Mikk Tootsi TALLINNA TEHNIKAKÕRGKOOLI PÄIKESEELEKTRIJAAMA LAHENDUS LÕPUTÖÖ Tehnikainstituut Elektritehnika eriala Tallinn 2018
Mina,, tõendan, et lõputöö on minu kirjutatud. Töö koostamisel kasutatud teiste autorite, sh juhendaja teostele on viidatud õiguspäraselt. Kõik isiklikud ja varalised autoriõigused käesoleva lõputöö osas kuuluvad autorile ainuisikuliselt ning need on kaitstud autoriõiguse seadusega. Lõputöö autor Nimi, allkiri ja allkirjastamise kuupäev Üliõpilase kood Õpperühm Lõputöö vastab sellele püstitatud kehtivatele nõuetele ja tingimustele. Juhendajad Nimi, allkiri ja allkirjastamise kuupäev Konsultandid Nimi, allkiri ja allkirjastamise kuupäev Kaitsmisele lubatud..20.a. Tehnikainstituudi direktor.. Nimi ja allkiri
SISUKORD SISSEJUHATUS... 5 1. PÄIKESEENERGIA KASUTAMINE... 6 1.1 Päikeseenergia üldine areng... 6 1.2 Päikeseenergia kasutamine Eestis... 7 1.3 Päikeseenergia odavanemine... 8 1.4 Päikeseelektrijaamade tasuvusaeg... 9 1.5 Päikeseeleketrijaama tasuvus Eestis... 11 2. TALLINNA TEHNIKAKÕRGKOOLI PÄIKESEELEKTRIJAAMA LAHENDUS... 14 2.1 Tallinna Tehnikakõrgkooli üldandmed... 14 2.2 Tallinna Tehnikakõrgkooli energiatarbimine... 16 2.3 Ilmaolud Tallinnas... 17 2.4 Päikeseelektrijaama lahenduse üldosa... 18 2.5 Päikesepaneelide valik... 19 2.5.1 Nõuded päikesepaneelidele... 19 2.5.2 Päikesepaneelide võrdlus... 21 2.5.3 Valitud päikesepaneelide kirjeldus... 21 2.6 Inverterite valik... 22 2.6.1 Nõuded inverteritele... 24 2.6.2 Inverterite võrdlus... 25 2.6.3 Valitud inverteri kirjeldus... 25 2.7 Tehnilised põhiandmed... 26 2.7.1 Kinnistu liitumispunkti põhiandmed... 26 2.8 Tööde teostamine... 27 2.8.1 Päikesepaneelide paigaldus... 27 2.8.2 Inverterite paigaldus... 29 2.8.3 Läbiviigud ja kaabeldus... 30 3
2.8.4 Sidumine hoone elektripaigaldisega... 30 2.9 Projekti maksumus... 31 3. TALLINNA TEHNIKAKÕRGKOOLI PÄIKESELEKTRIJAAMA TASUVUSARVESTUS 34 3.1 Tootlikuse arvutamine... 34 3.2 Tasuvusaja arvutamine... 37 KOKKUVÕTE... 38 SUMMARY... 40 VIIDATUD ALLIKAD... 42 LISAD... 45 4
SISSEJUHATUS Tallinna Tehnikakõrgkool on Eesti suurim kõrgkool, mis pidevas arengus ehitades juurde hoonelaiendusi ja uusi laboreid. Probleemiks on suur ja üha tõusev energiatarbimine ja kulukad elektriarved ning vaja oleks leida alternatiivseid elektrienergia saamise võimalusi. Töö eesmärk on lahendada probleem, koostades Tallinna Tehnikakõrgkoolile optimaalne päikeseelektrijaama lahendus ja analüüsida selle tasuvust. Lõputöö on ülesehitus hõlmab endas kolme peatükki. Esimeses peatükis räägitakse lähemalt päikeseenergia üldisest arengust, päikesenergia kasutamisest Eestis, selle hinnast ja tasuvusaja kujunemistest. Antud lõik kirjeldab kokkuvõtvalt, et miks päikeseenerga kasutamine on mõistlik. Teises lõigus keskendutakse objekti ehk Tallinna Tehnikakõrgkooli päikeseelektrijaama lahenduse kujunemisele. Lõigus kirjeldatakse objekti hoonestust, energiatarbimist, geograafilise asukoha ilmastikutingimusi, elektrijaama lahendust, tööde teostamist ja projekti maksumuse välja kujunemist. Töös kirjeldatakse päikeseelektrijaama komponentide valikut ja võrreldakse kolme erinevat päikesepaneeli ja inverterit. Kolmandas lõigus keskendutakse Tehnikakõrgkooli päikeselektrijaama tasuvusarvestuse ja tootlikuse koostamisele. Tootlikuse arvutatakse antud töös PVGIS andmebaasi abil. PVGIS on päikeseenergia kalkulaator päikeselektrijaamade tootlikuse arvutamiseks ja hindamiseks. Töö lõpus arvutatakse välja pakutud lahenduse tasuvusaeg, kus arvestatakse Tallinna Tehnikakõrgkooli elektrienergia tarbimisega, elektrihinna ja päikeseelektrijaama tootlikusega ning võrreldakse Tallinna Tehnikakõrgkooli elektrienergia tarbimist eeldatava päikeseelektrijaama tootlikusega. 5
1. PÄIKESEENERGIA KASUTAMINE 1.1 Päikeseenergia üldine areng Tänapäeva seatakse energiaprioriteete ümber. Uued tehnoloogiad, mis on puhtamad, kiiremini paigaldatavad ning kohalikele nõudmistele palju sobivamad, tõmbavad investorite ning kohalike otsustajatetähelepanu. Need tehnoloogiad muutuvad järjest konkurentsivõimelisemaks monopoliseeritud ja tsentraliseeritud energiasektorile. Päikeseenergia fotoelektrilist muundamist elektrienergiaks (päikeseenergeetikat) peetakse üheks perspektiivikamaks ning keskkonnasõbralikumaks energia saamise viisiks. Päikeseenergeetika erineb teistest taastuvatest energiaallikatest oma laialdaste võimaluste poolest saavutada energeetilisi ning keskkonna-alaseid hüvesid. On prognoositud, et päikeseenergeetikast saab lähimas tulevikus väga tõsine alternatiiv fossiilkütustel põhinevale energeetikale. Päikeseenergeetikas toodetud elektrienergia on täielikult keskkonnasõbralik. See tähendab, et päikeseenergia kasutamisel elektrienergia tootmiseks ei paisata õhku saasteaineid ning seetõttu kujutab päikeseenergeetika endast ohutuimat viisi elektrienergia tootmiseks. [1] Fotoelektriliste ehk PV päikesepaneelide tehnoloogia populaarsust näitab ka viimaste aastate väga kiire tõus antud valdkonnas. Varem pole maailmas kunagi paigaldatud rohkem päikesepaneele, kui seda tehti 2016. aastal. Kokku ühendati võrku 76.6 GW päikeseelektrijaamu, mis on 25.4 GW rohkem, kui 2015. aastal. Rekordaastaga tähistati ka globaalse päikesenergia koguvõimsuse 300 GW ületamist. Kogu paigaldatud PV päikesepaneelide võimsus tõusis 2016. aasta lõpuks 33% ehk 306.5 GW-ni.[2] Kõige suuremat tõusu on viimastel aastatel näidanud Hiina, kus ainuüksi 2016. aastal paigaldati 34.5 GW paneele. Aasta lõpuks oli Hiinal kokku 77.9 GW päikeselektrijaamu, mis on ¼ kogu maailma päikeseenergia tootmisvõimsusest. Koguvõimsusega 147,2 GW on Aasia ja Vaikse Ookeani piirkond kõige suurem päikeseenergiat kasutav maailmaosa. Euroopale, kellele kuulus veel ülemaailme osa 2015. aastal hoiab nüüd kogu paigaldatud võimsuse 104.6 GW-ga teist kohta.[2] 6
