Saulės elementai

1129 0

Įvadas

Lietuvos teritorija apima 65 200 km2 plotą. Įvairiose Lietuvos vietovėse per metus į horizontalaus paviršiaus kvadratinį metrą patenka nuo 926 kWh/m2 metus (Biržai) iki 1042 kWh/m2 metus (Nida) saulės spindulinės energijos. Vidutiniškai Lietuvoje ši krintanti energija sudaro ~1000 kWh/m2 metus. Tuo būdu į Lietuvos teritoriją patenka 6,54.1013 kWh/metus. 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. Taaigi, 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 peerdengiant 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 (p

pvz., tiltų,..požeminių..įrengimų..katodinė..apsauga).

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.

Saulės elektros jėgainės

SEJ – tai XXI a. elektros energijos gamybos įmonės. Čia nenaudojami nei šiluminiai, nei mechaniniai procesai. Jos struktūrą sudaro tik anergetinės elektronikos elementai.

Šioms jėgainėms nereikia kuro, todėl nesusidaro teršalų, jos nedaro žalos aplinkai, nekelia triukšmo, joms nereikia vandens.

Jėgainės ilgaamžės, kadangi neturi judančių dalių ir greitai susidėvinčių elementų.

Jėgainių konstrukcinė sandara modulinė, todėl gali būti grreitai įrengiamos ir prireikus perkeliamos į kitą vietą.

Elektros gamyba gali būti visai automatizuota, veikimas kokybiškas ir patikimas, reikalinga minimali priežiūra.

Elektros energijos gamybos nebūtina koncentruoti vienoje specialiai parinktoje vietoje. Ji gali būti paskirstyta ir todėl mažiau paleidžiama. Negresia žalingi padariniai aplinkai, diversijų ar galimų kataklizmų atveju.

SEJ negali gaminti elektros energijos tamsiuoju paros metu, todėl joms būtina elektros kaupiklis. Mažos galios autonominėje SEJ – tai akumuliatorių baterijos.

Nedidelės ir vidutinės galios (1-100 kWp) SEJ struktūrinė schema parodyta paveiksle (Wp – pikinė galios reikšmė).

Energijos keitiklyje EK naudojama au

ukšto tarpinio dažnio 30 kHz grandis leidžia ne tik sumažinti jo masę, matmenis, bet ir įrengti stabilizuotos srovės aukšto dažnio sistemą apšvietimo ir švitinimo įrenginiams su dujinio išlydžio lempomis. Juos naudojant, galima smarkiai pagerinti optinio spinduliavimo energijos kokybę, sutaupyti eloktros energijos ir techninių išteklių. Pramoninio dažnio elektros grandinėje įrengta su kitomis sekos srovės harmonikų slopinimo filtras F ir elektros energijos skaitiktiai.

Nedidelės galios Saulės elektrinės struktūrinė schema: SEG – fotoelektrinių keitiklių modulių laukas, PĮ – nuolatinės srovės elektros energijos paskirstymo įrenginys, ĮR – įtampos reguliatorius, AB – akumuliatorių baterija, EK – energijos keitiklis puslaidininkinis invertorius, nuolatinės srovės energiją paverčiantis pramoninio dažnio trifazės sroves energija

SEJ struktūrinė schema palyginti su pateiktąja gali būti supaprastinta ar papildyta. Tai priklauso nuo galios ir techninių sąlygų.

FEK modulių pagrindiniai duomenys, apskaičiuoti plačios galių gamos SEJ parametrai pateikti (1 lent.)

Čia priimta, kad vieno FEK vardinė įtampa yra 16,2 V, vardinė srovė 2,5 A, galia 40 Wp (šiuos modulius gamina UAB “Saulės energija kartu su AB “Nuklonas”). Iš lentelės matyti, kad, sakysim, 10 kWp gailos SEJ reikia 200 SEM-40/12 tipo modulių, kurių bendras plotas 110 m2, t. y. 10×11 m. SEJ inventoriaus-ciktokonvertoriaus įėjimo įtampą 500 V ir srovę 22 A gauname, atitinkamai sujungę (nuosekliai ar lygiagrečiai) minėtus FEK modulius.

