Vejo ir saules Energijos

Vėjo energija

Vėjo energija, tai viena iš Saulės energijos formų. Saulei nevienodai įšildžius Žemės paviršių ir ją gaubiantį oro sluoksnį, atsiranda oro masių judėjimas, kitaip tariant kyla vėjas. Vėjų kinetinė energija Žemėje apytiksliai sudaro 0,25 % Saulės energijos, pasiekiančios žemės paviršių (apie 0,7×1021 J). Tačiau praktiniam naudojimui prieinamas arba vadinamasis vėjo energijos techninis potencialas sudaro tik 1,5 % teorinių vėjo energijos resursų. Realiai ekonomiškai apsimokantis potencialas sudaro tik nedidelę techninio vėjo energijos potencialo dalį. Bet tai priklauso nuo vėjo energetikos išvystymo lygio, kitų energijos rūšių kainų.

Lietuva nepasižymi pastoviais ir stipriais vėjais, tačiau panašios geografinės sąlygos yra daugelyje Vakarų Europos šalių, kuriose pastaruosius 10-15 metų vėjo energetika sparčiai vystoma. Tuo tarpu

Lietuvoje vėjo energija kol kas beveik nenaudojama. Nors, kad vėjo jėgainės gali veikti ir pas mus, rodo kelių šimtų metų vėjo malūnų naudojimo patirtis.

Reikia pastebėti, kad vėjo resursų įsisavinimas sparčiausiai vyksta dažniausiai ne tose šalyse, kur geriausios vėjo sąlygos, bet tose, kur šalių vyriausybės sudaro tinkamas sąlygas vėjo jėgainių statybai, priimdama tam palankius įstatymus. Tai ypač ryšku Vokietijoje, kuri šiuo metu yra neabejotina vėjo energetikos lyderė pasaulyje. Šioje šalyje veikia įstatymai, skatinantys elektros energijos gamybą vėjo jėgainėse ir suteikiantys 20 metų garantiją, kad pagaminta elektros energija bus superkama palankiomis gamintojui kainomis.

Kaip buvo pradėta naudoti vėjo energija?

Pirmiausiai vėjo energija buvo naudojama kaip varomoji jėga buriniuose laivuose ir tik vėliau buvo sukurti mechanizmai – vėjo malūnai, kurie vėjo energiją paversdavo mechaniniu darbu ir buvo naudojami grūdams malti ar įvairioms darbo mašinoms sukti. Europoje pirmą kartą vėjo malūnas paminėtas

IX a. Vėliau, X a. buvo aprašyti Persijos malūnai su vertikaliąja sparnų ašimi. Seniausi Europos vėjo malūnų atvaizdai yra išlikę iš XII a. Vėjo malūnai Lietuvą pasiekė XIV a. per Baltiją – judrų prekybos kelią. Pirmieji iš baltų su malūnais susipažino prie Baltijos jūros gyvenę senieji prūsai.

Čia buvo pradėti statyti pirmieji vėjo malūnai, su sparnais, nuolat atsuktais į vyraujantį vėją. Vėliau iš tokių malūnų atsirado ir malūnai, gręžiami į vėją visu liemeniu (stiebiniai). Tik nuo XVIII a. pradeda plisti tobulesni, kepuriniai malūnai, kurių sparnus į vėją galima pasukti viršutine dalimi – kepure. Daugiausiai vėjo malūnų Lietuvoje pradžioje buvo pajūryje, vėliau jie plinta Vidurio Lietuvoje Šiaulių, Panevėžio, Joniškio,

Šakių, Vilkaviškio apskrityse. XIX a. jie sudarė 54 % visų malūnų (kiti 43%

– vandens ir 3 % garo malūnai). 1914 – 1921 metų kartografinės medžiagos duomenimis, Lietuvoje buvo apie 900 vėjo malūnų, dažnai, kai kuriose gyvenvietėse net po kelis.

Vėjo energetinės charakteristikos

Vėjo greitis. Svarbiausia vėjo, kaip energijos šaltinio charakteristika yra jo greitis. Matuojamas vėjo greitis specialiais prietaisais, parodančiais momentinį vėjo greitį arba vidutinį vėjo greitį per tam tikrą laiko tarpą.

Paprasčiausias prietaisas parodantis momentinį vėjo greitį ir kryptį yra

Vildo fliugeris (vėjarodis). Anksčiau tai buvo pagrindinis vėjo stiprumo matavimo prietaisas. Tai stačiakampė metalinė lenta, pakabinta ant ašies ir savo plokštuma nuolat atsukta į vėją. Pagal lentos atsilenkimo kampą apytiksliai nustatomas vėjo greitis. Nors fliugeris yra paprastas ir pigus prietaisas, bet dėl nepakankamo tikslumo mažai tinkamas vėjo energetinių charakteristikų nustatymui. Tiksliam vėjo greičio matavimui naudojami įvairių konstrukcijų anemometrai, kuriais gali būti nustatomas tiek momentinis, tiek vidutinis vėjo greitis per tam tikrą laiką.

Tam, kad būtų galima spręsti apie vėjo energijos panaudojimo galimybes konkrečioje vietovėje, daugelyje šalių, kur vystoma vėjo energetika, sudaryti vėjo atlasai. Pateikiami vėjo atlasuose duomenys leidžia vėjo jėgainių kūrėjams ir būsimiems savininkams tinkamai parinkti vėjo jėgainės tipą, gana tiksliai apskaičiuoti galimą gauti energijos kiekį, pagrindinius ekonominius parametrus. Lietuvos vėjo atlaso, analogiško užsienio šalių vėjo atlasams nėra. Remiantis vėjo greičio matavimų Lietuvos meteorologinėse stotyse duomenimis, Lietuvos energetikos institute sudarytas tik apytikslis vėjo greičių pasiskirstymo žemėlapis (2.1 pav).

Vėjo greičio matavimai meteorologijos stotyse atliekami standartiniame 10 m aukštyje nuo žemės paviršiaus, lygiais laiko tarpais (dažniausiai kas trys valandos), po to apskaičiuojamas vidutinis greitis per matavimo laikotarpį, susumuojant visas greičio reikšmes ir padalinant iš matavimų skaičiaus.

Pradinis vėjo greitis, kuriam esant vėjo jėgainės pradeda veikti, dažniausiai būna 3,5 – 4,5 m/s. Vėjo greičiui pasiekus 25 m/s, dauguma vėjo jėgainių stabdomos. Vėjo jėgainių konstrukciniai elementai skaičiuojami apkrovoms, kurios kyla esant 60 m/s vėjo greičiui. Vėjo greitis, kuria esant vėjo jėgainės pasiekia skaičiuojamąją vardinę galią, paprastai būna apytiksliai lygus tos vietovės, kurioje statoma vėjo jėgainė dvigubam vidutiniam metiniam vėjo greičiui, vėjaračio ašies aukštyje. Nedidelėms vėjo jėgainėms vardinis vėjo greitis dažniausiai būna apie 8 – 10 m/s, o didelėms, su aukštai iškeltais vėjaračiais – 12 –15 m/s.

[pic]

2.1 pav. Vidutinis vėjo greitis ir vėjo energijos potencialas 10 m aukštyje

Nemažą įtaką vėjo greičio dydžiui turi aukštis nuo žemės paviršiaus.

Paprastai vėjo greitis meteorologinėse stotyse matuojamas 10 m aukštyje nuo žemės paviršiaus, tačiau vėjo jėgainių vėjaračiai gali būti įvairiuose aukščiuose, todėl vėjo greitį jėgainės ašies aukštyje galima apskaičiuoti pagal tokią formulę:

[pic],

(2.1)

čia: v1 – vėjo greitis (m/s) išmatuotas aukštyje h1 (m);

v2 – vėjo greitis (m/s) vėjaračio ašies aukštyje h2 (m);

n – laipsnio rodiklis, įvertinantis vietovės šiurkštumo laipsnį, n =

0,1 – 0,4 (atvirose vietovėse su neaukštų pasėlių plotais n = 0,14;

miškingose vietose n = 0,3; užstatytose pastatais n > 0,4).

Pavyzdžiui, kaip vėjo greitis kinta priklausomai nuo aukščio parodyta 2.1

lentelėje.

|Vėjo greitis|Vėjo greitis v2, m/s aukštyje h2, m |

|v1, m/s 10 m| |

|aukštyje | |

| |15 |20 |25 |50 |75 |100 |

|3,5 |3,7 |3,86 |3,98 |4,36 |4,64 |4,83 |

|4 |4,23 |4,41 |4,55 |5,01 |5,3 |5,52 |

|4,5 |4.76 |4,96 |5,12 |5,64 |5,97 |6,21 |

|5 |5,29 |5,51 |5,68 |6,26 |6,63 |6,9 |

|5,5 |5,82 |6,06 |6,25 |6,89 |7,29 |7,52 |

2.1 lentelė. Vėjo greičio priklausomybė nuo aukščio

Vėjo energetinis potencialas. Vėjo energijos potencialas suprantamas kaip galia, kurią turi judėdamas oro srautas. Oro srauto galia P vatais, (W)

[pic],

(2.2)

čia : r – oro tankis, kg/m3; paprastai vėjo energetiniuose skaičiavimuose priimama r = 1,25 kg/m3 (esant 10 oC temperatūrai ir 760 mm Hg slėgiui);

v – oro srauto greitis, m/s;.

A – plotas, pro kurį praeina oro srautas, m2.

