AR LIETUVA TINKAMAS KRAŠTAS SAULĖS ŠVIESĄ VERSTI ELEKTRA?

Vida Janušonienė,

Mokslininkų sąjungos instituto Fotoelektros centro vadovė

Kai kurių medžiagų gebėjimas saulės šviesą versti į elektrą buvo pastebėtas dar 1941m. Per prabėgusius šešiasdešimt metų ši technologija išsivystė iki potencialiai vienos perspektyviausių XXI amžiui (nors šiuo metu ir brangiausių) elektros generavimo technologijų. Šios energijos rūšies plėtros perspektyvos plačiai aptartos straipsnyje “Europa renkasi atsinaujinančią energiją. O Lietuva?”. Fotoelektrinės jėgainės dar vadinamos saulės jėgainėmis yra absoliučiai ekologiškos, neturi jokių judančių dalių, joms nereikia kuro ar vandens, jos neišskiria į aplinką jokių garsų, dujų ar dulkių. Jos tyliai dirba savo darbą - verčia šviesą į elektrą. Be to jos yra modulinės ir jų ekonomiškumas nepriklauso nuo jėgainės dydžio, kaip tai yra atominėse ar šiluminėse elektrinėse. Fotoelektros naudojimas yra pageidautinas ir turėtų būti skatinamas, kaip tai daroma ES ir JAV, augant susirūpinimui dėl aplinkos išsaugojimo. Pasaulyje per metus instaliuojama apie 60 MW_p galios įvairiausios paskirties fotoelektrinių, pradedant nuo mažiausių – kalkuliatoriuose ir laikrodžiuose ir baigiant megavatinėmis centrinėmis jėgainėmis. Lietuvoje bent kiek pastebimu mąstu ši energijos rūšis dar netaikoma, tačiau darbai, kurie gali tapti rimtu pagrindu šiai energetikos rūšiai plėtoti, vykdomi.

"Čia Lietuva, čia lietūs lyja" – taip rašo poetas Justinas Marcinkevičius. Ir kas galėtų paneigti?... Tam pritars daug kas, net mokslininkai bei inžinieriai. Jei saulės energijos kiekis priklausytų nuo daugumos nuomonės, apie jos panaudojimą Lietuvoje nederėtų ir kalbėti. Žinoma, dirstelėję pro langą vargu ar galėtume pasakyti, kiek turime saulės energijos Lietuvoje. Kita vertus, kalbant apie saulės energijos panaudojimą, tai - pagrindinis klausimas. Turime žinoti kiek saulės energijos gauna įvairios Lietuvos vietovės per metus ir atskirais metų laikais bei atskirais mėnesiais; kiek jos tenka horizontaliam paviršiui, kiek tektų įvairiai orientuotoms plokštumoms. Sprendžiant šią problemą derėtų apibendrinti daugiamečių stebėjimų duomenų masyvą. Bėda ta, kad Lietuvos hidrometeorologijos stotyse (ir tai tik Šilutėje ir Kaune) buvo vertinamas tik saulėtų valandų skaičius. Ir vistiek tai labai vertingi, nes vieninteliai, insoliacijos įvertinimo ilgamečiai duomenys.

Tačiau sprendžiant panaudojimo klausimus reikalinga ne saulėtumo trukmė, o energijos kiekis, krintantis į žemę Lietuvoje. Šis ir kiti šio aspekto klausimai buvo išnagrinėti Lietuvos Valstybinio Mokslo ir Studijų Fondo remtoje programoje “Saulės ir kiti atsinaujinantys energijos šaltiniai žemės ūkiui”, vykdytoje 1996-1999m. Dabar turime ne tik daugiamečius saulėtų valandų skaičiaus duomenis (1 lentelė), bet ir saulės tiesioginę spindulinę energiją, krintančią į horizontalų paviršių, pilnutinę saulės energiją (2 lentelė), o taip pat energiją, krintančią į įvairiai orientuotas plokštumas.

