Eramaja fotoelektriliste päikesepaneelide tasuvus lähtuvalt elektribörsi Nord Pool Spot Eesti hinnapiirkonna dünaamilistest hindadest

Transcription

1 Tartu Ülikool Loodus- ja tehnoloogiateaduskond Ökoloogia- ja Maateaduste instituut Geograafia osakond Magistritöö keskkonnatehnoloogia erialal Eramaja fotoelektriliste päikesepaneelide tasuvus lähtuvalt elektribörsi Nord Pool Spot Eesti hinnapiirkonna dünaamilistest hindadest Teet Kerem Juhendajad: Vanemteadur PhD Ain Kull TÜ Teadur PhD Andri Jagomägi TTÜ Kaitsmisele lubatud: Juhendaja: Osakonna juhataja: Tartu 2014

2 Sisukord: Lühendite loetelu... 3 SISSEJUHATUS... 5 TEOREETILINE ÜLEVAADE... 7 Päikeseenergia... 7 Fotoelektriline efekt ja päikeseelemendi töötamise põhimõte... 7 Fotoelektriliste päikeseenergiasüsteemide ajalugu ja hetkeseisu ülevaade... 8 Päikeseenergiasüsteemid Päikesepaneelide tehnoloogiad PV-süsteemide modelleerimine ja tasuvus ANDMED JA METOODIKA Andmed Klimatoloogised vaatlusandmed Nordpool SPOT tunnihinnad Uurimuse objekt Metoodika Alusandmete töötlus Elektrijaama väljundvõimsuse modelleerimine Süsteemi kaod ja inverteri efektiivsus Tarbimise ja tootmise jaotumine uuritavas objektis Tasuvuse leidmine TULEMUSED JA ARUTELU Päikesejaama tootlikkus Elektrituruhinnad ja alusandmed Päikesepaneelide tasuvus KOKKUVÕTE SUMMARY TÄNUAVALDUSED KASUTATUD KIRJANDUS LISAD LITSENTS

3 Lühendite loetelu P(G ',T ' ) päikesepaneelide hetkvõimsus (W/m2) P max Päikesepaneeli nominaalvõimsus V mpp Maksimaalne pinge tipuvõimsusel V oc Avatud vooluahela pinge η - efektiivsus G Kiirgushulk (W/m2) G ' G/STC ehk normaliseeritud kiirgushulk T Temperatuur ( C) k 1- k 6 universaalsed päikesepaneeli konstandid Huld et al. (2011) valemis P STC, m Väljundvõimsus standardtingimustel G d Hajus kiirgus T mod Päikesepaneeli temperatuur T amb Välisõhu temperatuur G inpl Kiirgushulk mõõdetuna kaldu stasanapinnal V f tuule kiirus NPS Noord Pool Spot elektribörs TTMJ Tartu-Tõravere Meteoroloogiajaam PV fotoelektriline päikesepaneel PVGIS - Internetis olev tasuta ligipääsetav eraldiseisvate või võrkuühendatud fotoelektriliste päikesepaneelide ja elektrijaamade tootlikkuse kalkulaator Euroopa ja Aafrika kontinendil. Simuleerib päikeseelektri tootmist ja päikesekiirguse kaarte antud piirkondades. pc-si polükristilalliline päikesepaneel μc-si monokristalliline päikesepaneel A q - Albeedo on arv, mis näitab, mitu protsenti aluspinnale langenud kiirgusest peegeldub hajusalt tagasi atmosfääri. 3

4 ω installatsiooni temperatuuri koefitsient τ paneeli kaldenurk α installatsiooninurk lõuna suhtes (0 = lõuna, -90 = ida, 90 = lääs, 180 = põhi) DC - alalisvool AC vahelduvvool LCOE tasandatud elektrihind kwh kilovatt tund kwp Tipuvõimsus, mis väljendab kui palju annab 1 ühik paneeli võimsust aastas toodangut. Tihti viidatakse tootjate poolt kwp-le kui nominaalvõimsusele, kuna see on tulem STC tingimustel, kuid tegelikes tingimustes erineb kwp alati. STC standard testtingimused 4

5 SISSEJUHATUS Kiire ühiskonna arengu, pideva mugavustunde kasvu, suurema liikuvuse ja kasvava rahvastiku arvu juures energiatarbimine tõuseb aastast aastasse. Sealjuures on suuremale osale maailmast peamiseks energiatarbe katteallikaks fossiilsed energiaallikad nagu kivisüsi, naftaproduktid ja gaas. Samas käivad erinevate fossiilsete ressursside kasutamisega ühel või teisel viisil kaasas keskkonnaprobleemid ja kliimasoojenemine. Lisaks keskkonnaga seotud probleemidele töötavad suuremas osas traditsionaalsed elektritootmise üksused fossiilsetel kütustel, mis on piiratud ressursid, mistõttu vajadus uute taastuvate energiaressursside järele on üha kasvav. Tuuleenergiat, päikeseenergiat ja biomassist toodetavat energiat peetakse kõige suurema kasutatavuse potentsiaaliga taastuvateks energiaressurssideks. Pidevalt toimuvad ülemaailmsed uuringud ja arendustegevused erinevates taastuvenergia valdkondades. Samas on päikeseenergia globaalselt seni enim tähelepanu saavas positsioonis, kuna tegemist on puhtaima ja kõige levinuima energiaressursiga (Mcginn et al. 2013). Kohalikul tasandil on kaalukauss seni olnud biomassi ja tuuleenergia poole kaldu. Kui veel dekaad tagasi oli päikeseenergiast elektritootmine tühise osakaaluga ülemaailmses tootmisbilansis, siis viimased andmed näitavad selle tendentsi muutumist. Elektritootmine päikeseenergiast on läbimas viimase viie aasta jooksul suurt kasvufaasi ja Euroopa on seni olnud peamine kasvuvedur. Senine kasv on tulnud põhiliselt suurte fotoelektriliste päikesejaamade suuremahulisest installeerimisest, kuid samas on trend kasvav ka väikeste tootmisüksuste installeerimisel. Väikeste päikeseelektri tootmisüksuste paigaldamise motivatsiooniallikaks on seni olnud enamasti keskkonna- ja ressursisääst. Samas on uuringute põhjal ilmnenud, et keskkonnasõbralike päikeseelektriüksuste paigaldamise trend võiks olla oluliselt suurem kuna vaid vähesed majapidamised on nõus tegema investeeringuid üksnes keskkonnasäästu arvestades ning arvestamata sealjuures paigaldise soetamise ja ülalpidamise kuludega (Balcombe et al 2013). Antud magistritöö eesmärgiks on välja selgitada, kas seni enamasti staatilise hinnakujunduse põhjal päikesepaneelide tasuvuse hindamine on asjakohane ja kas Eestis on päikeseelektri lahenduste puhul võrgupariteeti saavutatud. 5

6 Uurimustöö teoreetilises ülevaates käsitletakse päikeseenergeetika teoreetilist tausta ja iseloomustatakse lähenemisi tasuvuste arvutamisel ja selle mõjureid ning metoodilises osas kirjeldatakse mudelit, mille alusel koostati mudel päikeseelektrijaama tasuvuse leidmiseks. 6