Hoolimata ülisuurest 50% -lisest hüppest, mille tulemusel paigaldati 2016. aastal rohkem kui 70 GW päikesepaneele, arvatakse, et 2017. aastal tõusis maailma päikeseenergia koguvõimsus 387 GW-ni. Eeldatakse, et globaalselt paigaldatud päikesepaneelide võimsus ületab käesoleval aastal 400 GW piiri ning tõuseb järgnevatel aastatel 100 GW aastas.[2] Joonis 1. Paigaldatud PV paneelide kogus aastatel 2000-2016 [2, lk 10] 1.2 Päikeseenergia kasutamine Eestis Sarnaselt ülejäänud maailmaga on ka Eestis päikeseenergia kasutamine iga aastaga populaarsemaks muutumas. Järjest rohkem investeeritakse päikeseenergiasse, mis näitab, et inimeste teadlikus ja huvi rohelisema energia vastu suureneb ülejäänud maailma eeskujul ka Eestis. 2016. aasta seisuga oli Eestis ligi 1000 päikeseenergiat võrku müüvaid väiketootjaid, kellest enamik on mikrotootjad, mis tähendab, et paigaldatud päikeseelektrijaama võimsus jääb alla 15 kw. Lisaks on ka Eestis palju võrguga mitte liitunud päikeselektrijaamu ehk autonoomseid tootjaid. Järjest rohkem suureneb ka üle 200 kw võimsusega päikeseelektrijaamade ehitamine. [4] 2016. aastal paigaldati Eestis päikesepaneele koguvõimsusega 3.74 MW ning toodetud elektrienergia maht oli võrreldes eelneva aastaga kahekordne. Installeeritud ja võrguga ühendatud päikesepaneelide koguvõimsus ületas 2016. aasta seisuga 10 MW piiri ning arvestadas viimaste aastate tõusu selles valdkonnas, on see number eeldatavalt ületanud tänaseks 15 MW piiri.[4] 7
Jätkuv tehnoloogia areng ja hindade odavnemine on tõstnud päikeseenergeetika taastuvenergia valdkonnas esiplaanile. Päikeseenergia kasvu jätkumist ennustatakse veel mitmeteks aastateks. Joonis 2. Päikeseenergia võimsused Eestis kokku aastatel 2011-2016 (MW) [4, lk 25] 1.3 Päikeseenergia odavanemine Viimase seitsme aastaga on päikeseenergia hinnad alanenud 85% ning päikesepaneelide, inverterite ja muude komponentide tootlikus, vastupidavus ja efektiivus on tõusnud. Üha rohkem inimesi on seetõttu valmis investeerima päikeseenergiasse.[4] Bloomberg New Energy Finance poolt läbi viidud uuringu tulemused ütlevad, et päikeseenergia suudab juba praegu kulude poolest võistelda Saksamaale ja USA-sse rajatavate uute kivisöe elektrijaamadega. Sama seis peaks ka varsti olema Indias ja Hiinas, kus päikeseenergia turu kasv on näidanud kiiret tõusu. Uuringu järgi peaks hakkama roheline energia valitsema palju varem kui suurem osa asjatundjaid usub.[36] Uuringus leiti lisaks, et kuni 2040. aastani investeeritakse vähemalt 239 miljardit dollarit liitiumioonakudesse, mis muudaks need praktilisemaks ning majapidamistes leiaks need järjest rohkem kasutust. Akude areng tooks eeldatavalt endaga kaasa ka suurema päikesepaneelide kasutuselevõtu, mille tõttu alaneks ka jälle päikeseenergia kasutuselevõtu hind.[36] 8
2016-2017. aasta päikeseenergia vähempakkumiste madalate hindade põhjuseks on kiiresti arenenud tehnoloogia ja tihedam konkurents. Päikeseelektrijaama seadmete ja komponentide eluiga on pikenenud ning nende tootlikus muutunud efektiivsemaks, mis võimaldab aastas rohkem elektrit toota.[37] Tähtsal kohal on ka riikide sihikindel poliitika taastuvenergia arendamisel. Valdkonna arenemiseks on vajalik, et innovatsioon oleks au sees ja riiklik tuge oleks märgatav.[37] Täiesti uutes taastuvenergia elektrijaamades toodetud elektrienergia omahind on juba täna soodsam kui fossiilkütustel töötavates elektrijaamades, ent tänane elektriturumudel ei kompenseeri elektrijaamade kapitalikulu, vaid elektri börsihind kujuneb ainult elektrijaamade muutuvkulude põhjal. Kivisöe või gaasijaamade aga ka Eesti põlevkivijaamade ehituskulu ning seal toodetava elektri transportimiseks ehitatud võrkude rajamise kulud on tarbijad aastakümnete jooksul, kas läbi elektritariifide või riigieelarvete, juba kinni maksnud. [37] 1.4 Päikeseelektrijaamade tasuvusaeg Päikeseelektrijaama ehitus on investeering, mille tasuvust tuleb eelnevalt hinnata. Igat objekti tuleb maksumuse ja tasuvuse seisukohalt vaadelda täiesti eraldi. Päikeseelektrijaama tasuvusaja arvutamisel tuleb kõige rohkem arvestada elektrijaama rajamise maksumuse, päikesepaneelide tootlikusega aastas ning elektrihinnaga. Päikeseelektrijaama rajamise maksumust ja tootlikust on võimalik ette arvutada, kuid tuleviku elektrihinda on juba raskem ette ennustada.[5] 9
Joonis 3. Päikeseelektrijaama tasuvusaja arvutamise struktuur ja selle tegurid. (Punasega: tasuvusaega suurendavad elemendid. Rohelisega: tasuvusaega vähendavad elemendid. Mustaga: looduslikud ja paigalduslikud elemendid) [5] Jooniselt kolm näeme, et täpne tasuvusaeg sõltub paljudest erinevatest teguritest, sealhulgas: Päikeseelektrijaama maksumus lõplik päikeseelektrijaama maksumus oleneb eletrijaama suurusest, paigaldamiskuludest ja valitud seadmetest. Paigalduskulu suurus sõltub veel omakorda rohkesti katuse tüübist, kui just tegemist ei ole maapargiga. Hoone elektrikulud - tarbitava elektrienergia põhjal näeb vajaliku süsteemi suurust, kui ka elektrienergia kogust, mida saab igakuiselt kompenseerida päikeseenergiaga. Suure elektritarbimisega hoonete puhul tuleks ideaalis ka päikeseeleketrijaam ehitada võimsuselt nii suur, et hoone elektrienergia vajadused saaks täpselt rahuldatud päikesepaneelidest tulevast elektrist. Töötava päikeselektrijaamaga hoonetel tuleks võimalusel suunata kõik oma suuremad elektrienergia tarbimised päevasele ajale, eriti suvekuudel, mil on võimalik kasutada päikesespaneelide poolt toodetavat elektrit. 10
Elektrienergia hind kui hoone ei tarbi kõike toodetud päikeseenergiat ära siis müüakse elektrienergia tootmisest üle jääv elektrienergia tagasi võrku. Seljuhul sõltub päikeselektrijaama tasuvusaeg ka võrku müüdava elektrienergia hinnast. 2017. Aasta Eesti piirkonna keskmine elektri börsihinnaks oli 33.2 eurot MWh kohta.[18] Lisaks on taastuvenergia toetus, mille suuruseks on 53.7 eurot MWh kohta.[19] Päikesepaneelide süsteemi elektritoodang Elektrienergia suurus, mida päikesepaneelid toodavad sõltub suurest osast loomulikult ilmastikuoludest ehk kui palju otsest päikesevalgust päikesepaneelidele paistab ning kuidas paneelid on paigaldatud. Tootlikust mõjutavad veel päikesepaneelide asend, varjud, paneelide erinevus, temperatuur ja süsteemi kaod. Päikesepaneelid tuleks paigaldada lõuna ilmakaare suunas ja maapinna suhtes 40 o nurgaga, mis on Eestis optimaalne nurk.[16] 1.5 Päikeseeleketrijaama tasuvus Eestis Tänu päikesepaneelide hindade langusele viimastel aastatele on muutunud päikeseelektrijaamade rajamine majanduslikult tasuvaks investeeringuks. Eestis jääb päikeselektrijaama tasuvusaeg keskmiselt alla 10. aasta. Tasuvusaeg kiireneb juhul, kui kõik või enamus päikesepaneelide poolt toodetavast elektrist tarbitakse kohe ära ning võimalikult väike osa müüakse tagasi võrku. Selle tulemusena vähenevad elektriarved kogu ulatuseses ning lisaks ka võrguteenuste kulud ja muud maksud. Päikesepaneelide paigaldamine kaitseb ka elektrihindade kasvamise eest, muutes päikesepaneelid aina tasuvamaks.[8] Päikeseelektrijaama tasuvuse arvutamisel Eestis tuleb arvestada Eesti keskmise päikesekiirguse hulgaga aastas, milleks on 1120 kwh/m 2 aastas. Üldiselt on päikesepaneelide tootlikus Eestis efektiivne ja tarbimist rahuldav seitsmel kuul aastas, aprillist septembrini. On välja arvutatud, et iga paigaldatud päikesepaneeli kw toodab keskmiselt 800-900 kwh elektrienergiat aastas. Seda küll juhul, kui päikesepaneelid on paigaldatud suunaga lõunasse ja maapinna suhtes 30.-40 nurga all. [16] Võrreldes Eesti aastast päikesekiirguse energiahulka Saksamaaga, kus päikesepaneelide kasutamine on väga populaarne ja levinud, on näha, et päikesekiirguse hulk on Eestis sama kõrge. Samas on Eestis paigaldatud päikesepaneelid efektiivsemad siinse madalama temperatuuri ja päikesepaneelide põhielemendi räni temperatuurisõltuvuse tõttu.[6] Päikeseelektrijaama tootlikus tõuseb madalamate temperatuuride juures iga langenud kraadi kohta 0.5%.[7]Päikesepaneelide niminäitajad määratakse temperatuuril 25ºC, mis näitab, et Eestis on päikesepaneelide jaoks head tingimused. 11