1 lentelė. Saulėtų valandų skaičius Lietuvoje

Eil Nr	Vietovė	01	02	03	04	05	06	07	08	09	10	11	12	Per metus
1.	Šilutė	39	68	131	185	263	287	274	264	169	103	41	30	1836
2.	Nida	37	65	131	189	265	290	281	254	171	102	42	30	1857
3.	Kaunas	40	68	128	175	251	265	256	238	160	99	41	30	1751
4.	Vilnius	41	70	126	165	243	250	243	234	150	96	42	30	1690
5.	Telšiai	37	66	126	182	263	286	266	242	169	104	45	32	1818
6.	Šiauliai	36	65	125	176	263	277	261	243	167	100	42	29	1784
7.	Klaipėda	34	65	122	180	264	285	274	252	167	100	40	28	1811
8.	Utena	39	68	123	170	248	259	252	229	151	95	40	28	1702
9.	Birþai	28	59	119	170	254	266	258	233	149	89	29	16	1670
10.	Dotnuva	31	62	128	180	263	279	269	249	163	96	32	20	1772
11.	Kybartai	47	75	134	180	254	268	260	241	165	105	48	38	1815
12.	Lazdijai	46	74	134	181	257	271	262	244	166	105	47	36	1823
13.	Varėna	32	64	125	167	252	260	252	243	151	92	33	20	1691

Tiek energetikus specialistus, tiek vartotojus baugina iš pažiūros labai neprognozuojamas saulės energijos kiekis. Tačiau taip atrodo tik iš pirmo žvilgsnio. Sunkiai prognozuojamas saulės energijos kiekis yra tik konkrečiai dienai, tačiau atidžiau patyrinėję daugiametį saulėtų valandų kiekį, matome, kad jis gan pastovus tam ar kitam mėnesiui, jau nebekalbant apie metus. Saulėtų valandų skaičiaus metuose kitimas sudaro ne daugiau 2%. Taigi per metus gaunamas energijos kiekis prognozuojamas gan tiksliai. O svarbiausia, kad ši energija tiekiama iš neribotos galios, nesibaigiančio energijos šaltinio, nepriklausančio niekam ir kartu visiems, kas sugeba šią energiją panaudoti.

2 lentelė. Visa saulės energija (tiesioginė ir nuo dangaus skliauto), patenkanti į horizontalų paviršių Lietuvoje, kWh/m²

Eil. Nr.	Vietovė	01	02	03	04	05	06	07	08	09	10	11	12	Per metus
1.	Šilutė	15	33	72	106	154	169	161	143	96	55	16	9	1029
2.	Nida	14	31	72	108	155	171	165	148	97	54	17	10	1042
3.	Kaunas	16	33	70	99	146	155	150	138	90	52	16	9	976
4.	Vilnius	16	34	69	93	142	146	142	136	84	50	17	10	939
5.	Telšiai	14	32	69	104	154	168	156	141	96	55	19	11	1018
6.	Šiauliai	13	31	68	100	154	163	153	142	94	53	17	9	996
7.	Klaipėda	12	31	67	102	155	168	161	147	94	53	16	8	1013
8.	Vėþaièiai	13	32	67	104	153	154	155	140	94	53	14	8	988
9.	Utena	15	33	67	96	145	151	147	133	84	50	16	8	946
10.	Birþai	8	27	65	96	148	156	151	135	83	46	9	2	926
11.	Dotnuva	10	29	70	103	154	164	158	145	92	50	11	3	989
12.	Dukštas	9	28	65	97	150	157	153	137	84	47	10	1	938
13.	Kybartai	20	37	74	103	148	157	152	140	93	56	21	14	1015
14.	Lazdijai	19	37	74	103	150	159	153	142	94	56	20	13	1021
15.	Varėna	11	31	68	94	147	152	147	142	85	48	11	3	939

Kaip matome iš 2 lentelės, į vieną kvadratinį metrą Lietuvoje per metus krinta apie 1000 kWh/m². Kadangi šiuolaikinių fotoelektrinių modulių efektyvumo keficientas yra 15-18%, vidutinis pagaminamos elektros kiekis būtų apie 150-180 kWh/m². Tai pakankamai didelis energijos kiekis, tik labai netolygiai išsidėstęs laike. Lapkričio, gruodžio ir sausio mėnesiais vidutinis energijos kiekis apie dešimt kartų mažesnis, negu vasaros mėnesiais. Tai rodo, kad Lietuvoje neprijungta prie tinklo fotoelektros jėgainė turėtų būti aprūpinta gana didelės talpos akumuliatorių baterija. Paprastai, jei jėgainė objektą energija turi aprūpinti visus metus, šiaurės Europai rekomenduojama akumuliatorių baterijos talpa turėtų būti lygi dvidešimties dienų objekto energijos poreikiui. Tokia atsarga labai padidina fotoelektros kainą. Tačiau pastatuose, kurie naudojami tik vasarą (sodo nameliai, vasarnamiai) būtų galima naudoti šią ekologišką energijos rūšį ir Lietuvoje. Minimalių poreikių jėgainės šiuose pastatuose ekonomiškai pilnai pasiteisintų. Tokios jėgainės pastaruoju metu labai populiarios Šiaurės šalyse vasarnamių energetikai aprūpinti, bei besivystančių šalių kaimo vietovėse, kur nėra elektros tinklo. Paprastai tokią elektrinę sudaro 1-2 fotoelektriniai moduliai, pakrovimo reguliatorius, akumuliatorių baterijos, jungikliai ir apkrovimas. Keleto minimalių poreikių jėgainių sąstatas ir parametrai pateikti 3 lentelėje.

