mukaan se olisi riittänyt kattamaan koko Yhdysvaltain sähköntarpeen. 1980-luvulla oli huhuja, että Neuvostoliitto kokeili langatonta sähkönsiirtoa avaruudesta maahan. Tässä tekniikassa on niin suuria turvallisuusongelmia, että se ei toteutune lähitulevaisuudessa. Myös kuuhun on suunniteltu sijoitettavan aurinkopaneeleja ympäri kuuta, muodostaen aurinkopaneeliketjun, jolla saataisiin sähkö tulevaisuuden kuutukikohdille vuorokauden ajasta riippumatta.

Useimpien avaruusalusten sähköteho tuotetaan aurinkokennoilla, koska vaihtoehtoina on vain polttokenno (esim. Apollossa käytössä) ja ydinenergia (esim. Cassini-luotain). Tällöin aluksen käyttöjännite on 28 V, 40 V, 100 V tasavirtaa tai 400 V vaihtovirtaa (esim. ISS-avaruuasema) ja tehonkulutus kymmenistä wateista satoihin kilowatteihin.

Tekniikka[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Teoria[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aurinkovoimala Portugalissa

Aurinkoenergia on uusiutuvaa energiaa, jossa ei ole polttoainekustannuksia, ja josta ei synny hiilidioksidipäästöjä tai jätteitä. Aurinkokennojen käyttöä on kuitenkin hidastanut kennon korkeahko hinta. Kehityssuuntana on ollut kustannuksien alentaminen, hyötysuhteen parantaminen ja materiaalien kehitys. Aurinkokennojen valmistuskustannukset alenevat 2–4 prosenttia vuosittain teknisen kehitystyön ja suurtuotannon etujen ansiosta. Tärkein valosähköisten kennojen raaka-aine on pii, jota maapallolla esiintyy yltäkylläisesti teollisuuden tarpeisiin. Aurinkokennoja kohtaan osoitettu kritiikki kohdistuu usein pieneen hyötysuhteeseen ja valmistuksesta aiheutuviin päästöihin. Valmistuksesta aiheutuvat päästöt ovat todellakin melko korkeita, mutta nykytekniikalla niitä voidaan vähentää.

Aurinkokennojen hyötysuhde riippuu kennon valmistusmateriaalien ja -tekniikoiden lisäksi osittain kennoon tulevan säteilyn spektristä. Osa säteilystä heijastuu jo kennon pinnasta, minkä merkitystä pyritään vähentämään valitsemalla mahdollisimman heikosti heijastava materiaali pintaan. Myös säteilyn absorptoituminen pintakerroksiin heikentää hyötysuhdetta, minkä merkitys vähenee sopivilla materiaalivalinnoilla. Fysiikassa auringon säteilyn ajatellaan koostuvan pienistä massattomista hiukkasista, fotoneista, jotka sisältävät tietyn määrän energiaa. Aurinkokennoissa fotonit absorptoituvat p-tyypin puolijohteeseen vapauttaen elektroneja valosähköisessä ilmiössä, kuljettuaan ensin n-tyypin kerroksen ja n/p-liitoksen läpi.[12]

Hyötysuhteen maksimoimiseksi pyritään säätämään p-tyypin materiaalin ominaisuudet siten, että suurin osa elektroneista vapautuu mahdollisimman lähellä liitosta, jotta sähkökenttä kykenisi auttamaan elektronit kennon yläosan läpi ulkoiseen piiriin. Luonnollisesti fotonien absorptio pyritään saamaan mahdollisimman suureksi, ja siten vapauttamaan mahdollisimman paljon elektroneja. Ja kaiken lisäksi elektronien yhtyminen aukkojen kanssa on estettävä mahdollisimman tehokkaasti. Näiden vaatimusten toteuttamiseksi äärimmäisen puhtaaseen puolijohderaaka-aineeseen lisätään tarkasti määriteltyihin paikkoihin epäpuhtauksia eli muita atomeja. Pinnasta tapahtuvia heijastuksia vähennetään ainakin kahdella eri tavalla: peittämällä pinta monella kerroksella sopivaa materiaalia esimerkiksi piimonoksidia tai käsittelemällä kennon pinta kemikaalein sellaiseksi, että se heijastaa pintaheijastukset takaisin kennoon.[12]

