Saulės baterijų energijos konvertavimas

Kaip saulės šviesa tampa elektra jūsų namuose

Kai pirmą kartą pamačiau saulės baterijas ant kaimyno stogo, pagalvojau – kaip gi tas mėlynas stiklas gali mano kavos aparatą įjungti? Atrodė kaip magija. Bet kaip ir su dauguma technologijų, čia jokios magijos nėra – tik protingai panaudota fizika ir medžiagų mokslas. Saulės baterijų energijos konvertavimas yra procesas, kurio metu šviesos fotonai paverčiami elektros srove. Skamba sudėtingai? Pabandysiu paaiškinti taip, kad suprastų net mano močiutė.

Pats konvertavimo procesas vyksta fotovoltiniuose elementuose – tai tie patys mėlyni ar juodi kvadratėliai, kuriuos matote ant saulės panelių. Šie elementai dažniausiai pagaminti iš silicio, to paties elemento, iš kurio gamina kompiuterių lustus. Tik čia silicis panaudotas visai kitam tikslui – jis veikia kaip tarpininkas tarp saulės šviesos ir elektros energijos.

Fotonų kelionė į jūsų elektros tinklą

Kai saulės šviesa patenka ant saulės baterijos paviršiaus, prasideda įdomus dalykas. Šviesos dalelės – fotonai – smūgiuoja į silicio atomus. Įsivaizduokite biliardo kamuoliukus, kurie trenkiasi į kitus kamuoliukus ir juos išmuša iš vietos. Panašiai ir fotonai „išmuša” elektronus iš jų įprastų pozicijų silicio struktūroje.

Bet čia slypi gudrybė – saulės baterija nėra pagaminta iš paprasto silicio. Ji turi du skirtingus sluoksnius: vieną su pertekliniu elektronų kiekiu (N tipo silicis) ir kitą su elektronų trūkumu (P tipo silicis). Kai šie sluoksniai susijungia, tarp jų susidaro tarsi elektrinė įtampa, kuri verčia išmuštus elektronus judėti viena kryptimi.

Šis elektronų judėjimas ir yra elektros srovė. Kai prijungiate laidus prie saulės baterijos, elektronai pradeda tekėti per išorinę grandinę – per jūsų namo laidus, prietaisus ir vėl grįžta atgal į bateriją. Tai nepertraukiamas ciklas, kuris tęsiasi tol, kol šviečia saulė.

Kodėl ne visa šviesa tampa elektra

Štai čia prasideda šiek tiek liūdnesnė dalis. Šiuolaikinės saulės baterijos konvertuoja tik apie 15-22 procentus saulės šviesos energijos į elektrą. Geriausi laboratorijose pagaminti pavyzdžiai pasiekia apie 47 procentus, bet tai labai brangūs ir sudėtingi daugiasluoksniai elementai, kuriuos naudoja tik kosminėse technologijose.

Kur dingsta likusi energija? Dalis šviesos tiesiog atspindi nuo baterijos paviršiaus – todėl ir dedamas specialus antiatspindinis sluoksnis, kuris baterijoms suteikia tą mėlynąją spalvą. Kita dalis energijos paverčiama šiluma – jei vasarą paliestumėte saulės bateriją, pajustumėte, kad ji gana karšta. Dar dalis fotonų tiesiog neturi pakankamai energijos išmušti elektronus, o kiti turi per daug energijos ir perteklius taip pat pavirsta šiluma.

Silicis gali 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. Tai tarsi bandyti sugauti žuvis tinklu, kurio akys yra tam tikro dydžio – per mažos žuvys prasprūsta, o per didelės tinklą sugadina.

Nuo nuolatinės srovės iki kintamosios

Saulės baterijos gamina nuolatinę srovę (DC), panašią kaip baterijos jūsų telefone ar automobilio akumuliatoriuje. Bet jūsų namuose visos rozetės veikia su kintamąja srove (AC). Čia į pagalbą ateina inverteris – prietaisas, kuris konvertuoja DC į AC.

Inverteris yra antrasis svarbiausias komponentas saulės energijos sistemoje po pačių panelių. Jis ne tik keičia srovės tipą, bet ir kontroliuoja įtampą, dažnį ir užtikrina, kad elektra atitiktų tinklo standartus. Šiuolaikiniai inverteriai yra tikri protingi įrenginiai – jie gali optimizuoti kiekvienos panelės veikimą atskirai, stebėti sistemos būklę ir net pranešti jums telefonu, jei kažkas ne taip.

