Itsestään puhdistuvat aurinkopaneelit : Toiminta ja tehokkuus
Räisänen, Aleksi (2023)
Räisänen, Aleksi
2023
Teknisten tieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-05-17
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305105566
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305105566
Tiivistelmä
Uusiutuvien energianlähteiden lisääntynyt käyttö on keskeinen osa ilmastonmuutoksen vastaista toimintaa. Erityisesti aurinkosähkö on monipuolisesti hyödytettävissä ja tässä opinnäyte-työssä on tarkoitus tutkia itsestään puhdistuvien aurinkopaneeleiden toimintaperiaatetta. Tavoitteena on selvittää, kuinka aurinkopaneelit muuntavat valon sähkövirraksi ja mitkä tekijät vaikuttavat aurinkopaneeleiden toimintatehokkuuteen. Työssä tarkastellaan erityisesti aurinkopaneeleiden tehokkuuden kasvattamista itsestään puhdistuvuusmenetelmillä ja pinnoitteilla.
Työssä käsiteltiin ensin aurinkopaneeleiden rakennetta ja ominaisuuksia yleisesti, jonka jälkeen kuvailtiin valosähköisen ilmiön toiminta aurinkopaneeleissa. Yksinkertaisesti valo sisältää energiaa, joka voi irrottaa elektroneja atomien ytimien vaikutuksesta. Elektronien vapautumisen yhteydessä syntyy myös paikallisia elektronivajauksia, jolloin varauksen kuljettajina toimivat niin negatiivisesti varautuneet elektronit kuin positiivisesti varautuneet elektroniaukot. Elektronit voivat siirtyä aukosta toiseen ja siitä syystä aukot toimivat varauksenkuljettajina. Varauksenkuljettajien liikettä voidaan ohjata sähkökenttien avulla, jolloin aurinkopaneeliin muodostuu sähkövirta.
Työssä tarkasteltiin eri tekijöiden vaikutusta aurinkopaneelin tehokkuuteen. Tekijät voidaan jaotella sisäisiin ja ulkoisiin tekijöihin. Sisäisistä tekijöistä merkittävimmät ovat aurinkopaneelissa käytetty aurinkokennoteknologia ja rakeenteellinen ehjyys. Erilaisia aurinkokennoteknologioita on useita eri kehitysvaiheissa ja niiden hyötysuhteet sekä heikkoudet ja vahvuudet vaihtelevat merkittävästi aurinkokennosta riippuen. Aurinkokennoihin kohdistuu erilaisia ympäristön kohdistamia rasituksia, joiden vaikutuksesta aurinkokennot heikkenevät käyttöikänsä aikana johtaen toimintatehokkuuden laskuun. Heikkeneminen voidaan jakaa nopean ja lyhytkestoiseen- sekä hitaaseen ja pitkäkestoiseen heikentymiseen. Ulkoisista tekijöistä kaikki mikä vaikuttaa aurinkopaneelille saapuvan valon määrään tai laatuun, vaikuttaa myös aurinkopaneelin toimintatehokkuuteen. Etenkin likaantuminen on ongelmallista, sillä se estää valon saapumisen aurinkopaneeliin sekä mahdollistaa kuumienpisteiden muodostumisen. Sen vuoksi aurinkopaneelin itsestään puhdistuvuus voi parantaa merkittävästi aurinkopaneelin tehokkuutta riippuen kuitenkin käyttöympäristöstä.
Itsestään puhdistuva pinta voidaan aurinkopaneeleilla saavuttaa kolmella menetelmällä. Nämä ovat mekaaninen- ja sähköstaattinen itsestään puhdistuvuus sekä itsestään puhdistuvat pinnoitteet. Mekaanisessa itsestään puhdistuvuudessa aurinkopaneelin yhteyteen rakennetaan erillinen puhdistusjärjestelmä, joka puhdistaa pinnan esimerkiksi vettä tai harjoja käyttäen. Sähköstaattisissa menetelmissä pöly ensin ionisoidaan, jonka jälkeen lika ohjataan pois sähkökenttiä käyttämällä. Sähköstaattisuus soveltuu erityisesti kuiville alueille, jossa veden käyttö ei ole järkevää ja pöly on likaantumisen merkittävin aiheuttaja. Itsestään puhdistuvien pinnoitteiden tapauksessa puhdistuvuus pohjautuu veden käyttäytymiseen pinnoitteella. Pinnoitteet jaetaan hydrofobisiin eli vettä hylkiviin ja hydrofiilisiin eli vesihakuisiin pinnoitteisiin. Näiden lisäksi on amfifobisia pinnoitteita, jotka hylkivät veden lisäksi myös muita orgaanisia nesteitä. Pinnoitteiden toiminta perustuu lian kuljettamiseen pinnalta veden mukana, jolloin pinnoitteet eivät sovellu erittäin kuiviin ympäristöihin. Huomioitavaa on kuitenkin se, että itsestään puhdistuvuuden vaikutus aurinkopaneelin tehokkuuteen riippuu voimakkaasti käyttöympäristöstä.
