Fotoelektra

Turinys
Įžanga 3
Saulės energijos charakteristika 4
Saulės elektrinės 4
Saulės elektrinių tipai ir sandara 4
Fotoelektriniai moduliai 5
Fotoelektrinių modulių charakteristikos 6
Akumuliatorių baterija 7
Inverteris 8
Energijos gamybos saulės elektrinėse ypatybės 8
Lietuvos saulės energijos ištekliai 9
Fotoelektros naudojimas Lietuvoje 11
Mokslo tyrimai ir taikymas 12
Saulės šilumos panaudojimas 13
Fotelektros plėtros perspektyvos 14
Išvados. 17
Literatūra 18Įžanga
Saulė yra milžiniškas energijos šaltinis. Kas sekundę saulėje 5mln. Tonų masė virsta energija. Tik maža energijos dalis pasiekia žemę, tačiau ji dešimtis tūkstančių kartų viršija mūsų poreikius. Metiniams žmonijos energijos poreikiams patenkinti užtektų per kelias valandas žemės paviršių pasiekiančios energijos. Reikia tik mokėti ja pasinaudoti.
Viena geičiausiai pasaulyje besivystančių energetikos rūšių yra fotoelektra, paremta tiiesioginiu saulės šviesos vertimu į elektros energiją. Fotoelektrinių keitiklių istorija prasidėjo 1839 m., prancūzų mokslininkui E.Becquerelui atradus fotoelektrinį efektą. 1958 m. JAV kosminiuose palydovuose buvo įrengti fotoelektriniai moduliai, kurie aprūpindavo elektra radijo ryšio aparatūrą. Nuo tada fotoelektra kosmose tapo vieninteliu ir nepakeičiamu energijos šaltiniu. Plačiau fotoelektrą buityje pradėta naudoti po 1973-74 m. naftos krizės. Paskutinius penkis metus fotoelektrinių modulių gamyba Pasaulyje augo vidutiniškai po 33 proc. kasmet ir 2001 m. pagamintų modulių bendra galia sudarė 410 MW (1 diagrama). Dar greitesni augimo tempai planuojami artimiausiais metais. Nors saulė yrra pats galingiausias atsinaujinančios energijos šaltinis Žemėje. Apskaičiuojama, kad teorinis metinis pasaulio saulės energijos potencialas sudaro 900 000 000 TWh ir yra apie 60 kartų didesnis už teorinį metinį pasaulio vėjo energijos potencialą, apie 2 200 kartų didesnis už teorinį metinį geoterminės energijos potencialą, apie 4 500 kartų –

už biomasės ir apie 36 000 kartų – už hidroenergijos teorinius metinius pasaulio potencialus. Nepaisant tokio didumo, saulės energijos potencialas elektrai ir šilumai gaminti kol kas naudojamas mažiausiai. Tokia padėtis susiklostė neatsitiktinai: pati saulės energija yra išsisklaidžiusi, silpnai koncentruota, o jos parametrai stochastiškai kinta plačiose ribose priklausomai nuo paros ir metų laiko. Dėl šių priežasčių ankstyvesnių galimybių efektyviai naudoti saulės energiją netgi šilumai gaminti nesusidarė. Kad saulės spindulinę energiją būtų galima pradėti efektyviai naudoti elektrai gaminti tiesiogiai (naudojant tik vieną energijos konversijos pakopą), mokslas ir technologijos turėjo pasiekti pakankamai aukštą lygį. Reikėjo atrasti fotoelektros reiškinį, išrasti ir pakankamai ištobulinti fotoelektrinius keitiklius ir sukurti pakankamai efektyvias iš saulės gautos elektros energijos konversijos technologijas, kurios užtikrintų stabilių standartinių parametrų energijos tiekimą bet kuriuo paros metu. Footoelektriniai keitikliai buvo išrasti tik prieš 50 metų (1954), tuo tarpu kai ženkliai paprastesnės biomasės kuro deginimo, vandens ir vėjo energijos naudojimo technologijos buvo kuriamos ir naudojamos šimtmečiais ir tūkstantmečiais. Dėl to pastarieji atsinaujinančiosios energijos šaltiniai šiuo metu naudojami kur kas daugiau. Laikui bėgant fotoelektros srityje padaryta didelė pažanga. Per tuos 50 metų, prabėgusių nuo fotoelektrinių keitiklių išradimo, jie buvo labai patobulinti, ženkliai padidėjo jų naudingo veikimo koeficientai, daug kartų atpigo jų gamybos technologijos. Šis procesas sparčiai tęsiasi ir toliau ta pačia kryptimi, to
odėl neabejojama, kad energijos savikainos srityje saulės elektrinės gana greitai galės konkuruoti su mažosiomis hidroelektrinėmis.Saulės energijos charakteristika
Per metus viršutinę Žemės atmosferos ribą pasiekia 5,6×1024 J saulės energijos srautas. Žemės atmosfera atspindi 35% šios energijos atgal į kosmosą, o likusi energija sušildo žemės paviršių, naudojama garavimo – kritulių cikle, bangų, vėjo, oro ir vandenyno srovių susidarymui. Metinis, pasiekiančios žemę, saulės energijos kiekis yra 1,05×1018 kWh, sausumai tenka 2×1017 kWh. Be ekologinio pakenkimo aplinkai galima panaudoti 1,5% (1,62×1016 kWh/)m2. Tai ekvivalentu 2×1012 t sąlyginio kuro. Visas šiuo metu išgaunamas pasaulyje organinis kuras taip pat susidarė fotosintezes reakcijų metu, veikiant saulės energijai. Saulės radiacijos srautas žemės paviršiuje pasiskirsto labai netolygiai. Vidutinis srauto tankis yra 210 – 250 W/m2 subtropiniuose rajonuose ir dykumose, 130 – 210 W/m2 vidutinėse platumose ir 80 – 130 W/m2 šiaurėje.Saulės elektrinės
Saulės elektrinių tipai ir sandara:
Saulės elektrinės gali būti autonominės, kurios pagaminta energija naudojama tiktai sodybos, ūkio, salos ar kito atskiro objekto vietiniame elektros tinkle, arba integruotosios (įjungtos) į energetikos sistemos elektros tinklą. Autonominės saulės mikroelektrinės struktūra pavaizduota 1 paveikslėlyje, o integruotosios – 2 paveikslėlyje.

1 pav. Autonominės saulės mikroelektrinės struktūrinė schema

Kaip parodyta 1 paveikslėlyje, autonominė saulės elektrinė (jei mažos galios, galima vadinti mikroelektrine) būtinai turi turėti fotoelektrinius modulius, kurie šioje schemoje pažymėti FEM1-FEM6. Be to, saulės elektrinė dažniausiai turi elektros energijos kaupiklį, kurio funkciją dažniausiai atlieka specialūs reikiamos įkrovos talpos ak

kumuliatoriai. Jame elektros energija sukaupiama tam atvejui, kai nešviečia arba silpnai šviečia saulė. Jeigu yra akumuliatorių baterija, norint efektyviai išnaudoti fotoelektrinius modulius ir tinkamai eksploatuoti tą bateriją (pavyzdžiui, apsaugoti nuo perkrovimo) reikalingas ir akumuliatorių įkroviklis. Inverteris reikalingas, jeigu reikia turėti ne tik nuolatinės, bet ir kintamosios srovės elektros energiją. Jei elektrinės galia didesnė, naudojama įvadinė spintelė, kurioje gali būti sumontuoti apsaugos aparatai ir elektros energija paskirstoma imtuvams.

