Saulės energetikos evoliucija
Žmonės jau seniai suprato, kad saulės skleidžiamą šilumą galima būtų panaudoti – juk kiekvienas jaučia ant odos krentančių saulės spindulių skleidžiamą šilumą. Tačiau didžiausias proveržis šioje srityje pasiektas XIX amžiuje, kai prancūzų išradėjas Augusto Mouchout sugalvojo, kaip galima būtų patobulinti pramonėje tuo metu intensyviai naudojamą garų variklį. Vandeniui versti garais jis sumanė naudoti ne gana brangią anglį, o visiškai nemokamą saulės energiją.
A. Mouchout sukūrė palydovinę anteną primenantį saulės kolektorių, kuriuo surinkti saulės spinduliai šildė specialioje talpoje esantį vandenį ir vertė jį garais, sukančiais garo variklio velenus. Savo išradimą A. Mouchout tobulino beveik 20 metų, tačiau pigi anglis, o vėliau naftos revoliucija pavertė prancūzo „saulės variklį“ nekonkurencingu to meto pramonėje.
Visgi daug sudėtingiau buvo perprasti fizikos dėsnius, dėl kurių ant kai kurių medžiagų patekus saulės šviesai, jose pradeda tekėti elektros srovė. 1839 m. šį taip vadinamąjį fotovoltinį efektą pirmą kartą pastebėjo kitas prancūzas, žymus fizikas Alexandre‘as Becquerelis. Prireikė daugiau nei šimto metų ir viso būrio fizikų tyrimų, inžinierių prototipų bei verslininkų pinigų, kad 1959 m. bendrovė „Hoffman Electronics“ pagamintų pirmąjį komercinį silicio fotoelementą.
Pirmieji komerciniai saulės elementai elektra paversdavo vos dešimtadalį ant jų krentančios saulės šviesos energijos, o jų pagaminimo kaina buvo milžiniška. Tuo metu iš tokių elementų elektra, pagaminta iš saulės buvo 60 kartų brangesnė nei iš kitų šaltinių, pvz., deginant iškastinį kurą. Tad visiškai suprantama, kad tai buvo daugiau inžinierių „žaislas“ nei tikrai ekonomiškai pagrįstas energijos gamybos būdas, tiesa, išskyrus skrydžius į kosmosą, kur saulės baterijos iki šiol yra vienu svarbiausiu energijos šaltiniu.
Pagrindinis šuolis komerciniame saulės energijos panaudojime įvyko 1973 metais, kai Arabų naftos embargas privertė kilti naftos kainas. Dėl to JAV valdžia nusprendė investuoti dideles sumas į alternatyvias energijos gamybos technologijas, tarp jų ir saulės energetiką. Deja, prireikė dar beveik dvidešimties metų, kad saulės elementų gamybos kaštai sumažėtų, o jų efektyvumas padidėtų tiek, kad kas nors imtų žaisti su idėja, kad elektrą galima būtų gaminti iš saulės.
Šioje srityje vienos įžvalgiausių šalių buvo Japonija ir Vokietija, anksti supratusios saulės energetikos potencialą ir aktyviai vysčiusios susijusias technologijas. Metai iš metų įdėtos pastangos ir investicijos davė vaisių – fotovoltiniai elementai pigo, o iš saulės šviesos pagamintos elektros energijos savikaina palaipsniui mažėjo.
Kaip įkinkyti saulę?
Saulės energetikos technologijos toliau tobulinamos ir šiais laikais, kai energijos gavyba iš saulės energijos yra kur kas populiaresnė. Pasak saulės energetikos ekspertų, technologinė pažanga, padaryta nuo saulės energetikos pradžios, yra didžiulė. Tačiau prieš pradedant domėtis, kokia ji, reikėtų išsiaiškinti kai kurių su saulės energetika susijusių sąvokų reikšmes.
Saulės energiją galima paversti elektros energija – tam naudojami į saulės modulius sujungti fotovoltiniai elementai. Alternatyva – saulės energija paversti šiluma – šiam tikslus naudojami saulės kolektoriai. Pažvelkime, kaip kiekviena iš šių technologijų panaudoja saulės energiją.
Saulės modulis – į vieningą sistemą sujungtos ir įrėmintos saulės baterijos, generuojančios elektros energiją saulės šviesos pagalba. Moduliai gali būti naudojami tiek pavieniai, tiek ir jungiami su kitais į galingesnę fotovoltinę sistemą, įrengiamą ant namų stogų, žemės arba kitų paviršių (saulės moduliai gaminami iš fotovoltinių elementų).