7 TEOREETILINE ÜLEVAADE Päikeseenergia Päikeseenergial on palju erinevaid rakendusviise. Olukorras, kus hooned on ehitatud arvestades päikesekiirguse eripäradega on seeläbi võimalik märgatavalt vähendada täiendavat kütmist ja valgustusele kuluvat energiat. Ühtlasi võib päikeseenergiat kasutades toota sooja, kütte- või tarbevett. Sellised päikesekollektorid on väga levinud suurema kiirgushulgaga riikides, mis asuvad väiksematel laiuskraadidel nagu näiteks Iisrael ja Kreeka, kuid kuna seadmete efektiivsus ja tehnilised lahendused on ajas oluliselt edasi arenenud, siis on sarnased lahendused jõudsalt levinud ka väiksema kiirgushulgaga parasvöötmes asuvates riikides nagu Austria ja Rootsi. (Godfrey et al. 2004) Regioonides, kus päikesekiirguse taseme on kõrge ja taevas on enamasti selge, kasutatakse päikeselt tulevat energiat vee aurustamiseks ja suunates selle auruturbiini, genereeritakse elektrit. Tootmaks päikeseenergiast otse elektrit, kasutatakse selleks fotoelektrilisi päiksesepaneele (PV paneelid). Fotoelektrilised päikesepaneelid (PV paneelid) ehk PV moodulid on tehtud spetsiaalselt ettevalmistatud pooljuhtmaterjalide kihtidest, näiteks räni, mis hakkavad valguse footonite peale langedes voolu andma. Fotoelektrilised PV süsteemid on sageli kinnitatud hoonete katustele või fassaadidele andes seeläbi osa või terve vajaliku tarbitava elektrikoguse (Godfrey et al. 2004). Fotoelektriline efekt ja päikeseelemendi töötamise põhimõte Päikeseelement on pooljuht p-n siirde fotodiood, mis on võimeline valguse neeldumisel andma välja elektrilist võimsust. On mitmeid eritüüpi pooljuhtmaterjale, mida kasutatakse PV-elementide tootmisel. Enamlevinud on monokristalliline, polükristalliline ja amorfne räni (Si) pooljuhtplaadid (Said et al. 2012). PV-elemendi peamine tööpõhimõte seisneb nähtusel, mida nimetatakse fotoelektriliseks efektiks (joonis 1). Valguse toimel pannakse pealmises pooljuhis selle laengukandjad liikuma, kuna päikesekiirguse energia on piisavalt tugev, et lüüa üksikud laengukandjad neid kinni hoidvast tuumast lahti. Et p-n ülemineku abil on määratud voolu ainus võimalik liikumissuund, hakkavadki laengud selles suunas liikuma. Lisaks on mõlemad pooljuhid ühendatud omavahel väliste kontaktide abil, mis tekitabki kinnise vooluringi ning võimaldab meil sellest voolust kasu saada. (Quaschning, 2005) 7

8 Joonis 1. PV-elemendis toimuv protsess Quaschning 2005 järgi Täpne füüsikaline PV-elemendi tööpõhimõte on oluliselt keerulisem ja ei kuulu selle uurimuse raamistikku. Päikesepaneelide tasuvuse arvutamiseks on piisav, kui mõistetakse PV seadme elektrilisi parameetreid. PV-paneelide tootjad annavad tootelehel kaasa empiirilised väärtused, mida saab kasutada matemaatilisel teel voolu-pinge kõvera arvutamiseks, kasutades selleks tunniandmeid ja kiirguse parameetreid. Fotoelektriliste päikeseenergiasüsteemide ajalugu ja hetkeseisu ülevaade Päikesest otse elektritootmine on suhteliselt uus nähtus, kuigi fotoelektrilist efekti täheldas esimest korda Becquerel juba 1839 aastal. Fotoelektrilise efektiga tegeleti tahketes materjalides esimest korda 1870-ndatel, kui uuriti inglastest teadlaste W.G Adamsi ja R.E. Day poolt seleeni käitumist valgustatuna küünlavalguse all aastatel valmistati esimesed seleenist fotoelektrilised elemendid, mis omasid 1%-2% efektiivsust valguse muundamisel elektriks. Vähese efektiivsuse tõttu ei võetud praktikas seleenist päikeseelemente kasutusse. Oluline samm rakendatavate päikeseelementide suunas toimus 1940-ndate lõpus ja ndate alguses, kui leiutati Czochralski meetod, tootmaks ühtlase struktuuriga monokristalle. Selle meetodi abil õnnestus Calvin Fulleri ja Gerald Pearsoni juhtimisel 1954, aastal Bell Telephone Laboratories (Bell Labs) valmistada räni fotoelektriline element efektiivsusega 4%, seejärel parandades efektiivsust 6%-ni ja siis 11%-ni, mis tõi kaasa uue ajastu elektritootmisel päikeseenergiast. (Hersch and Zweibel, 1982) (Tull, 2001) Alates 1990-ndatest peeti laiaotstarbelisemalt PV-paneele heaks võimaluseks tootmaks elektrit keskkonnasäästlikul viisil, kuid seadmete küllalt kõrge maksumus oli suur barjäär laiemaks levikuks. (Polo and Haas 2014). Viimase dekaadi jooksul on PV tehnoloogiad ka selle barjääri suuremas osas maailmas ületanud. Seda tänud tehnoloogilistele arengutele, 8

9 materjalide hinnalangustele ja erinevatele toetusprogrammidele, mis on muutnud päikeseelektrijaamad kuluefektiivseteks. See tähendab, et ühiku hind on saavutanud võrgust tuleva elektriga sama või madalama taseme ehk võrgupariteedi ( (Masson et al. 2013) (Tyagi et al. 2013). Joonis 2. Kumulatiivne maailmas paigaldatud PV paneelide võimsus (MW) (Masson et al. 2013) Lühendid: ROW muumaailm, MEA Lähis-Ida ja Aafrika, APAC Okeaania ja Aasia aasta lõpuks oli maailmas kumulatiivselt paigaldatud päikesepaneelide kogumaht lähenemas 24 GW-le aasta lõpuks oli maailmas paigaldatud üle 100 GW fotoelektrilisi päikesepaneele. (joonis 2). Sellises mahus päikesepaneelide potentsiaalse toodangu abil on võimalik varustada üle 30 miljoni majapidamise Euroopas ning hinnanguliselt väheneb seeläbi elektritootmisel õhku paisatava CO 2 heitmete hulk ca. 53 miljoni tonni võrra. (Masson et al. 2013) Euroopa on jätkuvalt maailma juhtival kohal nii installeeritud võimsuse ühiku, kui ka lisanduvate ühikute kohta panustades kogumahus ca. 70 GW installeeritud võimsusega (joonis 3). Samas võrreldes Euroopa üldist osakaalu maailmaturul võrreldes aastaga 2011 on see langenud 75%-lt 70%-le. Seda peamiselt kolmel põhjusel a) Euroopa vedamisel on päikeseenergia tehnoloogiad saavutanud parema kuluefektiivsuse ; b) muu maailma suur potentsiaal ei ole seni nii suurt rakendust leidnud. Viimastel aastatel on oma potentsiaali jõulisemalt rakendama arengumaad ja Jaapan, kes on pidevalt suureneva energiatarbimise ning elektrisüsteemi põhimõtete osalise ümberkorraldamise juures viimas päikesetööstuse 9

10 raskuskeset Euroopast välja; c) Euroopa toetusskeemide ümber vaatamine ning seda peamiselt maailma senise suurima turu Saksamaa poolt. (Masson et al. 2013) Joonis 3. Globaalsete PV installatsioonide mahukasv (MW) (Masson et al. 2013) Joonis 4. Euroopas installeeritud kumulatiivne võrkuühendatud PV-süsteemide netovõimsus (MW) aastatel 2000, 2010 ja 2012 (Jäger-Waldau 2013) Eestis on installeeritud PV paigaldiste mahud kõige väiksemad Euroopas (graafik 3). Võrreldes installeeritud mahte meie naabrite Balti riikide ja Soomega, on erisused märgatavad. Elektrilevi AS-ile edastatud päringu põhjal, kes on suurim jaotusvõrgu teenuse pakkuja Eestis kattes ca. 80% tarbimispunktides, on Eesti elektrivõrguga liitunud päikesepaneelidega mikrotootjaid mahuga 987 kwp ja 75% kõigist mikrotootjatest on päikeseelektrijaamad. Sellele tuginedes võib öelda, et mikrotootmise vähese leviku puhul on tegemist Eestis pigem üldise tendentsiga, mis ei puuduta ainult fotoelektrilisi päikesesüsteeme. 10