Dabar Saulės energetiką plėtoja daugelyje pasaulio šalių, todėl ateities perspektyvai įvertinti galima pasinaudoti jų patyrimu ir pa

agalba. Anglijoje sudaryta ir realizuota programa, įvertinanti potencialią elektros energijos galią, kurią galima gauti, ant atitinkamų pastatų stogų ir sienų konstrukcijose įmontavus FEK modulius (2 lent). Tyrimai atlikti 1995-2020 metams, patvirtinti šios srities technologijų naujovių ir kainų dinamikos, bei rinkos prognozei. Šalies pastatai suskirstyti į 3 grupes: komercinius, pramoninius ir ūkinius-buitinius. Priimta, kad visa pagaminta energija bus naudojama namo reikmėms, o perteklius pateikiamas į energetikos sistemos elektros tinklą. Šioje lentelėje pateikti duomenys įvertina Saulės energijos galią GW, kuri gauta matuojant kasdien nuo 9°° iki 17°° valandos. Skaičiai būtų didesni, panaudojus visą šviesųjį paros laiką.

Pagal šios studijos duomenis 1995m prognozuojamas bendras energetinis šalies galios resursas yra 68 GW, 2020m – 111 GW. Įvertinant šias galias, 1995m būtų pagaminta 208 TWh, o 2020m galima būtų gauti 364 TWh Saulės elektros energijos.

Įvertinant globalinę ekologijos būklę ir technologijos plėtros perspektyvas iki 2020m, branduolinį, bei anglių ir naftos kurą naudojančių elektros jėgainių gaminamos elektros energijos kainoje privalės atsispindėti ne vien tiesioginės (kaip yra dabar), bet ir netiesioginės išlaidos.

Įvertinant visą energijos kainą, XXI a. elektros energijos savikaina Didžiojoje Britanijoje bus 8 pensai/Wh (dabar 2,5 p/kWh), o vartotojui kaina pakils iki 13 p/kWh (dabar 8 p/Wh). Imta, jog pakaktų panaudoti bent 10 % visų tam tinkamų Didžiosios Britanijos pastatų (o tai realu pertvarkant pastatus) su FEK dangoms, kad būtų gauta 12 GW galia vasaros dieną ir
r 2 GW žiemą. Didžiojoje Britanijoje namų sienų ir stogų statybinės konstrukcijos su FEK dangomis apie 2010m bus pajėgios konkuruoti su dabar naudojamoms statybos konstrukcijomis.

Taigi Didžioji Britanija jau turi “Fotoelektrinės namų bangos programą”, Vokietijos – 350 kW Saulės elektros jėgainę Mozelyje ir vykdo “1750m stogų programą”. Japonija planuoja elektros prieauglį nuo 2000m gauti iš Saulės energijos. Beveik visos Vakarų Europos šalys dalyvauja bendruose Saulės energijos plėtros projektuose EUREKA programoje. Saulės energijos plėtrai per metus skiriama 1 mlrd. dolerių, įrengiama 50 MW galios Saulės jėgainių.

JAV Energetikos departamentas 1995m asignuoja tokias lėšas mokslui ir technologijai energetikos srityje (doleriais):

1 lentelė

Plačios galių gamos SEJ parametrai

SEJ galia

kWp FEK moduliu skaičius SEK moduliu lauko plotas m2 Matmenys mxm Invertoriaus įėjimo įtampa

V Inventoriaus įėjimo srovė A

1 25 11 2×5,5 500 2,2

2 50 22 3×7,3 500 4,4

5 100 55 5,5×10 500 11

10 200 110 10×11 500 22

20 400 220 10×22 500 44

50 800 550 10×55 500 110

100 2500 1100 10×110 500 220

1000 25000 11000 11×1000 10000 111

10000 250000 110000 11×10000 10000 10×111

100000 2500000 1100000 11×100000 20000 5×1110

2 lentelė

Potenciali elektros energijos galia, kuria pavyktų gauti, Anglijos pastatų stoguose ir sienose įmontavus FEK modulius

Pastatų tipas Metinė vidutinė vertė GW Balandžio-rugsėjo mėn. GW Gruodžio mėn. GW

Komerciniai 15 23 3,7

Pramoniniai 26 39 6,3

Ūkiniai buitiniai 70 103 17

Iš viso 111 165 27

• iškasamojo kuro energetikai 381,6mln.(+11,9%)

• atominei energetikai* 138,3 mln. (-37 %)

• Saulės ir atsinaujinančiai energetikai 397,5 mln. (+15 %), iš jų;

• fotoelektrinėms sistemoms 94,4 mln. (+25,3 %)

• terminėms sistemoms 33,3 mln. (+5,4 %)

• biokuro sistemoms 58,1 mln.(+12%)