Fotovoltiniai elementai – saulės energija surenkama ir paverčiama į elektros energiją naudojant fotovoltinius elementus, kurių veikimas pagrįstas fotovoltiniu efektu – įtampos, arba srovės, atsiradimu medžiagą paveikus šviesa. Įvairiai tarpusavyje jungiant fotovoltinius elementus galima gauti tokius prietaisus, kaip fotovoltiniai moduliai arba valdymo skydai.
Saulės energijos kolektorius saulės energiją surenka šilumos pavidalu. Paprastai tariant, saulės kolektoriai tai talpos, išdėstomos ant stogo, ir ant jų paviršiaus krentantys saulės spinduliai sušildo viduje esantį vandenį. Jose esantis vanduo nuo tiesioginių spindulių įkaista net ir žiemą, tad saulės kolektoriai gali būti pritaikomi ir patalpų šildymui. Dažniausiai saulės kolektoriai naudojami kartu su kitomis sistemomis, kadangi skirtingais metų laikais tiesioginės saulės nepakanka patenkinti energijos poreikių, reikalingų vandens pašildymui. Net esant debesuotam orui, kolektoriai kaupia šilumą. Skirtumas tik tas, kad debesys išsklaido tiesioginius saulės spindulius, taigi ir kolektoriai surenka mažiau energijos nei saulėtą dieną.
Reziumuojant, saulės moduliai skirti gaminti elektrai, o saulės kolektoriai – vandeniui šildyti.
Auga fotovoltinių elementų efektyvumas
Viena pagrindinių ir svarbiausių sąvokų saulės energetikoje yra fotovoltiniai elementai, nes būtent iš jų surenkami saulės moduliai, gaminantys elektrą.
Kaip aiškina fotovoltines sistemas įrenginėjančios įmonės „Solet Technics“ direktorius Andrius Karazinas, saulės moduliai būna skirtingų rūšių: monokristaliniai ir polikristaliniai. Nuo to priklauso modulio kaina bei efektyvumas – pirmoji gan sparčiai mažėjo, o pastarasis vis didėjo per pastaruosius dešimt metų.
Tačiau svarbiausia – naudingumo koeficientas. Dėl savo struktūros monokristalinis silicis turi šiek tiek didesnį naudingumo koeficientą. Palyginus du vienodos galios monokristalinį ir polikristalinį modulius, polikristalinio modulio plotas bus keliais procentais didesnis. Vartotojas, pasirenkantis polikristalinio tipo modulius, turės jiems išskirti viso labo keliais procentais didesnį žemės ar stogo plotą.
Monokristalinių saulės modulių gamybos procesas yra brangesnis. Kol monokristalinis silicis taps fotoelektriniu moduliu, jam iš pradžių reikia suteikti taisyklingą formą ir tik po to supjaustyti į plonas plokšteles. Polikristalinio silicio technologija yra paprastesnė, pigesnė.
„Dabartinių polikristalinių modulių efektyvumas yra iki 17 proc. Tai reiškia, kad jie iki 17 proc. saulės šviesos paverčia energija. Monokristaliniai yra efektyvesni elementai, nes energija paverčia iki 20 proc. saulės šviesos“, – aiškina A. Karazinas.
Kitos saulės modulius gaminančios ir įrengiančios įmonės „Solitek“ atstovas Vidmantas Janulevičius skaičiuoja, kad fotovoltinių elementų efektyvumas per 7 metus išaugo iki 25 proc.
Mažėjo kaina
Didėjant saulės modulių efektyvumui keičiasi ir jų kaina. Anot A. Karazino, ji skaičiuojama pagal tai, kiek elektros energijos gali pagaminti modulis.
„Kainos rinkoje paprastai skaičiuojamos už vatą. Kiekvienas modulis turi savo nominalią tam tikrą galią, kuri yra nustatoma tam tikrų laboratorinių sąlygų. Tiesiog, kad būtų galima objektyviai palyginti gaminius tarpusavyje. Yra susitartas standartas, prie kurio yra nustatoma nominali modulio galia. Tai nereiškia, kad ji tokia yra reali, bet tiesiog naudojama palyginimui“, – komentuoja A. Karazinas.
Konkrečiau, A. Karazino teigimu, jei turime modulį, kurio nominali galia yra 260 vatų, tai jo kaina yra skaičiuojama taip: vieno vato įkainis padaugintas iš 260 vatų ir pridedama PVM. Vieno silicio kristalo modulio vato kaina, pasak A. Karazino, šiuo metu svyruoja apie 0,45 – 0,50 euro, o, pavyzdžiui, 2011 metais vieno silicio kristalo modulio vato kaina buvo apie 1 eurą.