11 Päikeseenergiasüsteemid Päikeseenergiasüsteemide jagunemine Töös käsitletavaid fotoelektrilisi päikeseelektrisüsteeme saab klassifitseerida vastavalt tehnoloogilistele lahendustele kaheks peamise jaotuse järgi võrkuühendatud ja võrgust eraldiseisvateks fotoelektrilised päikesesüsteemideks. Võrkuühendatud päikeseenergiasüsteem (ing k. on-grid) Võrkuühendatud päikeseenergiasüsteemid toodavad kogu hetkel vajamineva elektrienergia tarbijapaigaldise tarvis ning ülejääva osa annavad ära üldisesse elektrivõrku (joonis 5). Kui tarbijapaigaldise nõudlus on suurem kui süsteemi poolt genereeritav võimsus, siis võetakse puudu jääv osa üldvõrgust. Võrkuühendatud süsteemid võivad töötada ka puhta elektrijaama põhimõttel ehk kogu toodetav elektrienergia antakse ära elektrivõrku. Enamus päikese paigaldisi olenemata kasutusotstarbest on lahendatud sellisel viisil. Seda peamiselt tulenevalt asjaolust, et akupark eraldiseisva süsteemi jaoks tähendab ligi 50% täiendavat investeeringukulu. (Breyer and Gerlach 2013) (Mcginn et al. 2013) Joonis 5.Võrkuühendatud päikeseenergiasüsteemi lihtsustaud tööpõhimõte Võrgust eraldiseisev päikeseenergiasüsteem (ing k. off-grid või stand alone system) Võrgust eraldiseisvad süsteemid on peamiselt kasutusel aladel ja aplikatsioonides, kus puudub elektriline võrguühendust (joonis 6). Põhiliselt on sellisteks aladeks saared ja üldelektrivõrgust eraldatud maapiirkonnad, kuid see ei välista eraldiseisvate süsteemide olemasolu ka linna piirkondades, kus vastavalt tarbija soovile või iseloomule on mõistlik kasutada võrgust eraldiseisvat lahendust. Antud lahendused vajavad piisava võimsusega patareiparki, mis tagaks ka öistel tundidel või päikesevaesel ajal vajamineva elektrilise 11

12 võimsuse olemasolu. See teeb ühtlasi ka sellised süsteemi kalliks, mistõttu ei ole need hetkel väga laialt levinud. Joonis 6. Võrgust eraldiseisva päikeseenergiasüsteemi lihtsustaud tööpõhimõte Päikese paigaldise tehnoloogiline jaotus PV süsteem jaotatakse kolme suurema alajaotuse järgi: PV paneelid, jõuelektroonika ja PV süsteemide komponendid (ing k. balance of system lühend. BOS) PV paneelid Päikese paigaldise kese on päikeseelement. Kuna tüüpiline üksik päikeseelement annab välja võimsust vähem kui 5W väljundpingel 5 V ning peavad seetõttu olema ühendatud jadamisi või rööbiti, et tagada soovitud võimsus. Olenevalt rakendusest võivad mooduli väljundvõimsused varieeruda mõnest vatist kuni enamasti 300 vatini. Enamik tänapäeva mooduleid koosnevad 54-72st päikeseelemendist. (Messenger and Ventre 2010) Ühendades mitmeid päikeseelemente jadamisi, tõstetakse pinget PV-moodulis, vähendades nii kadusid kaablites. PV-paneelid on päikeseelektrijaamade planeerimise järgus põhiline detail. Kuna üldjuhul ja ka antud töös on vajalik suuremat võimsust ja voolu, siis ühendatakse moodulid jadamisi. Mitme mooduli jadamisi ühendamisel moodustub jada ehk string. Stringi tüüpiline võimsus on mõnest sajast vatist kuni 5 kwp (Theocharis et al. 2011). Paljudest stringidest moodustub päikeseelektrijaam. Päikeseelektrijaama vajaminevat võimsust hinnatakse peamiselt energiatarbe iseloomu, pinna ja kiirgushulga järgi. 12

13 Jõuelektroonika Suurem osa elektrilistest seadmetest ja elektrivõrk töötavad vahelduvvoolul (AC). Kuna päikeseelektrijaamad annavad väljundvõimsust alalisvoolus (DC) on vaja DC muundamiseks AC-sse ja õige pinge saavutamiseks ning võrgusagedusele sünkroniseerimisega invertereid, et toodetavat energiat oleks võimalik tarbida ja edastada. Ühtlasi tagab inverterite kasutamine süsteemi maksimaalse efektiivsuse ja samas ka ohutuse. (Deline et al. 2011) Inverterid jagunevad vastavalt paigaldise tüübile: võrkuühendatud ja võrgust eraldiseisvateks inverteriteks. Ühtlasi jagunevad inverteerid veel mahult ja tööpõhimõttelt mitmeks: mikroinveterid, mis ühendatakse iga paneeli külge iseseisvalt; string inverterid, mis ühendatakse stringi külge ning lisaks olemas tsentraalsed inverteerid, kuhu saab ühendata mitu stringi. Inverteri valikul on oluline inverteri sobivus võrguga. Eestis paigaldatavad võrkuühendatud muundurseadmed peavad vastama standardile (EVS)EN Vastavat tunnistust omavad seadmed on väljatoodud jaotusvõrguettevõtte Elektrilevi kodulehel. Inverteri DC võimsuse valikul tuleb hoolikalt kokku sobitada PV paneelide koguvõimsus ning inverteri efektiivsuskõver. Siinkohal on võimalik kasutada kas täpselt vastavalt, ala- või üledimensioneeritud inverterit, mis tagab teatud tingimustel suurema võimsuse kui nominaalvõimsuse juures. Lisaks peab arvestama, et PV paneelide stringi ahela pinge ei tohi olla ka kõige külmemal perioodil suurem kui inverteri poolt lubatud sisendpinge. PV-süsteemide komponendid PV-süsteemide komponentide ehk BOS-i all peetakse silmas kõiki ülejäänud komponente, mida on vaja päikese paigaldise püstitamiseks. Siia hulka kuuluvad kinnitused vastavalt erinevatele kinnitustingimustele ja päikesejälgimise süsteemidele, erinevad kaitselülitid, ülepinge kaitsmed, mõõturid, kaablid jms. Päikesepaneelide tehnoloogiad Räni on enimkasutatud tehnoloogia päikeseelementide valmistamiseks ja seda eelkõige tema kõrge efektiivsuse tõttu. Samal ajal tegeletakse alternatiivsete tehnoloogiate uurimise ja arendamisega ning ühe võimalusena nähakse õhukesekilelisi päikesepaneele (Mah 1998) Kolm peamist õhukesekilelist tehnoloogiat on a-si, CdS/CdTe ja CuInGaSe 2 /CuInSe 2. Õhukesekileliste tehnoloogiate jätkusuutlikkuse seab küsimärgi alla nende valmistamiseks kasutatavate materjalide (In, Te) kõrge hind maailmaturul, kättesaadavuse keskkonnamõju, ressursi piiratus maakoores ja valmistamiseks kasutatav suhteliselt kallis vaakumtehnoloogia. 13