• vėjo sistemoms 51,7 mln. (+76,4 %)

Šiuo metu daugelio energetikų požiūris į Saulės energetikos plėtrą skeptiškas. Esą labiau apsimoka panaudoti esamus pajėgumus, nes Saulės elektros energija atsieina kelis kartus brangiau už šiluminių ar kitų jėgainių energiją. Tačiau Saulės energetikos plėtros mąstai pasaulyje rodo, kad jau suvokiamas tokio kainų palyginimo apgaulingumas. Vartotojas dabar padengia tik tiesioginės energijos išlaidas. O netiesioginės išlaidos – tai investicijos mokslo tyrimus (kurios Vokietijai, kuriant atominę energetiką, atsiėjo 6 mlrd. dolerių), į stabilų naftos tiekimą (kuris JAV 1989m Persijos kare kainavo 54 mlrd. dolerių), nuostoliai dėl aplinkos teršimo, sveikatos apsauga (amerikiečiams tai atsieina 100-300 mlrd. dolerių). Visas kitas netiesiogines išlaidas padengia visuomenė, todėl vartotojui tiekiama energija yra daug pigesnė. Skeptišką kai kurių energetikų požiūrį, anot Vokietijos politikų, galima paaiškinti tuo, kad energetikai dar nėra atsakingi už energetikos pasekmes ir ekologiją.

Dabartinę Lietuvos energetikos padėtį galima apibūdinti taip. Kuriamos nemažos valstybės poreikiams tenkinti reikalingą išvystytą energetikos sistemą ir labai ribotus energetinius išteklius. Turime labai mažai kuro šiluminėms jėgainėms ir visai neturime dujų ir branduolinio kuro, todėl strateginiu požiūriu, bent kol kas, esame visiškai priklausomi nuo Rytų.

Lietuva yra palankesnėje geografinėje padėtyje už Didžiąją Britaniją, todėl Saulės energijos ištekliai 1,4 karto didesni. Antra, Lietuvoje yra mokslinis potencialas ir techninė bazė tyrimams bei technologijoms kurti. Svarbią paruošiamąją veiklą šioje srityje išvystė Lietuvos mokslininkų sąjungos probleminė grupė “Molekulinė elektronika” kartu su UAB “Saulės energija”. Ji sukūrė ir kartu su AB “Nuklonas” į gamybą diegė FEK technologiją. UAB “Saulės energija” įsirengusi JAV firmos SPI-RE FEK modulių gamybos liniją, bus pajėgi gaminti 9 tūkst. modulių per metus, o tai sudarys 360 kW. Gamybos apimtį galima išplėsti iki 1 MW. Dabar gaminamų FEK modulių parametrai atitinka pasaulio standartus. Moduliai eksportuojami j užsienį, nes Lietuvoje nėra paklausos. Sudaryta SEJ Lietuvoje plėtros koncepcija, kurioje išsamiai išnagrinėtos SEJ panaudojimo galimybės ir atskiri aspektai – technologija, ištekliai, poveikis gamtai, ateities perspektyvos, pasaulyje veikiančios ir projektuojamos SEJ, pramonės ir mokslo potencialo Lietuvoje įvertinimas.

Turėdamos mokslo ir technologinį patyrimą, įslaptintąją patirtį mokslinė grupė “Molekulinė elektronika” ir UAB “Saulės energija”, bendradarbiaudamos su Vakarų firmomis, gali sėkmingai spręsti FEK technologijos ir gamybos problemas.

Lietuvos mokslininkai ir inžinieriai, panaudodami savo išteklius, žinias ir Vakarų valstybių patyrimą, gali sukurti ir gaminti originalius SEJ įtaisus, kuriuos galėtume realizuoti Lietuvoje ir užsienyje. Praktinis patyrimas rodo, kad nors FEK modulius ir gamina Vakarų šalys, tačiau jie pigiau gaminami Lietuvoje ir parduodami Vakarų šalyse.

Tokias galimybes patvirtina ir kiti pavyzdžiai. KTU minėtosios katedros mokslininkams bendradarbiaujant su Vilniaus universiteto Kvantinės elektronikos katedra pa-vyko sukurti medicinos lazerinius skalpelius-koaguliatorius MEDU-LA-3(4). Juos gamina serijomis Lietuvos kurčiųjų draugijos Vilniaus įmonė. Ši produkcija sėkmingai realizuojama Lietuvoje ir Rusijoje, nes ji atitinka Europos standartus ir yra gerokai pigesnė už Vakarų šalių analogus.

