Tehnikaülikoolis loodud uudne muundur liidab erinevad päikeseelektri tehnoloogiad ühte võrku
4. märts 2022, 17:48
/nginx/o/2022/03/04/14408012t1ha2f6.jpg)
- Arendatav muundur mahub lahedalt päikesefassaadide ja -katuste alla
- Muundur on väiksem kui A5 paber ja vähem kui 20 mm paksune
Tallinna Tehnikaülikooli teadlase loodud uutmoodi muundur ühendab päikeseenergiahoonetes kõige erinevamaid päiksetehnoloogiaid, mida saab koos kasutada. Seade on seni puudunud lüliks erinevate päikesetehnoloogiate ja elektrivõrgu või majasisese mikrovõrgu vahel.
Fotoelektriliste materjalide ja seadmete tehnoloogia kiire areng on tekitanud hea võimaluse integreerida päikeseenergia tootmine otse hoone konstruktsioonidesse, kuna ka hinnad on selle joaks langenud juba mõistlikule tasemele.
Tehnikaülikooli jõuelektroonika uurimisrühma vanemteaduri Andrii Chubi sõnul kutsutakse selliseid hooneid päikeseenergiahooneteks (ingl. k solar building), kuid tihti on sealjuures puuduvaks lüliks sobiv muundur päikesepaneelide ja elektrivõrgu või majasisese mikrovõrgu vahel.
Teadlased uurisid, kas oleks võimalik projekteerida piisavalt väikeseid ja paindlikke jõuelektroonika muundureid, mis oleks universaalsed, sobides kokku erinevate päikesetehnoloogiatega uutes hoonetes.
Hooned tarbivad ligikaudu 40% kogu energiast ja tekitavad arvestatava koguse süsinikdioksiidi. Möödunud kümnendil arendas inimkond uusi materjale ja tehnoloogiaid selleks, et hoonete energiatõhusust parandada ja elektrikulu vähendada. Samal ajal arenesid ka teised seotud valdkonnad, nagu elektrivõrgud. Mingil hetkel sai selgeks, et hajus elektritootmine ja salvestamine on parim viis elektrivarustuse optimeerimiseks ja stabiilsuse suurendamiseks majas. Olles osa hajatootmisest, pole hooned enam lihtsalt tarbijad, vaid ka elektri tootjad ja salvestajad.
Päikeseenergeetika pakub soodsat ja paindliku lähenemist energiatõhusatele hoonetele. Alles hiljuti on saanud kasvavaks trendiks n-ö päikeseenergeetikast lähtuv arhitektuur, mis aitab tagada hoonete vastavuse uutele energiatõhususe standarditele. Päikesepaneelidega majade katustel ollakse juba harjunud, aga tegelikult saab neid integreerida ka katuste sisse, seintesse või isegi akendesse.
Valik aina kasvab
Päikesefassaadide areng ongi toonud palju uusi tehnoloogilisi lahendusi ja nende pakkujaid. Tooteid saab osta väga erineval kujul ja kõikvõimalikes värvides. Üheks tulevikueesmärgiks on asendada tüüpilised fassaadielemendid, nagu metallist seinapaneelid, fassaadikivid jne elektrit tootvate elementidega.
See tähendab, et päikesefassaadil on kaks funktsiooni: energia tootmine ja silmailu pakkuva välimuse tagamine (vt päikesefassaadi ühes Taani koolis). Tavalised fassaadielemendid on seal edukalt asendatud fotoelektriliste plaatidega, mis suudavad ka elektrit toota.
Vaja on ümaramaid maju
Samas tegu on pigem tavalise lahendusega, kuna tulevikus võiks hooned olla rohkem ümaramate vormidega, et paremini püüda päikeseenergiat varavalgest õhtuni igast suunast. Hea näide sellisest hoonest on «Solar Rock» projekt, mis tehti tellimustööna ühte Taiwani tööstusparki.
Päikesefassaadid on ainult üks näide hoonesse integreeritud päikesetehnoloogiast. Uued lahendused ilmuvad igapäevaselt ja turg antud sektoris kahekordistub järgneva kahe aasta jooksul.
Uusi tooteid ja tehnoloogiat arendatakse ka Eestis: näiteks on olemas päikesepaneelidest katusekatted, päikest püüdvad aknad ja isegi elektrit tootvad teekatendid.
Päikesetehnoloogiliste lahenduste suur hulk ja omavaheline kokkusobimatus teeb mitme erineva lahenduse kasutamise ja elektrivõrku ühendamise ühe hoone piires üsna keeruliseks. Osad tooted võivad omada pinget 3 volti (võrdub kahe AA patareiga), samal ajal kui õhukese-kilelised (ingl. k thin-film) päikeseelemendid pakuvad pinget kuni 100 volti.
Selline parameetrite hajutatus ehk peaaegu juhuslik jaotus nõuab igalt müüjalt erilahendusega jõuelektroonika muunduri arendamist. See omakorda aga pidurdab päikesetehnoloogia integratsiooni hoonetesse ja piirab lahenduste paindlikkust. Päikesetehnoloogia rakendamiseks ehitussektoris oleks vaja soodsaid, kompaktseid jõuelektroonika muundureid, mis suudaks töötada erinevate fotoelektriliste elementidega.
/nginx/o/2022/03/04/14407956t1h3b9d.jpg)
Tehnikaülikooli teadlase uudne muundur mahub igale poole
Selliste muundurite arendamine on paljude jõuelektroonika teadlaste eesmärgiks. Sedasama arendab Tallinna Tehnikaülikooli elektroenegeetika ja mehhatroonika instituudi vanemteadur Andrii Chub, kes on välja töötanud uudse seadme, mis lahendab kõik eelpool mainitud probleemid.
Tema teadusartikkel «Ultrawide Voltage Gain Range Microconverter for Integration of Silicon and Thin-Film Photovoltaic Modules in DC Microgrids,» mis publitseeriti ajakirjas IEEE Transactions on Power Electronics selgitab, kui oluliselt erinevad paksukihilised päikeseelemendid õhukesekilelistest elementidest ja kuidas neid ühendada ühtsesse võrku.
Tehnikaülikooli teadlane täheldab, et tõeliselt universaalne liidesmuundur peab suutma töötada sisendpinge vahemikus 5 V (mobiili laadimispinge) kuni 100 V, mis nõuab kahekümnekordset reguleerimisulatust.
Tänu Eesti Teadusagentuuri arendusgrandile EAG9 «Universaalne muundur päikesepaneelide ühendamiseks mikrovõrguga» suutis doktor Chub arendada seadme, mis töötab kõigi hoonetes kasutatavate päikesetehnoloogiatega, andes arhitektidele ja projekteerijatele palju vabadust päikesetehnoloogiliste lahenduste integreerimiseks.
Chub ise nendib, et arendatav muundur on mõeldud sobituma päikesefassaadide ja -katuste alla. «See on piisavalt väike ja efektiivne ning väldib kulukaid eriarendusi. Tänu Eesti Teadusagentuuri toetusele oleme loonud uue muundurite klassi, mida pole varem nähtud ei kirjanduses ega praktikas. Muundur on väiksem kui A5 paber ja vähem kui 20 mm paksune. Arvestades sealjuures tema elektriparameetritega, ei leidu teist taolist muundurit maailmas,» selgitab Chub.