14 (J. McCann et al. 2001) Kuna PV tehnoloogia valik põhineb üldiselt kompromisslahendusel investeeringu, mooduli efektiivsuse ja elektritariifi vahel, siis võrreldes räni tehnoloogiaga on õhukesekilelised paneelid reeglina odavamad, aga samas ka oluliselt vähem efektiivsemad ning vajavad seetõttu rohkem vabapinda, saavutamaks sama väljundvõimsus, mis räni tehnoloogiate puhul. Kuigi õhukesekileliste päikesepaneelide turuosa on viimastel aastatel oluliselt kasvanud, on kaubaturg siiski kokku kuivamas, kuna räni tehnoloogiad on 60% ja enamgi odavnenud. Mistõttu on õhukesekileliste tehnoloogiate hetkeväljavaade olenemata nende potentsiaalist ebamäärane ja sõltub tugevalt tehnoloogia innovatsioonist (Simbolotti 2013). Seega vaatleme antud töös ainult ränil põhinevaid pc-si ja μc-si tehnoloogiaid lähemalt. PV materjalid Kristalne räni Õhukesekilelised Orgaanilised/ polümeer Hübriid PV elemendid DSSC Monokristallilise d CIS/CIGS CdS/CdT Polükristallilised Amorfne räni GaAs Ühe siirdeline Kahe siirdeline Kolme siirdeline Joonis 7. Fotoelektriliste päikesepaneelide üldine jaotus (Tyagi et al. 2013) Räni tehnoloogiad Kõigist laialt levinud päikeseelementide materjalidest on kristallilisel ränil põhinevad elemendid kõige efektiivsemad. Suureks eeliseks võrreldes teiste tehnoloogiliste lahendustega on toormaterjali kättesaadavus, kuna räni on maakoores levikult teisel kohal. (Gorter and Reinders 2012). Monokristallilised päikesepaneelid (μc-si) Monokristalliline räni on baasmaterjal elektroonikatööstuses. Monokristalliline päikeseelement koosneb ränist, kus kristallvõre on terve tahkekeha ulatuses kuni keha 14

15 servadeni jätkuv ja ühtne. Enamus räni monokristalle kasvatakse jätkuvalt silindrites Czochralski meetodit rakendades. (Green et al. 2001) Kõrge puhtusega räni sulatatakse tiiglis, mis tavaliselt on valmistatud kvartsist. Sulamisse lisatakse kindlates kogustes lisandaatomeid nagu näiteks boor või fosfor, mille tulemusena muutub sulam n-tüüpi või p-tüüpi räniks. See mõjutab räni elektroonilisi omadusi. Seejärel kontrollides täpselt protsessi kulgu väljutatakse sulamist tahke räni kasutades selleks seemnekristalli. Kogu protsess toimub enamasti inertses keskkonnas või kambris vältimaks räni ja tiigli pinna vahelisi reaktsioone. (Tyagi et al. 2013) Seejärel lõigatakse silindrikujuline ränitükk õhukesteks tükkideks paksusega vahemikus 0,2 kuni 0,3 mm ning nurgad lõigatakse maha saavutamaks heksagonaalne kuju, et rohkem elemente oleks võimalik paigaldada päikesemoodulisse. Monokristallilistel elementidel on peaaegu täiuslik kristallstruktuur, mis annab hea tootlikkuse ning seetõttu on seda sorti materjali efektiivsus võrreldes pc-si elemendiga kõrgem. Laialt levinud päikeseelementidest omavad μc-si elemendid kõrgeimat efektiivsus ca. 20%. Kaubanduslikult üldlevinud toodetel on efektiivsus enamasti vahemiku 15-19%. (Jäger-Waldau 2013) Polükristallilised päikesepaneelid (pc-si) Polükristallilised elemendid on samuti toodetud väga puhtast ja sulatatud ränist, kuid kasutades selleks oluliselt lihtsamat valamise protsessi. Räni kuumutatakse kõrgel temperatuuril ja sulanud räni jahutatakse vormis kontrollitud tingimustel. Seejärel lõigatakse nelinurkne räni tükk 0,3 mm tükkideks. Võrreldes monokristalliliste elementidega on polükristallilisi elemente lihtsam ja odavam valmistada, kuid seetõttu langeb ka paneelide efektiivsus paari % võrra. (Jäger-Waldau 2013) pc-si elementide efektviisus jääb enamasti vahemikku 13-16%. (Nii polükristalliliste kui monokristalliliste tehnoloogiate arengut iseloomustab Joonis 8.) 15

16 Joonis 8. Päikeseelementide efektiivsuse arengud (National Center for Photovoltaics 2014) PV-süsteemide modelleerimine ja tasuvus Süsteemi väljundvõimsuse modelleerimine on võtmetegur päikese paigaldise projekteerimise juures. Saades nii vastuseid mitmetele olulistele küsimustele, nagu näiteks üldine paigaldise suurus, kaldenurk, orientatsioon ilmasuunas ja elektrilised parameetrid. Samuti oleneb planeeritav päikese paigaldis oma olemuselt täielikult kasutamise otstarbest. Päikeseelektrijaam võib olla väikese suvemaja katusel kuni mitme tuhane MW-iste päikeseparkideni. Hetkel suurim planeerimise järgus olev päikesepark asub Indias, mille nominaal võimsus on 4000 MW, mis on võrdne ca. 4 tuumajaamaga ning katab 77 km 2 maad. (Kumar 2014) Seega on tootlikkuse hindamine läbi fotoelektrilise muundamise keeruline kuna see oleneb lisaks eelmainitud põhjustele ka mitmetest muutlikust parameetrist. Seetõttu on päikese paigaldiste tootlikkuse hindamiseks, analüüsimiseks, simuleerimiseks ja suuruse määramiseks arendatud palju erinevaid tarkvaraprogramme. Programme leidub erineva keerukusega ja täpsusastmega ning enamasti on tööriistad arendatud mingi kindla ülesande jaoks. (Enamlevinud lahendused, nende plusside ja miinustega on väljatoodud tabelis 1.) Enamasti hõlmavad programmid päikesekiirguse hulga arvutamist ja/või energiahulga arvestamist võttes arvesse süsteemi karakteristikuid, asukohta, PV süsteemi komponente, 16

17 Tabel 1.Erinevad simulatsiooni programmid ja neid iseloomustavad tegurid (Perez-Gallardo et al. 2014) Tarkvara Algupära Eesmärk Süsteemi tüüp Peamised omadused Tulemused Plussid Miinused CalSol Institute National de l Energie Solaire (INES), Prantsusmaa Tootlikkuse simulatsioon ja andmeanalüüs Võrkuühendatud, eraldiseisvad ja alalisvoolu süsteemid - Majanduslikku analüüsi tööriist - CO 2 bilanss - Majanduslik tulemus - Kuine tootlikkus ja kiirgushulk - Online - Kerge kasutada - Ainult Prantsusmaa meteoandmete kohta - PV komponentide andmebaas puudub - Ebapiisav energiakadude ja majanduslik analüüs PVGIS Institute for Energy and Transportation Euroopa Komisjon Tootlikkuse simulatsioon ja kiirgushulga määramine Võrkuühendatud - Meteoroloogiline andmebaas - Interaktiivne kaardirakendus - Tootlikkus - Kuine või päevane kiirgushulk - Kerge kasutada - Võimalus meteoandmeid sisse lugeda - Ainult Euroopa ja Aafrika jaoks - PV komponentide andmebaas puudub - Energiakadude analüüs ja tasuvuse arvutamise võimalus puudub - Online PVSOL Solar Design Company, Inglismaa Disain, tootlikkuse simulatsioon ja andmeanalüüs Võrkuühendatud ja eraldiseisvad - Põhjalik meteoroloogiline ja PV komponentide andmebaas - Varjude arvutamise loogika - 3D disain - Majanduslikku analüüsi tööriist - Tootlikkuse raport, süsteemi efektiivsus ja süsteemikaod - Majanduslik tulemus - Kerge kasutada - 3D animatsioon - Võimalus importida meteoandmeid - Võimalus parameetreid muuta - Täpsed tulemused - Puudub võimalus teiste programmidega ühildada PVSyst University of Geneva, Disain, suuruse Võrkuühendatud, - Põhjalik meteoroloogiline ja - Tootlikkuse raport, - Võimalus - Ei ole kasutaja sõbralik Šveits määramine, eraldiseisvad ja PV komponentide andmebaas kiirgushulk, süsteemi meteoandmeid - Suuruse määramine mõeldud tootlikkuse alalisvoolu - Varjude arvutamise loogika efektiivsus ja süsteemikaod importida kollektorite jaoks simulatsioon ja süsteemid - 3D disain - Majanduslik tulemus - 3D animatsioon - Puudub võimalus teiste andmeanalüüs - Majanduslikku analüüsi tööriist - Täpsed tulemused programmidega ühildada SolarPro Laplace Systems Co., Disain ja tootlikkuse Võrkuühendatud - Põhjalik meteoroloogiline ja - Tootlikkuse raport - Kerge kasutada - Energiakadude analüüs ja Japan simulatsioon PV komponentide andmebaas majandusliku analüüsi võimalus puudub - Varjude arvutamise loogika - Puudub võimalus teiste - 3D disain programmidega ühildada