Žinant vidutinį vėjo greitį vvid (m/s), vėjo energijos potencialą Pvp, (lyginamąją oro srauto galią) (W/m2), galima apskaičiuoti iš tokios formules:

[pic].

(2.3)

Vėjo jėgainių statybos vieta

Norint įvertinti konkrečios aikštelės tinkamumą vėjo jėgainių statybai, yra būtina atlikti papildomus nors 6 – 12 mėn. trukmės vėjo greičio matavimus pasirinktoje vėjo jėgainės statybai aikštelėje. Parenkant vėjo jėgainės statybos vietą, būtina atsižvelgti į:

· žemės paviršiaus reljefą:

· kliūtis vėjui;

· vietovės šiurkštumą;

· kad vidutinis metinis vėjo greitis 10 m aukštyje būtų ne mažesnis negu 3,5 m/s.

Vėjo jėgainės statomos ten, kur yra pakankamai didelis vėjo greitis ir mažas jo turbulentiškumas. Vėjo turbulentiškumą sukelia sūkuriai, kurie atsiranda vėjui aptekant įvairias kliūtis Vėjo greitis žymiai padidėja ant kalvų, kurių šlaitai lygūs ir neapaugę mišku. Didelę įtaką vėjo greičiui turi ir netoli vėjo jėgainės esantys pastatai ar pavieniai medžiai (2.4

pav).

[pic]

2.4 pav. Vėjo greičio sumažėjimas aptekant kliūtį

Jei yra pavienių kliūčių vėjui, jėgainės statomos nuo kliūties atstumu ne mažesniu kaip 18 – 20 šios kliūties aukščių arba vėjaratį pakeliant į tokį aukštį, kad jo apačia nuo žemės paviršiaus būtų ne mažesniu atstumu, kaip dvigubas kliūties aukštis. Nuo medžių eilės jėgainės statomos ne arčiau, kaip 2,5 medžių aukščiai arba iškeliant vėjaratį virš 3 medžių aukščių.

Geriausia vieta vėjo jėgainei – ant atviros kalvos, kurios aukštėjimo kampas iki 160, viršūnės. Be to, saugumo sumetimais (avarijų atveju), o taip pat atsižvelgiant į keliamą triukšmą, jėgainės atstumas nuo statinių turėtų būti ne mažesnis, negu 6 – 8 vėjaračio skersmenys.

Vėjo jėgainių įrenginiai

Vėjo energija paverčiama mechaniniu darbu ir kita energijos rūšimi vėjo jėgainėse. Vėjo jėgainės gali būti klasifikuojamos pagal vėjaračio tipą ir vėjaračio ašies padėtį. Pagrindinių vėjaračių tipų schemos pateiktos 2.3

pav. Pagal vėjaračio ašies padėtį, vėjo jėgainės būna vertikaliosios ir horizontaliosios ašies. Dažniausiai naudojamose horizontaliosios ašies jėgainėse su mentiniais vėjaračiais, mentės būna paprastos neprofilinės, įtvirtintos stebulėje tam tikru kampu ir profilinės. Pirmu atveju vėjaračio sukimui išnaudojama pasipriešinimo jėga ir mentės galo linijinis greitis būna artimas vėjo greičiui. Vėjaračiuose su specialaus aerodinaminio profilio mentėmis išnaudojama jų keliamoji jėga, o mentės galo linijinis greitis būna žymiai didesnis už vėjo greitį.

Vėjaračio dydį charakterizuoja darbo plotas, statmenas vėjo krypčiai, kurį jis besisukdamas užima erdvėje, kartais vadinamas vėjaračio “šluojamuoju”

plotu. Įprastiems vėjaračiams su horizontaliąja ašimi šis plotas A, (m2)

yra

[pic],

(2.4)

čia D – vėjaračio skersmuo, m.

Stačiakampio formos vėjaračiams (H – pavidalo, karuseliniams)

[pic],

(2.5)

čia h – vėjaračio mentės aukštis (ilgis), m.

[pic]

2.3 pav. Vėjaračių tipai: 1,2,3 – karuseliniai ir būgniniai; 4 – kaušinis;

5 – daugiamentis;

6 – vienmentis (su kontrasvoriu); 7 – dvimentis; 8 – trijų menčių; 9 –

Savonijaus tipo;

10 – H pavidalo ortogonalinis; 11 – Darje tipo

Vėjo jėgainės galia. Vėjaračio išvystoma galia mažai priklauso nuo menčių skaičiaus. Svarbiausią reikšmę turi menčių forma, jų profilis, padėtis vėjo sraute ir vėjaračio darbo plotas. Tačiau daugiamenčiai vėjaračiai turi didesnį pradinį sukimo momentą esant mažam vėjo greičiui ir maksimalią galią jie pasiekia esant nedideliam sukimosi greičiui.

Vėjaračio išvystoma galia yra mažesnė už vėjo srauto galią. Kokią vėjo srauto galios dalį vėjaratis paverčia mechanine galia, parodo vėjo energijos išnaudojimo arba dar vadinamas galios koeficientas cp.

Vėjo jėgainės galia P vatais (W), nustatoma iš formulės

[pic],

(2.6)

čia: r – oro tankis, kg/m3, r » 1,25 kg/m3;

vv – vardinis vėjo greitis, m/s, vv » 2vvid;

A – vėjaračio darbo plotas, m2;

cp – jėgainės galios koeficientas, cp » (0,3 – 0,45);

hp – pavarų naudingumo koeficientas (hp » 0,8 – 0,9);

hg – el. generatoriaus naudingumo koeficientas (hg » 0,75 – 0,8).

Visos kinetinės vėjo energijos negalima panaudoti. Oro srautas, praėjęs pro vėjaratį ir atidavęs jam dalį savo energijos, dar turi turėti tam tikrą greitį, kad pasitrauktų nuo vėjaračio, netrukdydamas atitekančiam oro srautui. Teoriškai yra apskaičiuota, kad idealaus vėjaračio maksimali cp reikšmė yra 0,593. Tobuliausių šiuo metu gaminamų vėjaračių, dažniausiai naudojamų horizontalios ašies jėgainėse, pasiekiama maksimali cp reikšmė yra 0,45 – 0,48. Vėjaračiai, naudojantys pasipriešinimo jėgą (2.3 pav.

1,2,3,4), turi mažą galios koeficientą, paprastai neviršijantį 0,14 –

0,18. Šiek tiek didesnius cp turi Savonijaus tipo vėjaratis ir daugiamentis vėjaratis su neprofilinėmis mentimis. Jų galios koeficientas siekia 0,24 –

0,28. Vandens siurblių pavarai mažiau, bet dar naudojamos vėjo jėgainės su daugiamenčiais vėjaračiais (2.3 pav. 5). Šių jėgainių privalumas yra tas, kad jos pradeda veikti esant mažam vėjo greičiui ir išvysto didelį sukimo momentą, kas yra svarbu tūrinių vandens siurblių pavarai.

Nemažas susidomėjimas yra vertikalios ašies Darje tipo ir H – pavidalo ortogonaliniais vėjaračiais su aerodinaminio profilio mentėmis. Vertikalios ašies vėjaračių nereikia orientuoti pagal vėjo kryptį – jie visada užima darbinę padėtį. Be to, tokia konstrukcija suteikia galimybę montuoti jėgainės agregatus bokšto papėdėje, todėl patogiau juos eksploatuoti.

Jų cp siekia 0,36 – 0,38. Tačiau jie turi ir trūkumų. Dėl nuolat kintančio vėjaračio sukimo momento, kyla pulsuojančios apkrovos, todėl jėgainių konstrukcijas reikia daryti atsparesnes. Eksperimentinė 2,2 kW galios jėgainė su vertikaliąja ašimi įrengta ir LŽŪU Žemės ūkio inžinerijos institute.

Vėjo jėgainės per metus pagaminamos energijos kiekis El (energijos kiekis iš 1 m2 vėjaračio darbo ploto, kWh/m2), gali būti apskaičiuojamas pagal tokią formulę [pic]

[pic],

(2.7)

čia: vvid – vidutinis metinis vėjo greitis, m/s;

b – koeficientas, priklausantis nuo jėgainės charakteristikos, b =

(2,1 – 3,2), kWh×s3/m5.

Vėjaračio greitaeigiškumas. Įvairių tipų vėjaračiai geriausiai naudoja vėjo energiją, besisukdami skirtingu, kiekvienam tipui būdingu, greičiu.

Jeigu mentės išdėstytos per tankiai arba vėjaratis sukasi per greitai, tai mentės judės prieš jas esančių menčių turbulizuotame, išskaidytos energijos oro sraute ir neefektyviai išnaudos atitekančio srauto energiją.

Tačiau jei mentės išdėstytos per retai arba vėjaratis sukasi per lėtai, tai žymi dalis oro srauto praeis vėjaračio sukimosi plokštumą mažai sąveikaudama su mentėmis ir atiduos tik nedidelę dalį vėjo energijos. Todėl, norint pasiekti maksimalų vėjaračio efektyvumą, vėjaračio sukimosi greitis turi atitikti vėjo greitį.

Ryšį tarp vėjo greičio ir vėjaračio sukimosi greičio charakterizuoja vėjaračio greitaeigiškumas, tai mentės galo (horizontalios ašies vėjaračio) ar mentės (verikalios ašies vėjaračio) linijinio greičio santykis su vėjo greičiu. Vėjaračio greitaeigiškumas z :

z= w

R/v,

(2.8)

čia: w – vėjaračio kampinis greitis, rad/s;

R – vėjaračio spindulys, m;

v – vėjo greitis, m/s.

arba z= p D n /(60

v),

(2.9)

čia: n – vėjaračio sukimosi greitis, min-1;

D – vėjaračio skersmuo, m.