Kadangi Lietuvoje labai išvystytas elektros tinklas, didelio populiarumo sodybų jėgainėms tikėtis negalima, nors pagal esamas kainas 1,5-2 kW_p galios fotoelektros jėgainė su 1690 Ah akumuliatorių baterija ir srovės kondicionavimo priedais kainuoja tiek, kiek 1 km trifazio elektros tinklo nutiesimas. Tai ir natūralu, nes esant elektros tinklui, fotoelektros jėgaines ir didesnio saulėtumo šalyse įsirengia tik labai turtingi, ekologiškai susipratę žmonės bei elektros tiekimo kompanijos srovės parametrams tinkle kondicionuoti, arba padidėjusiai paklausai patenkinti.

3 lentelė. Minimalių poreikių jėgainės

Markė	Modulių skaičius	Galia,W	Srovės parametrai	Priedai	Kaina, USD
10-312	1	90	nuolatinė, 12V	6V, 220Ah 2 akumuliatoriai	1100
10-301	1	55	nuolatinė, 12V	Dvi 15W fluoresc.lempos pakrovimo kontroleris, 6m kabelio	750
10-303	1	75	nuolatinė, 12V	Tas pats,kaip 10-301	860
10-340	1	55	nuolatinė, 12V	6m kabelio, pakrovimo kontroleris	410
10-345	1	55	nuolatinė, 12V	15A SC13-15	475
10-347	1	55	nuolatinė, 12V	4 modulių jungimo kabeliai	370

Tačiau ir Lietuvoje yra nišų, kur fotoelektros jėgainės jau dabar būtų ekonomiškos ir patogios. Ūkininkai, besiverčiantys pieninikyste, elektrinio piemens akumuliatoriams krauti galėtų naudoti vieną iš Lietuvoje gaminamų saulės jėgainių, kurių matmenys ir pagrindiniai parametrai pateikti 4 lentelėje. Techniškai fotoelektra šiam tikslui yra patogiausias būdas, kadangi akumuliatorius galima krauti bet kur, t.y. jam nereikia elektros tinklo. Be to, trumpojo jungimo atveju saulės elemento galia lygi nuliui, todėl fotoelektrinį pakroviklį galima saugiai palikti be priežiūros. Tuo tarpu, kraunant akumuliatorius iš tinklo, juos reikia prižiūrėti, nes trumpojo jungimo atveju galia tinkle yra be galo didelė.

Rengdami pievoje girdyklą, užuot vedę elektros tinklą, ar statę dizelinį variklį vandeniui siurbti, ūkininkai galėtų panaudoti fotoelektrinę jėgainę (1 pav.). Naudojant fotoelektrą vandeniui tiekti supaprastėja jėgainės konstrukcija. Nereikalingas tampa ne tik inverteris, bet ir akumuliatorių baterija bei pakrovimo reguliatorius. Jei vanduo naudojamas laistymui, jis nebūtinas, kai saulė nešviečia. Jei naudojamas bendriems tikslams - pigiau yra įsirengti talpą vandeniui ir prisipildyti ją saulėtą dieną. Tokiu atveju investicijos jėgainei sumažėja iki modulių ir siurblio kainos. Atvirą vandens talpą su fotoelektros jėgaine matome 1 pav.