18 ilmastiku tingimusi ja päikesekiirgust. (Perez-Gallardo et al. 2014) Tabelis 1. väljatoodud tarkvaradel esineb kõigil vähemal või suuremal määral puuduseid, mis ei tähenda sealjuures, et tegemist on kehvade lahendustega, kuid suurema läbinähtavuse tagamiseks ja parema arusaama eesmärgil kasutatakse antud töös TTÜ Materjalitehnoloogia Instituudi poolt kasutatavat metoodikat Eestis päikesepaneelide toodangu leidmiseks. Eesti Elektriturg Päikesepaneelide tasuvuse leidmiseks on vaja mõista regionaalset elektriturgu. Kuni aasta aprillini oli Eestis suletud elektriturg. Aprillist laienes Põhjamaade Elektribörs NPS Eestis suurklientidele luues NPS Estlink hinnapiirkonna ehk nö. päev ette kauplemisega elektribörsi. Täielikult avanes Eesti elektriturg kõikide tarbijatele Eestis 1. jaanuaril Elektribörsi eesmärk on pakkuda peamiselt elektrienergiaga kauplevatele turuosalistele lühiajaliselt planeeritavat ja standardiseeritud kauplemisvõimalust oma tehingute teostamiseks. Võrreldes kahepoolse kauplemisega võimaldab elektribörs kaubelda neutraalsel platvormil, kuhu igal turuosalisel on võrdne ligipääs ja tehingu vastaspool on anonüümne. Samuti on elektribörsidel madalamad tehingukulud võrreldes kahepoolse kauplemisega. Lisaks tehakse kättesaadavaks informatsioon konkurentsi ja turulikviidsuse kohta ning esitatakse hind ja informatsioon selle kujunemise kohta. (Elering 2014) Elektribörs on peamiselt mõeldud elektrienergia hulgimüüjatele, kuna osalemistasu väiketarbijale otse kauplemiseks on ebaratsionaalselt kõrge ja nõuaks muuhulgas igapäevast kauplemistegevust. Seega on mikro-või väiketootjal avatud elektrituru tingimustes mõistlik sõlmida ostu-müügileping kas mikrotootjana jaemüüjaga või väiketootjana otse bilansihalduriga. Reeglina sõlmitakse mikro-või väiketootja toodanguga ostuks börsihinna põhised lepingud, mis tähendab, et olenevalt tarbija tüübist, kas ostetakse või müükase toodang turule sellel tunnil kehtinud hinnaga. Telefoni küsitluse käigus pakutakse mikrotootjatele võimalust toodetav elekter ära osta 220 Energia ja Eesti Energia poolt. Teised turuosalised antud hetkel toodetavat elektrienergiat tagasi ei osta. Keskmine mikrotootja poolt müüdava elektrienergia pakutav teenustasu oli 2,4 eurot iga toodetava MWh-i kohta, mis siis lahutatakse kauplemispäeva NPS EE hinnapiirkonna tunnihindadest. Väiketootjast elektritootjal on võimalus teha tehinguid otse elektrisüsteemi bilansihalduritega. Elektrituruseaduse (ELTS) tähenduses on bilansihaldur isik, kes on oma bilansi tagamiseks

19 sõlminud süsteemihalduriga bilansilepingu. See tähendab, et bilansihaldur tagab tema bilansipiirkonna bilanssi igal ajahetkel. Bilansipiirkonnad koosneb kõikidest turul tegutsevatest tarbijatest ja tootjatest. Bilansihaldur peab tagama, et tema bilansipiirkonnas võrku antud ja/või ostetud elektrienergia kogus oleks igal kauplemisperioodil võrdne tema poolt võrgust võetud ja/või ostetud elektrienergia kogustega. Eestis tegutsevad seitse erinevat bilansihaldurit, kelleks on Baltic Energy Services OÜ, Eesti Energia AS, Elektrum, Elektrimüügi AS, Inter RAO Eesti OÜ ja Nordic Power Management OÜ. ELTS-i kohaselt on kõigil tootmisüksustel bilansihaldus kohustus sh. taastuvenergia tootjatel. See tähendab, et tootja peab tagama, et tema poolt prognoositav ja tegelik võrku antav kogus oleks igal ajahetkel omavahel tasakaalus. Vastasel korral tekib tootjal ebabilanss ning see toob kaasa tootjale trahvi, mida väljendatakse bilansienergiahinnana. Bilansienergia hinnakujundus peaks motiveerima toojaid võimalikult täpselt oma bilanssi planeerima. Parim alus selleks on, et bilansienergia peaks olema kõige kallim hind energia eest antud tunnil (vt tabel 2.). Tabel 2. Elektrituru bilansienergia ja turuhindade erisus. Mediaan hinnad väljendavalt selgelt olukorda, kus tootjal puudub huvi osta ja müüa bilansienergiat. Keskmine hind ( /MWh) Minimaalne hind ( /MWh) Maksimaalne hind ( /MWh) Mediaan hind ( /MWh) 2013 a. NPS EE hinnapiirkonna turuhinnad 2013 a. bilansienergia ostuhind 2013 a. bilansienergia müügihind 43,1 44,3 48,3 5,1 19,3 21,7 210,0 111,1 129,5 40,18 36,7 41,6 Kui bilansi selgitamise tulemusena on bilansihalduri bilansienergia kogus mistahes kauplemisperioodil mingil põhjusel negatiivne, siis loetakse, et süsteemihaldur on sellel kauplemisperioodil müünud bilansihaldurile bilansienergiat koguses, mis on vajalik bilansihalduri bilansi hoidmiseks sellel kauplemisperioodil. Kui bilansi selgitamise tulemusena on bilansihalduri bilansienergia kogus mistahes kauplemisperioodil mistahes põhjusel positiivne, siis loetakse, et bilansihaldur on sellel kauplemisperioodil müünud süsteemihaldurile bilansienergiat koguses, mis on vajalik bilansihalduri bilansi hoidmiseks sellel kauplemisperioodil. Bilansienergia ostu- ning müügihinnad, süsteemi bilansienergia kogused ning juhtimistarned avaldame kauplemisperioodide lõikes samale 19