Maksimalią cp reikšmę atitinka tam tikra greitaeigiškumo koeficiento z reikšmė. Ją vadiname optimalia reikšme z0. Norint išlaikyti maksimalią cp reikšmę, reikia palaikyti tam tikrą pastovų santykį n/v, t.y. mažėjant vėjo greičiui, mažinti vėjaračio sukimosi greitį.

Apytiksliai z0 galima surasti pagal formulę

zo = 4p / nm ,

(2.10)

čia nm– menčių skaičius.

Vėjo jėgainių pagrindinės dalys. Vėjo jėgainės dažniausiai susideda iš vėjaračio, pavarų dėžės, elektros generatoriaus, stabdžių sistemos, orientavimo pagal vėjo kryptį sistemos, reguliavimo sistemos (informacijos ir kontrolės blokų), bokšto (atramos ir pamato).

Vėjaračiai gali būti įvairiausių tipų ir konstrukcijų (2.3 pav.), tačiau šiuo metu daugiausiai naudojami trimenčiai horizontaliosios ašies vėjaračiai, su aerodinaminio profilio mentėmis. Vėjaračių su horizontaliaja ašimi aerodinaminio profilio mentės yra sraigto pavidalo, t.y. mentės nustatymo kampas tolstant nuo ašies mažėja, tuo tarpu vertikalios ašies vėjaračio mentės yra tiesios ir simetrinio profilio, tad jų gamyba yra paprastesnė ir pigesnė. Menčių gamybai paprastai naudojamos polimerinės medžiagos, armuotos stipriu pluoštu.

Pavarų dėžės reikalingos tam, kad būtų padidintas sukimosi greitis.

Jėgainių vėjaračiai paprastai sukasi gerokai mažesniu greičiu negu elektros generatorius, todėl tarp vėjaračio ir elektros generatoriaus montuojama greitinanti pavara – multiplikatorius. Šiuo metu jau statomos didelės galios vėjo jėgainės (megavato ir daugiau), kuriose vėjaratis tiesiogiai suka lėtaeigį elektros generatorių.

Vėjo jėgainėse, skirtose elektros energijos gamybai naudojami sinchroniniai, asinchroniniai ar nuolatinės srovės generatoriai.

Sinchroniniai generatoriai turi aukštesnį naudingumo ir galios koeficientą (cosj), tačiau asinchroniniai generatoriai yra lengvesni, pigesni ir lengvai sinchronizuojasi su elektros tinklu. Tik, jei tokia jėgainė naudojama autonominiam darbui neįjungta į tinklą, reikalingi kondensatoriai asinchroninio generatoriaus žadinimui. Didesnėms vėjo jėgainėms kartais naudojami du generatoriai. Mažesnės galios generatorius naudojamas pučiant silpnesniam vėjui, didesnis – stipresniam. Mažesnio generatoriaus galia sudaro apie 20 % didesniojo galios. Nuolatinės srovės generatoriai naudojami tik mažose jėgainėse, skirtose akumuliatoriams įkrauti.

Stabdžiai naudojami vėjo jėgainei stabdyti, kai ji nenaudojama ir esant labai stipriam vėjui (virš 25 m/s). Stabdžiai būna mechaniniai, elektromechaniniai, hidromechaniniai ir aerodinaminiai. Mechaniniai stabdžiai statomi tarp vėjaračio ir pavarų dėžės arba tarp pavarų dėžės ir generatoriaus. Aerodinaminiam stabdymui mentės pasukamos apie savo ašį taip, kad mentės nustatymo kampas taptų neigiamas arba ant menčių viršūnių pritaisomi antgaliai, kuriuos pasukus atsiranda stabdymo jėga. Visiškai jėgainei sustabdyti būtini mechaniniai stabdžiai. Mažos jėgainės stabdomos vėjaratį pasukant šonu į vėją.

Horizontaliosios ašies vėjo jėgainių vėjaračiai į vėją nukreipiami naudojant uodegos plokštumą (nedidelėms vėjo jėgainėms), vindrožiniu mechanizmu ar specialiais servovarikliais. Vindrožinis mechanizmas – tai vienas arba du nedideli daugiamenčiai neprofiliuoti vėjaračiai, sumontuoti už pagrindinio vėjaračio statmenai jam. Didelės galios jėgainėms orientuoti naudojami elektriniai ar hidrauliniai varikliai, valdomi mikroprocesoriais, pagal vėjo krypties daviklio signalus.

Horizontaliosios ašies vėjaračių sukimosi greitis reguliuojamas priklausomai nuo vėjo greičio, keičiant mentės nustatymo kampą. Didelės galios vėjo jėgainių mentės pasukamos specialiais varikliais, mažos galios vėjo jėgainių mentės valdomos išcentriniais reguliatoriais. Vertikalios ašies H formos vėjaračiai valdomi pasukant mentes apie savo ašį arba paverčiant pačią mentę vertikalioje plokštumoje.

Vėjo jėgainių panaudojimo sritys

Vėjo įrenginių panaudojimo svarbiausios sritys galėtų būti:

· elektros energijos gamyba, atiduodant ją į tinklą;

· elektros ir šiluminės energijos gamyba autonominiu režimu, sunaudojant ją individualios sodybos energetinių poreikių tenkinimui;

· elektros ir šiluminės energijos gamyba hibridinėse saulės – vėjo sistemose;

· elektros akumuliatorių įkrovimas;

· vandens pakėlimas iš vandens šaltinių;

· vandens telkinių aeravimas;

· vandens siurblių pavarose sausinimo sistemose.

Dabar projektuojama Lietuvos pajūryje statyti didelės galios vėjo jėgaines, kurios bus įjungiamos į bendrą elektros tinklą. Tačiau užsienio šalyse, turinčiose išvystytą vėjo energetiką, pradžioje dažnai buvo naudojamos nedidelės vėjo jėgainės kaimo vietovėse. Tokių jėgainių projektavimui bei taikymui ir šiuo metu pasaulyje, ypač JAV, skiriamas nemažas dėmesys. Vėjo įrenginių įdiegimą Lietuvoje taip pat galima būtų pradėti, nuo nedidelės galios vėjo jėgainių, kaip papildomo energijos šaltinio kaimo sodybose.

Kaime tam yra palankios sąlygos, kadangi čia energijos vartotojai yra decentralizuoti ir jiems reikia palyginti nedidelės galios.

Kiek kainuoja vėjo energija

Vėjo energija nors ir atrodo, kad nieko nekainuoja, bet nėra pigi, tai labiausiai priklauso nuo vėjo greičio. Šiuo metu, esant vėjo jėgainės lyginamajai kainai (1 m2 vėjaračio darbo ploto kainai) apie 1200 Lt/m2 (1

kW instaliuotos galios kaina 4000 – 6000 Lt) ir dabartinei elektros energijos, pagamintos vėjo jėgainėse supirkimo kainai 22 ct/kWh, tam, kad vėjo jėgainės atsipirkimo laikas nebūtų ilgesnis negu 20 metų, lyginamasis metinis jėgainės pagaminamos energijos kiekis turėtų būti ne mažesnis negu

700 kWh/m2. Tokį energijos kiekį vėjo jėgainė gali pagaminti tik tuomet, kai vidutinis metinis vėjo greitis vėjaračio ašies aukštyje yra ne mažesnis negu 6 m/s. Tad statant vėjo jėgainę svarbiausiai įsitikinti ar toje vietoje pūs pakankamo stiprumo vėjas.

Vėjo jėgainių poveikis aplinkai

Vėjo jėgainių poveikis aplinkai yra santykinai nedidelis, lyginant su kitomis tradicinėmis jėgainėmis, tačiau jos vis tiek kelia tam tikrą susirūpinimą. Pagrindinis poveikis aplinkai arba net vėjo energetikos priimtinumas vertinamas, atsižvelgiant į šiuos veiksnius:

➢ triukšmas;

➢ vizualinis (estetinis) poveikis;

➢ saugumas ir įtaka gyvūnijai ir augalijai bei gamtinėms buveinėms;

➢ elektromagnetiniai trikdžiai;

➢ energijos kaina ir aplinkos teršimas;

➢ reljefo formos suardymas (erozija);

➢ šešėlių mirgėjimas;

➢ šviesos atspindėjimas.

Triukšmas. Judėdami, vėjo turbinos sparnai kelia garsą, kuris pagal šaltinį gali būti mechaninis arba aerodinaminis.

Greičių dėžė, generatorius ir guoliai kelia mechaninį triukšmą, kurio stiprumas priklauso nuo nominalios galios ir konstrukcijos. Kuo didesnė konversijos sistema, tuo didesnis ir triukšmas.

Sklęsdamos per orą, rotoriaus mentės kelia aerodinaminį triukšmą, kurio garsumas priklauso nuo sukimosi greičio bei vėjo malūno sparnų formos ir savybių. Be to, svarbus ir oro srovės sūkuriavimo stiprumas.

Foninis triukšmas skiriasi, esant skirtingoms vietinėmis sąlygomis, todėl jis įvertinamas, nustatant atstumą tarp sūkuriavimo ir arčiausios gyvenamos vietos. Foninio triukšmo stiprumas yra susijęs su vėjo greičiu, jo poveikiu pastatams (srauto kryptimi), medžiais, gyvatvorėmis ir kitais veiksniais.