2 pav. Integruotosios saulės elektrinės struktūrinė schema

Autonominės saulės elektrinės dažniausiai būna nedidelės galios – paprastai nuo keliasdešimt vatų iki kelių kilovatų. Galingesnės saulės elektrinės, jeigu vietovėje yra energetikos sistemos elektros tinklas, jungiamos į tą tinklą. Tuomet, kaip parodyta 2 paveikslėlyje, integruotajai saulės elektrinei nereikalingas energijos kaupiklis (akumuliatorių baterija) ir akumuliatorių įkroviklis. Visą arba tam tikrą dalį pagaminamos elektros energijos dienos metu tokia saulės elektrinė per tinklo inverterį tiekia tiesiai į elektros tinklą. Kai saulė nešviečia arba kai silpnai šviečia, naudojama elektros tinklo energija. Galingosios pramoninės saulės elektrinės, kurių galia siekia nuo šimtų kilovatų iki 10 MWp (Vokietijoje) būna tiktai integruotos į energetikos sistemos elektros tinklą. Jos šiuo metu pagamina daugiau kaip 80 % visos pasaulio fotoelektros, kurios didžiąją dalį (apie 90 %) gamina Japonija, JAV ir Europa (ES).
Didžiąją saulės elektrinės kainos dalį sudaro fotoelektrinių modulių kaina, kuri priklausomai nuo elektrinės tipo (autonominė ar

r integruota į energetikos sistemos elektros tinklą) ir nuo pačių fotoelektrinių modulių tipo sudaro apie 40-60 % nuo visos elektrinės kainos. Likusiąją elektrinės kainos dalį sudaro energijos kaupiklio (jis būtinas autonominės elektrinės atveju), kaupiklio įkroviklio, inverterio, komutavimo ir valdymo aparatų, norimų turėti matavimo prietaisų, kabelių ir elektrinės įrengimo kaina. Taigi, jeigu minimali kristalinio silicio fotoelektrinių modulių lyginamoji kaina šiuo metu (2004 m.) yra apie 3 $/Wp, tai visos įrengtos saulės elektrinės lyginamoji 1 Wp kaina gali būti ne mažiau kaip dvigubai didesnė. Priklausomai nuo pasirinkto jos sandaros varianto, šiuo metu ji gali sudaryti maždaug nuo 7 iki 10 $/WpFotoelektriniai moduliai
Saulės šviesa į elektrą verčiama puslaidininkiniuose saulės elementuose, tačiau specialiai tam neparuošti jie tiesiogiai negali būti naudojami lauko sąlygomis. Monokristalinio silicio elementai yra trapūs, neatsparūs drėgmei, sunkiai valomi. Be to, elementas generuoja tik 0,5 V nuolatinę įtampą, kuri mažai kur tinka. Praktikoje naudojamos nuosekliai sujungtų 30 – 40 (dažniausiai 36) elementų baterijos, hermetizuotos skaidrioje, aplinkai atsparioje medžiagoje. Tokie gaminiai jau vadinami fotoelektriniais moduliais. Fotoelektriniai moduliai yra svarbiausioji saulės elektrinės dalis. Jie yra vienintelė elektrinės dalis, kuri išlieka visais atvejais visuose galimuose variantuose. Kitų elektrinės dalių poreikis sprendžiamas sudarant struktūrinę schemą konkrečiam atvejui priklausomai nuo vartotojo poreikių.
Pastatuose dažniausiai naudojami 12V, 24V ir 48V darbo įtampos moduliai. Jų galia dažniausiai būna nuo 15 Wp iki 300 Wp. Reikiama didesnė jėgainės galia gaunama jungiant modulius į grupes. Monokristalinio silicio fotoelektriniai moduliai tarnauja virš 30 metų ir jiems suteikiama 20 metų garantija. Polikristalinio ir amorfinio silicio moduliams suteikiama iki 10 metų garantija. Pigiausi yra amorfinio silicio moduliai, tačiau jų tarnavimo laikas trumpiausias ir generuojama galia iš ploto vieneto mažiausia. Tokius modulius tikslinga naudoti greičiausiai vartotojui atsiperkančiose valstybės subsidijuojamose su elektros tinklu sujungtose jėgainėse. Lietuvos sąlygomis, kai nėra subsidijų ir mažos galios pastato jėgainės prijungimas prie išorinio elektros tinklo labai problematiškas, tikslingiausia naudoti ilgaamžius monokristalinio silicio fotoelektrinius modulius. Tokių modulių kaina pas gamintoją svyruoja nuo maždaug nuo 4 iki 5 JAV $/Wp. Importuojamų modulių kaina gerokai išauga dėl transporto ir muitinės išlaidų.
Taip pat gaminami specialios konstrukcijos, integruojami su statybinėmis konstrukcijomis moduliai. Šie moduliai naudojami kaip sienų ar stogų danga, pusiau skaidriam balkonų, mansardų, laiptinių įstiklinimui. Nors tokios konstrukcijos ir yra brangesnės už įprastinius modulius, tačiau šiuo atveju atkrinta papildomų palaikančių ir tvirtinimo konstrukcijų reikalingumas, dalį modulių instaliacijos darbų galima traktuoti kaip pastato statybos ir apdailos darbus. Europos ir Japonijos praktika rodo, kad toliu atveju bendros statybos ir modulių kainos sumažėjimas siekia 1,5 – 0,7 JAV $/Wp. 1996m pradėtos gaminti kombinuotos fotoelektrinės/terminės sistemos, pritaikytos naudoti kaip stogų dangos. Šiose sistemose šilumos kolektorius jungiamas su saulės elementais. Tokio tipo privataus būsto jėgainė leidžia gaminti 3,2 kWp elektros energijos ir 25 kW šiluminės energijos. Keletas kompanijų (ASE Vokietijoje , Solarex JAV) , prisitaikydamos prie architektų reikalavimų , gamina įvairių spalvų ir atspalvių saulės elementus ir modulius.Fotoelektrinių modulių charakteristikos
Žinant FEK veikimo principą, galima sudaryti analogiškai veikiančią jo atstojamąją elektrinę schemą. Idealaus FEK atstojamoji elektrinė schema pateikta 1 paveikslėlyje. Analogišką schemą galima sudaryti ir fotoelektriniams moduliams, sudarytiems iš FEK. Šią schemą sudaro ekvivalentinis srovės šaltinis J, kurio srovė IF priklauso nuo apšvietos Ej ir ekvivalentinis diodas D, kurio p–n sandūros varža priklauso nuo apkrovos varžos RA ir temperatūros T. Kai RA = 0, tai ir U = 0 ir FEK veikia trumpojo jungimo režimu. Per diodą D dėl didelės jo p–n sandūros varžos srovė ID tokiomis sąlygomis dar neteka.

1 pav. Idealaus FEK atstojamoji schema.

Didinant apkrovos varžą RA, didėja įtampa U ir FEK arba visas FEM pradžioje veikia srovės šaltinio režimu iki tol, kol apkrovos galia pasiekia didžiausią vertę. Šiame taške apkrovos varža yra lygi FEM vidaus varžai. 2 paveikslėlyje pateikta FEM voltamperinių charakteristikų šeima. Jame šias maksimalios galios vertes žymi tiesės Pmax = f(U) ir FEM voltamperinių charakteristikų I = f(U) šeimos susikirtimo taškai 1, 2 ir 3. Didinant apkrovos varžą RA, didėja įtampa U ir mažėja diodo p–n sandūros varža. Todėl didėja diodo srovė ID . FEK (FEM) veikia įtampos šaltinio režimu.
Praktikoje FEM voltamperinės charakteristikos taškas yra labai svarbus. Norint, kad modulis elektros apkrovai atiduotų maksimalią galiai esant kiekvienai apšvietos vertei (kuri, kaip žinome, kinta plačiose ribose), reikia nuolat reguliuoti jo apkrovos varžą taip, kad ji visais atvejais būtų lygi FEM vidaus varžai, kuri kinta priklausomai nuo apšvietos. Šią funkciją automatiškai atlieka galios maksimizatoriai.

