Saulės elektrinės Lietuvoje per paskutinį dešimtmetį iš egzotikos pavirto kone kaimyno stogo detale. Važiuodami per Lietuvos kaimus ar priemiesčius, vis dažniau pastebime tamsiai mėlynas ar juodas plokštes, sumontuotas ant stogų, garažų ar tiesiog laukuose specialiai tam skirtuose stovuose. Tačiau kaip tiksliai iš saulės šviesos gaunama elektra, kuri vėliau šviečia lempą ar suka skalbimo mašiną? Šis procesas, nors ir atrodo paprastas, slepia gana įdomią fiziką, kurią verta pažinti bent iš esmės, jei planuojate investuoti į tokią sistemą ar tiesiog domitės atsinaujinančia energetika.
Fotovoltinis efektas – pagrindas, kuriuo laikosi visa sistema
Visa saulės elektrinių veikimo esmė remiasi vienu fiziniu reiškiniu – fotovoltiniu efektu. Jį 1839 metais pastebėjo prancūzas Edmond Becquerel, tačiau praktiškai panaudoti šį principą pavyko tik XX amžiaus viduryje, kai buvo sukurti pirmieji silicio elementai. Trumpai tariant, fotovoltinis efektas yra procesas, kai šviesos fotonai, kritę į specialią medžiagą, sukelia elektronų judėjimą ir taip generuoja elektros srovę.
Saulės elementai (dar vadinami fotovoltiniais elementais) dažniausiai gaminami iš silicio – antro pagal paplitimą elemento Žemės plutoje. Silicis yra pusiau laidininkas, tai reiškia, kad jo elektrinis laidumas priklauso nuo išorinių sąlygų, tokių kaip šviesos intensyvumas. Kai saulės šviesa (fotonai) patenka į silicio kristalą, jos energija perduodama elektronams, kurie tada „atsipalaiduoja“ nuo atomų ir gali laisvai judėti kristalo struktūroje. Taip susidaro elektros srovė.
Svarbu suprasti, kad ne visa saulės šviesa vienodai efektyviai virsta elektra. Skirtingi šviesos bangos ilgiai (spektro dalys) sąveikauja su siliciu skirtingai, todėl saulės elemento efektyvumas paprastai svyruoja nuo 15 iki 22 procentų – priklausomai nuo technologijos ir gamybos kokybės. Naujausios laboratorinės technologijos jau siekia ir aukštesnius rodiklius, tačiau komerciškai prieinamos plokštės retai viršija 23 procentų efektyvumą.
P-N sandūra ir kaip iš atskirų elektronų gaunama naudinga srovė
Vienas silicio atomas, sugavęs fotoną, elektronų judėjimo dar nesukurs naudingos srovės kryptimi – reikia struktūros, kuri priverstų elektronus tekėti viena kryptimi, sukuriant elektros grandinę. Čia į pagalbą ateina taip vadinama p-n sandūra.
Saulės elemento silicio kristalas yra specialiai „dopuotas“ – tai reiškia, kad į jo struktūrą įterpiami nedideli kiekiai kitų medžiagų atomų. Vienoje elemento dalyje (n tipo sluoksnis) įterpiamas fosforas, kuris turi papildomą elektroną, palyginti su siliciu. Kitoje dalyje (p tipo sluoksnis) įterpiamas boras, kuriam trūksta elektrono, todėl susidaro taip vadinama „skylė“ – vieta, kur elektronas galėtų būti, bet jo nėra.
Kai šie du sluoksniai susiliečia, sandūros vietoje susidaro elektrinis laukas. Kai fotonas iškrenta elektroną iš jo vietos, šis elektrinis laukas nukreipia elektronus per sandūrą viena kryptimi, o skyles – kita. Taip susidaro krypties turinti srovė, kurią galima „surinkti“ metalinėmis kontaktinėmis juostelėmis, esančiomis elemento viršuje ir apačioje, ir nukreipti į elektros grandinę.
Verta paminėti, kad vienas fotovoltinis elementas generuoja gana mažą įtampą – apie 0,5–0,6 volto. Todėl praktinėje saulės elektrinės sistemoje elementai jungiami serijomis, sudarant modulius (populiariai vadinamus tiesiog „plokštėmis“ arba paneliais), kur šimtai elementų sujungiami taip, kad bendra įtampa pasiektų praktiškai naudingą lygį – dažniausiai 30–40 voltų vienam moduliui.