Keleto kilometrų atstumu turbinos keliamas triukšmas nėra toks stiprus, kad dienos metu būtų girdimas pastato viduje. Tačiau jį reikia matuoti naktį, kada nutyla aplinkinis triukšmas (laivų sirenų, reaktyvinių variklių, automobilių, traukinių, namų apyvokos prietaisų ir kitų triukšmą keliančių daiktų).

Su statyba susijęs vėjo energetikos objektų keliamas triukšmas. Statant vėjo malūnus ir vykdant kitą statybinę veiklą, su vėjo energetikos objektų statyba ir stabdymu susijęs triukšmas nebūna labai didelis. Pagrindiniai tokio triukšmo šaltiniai – sunkvežimių eismas, sprogdinamasis pamatų prakasimas ir didelio galingumo technikos darbas. Objektas pastatomas arba sustabdomas per keletą mėnesių. Automobilių transporto keliamas triukšmas, statant vėjo malūnus, yra minimalus. Ryškiausi su statybos keliamu triukšmu susiję poveikiai jaučiami, jei jie ardo tų rūšių gyvūnų, kuriuos yra svarbu išsaugoti, gyvybinį ciklą (poravimąsi, lizdų sukimą ir pan.) arba jei jis keliamas nedarbo metu ir trukdo netoliese gyvenantiems žmonėms.

Vizualinis poveikis. Vėjo turbinos yra puikiai matomi objektai.

Šiuolaikinių vėjo turbinų stiebai siekia 30 – 100 metrų virš žemės.

Nepasitenkinimas vėjo turbinų vaizdu dalinai priklauso nuo aplinkos, kur jos yra pastatytos. Šalyse, kur plėtojama vėjo energetika, yra įprasta atsižvelgti į vėjo jėgainių parko daromą vizualinį poveikį, o kilus prieštaravimams, vėjo energetikos projektų yra atsisakoma arba jie atidedami. Vertinant vizualinį poveikį, svarbu atskirti matomumą nuo vizualinio poveikio. Vizualinė įtakos zona (VĮZ) apima žemės plotus aplink vėjo jėgainių parko teritoriją, iš kurių turbinos gali būti visiškai arba dalinai matomos. Tam tikru mastu VĮZ dydis yra matomumo blokavimo matas, tačiau svarbu yra tai, kad VĮZ nubrėžia vėjo turbinų matomumo ribas.

Vėjo turbinų vizualinis poveikis priklauso nuo daugelio veiksnių.

Kai kuriuos jų galima išmatuoti, kiekybiškai įvertinti arba modeliuoti, naudojant tam tikras priemones, pvz. atstumą nuo stebėtojo iki vėjo jėgainių parko, visiškai arba dalinai matomų vėjo turbinų skaičių, turbinų dydį ir tipą, sparnų skaičių, rotoriaus sukimosi greitį, vėjo turbinų spalvą, vėjo turbinų išsidėstymą teritorijoje, aplinkos apšvietimo sąlygas, oro sąlygas, esamą regėjimo lauką ir aplinkiniame kraštovaizdyje matomus elementus.

Šiuos ir daugelį kitų veiksnių galima objektyviai įvertinti, tačiau kiekvieno jų įtaka skirsis, priklausomai nuo vietos, iš kurios bus stebimas vėjo jėgainių parkas. Šiuolaikinė vėjo jėgainių parkų projektavimo programinė įranga suteikia įvairiausių animacijos galimybių, siekiant atlikti vėjo turbinų ir ypač vėjo jėgainių parkų įgyvendinimo tyrimus.

Saugumas ir poveikis gyvūnijai bei augalijai. Daugumoje vėjo energetiką plėtojančių valstybių buvo atlikti išsamūs tyrimai, kaip vėjo turbinos veikia paukščių gyvenimą. Paprastai svarbiausiu dalyku laikytas paukščių susidūrimo su vėjo malūnais dažnumas, tačiau taip pat tirta ir turbinų įtaka paukščių ramybei ir maisto suradimui. Susirūpinimas dėl poveikio paukščiams yra suprantamas. Kartais paukščiai žūva, atsitrenkę į rotorius.

Naujausia technologinė pažanga sumažino pavojų migruojantiems paukščiams, padidindama menčių dydį ir pagerindama jų matomumą, sumažindama sukimosi greitį ir panaudojant vamzdinius stiebus su vidinėmis kopėčiomis ir požeminėmis instaliacijomis, siekiant nesudaryti sąlygų tupėjimui ir lizdų sukimui ant pačios konstrukcijos. Potencialaus poveikio vietovėje gyvenančiai florai ir faunai vertinimas yra neatskiriama poveikio aplinkai vertinimo dalis. Šiuo metu vyrauja bendra nuomonė, kad vėjo jėgainių parkai turi nedidelę įtaką žemės ekologijai, tačiau, siekiant sužinoti daugiau, reikėtų atlikti žemės tyrimus prieš pastatant vėjo turbiną ir jai veikiant, atsižvelgiant į turbinų dydį ir tipą, požemines instaliacijas ir kitas susijusias priemones.

Elektromagnetiniai trikdžiai. Kaip ir kitos konstrukcijos, vėjo turbinos gali skaidyti elektromagnetinio ryšio (taip pat televizijos) signalus. Tai vyksta, kai vėjo turbinų dydis yra panašus į perduodamų televizijos ir radijo signalų bangų ilgį. Besisukančios vėjo turbinų dalys gali kelti radijo transliacijos trikdžius. Metaliniai rotoriai atspindi radijo bangas ir trukdo radijo ir televizijos bangų priėmimui. Atidžiai parinkus vėjo turbinų vietą ir atlikus nedidelį techninį reguliavimą, galima nesunkiai pašalinti radijo ir televizijos signalų potencialius trikdžius telekomunikacijų sistemose. Programinės įrangos pagalba analizuojant turbinų išdėstymą, siekiama vengti tam tikrų vietų, pavyzdžiui, lauko ruožų tarp mikrobangų linijų arba arti perdavimo stočių esančių vietovių.

Energijos kaina ir aplinkos teršimas. Vėjo turbinų arba vėjo energijos konverterio įrangos dalių gamybai naudojamas medžiagas ir jų keliamą teršimą bei energijos kainą reikėtų įvertinti, atsižvelgiant į vėjo turbinų dydį, jų tipą ir instaliuotą galią. Be to, energija vartojama ir aplinka teršiama ruošiant žemę ir kelius vėjo jėgainių parkų statybai, tačiau šiuo metu vyrauja bendra nuomonė, kad vėjo jėgainių parkų poveikis yra nedidelis. Vis dėlto, norint išsiaiškinti daugiau, reikėtų atlikti tyrimą.

Reljefo formos suardymas. Pasitaikė atvejų, kada vėjo jėgainių parko statyba sukėlė dirvožemio eroziją. Šios problemos galima išvengti, statybos projektavimo pradžioje pakankamai dėmesio skiriant dirvožemio apsaugai ir erozijos reguliavimo priemonėms. Faktiškai, tai galima daryti vykdant bet kokio pobūdžio statybą lengvai erozijos paveikiamoje vietovėje.

Priešerozinių priemonių sąraše yra minimaliai mažo kelių skaičiaus statyba, kuo didesnis natūralių žemės kontūrų išlaikymas ir vėjo malūnus statant suardytos žemės kuo operatyvesnis atstatymas.

Šešėlių mirgėjimas. Tam tikroje geografinėje padėtyje ir esant tam tikram dienos metui saulė gali užeiti už vėjo turbinų sparnų ir mesti šešėlį.

Sparnams sukantis, šešėlis ima mirgėti. Šis poveikis pasireiškia tik pastatuose, kur mirgėjimas patenka į vidų per langą, žinoma, jeigu pastatas stovi arčiau negu rekomenduojama.

Šviesos atspindėjimas. Tam tikromis sąlygomis judantys vėjo turbinų sparnai gali atspindėti saulės šviesą. Atspindėtos šviesos kiekis priklauso nuo sparnų paviršiaus apdailos ir šviesos kritimo kampo.

Augant susidomėjimui techninių įrenginių gamtoje aplinkosauginiais aspektais, nuo devintojo dešimtmečio Europos Sąjunga (toliau – ES) dėjo pastangas, siekdama sudaryti modelį, kuriame būtų atsižvelgta į aplinkosaugines aplinkybes. Šį modelį turėtų sudaryti techninis įrenginio ir aplinkos, kuriai jis greičiausiai turės poveikį, aprašymas. Modelį užbaigia įrenginio įtakos aplinkai vertinimas. 1985 metais ES priėmė poveikio aplinkai vertinimo direktyvą. Direktyvose nubrėžiamos gairės, kokie aspektai turėtų būti imami, atliekant poveikio aplinkai vertinimą.

Vėjo elektrinių panaudojimo lietuvoje galimybės

Lietuvos Vyriausybė įsipareigojo pasiekti, kad iki 2010 metų 7% elektros energijos būtų gaminama iš atsinaujinančių energijos šaltinių. Vėjo elektrinės yra vienas iš galimų elektros energijos gamybos būdų, padedančių pasiekti užsibrėžtą tikslą. Nustačius pakankamai aukštą elektros energijos supirkimo iš šių elektrinių kainą (22 ct/kWh) Lietuvoje buvo sukurtos palankios sąlygos šiai energijos rūšiai plėtotis. Netgi atsižvelgus į nedidelius vėjo greičius Lietuvoje ir jų pūtimo trukmes pasidarė ekonomiškai naudinga statyti šio tipo jėgaines ne tik pajūryje, bet ir kai kuriuose kituose regionuose.