Fotoelementų efektyvumas ir gamybos technologija

Nuo 1975 metų didžiausias dėmesys, atliekant saulės elementų (SE) tyrimus bei technologijų tobulinimą, skiriamas elementų efektyvumo bei įvairiausių technologijų patikimumo didinimui, o taip pat kainų mažinimui. Praktiškai yra tyrinėjamos visos galimos konstrukcijos ir koncepcijos. Šiuo metu daug gaminama labai įvairių tipų saulės elementų ir jų modulių (standžios konstrukcijos, kuriose sumontuotas ir elektriškai sujungtas didesnis ar mažesnis a

. . .

Pasaulinė saulės elementų rinka

6 lentelėje pateikti duomenys apie saulės elementų modulių pardavimą įvairiose pasaulio srityse per paskutiniuosius septynerius metus. 1998 metais jau buvo parduota modulių, kurių bendra galia viršijo pusantro šimto megavatų. Labiausiai visa tai nulėmė Tolimieji Rytai: apie 80 proc. pasaulinio metinio prieaugio teko būtent Japonijos rinkos augimui, sąlygotam valstybės finansuojamos saulės elementų įjungimo į bendrą elektros tinklą programos. 1998 metais Japonijoje buvo įrengta apie 9000 trijų kW galios sistemų. Iki 1997 metų saulės elementų pardavimas kasmet padidėdavo apie 12-15 proc., ir tai buvo beveik vien tik autonominės sistemos, pakankamai ekonomiškai pateisinamos atskirais atvejais (pavyzdžiui, radijo ar telefoniniai retransliatoriai kalnuose ar kitose sunkiai prieinamose vietovėse). Per keletą paskutiniųjų metų sparčiausiai auga būtent į bendrą energetinį tinklą įjungiamų sistemų saulės modulių pardavimas (apie 33 proc. per metus). Prie to prisideda tiek Japonijoje, tiek ir Vokietijoje bei Olandijoje vykdomos stambios valstybinės programos bei neseniai JAV paskelbta analogiška, tik dar didesnio užmojo programa (“milijonas stogų su saulės elementų moduliais!”). Kitos paskirties modulių (ryšių sistemose, kaimo vietovėse, individualių vartotojų) pardavimas auga daugmaž vienodai – apie 12-15 proc. per metus.

Saulės elementų modulių pardavimas pasaulyje (MW) 6 lentelė

Sritis 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1997

JAV 18,1 22,44 25,64 34,75 38,85 51,0 53,7

Japonija 18,8 16,7 16,5 16,4 21,2 35,0 49,0

Europa 16,4 16,55 21,7 20,1 18,8 30,4 31,0

Likęs pasaulis 4,6 4,4 5,6 6,35 9,75 9,4 18,7

Išvados

Saulės elementai (fotovoltiniai elementai), šviesą tiesiogiai verčiantys elektros energija, – tai perspektyviausi ekologiškai švarios energijos šaltiniai. Jie randa vis platesnį praktinį pritaikymą, tačiau labiau konkuruoti su tradiciniais šaltiniais. Ryškus pokytis fotoelementų rinkoje pasijus tuomet, kai bus pastatytos ir savo produkciją pradės realizuoti gamyklos, kurių pajėgumai turėtų siekti iki 100 MW galios fotoelementų modulių per metus.

Lietuvoje yra visos galimybės ir perspektyvos šios energetikos plėtrai.

Dalis vartotojų (tiek gyventojai, tiek ir įmonės) jau turėtų pradėti rinktis būtent saulės elementų modulius, nors jais gaminama elektros energija bus dar brangesnė, nei dabar gaunama iš įprastinių šaltinių – naftos, dujų ar atominių elektrinių.

Literatūra

1. „Mokslas ir Technika“ 1995 Nr. 4 (Habil. Dr. Povilo Balčiūno ir Habil. Dr. Stepas Janušonis straipsnis „Saulės elektros jėgainės – pasaulyje ir Lietuvoje“)

2. „Mokslas ir Gyvenimas“ 2001 Nr. 7-8 (Dr. Igno Šateiko straipsnis „Saulės kolektoriai“)

3. “Ryšių technikos naujienos” Lietuvos telekomo leidinys.(Saulės elementų technologija). 1999 Nr. 4 –80p.

4. http://www.saule.lms.lt

Join the Conversation

×
×