Apie fotoelektrą

Įžanga

Fotoelektra yra elektros energija, gaunama tiesiogiai iš šviesos energijos naudojant fotoelektrinius keitiklius. Atradus fotoelektros reiškinį pradžioje fotoelektriniai keitikliai buvo naudojami laikrodžiams, kalkuliatoriams ir kitai elektroninei aparatūrai maitinti, didesnės galios – kosminiuose laivuose, o vėliau ir energetikoje – saulės spindulinę energiją tiesiogiai konvertuoti (keisti) į elektros energiją.

Saulė yra pats galingiausias atsinaujinančios energijos šaltinis Žemėje. Apskaičiuojama, kad teorinis metinis pasaulio saulės energijos potencialas sudaro 900 000 000 TWh ir yra apie 60 kartų didesnis už teorinį metinį pasaulio vėjo energijos potencialą, apie 2 200 kartų didesnis už teorinį metinį geoterminės energijos potencialą, apie 4 500 kartų – už biomasės ir apie 36 000 kartų – už hidroenergijos teorinius metinius pasaulio potencialus. Nepaisant tokio didumo, saulės energijos potencialas elektrai ir šilumai gaminti kol kas naudojamas mažiausiai. Tokia padėtis susiklostė neatsitiktinai: pati saulės energija yra išsisklaidžiusi, silpnai koncentruota, o jos parametrai stochastiškai kinta plačiose ribose priklausomai nuo paros ir metų laiko. Dėl šių priežasčių ankstyvesnių galimybių efektyviai naudoti saulės energiją netgi šilumai gaminti nesusidarė.

Kad saulės spindulinę energiją būtų galima pradėti efektyviai naudoti elektrai gaminti tiesiogiai (naudojant tik vieną energijos konversijos pakopą), mokslas ir technologijos turėjo pasiekti pakankamai aukštą lygį. Reikėjo atrasti fotoelektros reiškinį, išrasti ir pakankamai ištobulinti fotoelektrinius keitiklius ir sukurti pakankamai efektyvias iš saulės gautos elektros energijos konversijos technologijas, kurios užtikrintų stabilių standartinių parametrų energijos tiekimą bet kuriuo paros metu. Fotoelektriniai keitikliai buvo išrasti tik prieš 50 metų (1954), tuo tarpu kai ženkliai paprastesnės biomasės kuro deginimo, vandens ir vėjo energijos naudojimo technologijos buvo kuriamos ir naudojamos šimtmečiais ir tūkstantmečiais. Dėl to pastarieji atsinaujinančiosios energijos šaltiniai šiuo metu naudojami kur kas daugiau. Laikui bėgant fotoelektros srityje padaryta didelė pažanga. Per tuos 50 metų, prabėgusių nuo fotoelektrinių keitiklių išradimo, jie buvo labai patobulinti, ženkliai padidėjo jų naudingo veikimo koeficientai, daug kartų atpigo jų gamybos technologijos. Šis procesas sparčiai tęsiasi ir toliau ta pačia kryptimi, todėl neabejojama, kad energijos savikainos srityje saulės elektrinės gana greitai galės konkuruoti su mažosiomis hidroelektrinėmis.

Kaip teigia atsinaujinančiųjų šaltinių energijos technologijų srityje dirbantys mokslininkai, šios rūšies energija gali patenkinti arba visus žmonijos poreikius, arba bent didžiąją jų dalį. Jungtinėje Karalystėje atliktas tyrimas ir paskelbta to tyrimo ataskaita „Energijos kaina” (“The Price of Power”), kurioje teigiama, kad visame pasaulyje iškastinio kuro kontrolė siejama su korupcija ir smurtu, o to kuro deginimas sukelia aplinkos taršą ir nepageidaujamus klimato pokyčius, kurie sudaro dideles kliūtis kovojant prieš skurdą. Anot autorių, pergalės prieš skurdą ir pasaulinį atšilimą paslaptis slypi energijos gamybos pertvarkyme atsinaujinančiųjų energijos šaltinių pagrindu. Pasaulyje šiuo metu gaunama dar tik 13 % energijos iš atsinaujinančiųjų šaltinių, tačiau yra techninis potencialas gaminti 120 kartų daugiau.

