Saulės elektrinės gali būti autonominės, kurios pagaminta energija naudojama tiktai sodybos, ūkio, salos ar kito atskiro objekto vietiniame elektros tinkle, arba integruotosios (įjungtos) į energetikos sistemos elektros tinklą. Autonominės saulės mikroelektrinės struktūra pavaizduota 1 paveikslėlyje, o integruotosios – 2 paveikslėlyje.
1 pav. Autonominės saulės mikroelektrinės struktūrinė schema
Kaip parodyta 1 paveikslėlyje, autonominė saulės elektrinė (jei mažos galios, galima vadinti mikroelektrine) būtinai turi turėti fotoelektrinius modulius, kurie šioje schemoje pažymėti FEM1-FEM6. Be to, saulės elektrinė dažniausiai turi elektros energijos kaupiklį, kurio funkciją dažniausiai atlieka specialūs reikiamos įkrovos talpos akumuliatoriai. Jame elektros energija sukaupiama tam atvejui, kai nešviečia arba silpnai šviečia saulė. Jeigu yra akumuliatorių baterija, norint efektyviai išnaudoti fotoelektrinius modulius ir tinkamai eksploatuoti tą bateriją (pavyzdžiui, apsaugoti nuo perkrovimo) reikalingas ir akumuliatorių įkroviklis. Inverteris reikalingas, jeigu reikia turėti ne tik nuolatinės, bet ir kintamosios srovės elektros energiją. Jei elektrinės galia didesnė, naudojama įvadinė spintelė, kurioje gali būti sumontuoti apsaugos aparatai ir elektros energija paskirstoma imtuvams.
2 pav. Integruotosios saulės elektrinės struktūrinė schema
Autonominės saulės elektrinės dažniausiai būna nedidelės galios – paprastai nuo keliasdešimt vatų iki kelių kilovatų. Galingesnės saulės elektrinės, jeigu vietovėje yra energetikos sistemos elektros tinklas, jungiamos į tą tinklą. Tuomet, kaip parodyta 2 paveikslėlyje, integruotajai saulės elektrinei nereikalingas energijos kaupiklis (akumuliatorių baterija) ir akumuliatorių įkroviklis. Visą arba tam tikrą dalį pagaminamos elektros energijos dienos metu tokia saulės elektrinė per tinklo inverterį tiekia tiesiai į elektros tinklą. Kai saulė nešviečia arba kai silpnai šviečia, naudojama elektros tinklo energija. Galingosios pramoninės saulės elektrinės, kurių galia siekia nuo šimtų kilovatų iki 10 MWp (Vokietijoje) būna tiktai integruotos į energetikos sistemos elektros tinklą. Jos šiuo metu pagamina daugiau kaip 80 % visos pasaulio fotoelektros, kurios didžiąją dalį (apie 90 %) gamina Japonija, JAV ir Europa (ES).
Toliau saulės elektrininėse naudojami fotoelektriniai moduliai, akumuliatoriai, akumuliatorių įkrovikliai ir inverteriai aprašomi išsamiau.
Fotoelektriniai moduliai
Saulės šviesa į elektrą verčiama puslaidininkiniuose saulės elementuose, tačiau specialiai tam neparuošti jie tiesiogiai negali būti naudojami lauko sąlygomis. Monokristalinio silicio elementai yra trapūs, neatsparūs drėgmei, sunkiai valomi. Be to, elementas generuoja tik 0,5 V nuolatinę įtampą, kuri mažai kur tinka. Praktikoje naudojamos nuosekliai sujungtų 30 - 40 (dažniausiai 36) elementų baterijos, hermetizuotos skaidrioje, aplinkai atsparioje medžiagoje. Tokie gaminiai jau vadinami fotoelektriniais moduliais. UAB „Saulės energija” gamybos fotoelektrinio modulio su stiklo nešančiąja konstrukcija bendras vaizdas parodytas šioje nuotraukoje kairėje, o dešnėje – bendrovės pagaminti mažieji nešiojamieji fotoelektriniai moduliai.
3 pav. UAB „Saulės energija” gamybos fotoelektriniai moduliai
Fotoelektriniai moduliai yra svarbiausioji saulės elektrinės dalis. Jie yra vienintelė elektrinės dalis, kuri išlieka visais atvejais visuose galimuose variantuose. Kitų elektrinės dalių poreikis sprendžiamas sudarant struktūrinę schemą konkrečiam atvejui priklausomai nuo vartotojo poreikių.
Pastatuose naudojamų modulių konstrukcija turi būti patogi montavimui, patikimai apsauganti puslaidininkinius fotoelementus nuo atmosferos poveikio, mechaniškai atspari. Kadangi moduliai montuojami pastato išorėje, jiems keliami aukšti estetiniai reikalavimai. Šiuo metu gaminami įvairios konstrukcijos ir įvairių elektrinių parametrų moduliai, leidžiantys įgyvendinti pačius įvairiausius architektūrinius sprendimus.