Kuigi suve keskel on päikese intensiivsus suurem, toodavad Eestis päikesepaneelid rohkem kevadisel ja sügisesel ajal, mil temperatuur on madalam. Kuigi talved on Eestis pimedad, on suviti siin päevad pikemad, mis tähendab, et päikesepaneelid toodavad päevas kauem energiat. Näiteks Tallinna kõige pikem päev aastas (21.juuni) on üle pooleteise tunni pikem kui Berliinis.[8] Eesti eeliseks on veel ka see, et suur osa päikesepaneelide hooldusest toimub looduslikult. Kui näiteks tolm on lõunamaa riikides päikeselektrijaamades üks põhi probleemidest siis Eestis pesevad sademed päikesepaneelidele langenud tolmu. Kuna aastaringselt sajab piisavalt siis Eestis tolmuga seotud probleemid nii suured ei ole. Lisaks toimub talviti paneelide suurpuhastus lume abil. Looduslike tingimuste poolest aitab päikesepaneelide tootlikusele kaasa ka tuul, mis jahutab päikeseelektrijaama süsteeme. Tallinnas on aasta keskmine tuule kiirus suurem, kui näiteks kesk- Eestis.[12][8] Eestis tingimustes on pilvisus aastas keskmiselt 7 palli aga üldiselt on pilvisus suurem sisemaal ja väiksem rannikul. Kõige pilvisem periood on Eestis talv, kõige pilvitum kevadel ja suvel. Päike paistab aasta jooksul keskmiselt 1950 tundi ranniku aladel ja 1630 tundi sisemaal. Kõige rohkem on päikesepaistet suvel juunis ja juulis ning kõige vähem talvel detsembris. [12] Joonis 4. Eesti päikesekiirguse hulk võrreldes muu Euroopaga [8] 12
Päikeseelektrijaama tootlikuse puhul on väga suur roll päikesekiirgusel. Suurema tootlikuse jaoks on oluline, et päikesepaneelidele langeks pika aja jooksul võimalikult palju päikesekiirgust.[12] Päikesepaneelid kasutavad elektri tootmiseks kolme erinevasse klassi jagataud päikesekiirgust: otsekiirgus, hajuskiirgus ja maapinnalt peegeldav kiirgus.[15] Otsekiirgus on paralleelsete kiirtena leviv päikesekiirgus, mis jõuab maapinnani siis, kui taevas on pilvitu. Otsekiirgus annab kõige enam energiat, mille maksimaalseks püüdmiseks kasutatakse ka ühe- või kaheteljelisi päikest järgivaid ajameid (tracking system). Otsekiirgust esineb Eestis kõige enam saartel ja Põhja-Eestis. Lõuna-Eestis on pilvisust enam ja seega päikesepaneelide tootlikkus mõnevõrra väiksem. [15] Hajuskiirgus ehk difuusne kiirgus tekib pilvede või udu mõjul, aga ka õhusaaste on hajuskiirguse tekkimise põhjuseks. Hajuskiirguse puhul ei ole üldjuhul vahet, mis ilmakaarde paneelid suunatud on, energia tootlikkus jääb samaks. Seda seletab lihtne asjaolu, et pilvise ilmaga ei teki objektist varju. Kuigi difuusne päikesekiirgus on oluliselt väiksema energiaga kui otsekiirgus, siis ikkagi on see arvestatav elektri tootmisel päikeseenergiast. Praktilised mõõtmised näitavad, et pilves ilmaga on paneelide tootlikkus 7 korda väiksem võrreldes otsekiirgusega. [15] Kolmas liik on maapinnalt peegelduv päikesekiirgus. Eesti puhul on täiesti arvestatav lume pinnalt peegelduv päike. Näiteks veebruaris keskpäevase päikesepaistelise ilmaga näitasid mõõtmistulemused Tallinna lähiümbruses otsekiirguseks 850W/m 2, aga 80-85 nurga all maapinna suhtes, kus hakkas mõju avaldama ka lumepinnalt peegelduv päikesevalgus, näitas kiirgusemõõtja 900W/m 2. [15] 13
2. TALLINNA TEHNIKAKÕRGKOOLI PÄIKESEELEKTRIJAAMA LAHENDUS 2.1 Tallinna Tehnikakõrgkooli üldandmed Tallinna Tehnikakõrgkool on Tallinnas, Pärnu mnt 62, asuv Eesti suurim kõrgkool. Seisuga 01.11.2017 õppis Tallinna Tehnikakõrgkoolis 2287 õppurit. Tallinna Tehnikakõrgkool hoonekompleksi kuulub 4 korpust. A - korpuses asub peamaja, B- korpuses on osa ehitusinsituudist, kehakultuurikeskus ja laborid, C-korpuses on võimla ja tehnikainsituudi laborid ning D - korpuses on auto- ja logistikalaborid. A - korpusel on kivikatus 40 o kaldega. C - ja D - korpustel on lamekatused. B korpus läheb 2018. aasta suvel remonti ning sinna paigaldatakse uus samade mõõtudega lamekatus (Joonis 5). Joonis 5. Pildi pealt on Tallinna Tehnikakõrgkooli hoonekompleks ja korpused 14
Vaadates päikese liikumise joonist nii talvisel kui suvisel pööripäeval Tallinna Tehnikakõrgkooli suhtes, on näha, et Tallinna Tehnikakõrgkool on risti põhja ja lõuna ilmakaarega, mis on päikesepaneelide paigaldamise mõistes ideaalne tingimus. Kuigi talveperioodil on Eesti tingimustes vähe päikest, on Eestis suviti pikad päeva, mil päikesepaneelid saavad toota kauem elektrienergiat (Joonis 6). Joonis 6. Tallinna Tehnikakõrgkooli asukoht lõunapäikese suhtes suvisel ja talvisel pööripäeval[10] 15
2.2 Tallinna Tehnikakõrgkooli energiatarbimine Tallinna Tehnikakõrgkooli elektrienergia tarbimine jaotub vastavalt 2016-2017. aasta elektriarvete kokkuvõttest järgnevalt: Korpus A üldtarbimine 42% Korpus A ventilisatsiooniagregaadid 31% Korpus B, C ja D üldtarbimine 27% Kõige rohkem tarbitakse elektrienergiat talvekuudel. Kõrgeim energiatarbimine oli 2017. aastal novembrikuus 102125 kwh ja väikseim juulis 28790 kwh. Üheksa kuu, september kuni mai, keskmine elektrienergia tarbimine oli 85864 kwh ja suvekuude, juuni kuni august, keskmine elektrienergia tarbimine oli 34763 kwh.(tabel 1) Kuna õppetöö toimub päeval siis on ka päevasel ajal energia vajadus suurem. Õppetöö kestab koolis septembrist juunini. Juulis puhkuste ajal on majas võrreldes teiste kuudega kõige vähem inimesi. Tabel 1 Tallinna Tehnikakõrgkooli 2017. aasta elektrienergia tarbimine Kuu Tarbimine, Kwh Maksumus, jaanuar 2017 81000 7979 veebruar 2017 91176 8415 märts 2017 98201 8552 aprill 2017 82156 7635 mai 2017 70682 5968 juuni 2017 39517 3754 juuli 2017 28790 2878 august 2017 35984 3537 september 2017 66390 6081 oktoober 2017 85936 7358 november 2017 102125 8539 detsember 2017 95115 7846 Kokku: 877072 78548 16