2 pav. FEM voltamperinės charakteristikos esant skirtingoms apšvietoms E

Kai RA = (begalybei), apkrovos srovė IA = 0. Šiuo atveju turime FEM tuščiosios veikos režimą, kai generuojama elektrovara Uo. FEM voltamperinių charakteristikų taškai 1,2,3 (2 pav.), kuriuose apkrovos galia pasiekia didžiausią vertę, vadinami suderintojo darbo režimo taškais. Šie taškai turi įdomią savybę: kai FEK dirba suderintuoju darbo režimu, jo vidinė varža yra lygi apkrovos varžai RA. FEM vidinė varža kinta priklausomai nuo apšvietos E. Panagrinėję FEM voltamperines charakteristikas matome, kad jos turi tris ypatingus (charakteringus) taškus: trumpojo jungimo, suderintojo darbo režimo ir tuščiosios veikos. Šių taškų parametrai, išmatuoti, kai apšvieta lygi 1 Saulei (1000 W/m2), pateikiami FEM pasuose.
Pažymėtina, kad FEM voltamperinių charakteristikų pobūdis priklauso nuo temperatūros. Didėjant temperatūrai, FEM elektrovara kiek mažėja, o trumpojo jungimo srovė šiek tiekAkumuliatorių baterija
Akumuliatorių baterija kaip energijos kaupiklis yra viena iš būtinų autonominės fotoelektrinės jėgainės dalių. Akumuliatoriuose sukaupiama šviesiu paros metu generuojama elektros energija, kad vėliau ją galima būtų naudoti tamsiu metu, kai moduliai neveikia. Reikiama akumuliatorių baterijos talpa parenkama kiekvienam konkrečiam atvejui. Akumuliatoriaus talpos parinkimas yra svarbi autonominių jėgainių projektavimo problema. Jei talpa per didelė – iššvaistomos lėšos, o be to, fotoelektriniai moduliai gali būti nepajėgūs pilnai įkrauti akumuliatorių. Kai akumuliatorių talpa per maža, neišnaudojama galimybė sukaupti didesnes energijos atsargas, nevisiškai išnaudojama fotoelektrinių modulių galia. Priklausomai nuo numatomo jėgainės naudojimo režimo ir būtino energijos tiekimo patikimumo akumuliatoriaus talpa parenkama nuo 1 Ah iki 6,5 Ah vienam fotoelektrinio modulio vatui. Pavyzdžiui, ne nuolat gyvenamuose pastatuose (sodo nameliuose, poilsinėse sodybose) pageidautina, kad akumuliatorius sukauptų visą darbo dienomis generuojamą energiją, kurią būtų galima sunaudoti per kelias savaitgalio dienas. Šiuo atveju, mažinant brangiausios saulės elektrinės dalies – fotoelektros modulių galią, galima sumažinti visos sistemos kainą. Kasdien eksploatuojamose saulės elektrinėse akumuliatorių talpa paprastai turi užtikrinti vienos ar kelių dienų generuojamą energiją. Techniškai paprasčiausia naudoti specialiai šiems tikslams skirtus gilaus iškrovimo akumuliatorius.
Tokių akumuliatorių kaina (~ 400 JAV $ – 350Ah , 12V) yra priimtina išsivysčiusioms šalims, o Lietuvoje ji yra dar per didelė. Be to, dėl mažos paklausos šiais akumuliatoriais Lietuvoje neprekiaujama, o pavienis atvežimas yra pakankamai brangus.
Pigiausi ir prieinamiausi yra įprastinės konstrukcijos rūgštiniai automobiliniai akumuliatoriai. Jų vienos Ah kaina gali būti 4 – 5 kartus mažesnė, lyginant su kitų tipų akumuliatoriais. Didelis jų trūkumas yra tas, kad jie neilgaamžiai. Jų elektrodų plokštelės yra plonos ir turi didelį paviršiaus plotą, pritaikytą iškrovimui per trumpą laiką didelėmis srovėmis. Tuo tarpu fotoelektrinėje iškrova vyksta maža srove ir per ilgą laiką. Norintiems prailginti tokių akumuliatorių darbo amžių, rekomenduojamas mažesnis nei nominalus elektrolito tankis (1,24 vietoje 1,28 g/cm3) ir mažas iškrovos gylis (t.y. akumuliatorius nerekomenduojama iškrauti daugiau kaip iki 0,75 jų nominaliosios įkrovos talpos).Inverteris
Kadangi fotoelektriniai moduliai generuoja nuolatinę srovę, kintamos srovės imtuvams būtinas inverteris. Jis nuolatinės srovės elektros energiją pakeičia į standartinės įtampos ir dažnio kintamosios srovės energiją. Pagal išėjimo įtampos kreivės formą inverteriai skirstomi į tris grupes:
• stačiakampės laiptuotos išėjimo įtampos , sudarytos iš nedidelio laiptelių skaičiaus (dažniausiai 4 laipteliai į periodą) – meandriniai inverteriai,
• modifikuotos sinusinės išėjimo įtampos , sudarytos iš didelio laiptelių skaičiaus (apie 50 laiptelių į periodą) – modifikuoto sinuso inverteriai,
• sinusinės išėjimo įtampos – sinusiniai inverteriai.
Pirmosios grupės inverteriai yra pigiausi, trečiosios – brangiausi. Pirmosios grupės inverteriai tinka 90% visų elektros energijos imtuvų maitinimui (gali netikti kompiuteriams, lazeriniams spausdintuvams, betransformatoriniams įkrovikliams, kai kuriems televizoriams). Antros ir trečios grupės inverteriai tinka praktiškai visiems imtuvams.
Inverterio kaina sparčiai kyla didėjant jo galiai, todėl eksploatuojant saulės elektrinę nerekomenduojama vienu metu naudoti kelis pačius galingiausius imtuvus. Tikslinga stengtis kuo daugiau kintamos srovės imtuvų pakeisti nuolatinės srovės imtuvais (pavyzdžiui, apšvietimo sistemą). Orientacinės sinusinių inverterių kainos: 150 W – 1000 Lt ; 250W – 1200 Lt ; 400W – 2600 Lt ; 800W – 5800 Lt ; 1200W – 7600W ; 2300W – 10000 Lt ; 3500W – 14000 Lt.
Meandrinio 300W inverterio kaina 500 Lt.
Tinklo inverterių, skirtų sujungti fotoelektrinę jėgainę su energetikos sistemos elektros tinklu, kainos maždaug tokios: vienfaziai 1500, 2100 ir 2400 W inverteriai – 9 500 Lt , 10 200 ir 17 500 Lt atitinkamai; trifaziai 10, 14, 26, 40 ir 60 kW – 68 000, 86 000, 130 000, 190 000 ir 270 000 Lt atitinkamai.Energijos gamybos saulės elektrinėse ypatybės
Saulės elektrinės energetinis produktyvumas ženkliai priklauso nuo paros laiko ir nuo metų laiko (nuo mėnesio). Jeigu diena apsiniaukusi, tą dieną elektros energijos bus pagaminama apie 5-20 kartų mažiau, negu saulėtą dieną. Panašiu santykiu svyruos elektrinės generuojama galia apsiniaukusią dieną su pragiedruliais. Žiemos mėnesiais mūsų šalyje saulės elektrinė pagamins ženkliai mažiau energijos, negu vasaros mėnesiais, nes žiemą dienos trumpos ir dažniausiai apsiniaukusios. 220 Wp saulės mikroelektrinės metinis pagaminamos energijos grafikas priklausomai nuo metų mėnesio pateiktas paveikslėlyje.