Los Alamosin laboratorion tutkijat ovat onnistuneet kokeellisesti osoittamaan, että käyttämällä nanokiteistä puolijohdetta voidaan aurinkokennojen tuottaman sähkön määrää nostaa jopa 35 % nykyisestä. Hyötysuhteen nousun taustalla se, että nanokiteinen puolijohde vapauttaa useita elektroneja kerralla ja käyttää kennoon tulevien fotonien energian tarkemmin kuin aiemmin. Kennon perusperiaate ei muutu miksikään, vaan keksinnössä on kyse kuljettajien moninkertaistumiseksi kutsutun ilmiön, joka on tunnettu 1950-luvulta lähtien, hyödyntämisestä: kennoon tuleva fotoni irrottaa yhden elektronin puolijohteesta, mutta ylimääräinen energia ei muutukaan lämmöksi vaan se siirtyy törmäysionisaatioksi kutsutussa prosessissa toiselle elektronille. Hyötysuhteen huomattava nosto edellyttää nanoluokan puolijohteita, sillä perinteisin menetelmin hyötysuhde kasvaisi vain noin prosentilla. Käytännössä edellä kuvattu ilmiö tarkoittaa fotonin osumasta irtoavien elektronien määrän kaksinkertaistumista.[34]

Useimmilla tehokkailla aurinkokennomateriaaleilla irrotustyön suuruus on välillä 1,0-1,6 eV. Fotonit, joiden energia on vain hiukan irrotustyötä suurempi, vapauttavat elektroneja tuottamatta ylimääräistä lämpöä. Mikäli fotonin energia on pienempi kuin irrotustyö, fotoni ei pysty irrottamaan elektronia, ja koko fotonin energia vapautuu hukkalämpönä. Jos taas fotonin energia on merkittävästi suurempi kuin irrotustyö, ylimääräinen fotonin energia vapautuu hukkalämpönä. Useimmat aurinkokennot eivät pysty hyödyntämään kuin 55 % auringon säteilyn energiasta, sillä joko irrotustyö tai kuljettajien vaatima energia suurempi kuin tulevien fotonien energia. Kennoissa käytettävät puolijohteet pyritään optimoimaan käyttämään hyödykseen mahdollisimman suurta osaa kennoihin osuvan säteilyn energiasta. 25 %:lla tulevista fotoneista on irrotustyötä pienempi energia, kun taas 30 % tulevasta energiasta kuluu kennon sisäisissä prosesseissa (syntyy esimerkiksi lämpöä ja valoa). Kennon tehokkuuteen vaikuttaa siis valmistustekniikan ja -materiaalien lisäksi käyttöolosuhteet. Aurinkokennon tuottaman sähkön määrää voidaan lisätä käyttämällä keskittimiä, jotka kohdistavat laajemmalle alueelle osuvan auringon säteilyn kennoihin jolloin kennoon osuvan säteilyn intensiteetti kasvaa. Kyse on siis eräänlaisesta vippaskonstista, jonka ongelmana on tosin kennon ja muidenkin rakenteiden normaalia voimakkaampi lämpeneminen. Keskitysjärjestelmiin eli linsseihin ja peileihin liittyy häviöitä ja myös heijastuminen keskittimistä on merkittävä tekijä.[12]

Aurinkokennossa vapautuvien elektronien saaminen ulkoiseen piiriin on tärkeä osa aurinkoenergiateknologiaa, sillä elektronien siirtämiseen tarvittavat kontaktit eivät saisi peittää kuin korkeintaan muutaman prosentin kennon pinnasta ja niiden pitäisi johtaa hyvin kaikissa suunnissa. Se mitä materiaaleja kontakteissa käytetään ja miten ne asennetaan kennon pinnalle on merkittävä tekijä kennon hyötysuhteen ja hinnan kannalta. Aurinkokennoja kootaan yleensä suuremmiksi kokonaisuuksiksi, joita kutsutaan moduuleiksi ja taulukoiksi. Kokonaisen aurinkoenergiajärjestelmän voi ajatella koostuvan kolmesta osasta: tehontuotto eli aurinkokennot, jotka tuottavat tasavirtaa; kuorma, joka voi olla tasa- tai vaihtovirtaa käyttävä; näiden välissä on erittäin merkittävä, järjestelmän tasapainoksi kutsuttu, osajärjestelmä, joka muuntaa kennon tuottaman sähkön käyttökelpoiseksi kuormalle. Tämä osajärjestelmä sisältää moduulien kiinnitysjärjestelmän, virran ja jännitteen suodatuskomponentit sekä tarvittaessa vaihtosuuntauksen. Myös varastointi kuuluu tähän järjestelmään.[12]

