Įvadas
Saulės energija tampa vis svarbesnė atsinaujinančios energijos šaltinis. Šiame straipsnyje nagrinėsime saulės elementų veikimo principus, efektyvumą ir technologijų pažangą, daugiausia dėmesio skirdami efektyvumo priklausomybei nuo šviesos bangos ilgio.
Saulės energijos konvertavimo principai
Saulės baterijų energijos konvertavimas yra procesas, kurio metu šviesos fotonai paverčiami elektros srove. Konvertavimo procesas vyksta fotovoltiniuose elementuose - tai mėlyni arba juodi kvadratėliai, matomi ant saulės panelių. Šie elementai dažniausiai pagaminti iš silicio.
Kai saulės šviesa patenka ant saulės baterijos paviršiaus, šviesos dalelės - fotonai - smūgiuoja į silicio atomus. Saulės baterija turi du skirtingus sluoksnius: vieną su elektronų pertekliumi (N tipo silicis) ir kitą su elektronų trūkumu (P tipo silicis). Šis elektronų judėjimas ir yra elektros srovė. Prijungus laidus prie saulės baterijos, elektronai pradeda tekėti per išorinę grandinę.
Efektyvumo iššūkiai ir sprendimai
Šiuolaikinės saulės baterijos konvertuoja tik apie 15-22 procentus saulės šviesos energijos į elektrą. Dalis šviesos atspindi nuo baterijos paviršiaus, todėl dedamas specialus antiatspindinis sluoksnis, kuris baterijoms suteikia mėlyną spalvą. Kita dalis energijos paverčiama šiluma. Silicis efektyviai „pagauti” tik tam tikros bangos ilgio šviesos fotonus. Saulės spektras yra platus - nuo ultravioletinių spindulių iki infraraudonųjų, bet silicio baterija geriausiai veikia su matomos šviesos dalimi.
Inverteriai ir srovės keitimas
Saulės baterijos gamina nuolatinę srovę (DC), panašią kaip baterijos telefone ar automobilio akumuliatoriuje. Tačiau namuose visos rozetės veikia su kintamąja srove (AC). Inverteris keičia srovės tipą, kontroliuoja įtampą, dažnį ir užtikrina, kad elektra atitiktų tinklo standartus. Yra keletas inverterių tipų: centriniai ir mikroinverteriai.
Taip pat skaitykite: Saulės Šeimos Klinika: psichiatrai
Temperatūros įtaka efektyvumui
Saulės panelės geriausiai veikia šaltą, saulėtą dieną. Kiekvienas laipsnis virš 25°C sumažina panelės efektyvumą maždaug 0,3-0,5 procento. Todėl Lietuvoje saulės baterijos kartais gali būti efektyvesnės nei, pavyzdžiui, karštoje Ispanijoje, nors ten ir daugiau saulėtų dienų.
Orientacija, kampas ir šešėliai
Jei planuojate įsirengti saulės baterijas, orientacija ir polinkio kampas yra kritiškai svarbūs. Lietuvoje idealus variantas - paneles nukreipti į pietus su 35-40 laipsnių kampu nuo horizontalios plokštumos. Šešėliai - tai saulės baterijų priešas numeris vienas. Net nedidelis šešėlis gali dramatiškai sumažinti visos sistemos našumą.
Valymas ir priežiūra
Panelių valymas yra svarbus aspektas. Dulkės, paukščių išmatos, žiedadulkės - visa tai mažina šviesos kiekį, patenkantį į celę. Lietuvoje lietus paprastai atlieka savo darbą ir panelės išlieka gana švarios, bet kartą ar du per metus jas nuplauti švariu vandeniu tikrai nepakenks.
Energijos kaupimas ir tinklo sąskaita
Viena didžiausių saulės energijos problemų - ji gaminama tada, kai šviečia saulė, o ne tada, kai jos reikia. Sprendimas - akumuliatoriai. Šiuolaikinės ličio jonų baterijos gali kaupti dieną pagamintą energiją naudojimui vakare ir naktį. Alternatyva - tinklo sąskaita (net metering). Tai sistema, kai perteklinę dieną pagamintą energiją „parduodate” elektros tinklui, o vakare „perkate” atgal.
Naujos kartos technologijos
Saulės baterijų technologija nuolat tobulėja. Perovskitinės saulės celės - tai naujos kartos medžiaga, kuri laboratorijose jau pasiekė 25 procentų efektyvumą ir gali būti gaminama daug pigiau nei silicio baterijos. Tandem celės, kurios sujungia skirtingas medžiagas skirtingų bangos ilgių šviesai sugauti, jau pasiekė virš 30 procentų efektyvumą. Bifacialinės panelės - tai panelės, kurios generuoja energiją iš abiejų pusių. Skaidrios saulės baterijos galėtų būti integruotos į langus, šiltnamius ar net telefono ekranus.