220 Wp saulės mikroelektrinės metinis pagaminamos energijos grafikas

Kaip matyti 4 paveikslėlyje, toks metinis pagaminamos energijos grafikas gali gerai tikti tik vasarnamiams ir sodo nameliams. Jeigu reikia daug elektros energijos žiemos mėnesiais, norint įsirengti autonominę elektrinę, galima naudoti vėjo mikroelektrines arba hibridines saulės ir vėjo mikroelektrines. Apytiksliai skaičiuojant galima priimti, kad kiekvienas įrengtas saulės elektrinės vatas (1 Wp) Lietuvoje per metus pagamins apie 1 kWh elektros energijos.Lietuvos saulės energijos ištekliai
Bet kurios vietovės metiniai saulės energijos ištekliai įvertinami vidutinėmis daugiametėmis metinėmis saulės ekspozicijomis konvencinėse saulės energinės erdvės plokštumose. Įvertinus saulės energijos išteklius visose šalies vietovėse, sudaromos šalies metinių (arba kito laikotarpio) saulės energijos išteklių lentelės ir žemėlapiai.
Vidutinė daugiametė saulės ekspozicija horizontalioje plokštumoje per laikotarpį nuo balandžio 1d. iki spalio 31 d. pateikta žemėlapyje (1 pav.).

Išanalizavus lentelėse pateiktus duomenis, galima nustatyti perspektyviausias, vidutinio perspektyvumo ir mažiau perspektyvias Lietuvos sritis saulės energetikai plėtoti. Nesunku nustatyti, kad prie perspektyviausių sričių priklauso Vakarų Lietuva: Nida, Šilutė, Lazdijai, Kybartai, Klaipėda, kur vidutinė daugiametė saulės ekspozicija per metus horizontaliojoje plokštumoje yra tarp 1042 kWh/m2 (Nida) ir 1013 kWh /m2 (Klaipėda), o plokštumoje, statmenoje saulės spinduliui – atitinkamai 1439 kWh /m2 ir 1402 kWh /m2. Vidutinio perspektyvumo sritis yra Vidurio Lietuva: Šiauliai, Dotnuva, Vėžaičiai, Kaunas, kur tokia pati ekspozicija horizontaliojoje plokštumoje yra tarp 996 kWh /m2 (Šiauliai) ir 976 kWh /m2 (Kaunas), o plokštumoje, statmenoje saulės spinduliui – atitinkamai 1380 kWh /m2 ir 1354 kWh /m2. Šiek tiek mažiau perspektyvi sritis yra Rytų Lietuva: Utena, Varėna, Vilnius, Dūkštas, Biržai, kur šie skaičiai horizontaliajai plokštumai yra 946 (Utena) – 926 kWh /m2 (Biržai), o statmenai saulės spinduliui plokštumai – 1316 (Utena) – 1290 kWh /m2 (Biržai).

Šie duomenys apibendrinti 1 lentelėje.
1 lentelė. Lietuvos regionų perspektyvumas pagal saulės energijos išteklius
Lietuvos HMS Pilnutinė spindulinė energija per metus
Eh, kWh/m2 Pilnutinė spindulinė energija per metus
En, kWn/m2 Perspektyvumas
Klaipėda, Kybartai, Telšiai, Lazdijai, Šilutė, Nida 1015 – 1042 1405 – 1439 Didžiausiais
Utena, Kaunas, Vėžaičiai, Dotnuva, Šiauliai 946 – 1042 1316 – 1380 Vidutinis
Biržai, Varėna, Dūkštas, Vilnius 926 – 939 1290 – 1306 Mažiausias

