Kas oleks võimalik projekteerida piisavalt väikseid ja paindlikke jõuelektroonika muundureid, mis oleks universaalsed sobides kokku erinevate päikesetehnoloogiatega uutes hoonetes?

Hooned on meie elu keskseks osaks. Sellest tulenevalt tarbivad hooned jämedalt 40 % kogu energiast ja tekitavad arvestatava koguse CO2 emissiooni. Möödunud kümnendil arendas inimkond uusi materjale ja tehnoloogiaid, selleks et parendada hoonete energiatõhusust ja vähendada energiakulu. Samal ajal arenesid ka teised seotud valdkonnad nt elektrivõrgud. Mingil hetkel sai selgeks, et hajus elektritootmine ja salvestamine on parim viis elektrivarustuse optimeerimiseks ja stabiilsuse suurendamiseks. Olles osa hajatootmisest, ei ole 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. Enamik meist on harjunud päikesepaneelidega majade katustel, aga tegelikult saab päikesepaneele integreerida ka katuste sisse, seintesse või isegi akendesse. 

Valik aina kasvab

Päikesefassaadide areng on toonud kaasa palju uusi tehnoloogilisi lahendusi ja nende pakkujaid. Turul on saada tooteid väga erineval kujul ja kõikvõimalikes värvides. Eesmärgiks on asendada tüüpilised fassaadielemendid, nagu metallist seinapaneelid, fassaadikivid jne elektrit tootvate elementidega. See tähendab, et päikesefassaadil oleks kaks funktsiooni: energia tootmine ja esteetilise välimuse tagamine (vt päikesefassaadi ühes Taanimaa koolis). Tavapärased fassaadielemendid on edukalt asendatut fotoelektriliste plaatidega, mis suudavad ka elektrit toota. Samas tegu on pigem tavapärase lahendusega kuna tulevikus võiks hooned olla rohkem ümaramate vormidega, et paremini püüda päikeseenergiat varavalgest kuni õhtuni. 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: nt päikesepaneelidest katused, päikest püüdvad aknad ja isegi elektrit tootvad teekatendid. 

Päikesetehnoloogiliste lahenduste suur hulk ja kokkusobimatus teeb mitme erineva lahenduse kasutamise ja elektrivõrku ühendamise ühe hoone piires keerukaks. Osad tooted võivad omada pinget 3 volti (võrdub kahe AA patareiga), samal ajal kui õhukesekilelised (ingl thin-film) päikeseelemendid omavad pinget kuni 100 volti.

Selline parameetrite hajutatus (peaaegu juhuslik jaotus) nõuab igalt müüjalt erilahendusega jõuelektroonika muunduri arendamist. See pidurdab päikesetehnoloogia integratsiooni hoonetesse ja piirab lahenduste paindlikkust. Päikesetehnoloogia rakendamiseks ehitussektoris oleks vaja soodsaid, kompaktseid jõuelektroonika muundureid, mis suudaks töötada erinevate fotoelektriliste elementidega.

Tallinna Tehnikaülikooli teadlase loodud uudne muundur

Selliste muundurite arendamine on paljude jõuelektroonika teadlaste eesmärgiks. Nende seas ka Andrii Chub, Tallinna Tehnikaülikooli elektroenegeetika ja mehhatroonika instituudi vanemteadur, kes on välja töötanud uudse muunduri, 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,” publitseeritud ajakirjas IEEE Transactions on Power Electronics selgitab, kui oluliselt erinevad paksukihilised päikeseelemendid õhukesekilelistest elementidest.

Ta 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. „Ta 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 peenem kui 20 mm. Arvestades sealjuures tema elektriparameetritega, ei leidu teist taolist muundurit maailmas,“ selgitab Chub.

See uusarendus täiendab Eesti roheenergia toodete laialdast portfelli, mis sobivad päikeseenergiahoonetele ja ka linnaosadele.