Pastatuose dažniausiai naudojami 12V, 24V ir 48V darbo įtampos moduliai. Jų galia dažniausiai būna nuo 15 Wp iki 300 Wp. Reikiama didesnė jėgainės galia gaunama jungiant modulius į grupes. Monokristalinio silicio fotoelektriniai moduliai tarnauja virš 30 metų ir jiems suteikiama 20 metų garantija. Polikristalinio ir amorfinio silicio moduliams suteikiama iki 10 metų garantija. Pigiausi yra amorfinio silicio moduliai, tačiau jų tarnavimo laikas trumpiausias ir generuojama galia iš ploto vieneto mažiausia. Tokius modulius tikslinga naudoti greičiausiai vartotojui atsiperkančiose valstybės subsidijuojamose su elektros tinklu sujungtose jėgainėse. Lietuvos sąlygomis, kai nėra subsidijų ir mažos galios pastato jėgainės prijungimas prie išorinio elektros tinklo labai problematiškas, tikslingiausia naudoti ilgaamžius monokristalinio silicio fotoelektrinius modulius. Tokių modulių kaina pas gamintoją svyruoja nuo maždaug nuo 4 iki 5 JAV $/Wp. Importuojamų modulių kaina gerokai išauga dėl transporto ir muitinės išlaidų.
Taip pat gaminami specialios konstrukcijos, integruojami su statybinėmis konstrukcijomis moduliai. Šie moduliai naudojami kaip sienų ar stogų danga, pusiau skaidriam balkonų, mansardų, laiptinių įstiklinimui. Nors tokios konstrukcijos ir yra brangesnės už įprastinius modulius, tačiau šiuo atveju atkrinta papildomų palaikančių ir tvirtinimo konstrukcijų reikalingumas, dalį modulių instaliacijos darbų galima traktuoti kaip pastato statybos ir apdailos darbus. Europos ir Japonijos praktika rodo, kad toliu atveju bendros statybos ir modulių kainos sumažėjimas siekia 1,5 - 0,7 JAV $/Wp. 1996m pradėtos gaminti kombinuotos fotoelektrinės/terminės sistemos, pritaikytos naudoti kaip stogų dangos. Šiose sistemose šilumos kolektorius jungiamas su saulės elementais. Tokio tipo privataus būsto jėgainė leidžia gaminti 3,2 kWp elektros energijos ir 25 kW šiluminės energijos. Keletas kompanijų (ASE Vokietijoje , Solarex JAV) , prisitaikydamos prie architektų reikalavimų , gamina įvairių spalvų ir atspalvių saulės elementus ir modulius.
Akumuliatorių baterija
Akumuliatorių baterija kaip energijos kaupiklis yra viena iš būtinų autonominės fotoelektrinės jėgainės dalių. Akumuliatoriuose sukaupiama šviesiu paros metu generuojama elektros energija, kad vėliau ją galima būtų naudoti tamsiu metu, kai moduliai neveikia.
Reikiama akumuliatorių baterijos talpa parenkama kiekvienam konkrečiam atvejui. Akumuliatoriaus talpos parinkimas yra svarbi autonominių jėgainių projektavimo problema. Jei talpa per didelė – iššvaistomos lėšos, o be to, fotoelektriniai moduliai gali būti nepajėgūs pilnai įkrauti akumuliatorių. Kai akumuliatorių talpa per maža, neišnaudojama galimybė sukaupti didesnes energijos atsargas, nevisiškai išnaudojama fotoelektrinių modulių galia. Priklausomai nuo numatomo jėgainės naudojimo režimo ir būtino energijos tiekimo patikimumo akumuliatoriaus talpa parenkama nuo 1 Ah iki 6,5 Ah vienam fotoelektrinio modulio vatui. Pavyzdžiui, ne nuolat gyvenamuose pastatuose (sodo nameliuose, poilsinėse sodybose) pageidautina, kad akumuliatorius sukauptų visą darbo dienomis generuojamą energiją, kurią būtų galima sunaudoti per kelias savaitgalio dienas. Šiuo atveju, mažinant brangiausios saulės elektrinės dalies – fotoelektros modulių galią, galima sumažinti visos sistemos kainą. Kasdien eksploatuojamose saulės elektrinėse akumuliatorių talpa paprastai turi užtikrinti vienos ar kelių dienų generuojamą energiją.