Kadangi Lietuva yra nedidelė šalis, tai skirtumai tarp ekspozicijų atskirose HMS nėra dideli. Apibendrinus pateiktą informaciją, galima teigti, kad pagrindiniai saulės energijos išteklių pasiskirstymo dėsningumai šalies teritorijoje yra šie:
• didžiausi saulės energijos ištekliai yra vakarinėje šalies dalyje prie jūros (maksimali metinė ekspozicija horizontaliojoje plokštumoje Nidoje 1042 kWh/m2),
• mažiausi saulės energijos ištekliai yra šiaurės rytinėje ir rytinėje šalies dalyje (minimali metinė ekspozicija horizontaliojoje plokštumoje Biržuose 926 kWh/m2),
• vidutinė metinė ekspozicija horizontaliojoje plokštumoje Lietuvoje yra apytiksliai 1000 kWh/m2 (984 kWh/m2),
• galima didžiausia vidutinės metinės ekspozicijos horizontaliojoje plokštumoje nuokrypa nuo šalies vidurkio bet kuriame Lietuvos teritorijos taške sudaro ne daugiau, kaip5,9%.
Palyginimui galima pateikti Lietuvos ir kai kurių Europos šalių, kurios remia ir plėtoja saulės energetiką, daugiametes vidutines pilnutines saulės ekspozicijas horizontaliojoje plokštumoje:
• Vokietijoje – 967 – 1212 (pietinėje dalyje) kWh/m2,
• Austrijoje – 1106 kWh/m2 (Vienoje),
• Anglijoje – 700 kWh/m2,
• Lietuvoje – 926 – 1042 kWh/m2.Fotoelektros naudojimas Lietuvoje
Lietuvoje yra ~150 km2 namų stogų, kurie gali buti panaudoti fotoelektros saulės jėgainėms įrengti. Į juos krinta 1,5.1011 kWh/metus saulės spindulinės energijos. Esant saulės elementų efektyvumui 15%, iš jėgainių, įrengtų ant stogų, galima gauti 2,25.1010 kWh/metus. Šiuo metu Lietuvos elektros energijos galingumai leidžia pagaminti 2,27.1010 kWh/metus. Taigi, įrengtos ant visų namų stogų fotoelektrinės saulės jėgainės turėtų galią lygią Lietuvos elektros jėgainių galiai. Krintanti į žemės paviršių saulės spindulinė energija kinta priklausomai nuo metų laikų, paros laiko ir meteorologinių sąlygų. Taip, energija krintanti lapkričio, gruodžio, sausio mėnesiais sudaro tik 10% energijos, krintančios gegužį, birželį, liepą. Naktį energija artima nuliui, stipriai apniūkusią dieną – sudaro tik kelis procentus nuo gierią dieną krintančios energijos. Fotoelektrinė saulės energija, kaip vienintelis nuolatinis energijos šaltinis gali būti panaudojama tik turint galimybę ją akumuliuoti, tokiu būdu perdengiant energijos nepakankamumą, sukeltą sezoninių, paros ir meteorologinių kitimų. Šiuo metu naudojami trys akumuliavimo būdai: elektros akumuliatoriuose, vandens akumuliaciniuose baseinuose, jungiantis prie valstybinio elektros tinklo per reversinius skaitiklius. Perspektyvus kompensacijos būdas – jungimas su vėjo jėgaine. Esama atvejų, kai akumuliacija nereikalinga (pvz., tiltų, požeminių įrengimų katodinė apsauga). Šiuo metu 1W galingumo saulės elemento kaina yra ~8 -12 Lt, 1W instaliuota galia saulės jėgainėje siekia 20 – 40 Lt. Šiuo metu Lietuvoje fotoelektrinių jėgainių nėra. Nepaisant to, kad fotoelektos potencialas nepalyginamai didesnis už kitų atsinaujinančių energijos rūšių potencialą kartu sudėjus, kad ji yra ekologiškiausia, jos plėtrą stabdo didžiausia instaliuoto vato kaina, kuri kol kas keletą kartų viršija įprastinės elektros energijos kainą. Šį rodiklį galima pagerinti dviem būdais: didinti saulės elementų efektyvumą, iš to paties ploto gaunant didesnį elektros energijos kiekį ir mažinant elemento kainą. Čia neužtenka kosmetinių patobulinimų. Situaciją gali pakeisti iš esmės tik nauji technologiniai principai ir naujos medžiagos.
Nepaisant kol kas didelio brangumo, mažos galios fotoelektros šaltiniai Lietuvoje randa savo nišą ir kuo toliau, tuo dažniau naudojami. Fotoelektros šaltinių įrengimo srityje šalyje kol kas dirba vienintelė įmonė – UAB „Saulės energija”, įsikūrusi Kaune (saulesenergija@mail.lt).
Fotoelektra Lietuvoje buvo pradėta naudoti nuo 1996 metų. Kasmet jų poreikis po truputį didėja. Fotoelektros šaltiniai jau naudojami gana įvairiose srityse: įvairių radijo ryšio priemonių, tarp jų ir mobiliųjų telefonų akumuliatoriams įkrauti, eismo intensyvumo monitoringo postams maitinti, ekspedicijose videokameroms maitinti, medicininiuose tyrimuose, kai būtinas geras ekranavimas, nuo elektros tinklo nutolusių objektų apsaugos sistemoms maitinti, jachtose, autotreileriuose, sklandytuvuose. Žemės ūkyje fotoelektra naudojama elektriniams piemenims maitinti. Privačiuose namuose, soduose, poilsiavietėse naudojamos saulės mikroelektrinės minimaliems elektros energijos poreikiams tenkinti (50 – 500 Wp). Atskirais atvejais fotoelektra naudojama vandens laistymo sistemoms, fontanų siurbliams ir kitiems nedidelės galios elektros imtuvams maitinti.
Visų Lietuvoje įrengtų fotoelektrinių modulių galia šiuo metu sudaro apie 20 kWp. Be paminėtų atvejų, kelios saulės mikroelektrinės įrengtos mokymo tikslams. Galingiausia šalyje saulės mikroelektrinė įrengta Vilniaus Gedimino technikos universitete 2001 m. Jos nominalioji fotoelektrinių modulių galia sudaro 0,6 kWp. Alantos technologijos ir verslo mokykloje 2003 m. įrengta 0,2 kWp saulės mikroelektrinė. Panašios galios saulės mikroelektrinė tais pačiais metais įrengta Kauno technologijos universiteto Atsinaujinančiųjų šaltinių energijos technologijų centre, kur jos galia 2004 m. padidinta iki 0,32 kWp. Šiaulių universitete 2004 m. buvo įrengta 0,15 kWp saulės mikroelektrinė. Taip. pat buvo sukurtos ir išplatintos įvairiausios mokymo priemonės, skirtos mokykloms: 50 Wp mikroelektrinės pagrindinėse mokyklose, laboratorinių darbų stendai, 1-2 Wp moduliukai, mokiniams išdalinami per fizikos pamokas ir kt.
KTU Atsinaujinančiųjų šaltinių energijos technologijų centre [4] veikianti 320 Wp saulės mikroelektrinė kartu su 120 W galios vėjo mikroelektrine sudaro hibridinė saulės ir vėjo mikroelektrinę (HSVME), kuri atlieka keletą funkcijų. Kad ir nedidelį energijos kiekį pagamina ši HSVME, siekiama jį naudoti prasmingai: ji maitina ekonomišką rezervinę fakulteto koridorių apšvietimo sistemą. Kadangi HSVME numatyti būtiniausi matavimo prietaisai, ją galima naudoti tyrimo ir laboratoriniuose darbuose. Šią apšvietimo sistemą galima naudoti pasibaigus paskaitoms, naktimis ir per išeigines, o pagrindinę apšvietimo sistemą tuomet laikyti išjungtą. Tai leidžia fakultetui sutaupyti elektros energijos ir lėšų. Gana svarbi yra ta aplinkybė, kad ši rezervinė apšvietimo sistema tamsiu paros metu įsijungia automatiškai ir veikia tuo atveju, jeigu fakulteto rūmams elektros energijos tiekimas dėl kokių nors priežasčių būtų atjungtas. Tokios HSVME įrengimas fakultetui ir universitetui yra naudingas dėl šių priežasčių: galima sutaupyti elektros energijos, naudojamos iš elektros tinklo (už saulės ir vėjo energiją mokėti nereikia), galima įvykdyti priešgaisrinės apsaugos reikalavimus (dingus elektrai tamsiu paros metu automatiškai turi būti apšviestas išėjimas iš visų patalpų, kuriose telpa daugiau kaip 50 žmonių), HSVME galima naudoti magistrantų mokslinio tyrimo darbams atlikti ir kitų studentų mokymo procese kaip laboratorinio darbo stendą, mikroelektrinė tarnauja kaip fakulteto ir universiteto demonstracinis atsinaujinančiųjų šaltinių energijos naudojimo objektas, demonstruojantis fakulteto studentams bei kitiems lankytojams ekologiškai švarius, jokių energetinių žaliavų nereikalaujančius elektros energijos gamybos būdus ir efektyvius elektrinius šviesos šaltinius. KTU Elektrotechnikos ir automatikos fakulteto Elektros sistemų katedra ir Atsinaujinančiųjų šaltinių energijos technologijų centras jau turi ir didesnių užmojų artimiausiai ateičiai: planuojama visus fakulteto elektros energijos poreikius tenkinti iš hibridinės atsinaujinančiųjų energijos šaltinių elektrinės, kurioje veiktų ir 100 kWp galios saulės elektrinė.Mokslo tyrimai ir taikymas
Lietuva turi pasaulinio lygio mokslo potencialą fotoelektros srityje. Tyrimai dirbtinių sistemų formavimosi teorijos ir taikymo srityje sudaro galimybes kurti iš principo naujas, efektyvesnes saulės elementų gamybos technologijas (MSI). Dirbtinių sistemų formavimosi principai sukurti Lietuvoje, Lietuva buvo vedanti SSSR šioje srityje, Elektronikos pramonės ministro įsakymu formavimosi technologija buvo diegiama visoje mikroelektronikos pramonėje. Formavimosi principai pradėti taikyti saulės elementų technologijoje, vykdant Lietuvos mokslo ir studijų fondo remiamą programą “Saulės ir kiti atsinaujinančios energijos šaltiniai žemės ūkiui” (1996-1999m.). Būtų tikslinga šią programą pratęsti pagal pateiktą naujos programos projektą “Saulės energijos naudojimas”.
Svarbu tęsti mokslo tyrimo darbus naujų neorganinių medžiagų saulės energetikai srityje. Tai – trinarių chalkopirito tipo puslaidininkių, kurie gali tapti labai efektyvių saulės elementų pagrindine struktūra, tyrimus. Planuojami šių puslaidininklių efektyvumo priklausomybės nuo sluoksnių formavimo sąlygų, jų elektrinių ir fotoelektrinių savybių tyrimai (PFI). Fotojautrių organinių junginių molekuliniams saulės elementams sintezė ir fotofizinių savybių tyrimų bei taikymo (FI, KTU, VU, MTMI, MSI) galutinis tikslas – ženklus (eile) fotoelektros atpiginimas.