2.3 Ilmaolud Tallinnas Tallinnas on päikesepaistelisi päevi keskmiselt aastas 253 (Joonis 7) ja päikesepaiste kestus on keskmiselt aastas 1778 tundi. Kõige lühem päev on talvisel pööripäeval 6 tundi ja 2 minutit ning kõige pikem päev kestab suvisel pööripäeval 18 tundi ja 40 minutit.[12][13] Joonis. Päikesepaistega päevade keskmine arv[11] Päikesepaneelide efektiivse tootlikuse tagamiseks on oluline, et neile langeks võimalikult palju ja pikalt päikesekiirgust. Tallinn-Harku aeroloogia mõõtejaama andmete kohaselt oli näiteks aastal 2012 aastane kogu horisontaalne päikese radiatsioon 938 kwh/m² (Joonis 8).[14] Joonis. 8. Tallinn-Harku aeroloogiajaamas mõõdetud ja arvutatud summaarse kiirguse Q (MJ/m 2 ) tunnisummade põhjal (1 kwh = 3,6 MJ) perioodil 2009 kuni 2013 september[14] 17
Joonis 8. on näha, et 2009. aastal oli aastane päikesekiirgus kogus 936 kwh/m², 2010. aastal 840 kwh/m², 2011. aastal 868 kwh/m² ning 2012. aastal 938 kwh/m².[14] Arvestada tuleb sellega, et ilmajaama andmed on mõõdetud horistontaalpinnal, kuid kaldenurga all olevatele paneelidele langeb juba suurem kiirgusehulk. Tallinna Tehnikaülikooli Keemia- ja materjalitehnoloogia teaduskonna teaduri Andri Jagomägi uuringu tulemused näitavad, et Tallinnas mõõdetud optimaalse kaldenurgaga maapinna suhtes, mis on Tallinnas 42, on pinnale langev keskmine kiirgushulk 1120 kwh/m² ehk 20% suurem, kui horistonaalpinnale langenud kiirgushulk.[14] 2.4 Päikeseelektrijaama lahenduse üldosa Käesolevaga on koostatud Tallinna Tehnikakõrgkoolile optimaalne päikeseelektrijaama lahendus, mille tegemisel on autor arvestanud järgmiste tingimustega: Kõik päikesepaneelid peavad olema maksimaalse tootlikuse saavutamiseks suunatud lõunasse. Päikesepaneelid tuleb paigaldada nii, et kõikidele gruppidele langeks sama ühtlaselt päikesekiirgus. Arvestada tuleb Tallinna Tehnikakõrgkooli energiatarbimist. Päikesepaneelide paigaldamiseks võimaliku katusepinnaga. Elektrileviga liitumisel ei tohi tootmisseadmete võimsused kokku olla üle 200 kw. Võttes aluseks päikesepaneelide standarsuuruse koostati Tallinna Tehnikakõrgkooli hoonekompleksile päikeseelektrijaama projekt, mille põhjal mahuks arvestades eelnevalt mainitud tingimusi Tallinna Tehnikakõrgkooli hoonekompleksi katustele 520 päikesepaneeli (Lisa 1) vastavalt: A-korpusele paigaldatakse kivikatusele kokku 124 päikesepaneeli. B-korpusele paigaldatakse lamekatusele kokku 264 päikesepaneeli. C-korpusele paigaldatakse lamekatusele kokku 86 päikesepaneeli D-korpusele paigaldatakse lamekatusele kokku 46 päikesepaneeli. 18
2.5 Päikesepaneelide valik Päikesepaneelide valik on turul väga suur ja kuna tehnoloogia on antud valdkonnas kiirelt arenenud ja suuremad tootjad valmistavad tehniliste näitajate poolest sama efektiivseid päikesepaneele, siis on õiget valikut esmapilgul raske teha. Kuid korraliku uurimustöö tegemine on enne lõpliku otsuse tegemist tähtis, sest tuleb meeles pidada, et päikesepaneelide paigaldamine on pikaajaline investeering. Põhilised näitajad, mille järgi päikesepaneele hinnata on tootlikus, vastupidavus ja kvaliteet.[20] Päikesepaneeli poolt toodetud elektrienergia kogus sõltub mitmest tegurist, sealhulgas maksimaalsest võimsusest, võimsuse tolerantsist, efektiivsuse ja temperatuuri koefitsendist. Tehes nende näitajate põhjal kokkuvõte, on võimalik näha palju päikesepaneel toodab energiat. [20] Üldiselt on päikesepaneelid väga vastupidavad aga Eesti tingimustes on oluline ka järgida, et valitud paneelid peavad vastu lume raskusele ja tugevale tuulele. Kindlasti peab olema ka paneeli raamistik vastupidavast materjalist. Valiku tegemisel on väga olulisel kohal ka garantiitingimused. Päikesepaneelide puhul tuleb vaadata toote garantiid kui ka tootlikuse garantiid. Tootegarantii kehtib üldjuhul üle 10. aasta ja tähendab, et kui selle aja jooksul peaks päikesepaneeliga füüsiliselt midagi juhtuma siis on tootja kohustatud remonti vajava või katkise päikesepaneeli välja vahetama. Tuleb jälgida ka tootlikuse garantii tingimusi, millega määratakse ära, et kui palju võib päikesepaneelide tootlikus iga aastaga väheneda. Tavapäraselt on määratud, et 25. aasta pärast on päikesepaneelide tootlikus vähemalt 85% toote algspetsifikatsioonist.[21] 2.5.1 Nõuded päikesepaneelidele Autori meelest peaks projektis valitud päikesepaneelide ettevõte kuuluma Tier 1, ehk esimese taseme päikesepaneelide tootjate hulka. Tier 1 päikesepaneelide tootja investeerib päikesepaneelide arendusse ja omab kontrolli kõikide tootmisprotsesside üle. Lisaks on kõikide Tier 1 päikesepaneelidele tagatud reaalselt 25 aastat garantiid.[22] 19
Tier 1 taseme saamiseks on tootjal kohustus olla seotud ka suurte projektidega ja tõestada end, et kui püsivate lahenduste loojana. Esimese taseme paneelide puhul võib kindel olla, et vaatamata tehnoloogia kiirele arengule on need päikesepaneelid efektiivsed ka tulevikus.[22] Tier 1 ehk esimese taseme sertifikaati määrab päikesepaneelitootjatele välja Bloomberg New Energy Finance, mis on maailma juhtiv sõltumatu analüüside, andmete ja teadustööde pakkuja energeetika valdkonnas. Sertifikaati väljaandmise eesmärk on, et nii investoritel, pankadel kui ka tavatarbijatel oleks lihtsam valida töökindlaid päikesepaneele ja saada ülevaadet nende tootjatest. Tier 1 sertifikaadiga tootjate nimekirja alusel oli neid 2017. aastal 33 ettevõtet.[22] Lisaks peaks antud alljärgnevatele nõuetele: projektil paigaldatavad päikesepaneelid peavad vastama vähemalt paneeli nimivõimsus Pn: 290 W; möödaviigudioodide arv mooduli kohta: 3; väljundvõimsuse lubatud tolerants: 0 +3%; süsteemi ühendamise korral lubatud pinge: 1 000 V; väljundkaablite pistikühenduste tüüp: MC4; mooduli raam: anodeeritud või muu samaväärse pinnatöötlusega alumiinium (Al); mehaaniline koormustaluvus: 5, 0 kn/m2; ühilduma paigaldatava inverteriga; tehasegarantii: 10 aastat normeeritud tööiga: 20 aastat võimsus normeeritud tööea lõpus: P > 0,8 Pn. 20