Taip pat skaitykite: Gimnazistų įtraukimas
Praktiniai patarimai
Jei svarstote įsirengti saulės baterijas, pirmiausia įvertinkite savo elektros sąnaudas. Pažiūrėkite į metines sąskaitas ir apskaičiuokite vidutinį mėnesinį suvartojimą kilovatvalandėmis. Vidutinė namų sistema Lietuvoje - tai 5-10 kW galios panelės. Tokia sistema gali pagaminti 5000-10000 kWh per metus, priklausomai nuo orientacijos ir vietos. Investicijos atsiperkamumas priklauso nuo daugelio faktorių: sistemos kainos, elektros tarifų, valstybės paramos, jūsų vartojimo profilio. Šiuo metu Lietuvoje saulės energijos sistema paprastai atsipirksta per 7-12 metų, o panelės garantuojamos 25-30 metų.
Saulės kolektoriai
Saulės energija daugiausia paverčiama šiluma ir elektra. Pasaulyje ir Lietuvoje saulės energija plačiausiai naudojama vandeniui ir pastatams šildyti. Pagrindinis šiam reikalui skirtas įrenginys yra saulės kolektorius. Visi saulės kolektoriai turi bendrą elementą - šilumą sugeriančią plokštę - absorberį arba tūrinį šilumos kaupiklį. Šilumos nešėjas gali būti skystis ar oras. Pagal pasiekiamą temperatūrą saulės kolektoriai skirstomi į žemos, vidutinės ir aukštos temperatūros. Kolektoriai gali būti fokusuojantys ir plokšti.
Plokštieji kolektoriai
Daug paprastesni ir pigesni, sugeriantys visą patenkančią spinduliuotę, yra plokštieji kolektoriai. Plokščiąjį kolektorių sudaro:
- skaidri apsauginė danga (stiklas, organinis stiklas, plastmasinės plėvelės) trumpabangiams Saulės spinduliams praleisti ir sulaikyti infraraudoniesiems, taip pat apsaugoti šilumą sugeriančią plokštę nuo atmosferos poveikio;
- saulės energiją sugerianti plokštė (absorberis) paverčia saulės spindulinę energiją šiluma ir perduoda šilumos nešėjui;
- šilumos izoliacija, neprarandanti savybių iki 80-100oC ir nesugerianti drėgmės, dedama po saulės energiją sugeriančia plokšte.
Vandenio šildymo sistemos
Realiai plokščiuosius saulės kolektorius galima naudoti dviejų tipų vandens šildymo sistemose:
- sistemos su natūralia šilumos nešėjo cirkuliacija;
- sistemos su priverstine šilumos nešėjo cirkuliacija.
Saulės energija žemės ūkyje
Lietuvoje žemės ūkio produktai dažnai surenkami per didelio drėgnumo, todėl netinka ilgai laikyti. Aplinkos orą pašildžius keliais laipsniais, šieną, linus, šiaudus, sėklojus ir kt. galima paruošti aukštos kokybės. Šiam tikslui naudojami kolektoriai, kuriuose šildomas oras.
Taip pat skaitykite: Teorija ir praktika: saulės elementų efektyvumas
Saulės energija pastatų šildymui
Saulės energija naudojama ir pastatų šildymo sistemose, kurios skirstomos į pasyviąsias, aktyviąsias ir mišrias. Pasyviosiose šildymo sistemose šilumos sugėrimas, akumuliavimas ir paskirstymas atliekami spontaniškai, vykstant natūraliems procesams. Aktyviosiose šildymo sistemose visos trys minėtos funkcijos atliekamos skirtingomis priemonėmis.
Saulės elementų medžiagos
Saulės elementai gali būti formuojami bet kokiame puslaidininkyje. Daugiausia paplitę silicio saulės elementai, nes gerai ištirtos jo fizinės ir technologinės charakteristikos. Saulės elementams gali būti naudojami galio arsenidas (GaAs), indžio fosfidas (InP), kadmio telūridas (CdTe).
Organiniai saulės elementai
Daugiau kaip prieš dešimtį metų pradėti tyrimai, siekiant surasti organinę medžiagą, kuri būtų jautri saulės šviesai ir tiktų saulės elementų gamybai. Tačiau jau pavyko sukonstruoti saulės elementus, kurių efektyvumas siekia 10 proc. ir veikimo laikas ne mažesnis kaip 10 metų.
Moduliai ir jų pritaikymas
Visi aukščiau aptarti saulės elementai yra trapūs, paviršius lengvai pažeidžiamas, neapsaugotas nuo išorės poveikio, gamina tik 0,5 V nuolatinę įtampą. Todėl jie nuosekliai jungiami į grupes (modulius). Modulyje saulės elementai iš abiejų pusių apsaugoti skaidraus stiklo lakštais.
Trečios kartos saulės elementai
Trečiosios kartos saulės elementuose turėtų būti išsaugoti pagrindiniai II kartos elementų privalumai: jie turi būti plonasluoksniai, gaminami iš nebrangių, netoksiškų, stabilių ir aplinkai atsparių medžiagų.
Nano technologijos saulės elementuose
Kvantiniai taškai, dar pavadinami dirbtiniais atomais, yra keleto nanometrų skersmens puslaidininkinės dalelės, kurios šiuo metu yra intensyviai tyrinėjamos ir bandomos taikyti pačiuose įvairiausiuose prietaisuose.
Lietuvos indėlis
Lietuvoje pastaruoju metu vyksta saulės energetikos bumas. Mūsų šalyje veikia savo dydžiu ir modernumu Europą stebinanti saulės elementų gamykla.
tags: #saules #elemento #efektyvumas #ir #jo #priklausomybe