20 kauplemisperioodile järgneval üle-järgmisel tööpäeval. (Elering 2014) See tagab olukorra, kus bilansihaldur või bilansihalduri piirkonnas olev turuosaline ei ole võime ette ennustama tuleviku bilansihindu, mis muudab bilansiplaneerimise täpsuse äärmiselt oluliseks kuna bilansihaldur annab bilansipiirkonna liikmele sh. tootjatele tema eksimuse üks ühele edasi. Vastavalt bilansihalduri lepingule on bilansihaldur kohustatud teatama tarbimise eelneval päeval oma järgmise päeva bilanss süsteemihaldurile kella 16:20. See ei kehti mikrotootjatele, kes on sõlminud lepingu jaemüüjatega kuna jaemüüjad tegelevad ise klientide bilansiplaneerimisega ning täiendavat tasu sellest eest ei küsita. Väiketootjatel on seevastu bilansiplaneerimise kohustus. Taastuvenergia tootmisüksustele on see keeruline ja kulukas ülesanne kütuse vahelduva iseloomu tõttu. Seetõttu ostetakse enamasti järgmise päeva tootlikkuse prognoose ette seda teenust pakkuvast firmast, et tagada minimaalne planeerimise viga kuna see mõjutab väga tugevalt taastuvenergia üksuste kasumlikkust. Taastuvatest allikatest energiatootjad saavad vastavalt elektrituruseadusele põhivõrguettevõtjalt toetust iga kilovatt-tunni elektrienergia eest 0,0537 eurot. ELTS-is on eraldi on reguleeritud tuulegeneraatorite abil toodetava elektrienergia maht aastas, kuid päikeseenergial selliseid piiranguid ei eksisteeri. Täiendavalt reguleerib ELTS tuulikutepuhul mehhanismi, mis välistab toodetavale elektrile toetuste maksmise juhul, kui osapool on saanud investeeringutoetust või mõnda muud kolmandat tüüpi toetust tegevuse alustamiseks. ELTS-is seda päikeseenergeetika kohta eraldi ei ole väljatoodud. Samas KredEx-i kaudu jagatud mikrotootjate toetuse saamise tingimuseks oli asjaolu, et mikrotootmise teel toodetule elektrile taastuvenergiatoetust e saa küsida. Kuna toetused oma olemuselt on enamasti riiklikud, siis võib eeldada sarnase käitumise jätkumist ning seetõttu ristsubsideerimisele lootust pikaajaliselt kindlasti ei ole. Fotoelektriliste päikesesüsteemide tasuvus Tulenevalt tehnoloogia arengule ja tööstuse toodangu olulisele kasvule on päikese paigaldiste ühikuhinnad langenud viimase 8 aasta jooksul aastas keskmisel 13%. Paigaldise tervikmaksumusest moodustab üle poole fotoelektriliste päikesepaneelide soetamiseks tehtav investeeringukulu ja seetõttu on peamine huviorbiit paneelide hinnakõver (mida näitlikustab joonis 9) On täheldatud, et paneelide hind langeb võrdeliselt konstandina aastasesse toodangu mahtu. Tulenevalt viimasel aja üha suurenevatest mahtudest on tulevikus oodata jätkuvat ühikuhinna langust vastavalt seni kehtivale reeglile. (Schneider 2014) Suur hindade alanemine on toonud endaga kaasa olulise kasvu päikesepaneelide tasuvuse ja võimalikkuse uuringutes. 20

21 Suure huvi põhjuseks on ilmselt tekkinud olukord, kus maailmas on hinnanguliselt hetkel juba 75-90% potentsiaalsetest turgudest saavutanud võrgupariteedi. See on märgilise tähtsusega kuna traditsioonilised elektritootmise viisid on kaotamas üha rohkem oma konkurentsieelist. (Breyer and Gerlach 2013) Joonis 9. Ajalooline päikesepaneelide hinnakurv. Punane joon väljendab hinnakujunemise trendi. (Schneider 2014) Joonis 10. Keskmine päikese paigaldise maksumus ühiku kohta lõpptarbijale võimsusega kuni 10 kwp (Schneider 2014) Lähiriikides või Nord Pool Spot hinnapiirkonna riikides avaldatud artikleid, mis sisaldaks endas elektribörsi tingimustes tegeliku tasuvuse määramise metoodikat rahvusvahelises teaduskirjanduses ei leidu. Enamasti kasutatakse tasuvuse leidmisel staatilist elektrihinda või siis keskmistatud väärtust üle pika perioodi. (Bernal-Agustín and Dufo-López 2006)(Lughi et al. 2008) Eestis kirjanduses leidus Eesti Maaülikoolis Taastuvate energiaallikate uurimine ja kasutamine 2013 kogumikus Andres Meesaku uurimus Taastuvenergia mikrotootmise 21

22 tasuvus kodumajapidamisele Eestis PV-jaama näitel, kus autor leidis 6 kwp PV-jaama investeeringu majanduslikku põhjendatust (Vollmer jt. 2013). Enamasti keskenduvad avaldatud artiklid tasandatud elektrihinna (ing k. LCOE) leidmisele, mille abil saab hinnata elektritootmise üksuse toodetava ühiku omahinda (Polo and Haas 2014). Antud lähenemine võimaldab mõista, kas antud tootmisüksus on võrreldes teiste analoogsete projektidega või mõne teise tootmisüksuse toodanguga konkurentsivõimeline ja lisaks saab määrata eri tootmisüksuste omavahelist konkurentsivõimet. Samas ei anna antud lähenemine ülevaadet elektrijaama tegelikust tasuvusest vaid nii saab hinnata, kui konkurentsivõimeline kavandatud tootmisüksus on. Uurimustöö päevakohasus seisneb üha suureneva lokaaltootmise populaarsuse kasvu põhjal tekkinud vajadusest hinnata fotoelektriliste päikesesüsteemide tasuvust Eestis. Rakendades selleks sobilikku metoodikat ning kasutades mõistlikke alusandmeid. Kinnitades või lükates seeläbi ümber hüpoteesi, et kodumajapidamise päikeseelektrijaamad on meie kliimas tasuvad ja teise hüpoteesi, et päikeseelektrijaamad on saavutanud võrgupariteedi. 22

23 ANDMED JA METOODIKA Andmed Töös kasutatavad alusandmed andmed pärinevad Tartu-Tõravere meteoroloogiajaamast ja täiendavalt kasutatakse Nord Pool Spoti EE hinnapiirkonna ajaloosi andmeid. Klimatoloogised vaatlusandmed Päikesepaneelide väljundvõimuse arvutamiseks kasutatakse antud töös Tartu-Tõravere Meteoroloogiajaamas (TTMJ) mõõdetud kolme eri tüüpi klimatoloogilisi vaatlusandmeid. Päikesekiirgus Tartu-Tõravere meteoroloogiajaamas kasutatakse aktinomeetriliste kiirguste mõõtmiseks alates aasta jaanuarist Campbell Scientific CR10X loggerit. Minutis teostakse vaatlusi 10 korda ehk iga 6 sekundi tagant ja seejärel salvestatakse minuti keskmine väärtus. Otsekiirgus (G b ) (laineala λ = 0,31 2,8 µm): Perioodil oli põhiliseks mõõteseadmeks aktinomeeter Janiševski AT- 50, ava 10, kus fotopatarei asus toru sees. Alates on otsekiirguse põhiseadmeks pürheliomeeter Eppley NIP, ava 5,7. Mõlemad seadmed on suunatud päiksele ja nende ajam hoiab neid pidevalt päiksel. Hajuskiirgus (G d ) (laineala λ = 0,31 2,8 µm): Kuni oktoober 2004 kasutati Janiševski püranomeetreid M-115M variringis. Alates on kasutusel Kipp & Zonen ventilaatoriga püranomeeter CM-21, mis töötab varikettaga. Tegemist on termopaaril põhineva vastuvõtjaga. Hajuskiirguse mõõtmisel on seadmed loodituna horisontaalpinnal. Aktinomeetriliste vaatlusandmete aegrida koosneb andmehulgas kuni (graafik 1 ja 2) Vaatlusandmeid on erinevate lühiajaliste kõrvalkallete puhul silutud lähedalolevate väärtustega, otsekiirguse andur on dubleeritud ja pikemajaliste kõrvalekallete hajuskiirguse puhul on andmed leitud matemaatiliselt kasutades selleks teise püranomeetri ja otsekiirguse andmeid. Sellist olukorda pole TTMJ juhtunud, kus mitu seadet korraga on vigaste mõõtetulemustega vahelduva pilvisuse korral. 23

24 m/s kwh/m2 kwh/m Graafik 1. TTMJ otsese kiirguse vaatlused mõõdetuna horisontaalsel tasapinnal (kwh/m2) Graafik 2. TTMJ hajusa kiirguse vaatlused (kwh/m2) Tuulekiiruse (m/s) Tuulekiirust mõõdetakse anemomeetriga WAA151 (graafik 3). Tuulekiiruse vaatlusandmete aegrida koosneb andmehulgas alates kuni Graafik 3. TTMJ tuulekiiruse vaatlusandmete aegrida