Yra keletas inverterių tipų. Centrinis inverteris – tai vienas didelis įrenginys visai sistemai, paprastai montuojamas rūsyje ar garaže. Mikroinverteriai montuojami po kiekviena panele ir leidžia kiekvienai panelei veikti nepriklausomai. Jei viena panelė atsiduria šešėlyje, kitos toliau dirba maksimaliu pajėgumu. Dar yra hibridiniai inverteriai, kurie gali valdyti ir akumuliatorius, leidžiant kaupti perteklinę energiją nakčiai ar debesuotoms dienoms.

Temperatūros įtaka ir sezoniniai skirtumai

Daugelis žmonių mano, kad kuo karščiau, tuo geriau saulės baterijoms. Iš tiesų viskas priešingai. Saulės panelės geriausiai veikia šaltą, saulėtą dieną. Kiekvienas laipsnis virš 25°C sumažina panelės efektyvumą maždaug 0,3-0,5 procento. Vasaros karščiais, kai panelė įkaista iki 65°C ar daugiau, ji gali prarasti iki 20 procentų savo pajėgumo.

Todėl Lietuvoje saulės baterijos kartais gali būti efektyvesnės nei, pavyzdžiui, karštoje Ispanijoje, nors ten ir daugiau saulėtų dienų. Pavasaris ir ankstyvoji vasara – tai aukso laikas saulės energijai mūsų klimato juostoje. Ilgos dienos, stipri saulė ir dar ne tokia karšta.

Žiemą, žinoma, energijos gamyba krenta. Ne tik dėl trumpesnių dienų, bet ir dėl žemesnio saulės kampo danguje. Saulės spinduliai krenta į paneles ne statmenai, o įstrižai, todėl mažiau fotonų patenka į aktyvią baterijos zoną. Sniegui užklojus paneles, energijos gamyba praktiškai sustoja, nors šiek tiek šviesos vis tiek prasiskverbia pro ploną sniego sluoksnį. Gera žinia – juodos panelės greitai įšyla net žiemos saulėje ir sniegas nuo jų dažnai nuslystą savaime.

Kaip maksimaliai išnaudoti saulės energiją

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. Toks kampas užtikrina geriausią balansą tarp vasaros ir žiemos energijos gamybos.

Bet gyvenime ne visada pavyksta pasiekti idealų variantą. Jei jūsų stogas nukreiptas į pietryčius ar pietvakarius – nieko baisaus, prarasite tik apie 5-10 procentų galimos energijos. Net rytų ar vakarų orientacija gali būti priimtina, nors efektyvumas nukris maždaug 20 procentų. Vienintelė tikrai bloga orientacija – šiaurė.

Šešėliai – tai saulės baterijų priešas numeris vienas. Net nedidelis šešėlis nuo kamino, antenos ar medžio šakos gali dramatiškai sumažinti visos sistemos našumą. Kodėl? Nes panelėse esančios celės dažnai sujungtos nuosekliai – kaip kalėdinės girliandos lemputės. Jei viena celė atsiduria šešėlyje, ji tampa kliūtimi visai srovei. Todėl prieš montuojant paneles, verta stebėti stogą visą dieną ir įvertinti, ar nėra judančių šešėlių.

Panelių valymas – dar vienas dažnai užmirštamas 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. Tik niekada nevalykite karštų panelių šaltu vandeniu – temperatūros šokas gali jas sugadinti.

Energijos kaupimas ir tinklo sąveika

Viena didžiausių saulės energijos problemų – ji gaminama tada, kai šviečia saulė, o ne tada, kai jums jos reikia. Vidurdienį, kai saulė stipriausia, dauguma žmonių yra darbe ir namai sunaudoja minimaliai elektros. O vakarais, kai grįžtate namo, įjungiate šildymą, virtuvę, televizorių – saulė jau nusileidusi.