2.5.2 Päikesepaneelide võrdlus Päikesepaneelide valiku tegemiseks võrdleb autor kolme erineva Tier1 kvalifikatsiooni saanud tootjate päikesepaneele, mis vastavad ka eelnevas lõigus välja toodud tingimustele. Päikesepaneelide valik tehakse järgmiste näitajate põhjal: Tabel 2 Talesun M295+ Päikesepaneelide võrdlus[30],[31],[32] Hipro Jasolar JAM6(K)-60-300 Maksimaalne võimsus Pmax (Wp) 295 300 300 Moodulite efektiivsus η(%) 18.2 18.35 19.36 Maksimaalne pinge Vmpp (V) 33.3 32.26 33.3 Maksimaalne voolutugevus Impp (A) 9.47 9.30 9.05 Toote garantii (a) 10 12 10 Vikramsolar Somera Prime VSM.60 25 aastat(alates teisest aastast kuni 24. aastani 25 aastat (alates teisest aastast kuni 24. aastani ei tohi tootlikus ei tohi tootlikus väheneda rohkem kui 0,7% iga aasta. 25. väheneda rohkem kui 0,7% iga aasta. 25. 27 aastat (3% kadu aasta lõpuks peab aasta lõpuks peab esimesel aastal ja tootlikus olema tootlikus olema 0.65% kadu alates rohkem, kui 80% rohkem, kui 80% teisest aastat 27. Tootlikuse garantii tootelehel märgitust) tootelehel märgitust) aastani) Hind ( ) 125 127 127 Hinnad on ilma käibemaksuta ning sisaldavad tarnet kliendini. 2.5.3 Valitud päikesepaneelide kirjeldus Võttes arvesse eelmises tabelis välja toodud päikesepaneelide võrdlusandmed ja nõuded siis on autor valinud antud päikeseelektrijaama lahenduse jaoks Vikramsolar Solera Prime VSM.60 päikesepaneelid. Antud päikesepaneelid jäävad silma oma heade näitajate, eriti efektiivsuse ja võimsuse poolest. 21
Tootlikuse garantii 27. aastaks määrab, et toote reaalne väljundvõimsus on märgitud võimsusest mitte vähem kui 97% esimesel aastal. Igal järgneval aastal ei tohi reaalne väljundvõisus langeda rohkem kui 0,65% 26. aastase perioodi vältel. Seega peale 27. aastast töötamist on väljund võimsus vähemalt 81% toote algspetsifikatsioonist. Vikram Solar Limited on ülemaailmselt tunnustatud juhtiv päikeseenergia lahenduste pakkuja, mis on spetsialiseerinud kõrgefektiivsetele päikesepaneelide tootmisele. Tier 1 taseme päikesepaneelide tootjana, on nende tooted kavandatud jälgides kõrgemaid kvaliteedi-, töökindluse ja jõudluste standardeid. [33] 2.6 Inverterite valik Päikeseelektri väiketootmisjaama inverteri peamiseks funktsiooniks on päikesepaneelidest tuleva alalisvoolu (DC) muundamine võrgupingele vastavaks vahelduvvooluks (AC), võrgusagedusega sünkroniseerimine ja elektrivõrgu hälvete korral ohutuse tagamine. Lisaks kogub, salvestab ja edastab see andmeid süsteemi tootlikkuse kohta. Inverter muudab päikesepaneelidelt tuleva alalisvoolu meie majapidamis kõlblikuks vahelduvvooluks (230 V). Inverterid on vajalik osa üldise võrguga ühendatud süsteemi rajamiseks.[22] On olemas kolme üldist tüüpi invertereid: Stringinverterid, paneelipõhised mikroinverterid ja optimeerijatega hübriidinverterid. Stringinverterid on päikeseenergia süsteemi puhul inverteritest soodsam ja levinum valik. Stringinverteri valiku eelduseks on, et süsteemis on tootmiseks optimaalsed tingimused. Stringiinverteri puhul on päikesepaneelid ühendatud jadamisi. Tüüpiline ahel koosneb üldiselt vähemalt 8-st päikesepaneelist või kuni 20-st või enamast päikesepaneelist (Joonis 8). 22
Joonis 8. Päikesepaneelide paigalduskeem stringinverteri puhul[25] Paneelipõhised mikroinverterid on kinnitatud iga päikesepaneeli tagaküljele, nii et üldiselt on vaja ühes süsteemis mitut inverterit. Need teisendavad päikesepaneelidest saadava alalisvoolu vahelduvvooluks otse katusel ilma lisa kesk-inverteri vajadusega. Mikroinverterid sobivad kõige paremini varjutatud katustele, seljuhul, kui vari mõjutab ühte paneeli ei mõjuta see ülejäänud paneelide tootlikkust. Mikroinverterid on kasulikud väikeste süsteemide puhul, kuna igal päikesepaneelil on oma inverter siis muudab see kogu süsteemi kalliks. Kui tavaliselt paigaldatakse inverterid majja sisse või varjulisse kohta siis mikroinverterid asetsevad hoone katusel soojemates tingimustes, mis muudab nende efektiivsuse madalamaks (Joonis 9).[24] Joonis 9. Päikesepaneelide paigalduskeem mikroinverterite puhul[25] 23
Optimeerijatega hübriidinverterid pakuvad samu eeliseid, mis mikroinverterid, kuid on soodsamad. Mikroinverteritega sarnaselt ühendatakse ka optimeerijad iga ühe või kahe päikesepaneeli kohta paneelide külge. Optimeerijad lasevad igal moodulil töötada maksimaalse võimsuse punktis (MPP). Tänu optimeerijatega töötab kogu jada kõige efektiivsemalt (Joonis 10). Joonis 10. Päikesepaneelide paigalduskeem optimeerijatega lahenduse puhul[25] 2.6.1 Nõuded inverteritele Inverter peab vastama vähemalt alltoodud normdokumentide nõuetele: Eesti standard EVS 50438:2013 Nõuded mikrogeneraatorjaamade ühendamiseks rööbiti avalike madalpingeliste jaotusvõrkudega. Võrguinverter peab olema võrguettevõtte poolt sertifitseeritud ehk elektrilevi poolt heaks kiidetud inverterite loetelus. Kuna antud lahenduses on paigaldamisel kõik päikesepaneelid projekteeritud nii, et need peavad olema maksmimaalse tootlikuse saavutamiseks suunatud lõunasse ning ei tohi jääda varju siis inverteri tüübiks sobib stringiinverter. Paigaldatavad inverterid peavad vastama vähemalt alljärgnevatele nõuetele: olema 3-e faasiline (3F) vahelduvvoolu (AC) väljundiga; väljund pingesüsteem (UAC) 230 / 400 Vac 50 Hz (± 5 Hz); väljundi juhistikusüsteem: TN-S (L1, L2, L3, N, PE); 24
väljundi nimivõimsus (PAC): 36 kw; väljundi maksimaalne vool (IAC): 3 40 A; efektiivsus: 97%; sisendkaablite pistikühenduste tüüp: MC4; lubatud sisendpinge (UDC): 250 1 000 Vdc; olema integreeritud vähemalt 1 Etherneti (RJ45) liides, ühendamiseks hoone andmeside jaotusvõrku (LAN); kaitseaste: IP44; ümbritseva keskkonna lubatud temperatuur: 20 + 60 C; müratase: 50 db; ühilduma paigaldatavate päikesepaneelidega 2.6.2 Inverterite võrdlus Autor on valinud välja kolm inverterit, mis vastavad eelmise alapunktis välja toodud nõuetele ning, mis on Elektrilevi poolt heaks kiidetud. Inverteri valik tehakse järgmiste näitajate põhjal: Tabel 3 Inverterite võrdlus[26][27][28] ABB SMA Sunny TM-50.0/400/3MPPT Tripower 50- Huawei SUN (SX2/SX) 40 Core1 2000-36KTL MPPT 3 tk 6 tk 4 tk Inverteri nimivõimsus (PAC) 50 kw 50 kw 36 kw Kasutegur 98.30% 97.60% 98.3% Max PV võimsus sisendisse 52 kw 75 kw 45 kw Max väljund AC poolel 77 A 72.5 A 57.8 A Monitooringu lahendus Olemas Olemas Olemas Garantii 5 a 5 a 5 a Hind 4200 4336 2950 Hind 1kW kohta 84 86 81 2.6.3 Valitud inverteri kirjeldus Võttes arvesse päikesepaneelide koguseid erinevate korpuste katustel ja võimalike grupide 25