Rinkoje egzistuoja didelė įvairiausių akumuliatorių, kuriuos daugiau ar mažiau efektyviai galima naudoti saulės elektrinėse, pasiūla. Specialūs autonominių elektrinių akumuliatoriai yra gana brangūs, o naudojant tam tikslui nepritaikytus pigius akumuliatorius juos dažniau reikia keisti, imlesnis darbui jų aptarnavimas. Ruošiant saulės elektrinės projektą nustatoma reikalinga akumuliatorių talpa. Akumuliatorių tipą vartotojas gali pasirinkti pagal finansines išgales, todėl pagrindiniai jų tipai toliau apžvelgiami išsamiau
Techniškai paprasčiausia naudoti specialiai šiems tikslams skirtus gilaus iškrovimo akumuliatorius. Kompanijos SAFT Sunika serijos Ni-Cd akumuliatoriai tarnauja virš 20 metų, atlaiko iki 3500 įkrovos – iškrovos ciklų, reikalauja minimalios priežiūros, tačiau yra labai brangūs (~ 700 JAV $ - 180Ah , 12V). Plačiausiai paplitę specialūs rūgštiniai gilaus iškrovimo akumuliatoriai (Trojan, Concorde, Solarbloc, Powerbloc ir kt.), atlaikantys 250 – 700 ciklų ir tarnaujantys nuo 3 iki 7 metų. Nuo įprastinių starterinių akumuliatorių jie skiriasi :
Tokių akumuliatorių kaina (~ 400 JAV $ - 350Ah , 12V) yra priimtina išsivysčiusioms šalims, o Lietuvoje ji yra dar per didelė. Be to, dėl mažos paklausos šiais akumuliatoriais Lietuvoje neprekiaujama, o pavienis atvežimas yra pakankamai brangus.
Pigiausi ir prieinamiausi yra įprastinės konstrukcijos rūgštiniai automobiliniai akumuliatoriai. Jų vienos Ah kaina gali būti 4 – 5 kartus mažesnė, lyginant su kitų tipų akumuliatoriais. Didelis jų trūkumas yra tas, kad jie neilgaamžiai. Jų elektrodų plokštelės yra plonos ir turi didelį paviršiaus plotą, pritaikytą iškrovimui per trumpą laiką didelėmis srovėmis. Tuo tarpu fotoelektrinėje iškrova vyksta maža srove ir per ilgą laiką. Norintiems prailginti tokių akumuliatorių darbo amžių, rekomenduojamas mažesnis nei nominalus elektrolito tankis (1,24 vietoje 1,28 g/cm3) ir mažas iškrovos gylis (t.y. akumuliatorius nerekomenduojama iškrauti daugiau kaip iki 0,75 jų nominaliosios įkrovos talpos).
Akumuliatorių įkrovikliai
Akumuliatorių baterija yra gana brangi jėgainės dalis, todėl ją reikia taip eksploatuoti, kad ji kuo ilgiau tarnautų. Akumuliatoriaus darbo amžių trumpina šie faktoriai:
Nuo daugelio šių nepageidautinų faktorių poveikio apsaugo geras akumuliatorių įkroviklis. Šiuolaikiniai įkrovikliai atlieka tokias funkcijas:
Pagal veikimo principą įkrovikliai skirstomi į du pagrindinius tipus: nuosekliojo veikimo ir lygiagrečiojo veikimo. Įkrovęs akumuliatorių, nuosekliojo veikimo įkroviklis automatiškai nustoja krauti akumuliatorių nuolatine srove ir ima jį krauti palaikančiuoju režimu, kai akumuliatorius maitinamas elektroniškai valdomais srovės impulsais, palaikančiais akumuliatorių visiškai įkrautą. Lygiagrečiojo veikimo įkroviklis, kai akumuliatorius įkrautas, perjungia mikroelektrinės srovę į varžinę apkrovą. Išsiskiriančią šilumos energiją galima panaudoti patalpoms arba vandeniui šildyti. Tokio tipo įkrovikliai dagiausiai naudojami vėjo mikroelektrinėse.
Akumuliatorių įkroviklių kaina priklauso nuo jų atliekamų funkcijų skaičiaus, efektyvumo ir galios. Pavyzdžiui, 30A krovimo srovės įkroviklių kainos, priklausomai nuo jų sudėtingumo, svyruoja nuo 600 Lt iki 4 500 Lt; 8A krovimo srovės - nuo 350 Lt iki 750 Lt; profesionalus 90 A įkroviklis, aptarnaujantis 2600 Wp modulyną ir naudojantis savo reikmėm tik 0,2 W, kainuoja iki 10 000 Lt.