Nuo nuolatinės srovės iki jūsų namų elektros lizdo
Čia svarbu suprasti vieną gana esminį dalyką – saulės plokštės generuoja nuolatinę srovę (DC), o mūsų namų elektros tinklas veikia kintamosios srovės (AC) principu. Tai reiškia, kad tiesiog prijungti saulės plokštes prie namo elektros instaliacijos neįmanoma – reikalingas tarpinis įrenginys, kuris vadinamas inverteriu.
Inverteris yra, galima sakyti, saulės elektrinės „smegenys“. Jis ne tik konvertuoja nuolatinę srovę į kintamąją, bet ir atlieka keletą kitų svarbių funkcijų: stebi elektros tinklo parametrus, optimizuoja plokščių veikimą priklausomai nuo saulės šviesos intensyvumo (taip vadinamas MPPT – Maximum Power Point Tracking algoritmas), taip pat rūpinasi sistemos saugumu, automatiškai išsijungdamas, jei tinkle atsiranda gedimų.
Šiuolaikinės sistemos dažnai naudoja arba centrinius inverterius (vienas didesnis įrenginys visai sistemai), arba mikroinverterius, kurie montuojami prie kiekvienos plokštės atskirai. Antrasis variantas yra brangesnis, tačiau turi pranašumą – jei viena plokštė yra šešėlyje ar sugedusi, tai nepaveikia visos sistemos efektyvumo taip smarkiai, kaip centrinio inverterio atveju.
Po inverterio elektra jau yra tinkama tiesiogiai naudoti namų ūkyje – ji patenka į namo elektros skydą ir iš jo paskirstoma įprastu būdu, kaip ir bet kuri kita elektra iš tinklo.
Kas nutinka, kai saulės elektrinė pagamina daugiau, nei reikia
Lietuvoje, kaip ir daugelyje Europos šalių, saulės elektrinės savininkai retai sunaudoja visą pagamintą elektrą vietoje ir tuo pačiu momentu. Vasaros dieną, kai saulė šviečia intensyviausiai, namų ūkis dažniausiai suvartoja mažiau elektros, nei plokštės pagamina, o žiemą ar naktį – atvirkščiai.
Čia į vaizdą įsijungia taip vadinama gaminančio vartotojo sistema, kurią administruoja elektros tinklų operatorius. Perteklinė elektra, kurios namų ūkis nepanaudoja iš karto, patenka į bendrą elektros tinklą. Sistema tai apskaito, ir vėliau, kai saulės elektrinė gamina mažiau, nei reikia (pavyzdžiui, naktį ar žiemą), vartotojas gali „atsiimti“ tą sukauptą elektros kiekį iš tinklo, mokant tik nedidelį administravimo mokestį.
Ši sistema Lietuvoje veikia pagal metinį balansavimo principą – tai reiškia, kad skaičiavimai atliekami ne akimirksniu, o per ilgesnį laikotarpį, dažniausiai iki 12 mėnesių. Tai leidžia efektyviai išnaudoti vasaros gamybos perteklių žiemos sezono suvartojimui, nors, žinoma, dalis energijos „prarandama“ dėl tinklo nuostolių ir administracinių mokesčių.
Tiems, kurie nori didesnės nepriklausomybės nuo tinklo arba tiesiog norėtų geriau valdyti savo suvartojimą, egzistuoja ir baterijų kaupimo sistemos, tačiau Lietuvoje jos kol kas dar nėra plačiai paplitusios dėl gana aukštos kainos ir palyginti ilgo atsipirkimo laikotarpio.
Kodėl plokštės orientacija ir kampas nėra smulkmena
Nors fizikos principas visoms saulės plokštėms yra vienodas, praktinis efektyvumas labai priklauso nuo to, kaip plokštės sumontuotos. Lietuvoje, esančioje šiaurinėje pusrutulio dalyje, optimaliausia orientacija yra į pietus, o optimalus polinkio kampas – apie 35–40 laipsnių, priklausomai nuo konkretaus regiono ir to, ar prioritetas teikiamas vasaros ar žiemos gamybai.