võimsuste suuruseid, eelmises tabelis välja toodud inverterite võrdlusandmeid ja nõudeid inverterile siis on autor valinud antud lahenduse inverteriks Huawei SUN2000-36KTL. Huawei on ülemaailmne võrgustike ja telekommunikatsiooniseadmete ning teenuste ettevõte. Juba 2012. aastal jõudsid nad oma inverteritega efektiivsuselt maailma parimate hulka. Huawei peab oma toodete puhul oluliseks väga suurt efektiivsust ja töökindlust. [29] 2.7 Tehnilised põhiandmed 2.7.1 Kinnistu liitumispunkti põhiandmed Järgnevalt on välja toodud kinnistu ja korpuste põhiandmed. Kinnistu põhiandmetes on ära märgitud elektripaigaldise liik, ehitamise aasta, liitumispunkti asukoht, peakaitsmete suurused, nimivool ja nimipinge ning juhistikusüsteem. Korpuste põhiandmetes on lisaks välja toodud sinna paigaldatavade inverterite võimsused ja päikesepaneelide arv ning nende poolt genereeritav maksimaalne nimivõimsus. Kinnistu liitumispunkti ja korpuste põhiandmed: Liik: 2. Liigi elektripaigaldis Ehitamise/renoveerimise aasta 1952 Liitumispunkt/toitepunkt: Tarbija toitekaabli kingadel alajaama nr. 116 0,4 Kv jaotusseadmes Peakaitsmed: Sularid 2 (3*315) A; (3*250) A Nimivool: 315 A Nimipinge 380 V Juhistikusüsteem Toitejuhistik TN-C, paigaldis TN-S A korpus Juhistikusüsteem: TN-C-S (L1 L2 L3 N PE) Mikrotootmisjaama tüüp: võrguühendusega (On-Grid) Genereeriva seadme tüüp: fotoelektrilised (PV) päikesepaneelid Inverterite arv: 1 Inverteri nimivõimsus (PAC): 36 kw (cos φ =1) Inverteri maksimaalne vool (IAC): 3*52 A 26
Päikesepaneelide arv: 124 tk (300 W) Maksimaalne genereeriv nimivõimsus päikesepaneelidel (P): 37.2 kw B korpus Juhistikusüsteem: TN-C-S (L1 L2 L3 N PE) Mikrotootmisjaama tüüp: võrguühendusega (On-Gird) Genereeriva seadme tüüp: fotoelektrilised (PV) päikesepaneelid Inverterite arv: 1 Inverteri nimivõimsus (PAC): 2x36 kw (cos φ =1) Inverteri maksimaalne vool (IAC): 3x52 A Päikesepaneelide arv: 264 tk (300 W) Maksimaalne genereeriv nimivõimsus päikesepaneelidel (P): 79.2 kw C - ja D korpus Juhistikusüsteem: TN-C-S (L1 L2 L3 N PE) Mikrotootmisjaama tüüp: võrguühendusega (On-Gird) Genereeriva seadme tüüp: fotoelektrilised (PV) päikesepaneelid Inverterite arv: 1 Inverteri nimivõimsus (PAC): 36 kw (cos φ =1) Inverteri maksimaalne vool (IAC): 3*40 A Päikesepaneelide arv: 132 tk (300 W) Maksimaalne genereeriv nimivõimsus päikesepaneelidel (P): 39.6 Kw 2.8 Tööde teostamine 2.8.1 Päikesepaneelide paigaldus Päikesepaneelid paigaldatakse antud projektis kahte erinevat tüüpi katusele: kivikatusele ja lamekatusele. 27
Päikesepaneelide kivikatusele paigaldamiseks tuleb eemaldada jälgides sarikate sammu katusekivid. Seejärel kinnitatakse sarikate külge spetsiaalsed kinnitid. Enne ära võetud kivide tagasi panemist tuleb neid lihvida nii, et need istuksid uuesti kokku teiste kivide jooksuga. Kinnitite külge paigaldatakse horisontaalsiinid, mille külge lähevad omakorda püstistena päikesepaneelid. Joonis 10. Kivikatuse kinniti Lamekatuste jaoks mõeldud päikesepaneelide paigaldamisviise saab liigitada kaheks: lisaraskustega katuse peale asetatavad alused ja katusekonstruktsiooni külge fikseeritud alused. Esimese variandi puhul pole vaja teha katusekonstruktsioonidesse läbiviike. Tuule tõttu tekkiv tõste- ning nihkejõud kompenseeritakse tuulesuunajate ja lisaraskuste abil. Lisaraskuse määr arvutatakse arvestades ehitusnorme.[34] Joonis 11. Aercompact päikesepaneelide lamekatusele paigalduse lahendus [35] Teiseks variandiks on aluste kinnitamine katuse kandekonstruktsioonide külge, mille puhul on vaja juba teha katuse läbiviigud (Joonis 12). 28
Joonis 12. Katuse külge fikseeritud lahendus [34] Kuna fikseeritud süsteemil on kõrgem hind ja keerulisem paigaldus siis antud projektis on valitud päikesepaneelide lamekatusele paigalduse lahenduseks ballastsüsteem, täpsemalt Aerocompact S lahendus, mis on lihtsasti paigaldatav, vastupidav ning kvaliteetne. Kõik kinnitusdetailid peavad olema alumiiniumist või roostevabast terasest. A korpuse kivikatusele paigaldatakse kokku 124 päikesepaneele. Paneelid jäävad kaldega 22. Ülejäänud korpuste lamekatustele paigaldatakse kokku 396 paneeli kaldega 15. 2.8.2 Inverterite paigaldus A-korpuse PV paneelide inverter paigaldatakse jaotuskilbi JK.K-2 vahetusse lähedusse. Inverteri ühendatakse hoone elektripaigaldisega JK.K-2 paigaldatava 3xC63A kaitselüliti kaudu. Inverteri võimsus on 36 kw. B-korpuse PV paneelide inverterid paigaldatakse B korpuse esimese korruse peajaotuskilbi ruumi (B103). Inverterid ühendatakse hoone elektripaigaldisega peakilpi paigaldatavate 3xC63A kaitselülitite kaudu. Inverterite võimsus on 2 x 36 kw C ja D - korpuse PV paneelide inverter paigaldatakse keevituslaboris (C111) asuva jaotuskilbi K2 vahetusse lähedusse. Inverter ühendatakse hoone elektripaigaldisega peakilpi paigaldatava 3xC63A kaitselüliti kaudu. Inverteri võimsus on 36 kw. 29
2.8.3 Läbiviigud ja kaabeldus Kaablite läbiviimiseks seintest ja vahelagedest tehakse vajalikud avad kuni Ø 100 mm. Kui kaableid on rohkem, kui ühe läbiviigu jagu, tuleb teha mitu ava. Eri tuletõkke tsoonidest läbiviigud tuleb tihendada tuldtõkestava ainega vastavalt tuletõkkesektsiooni tuletõkke tulepüsivusastmele. Läbiviikudel kaitstakse üksikkaabel metallist läbivedamistoru abil. Mehhaanilistest koormustest täiesti vabades kohtades võib kaitse teha plastiktorust. Kõik läbivedamiskohad tihendatakse vastavalt teistele struktuuridele tuletõrjetehnika, akustika ning kütte-, veevarustuse- ja ventilatsioonitehnika seisukohalt.[40] Elektriinstallatsioon tehakse võimalikult varjatult (lagede taga, põrandas torudes, seintes süvistatult). Päiksepaneelide DC ühenduskaablid peavad olema arvestatud pingele vähemalt 1000 V.[40] Kaabeldus paneelidest inverterisse tehakse UV kindla SOLAR kaabliga 0,6/1kV ristlõikega 6 mm 2. Paneelide omavahelised ühenduse teha spetsiaalsete MC4 pistikühenduste abil. Läbiviigud tuletõkkesektsioonidest tuleb tihendada Päästeameti poolt sertifitseeritud tuldtõkestava tihendusainega vastavalt tuletõkketsooni tulepüsivuse astmele. Installatsioonitööde käigus tähistada kaablid mõlemast otsast skeemijärgsete tunnustega. Juhistike paigaldamisel tuleb tagada, et kaablid, juhtmed, nende klemmid ja liited ei saaks paigaldamise, käidu ega hooldustööde ajal mehaaniliselt kahjustada.[40] DC kaabeldus peab vastama alltoodud normdokumendi nõuetele: Eesti standard EVS-HD 60364-7-712:216 Nõuded eripaigaldistele ja -paikadele. Fotoelektrilised süsteemid. [40] Piksest tingitud indutseeritud pingete minimeerimiseks peab kõigi juhtmekontuuride pindala, eriti fotoelektriliste moodulijadade kaabeldus, olema võimalikult väike. Alalisvoolukaablid ja potensiaaliühtlustusjuhid peavad kulgema kõrvuti.[40] 2.8.4 Sidumine hoone elektripaigaldisega Hoonete elektrivarustuse tagavad objekti sisehoovis asetsevad liitumispunkt Elektrileviga tarbija toitekaabli kingadel alajaama nr. 116 0.4 kv jaotusseadems. 30