Saulės energijos charakteristika

Per metus viršutinę Žemės atmosferos ribą pasiekia 5,6×1024 J saulės energijos srautas. Žemės atmosfera atspindi 35% šios energijos atgal į kosmosą, o likusi energija sušildo žemės paviršių, naudojama garavimo – kritulių cikle, bangų, vėjo, oro ir vandenyno srovių susidarymui. Metinis, pasiekiančios žemę, saulės energijos kiekis yra 1,05×1018 kWh, sausumai tenka 2×1017 kWh. Be ekologinio pakenkimo aplinkai galima panaudoti 1,5% (1,62×1016 kWh/)m2. Tai ekvivalentu 2×1012 t sąlyginio kuro. Visas šiuo metu išgaunamas pasaulyje organinis kuras taip pat susidarė fotosintezes reakcijų metu, veikiant saulės energijai. Saulės radiacijos srautas žemės paviršiuje pasiskirsto labai netolygiai. Vidutinis srauto tankis yra 210 – 250 W/m2 subtropiniuose rajonuose ir dykumose, 130 – 210 W/m2 vidutinėse platumose ir 80 – 130 W/m2 šiaurėje.Saulės šilumos panaudojimas
Pasaulyje ir Lietuvoje saulės energija plačiausiai naudojama vandeniui ir pastatams šildyti. Panagrinėkime, kaip saulės energiją galima versti į šiluminę. Pagrindinis šiam reikalui skirtas įrenginys yra saulės kolektorius. Visi saulės kolektoriai turi bendrą elementą – šilumą sugeriančią plokštę – absorberį arba tūrinį šilumos kaupiklį. Šilumos nešėjas gali būti skystis ar oras. Pagal pasiekiamą temperatūrą saulės kolektoriai skirstomi į žemos, vidutinės ir aukštos temperatūros.
Kolektoriai gali būti fokusuojantys ir plokšti. Fokusuojančiuose saulės kolektoriuose saulės spinduliai patenka į išgaubtą veidrodinį paviršių, nuo kurio atsispindėję koncentruojasi ant absorberio su šilumos nešėju ir sušildo jį iki vidutinių ir aukštų temperatūrų.
Šie saulės kolektoriai priima tik tiesioginę saulės spinduliuotės dedamąją, o nepriima sklaidžiosios, kuri mūsų platumose gali sudaryti iki 40 proc. visos spinduliuotės. Tai – didžiausias jų trūkumas. Kad toks koncentratorius efektyviai veiktų, būtina įrengti sekimo sistemą. Daug paprastesni ir pigesni, sugeriantys visą patenkančią spinduliuotę, yra plokštieji kolektoriai.
Naudojant plokščiuosius kolektorius vandeniui šildyti buitiniams reikalams jų plotas vienam žmogui turėtų siekti 1,0–1,5 m2. Tokio Lietuvoje pagaminto kolektoriaus su selektyvine danga kaina būtų 500–700 Lt/m2.
Vasarą plaukymo baseino vandeniui šildyti naudojami absorberiai be apsauginės skaidrios dangos ir korpuso. Absorberiai paprastai konstruojami iš ultravioletiniams spinduliams atsparių plastmasių, gumos ar metalų. Tokioje sistemoje baseino vanduo yra šilumos akumuliatorius. Šiuo atveju nebūtina įrengti ir šilumokaitį. Geriausias saulės kolektoriaus polinkio į horizontą kampas yra 30-45o. Viso reikalingo komplekto kaina – 300–400 Lt vienam m2 baseino ploto. Kasmet apie 35 000 m2 jų yra įrengiama Anglijoje, Vokietijoje, Olandijoje. 2 pav. parodytas pastatas su saulės kolektoriais ir fotoelementais ant nuožulnios sienos.
Lietuvoje yra tik keletas vandens šildymo saulės kolektoriais sistemų, kurių plotas apie 100 m2. Padedant Danijos energetikos agentūrai ruošiamasi įgyvendinti pavyzdinį projektą saulės kolektoriais šildyti vandenį Kačerginės vaikų sanatorijoje.
Lietuvoje žemės ūkio produktai dažnai surenkami per didelio drėgnumo, todėl netinka ilgai laikyti. Aplinkos orą pašildžius keliais laipsniais, šieną, linus, šiaudus, sėklojus ir kt. galima paruošti aukštos kokybės. Šiam tikslui naudojami kolektoriai, kuriuose šildomas oras. Absorberiai juose gali būti plokšti ir ovaliniai, rifliuoti, korėto ar poringo paviršiaus bei kitokių formų – priklausomai nuo gamybai naudojamos medžiagos. Saulės kolektoriuose, kurie montuojami ant gamybinių pastatų stogų ar sienų, dažnai absorberiai būna statybinės konstrukcijos. Neseniai buvo sukurti ir pradėti naudoti plėveliniai saulės kolektoriai. Vasarą tokio kolektoriaus našumas siekia iki 200 kWh/m2. Jie atsiperka greičiau kaip per 2 metus.
Plačiai paplitę kilnojami saulės kolektoriai. Jų paprasta konstrukcija, nesudėtinga gamyba, naudojamos nebrangios medžiagos. Švedijoje daugiau kaip 200 000 m2 saulės kolektorių džiovina daržinėse sukrautas gėrybes.Tą patį galima pasakyti ir apie medienos džiovinimą, nes paprastai nukirstas apvalus miškas laikomas atvirose miško aikštelėse, kur natūraliai padžiovinamas ir parduodamas vartotojams. Tačiau neretai vartotojui patenka ir šviežiai nukirsta mediena, kurios drėgmė yra apie 50 procentų. Medieną galima būtų džiovinti saulės džiovyklose. Jos turėtų būti įrengtos iš pigių vietinių statybinių medžiagų, paprastos konstrukcijos, lengvai surenkamos ir išardomos.
Pagrindinė Europoje gaminamų saulės kolektorių (apie 90 proc.) paskirtis yra šildyti vandenį. Kolektorių sistemos gali paversti šiluma nuo 35 proc. iki 45 proc. visos gaunamos per metus saulės energijos. Sistemos efektyvumas labai priklauso nuo kolektoriaus tipo, temperatūros skirtumo tarp kolektoriaus ir aplinkos, saulės spinduliuotės, sistemos vamzdynų, izoliacijos ir šilumos. akumuliavimo galimybių.
Saulės energiją galime tiesiogiai versti elektra. Tai atliekama puslaidininkiuose. Jei į 1 cm2 fotoelementą krinta 100 mW šviesos srautas, galima gauti 10-18 mW elektros galią. Šiuo metu pramoninės gamybos fotoelementų efektyvumas siekia 13-15 proc., o eksperimentinių pavyzdžių – 30 procentų. Saulės elementai gali būti formuojami bet kokiame puslaidininkyje. Daugiausia paplitę silicio saulės elementai, nes gerai ištirtos jo fizinės ir technologinės charakteristikos. Saulės elementai gali būti gaminami iš monokristalinio, polikristalinio bei amorfinio silicio.Saulės elementams gali būti naudojami galio arsenidas (GaAs), indžio fosfidas (InP), kadmio telūridas (CdTe). GaAs saulės elementai savo parametrais pralenkia monokristalinio silicio saulės elementus, nes jų didesnė įtampa, stipresnė absorbcija, todėl galima naudoti plonesnį sluoksnį. GaAs brangus, todėl dažniausiai naudojamas tik kosmose ir eksperimentinėse sistemose su koncentratoriais. Tokių laboratorinių pavyzdžių efektyvumas siekia 28 procentus. Daugiau kaip prieš dešimtį metų pradėti tyrimai, siekiant surasti organinę medžiagą, kuri būtų jautri saulės šviesai ir tiktų saulės elementų gamybai. Dauguma organinių medžiagų trumpaamžės ir mažai efektyvios. Tačiau jau pavyko sukonstruoti saulės elementus, kurių efektyvumas siekia 10 proc. ir veikimo laikas ne mažesnis kaip 10 metų. Jų šviesos absorbcija ir krūvių separavimas yra atskirti. Saulės šviesą sugeria chemiškai absorbuotas organinio dažo monosluoksnis – fotoelektrocheminis elementas. Tikimasi, kad pramoniniu būdu gaminant šiuos elementus jų instaliuoto galingumo 1 W kaina būtų apie 0,6 dolerio.Visi aukščiau aptarti saulės elementai yra trapūs, paviršius lengvai pažeidžiamas, neapsaugotas nuo išorės poveikio, gamina tik 0,5 V nuolatinę įtampą. Todėl jie nuosekliai jungiami į grupes (modulius). Modulyje saulės elementai iš abiejų pusių apsaugoti skaidraus stiklo lakštais. Pasaulyje yra daugiau kaip pusšimtis firmų, gaminančių tokius modulius. Pagrindinės modulių taikymo sritys yra šios: žemės ūkis (vandens pumpavimas); kaimo ir nuošalių vietovių elektrifikacija; vandens gėlinimo įrenginiai; apšvietimas; signalizacijos ir telekomunikacinės sistemos; elektros jėgainės moduliai naudojami stogo ir sienų konstrukciniuose elementuose ir privalo būti atsparūs drėgmei, šalčiui, estetiški. Tokie moduliai vis labiau populiarėja Europoje. Vokietija, Austrija, Šveicarija yra paskelbusios “1000 stogų” programas, kuriose valstybė įsipareigoja remti individualių namų savininkus, įsirengusius fotoelektrines saulės jėgaines. Nepaisant fotoelektros naudojimo privalumų, platų jos pritaikymą stabdo gan didelės pagamintos elektros energijos kainos. Lietuvoje fotoelektrinė saulės energija bent kiek plačiau dar netaikoma. Lietuvoje buvo sukonstruoti ir gaminami saulės elementai, kurių vidutinis efektyvumas siekė 14 procentų. Realiai šiuo metu saulės energiją galima naudoti tik šiluminiams tikslams – įrengti saulės kolektorius vandeniui, patalpoms šildyti ir žemės ūkio produkcijai džiovinti. Nesant skatinimo ir rėmimo naudoti saulės kolektorius vandeniui šildyti ekonomiškai neapsimoka. Pradėti tyrimai norint pagrįsti saulės energijos naudojimą patalpoms šildyti. Tačiau realiai veikiančių šildymo sistemų kol kas neturime.Fotelektros plėtros perspektyvos