Aurinkokennojen kiinnitysjärjestelmien on oltava kestäviä ja pitkäikäisiä, sillä ne ovat jatkuvasti sään armoilla. Itsenäisiin aurinkoenergiajärjestelmiin usein kuuluvat akut on vaihdettava joka viides tai kymmenes vuosi, näihin järjestelmiin saattaa kuulua myös dieselgeneraattori tai pieni tuulivoimala. Isommissa aurinkovoimaloissa käytetään jäljitysjärjestelmiä maksimaalisen energiantuoton saamiseksi eli taulukot on kiinnitetty moottoroituihin kiinnityksiin, jotka pitävät kennot optimaalisessa kulmassa aurinkoon nähden. Jännitteen säätö on tärkeä osa energian tuotantoa, sillä yli- ja alijännitteet voivat olla tuhoisia. Aurinkoenergiajärjestelmien yleistyminen on kiinni järjestelmien hinnasta ja käytettävyydestä sekä niiden eliniästä. Akkuteknologian kehittäminen on äärimmäisen tärkeää, sillä aurinkoenergiajärjestelmiin tarvitaan tehokkaita akkuja, jotka eivät saisi laskea järjestelmän hyötysuhdetta paljoa. Nykytekniikalla akkujen käyttö pienentää hyötysuhdetta noin 20 %.[12]

Aurinkokennojen suunnittelussa täytyy huomioida se, miten valo osuu kennoon, sillä valo voi joko osua kennoon suoraan tai se saattaa heijastua esimerkiksi pilvistä tai maasta. Keskitinjärjestelmät voivat hyödyntää vain niihin suoraan osuvaa valoa, kun taas litteät kennot pystyvät hyödyntämään heijastuneenkin komponentin. Suoraan kennoon tulevan valon määrä vaihtelee välillä 0-90 %.[12]

Materiaalit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vuonna 2004 piipohjaiset materiaalit hallitsivat markkinaosuuksissa: polykiteinen pii 62 %, yksikiteinen pii 29 %, amorfinen pii 5 % ja nauhapii (engl. ribbon silicon) 4 %. Ohutkalvotekniikan (polykiteinen kadmium-telluridi CdTe, kupari-indium-gallium-diselenidi [CIGS] ja amorfinen pii [a-Si]) markkinaosuus oli alle 10 % (2004). Ohutkalvotekniikat muun muassa säästävät puolijohdemateriaalikustannuksissa ja mahdollistavat automaation lisäämisen. Tekniikka saattaa kehittyä muita edullisemmaksi.[14]

Aurinkokennot voidaan jakaa piipohjaisiin ja ohutkalvotekniikkaan perustuviin kennoihin. Piipohjaiset kennot, joiden toiminnallinen osa on 100-300 µm, eivät ole teollisuuden kannalta yhtä kiintoisia kuin ohutkalvotekniikkaan pohjautuvat kennot, joiden toiminnallisen osan paksuus on 1-10 µm, sillä ohutkalvotekniikka vaatii vähemmän raaka-aineita ja on helpommin sovellettavissa massatuotantoon. Piitä, kuten muitakin aurinkokennojen puolijohteita on olemassa useaa eri tyyppiä: yksi- ja monikiteistä sekä amorfista. Puolijohteen ominaisuudet, kuten kiteen koko ja rakenne riippuvat aineen tyypistä. Yksikiteisen piin atomit muodostavat erittäin säännöllisen kiderakenteen, jossa kiteen koko on yli 10 cm. Niiden materiaalien, jotka koostuvat useista pienemmistä kiteistä kiderakenne ei ole yhtä säännöllinen kuin yksikiteisten materiaalien, sillä kiteiden pienuuden vuoksi kiteissä olevien atomien tai molekyylien väliset vetovoimat tulevat merkityksellisiksi.[12]