A - korpuse tootmisseadmete elektripaigaldiste toitepunktid asuvad A korpuse pööningul asuvas jaotuskilbis JK.K-2. B - korpuse tootmisseadmete elektripaigaldiste toitepunktid asuvad B korpuse esimesel korrusel asuvas peakilbi ruumis B103 B-korpuse peakilbis PJK. C ja D - korpuste tootmisseadmete elektripaigaldiste toitepunktid asuvad C korpuse esimese korrusel asuva keevituslabori C111 asuvas jaotuskilbis JK-K2. Lahenduse jaoks koostati ka Tallinna Tehnikakõrgkooli päikeseelektrijaama elektriskeem, kus on täpsemalt näha kuidas elektrijaam hoone elektripaigaldisega seotakse.(lisa 2) 2.9 Projekti maksumus Projekti maksumuse arvutus on tehtud koostöös ettevõtetega Eleväli AS, Solarest OÜ. Maksumuse arvutuseks on projekt jaotatud kolme erinevasse etappi: A korpuse kivikatus B korpuse lamekatus C ja D korpuse lamekatus Tabel 4 Projekti maksumuse arvutus etappide kaupa A- korpuse kivikatus Komponent kogus (tk, m) ühe ühiku hind ( ) KOKKU ( ) Päikesepaneel 300 W 124 127 15748 Inverter 36 kw 1 2950 2950 Siin 255 5 1275 Siini jätk 36 2.2 90 Kivikatusekinnitid 378 6 2268 Kinniti ja siini polt+mutter 378 0.3 113 Paneeli keskmised klambrid 234 1.5 351 Paneeli ääreklambrid 40 1.5 60 Päikesepaneelide kaabel 6mm2 500 0.6 300 MC4 pistikupesad 48 2.5 120 Abimaterjalid 1 200 200 Paigaldus, tõstmine, transport 124 26 3224 KOKKU 26699 31
B-korpuse lamekatus Komponent kogus (tk, m) ühe ühiku hind ( ) KOKKU ( ) Päikesepaneel 300W 264 127 33528 Inverter 36kW 2 2950 5900 Kinnitustarvikud 264 36 9504 Paneeli keskmised klambrid 494 1.5 741 Paneeli ääreklambrid 76 1.5 114 Päikesepaneelide kaabel 6mm2 960 0.6 576 MC4 pistikupesad 96 2.5 240 Abimaterjalid 1 200 200 Paigaldus, tõstmine, transport 264 20 5280 KOKKU 56083 C- ja D korpuse lamekatus Komponent kogus ühe ühiku hind ( ) KOKKU Päikesepaneel 300W 132 127 16764 Inverter 36kW 1 2950 2950 Kinnitustarvikud 132 40 5280 Paneeli keskmised klambrid 240 1.5 360 Paneeli äärmised klambrid 36 1.5 54 Päikesepaneelide kaabel 6mm2 380 0.6 228 MC4 pistikupesad 48 2.5 120 Abimaterjalid 1 200 200 Paigaldus, tõstmine, transport 132 20 2640 KOKKU 28596 Tabel 5 Projekti üldkulude arvutamine ÜLDKULUD Komponent kogus (tk, m) ühe ühiku hind ( ) KOKKU Veebimoodul inverteritele 1 400 400 Dokumentatsioon 1 650 650 Elektritarvikud 4 50 200 Elektritööd 20 50 1000 Kaitselahutuslüliti 4 25 100 CAT6 kaabel 200 0.7 144 Elektrikaabel 5g25 40 14.6 584 Switch 2 15 30 KOKKU 3108 32
Tabel 6 Tallinna Tehnikakõrgkooli päikeseelektrijaama kogumaksumus KOKKU Võimsus kw 156 Hind 114 486 Ühe kw hind /kw 733 Hinnad ei sisalda käibemaksu. Kõige suurema osa antud päikeseelektrijaama maksuvusest moodustab päikesepaneelide hind. Päikesepaneelide hinna sisse on arvestud ka tarne Eestisse. Kinnitustarvikud, mille hulka kuuluvad ka kõik klambrid ja muud kinnitid moodustavad projektis väga arvestatava osa, millele järgnevad paigaldus ja inverterite maksumus. Paigalduse hinna sisse on arvestatud ka komponentide objektile transportimine ja katustele tõstmine. Elektritarvikud ja üldkulud moodustavad projekti koguhinnast kõige väiksema osa. Üldkulude alla kuulub ka projekteerimin. Tallinna Tehnikakõrgkooli päikeseelektrijaama maksuvuse välja kujunemine on välja toodud joonisel 13. Joonis 13. Tallinna Tehnikakõrgkooli päikeseelektrijaama maksuvuse välja kujunemine 33
3. TALLINNA TEHNIKAKÕRGKOOLI PÄIKESELEKTRIJAAMA TASUVUSARVESTUS 3.1 Tootlikuse arvutamine Päikeseelektrijaama eeldatava tasuvusaja arvutamiseks on vaja kõigepealt teada elektrijaama tootlikust. Tootlikus arvutatakse antud töös PVGIS andmebaasi abil. PVGIS on päikeseenergia kalkulaator päikeselektrijaamade tootlikuse arvutamiseks ja hindamsieks. See rakendus arvutab elektrijaamade igakuise ja aastase potentsiaalse elektritootmise ning lisaks päikesepaneelidele langeva päikesekiirguse hulga ruutmeetri kohta. Arvutused põhinevad päikeseenergia kiirgusandmetele tunnis valitud asukohas. Arvutustel võetakse arvesse ka päikesepaneelide kaldenurka ning isegi moodulite jahutamist tuule abil.[38] Andmebaasis tuleb kõigepealt valida asukoht kuhu päikeelektrijaam rajatakse, et programm saaks täpselt arvestada antud asukoha tingimustega. Valikukastis Radiation database saab määrata andmebaasi mida arvutustes kasutatakse. Eestis toimib Classic PVGIS. Lisaks tuleb ära märkida süsteemi eeldatav kadude protsent, mis Eestis on 5%. See tuleneb inverterite tehniliste andmete ja Eestis praktikas mõõdetud tulemuste põhjal. Süsteemikadusid võivad tekitada mitu erinevat faktorit näiteks kaablid, inverterid, tolm päikesepaneelidel ja nii edasi. Aastate jooksul kalduvad moodulid ka natuke oma võimsust kaotama, mistõttu on keskmine aastane toodang kogu süsteemi tööea jooksul mõne protsendi võrra väiksem kui toodang esimestel aastatel. Ära tuleb määrata paigaldusviis ja katuse kaldenurk. Väga oluline on sisestada paneelide täpne suund. Kõige optimaalsem on lõuna suund ehk 0.[39] Töös arvutatakse lamekatusele ja kivikatusele paigaldatud päikesepaneelide tootlikus eraldi kuna nende kaldenurk on erinev ning lamekatuse puhul on süsteemi jahutus tuule tõttu parem, millega tõuseb ka päikesepaneelide tootlikus. 34
Joonis 14. A-korpuse kivikatusele paigaldatud päikesepaneelide süsteemi prognoositav tootlikus [38] Joonis 15. B, C ja D-korpuste lamekatusele paigaldatud päikesepaneelide süsteemi tootlikus [38] 35
Tabel 7 Tallinna Tehnikakõrgkooli päikeseelektrijaama kivikatusele ja lamekatusele paigaldatavade päikesepaneelide tootlikus ja neile langev päikesekiirguse hulk Kivikatuse paneelid 37.2 kw 22 Lamekatuse paneelid 118.8 kw 15 Kuu Päikesekiirguse hulk kwh/m2 Tootlikus kwh Kuu Päikesekiirguse hulk kwh/m2 Tootlikus kwh jaanuar 12.9 412 jaanuar 11.2 1090 veebruar 32.7 1110 veebruar 29.4 3170 märts 85.1 2900 märts 79.4 8810 aprill 131 4330 aprill 126 13700 mai 173 5550 mai 170 18100 juuni 172 5430 juuni 171 17900 juuli 173 5370 juuli 172 17600 august 140 4370 august 137 14000 september 88.7 2810 september 84.4 8720 oktoober 47.4 1520 oktoober 43.4 4460 november 14 420 november 12.5 1160 detsember 7.9 233 detsember 6.71 587 Kokku: 1077.7 34455 Kokku: 1043.01 109297 Tulemustest on näha, et nii lamekatusele kui ka kivikatusele paigaldatud paneelidele langeb kõige suurem päikesekiirguse hulk peale mai, juuni ja juuli kuus. Kuigi päikesekiirguse hulk nendel kuudel on põhimõtteliselt sama siis kõige suurema tootlikusega kuu on mai kuu. See tuleneb temperatuuride erinevusest. Madalama temperatuuriga on päikesepaneelide tootlikus efektiivsem. Kõige väiksem tootlikus on mõlema variandi puhul detsembri kuus, mil ka päikesekiirguse tase on aasta madalaim. Kuna antud projekt on tehtud etappide kaupa erinevatele katustele siis vaadeldatakse ka kõikide katuste tootlikust eraldi. A korpuse päikesepaneelide tootlikus kokku 34.4 MWh B korpuse päikesepaneelide tootlikus kokku 72.8 MWh C korpuse päikesepaneelide tootlikus kokku 23.7 MWh D korpuse päikesepaneelide tootlikus kokku 12.7 MWh Kogu süsteemi planeeritav tootlikus aastas oleks 143.7 MWh, mis teeb ühe paigaldatud kw kohta keskmiselt 0.921 MWh. 36
