Teksti: Kalevi Rantanen

Jopa Suomessa talo voi saada kaiken käyttämänsä energian auringosta, mutta hinta on vielä kova. Kalliita kennoja tarvitaan vähemmän, kun auringonvalo keskitetään niihin. Kohta tätä sovelletaan pientaloissakin.

Julkaistu Tiede-lehdessä 3/2009

Vuonna 1993 Pietarsaaren asuntomessuille rakennettiin 166 neliön aurinkotalo IEA5.

Rakennusajan tekniikalla talo tuotti aurinkosähköä noin 11 kilowattituntia neliömetriä kohti. Valtion teknillinen tutkimuskeskus on laskenut, että uudella, vuoden 2008 tekniikalla talossa pystyttäisiin keräämään sähköä huomattavasti enemmän, 45 kilowattituntia neliötä kohti.

– Taloa rakennettaessa aurinkokennojen hyötysuhde oli neljä prosenttia, nyt se 16–17 prosenttia, asiakaspäällikkö Jyri Nieminen VTT:stä kuvailee kehitystä.

Koska sähkön kulutus pystytään nykytekniikalla puristamaan 25 kilowattituntiin neliöltä, kennojen tuottamasta 45:stä jäisi vielä 20 kilowattituntia muuhun käyttöön.

Lämmitykseen menee nykytekniikalla 55 kilowattituntia per neliö. Auringosta on saatavissa lämpönä 12 kilowattituntia, ja lämpöpumpusta tulee loput 43 kilowattituntia.

Lämpöpumpun pyörittämiseen menee sähköä 15 kilowattituntia. Kun kennot siis tuottavat 20 kilowattituntia ylijäämää, viimeiselle riville jää jopa voittoa viisi kilowattituntia. Vaikuttaa hyvältä.

Kennot yhä kalliita

Suomessakin on teknisesti mahdollista rakentaa talo, joka saa auringosta jopa hiukan enemmän energiaa kuin kuluttaa. Edessä on vain yksi mutta sitäkin kovempi este. Puolijohdekennot ovat yhä niin kalliita, että aurinkosähkö maksaa kymmenen kertaa enemmän kuin verkosta ostettu.

Tutkijat lupailevat kilpailukykyisiä kennoja joskus viiden, kymmenen tai pahimmillaan kolmenkymmenen vuoden kuluttua (ks. Uudet kennot kirivät, Tiede 2/2007, s. 16–20). On tylsää odottaa niin kauan. Siksi on etsitty kiertoteitä. Yksi ratkaisu on keskittävä aurinkokennovoima, jota on jo kokeiltu suurissa voimaloissa (ks. Sähköä autiomaasta, Tiede 2/2009, s. 22–23).

Jos varsinkin tehokkaat kennot ovat kalliita, niin olkoot sitten. Keskitetään valo peileillä ja linsseillä, jolloin kennon pinta-alaa voidaan pienentää.

Pyramideja pintaan

Arkkitehti Anna Dysonin tutkimusryhmä Rensselaerin teknisestä yliopistosta New Yorkista ehdottaa keskittävää tekniikkaa asuntoihin ja muihin rakennuksiin.

Pyramidimäisen linssin sivun pituus on 25 senttiä. Jokaisen pyramidin kärjessä on postimerkin kokoinen, monikerroksinen galliumarsenidikenno, jonka hyötysuhde on 30 prosenttia. Auringonvalo tulee kennoon viisisataakertaisesti vahvistettuna.

Pyramidilinssit on sijoitettu kahden lasilevyn väliin. Näistä elementeistä voidaan koostaa ikkunamaisia pintoja, joista myös lämpö kerätään talteen.

Tietokoneohjauksiset sähkömoottorit suuntaavat linsseja päivän mittaan niin, että auringonvalo hyödynnetään maksimaalisesti. Hienostunut ohjauslaitteisto on samalla ongelma, sillä suuren linssijoukon kääntelemiseksi tarvitaan paljon mekaniikkaa ja elektroniikkaa.

Eroon liikkuvista osista

Onneksi jo 1970-luvulla ideoitiin luminesenssipaneeli, joka keskittää säteilyn kennoihin ilman yhtään liikkuvaa osaa.

Luminesenssipaneelin pinta imee auringonsäteet ja säteilee ne taas eteenpäin mutta eri aallonpituudella. Säteet ohjataan pinnan suuntaisesti paneelin reunoihin, joihin aurinkokennot sijoitetaan.