1 pav. Atvira vandens talpa su fotoelektros jėgaine

4 lentelėje. Lietuvoje gaminamos fotoelektros jėgainės ir moduliai:

Markė	Nominali galia P_max, W	Įtampa prie P_max, V	Srovė prie P_max, A	Trumpo jun-gimo srovė,A	Atviros grandinės įtampa, V	Matmenys, mm	Svoris, kg
SM10¸ 16/12	10 ¸ 16	14,6	0,69 ¸ 1,1	0,8 ¸ 1,28	19,5	541x431x35
T-SM 8¸ 14/12	8 ¸ 14	14,6	0,55 ¸ 0,96	0,64 ¸ 12	19,5	445x375x55
T-SEJ 12/12	12	14,6	0,82			370x450x5	1,4
T-SEJ 22/12 (24)	22	14,2 (28,4)	1,55 (0,77)			345x1145x5¹	2,6
T-SEJ 36/12	36	14,6	1,5			1140x450x5²
T-SEJ 18/12 (24)	18	14,6 (28,4)	1,27 (0,63)			370x450x5³	2,1

^{1 – galima sulankstyti. Sulankstyto matmenys 370x450x5
^{2 - sulenkto matmenys – 345x185x5
^{3 – išskleisto matmenys 1140x450x5

Namų numerius su fotoelektrine mini jėgaine (2 pav.) gali įsigyti privačių valdų savininkai ar namų bendrijos ir jų namo numeris matysis iš tolo.

2 pav. Šviečiantis namo numeris su fotoelektrine jėgaine

Fotoelektrinės jėgainės ekonomiškai apsimoka kilnojamoje aparatūroje. 3 pav. matome kilnojamą greičio matuoklį-indikatorių su fotoelektrine jėgaine.

3 pav. Kilnojamas greičio indikatorius su fotoelektrine jėgaine

Autonominės saulės jėgainės yra arba bendros paskirties, skirtos elektrai gaminti (pvz. fotoelektrinė jėgainė sodybai), arba specializuotos, pavyzdžiui vandeniui siurbti, katodinei vamzdynų, talpų, pastatų ir tiltų apsaugai, telekomunikacinėms sistemoms, švyturiams, upių bei kelio ženklams, avariniam apšvietimui maitinti ir kt. Fotoelektrinę jėgainę, maitinančią radiotelefoną-automatą matome 4 pav. Tokie telefonai – automatai tikrai būtų patogūs autostradose, atokiuose kaimuose, pasienio postuose.

4 pav. Telefonas-automatas atokioje vietovėje, gaunantis energiją iš fotoelektrinės jėgainės

Korozija kelia grėsmę vamzdynams, šulinių dangčiams, talpoms, prieplaukoms, tiltams, bei pastatams. Saulės modulio generuojama elektros srovė puikiai apsaugo šias konstrukcijas nuo korozijos. Tam paprastai reikalinga maža įtampa ir nuolatinė srovė. Srovės, saugančios dideles struktūras, gali būti ir nemažos. Čia idealu taikyti fotoelektrinę jėgainę, nes dėl mažų korozijos greičių srovės stabilumui nekeliami dideli reikalavimai. Tačiau kiekvienu atveju modulio dydis turi būti pritaikytas apsaugomai struktūrai. Specializuotos jėgainės projektuojamos kiekvienam atskiram atvejui, tokiu būdu maksimaliai atsižvelgiama į vartotojo poreikius ir taikymo specifiką. Būtent tokios jėgainės šiuo metu yra ekonomiškai naudingiausios.

Yra daugybė kitų galimybių panaudoti įvairias fotoelektrines sistemas. Tai priklauso nuo projektuotojų bei naudotojų fantazijos ir sumanumo. Štai Anglijoje labai populiarūs vadinamieji “jonvabaliai” - originalaus apipavidalinimo kilnojamos labai mažos fotoelektrinės sistemos, sudarytos iš prožektoriaus lemputės, mažo fotoelektrinio modulio ir akumuliatoriaus. Jie naudojami kiemui ar privačiam parkui apšviesti. Patogūs tuo, kad jų išdėstymą galima dažnai keisti pagal savo skonį. Pastaruoju metu “katės akys” (autostradose naudojami atšvaitai) taip pat pradedami gaminti su saulės elementais, kurie akumuliatorius pakrauna nuo dienos ir mašinų žibintų šviesos.