25 EUR/MWh C ) Välisõhu temperatuuri (C ) Õhutemperatuuri mõõdab automaatjaama sensor DTS12A. Välisõhu temperatuuri vaatlusandmete aegrida (graafik 4) koosneb andmehulgas alates kuni TTMJ vaatlusandmed esitati GMT ajas. GMT +2/+3 aegreakoostamiseks kasutati töös statistikaprogrammi R Graafik 4. TTMJ välistemperatuuri vaatlusandmete aegrida ( ) Nordpool SPOT tunnihinnad Päikesepaneelide tasuvuse arvutamiseks kasutatakse antud uurimustöös Nord Pool Spot (NPS) elektribörsi ajaloolisi Eesti (EE) hinnapiirkonna Elspot tunniandmeid. NPS tunnihindade aegrida koosneb andmehulgas alates esimestest EE hinnapiirkonna noteeringutest kuni (Nord Pool Spot 2014) NPS annab andmeid välja CET ajatsoonis. GMT +2/+3 aegrea koostamiseks kasutati töös vaba tarkvara statistikaprogrammi R Graafik 5. Eesti NPS hinnapiirkonna tunnihindade aegrida ( ) 25

26 Uurimuse objekt Uurimuse objektiks on 45 nurga all oleva viilkatusega kahe korruselise ühepereelamuga, mis asetseb ühe küljega lõuna ja teisega põhja suunas. Hoone ümbruses ja katusel puuduvad täiendavad võimalikke varjutusi tekitavad objektid. Hoonele on paigaldatud fotoelektriline päikeseelektrijaam võimsusega 7,28 kwp. Kuni 11 kwp süsteemide, mille eesmärk on katta eelkõige tootja enda vajadusi käsitletakse mikrotootjatena. Uurimuse objekt on näidis kodu, mis iseloomustab oma olemuselt tavalist keskmise tarbimisega eramut. Peamised uurimuse objekti iseloomustavad tegurid: Paneelide orientatsioon (ilmakaares) 0 Paneelide kaldenurk (kraadi vertikaalteljel) 45 PV paneeli Pmax (Wp) 260 Tehnoloogia (PV) μc-si Süsteemi nominaalvõimsus (kwp) 7,28 Inverter Steca (3hp) Kaabelduse pikkus (m) 200 Kaabli risklõike pindala (mm²) 6 Kinnituste tüüp Kaldkatuse kinnitused Stringide arv (tk) 2 Paneelide arv stringis (tk) 14 Paneelide arv kokku (tk) 28 Tarbimine (keskmine eramu) (kwh/a) 6000 Tarbimise jaotus Vastavalt ELV TTG ja TKG Metoodika Alusandmete töötlus Elektrituru hinnad NPS Elspot EE hinnapiirkonna hindade andmete põhjal on mudelis kasutamiseks koostatud standardaasta ehk on koostatud üks 8760 tunnist koosneb aegrida, millele vastab NPS hinnapiirkonna sama tunni keskmistatud väärtused. 26

27 Standardaasta metoodika ei ole NPS hindade puhul ideaalne lähenemine. Standardiseerimist kasutatakse loomaks alus aegreale, mida saab võtta aluseks x+1 perioodi prognoosimisel. Kuna elektribörsi hindu mõjutavad mitmed nii inimtekkelised kui keskkonnaga seotud tegurid, siis ei ole mõistlik kasutada ühe aasta keskmisi väärtusi. NPS elektrituru hindade töötlemisel on silutud lähimate tundide väärtuste keskmisega 2010 aastal ühel päeval ilmnenud turuanomaaliat. Olukorda, kus täpselt teadmata põhjustel oli paaril tunnil elektrihinnad 2000 /MWh. See on elektribörsi maksimaalne hind, mida süsteem võimaldab kehtestada. Tasuvuse hindamisel on vajalik elektribörsi hindade prognoosimine. Erinevate võimalike tulevikustsenaariumite hindamiseks kasutati kolme stsenaariumit. Esimese NPS elektrituru hindade prognoosi aluseks on võetud Euroopa Komisoni poolt välja antud referentsstsenaarium prognoosi (Capros et al. 2013). Stsenaarium näeb ette olulist tootmisvõimsuste toomiskulu kasvu kuni aastani Seda peamiselt kütuste kallinemise ja vajaduse järgi teha suuri kapitaliinvesteeringuid. Osalt on mõjutajaks ka üleeuroopaline emissioonikaubandus (ETS), mis on otse hinda mõjutav keskkonnapoliitiline tööriist. Eelnevalt kirjeldatud põhjuste tulemusena nähakse ette ca. 31% elektrihindade kasvu kuni 2020 aastani, misjärel keskmised elektrihindade kasv aeglustub ja stabiliseerub kuni aastani 2035 aastani ning jällegi kaasneb väike kasv kuni aastani Eesti lõpptarbija elektrihind jääb enne maksustamist suurusjärku 120 /MWh. Seega lähtume töös esimese stsenaariumi puhul tuleviku elektrihindade kujundamisel Capros et al. (2013) stsenaariumite keskmist hinnakõverast, mida nimetame antud töös I stsenaariumiks ehk positiivseks stsenaariumiks. Täiendava stsenaariumina tasuvuste määramisel arvestame olukorraga, kus standardaasta hinnad jäävad kehtima. See annab selge indikatsiooni, milline oleks tasuvuse tänase hinnataseme püsimisel. Nimetame seda II stsenaariumiks ehk baasstsenaariumiks. Kolmandas stsenaariumis arvestame olukorraga, kus turuhinnad peaksid olema jooksvalt languses ehk negatiivne stsenaarium, mida nimetame III stsenaariumiks. NPS elektrihindade stsenaariumid: a) I stsenaarium (pos): EU Komisjoni referents stsenaarium b) II stsenaarium (baas): NPS EE standardaasta c) II stsenaarium (neg): NPS EE standardaasta (NPS t=i 2%) 27

28 Esimest stsenaariumit võib pidada kõige tõenäolisemaks, kuna elektrihindade kujunemine EU-s on suurel määral Euroopa Komisjoni kontrolli all. Seetõttu võib hinnata tõenäosust sellise stsenaariumi täitumisel teistest kõrgemaks. Teine stsenaarium näitab, kas tänases turusituatsioonis on päikeseelektrisüsteemide paigaldamine põhjendatud ning kolmas stsenaarium imiteerib olukorda, kus elektrihinnad on langevas trendis. Kolme erineva stsenaariumi eesmärk on katta sisuliselt prognoosimatute elektrihindade kõikumine mõlemas suunas kindlaks määratud amplituudiga. Elektrihindade prognoosimatust näitab hästi Eesti liitumine elektribörsiga. Kui arvutuslikult võtta, siis on elektrihind eratarbijale Eurostati andmetel viimase 10 aasta jooksul enne maksustamist tõusnud ca. 44,67% (Eurostat). Samas võttes aluseks Nord Pool Spot-i turuandmete rida, siis võib öelda, et viimase aasta kahe jooksul on elektrihinnad langenud ning pärast Estlink 2 valmimist on oodatava veel suuremat hindade ühtlustumist põhjamaadega, kus elekter on odavam kui Eestis. Töö eraldiseisev eesmärk ei ole hinnata võimalikult täpselt elektrituru tulevikuhindu. TTMJ vaatlusandmed Klimatoloogilisi vaatlusandmeid tagasipeegeldunud kiirgushulga kohta eraldi TTMJ-st eraldi ei saadud. Tagasipeegeldunud kiirguse leidmiseks summaarsest kiirgusest kasutatakse albeedo väärtusi. Kirjanduses levinud keskmine albeedo (A q ) on 0,2 (Psiloglou and Kambezidis 2009). Eesti kliimatingimustes, kus talvel on enamasti palju lund varieerub albeedo olulisel määral. Albeedo võib varieeruda värske lume puhul vahemikus 0,75-0,9 ja 0,4-0,7 pikemalt maas olnud lume puhul (Muneer 2004)(Russak ja Kallis 2003). Peegeldumine sõltub olulisel määral ka maakasutusest ja selle asukohast ehk nii ruumiliselt kui ajaliselt. Näiteks linna keskuses asuva hoone katusel ei ole lumi oluline tegur. Antud töös kasutatakse nelja suurema lumehulgaga kuu jooksul ehk detsember kuni märts, Hunn ja Calafelli poolt soovitatud albeedot 0,4, mis iseloomustab linna asumitüübi albeedot (Thevenard and Haddad 2006)(Russak ja Kallis 2003). Asumipõhised väärtusi just seetõttu, et PV süsteemide kasutuselevõtu peamine potentsiaal on linnapiirkondades. Elektrijaama väljundvõimsuse modelleerimine Metoodika osas on kirjeldatud lähenemine fotoelektrilise elektrijaama tunni väljundvõimsuste mudeli koostamiseks. Lisaks tootlikkuse ja sellega seotud parameetrite leidmisele on mudel seotud NPS tunnihindadega ja uurimusobjekti tarbimisgraafikuga. 28