3.2 Tasuvusaja arvutamine Tasuvusaja arvutamiseks tuleb arvestada Tallinna Tehnikakõrgkooli elektrienergia tarbimisega, elektrihinna ja päikeseelektrijaama tootlikusega. Tabel 8 Tallinna Tehnikakõrgkooli elektrienergia tarbimise ja päikeseenergia tootmise võrdlus Kuu Tarbimine, kwh Päikeselektrijaama tootlikus, kwh Jaanuar 81000 1502 Veebruar 91176 4280 Marts 98201 11710 Aprill 82156 18030 Mai 70682 23650 Juuni 39517 23330 Juuli 28790 22970 August 35984 18370 september 66390 11530 oktoober 85936 5980 november 102125 1580 detsember 95115 820 Kokku: 877072 143752 Võttes arvesse, et 2017. aastal oli Tallinna Tehnikakõrgkooli keskmine elektrihind 0.089 /kwh, siis saab tulemuseks, et aastane eeldatav tulu antud päikeseelektrijaama lahenduse puhul oleks 12874. Tallinna Tehnikakõrgkooli päikeseelektrijaama maksumuseks kujunes 114558. Jagades elektrijaama maksumuse päikeseenergia pealt teenitud tuluga aastas saab päikeseelektrijaama eeldatava tasuvusaja aastates, milleks on vastavalt 9 aastat. Tulemuste kinnitamiseks viidi läbi antud elektrijaama tootlikuse simulatsioon PV*SOL päikeseelektrijaamade simulatsiooni programmis. Tulemused olid suures pildis samad, mis annab kindlust, et antud tulemusud on üpriski täpsed. Veel täpsema tasuvuse analüüsi tegemiseks tuleb analüüsida tasuvust päeva või isegi tunni lõikes. Seljuhul tuleks võrrelda tarbimise, kui ka PV-paneelide tootlikuse tunnigraafikut, et näha millal tootlikus ületab tarbimist. 37
KOKKUVÕTE Probleemiks oli Tallinna Tehnikakõrgkooli suur energiatarbimine ning vajadus oli leida alternatiivne elektrienergia saamise võimalus. Lõputöös koostati Tallinna Tehnikakõrgkoolile päikeseelektrijaama lahendus. Päikeseenergeetikat peetakse üheks perspektiivikamaks ning keskkonnasõbralikumaks energia saamise viisiks ning sellest on saamas väga tõsine alternatiiv fossiilkütustele põhinevale energeetikale. Fotoelektriliste ehk PV päikesepaneelide tehnoloogia populaarsust näitab ka viimaste aastate väga kiire tõus antud valdkonnas. Jätkuv tehnoloogia areng ja hindade odavnemine on tõstnud päikeseenergeetika taastuvenergia valdkonnas esiplaanile. Varem pole maailmas kunagi paigaldatud rohkem päikesepaneele, kui seda tehti 2016. aastal. Eeldatavalt on globaalselt paigaldatud päikesepaneelide võimsus ületanud käesoleval aastal 400 GW piiri ning tõuseb järgnevatel aastatel 100 GW aastas. Sarnaselt ülejäänud maailmaga on ka Eestis päikeseenergia kasutamine iga aastaga populaarsemaks muutumas. Inimeste huvi ja teadlikus rohelisema energia vastu on suurenenud ja järjest rohkem investeeritakse päikeseenergiasse, mis näitab, et päikeseenergia kasustuselevõtt on ennast ära tasuv investeering. Lahenduse koostamise käigus kirjeldati objekti hoonestust, energiatarbimist, geograafilist asukohta, ilmastikutingimusi, komponentide valikut ja tööde teostamist. Selgus, et Tallinna Tehnikakõrgkooli hoonestus on risti põhja ja lõuna ilmakaarega, mis on päikesepaneelide paigaldamise mõistes ideaalne tingimus, sest päikesepaneelid peavad olema maksimaalse tootlikuse saavutamiseks suunatud lõunasse. Kuna Tallinn asub rannikul siis on üldiselt seal pilvitum kui näiteks sisemaal. Lisaks on asukoha mõistes ka hea veel Tallinnas tugevam tuul ja jahedam temperatuur, mis aitavad kaasa efektiivsemale tootlikusele. Põhiliste komponentide, nagu inverterite ja päikesepaneelide valiku tegemisel võrreldi omavahel tunnustatud tootjate tooteid, mis vastasid välja toodud nõudmistele. Lõputöös koostati Tallinna Tehnikakõrgkooli päikeseelektri asendiplaan ning päikeseelektrijaama elektriskeem. Asendiplaani koostades arvestati katusel asetsevate erinevate seadmete ja 38
Süsteemidega nagu näiteks korstnad, antennid ja ventilisatsiooni agregaadid. Lahenduse jaoks koostati ka Tallinna Tehnikakõrgkooli päikeseelektrijaama elektriskeem, kus on täpsemalt näha kuidas elektrijaam hoone elektripaigaldisega seotakse. Projekti maksumuse arvutus tehti koostöös ettevõtetega Eleväli As ja Solarest OÜ. Maksumuseks kujunes 114 483, mis teeb ühe kw kohta 744. Kõige suurema osa antud päikeseelektrijaama maksuvusest moodustab päikesepaneelide hind. Kinnitustarvikud, mille hulka kuuluvad ka kõik klambrid ja muud kinnitid moodustavad projektis väga arvestatava osa, millele järgnevad paigaldus ja inverterite maksumus. Päikeseelektrijaama eeldatava tootlikuse arvutamiseks ja selle hindamiseks kasutati PVGIS andmebaasi, mille tulemused on üpriski täpsed. PVGIS andmebaasi arvutused põhinevad päikeseenergia kiirgusandmetele tunnis valitud asukohas. Arvesse võetakse veel ka ilmastikutingimusi, süsteemikadusi ja päikesepaneelide kaldenurka. Kogu süsteemi planeeritav tootlikus aastas oleks 143.7 MWh, mis teeb ühe paigaldatud kw kohta keskmiselt 0.921 MWh. Tasuvusaja arvutamisel arvestati Tallinna Tehnikakõrgkooli elektrienergia tarbimisega, elektrihinna ja päikeseelektrijaama tootlikusega. Võttes arvesse, et 2017. aastal oli Tallinna Tehnikakõrgkooli keskmine elektrihind 0.089 /kwh, siis saab tulemuseks, et aastane eeldatav tulu antud päikeseelektrijaama lahenduse puhul oleks 12874. Tallinna Tehnikakõrgkooli päikeseelektrijaama maksumuseks kujunes 114558. Jagades elektrijaama maksumuse päikeseenergia pealt teenitud tuluga aastas saab päikeseelektrijaama eeldatava tasuvusaja aastates, milleks on vastavalt 9 aastat. Antud lahenduse tasuvusaeg on Eestis väga reaalne ja piisavalt lühike, et investeerida päikeseenergiasse. Lõputöö autori üheks eesmärgiks antud teema valimisel oli saada lõputöö kirjutamisel kogemusi ja teadmisi, mis aitavad pärast lõpetamist paremini siirduda päikeseenergeetika valdkonnaga seotud tööturule. Lõputöö kirjutamisel puutus autor kokku päikeseelektrijaama lahenduse koostamisel tekkivate probleemidega ning nende probleemide lahendamisega. Autori soov on jätkata enda harimisega päikesenergeetika valdkonnas ning töötada erinevate päikeseelektrijaamade lahenduste koostamisega. 39