Fotoelektra pasaulyje ir ypač Lietuvoje elektros energijos rinkoje kol kas užima dar labai menką dalį. Tačiau prognozuojama, kad įdiegus vien tik jau dabar žinomas inovacijas, padėtis ženkliai pasikeis ir fotoelektros dalis elektros energijos gamyboje bus kur kas didesnė. Jau rasti būdai kaip patobulinti ir atpiginti ne tik silicio monokristalinius fotoelektrinius keitiklius, bet ir plonaplėvius bei ypač pigius organinius fotoelektrinius keitiklius. Dar visai neseniai rinkoje parduodamų kristalinio silicio fotoelektrinių modulių naudingo veikimo koeficientas buvo apie 12 – 15 %. Kalifornijos kompanija „SunPower” 2003 m. gegužės mėnesį paskelbė, kad JAV Nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija (NREL) patvirtino jų gaminamų monokristalinio sislicio fotoelektrinių modulių naudingo veikimo koeficientą 20,4 % . Lietuvos mokslininkai, dalyvaujantys EC FP5 programos projekte “First Step” , siekia sukurti to paties tipo fotoelektrinius modulius, turinčius panašaus dydžio naudingo veikimo koeficientą. Sukūrę ir panaudoję savaiminio formavimosi technologiją fotoelektriniams moduliams gaminti, jie tikisi gauti didelį modulių naudingo veikimo koeficientą (>20%) ir kur kas mažesnę jų gamybos savikainą.
Sparčiai vystosi ir plonaplėvių fotoelektrinių modulių technologijos. Apie 2000 metus Vokietijos mokslinio tyrimo centras ZSW (Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung, Stuttgart) sukūrė plonaplėvių CIGS modulių gamybos technologiją, kurią naudojant labai ženkliai sumažėja šio tipo fotoelektrinių modulių gamybos kaštai ir beveik dvigubai padidėja energijos konversijos efektyvumas. Marbache prie Nekaro (Marbach am Neckar) veikia fotoelektrinių modulių gamykla, kuri šiuo metu serijiniu būdu gamina 30 x 30 cm ploto vario indžio galio selenido (tarptautinė santrumpa – CIGS) modulius. Jų vidutinis efektyvumas – 11,3 % o maksimalus – 12,8 %, bendroji metinė pagamintų fotoelektrinių modulių galia sudaro 1,2 MW. Marbacho gamykloje modulių plotą numatyta padidinti iki 60 x 120 cm. Laikui bėgant gamyba plėsis ir bendroji per metus pagamintų fotoelektrinių modulių galia pasieks 10 MW, o po to ir 50 MW ribą. Tikimasi, kad masinė CIGS modulių gamyba prasidės apie 2006 m. Tuomet plonaplėvio sluoksnio gamybos kaina pasieks planuotą 0,6 Euro/Wp ribą.
Naujausi mokslo pasiekimai rodo, kad FEM naudingumo koeficientas jau netolimoje ateityje gali būti dar didesnis ir siekti bent jau 50%. Saulės elementų efektyvumas priklauso nuo daugelio priežasčių, iš kurių viena svarbiausių yra kuo didesnis saulės šviesos spektro panaudojimas. 2002 metais JAV Nacionalinėje Lawrence Berkeley laboratorijoje Kim Man Yu ir Wladek Walukewicz iš Medžiagų mokslo skyriaus kartu su bendradarbiais išbandė medžiagą, kuri gali duoti žymiai didesnį saulės elementų naudingo veikimo koeficientą. Ta medžiaga – indžio galio nitridas (InGaN). Keičiant indžio ir galio koncentraciją atskiruose saulės elemento sluoksniuose galima labai tiksliai sureguliuoti sugeriamos fotonų energijos kiekį. Naujoji medžiaga idealiai tinka saulės elementų gamybai. Iš šios medžiagos pagaminti daugiajungčiai (multijunction) fotoelektriniai keitikliai su keliais skirtingais sluoksniais turėtų sugerti visų šviesos spektro bangų energiją , todėl manoma, kad jų efektyvumas turėtų būti apie 50% ar netgi didesnis. 2004 metais tie patys mokslininkai ištyrė dar vienos naujos medžiagos tinkamumą fotoelektriniams keitikliams gaminti – cinko mangano teluro lydinį (ZnMnTe) ir nustatė, kad vienajungtis iš šios medžiagos pagamintas fotoelektrinis keitiklis gali priimti visą saulės spektrą. Taigi, šis keitiklis su paprasčiausia vienasluoksne struktūra gali turėti 50 % ar netgi didesnį naudingo veikimo koeficientą (iki 57 %), kai šiuo metu naudojamų fotoelektrinių modulių efektyvumas yra 2-3 kartus mažesnis.
Organiniai fotoelektriniai keitikliai buvo išrasti 1986 m., tačiau jų naudingo veikimo koeficientas sudarė tik apie 1 % ir toks išliko apie 15 metų. Šie keitikliai gaminami iš specialių polimerų sp.ausdinimo arba užpurškimo būdu. Tokiu būdu galima sukurti visiškai naujo tipo labai pigius, lengvus, lanksčius didelio ploto fotoelektrinius keitiklius, kuriuos galima užnešti ant plėvelių. Fotoaktyviosios plėvelės storis sudaro tik apie 100 nanometrų. Šių keitiklių pagrindu tikimasi sukurti naujas ir labai pigias saulės energijos konversijos technologijas. Šiemet Siemens’o (nuo 2001 m. jų fotoelektros sektorių valdo Shell Solar) mokslininkai paskelbė, kad jiems pavyko padidinti organinių fotoelektrinių keitiklių naudingo veikimo koeficientą nuo 3 iki daugiau kaip 5 % . Jų darbo amžius prieš saulę kol kas siekia keletą keletą tūkstančių valandų. Prognozuojama, kad ateis laikas, kai šis amžius pailgės iki dešimties tūkstančių valandų, kas atitinka maždaug 10 metų, o jų naudingo veikimo koeficientas padidės iki 10 %. Panašūs rezultatai pasiekti ir Princeton’e, JAV. Juos pasiekė Peter Peumans ir prof. Stephen Forrest bedradarbiaudami su Japonijos mokslininku Soichi Uchida [11]. Jie sukūrė fotoelektrinį keitiklį iš organinės medžiagos, savo sandaroje turinčios mažų molekulių su anglies atomais. Mokslininkai mano, kad kai bus pasiekta komercinė jų gamybos stadija, šių organinių fotoelektrinių modulių naudingo veikimo koeficientas sieks nuo 5 iki 10 %. Organiniai fotoelektriniai keitikliai gali būti gaminami įvairių spalvų ir naudojami kaip patrauklūs architektūriniai elementai. Taip pat jie gali būti skaidrūs ir naudojami langams. Manoma, kad organiniai fotoelektriniai moduliai gali sukelti revoliuciją fotoelektros pramonėje, nes bus labai pigūs, lengvai įrengiami ir daug kur naudojami.
Vidutinės metinės saulės spindulinės energijos ekspozicijos vidurkis Europoje yra labai artimas Lietuvos vidurkiui ir sudaro apie 1000 kWh/m2 (apie ekvatorių šie ištekliai sudaro 2000 – 2500 kW/m2 per metus). Nepaisant to, fotoelektrai Europos Sąjungos direktyvose skiriama didelė reikšmė. 2020 m. vien tik ES-15 (senosiose ES šalyse) iš šio šaltinio numatoma pagaminti 42 TWh elektros energijos , kas sudarytų apie 5 % nuo visos ES pagamintos elektros ir apie 25 % nuo visame pasaulyje iš saulės pagamintos elektros.