1,7 milijardo žmonių pasaulyje dar neturi galimybių pasinaudoti elektros energija ir tai jiems yra pagrindinė kliūtis siekiant išbristi iš skurdo ir pagerinti gyvenimo sąlygas. Ryšium su tuo Jungtinės Tautos dideles viltis sieja su fotoelektra. Paskirstytas ekologiškai švarus elektros energijos generavimas naudojant autonomines saulės ir kitas atsinaujinančiųjų šaltinių elektrines būtų geriausias sprendimas regionuose, kur neišplėtota elektros energetikos infrastruktūra arba jos visiškai nėra. Kad tokias vizijas būtų galima įgyvendinti, pagal ataskaitą „Energijos kaina” reikia ne tiek jau daug: reikėtų perorientuoti didžiulę šiuo metu teikiamą finansinę paramą iškastinio kuro projektams į paramą atsinaujinančiųjų energijos šaltinių projektams. Netgi neypatingai didelės apimties perorientavimas galėtų išgelbėti milijonus gyvybių ir sušvelnintų pasaulinio atšilimo pasekmes. Visa už Sacharos į pietus esanti Afrika galėtų būti aprūpinta energija iš saulės už mažiau, negu 70 % tų lėšų, kurios kasmet pasaulyje skiriamos iškastinio kuro subsidijoms, o vienų metų Pasaulio banko lėšų, skiriamų iškastinio kuro projektams, pakaktų aprūpinti elektra 10 mln. elektros neturinčių žmonių, jeigu tie pinigai būtų skirti mažos galios saulės elektrinėms įrengti. Subsidijos angliai, naftai ir dujoms, kurios kasmet sudaro daugiau kaip 235 milijardų dolerių, iškraipo pasaulio ekonomiką ir stabdo atsinaujinančiosios energijos technologijų vystymąsi. Ataskaitoje remiamas G8 valstybių nutarimas aprūpinti mažiausiai 1 milijardą žmonių atsinaujinančiųjų šaltinių energija iki 2010 m. ir rekomenduojama: panaikinti vyriausybių subsidijas iškastiniam kurui ir branduolinei energijai, pertvarkyti tarptautines finansavimo institucijas bei kredito agentūras ir „dramatiškai” padidinti atsinaujinančiosios energijos projektų finansavimą, iki 2008 m. panaikinti Pasaulio banko subsidijas iškastinio kuro projektams ir per kitą dešimtmetį (iki 2020 m.) švaria energija aprūpinti jau du milijardus planetos gyventojų.

Fotoelektros plėtros perspektyvos

Fotoelektra pasaulio elektros energijos rinkoje kol kas užima dar labai menką dalį. Tačiau prognozuojama, kad įdiegus vien tik jau dabar žinomas inovacijas, padėtis ženkliai pasikeis ir fotoelektros dalis elektros energijos gamyboje bus kur kas didesnė. Jau rasti būdai kaip patobulinti ir atpiginti ne tik silicio kristalinius fotoelektrinius keitiklius, bet ir plonaplėvius bei ypač pigius organinius fotoelektrinius keitiklius. Neseniai rinkoje parduodamų kristalinio silicio fotoelektrinių modulių naudingo veikimo koeficientas buvo apie 12 – 15 %. JAV kompanija „SunPower” 2003 m. gegužės mėnesį paskelbė, kad JAV Nacionalinė atsinaujinančiosios energijos laboratorija (NREL) patvirtino jų gaminamų monokristalinio silicio fotoelektrinių modulių naudingo veikimo koeficientą 20,4 %.