Pašnekovas pastebi, kad per 6 – 7 metus padidėjo ir modulių galia: „Jei 2011 – 2012 metais pats populiariausias modulis buvo toks, kurio galia buvo 225 vatai, kalbant apie polikristalinius modulius, tai šiandien mažiau kaip 270 vatų poreikio rinkai nebėra.“
Užsienyje – vienas perspektyviausių elektros gamybos būdų
Atsižvelgiant į nuolatos tobulėjančias saulės energetikos technologijas, didėjantį efektyvumą ir augančias galimybes, vis daugiau žmonių pasaulyje pradeda gaminti elektrą iš saulės energijos. „Solet Technics“ direktorius A. Karazinas prognozuoja ir tolesnį progresą šioje srityje.
„Be abejo, ši technologija tobulės. Pavyzdžiui, dabar viena iš tokių naujausių technologijų yra tai, kad dar ir papildomai apdorojami fotoelementai, o metodų, kaip tai padaryti, yra keli. Vienas iš jų yra vadinamasis PERC, kai yra papildomai apdorojama galinė fotoelementų pusė ir dėl to apdorojimo yra padidinamas elementų efektyvumas. Pavyzdžiui, šiandien monokristaliniai moduliai su 60-čia PERC technologijos elementų jau pasiekia 300 vatų galią“, – naujienomis dalinasi pašnekovas.
„2017 m. investicijos į saulės energetiką pasaulyje buvo per 100 milijardų JAV dolerių. Tikiuosi, kad po 15–20 metų tai bus vienas pagrindinių energijos šaltinių pasaulyje“, – viliasi V. Janulevičius.
Europos Sąjungos atsinaujinančios energijos taryba prognozuoja, kad iki 2040 metų fotoelektros gamyba pasaulyje sudarys 27,4 proc. visos suvartojamos elektros energijos. Tuomet saulės energija pagal energijos gamybos apimtį bus pirmoje vietoje. Iš atsinaujinančių energijos išteklių (AEI) 2040 m. planuojama pagaminti iš viso 82 proc. visos suvartojamos elektros energijos.
Skatina pereiti prie saulės energetikos
Vilniaus Gedimino technikos universiteto Aplinkos inžinerijos fakulteto Pastatų energetikos katedros doc. dr. Giedrius Šiupšinskas sako, kad saulės energetikos technologijų tolesnis vystymasis yra neišvengiamas: pasaulyje augant CO2 kiekiui, gyventojai raginami pereiti prie atsinaujinančių energijos šaltinių (mokslininkų teigimu, kietasis kuras, naudojamas šildymui, sukelia didelę aplinkos taršą, kuri turi įtakos stiprėjančiai klimato kaitai). Tačiau tam, kad kuo daugiau namų ant stogo turėtų saulės elektrines, jų technologija turi būti technologiškai ir ekonomiškai prieinama. Anot G. Šiupšinsko, būtent tai skatina saulės modulių technologijų tobulėjimą ir verčia ieškoti būdų, kaip atpiginti saulės energetikos technologijas.
„Saulės energetikos technologijos tobulėja nuolatos, nes stengiamasi judėti link to, kad kiekvienas žmogus savo namuose galėtų gaminti elektrą. O tam reikia, kad technologija būtų pigi ir paprasta. Masiškai žmonės pradės energiją gaminti iš saulės tuo metu, kai jos kaina bus konkurencinga su tradicinėmis sistemomis. Šiuo metu mes turime didelius centrus, kurie gamina elektrą (hidroelektrinės, šiluminės elektrinės). Štai dabar einama link to, būsime praktiškai kiekvienas elektros energijos gamintojas. Kiekvienas žmogus turės ir techninę, ir ekonominę galimybę pas save ant stogo ar žemės pasistatyti saulės elektrinę, gaminti elektrą ir paduoti į tinklą.“
Taigi, pasak mokslininko, kad žmogus taptų saulės energijos gamintoju, reikia, kad technologija taptų pigi, paprasta ir galėtų visiškai pakeisti tradicinius elektros gamybos centrus. Anot pašnekovų, vienas perspektyviausių kelių tai įgyvendinti būtų papildomas fotovoltinių elementų apdorojimas, pavyzdžiui, PERC technologija, kuri jau aptarta šiame tekste.