 
Luminesenssitekniikkaa tutkittiin Suomessakin noin 25 vuotta sitten. Ongelmana oli, että paneeli kuljetti energiaa kennoihin tehottomasti. Osa valosta uuvahti matkalla. ”Eri puolilla maailmaa tullaan lähiaikoina tekemään vilkasta tutkimustyötä, jotta luminesenssikeräinten valonkokoamiskyky saataisiin paremmaksi”, ennakoi Turun yliopiston tutkija Jukka Kohtala tässä lehdessä vuonna 1983 (Uuden keräimen valonkääntötemppu, Tiede 2000 3/1983, s. 16–17).

Kestoa puuttuu vielä

Tutkimusta on todella tehty. Orgaanisen elektroniikan tutkija, professori Marc E. Baldo ja hänen työtoverinsa Massachusettsin teknisestä yliopistosta MIT:stä kertoivat viime kesänä tiedelehti Sciencessä kehittäneensä luminesenssikeräimen, jossa noin 80 prosenttia valosta etenee kennoihin asti.

Baldon tiimi hyödynsi lasertekniikassa kehitettyjä ratkaisuja. Nyt on vielä saatava paneeli kestämään tarpeeksi pitkään. Tämänkin ongelman tutkijat aikovat ratkaista lainaamalla ideoita toiselta alalta, tällä kertaa orgaanisten ledien tekniikasta.

Tutkijoiden perustama yritys lupaa kaupallisen tuotteen markkinoille kolmen vuoden päästä. Osittain valoa läpäisevä keräin voi toimia samalla ikkunana.

Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Aurinkotalojen kymmenottelu

Yhdysvaltojen energiaministeriö järjestää korkeakoulujen opiskelijajoukkueille joka toinen vuosi kansainvälisen Solar Decathlon -kilpailun. Joukkueen on kahdessa vuodessa suunniteltava ja rakennettava 800 neliöjalan eli noin 75 neliömetrin aurinkotalo ja sitten asuttava siinä noin viikon verran.

Eurooppalaiset korkeakoulut ovat äskettäin aloittaneet oman vastaavan kilpailunsa. Suomesta siihen osallistuu Aalto-yliopiston joukkue.

Edellisen kansainvälisen kilpailun voitti 2007 Darmstadtin tekninen korkeakoulu Saksasta. Nyt käynnissä olevan kilpailun voittaja ratkeaa syksyllä 2009. Mukana on 20 joukkuetta Yhdysvalloista, Puerto Ricosta, Kanadasta, Saksasta ja Espanjasta.

Pisteitä jaetaan kymmenessä lajissa:

– arkkitehtuuri
– tekniikka
– kilpailukyky markkinoilla
– talon esittely eli markkinointiviestintä
– asumismukavuus
– kodintekniikan toimivuus
– lämminvesiratkaisut
– valaistus
– energiatase
– liikkuminen: käyttämällä talon tuottamaa aurinkosähköä on ajettava mahdollisimman pitkä matka liikenteeseen hyväksytyllä sähkökulkuneuvolla.
Lisätietoja kilpailusta: www.solardecathlon.org

Keräin katolla auttaa lämmittäjää

Aurinkosähkötekniikan syvää läpimurtoa saamme vielä vähän aikaa odottaa, mutta lämmityksessä aurinkoenergia kannattaa jo.

Aurinko päästää pälkähästä etenkin niitä öljylämmittäjiä, joilla on hyväkuntoinen kattila mutta joita polttoaineen hinta rasittaa.

Vuonna 2004 Heinolan asuntomessuille rakennettiin 250-neliöinen ”aurinkoöljytalo”, jonka katolla on kahdentoista neliömetrin aurinkokeräin. Jo ensimmäisenä vuonna keräin säästi öljyä 20 prosenttia tilojen ja 30 prosenttia käyttöveden lämmityksessä.

Öljykattiloiden määrä vähenee pikku hiljaa ja tilalle tulee muita lämmitysratkaisuja, joita niin ikään täydennetään aurinkolämmöllä. Porin loma-asuntomessujen alueelle asennettiin 2008 aurinkokeräin sähkölämmitteiseen Villa Luvataan.

Laitteen kehittivät kuparivalmisteiden tuottaja Luvata ja aurinkokeräintekniikan valmistaja Aurinkotori Oy. Keräin toimii samalla kattoelementtinä. Materiaalina käytetty kupari siirtää lämpöä hyvin.

Valmistajat lupaavat, että kymmenen neliön keräin tuottaa vuodessa noin 4 000 kilo-wattituntia aurinkoenergiaa lämmitystä varten; tyypillisen pientalon lämmönkulutus on noin 20 000 kilowattituntia vuodessa. Siirryttäessä matalaenergia- ja passiivitaloihin kulutus pienenee ja aurinkolämmön prosenttiosuus kasvaa.