Työssä käsiteltiin ensin aurinkopaneeleiden rakennetta ja ominaisuuksia yleisesti, jonka jälkeen kuvailtiin valosähköisen ilmiön toiminta aurinkopaneeleissa. Yksinkertaisesti valo sisältää energiaa, joka voi irrottaa elektroneja atomien ytimien vaikutuksesta. Elektronien vapautumisen yhteydessä syntyy myös paikallisia elektronivajauksia, jolloin varauksen kuljettajina toimivat niin negatiivisesti varautuneet elektronit kuin positiivisesti varautuneet elektroniaukot. Elektronit voivat siirtyä aukosta toiseen ja siitä syystä aukot toimivat varauksenkuljettajina. Varauksenkuljettajien liikettä voidaan ohjata sähkökenttien avulla, jolloin aurinkopaneeliin muodostuu sähkövirta.
Työssä tarkasteltiin eri tekijöiden vaikutusta aurinkopaneelin tehokkuuteen. Tekijät voidaan jaotella sisäisiin ja ulkoisiin tekijöihin. Sisäisistä tekijöistä merkittävimmät ovat aurinkopaneelissa käytetty aurinkokennoteknologia ja rakeenteellinen ehjyys. Erilaisia aurinkokennoteknologioita on useita eri kehitysvaiheissa ja niiden hyötysuhteet sekä heikkoudet ja vahvuudet vaihtelevat merkittävästi aurinkokennosta riippuen. Aurinkokennoihin kohdistuu erilaisia ympäristön kohdistamia rasituksia, joiden vaikutuksesta aurinkokennot heikkenevät käyttöikänsä aikana johtaen toimintatehokkuuden laskuun. Heikkeneminen voidaan jakaa nopean ja lyhytkestoiseen- sekä hitaaseen ja pitkäkestoiseen heikentymiseen. Ulkoisista tekijöistä kaikki mikä vaikuttaa aurinkopaneelille saapuvan valon määrään tai laatuun, vaikuttaa myös aurinkopaneelin toimintatehokkuuteen. Etenkin likaantuminen on ongelmallista, sillä se estää valon saapumisen aurinkopaneeliin sekä mahdollistaa kuumienpisteiden muodostumisen. Sen vuoksi aurinkopaneelin itsestään puhdistuvuus voi parantaa merkittävästi aurinkopaneelin tehokkuutta riippuen kuitenkin käyttöympäristöstä.
Itsestään puhdistuva pinta voidaan aurinkopaneeleilla saavuttaa kolmella menetelmällä. Nämä ovat mekaaninen- ja sähköstaattinen itsestään puhdistuvuus sekä itsestään puhdistuvat pinnoitteet. Mekaanisessa itsestään puhdistuvuudessa aurinkopaneelin yhteyteen rakennetaan erillinen puhdistusjärjestelmä, joka puhdistaa pinnan esimerkiksi vettä tai harjoja käyttäen. Sähköstaattisissa menetelmissä pöly ensin ionisoidaan, jonka jälkeen lika ohjataan pois sähkökenttiä käyttämällä. Sähköstaattisuus soveltuu erityisesti kuiville alueille, jossa veden käyttö ei ole järkevää ja pöly on likaantumisen merkittävin aiheuttaja. Itsestään puhdistuvien pinnoitteiden tapauksessa puhdistuvuus pohjautuu veden käyttäytymiseen pinnoitteella. Pinnoitteet jaetaan hydrofobisiin eli vettä hylkiviin ja hydrofiilisiin eli vesihakuisiin pinnoitteisiin. Näiden lisäksi on amfifobisia pinnoitteita, jotka hylkivät veden lisäksi myös muita orgaanisia nesteitä. Pinnoitteiden toiminta perustuu lian kuljettamiseen pinnalta veden mukana, jolloin pinnoitteet eivät sovellu erittäin kuiviin ympäristöihin. Huomioitavaa on kuitenkin se, että itsestään puhdistuvuuden vaikutus aurinkopaneelin tehokkuuteen riippuu voimakkaasti käyttöympäristöstä.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8709]