Remiantis elektros energijos poreikių prognozėmis 2010 metams ir įvertinant šiuo metu jau egzistuojančius atsinaujinančius elektros energijos gamybos šaltinius (hidroelektrines) bei darant prielaidą, kad likusią iš atsinaujinančių šaltinių reikalingą pagaminti elektros energiją tieks tik vėjo elektrinės, jų išdirbis turėtų būti apie 480 GWh. Priimant Tmax lygų

2500 valandų, instaliuotas vėjo elektrinių galingumas siektų 200 MW.

Vėjo energija savo specifika labai skiriasi ne tik nuo iškastinio kuro ar branduolinių jėgainių, bet ir nuo daugumos atsinaujinančius energijos resursus naudojančių elektrinių. Ji yra prieinama tik epizodiškai, kada pučia reikiamo stiprumo vėjas. Todėl negalima tikėtis, naudoti vėjo elektrines, dengiant pikines apkrovas, kaip tarkim dujų turbinas. Taip pat, atsižvelgiant į mažą Lietuvos plotą su vienodomis klimatinėmis sąlygomis, negalima tikėtis panaudoti vėjo jėgaines, dengiant bazinį apkrovimą, neturint papildomo, dubliuojančio šaltinio. Išeinant iš to, vėjo jėgaines reikia nagrinėti kaip kompleksą: vėjo jėgainės + vienas ar keli dubliuojantys šaltiniai sugebantys dengti visą vėjo jėgainių galingumą.

Tokių kompleksų galėtų būti keli variantai:

1) Vėjo jėgainės + Lietuvos elektrinė. Pagrindinis šio komplekso privalumas – Lietuvos elektrinė jau pastatyta, todėl nebereikia kapitalinių investicijų, o trūkumas būtų tas, kad Lietuvos elektrinės blokus reiktų laikyti nepilnai apkrautus arba dažnai stabdyti ir paleidinėti. Tai padidintų bendrus tokio komplekso darbo kaštus ir sumažintų taip akcentuojamą mažą vėjo energijos taršą.

2) Vėjo jėgainės + Kruonio HAE. Šio komplekso trūkumas susijęs su HAE užkrovimo energijos nuostoliais (apie 28%). Įvertinus pačios

HAE eksploatavimo kaštus, elektros energijos supirkimo iš vėjo elektrinių, dirbančių tokiame komplekse, kaina pakiltų iki 29 ct/kWh. Antrasis trūkumas

– ribotas Kruonio HEA manevringumas.

3) Vėjo jėgainės + nauja dujų turbina. Šio varianto trūkumas

– sąlyginai didelė dubliuojančio šaltinio energijos savikaina. Privalumas –

didelis manevringumas.

[pic]

1 pav. Elektros energijos gamybos kaštai elektrinių kompleksuose.

Kaip matyti iš 1 pav. vėjo jėgainės padidina elektros energijos gamybos savikainą elektrinių kompleksuose, lyginant su kaštais dubliuojančiose elektrinėse, bet gana nežymiai, jei skaičiavimuose naudojami vėjo elektrinių eksploatavimo kaštai. Pastaruosius prilyginus vyriausybės nustatytai elektros energijos supirkimo iš vėjo jėgainių kainai, situacija žymiai pasikeičia. Net naudojant Lietuvos elektrinę kaip dubliuojantį šaltinį elektrinių komplekso kaštai išauga 2.4 ct/kWh ir viršija naujos dujų turbinos kaštus. Elektros energijos gamybos kaštai elektros energetinėje sistemoje išauga 0.26–2.1 ct/kWh, priklausomai nuo to kokiame komplekse vėjo jėgainės naudojamos. Dėl to Lietuvos elektros energetinė sistema kasmet praranda 30-260 mln. litų.

Visi šiame darbe nagrinėti variantai buvo supaprastinti, vertinant tik pagrindinius faktorius ir nesigilinant nei į nuostolius perdavimo tinkle, nei į vėjo jėgainių padėti apkrovos kreivėse.

Įdomūs faktai apie vėjo energiją

➢ Vokietijoje prie Elbės upės esančiame Brunsbiutelio mieste pradėta statyti didžiausia pasaulyje vėjo jėgainė. „RePower” kompanijos atstovė Bettina Linden (Betina Linden) sakė, kad prototipinė jėgainė turės 126 metrų skersmens – didesnį už futbolo aikštę – sraigtą, kuris suks 5 megavatų pajėgumo generatorių.

Priešpaskutinę Hamburge vykstančios parodos „Vėjo energetika 2004”

dieną B. Linden pasakojo, kad vienas toks generatorius gali pagaminti elektros energijos, kurios užtektų 6 tūkst. namų ūkių.

Vėjo jėgainė bus 183 metrų aukščio, jai pastatyti prireiks 1 tūkst.

300 kubinių metrų betono ir 180 tonų plieno. Kiekvienos iš trijų sraigto menčių ilgis sieks 61,5 metro.

➢ Šiauriniuose Apalačuose netikėta problema tapo šikšnosparnių ir vėjo turbinų susidūrimas. Nuo 2003 m. rugpjūčio vidurio iki spalio mėnesio, rudeninio migravimo metu 44 turbinas turinčiame Vakarų Virdžinijos

Vėjo energijos centre nuo turbinų žuvo mažiausiai 400 šikšnosparnių.

[pic]

➢ Didžiausias vėjo malūnų parkas – energija 70 000 namų ūkių.

JAV netoli Oregono ir Vašingtono valstijų sienos yra didžiausias vėjo jėgainių parkas pasaulyje. 450 modernių vėjo malūnų 2000 metu pabaigoje pasiekė apie 300 megavatų galingumą. Toks pagaminamos elektros energijos kiekis pilnai aprūpina vidutinį miestą su 70 000

namų ūkių. Vėjo energijos perdavimo kompanijos FPL-Energy ir

PacifiCorp sukūrė 300 naujų darbo vietų.

➢ Kretingos rajone Vakarų Lietuvoje ketvirtadienį paleista pirmoji

Lietuvoje ypač moderni pramoninė vėjo jėgainė. Jėgainę per savo įkurtas įmones pastatė Kaišiadorių ir Magdeburgo (Vokietija)

vyskupijos.

Vydmantų gyvenvietėje sumontuota jėgainė yra pirmoji tokia elektrinė

Lietuvoje. Jos pagaminta elektros energija bus tiekiama į šalies elektros tinklą.

➢ Klaipėdos rajono Kretingalės seniūnijoje dar šiemet turėtų iškilti pirmasis Lietuvoje atmosferos ir gamtos neteršiančių vėjo jėgainių parkas, į kurį numatyta investuoti apie 45 mln. eurų (155,4 mln.

litų).

Ambicingą projektą ėmėsi įgyvendinti bendroji Lietuvos ir Danijos įmonė BNE – maždaug vienuolikos hektarų plote užsimota iš viso pastatyti net 24 vėjo jėgainių, kurių bendrasis galingumas sieks beveik 30 megavatų (MW).

➢ Matsas Leijonas iš švedų kompanijos ABB sukonstravo turbiną, kuri, jo nuomone, padės įveikti daug problemų, kurios buvo iki šiol. Vietoje mažo generatoriaus, besisukančio dideliu greičiu, Leijono turbinoje

„Windformer” yra didelis rotorius, apsuptas daug pastovių magnetų, veikiantis net ir tuomet, kai mentės sukasi lėtai – taigi jam nereikia krumpliaračių pavaros.

Saulės energija

Saulės energija yra atsinaujinantis energijos šaltinis. Ši energijos gavyba yra brangi, bet labai ekologiška. Norint jos pagaminti, reikia daug saulės šviesos. Elektroniniai prietaisai, vadinamosios saulės baterijos, verčia saulės šviesą elektra. Saulės baterijos tiekia energiją palydovams, namams, automobiliams.

Saulės energiją plačiausiai naudoja – šildo vandenį ir gamina elektros energiją- JAV ir Japonija. Vien joje yra beveik keturi milijonai vandens šildymo kolektorių. Saulės jėgainių pasaulyje gerokai mažiau, nes ne visur tam yra palankios sąlygos, brangi statyba ir įranga. Jėgainių yra JAV,

Ispanijoje, Italijoje, Japonijoje ir kitose šalyse. Pavyzdžiui, Izraelis saulės jėgainėse pasigamina apie 5( energijos

Saulės energija, pasiekianti mūsų žemę, sudaro 2×108 TWh per metus. Metinė vėjo energija dešimt kartų mažesnė – 1,58×107 TWh. Tuo tarpu visų kitų atsinaujinančios energijos šaltinių (vandens, biomasės) energija siekia tik

1,8×103 TWh per metus, t.y. 100 000 kartų mažesnė. Šiuolaikinės pramoninės fotoelektrinės saulės jėgainės, kuriose saulės spindulinė energija tiesiogiai verčiama į elektros energiją, turi 10-15 % efektyvumą. Kadangi

Lietuvoje į 1 m2 paviršiaus per metus vidutiniškai krinta 1000 kWh spindulinės saulės energijos, tad iš šio ploto galime gauti 100 kWh energijos per metus.

Sąlygos alternatyvios elektros energijos plėtrai

UNESCO World Solar Commission 1997 m. birželio 23 d. patvirtino Pasaulinę saulės programą (PSP).