29 Väljundvõimsuse arvutamise mudel PV paneelide väljundvõimsuse arvutamiseks leidub suurel hulgal erinevaid matemaatilisi mudeleid, mis põhinevad kiirgusest ja temperatuurist. Friesen et al. (2009) ja Dittmann et al. (2010) poolt avaldatud uurimustes erinevate mudelite kohta selgus, et kõik uurimuse all olnud matemaatilised mudelid töötasid Si paneelide puhul suhteliselt ühetaoliselt. Ükski mudel ei eristunud teistest mudelitest suurel määral. Antud töö jaoks on päikeseenergiasüsteemide väljundvõimsuse modelleerimiseks Huld al etc. (2011) poolt modifitseeritud Kingi mudelit (valem 1). David L. King on ameerika päritolu teadlane, kes kaheteist aasta jooksul Sandia National Laboratories tegeles antud mudelile põhjaks olnud metoodika juurutamisega kaksteist aastat. (King et al. 1997)(King et al. 2004) King-i mudelist on erinevaid variatsioone (Kenny et al. 2003)(Šúri et al. 2007). Töö aluseks olev Huldi et al. (2011) modifitseeritud Kingi mudeli matemaatiline kuju: (1) Kus P on süsteemi väljundvõimsus, G on päikesekiirguse intensiivsus, T on paneelitemperatuur STC tingimustel ja k 1 -k 6 on universaalse päikesepaneeli parameetrid. Põhilise erisusena Kingi originaal mudelist King et al. (1997) on Huld et al. (2011)versioonis sissetoodud vool ja pinge korrutis maksimaalse võimsuspunkti juures (MPP). Mistõttu on paneelivõimsus mudelis kasutusel olevates empiirilises koefitsientides P STC,m ja k 1 -k 6 lineaarne seos. See annab võimaluse kasutada mudelit olukorras, kus on teada ainult võimsusväärtused G ja T kohta. Lisaks leidsid Huld et al. (2011) artiklis eelmainitud kuus konstanti, k 1 -k 6 (tabel 3), mis vastavad universaalsele ränist päikesepaneelile võimaldades seeläbi modelleerida väga väikese veaga, standardviga 1,33%, erinevate paneelide väljundvõimsusi läbi kiirguse ja temperatuuri. Antud mudelit kasutatakse ka internetis vabalt kasutatava päikesesüsteemi väljundvõimsuse modelleerimise ja asukoha kiirgushulga väljaselgitamise platvormis PVGIS (European Commission and Institute for Energy). 29

30 Tabel 3. Huld et al. (2011) töö tulemusena leitud kohta universaalsed suhtelise efektiivsuse koefitsiendid 1W päikesepaneeli võimsuse kohta k 1-0,01724 k 2-0,04047 k 3-0,0047 k 4-1,49 x 10-4 k 5 1,47 x k 6 5,0 x Perez-i hajuskiirguse mudel nurga all olevatele tasapindadele Levinud praktika kohaselt kasutatakse kalduspindadel energiahulga modelleerimisel kolme eritüüpi kiirgust, mida käsitletakse arvutuste juures eraldiseisvatena: otsene kiirgus, hajuskiirgus ja maapinnalt tagasipeegeldunud kiirgus. Kui üldine käitumine on mudelite puhul sarnane, siis peamine erisus andmete käsitluses tuleb hajuskiirguse puhul, mida peetakse suurimaks potentsiaalse vea allikaks. Kui otsese kiirguse käsitlemine on erinevate tasapindade puhul üldjuhul selge ja vea vaba, siis hajusa kiirguse ja ka maapinnalt tagasipeegeldunud kiirguse puhul on see teatud juhtudel keerukas. Tagasipeegeldunud kiirgus omab küll oluliselt väiksemat tähtsust tulemusele kui taevast tuleva kiirgushulga kirjeldamisel tekkiv võimalik viga. Eestis tasapinnale langevast kiirgushulgast moodustab TTMJ vaatlusandmete põhjal keskmiselt 47,68% hajuskiirgus, siis on täpsema tootlikkuse tulemuse saamiseks kasutatud tootlikkuse mudelisse integreerituna Perez-e hajusa kiirguse mudelit kaldustasapindadele. (Perez et al. 1987) Pereze mudeli sobilikkust kinnitab ka 1999 aastal ilmunud artikkel, mis uuris erinevate mudelite sobivust Soome ja täpsemalt Turu kiirgustingimustes (Vartiainen 2000). Seetõttu võib geograafilisest asukohast lähtuvalt kinnitada, et hajuskiirguse mudel on sobilik Eesti tingimustes. Kasutatav Perez-e mudel on parendatud modifikatsioon esialgsest 1983 aasta Perez et al. (1983) mudelist, mis on matemaatiliselt lihtsam, kuid edasiarenduste tõttu täpsem (valem 2). Perez et al. (1987) hajusakiirguse leidmise valem kaldus tasapinnal: * ( ) + (2) 30

31 Kus G diff;inp on hajuskiirgus kalduspinnal, G diff;h on hajus kiirgus horisontaalpinnal, α on paneeli kaldenurk, F 1,2 on koefitsiendid, a on päikeselangemisnurk, c on päikese seniidinurk. Perez-e hajusakiirguse mudelit eristab isotroopsetest mudelitest see, et antud lähenemine ühendab kaks põhilist hajusakiirguse jagunemist mõjutavat komponenti. Esimene neist on geomeetriline kirjeldus taevast ühendades kiirguse kirjelduse päikese ümber ja horisondil. See lähenemine valiti kirjeldamaks kahte kõige anisotroopsemat efekti atmosfääris: Rayleigh hajuvus ja lainepikkuste ebaühtlast hajumist horisondil. Teine komponent on empiiriline ja see annab taeva heleduse koefitsiendid F 1 ja F 2 funktsioonina insolatsiooni tingimustest (valem 4 ja valem 5). Antud tingimusi kirjeldatakse läbi kolme parameetri, mis kirjeldavad omakorda päikese seniidinurka (Z), horisontaal tasapinnal mõõdetud kiirgushulka (Dh) ja parameeter δ, mis on Pereze poolt kasutuselevõetud taeva selguse parameeter (joonis 11). Antud mudeli puhul on oluline täheldada, et selline rakendusviis on võimalik kasutamiseks ainult seadmete puhul, millel on lai avatus päikesele nt. lamekollektor või fotoelektriline päikesepaneel. (Perez et al. 1987) Joonis 11. Vaadeldud tunnisündmuste jaotus, mis iseloomustab Perez-e mudelis kasutatavaid δ ja Δ (Perez et al. 1987) Praktiliseks kasutamiseks jaotati ruum 240 erinevaks klimaatilisi eripärasid iseloomustavaks kategooriaks ning iga kategooria jaoks loodi koefitsientide paar F 1 ja F 2 (tabel 4). Antud koefitsiendid loodi kolme aasta jooksul varjurõngaga püranomeetri abil mõõdetud vaatlusandmetele tuginedes. (Perez et al. 1987) 31