Piiatomien elektronien käyttäytyminen piikiteissä on merkittävä tekijä tarkasteltaessa piikiteissä tapahtuvaa valosähköilmiötä, sillä kiteiden muodostumisperiaate on omalaatuinen. Joitakin ohutkalvokennoja voidaan kuvata n-i-p-rakenteella, missä n ja p ovat erityyppisiä puolijohteita, n-tyypin puolijohteessa on ylimääräisiä elektroneja ja p-tyypissä on ylimääräisiä aukkoja. P/n-liitoksen yli muodostuu sähkökenttä, koska aukot ja elektronit vaihtavat jatkuvasti puolta eli kaksi puolijohdetta käyttäytyy pariston tavoin, joten niitä voidaan käyttää erilaisissa piireissä. Aurinkokennoahan voidaan pitää diodina. Amorfinen pii on erittäin mielenkiintoinen materiaali ohutkalvotekniikan kannalta ja sitä tutkitaan nykyisin erittäin paljon, sillä sen ominaisuudet tekevät siitä johtavan ohutkalvomateriaalin. Amorfisen piin korvaajiksi ovat ehdolla nanokiteinen ja "pienijyväinen" monikiteinen pii.[12]

Shell Solar vaihtoi 2006 tuotannon Euroopassa perinteisestä piitekniikasta CIS-ohutkalvotekniikkaan (kupari-indiumdiselenidi).[11] PV Industry Assosiation ja Greenpeace arvioivat kapasiteetiksi 200 GW vuonna 2020 ja tuotannon 25 %:ksi koko maailman sähkönkulutuksesta vuonna 2040.[30] The U.S. PV Industry ennustaa Yhdysvaltojen kapasiteetiksi (2020) 36 GW, mikä on alle 5 % tämänhetkisestä potentiaalisesta kapasitettista. Kapasiteetti kasvaa tekniikan kehittyessä.[14]

Muita monikiteisessä ohutkalvotekniikassa käytettyjä materiaaleja ovat kupari-indiumdiselenidi ja kadmiumtelluuri, jonka n-i-p on kemiallisin merkein kirjoitettuna CdS-CdTe-ZnTe. Molemmat edellä mainituista materiaaleista absorboivat tehokkaasti fotoneja ja ovat valmistusteknillisesti edeltäjiään parempia. Yksikiteisessä ohutkalvotekniikassa käytetään galliumarsenidiä, jolla on laaja soveltuvuusalue, sillä galliumarsenidi kestää erittäin hyvin säteilyäkin, mikä tekee siitä ihanteellisen materiaalin avaruussovellutuksiin. Galliumarsenidiä voidaan kerrostaa hieman erilaisin koostumuksin, jolloin saadaan parannettua tehokkuutta ja vietyä hyötysuhde aina vain lähemmäksi ja lähemmäksi teoreettista rajaa. Ohutkalvotekniikaan perustuvien kennojen tuotanto on yleensä laaja-alaista eli tapahtuu suurella pinta-alalla ja voidaan automatisoida; ohutkalvotekniikkaan perustuvat kennot ovat myös taipuisia.[12]

Kolmannen sukupolven väriherkistetty aurinkokenno[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kolmannen sukupolven aurinkokennot ovat kehityksen alkuvaiheessa, mutta niiden oletetaan laskevan tuotantokustannuksia huomattavasti. Uusia kennoja voidaan pinnoittaa esimerkiksi lasiin tai seinäpintaan ja kennoja voidaan tuottaa suurina sarjoina edullisesti. Michael Grätzel palkittiin vuonna 2010 Millennium-palkinnolla kolmannen sukupolven väriaineherkistettyjen aurinkokennojen kehityksestä. Kennon toimintaperiaate muistuttaa luonnon fotosynteesiä ja se tunnetaan nimellä Grätzelin-kenno tai Dye-sensitised solar cell, DSC (kts. linkki EN: Dye-sensitized solar cells).