Sprendimas – akumuliatoriai. Šiuolaikinės ličio jonų baterijos, tokios kaip Tesla Powerwall ar LG Chem RESU, gali kaupti dieną pagamintą energiją naudojimui vakare ir naktį. Tipinis namų akumuliatorius talpina 10-15 kWh energijos – to pakanka vidutiniam namui vienai dienai. Bet akumuliatoriai vis dar brangūs – jų įsigijimas gali padvigubinti visos saulės energijos sistemos kainą.

Alternatyva – tinklo sąskaita (net metering). Tai sistema, kai perteklinę dieną pagamintą energiją „parduodate” elektros tinklui, o vakare „perkate” atgal. Lietuvoje veikia kompensavimo principas – jūsų elektros skaitiklis tiesiog sukasi atgal, kai tiekiate energiją į tinklą. Tai daug pigesnė ir paprastesnė sistema nei akumuliatoriai, nors ir ne visiškai nepriklausoma.

Hibridinis variantas – nedidelis akumuliatorius kritinėms apkrovoms. Pavyzdžiui, 3-5 kWh baterija gali palaikyti šaldytuvą, šildymo cirkuliacinį siurblį ir kelis šviestuvus per trumpą elektros išjungimą, o likusi energija eina į tinklą. Tai protingas kompromisas tarp kainos ir patikimumo.

Ateities technologijos ir ką tikėtis

Saulės baterijų technologija nesnaudžia. Perovskitinės saulės celės – tai naujos kartos medžiaga, kuri laboratorijose jau pasiekė 25 procentų efektyvumą ir gali būti gaminama daug pigiau nei silicio baterijos. Problema – jos vis dar per greitai degraduoja nuo drėgmės ir temperatūros svyravimų. Bet mokslininkai intensyviai dirba prie šių problemų sprendimo.

Tandem celės, kurios sujungia skirtingas medžiagas skirtingų bangos ilgių šviesai sugauti, jau pasiekė virš 30 procentų efektyvumą. Įsivaizduokite daugiasluoksnį sumuštinį, kur kiekvienas sluoksnis „valgo” skirtingą šviesos dalį. Viršutinis sluoksnis sugeria trumpabangę šviesą, o pro jį prasiskverbusi ilgabangė šviesa patenka į apatinį sluoksnį.

Bifacialinės panelės – tai panelės, kurios generuoja energiją iš abiejų pusių. Jos gali sugauti šviesą, atspindėtą nuo žemės, stogo ar sniego. Tokios panelės gali pagaminti iki 30 procentų daugiau energijos nei įprastos, ypač jei sumontuotos virš šviesaus paviršiaus.

Skaidrios saulės baterijos – dar viena įdomi kryptis. Jos galėtų būti integruotos į langus, šiltnamius ar net telefono ekranus. Kol kas jų efektyvumas žemas – apie 5-10 procentų, bet koncepcija įdomi. Įsivaizduokite dangoraižį, kurio visi langai gamina elektrą.

Kai saulė dirba jums – praktinė pusė

Grįžkime prie praktiškų dalykų. Jei svarstote įsirengti saulės baterijas, pirmiausia įvertinkite savo elektros sąnaudas. Pažiūrėkite į metines sąskaitas ir apskaičiuokite vidutinį mėnesinį suvartojimą kilovatvalandėmis. Tai bus jūsų atskaitos taškas.

Vidutinė namų sistema Lietuvoje – tai 5-10 kW galios panelės. Tokia sistema gali pagaminti 5000-10000 kWh per metus, priklausomai nuo orientacijos ir vietos. Vidutinis Lietuvos namų ūkis sunaudoja apie 3000-4000 kWh per metus, taigi 5-6 kW sistema turėtų padengti daugumą poreikių.

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. Tai reiškia, kad likę 15-20 metų turėsite praktiškai nemokamą elektrą.

Nesvarbu, ar nuspręsite įsirengti saulės baterijas, ar ne, šis technologijos principas yra nuostabus pavyzdys, kaip žmonija išmoko paversti gausų ir nemokamą gamtos resursą į naudingą energiją. Kiekvieną dieną milijardai fotonų keliauja 150 milijonų kilometrų iš Saulės, smūgiuoja į silicio atomus ir išlaisvina elektronus, kurie keliauja per laidus ir įjungia mūsų kavos aparatus, kompiuterius ir šildymo sistemas. Kai apie tai pagalvoji, net ir 20 procentų efektyvumas atrodo kaip stebuklas.