Sparčiai vystosi ir plonaplėvių fotoelektrinių modulių technologijos. Apie 2000 metus Vokietijos mokslinio tyrimo centras ZSW (Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung, Stuttgart) sukūrė plonaplėvių CIGS modulių gamybos technologiją, kurią naudojant labai ženkliai sumažėja šio tipo fotoelektrinių modulių gamybos kaštai ir beveik dvigubai padidėja energijos konversijos efektyvumas. Marbache prie Nekaro (Marbach am Neckar) veikia fotoelektrinių modulių gamykla, kuri šiuo metu serijiniu būdu gamina 30 x 30 cm ploto vario indžio galio selenido (tarptautinė santrumpa – CIGS) modulius. Jų vidutinis efektyvumas – 11,3 % o maksimalus – 12,8 %, bendroji metinė pagamintų fotoelektrinių modulių galia sudaro 1,2 MW. Marbacho gamykloje modulių plotą numatyta padidinti iki 60 x 120 cm. Laikui bėgant gamyba plėsis ir bendroji per metus pagamintų fotoelektrinių modulių galia pasieks 10 MW, o po to ir 50 MW ribą. Tikimasi, kad masinė CIGS modulių gamyba prasidės apie 2006 m. Tuomet plonaplėvio sluoksnio gamybos kaina pasieks planuotą 0,6 Euro/Wp ribą.

Naujausi mokslo pasiekimai rodo, kad FEM naudingumo koeficientas jau netolimoje ateityje gali būti dar didesnis ir siekti bent jau 50%. Saulės elementų efektyvumas priklauso nuo daugelio priežasčių, iš kurių viena svarbiausių yra kuo didesnis saulės šviesos spektro panaudojimas. 2002 metais JAV Nacionalinėje Lawrence Berkeley laboratorijoje Kim Man Yu ir Wladek Walukewicz iš Medžiagų mokslo skyriaus kartu su bendradarbiais išbandė medžiagą, kuri gali duoti žymiai didesnį saulės elementų naudingo veikimo koeficientą. Ta medžiaga – indžio galio nitridas (InGaN). Keičiant indžio ir galio koncentraciją atskiruose saulės elemento sluoksniuose galima labai tiksliai sureguliuoti sugeriamos fotonų energijos kiekį. Naujoji medžiaga idealiai tinka saulės elementų gamybai. Iš šios medžiagos pagaminti daugiajungčiai (multijunction) fotoelektriniai keitikliai su keliais skirtingais sluoksniais turėtų sugerti visų šviesos spektro bangų energiją, todėl manoma, kad jų efektyvumas turėtų būti apie 50% ar netgi didesnis. 2004 metais tie patys mokslininkai ištyrė dar vienos naujos medžiagos tinkamumą fotoelektriniams keitikliams gaminti – cinko mangano telūro lydinį (ZnMnTe) ir nustatė, kad vienajungtis iš šios medžiagos pagamintas fotoelektrinis keitiklis gali priimti visą saulės spektrą. Taigi, šis keitiklis su paprasčiausia vienasluoksne struktūra gali turėti naudingo veikimo koeficientą iki 57 %, kai šiuo metu naudojamų fotoelektrinių modulių efektyvumas yra 2-3 kartus mažesnis.

Kai RA = (begalybei), apkrovos srovė IA = 0. Šiuo atveju turime FEM tuščiosios veikos režimą, kai generuojama elektrovara Uo. FEM voltamperinių charakteristikų taškai 1,2,3 (2 pav.), kuriuose apkrovos galia pasiekia didžiausią vertę, vadinami suderintojo darbo režimo taškais. Šie taškai turi įdomią savybę: kai FEK dirba suderintuoju darbo režimu, jo vidinė varža yra lygi apkrovos varžai RA. FEM vidinė varža kinta priklausomai nuo apšvietos E.