Millenium palkinnon perusteluissa Grätzelin kennoa pidetään lupaavana vaihtoehtona hallitsevalle piipohjaiselle aurinkokennoteknologialle. DSC-kennot valmistetaan edullisista materiaaleista eikä tuotantoon tarvita monimutkaisia laitteita. Väriaineherkistetyssä kennossa on nanokokoisia titaanidioksidihiukkasia, jotka on pinnoitettu valoa absorboivilla väriainehiukkasilla ja upotettu elektrolyyttiliuokseen. Kennon voi valmistaa yksinkertaisista aineista kotioloissa; Punaista absorboivaa ainetta saa esimerkiksi vadelmista ja titaanin oksideja valkoisesta titaanioksidi-maalista. Valon osuessa väriainehiukkasiin vapautuu elektroneita, positiivisen varauksen kantajia. Puolijohtava titaanidioksidipartikkelikerros johtaa elektronit ulkoiseen virtapiiriin.

DSC-kennoilla on saatu 12 prosentin hyötysuhde laboratoriossa ja 9 prosentin hyötysuhde todellisissa käyttöolosuhteissa [35]. Grätzelin mukaan hyötyero pii-pohjaisiin kennoihin saattaa kaventua todellisissa olosuhteissa, koska DSC-kennon pitäisi toimia tehokkaammin pilvisissä ja jopa sateisissa olosuhteissa. DSC-kenno ei menetä myöskään tehoaan lämpötilan noustessa, kuten piipohjaiset kennot.

Yhdistykset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aurinkokennot maailmassa[18][36].[37]
Aurinkokennot (GW) 2004 2005 2006 2007 2008
Kapasiteetti (PVkaikki) 4 5,4 7,7 10,5 16
Kapasiteetti (PVverkossa) 2 3,1 5,0 7,8 13
Tuotanto (PV) 1,2 1,7 2,5 3,8 6,9
Aurinkokennot verkossa (GW)[38].[39]
Maa 2005 2006 2007 2008
Saksan lippu Saksa 1,9 2,8 3,9 5,4
Espanjan lippu Espanja 0,1 0,2 0,7 3,3
Japani 1,2 1,5 1,7 2,0
Yhdysvaltain lippu Yhdysvallat [40] 0,7 0,9 1,2
Etelä-Korea 0 0 0,1 0,4
Italia 0 0,1 0,1 0,3
Lisäys 1,3 1,5 2,4 5,4
Yhteensä 3,5 5,1 7,5 13,0
Kokonaismääriä yhteensä

Kansainvälisellä energiajärjestöllä (IEA) on Photovoltaic power systems –ohjelma, jossa vuonna 2006 oli 21 jäsentä: EPIA, Euroopan Unioni, Alankomaat, Espanja, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Kreikka, Norja, Portugali, Ranska, Ruotsi, Sveitsi, Tanska, Australia, Israel, Japani, Kanada, Korea, Mexico ja Yhdysvallat.[11]

Euroopan teollisuuden järjestö on The European Photovoltaic Industry Assosiation eli EPIA. Sillä on 110 jäsentä. Se edustaa 95 % eurooppalaisten kennojen ja 80 % maailman aurinkokennojen tuotannosta. Japan Photovoltaic Energy Association (JPEA) on asettanut tavoitteeksi, että Japani on maailman johtava PV-maa.

