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 MWp 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 kWp 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 Pmax, W

Įtampa prie Pmax, V

Srovė prie Pmax, 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 MWp 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 3,2kWp 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.