Inverteris
Kadangi fotoelektriniai moduliai generuoja nuolatinę srovę, kintamos srovės imtuvams būtinas inverteris. Jis nuolatinės srovės elektros energiją pakeičia į standartinės įtampos ir dažnio kintamosios srovės energiją. Pagal išėjimo įtampos kreivės formą inverteriai skirstomi į tris grupes:
Pirmosios grupės inverteriai yra pigiausi, trečiosios – brangiausi. Pirmosios grupės inverteriai tinka 90% visų elektros energijos imtuvų maitinimui (gali netikti kompiuteriams, lazeriniams spausdintuvams, betransformatoriniams įkrovikliams, kai kuriems televizoriams). Antros ir trečios grupės inverteriai tinka praktiškai visiems imtuvams.
Labai svarbios inverterių charakteristikos yra naudingo veikimo koeficientas n visame galios diapazone ir tuščioje veikoje naudojama galia. Įprastinių, specialiai nepritaikytų saulės ektrinėms, inverterių n= 90% siekia tik esant didelėms apkrovoms, o prie mažų apkrovų dažnai būna n <= 50% . Aukštos klasės STUDER Si 3548(TP) 3 500W inverterio n= 95%, o tuščios eigos galia <= 0,8W visame galios diapazone nuo 0,3 W iki 3500 W, jo išėjimo įtampa - sin 230V +- 3%, 50Hz +- 0,01%.
Daugelis inverterių viename korpuse turi ir akumuliatorių įkroviklį, o išėjimo grandinėje dar ir kintamos srovės kontaktorių. Tai leidžia juos naudoti svarbių kintamosios srovės imtuvų avarinio maitinimo sistemose. Šias sistemas naudoja prie elektros tinklo prijungti vartotojai, kai jiems reikia didelio elektros tiekimo patikimumo. Jei tokia sistema yra, dingus tinklo įtampai, per milisekundėmis matuojamą laikotarpį automatiškai įsijungia kontaktorius ir elektros tiekimas atstatomas iš akumuliatorių baterijos. Pastaruoju metu rinkoje pasirodė fotoelektriniai moduliai su integruotu inverteriu, kuriuos tiesiogiai galima naudoti kintamosios elektros srovės imtuvams maitinti arba be tarpinių grandžių jungti į elektros tinklą.
Inverterio kaina sparčiai kyla didėjant jo galiai, todėl eksploatuojant saulės elektrinę nerekomenduojama vienu metu naudoti kelis pačius galingiausius imtuvus. Tikslinga stengtis kuo daugiau kintamos srovės imtuvų pakeisti nuolatinės srovės imtuvais (pavyzdžiui, apšvietimo sistemą).
Orientacinės sinusinių
inverterių kainos: 150 W – 1000 Lt ; 250W – 1200 Lt ; 400W – 2600 Lt ;
800W – 5800 Lt ; 1200W – 7600W ; 2300W – 10000 Lt ; 3500W – 14000 Lt.
Meandrinio 300W inverterio kaina 500 Lt.
Tinklo inverterių, skirtų sujungti fotoelektrinę jėgainę su energetikos sistemos elektros tinklu, kainos maždaug tokios:
vienfaziai 1500, 2100 ir 2400 W inverteriai – 9 500 Lt , 10 200 ir 17 500 Lt atitinkamai;
trifaziai 10, 14, 26, 40 ir 60 kW – 68 000, 86 000, 130 000, 190 000 ir 270 000 Lt atitinkamai.
Energijos gamybos saulės elektrinėse ypatybės
Saulės elektrinės energetinis produktyvumas ženkliai priklauso nuo paros laiko ir nuo metų laiko (nuo mėnesio). Jeigu diena apsiniaukusi, tą dieną elektros energijos bus pagaminama apie 5-20 kartų mažiau, negu saulėtą dieną. Panašiu santykiu svyruos elektrinės generuojama galia apsiniaukusią dieną su pragiedruliais. Žiemos mėnesiais mūsų šalyje saulės elektrinė pagamins ženkliai mažiau energijos, negu vasaros mėnesiais, nes žiemą dienos trumpos ir dažniausiai apsiniaukusios. 220 Wp saulės mikroelektrinės metinis pagaminamos energijos grafikas priklausomai nuo metų mėnesio pateiktas 4 paveikslėlyje.
4 pav. 220 Wp saulės mikroelektrinės metinis pagaminamos energijos grafikas
Kaip matyti 4 paveikslėlyje, toks metinis pagaminamos energijos grafikas gali gerai tikti tik vasarnamiams ir sodo nameliams. Jeigu reikia daug elektros energijos žiemos mėnesiais, norint įsirengti autonominę elektrinę, galima naudoti vėjo mikroelektrines arba hibridines saulės ir vėjo mikroelektrines.
Apytiksliai skaičiuojant galima priimti, kad kiekvienas įrengtas saulės elektrinės vatas (1 Wp) Lietuvoje per metus pagamins apie 1 kWh elektros energijos.