PV-ERA NET on eurooppalainen aurinkokennojen tutkimus- ja kehitysohjelmien verkosto. Tavoitteena on vahvistaa tutkimusta verkostolla. EU tukee hanketta. Verkostolla on 20 jäsentä 13 maasta. Suomesta ei ole vielä jäseniä.[41]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. http://www.tekniikkatalous.fi/energia/article550997.ece, Aurinkosähköä pimeässä, T&T
  2. a b Young & Freedman, Sears and Zemansky's University Physics with Modern Physics 11th Edition, s. 1447-1450 (englanniksi)
  3. a b Photovoltaic energy barometer 2008 - EurObserv’ER Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables n° 184, s. 72-102, 3/2009
  4. Aurinkosähköä asuinkerrostaloon. Kiinteistösähköstä viidennes paneeleilla. Envirotec 2004, s. 25, PubliCo Oy, Helsinki 2004
  5. Photovoltaics in architecture - lessons learned in PV Nord joulukuu 2004
  6. Brief Building Report, PV-Nord demobuilding C, As.Oy Salvia, Ekoviikki
  7. Solpanelhuset ger gratis el åt energiverket HBL.fi. 1.11.2007. Viitattu 20.10.2013.
  8. The world’s largest photovoltaic solar power plant is in Pocking
  9. SunPower Announces the Opening of Solon's Solarpark Gut Erlasse
  10. German PV market
  11. a b c d e f g h Photovoltaic power systems programme, Annual report 2006
  12. a b c d e f g h i j k U.S. Department of Energy: Energy Efficiency and Renewable Energy: Solar Energy Technologies Program (englanniksi)
  13. aurinko-opas. aurinkoenergiaa rakennuksiin. Porvoo: Aurinkoteknillinen Yhdistys ry, 2008. s. 123.
  14. a b c Solar Energy Technologies Multi-Year Program Plan 2007–2011 The U.S. Department of Energy
  15. http://www.eurobserv-er.org/pdf/baro202.pdf Photovoltaic Barometer by EurObserv’ER
  16. a b Photovoltaic energy barometer 2008 - EurObserv’ER Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables n° 184, s. 49-68, 4/2008, tuotanto s. 56, alueet s. 59
  17. a b Photovoltaics and renewable energies in Europe, Arnulf Jaäger-Waldau, Renewable and Sustainable Energy Reviews 11 (2007) 1414–1437
  18. a b [2005: Record year for investments in renewable energy] REN21: Renewables Global Status Report 2006 Update, REN21 sihteeristö (Pariisi) ja Worldwatch instituutti (Washington, DC), 18.7.2006
  19. DOE Solar Energy Technologies Program Overview US Department of Energy, Energy and Efficiency, 5/2006
  20. a b Photovoltaic energy barometer 2007 - EurObserv’ER Systèmes solaires Le journal des énergies renouvelables n° 178, s. 49-70, 4/2007
  21. Aurinko kylmentää oluen, Tekniikka ja Talous 7.8.1997, s.12
  22. Sharp Sets Up Additional Solar Cell Production Line at Katsuragi Plant
  23. Sharp Expands Solar Module Production Capacity to 220 MW in Europe Sharp Corporation 2.2.2007
  24. What is the energy payback for PV? US Department of Energy, Energy and Efficiency 12/2004
  25. Photovoltaic investments outside Germany? Looking into the southern EU states 23.4.2007
  26. IEA June 2006 pvpower24
  27. http://www.tem.fi/index.phtml?s=3093 Työ- ja Elinkeinoministeriön energiatuet (2011).
  28. Statistics for the German solar power industry (photovoltaics) Bundesverband Solarwirtschaft e.V. (BSW-Solar),9/2009
  29. The EREC Renewable Energy Technology Roadmap 20% by 2020 14.11.2008, s. 14
  30. a b Solar Generation: Solar Electricity for over 1 billion People and 2 million Jobs by 2020, European PV Industry Assosiation ja Greenpeace 2001
  31. Global Market Outlook for Photovoltaics until 2012. Facing a sunny future EPIA helmikuu 2008
  32. Mission, Vision, and Goals, Solar technologies program the U.S. Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy
  33. Innovation and technological development in energy
  34. Los Alamos National Laboratory: The Daily Newsbulletin (englanniksi)
  35. http://www.millenniumprize.fi/uploads/images/laureates2010/GratzelMichaeltaustamateriaali.pdf
  36. Renewables 2007 Global Status Report, REN21 sihteeristö (Pariisi) ja Worldwatch instituutti (Washington, DC), 2008, s.8
  37. Renewables Global Status Report: Energy Transformation Continues Despite Economic Slowdown REN 21 Pariisi 13.5.2009
  38. Solar Thermal Markets in Europe, Trends and Market Statistics 2007 ESTIF June 2008
  39. Renewables Global Status Report: Energy Transformation Continues Despite Economic Slowdown REN 21 Pariisi 13.5.2009, s.24
  40. Biofuels barometer Euroberv’er – July 2009, no 192 s.54-77
  41. The Photovoltaic European Research Area Network

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]