Visi anksčiau minėti pavyzdžiai yra autonominės saulės jėgainės. Įjungtos į tinklą saulės jėgainės savo dydžiu ir paskirtimi taip pat skirstomos į centrines (kelių MW jėgainė, atliekanti centrinės elektrinės paskirtį), srovės kondicionavimo, padidėjusios paklausos patenkinimo, bei individualiam vartotojui priklausančias jėgaines (įjungta į bendrą elektros tinklą 1 - 3kW jėgainė). Populiariausios šiuo metu yra nedidelės galios elektrinės. Tačiau didesnio saulėtumo šalyse Italijoje, Ispanijoje, Kuveite, JAV yra veikiančių centrinių elektrinių. Pavyzdžiui Kalifornijos valstijoje vietoje uždarytos Rancho Seco atominės elektrinės pastatyta 2 MW_p fotoelektrinė.

Saulės modulių integravimas su statybų konstrukciniais elementais labai padidino jų paklausą Europoje. Vokietija, Austrija, Šveicarija yra paskelbusios “1000 stogų” programas, kuriose valstybė įsipareigoja remti individualių namų savininkus, ant savo namų stogų įsirengiančius 3-4kW fotoelektrines saulės jėgaines.
Vykdant IEA “Task 16” programą, Šveicarijoje įkurtas tarptautinis architektūrinės fotoelektrinių jėgainių integracijos į pastatus informacijos centras. Šis tyrimo projektas parodė kelius fotoelektrinių modulių kainai mažinti. Atkrinta palaikančių bei tvirtinimo konstrukcijų reikalingumas ir galima modulių instaliacijos dalį darbų traktuoti kaip pastato statybos darbus. Ištirtos komercinės sienų ir stogų medžiagos standartiniams namams, kotedžams, izoliuotiems vasarnamiams ir nameliams ant ratų. Išbandyta trys stogo konstrukcjų rūšys: FE čerpės, gatavi stogo moduliai, moduliai su šilumos izoliacija bei FE moduliai integruoti su siena. Monokristalinio silicio FE modulis savo konstrukcija labai primena stiklo sienos konstrukciją. Tik tarp dviejų stiklo plokščių vietoje oro tarpo yra skaidriu plastiku izoliuoti saulės elementai. Reikiamai sujungti moduliai gali būti naudojami kaip normali neapžvalginė stiklo siena. Pusiau pralaidaus amorfinio silicio modulio integracija į įprastinę dekoratyvinę sienelę sumažina ryškią tiesioginių saulės spindulių šviesą, o tuo pačiu atkrinta ir pastato vėsinimo poreikis. Nepralaidūs amorfinio silicio moduliai gali būti instaliuoti ant neapžvalginių sienų ir kitų pastato dalių.

Pastaruoju metu eksperimentuojama su dar vienos rūšies moduliu, kuris turėtų labai pagerinti ekonomines charakteristikas. Tai kombinuotos fotoelektrinės/terminės sistemos, pritaikytos atskiriems pastatams. Šioje sistemoje šilumos kolektoriaus absorberis jungiamas su polikristalinio silicio saulės elementais ir leidžia gaminti 3,2kW_p elektros energijos ir 25 kW šiluminės energijos.

Kapitaliniai įdėjimai fotoelektrinei įrengti sudaro pagrindinę energijos kainą, kadangi jau pastatytai elektrinei nereikia išlaidų nei vandeniui, nei kurui įsigyti, o priežiūros išlaidos minimalios. Fotoelektrines jėgaines labai patogu naudoti elektros perdavimo bei paskirstymo kompensacijai, kadangi nesant jokių apribojimų, jas galima įrengti bet kurioje vietoje. Jėgainė nekelia jokio triukšmo, neišmeta teršalų. Tokiu atveju reikiamoje linijos vietoje įrengiama reikiamo dydžio jėgainė. Šios jėgainės labai svarbios, nes generuoja elektrą didžiausios paklausos metu, kai ji brangiausia. Kadangi jėgainės yra modulinės, galima gan tiksliai paskaičiuoti reikiamą jėgainės dydį ir pastatyti ją greitai ir be didelių išlaidų. Be to nedidelei FE jėgainei įrengti galima pasinaudoti jau pastatytų namų stogais ir nebeužimti žemės.

Lietuvoje pastaruoju metu pastebimas susidomėjimas fotoelektros bei kitų atsinaujinančių energijos šaltinių panaudojimu, tačiau tai dar tik pradžia. Privatizuojant elektros tiekimo sistemas ir nykstant monopolijai energetikoje, energijos šaltinių įvairovė didės, o mažėjant fotoelektrinių įrenginių kainai bei daugėjant informacijos apie juos, didės ir fotoelektros panaudojimas Lietuvoje.}}}