PSP pripažinta, kad saulės ir kitų atsinaujinančios energijos šaltinių (vėjo, vandens, geoterminės, biomasės, okeanų) energijos šaltinių remiamas naudojimas gerintų žmonijos būtį. Naudoti visą atsinaujinančios energijos turimą potencialą svarbu ir besivystančioms, ir industrinėms šalims.

Naudodami saulės energiją sumažintume aplinkos degradaciją, šiltnamio efektą. Rinkos sąlygos stabdo alternatyviosios energetikos plėtrą nepaisant akivaizdžios socialinės, aplinkosauginės ir ekonominės naudos.

Dabar daugiau naudos laukiama iš fotoelektros, ypač kaimo ir atokiose vietovėse, iš didelių ir mažų hidroelektrinių, vėjo turbininių generatorių ir biomasės.

PSP uždavinys – suformuoti remiamos atsinaujinančios energijos plėtrą ir visame pasaulyje, ir kiekvienoje šalyje atskirai. Turi susitarti nacionalinės vyriausybinės, internacionalinės organizacijos ir institucijos, privataus sektoriaus investitoriai, visuomenė, energijos industrija, globodami tyrimus, technologijas, švietimą ir mokymą kaip nacionalinius prioritetus. Negalima atsinaujinančios energijos politikoje remtis vien techniniais ir ekonominiais kriterijais, reikia aprėpti sąveiką tarp energijos, socialinių ir kultūrinių reikmių.

Jungtinių Tautų Ekonomikos ir Socialinė tarybos 1996 m. rekomendavo tęsti subsidijas ir kitas tiesioginės ir netiesioginės paramos formas. Šiuo metu daugelyje šalių energijos gavimas iš iškasamo kuro subsidijuojamas (per 300

000 000 000 USD per metus), o alternatyvioji energetika – ne. Dažnai nacionaliniuose biudžetuose alternatyviosios energijos tyrimams ir technologijoms skiriama labai mažai lėšų, o įprastinei energetikai – žalia gatvė.

Europos Sąjungoje sudarytas Europos atsinaujinančios energijos šaltinių veiksmų planas. Jis yra Madrido deklaracijos priedas, parengtas Madrido konferencijoje 1994 metais. Tai svarbiausias dokumentas lokalinei, nacionalinei ir Europos valdžiai, reguliuojantis energijos sektorių, ekonominę plėtrą, užimtumą bei aplinkos apsaugą. Numatyta 2010 m. 15 %

pirminių energijos šaltinių pakeisti atsinaujinančia energija, 2005 m. – 10

Tyrimai, technologijos, gamyba ir įdiegimas turi sumažinti nedarbą Europos

Sąjungoje. Čia numatyta vėjo, saulės terminės, biomasės ir atliekų, fotoelektros, mažų hidroelektrinių veikla.

Eurosaulės memorandume 2 straipsnyje išvardinti atsinaujinantys energijos šaltiniai:

➢ mažosios hidroelektrinės (mažiau 10 MW),

➢ vėjo energija,

➢ prie elektros tinklų jungiamos saulės fotoelektrinės,

➢ elektra, generuojama iš kietosios, skystosios ar dujinės biomasės,

➢ saulės terminės elektrinės,

➢ geoterminė elektra,

➢ bangų elektra,

➢ elektra, generuojama potvynių energijos,

➢ elektra, generuojama okeano srovių.

Lietuvos Respublikos Vyriausybės nutarimu 1997 m. liepos 11 d. buvo sudaryta Lietuvos nacionalinė UNESCO komisija, kurios sudėtyje veikia

Mokslo komitetas. Ši komisija 1997 m. gruodžio mėn. pateikė UNESCO paraišką dalyvauti PSP. Joje numatyta paruošti Lietuvos regioninę saulės programą

1998-2005 m., kaip sudedamąją PSP dalį.

Programa turėtų būti kuriama siekiant realizuoti Lietuvai svarbiausius,

UNESKO PSP paskelbtus tikslus, įvertinant Lietuvos situaciją, strategines energetikos, ekologijos reikmes bei galimybes mokslo, technologijų, pramonės srityse. Lietuvos saulės programa kuriama atsižvelgiant į tai, kad pagal Europos Sąjungos Madrido konferencijos patvirtintą planą, iki 2010 m.

bendrame valstybių narių energijos gamybos balanse 15 % turi sudaryti atsinaujinančios energijos šaltiniai. Lietuva, pagal Pasaulio saulės programą, vertinama taip: jai nuolatinę grėsmę kelia Ignalinos atominė elektrinė. IAE ištekliai baigiasi ir pirmajame kito šimtmečio dešimtmetyje ji turės būti uždaryta. Šalis neteks svarbiausio elektros energijos šaltinio, o iškasamų energijos šaltinių nėra. Tačiau Lietuva turi šiuos atsinaujinančios energijos šaltinius: saulę, vėją, vandenį, biomasę.

Deginant naftą, akmens anglį, dujas, dirbant atominei elektrinei, teršiama aplinka.

Lietuva yra tarp 54o-56ošiaurės platumos, į jos 1 m2 per metus krinta 1000

kWh saulės energijos. Iš 1 m2 saulės lauko, esant 10 % efektyvumui, per metus galima gauti 100 kWh elektros energijos. Lietuva turi unikalų saulės energijos akumuliatorių – Kruonio akumuliacinę hidroelektrinę. Čia galėtų būti įrengta 600 MWp galios fotoelektros jėgainė. Mūsų šalyje yra mokslas, technologijos, pramonės potencialas atsinaujinančiai energetikai plėtoti.

Puslaidininkių fizika, tirianti fundamentinius reiškinius, kuriais grindžiama fotoelektrinė saulės energetika, Lietuvoje plėtojama jau kelis dešimtmečius. Tai technologiniai ir taikomieji tyrimai, pradėti 1991 m., susikūrus UAB “Saulės energija”, 1995 m. – Mokslininkų sąjungos instituto

“Saulės energijos taikymo” grupei, aktyviai dalyvaujant Šiaulių “Nuklono”

mikroelektronikos įmonei, kurioje buvo įdiegti ir gaminami saulės elementai. Daug šioje srityje dirbo ir Vilniaus “Venta”. Lietuvoje aukštos kvalifikacijos mokslininkų ir inžinierių, galinčių dirbti saulės energetikos srityje, pakanka. Saulės energetikos pagrindai dėstomi Kauno technologijos universitete. Vilniaus universiteto, Kauno technologijos universiteto, Fizikos instituto, Puslaidininkių fizikos instituto ir

“Elmatrono” mokslininkai, galintys sintezuoti, tirti ir taikyti organines medžiagas saulės elementams, 1993 m. pasiūlė programą “Medžiagos saulės energetikai”. Tuo metu ji nebuvo patvirtinta. Dabar Lietuva vykdo valstybinę mokslo programą “Saulės ir kiti atsinaujinantys energijos šaltiniai žemės ūkiui” (1996-1999 m.). Programą finansuoja Lietuvos mokslo fondas. Joje dalyvauja 5 valstybinės ir 3 nevalstybinės institucijos.

Lietuvos saulės energijos ištekliai

Sudarant atsinaujinančių energijos šaltinių panaudojimo programas ir projektuojant saulės jėgaines, reikia žinoti tų šaltinių energijos išteklius. Lietuvos vėjo ir upių energijos ištekliai yra gana gerai žinomi, o saulės energijos ištekliai iki 1996 m. buvo mažai tyrinėjami.

Lietuvos mokslininkų atliktų tyrimų rezultatai paneigė vyraujančią nuomonę, kad Lietuva yra apniukusi šalis ir saulės jėgainės neturi perspektyvų.

Lietuvoje pilnutinė vidutinė metinė saulės ekspozicija horizontalioje plokštumoje yra apie 1000 kWhm2, o vienas instaliuotas fotoelektrinės jėgainės vatas Lietuvoje per metus pagamina apie 0,8 kWh elektros energijos. Plačiausiai naudojami paprasti plokštieji saulės kolektoriai

Lietuvoje per metus pagamina 280–350 kWhm2 šiluminės energijos, o spalvoto metalo kolektoriai su selektyviuoju absorberiu – 400–500 kWhm2 .

Metinis saulės energijos kiekis įvairiose Lietuvos vietovėse skiriasi ne daugiau kaip 10%. Santykis tarp maksimalaus energijos kiekio birželio –

liepos mėnesiais ir minimalaus gruodžio – sausio mėnesiais yra apie 10.

Lietuvoje apie 80% metinės saulės energijos tenka balandžio–rugsėjo mėnesiams.

Kliūtys saulės energetikos kelyje

Atsigaunanti mikroprocesorių paklausa lustų gamintojams galbūt pakels nuotaiką, bet tiems, kurie svajojo apie saulės energetikos suklestėjimą, tai prilygs katastrofai.

Statistikos skaičiai atrodo įspūdingai. Praėjusiais metais saulės elementų, daugiausiai pagamintų iš kristalinio silicio, pardavimas pasaulyje išaugo trečdaliu. Įvairių šalių vyriausybės, bandydamos paskatinti šią revoliuciją, pradėjo dalinti dosnias subsidijas. Be to, rinką tuoj pasieks naujos kartos saulės elementai – prietaisai, pagaminti iš plonų kadmio telūrido plėvelių, kurie, iškelti ant jūsų namo stogo, sukurs netgi daugiau elektros energijos. Politikai žada, kad apie 2010

metus saulės energiją siurbs daugiau kaip milijonas stogų JAV, Europoje ir

Japonijoje.