. Kristalinio silicio fotoelektrinių modulių lyginamosios kainos kritimas
Fotoelektros plėtra visame pasaulyje labiausiai susijusi su fotoelektrinių modulių kainomis. Kurį laiką po jų išradimo kristalinio silicio fotoelektrinių modulių lyginamoji kaina buvo labai didelė. 1976 m. ji siekė apie 60 $/Wp, o po to ženkliai ir gana sparčiai mažėjo, kaip pavaizduota 1 paveikslėlyje. Prognozuojama, kad šis procesas tęsis dar ilgai. Mažėjant fotoelektrinių modulių kainoms, sparčiai didėja jų gamyba ir pardavimas. 1 lentelėje pateikti duomenys rodo fotoelektros plėtros proceso spartą pasaulyje. Europos fotoelektros pramonės asociacijos duomenimis 2020 m.1 % pasaulyje pagamintos elektros energijos bus fotoelektra (1 lentelė), o 2040 m. – ji sudarys jau 26 % [13]. Palyginimui galima prisiminti, kad Ignalinos AE įrengtoji galia yra 3 GW.

Prognozuojama fotoelektros plėtros pasaulyje dinamikaIšvados.
Lietuvoje buvo sukonstruoti ir gaminami saulės elementai, kurių vidutinis efektyvumas siekė 14 procentų. Realiai šiuo metu saulės energiją galima naudoti tik šiluminiams tikslams – įrengti saulės kolektorius vandeniui, patalpoms šildyti ir žemės ūkio produkcijai džiovinti. Nesant skatinimo ir rėmimo naudoti saulės kolektorius vandeniui šildyti ekonomiškai neapsimoka. Pradėti tyrimai norint pagrįsti saulės energijos naudojimą patalpoms šildyti. Tačiau realiai veikiančių šildymo sistemų kol kas neturime.
Žinant Lietuvoje vyraujančią skeptišką nuomonę apie saulės energetiką ir tai, kad fotoelektra kol kas yra vienas iš brangiausių atsinaujinančių energijos šaltinių, gali kilti klausimas, kokios yra tokio spartaus dabartinio fotoelektros vystymosi priežastys ir ar pagrįstos tokios optimistinės ateities prognozės. Situacijos negalima paaiškinti vien lyginant įvairių energijos rūšių kainas – neįvertinus tradicinio kuro poveikio aplinkai bei šalies, neturinčios savo iškasamojo kuro atsargų, ekonominės ir iš to išplaukiančios politinės priklausomybės nuo energijos importo. Kaip ir visų atsinaujinančių energijos šaltinių, fotoelektros plėtrą visų pirma sąlygoja aplinkosauginiai ir ekonominiai-politiniai veiksniai.
Didžioji iškastinio kuro dalis sukoncentruota nedidelėje Pasaulio dalyje. Kuo didesnę savo energetinių poreikių dalį šalis tenkina iš vietinių atsinaujinančių šaltinių, tuo mažiau ji yra priklausoma nuo energijos importo, šalies ekonomiką mažiau veikia vis dažnėjančios pasaulinės energetinės krizės. Tarp šalių, perkančių kurą ir visiškai priklausančių nuo jo tiekimo iš užsienio, yra ir Lietuva.
Svarbių techninių ir klimatinių priežasčių, trukdančių fotoelektros plėtrai Lietuvoje nėra. Kaip ir daugelyje Europos Sąjungos šalių, Lietuvoje vienas instaliuotas fotoelektrinių modulių vatas per metus pagamina vieną kilovatvalandę elektros energijos. Iki šiol išgyvenusios šios srities gamybinės įmonės pakankamai stabilios, nes orientuotos ne į vietinę rinką.
Tolimesnė fotoelektros panaudojimo plėtra Lietuvoje, kaip ir kitose šalyse, tiesiogiai susijusi su valstybine politika energetikos ir aplinkosaugos srityse. Yra paruoštos kelios programos, numatančios eilės demonstracinių jėgainių įrengimą. “Lietuvos nacionalinė saulės programa” tai “Pasaulio saulės programos 1996-2005” sudėtinė dalis. Projektas “Saulė-Lietuva”-ES programos “Saulės miestai” sudėtinė dalis. Tačiau be dalinio vyriausybės finansavimo šios programos neįgyvendinamos.Literatūra
1. http://www.aet.eaf.ktu.lt/se/
2. http://saule.lms.lt/main/solarl.html
3. http://www.ateik.info/lt/saules_energija.php
4. http://ausis.gf.vu.lt/mg/nr/2000/04/4saule.html
5. http://www.ekostrategija.lt/index.php?content=pages&lng=lt&page_id=31&news_id=93
6. http://www.aet.eaf.ktu.lt/straipsnis1.php

Leave a Comment