Organiniai fotoelektriniai keitikliai buvo išrasti 1986 m., tačiau jų naudingo veikimo koeficientas sudarė tik apie 1 % ir toks išliko apie 15 metų. Šie keitikliai gaminami iš specialių polimerų spausdinimo arba užpurškimo būdu. Tokiu būdu galima sukurti visiškai naujo tipo labai pigius, lengvus, lanksčius didelio ploto fotoelektrinius keitiklius, kuriuos galima užnešti ant plėvelių. Fotoaktyviosios plėvelės storis sudaro tik apie 100 nanometrų. Šių keitiklių pagrindu tikimasi sukurti naujas ir labai pigias saulės energijos konversijos technologijas. Šiemet Siemens’o (nuo 2001 m. jų fotoelektros sektorių valdo Shell Solar) mokslininkai paskelbė, kad jiems pavyko padidinti organinių fotoelektrinių keitiklių naudingo veikimo koeficientą nuo 3 iki daugiau kaip 5 % . Jų darbo amžius prieš saulę kol kas siekia keletą keletą tūkstančių valandų. Prognozuojama, kad ateis laikas, kai šis amžius pailgės iki dešimties tūkstančių valandų, kas atitinka maždaug 10 metų, o jų naudingo veikimo koeficientas padidės iki 10 %. Panašūs rezultatai pasiekti ir Princeton’e, JAV. Juos pasiekė Peter Peumans ir prof. Stephen Forrest bedradarbiaudami su Japonijos mokslininku Soichi Uchida. Jie sukūrė fotoelektrinį keitiklį iš organinės medžiagos, savo sandaroje turinčios mažų molekulių su anglies atomais. Mokslininkai mano, kad kai bus pasiekta komercinė jų gamybos stadija, šių organinių fotoelektrinių modulių naudingo veikimo koeficientas sieks nuo 5 iki 10 %. Organiniai fotoelektriniai keitikliai gali būti gaminami įvairių spalvų ir naudojami kaip patrauklūs architektūriniai elementai. Taip pat jie gali būti skaidrūs ir naudojami langams. Manoma, kad organiniai fotoelektriniai moduliai gali sukelti revoliuciją fotoelektros pramonėje, nes bus labai pigūs, lengvai įrengiami ir daug kur naudojami.

Vidutinės metinės saulės spindulinės energijos ekspozicijos vidurkis Europoje yra labai artimas Lietuvos vidurkiui ir sudaro apie 1000 kWh/m2 (apie ekvatorių – 2000 – 2500 kW/m2 per metus). Nepaisant to, fotoelektrai Europos Sąjungos direktyvose skiriama didelė reikšmė. 2020 m. vien tik ES-15 (senosiose ES šalyse) iš šio šaltinio numatoma pagaminti 42 TWh elektros energijos, kas sudarytų apie 5 % nuo visos ES pagamintos elektros ir apie 25 % nuo visame pasaulyje iš saulės pagamintos elektros.

Fotoelektros plėtra visame pasaulyje labiausiai susijusi su fotoelektrinių modulių kainomis. Kurį laiką po jų išradimo kristalinio silicio FEM lyginamoji kaina buvo labai didelė. 1976 m. ji siekė apie 60 $/Wp, o po to ženkliai ir gana sparčiai mažėjo iki maždaug 3 – 4 $/Wp (minimali kaina) šiuo metu. Prognozuojama, kad šis procesas tęsis dar ilgai (2010 m prognozuojama 1,6 $/Wp, o 2020 – 0,9 $/Wp). Mažėjant FEM kainoms, sparčiai didėja jų gamyba ir pardavimas. 1 lentelėje pateikti duomenys rodo fotoelektros plėtros proceso spartą pasaulyje. Europos fotoelektros pramonės asociacijos duomenimis 2020 m.1 % pasaulyje pagamintos elektros energijos bus fotoelektra (1 lentelė), o 2040 m. – ji sudarys jau 26 %. Žiūrint į šią lentelę palyginimui galima prisiminti, kad Ignalinos AE įrengtoji galia yra 3 GW.

1 lentelė. Prognozuojama fotoelektros plėtros pasaulyje dinamika

Metai Lyginamoji FEM modulių kaina Saulės elektrinių įrengtoji galia Energijos gamyba Pasaulio elektros energijos poreikių dalis
$/Wp GWp TWh %
1991 8 0,4 0,3
2000 4 1,8 1,4
2010 1,6 25 18,75 0,1
2020 0,9 276 207 1
2040 0,3-0,5 9 113 6 840 26
Saulės elektrinių, vėjo, kombinuotų jėgainių projektavimas, montavimas, priežiūra: +370 688 54 876, +370 37 478021
Kontaktai

UAB "Saulės Energija"
Skambinkite telefonu:
+370 (688) 54 876,
+370 (37) 478021
Rašykite: edmundaszilinskas@gmail.com

Rekvizitai:
Įmonės kodas: 120795386
PVM kodas: LT100000878010

Tarptautiniai projektai
Kaip mus rasti?