Bet praėjusį lapkritį ši naujai atsirandanti pramonės sritis sulaukė didelio smūgio. Kompanija BP Solar, antroji pagal dydį saulės elementų gamintoja pasaulyje, pranešė nutraukianti visą plonasluoksnių elementų programą. Nors BP plonasluoksniai elementai puikiai veikia laboratorijoje, užkėlus juos ant stogo, saulės energijos vertimo elektra efektyvumas gerokai sumažėja. BP Solar nusprendė sutelkti dėmesį į senamadišką kristalinį silicį, iš kurio dabar gaminama 85 proc. saulės elementų.

Daugelis manė, kad juos jau reikia nurašyti, bet, atrodo, kad tai įvyks dar labai negreitai.

Čia ir glūdi visa problema. Pramonės ekspertai prognozuoja, kad silicio elementų kaina per artimiausius dvejus metus gerokai šoktelės. Ne dėl to, kad gamintojai pasidarys labai gobšūs ar bus nutrauktos vyriausybių subsidijos. Silicio atsargos, nuo kurių priklauso šis pramonės sektorius, pamažu senka. Nesulaukus kokios nors rimtesnės inovacijos, šio deficito sukeltas kainų šuolis gali sustabdyti visą saulės energetikos pažangą.

Mažai kas abejoja, kad tam tereikia labai nedaug. Nepaisant įspūdingo pernykščio augimo, visa saulės energetika kol kas yra palyginti labai nedidelis rinkos sektorius. Visame pasaulyje instaliuotų saulės elektrinių galia tėra vos keli gigawatai. Nors saulės elementų pagamintos elektros energijos kaina per pastaruosius 20 metų sumažėjo per pusę, jos kilovatvalandė vis dar kainuoja 10 kartų daugiau, nei šiluminėse elektrinėse pagamintos elektros kilovatvalandė. Jeigu pramonė vystysis tokiu pat tempu kaip iki šiol, saulės elementų kaina turėtų dar mažėti. Bet tai, savo ruožtu, priklausys nuo to, ar tęsis vyriausybių parama, kuri gali nutrūkti, jei politikai prarastų pasitikėjimą saulės energetikos perspektyva.

Nors buvo pasiūlyta gausybė egzotiškų alternatyvų, daugelis saulės elementų vis dar yra gaminama iš silicio kristalų, labai primenančių tuos, iš kurių mikroelektronikos pramonė štampuoja lustus. Praeityje saulės elementų gamintojai dažniausiai buvo priversti tenkintis mikroelektronikos pramonės atliekomis: tam, pavyzdžiui, būdavo naudojami silicio luitų galai ir šonai, kuriuose yra daugiau priemaišų nei viduryje, arba tos plokštelės, kurios netenkindavo lustų gamintojų keliamų reikalavimų.

[pic]

1 pav. Taip silicis yra gaminamas iš smėlio.

Tačiau po 1999 m., kai saulės elementų paklausa ėmė labai didėti, gamintojams pradėjo nebepakakti šių atsargų. „Elektronikos lygio” silicio –

labai švarios medžiagos, tinkančios mikroprocesoriams ir turintiems mažiau nei vieną priemaišą milijardui silicio atomų – atliekas reikėjo pakeisti kitomis žaliavomis. Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje silicio plokštelių gamintojai nuolat investavo į naujus gamybinius pajėgumus, tačiau apie 2000

m. elektronikos pramonė pateko į didžiausią savo istorijoje krizę. Todėl saulės elementų gamintojai ėmė suprasti, kad jie gali gauti švaresnio silicio už šiek tiek didesnę nei 20-30 dolerių už kilogramą kainą (tiek jie prieš tai mokėdavo už atraižas).

Lustų gamintojų sunkumai sukūrė fotovoltinių elementų pramonei ilgai lauktą atokvėpio minutę. Bet ši minutė jau baigiasi. Silicio, o ypač jo pigesnių atraižų, paklausa ima lenkti jo pasiūlą. 2001 m. fotovoltaikos pramonė sunaudojo apie 5000 tonų polikristalinio silicio; apie pusę šio kiekio sudarė švaresnė elektronikos lygio medžiaga. Paklausa turėtų kasmet išaugti po 15 procentų, todėl 2010 m. pramonei prireiks beveik 8000 tonų silicio, iš jų 5000 t sudarys elektronikos lygio silicio kristalai. Tačiau elektronikos pramonė atsigauna, mikroschemų paklausa didėja ir dabartinis elektronikos lygio silicio perteklius greitai baigsis.

Šiuo metu trūkumo dar nėra, nes puslaidininkių pramonėje situacija vis dar ne kokia. Bet jei ši pramonė kitais metais atsigaus, saulės elementų gamintojai turės vėl pradėti konkuruoti su mikroelektronikos pramone, pasiruošusia už kilogramą silicio mokėti net 70 dolerių.

Šias liūdnas prognozes patvirtina ir dvi studijos, atliktos Europos fotovoltinės pramonės asociacijos ir Europos Sąjungos užsakymu. Šių studijų išvados yra panašios: apie 2006 m. saulės elementų pramonei verkiant reikės savos silicio kristalų gamybos. Tai dabar yra pats svarbiausias europinės saulės energetikos vystymo strategijos punktas.

Vieną išeitį siūlo vokiečių firma Wacker-Chemie, gaminanti silicio kristalus. Ji ruošiasi gaminti specialiai saulės elementams skirtą žemesnės kokybės silicį, kuris bus pigesnis už medžiagą, naudojamą elektronikos pramonėje. Tačiau, kodėl jiems reiktų dėl to jaudintis, ypač žinant, kad elektronikos pramonė pradeda atsigauti?

Verslininkai tikisi, kad atsiras nauji gamintojai, kurie didžiausią dėmesį skirs būtent saulės elementų lygio siliciui. Jeigu silicio kaina nukristų iki 10 dolerių už kilogramą, fotovoltinių elementų pramonė sulauktų stipraus postūmio pirmyn.

[pic]

2 pav. Du silicio gamybos būdai: Siemenso reaktorius veikia esant 11000C

temperatūros ir sunaudoja daug energijos, versdamas trichlorsilaną grynu siliciu. Šiems procesams reikia sudėtingų energijos šaltinių, todėl jis yra gana brangus. Naujasisi JSS procesas sudarys sąlygas sumažinti silicio kainą iki 10 dolerių už kilogramą. Silicis susidario iš silano dujų ir nusėda silicio cilindro viduje esant 8000C temperatūros. Dėl mažesnės proceso temperatūros ir paprastesnių kaitintuvų, šis procesas tampa pigesnis nei Siemenso reaktorius.

Tačiau realybė yra tokia, kad pigų polikristalinį silicį pagaminti nėra labai paprasta. Tradicinis procesas prasideda nuo smėlio arba kvarco, kurie sudaryti iš silicio dioksido. Žaliava yra įkaitinama krosnyje, ten ji reaguoja su chloro rūgštimi ir sudaro trichlorsilaną. Ši medžiaga yra paduodama į Siemenso reaktoriumi vadinamą įrenginį, kuriame leidžiama pro plonus iki 1100 oC įkaitintus švaraus silicio strypus. Aukštoje temperatūroje tricchlorsilanas skyla ir atsiranda silicis, kuris nusėda ant įkaitintų strypų.

Tačiau kaitinimui reikia daug energijos, be to, silicio strypus reikia kaitinti trejopai. Pirmiausiai strypai įkaitinami iki 400 oC naudojant išorinius kaitintuvus. Šioje temperatūroje silicio varža sumažėja tiek, kad strypus jau galima tiesiogiai kaitinti leidžiant per juos elektros srovę.

Kuomet temperatūra pakyla iki 800 oC varža dar labiau nukrinta, todėl strypus galima dar labiau įkaitinti stipresne srove. Tokį daugiapakopį kaitinimą yra labai sunku kontroliuoti ir jam reikia dviejų įtampos šaltinių, išorinio kaitintuvo bei tikslios valdymo įrangos. Kadangi daug šilumos yra išsklaidoma į aplinką, visas šis procesas yra labai neefektyvus.

Tokios kompanijos kaip Wacker šį procesą pritaiko pigesnio, žemesnės kokybės silicio gamybai paprasčiausiai didindami nusodinimo greitį ir atsisakydami sudėtingesnių procedūrų, kurių reikia norint gauti geresnį kristalų homogeniškumą. Tačiau geresnis būdas būtų silicio gamyba iš silano

(SiH4), gaunamo iš trichlorsilano, naudojant katalizatorius. Silanas skyla mažesnėje temperatūroje (apie 800 oC), todėl energijos bus sunaudojama mažiau ir pati gamyba bus pigesnė.

Silaną naudojančius procesus jau kuria nemažai kompanijų. Amerikiečių

Renewable Energy Corporation ir norvegų Advance Silicon Materials įsteigė gamyklą, skirtą saulės elementų lygio silicio gamybai iš silano. Bus naudojami tradiciniai Siemenso reaktoriai, veikiantys žemesnėse temperatūrose. Kita amerikiečių kompanija, MEMC, sukūrė procesą, kurio metu silicis iš silano nusodinamas ne ant strypų, o ant rutuliukų. Šiam procesui tereikia tik 700 oC temperatūros. Bene ambicingiausias – vokiečių firmos

Deutsche Solar projektas. 1998 m. ji nupirko chemijos pramonės milžinui

Bayer priklausantį patentą, kuris leis per pusę sumažinti saulės elementams skirto silicio kainą.