Jei plokštės orientuotos į rytus ar vakarus, bendras metinis pagaminamos energijos kiekis sumažėja apie 10–20 procentų, lyginant su optimalia pietų orientacija. Tai nereiškia, kad tokia sistema neverta dėmesio – tiesiog reikia atsižvelgti į tai planuojant investicijos atsipirkimą.
Kitas svarbus veiksnys – šešėliavimas. Net nedidelis šešėlis, kurį meta, pavyzdžiui, kaminas, medis ar kaimyno statinys, gali smarkiai sumažinti visos plokštės (o kai kuriais atvejais ir visos eilės plokščių) našumą, nes elementai serijoje jungiami taip, kad silpniausia grandis riboja visos grandinės srovę. Todėl prieš montuojant sistemą verčiau kruopščiai įvertinti stogo ar teritorijos šešėliavimo situaciją per visus metų laikus, ne tik tuo metu, kai atliekama apžiūra.
Sezoniškumas ir Lietuvos klimato ypatumai
Lietuva nėra Ispanija ar Graikija, tačiau tai nereiškia, kad saulės elektrinės čia neefektyvios. Metinis saulės spinduliuotės kiekis Lietuvoje yra pakankamas, kad saulės elektrinės sistema atsipirktų per 6–10 metų, priklausomai nuo sistemos dydžio, montavimo kokybės ir elektros kainų kaitos.
Įdomu tai, kad saulės elementai iš tikrųjų veikia efektyviau šaltesnėje temperatūroje, nes aukšta temperatūra didina elektroninę pasipriešinimą medžiagoje ir mažina našumą. Todėl giedra, šalta žiemos diena, kai saulės šviesa atsispindi nuo sniego (taip vadinamas albedo efektas), gali suteikti netikėtai gerą trumpalaikį našumą, nors bendras energijos kiekis dėl trumpesnės dienos ir mažesnio saulės kampo vis tiek bus mažesnis nei vasarą.
Statistiškai apie 70–80 procentų metinės saulės elektrinės gamybos Lietuvoje susikoncentruoja balandžio–rugsėjo mėnesiais. Tai reiškia, kad žiemos mėnesiais sistema gamina palyginti mažai, ir tai natūraliai reikia įtraukti į energijos vartojimo planavimą – žiemą namų ūkis daugiausia naudos elektrą iš bendro tinklo, kompensuodamas ją vasaros pertekliumi per gaminančio vartotojo mechanizmą.
Ką iš viso to reikėtų pasiimti sau namo
Jei apibendrintume visą šį fizikos ir inžinerijos mišinį – saulės elektrinė iš esmės yra gana elegantus sprendimas, kuriame šviesos fotonai, susidūrę su specialiai paruoštu siliciu, sukuria elektronų judėjimą, o šis judėjimas, praėjęs per inverterį ir tapęs kintamąja srove, patenka tiesiai į jūsų virtuvės lemputę ar šaldytuvą. Nėra jokios magijos – tik gerai išnaudota fizika, kuri kasmet tampa vis prieinamesnė ir efektyvesnė.
Praktiškai norintiems įsirengti saulės elektrinę verta atsiminti kelis dalykus. Pirma, prieš investuojant apsimoka pasitikrinti savo stogo orientaciją ir šešėliavimą – galima naudoti net nemokamas internetines priemones, pavyzdžiui, PVGIS skaičiuoklę, kuri leidžia preliminariai įvertinti galimą metinę gamybą konkrečioje vietoje. Antra, verta rinktis inverterio tipą pagal savo konkrečią situaciją – jei stogas turi kelias skirtingas orientacijas ar dalinį šešėliavimą, mikroinverteriai ar optimizatoriai gali būti verta papildoma investicija. Trečia, nebijokite žiemos mėnesių mažo pagaminamo kiekio – tai normalu, ir gaminančio vartotojo sistema tam ir sukurta, kad subalansuotų metinį vartojimą. Galiausiai, jei planuojate ilgametę investiciją, atkreipkite dėmesį ne tik į plokščių kainą, bet ir į garantijas – kokybiškos plokštės dažniausiai turi 25 metų gamybinę garantiją, o tai reiškia, kad sistema tarnaus gerokai ilgiau, nei kai kurie galėtų tikėtis, tyliai dirbdama stogo pakraštyje ir kiekvieną giedrą dieną paverčiant nemokamą saulės šviesą į tikrus, apčiuopiamus kilovatvalandžius jūsų elektros skaitliuke.