Vietoje silicio strypų šiame procese, vadinamame JSS (Joint Solar

Silicon), yra naudojamas iš silicio pagaminta cilindro formos reakcijos kamera. Kameros sienelės yra įkaitinamos iki 800 oC, o tada, kai silanas įkaitinamas, jis suskyla ir ant kameros sienelių nusėda silicis. Patente yra tvirtinama, kad ši konstrukcija leidžia padidinti paviršiaus, ant kurio sėda silicis, plotą ir pagerina reakcijos našumą. Paviršiaus plotą galima dar labiau padidinti kameros centre įstačius papildomą silicio strypą. Ant sienelių ir strypo sėdantys silicio sluoksniai galiausiai susiliečia ir sudaro vientisą silicio bloką.

Šis procesas yra gerokai pranašesnis už tradicinius Siemenso reaktorius.

Reaktoriaus sienelės gali būti įkaitinamos iki reikalingos temperatūros naudojant vien paprastus išorinius kaitintuvus. Siemenso procesui reikia po

100 kWh kiekvienam pagaminto silicio kilogramui, o JSS procesas tam sunaudos tik pusę šios energijos.

Svarbiausias klausimas – ar šį ir panašius procesus bus spėta įdiegti prieš pradedant jausti silicio trūkumą. Panašaus tipo gamyklos paleidimas paprastai užtrunka mažiausiai ketverius metus. Bet Deutsche Solar tikisi, kad jos JSS gamykla veiks jau 2005 m. ir kasmet pagamins po 5000 tonų pigaus silicio.

Kai kurie kiti silicio gamintojai – kompanijos konkurentai – abejoja propaguojamais JSS proceso pranašumais. Jie netgi teigia , kad silicio deficito gali nebūti.

[pic]

3 pav. Silicio pasiūla ir paklausa. Prognozės rodo, kad didėjantis silicio saulės elementų populiarumas ateityje gali sukelti problemų.

Ilgainiui kuri nors iš dabar kuriamų alternatyvių saulės elementų technologijų išstums silicio elementus. Tai gali būti plonasluoksniai elementai iš amorfinio silicio ar iš kadmio telūrido; gali atsirasti ir kokia nors dar naujesnė technologija, pavyzdžiui, organinių polimerų sluoksniai. Jeigu kuri nors iš šių koncepcijų bus sėkminga, silicio žaliavos klausimas taps visai nesvarbus.

Tačiau bent jau kitais metais saulės energetikos perspektyva bus tampriai susijusi su pigaus ir nesunkiai gaunamo kristalinio silicio gavimo galimybėmis.

Saulės energijos panaudojimas

Saulės energija vandeniui šildyti buvo pradėta naudoti daug anksčiau nei iškastinis kuras. Jau 1830 m. sero Johno Herschelo ekspedicijos į pietų

Afriką metu saulės kolektorius buvo naudotas valgiui virti. 1908 m.

Williamas J. Bailey iš „Carnegie” plieno kompanijos išrado kolektorių su izoliuota dėže ir variniu gyvatuku. Iki 1941 m. Jungtinėse Valstijose parduota apie 60 000 saulės kolektorių. Šiuo metu JAV yra daugiau kaip 1,2

mln. sistemų su vandens šildymo kolektoriais ir dar apie 250 000 saule šildomų baseinų.

Fotoelektrinių keitiklių istorija prasidėjo 1839 m., prancūzų mokslininkui

E. Becquerelui atradus fotoelektrinį efektą. 1958 m. JAV „Vanquard”

kosminiuose palydovuose buvo įrengti fotoelektriniai moduliai, kurie aprūpindavo elektra radiją. Nuo tada fotoelektra kosmose tapo vieninteliu ir nepakeičiamu energijos šaltiniu. Plačiau fotoelektra buityje pradėta naudoti 1973–74 m. (naftos krizės metai). Naujas šuolis saulės energetikos vystymesi įvyko 1990 m., kai vyko Persų įlankos karas. Tuo metu pasaulyje buvo instaliuota virš 1 GW bendros galios fotoelektrinių modulių.

Įspūdinga fotoelektros plėtra planuojama ir Europos Sąjungoje: per 15 metų laikotarpį (nuo 1995 iki 2010 m.) šios energijos rūšies įrengimų galią nuspręsta padidinti nuo 30 MW iki 3000 MW, t.y. 100 kartų. Atsinaujinančių šaltinių energetikai vystyti 1997–2010 m. ES paskyrė 165 mlrd. eurų. Saulės energiją naudoja ir šią programą intensyviai plėtoja ne tik pietinės valstybės, bet ir Jungtinė Karalystė, Danija, Norvegija, Kanada, šiaurinės

JAV valstijos ir kt. Kai kurių valstybių saulės energijos ištekliai kur kas mažesni nei Lietuvos. Pvz., Lietuvoje pilnutinė vidutinė metinė saulės ekspozicija horizontalioje plokštumoje yra apie 1000 kWhm2, o Anglijoje –

700kWhm2.

Pasaulyje saulės energetiką vyriausybės ir įvairūs fondai remia dėl dviejų pagrindinių priežasčių: saulės energetika yra ekologiška, ji leidžia iškastinio kuro neturinčioms šalims likti ekonomiškai nepriklausomoms. Tai ypač aktualu Lietuvai.

Lietuvoje yra paruoštos kelios programos. „Lietuvos nacionalinė saulės programa” – tai „Pasaulio saulės programos 1996–2005” sudėtinė dalis.

Projektas „Saulė – Lietuva” – tai ES programos „Saulės miestai” sudėtinė dalis. Vyriausybei bent truputį parėmus šias programas, pagrindinį finansavimą būtų galima gauti iš ES ir kitų fondų.

Pasaulinė praktika rodo, kad viena iš pagrindinių priežasčių, trukdančių plėtoti saulės energetiką, yra nepakankamas visuomenės žinių lygis. Tik bendromis vartotojų, projektuotojų, architektų ir vyriausybės jėgomis galima sėkmingai plėsti šią neišsemiamos energijos rūšies panaudojimo sritį.

Įdomūs faktai apie saulės energiją

➢ 1987m saulės baterijos gaminama elektros energija varomas automobilis

Sunraycer pervažiavo per Australiją vidutinišku 66,9 km/h greičiu.

➢ Europos Komisija nutarė finansuoti aplinkos neteršiančio visuomeninio transporto kūrimo projektą, kuris turėtų būti pats didžiausias iš pasaulyje įgyvendinamų saulės ir vandenilio energijos panaudojimo tyrimų. Projekta USHER kartu vykdys Kembridžo universitetas (Anglija), anglų firma Whitby Bird and Partners bei Švedijos sala Gotlandas.

Saulės energija bus verčiama į elektrą, kuri po to bus naudojama skaldant vandenį į vandenilį ir deguonį. Šitaip gautas vandenilis bus suspaudžiamas ir paduodamas į kuro elementus, kurie, savo ruožtu, gamins autobusui reikalingą elektros energiją. Vienintelės autobuso išmetamos dujos bus vandens garai. Tai bus transporto priemonė, kuriai visą reikalingą energiją teiks saulė.

➢ Pasaulyje jau yra degalinių, kurios naudoja saulės energiją.

Literatūra

1. http://www.rtn.lt/rtn/0302/energetikos.html

2. http://msi.lms.lt/rtdresult/mobil_l.html

3. http://saule.lms.lt/main/windl.html

4. Iliustruota vaikų enciklopedija, leid.margi raštai,

Vilnius 1998

5.

http://www.mip.lt/temp/w200401142130_energijos%20saltini ai.doc

6. Katinas V., Tumosa A. Vėjo energijos panaudojimo galimybės Lietuvoje, Vilnius, 1995. – 38 p.

7. Katinas V., Burneikis J. Vėjo energetikos aplinkosaugos klausimai. Mokslo programa “Saulės ir kiti atsinaujinantys energijos šaltiniai žemės ūkyje”,

4 tomas. Vilnius – Kaunas, 1999.- 87 p.

8. Šateikis I. Vėjo energijos panaudojimas. Paskaitų konspektas // LŽŪU, LŽŪII. – Raudondvaris –

Noreikiškės, 1996.- 28 p.

9. Wind Energy Conversion Systems, by L. Freris, Prentice

Hall International (UK), 1990. –381 p.

10. Gulbinas A. Vėjo energijos naudojimas // Vietinių energijos išteklių naudojimas. – Kaunas, Technologija,

2001. – P. 155 – 172.

11. http://www.namas.lt/Archyvas/Kiti/2001.htm

12. http://www.rtn.lt/mi/0402/vejo.html

13. Paul G., Wind Energy Comes of Age (New York: J. Wiley

& Sons, 1995).

14. Van B., Wind Turbine Noise. Britanijos vėjo energetikos asociacijos Vėjo energetikos konferencijos medžiaga.

15. Bies, D.A. and Hansen, C.H. (1998). Engineering Noise

Control: Theory and Practice. E & FN SPON. ISBN 0-419-

20430-X.

16. Van K., G.A.M., (1997). 25 Years of Wind Turbine

Technology Development, Europos Vėjo energetikos konferencijos (EWEC’97) medžiaga, Dublinas, Airija.

17.

http://www.delfi.lt/news/economy/business/article.php?id

=4327545