Saules baterijas (saules paneļi): definīcija, pielietojums un darbības princips

Saules baterijas (saules paneļi) ir ierīces, kas pārvērš saules gaismu tiešā elektrībā un to var izmantot visdažādākajos veidos. Tās jau sen tiek izmantotas situācijās, kad nav pieejama elektriskā enerģija no elektrotīkla, piemēram, attālu teritoriju elektroenerģijas sistēmās, Zemes orbītā riņķojošos satelītos un kosmosa zondēs, patērētāju ierīcēs, piemēram, rokas kalkulatoros vai rokas pulksteņos, tālvadības radiotelefonos un ūdens sūknēšanas sistēmās. Pēdējo gadu laikā saules moduļus arvien biežāk izmanto saules paneļu blokos, kas ar invertora starpniecību pieslēgti elektrotīklam, bieži vien apvienojumā ar neto uzskaiti.

Kas ir saules baterijas un kā tās iedalās

Saules baterijas (fotovolteikas moduļi) sastāv no saules šūnām, kas parasti izgatavotas no silīcija vai plānslāņu materiāliem. Galvenie veidi:

• Monokristāliskie — augsta efektivitāte (parasti ~18–22% mājas paneļos), ilgs darba mūžs un salīdzinoši augsta cena.
• Polikristāliskie — nedaudz lētāki, ar zemāku efektivitāti (~15–18%), labi izmantojami lielāka platuma instalācijām.
• Plānslāņu (thin-film) — viegli un elastīgi, piemēroti lieliem jumtiem vai integrācijai būvēs, bet parasti zemāka efektivitāte (~10–12%).
• Jaunas tehnoloģijas — perovskīta paneļi, bifaciālie moduļi, tandēmpaneļi — pēdējo gadu pētījumi strauji paaugstina efektivitāti laboratorijā.

Darbības princips

Saules šūna darbojas, izmantojot fotoelektrisko efektu: kad gaismas fotoni triecina pusvadītāja materiālu (parasti silīciju), tie izsita elektronu no atomiem, radot elektronu un caurumu pāri. Šiem lādiņiem pārvietojoties elektriskajā laukā, rodas līdzstrāva, kuru var novadīt ārpus šūnas. Lai iegūtu lietojamu maiņstrāvu mājsaimniecībā vai tīklā, izmanto invertorus, kas pārveido līdzstrāvu (DC) maiņstrāvā (AC).

Galvenie pielietojumi

• Neatkarīgas enerģijas sistēmas atsevišķās mājās, lauku ēkās un attālos objektos.
• Komerciālās un rūpnieciskās saules enerģijas stacijas (lielo lauku saules parkos).
• Satelīti un kosmosa zondes, kur saules enerģija ir galvenais enerģijas avots.
• Ikdienas patērētāju ierīces — kalkulatori, pulksteņi, viedierīces un citi mazjaudas risinājumi.
• Ūdens sūknēšanas sistēmas lauksaimniecībā un lauku apgaismojums.
• Integrācija ar elektrotīklu (on-grid) ar neto uzskaiti vai akumulatoru sistēmām (off-grid vai hibrīdrisinājumi).

Komponentes un uzstādīšana

Tipiska saules sistēma sastāv no moduļiem, montāžas konstrukcijām, kabeļiem, aizsardzības elementiem, invertora un, ja nepieciešams, bateriju krātuves. Plānojot uzstādīšanu jāņem vērā:

Novietojums un leņķis — optimāli novietot tā, lai paneļi saņemtu pēc iespējas vairāk tiešās saules (Latvijā bieži izmanto novietojumu uz dienvidiem ar slīpumu aptuveni vienādu vietējai platuma grādam).
• Ēnas — ēna būtiski samazina ražību; pat neliela ēnojuma daļa var ietekmēt visu moduļu virkni, ja tiek izmantoti tradicionālie string-invertori.
• Invertora variants — string, mikroinvertori vai optimizatori; mikroinvertori bieži nodrošina labāku darbību ēnainos apstākļos.
• Drošība un pieslēgums — pareizas zemēšanas, aizsardzības pret pārspriegumu un sertificēta elektrokabeļu pieslēguma nodrošināšana.

Priekšrocības un trūkumi

Priekšrocības: saules enerģija ir atjaunojama, samazina CO2 izmešus, samazina atkarību no fosilā kurināmā, zemas ekspluatācijas izmaksas un ilgs kalpošanas laiks (bieži 25+ gadi pēc ražotāja garantijas).

Trūkumi: saules enerģijas ražošana ir atkarīga no saules stāvokļa un laikapstākļiem (pārejošs raksturs), sākotnējās kapitāla izmaksas var būt augstas, efektivitāte var samazināties karstākos apstākļos, un paneļu ražošana un utilizācija prasa resursus un atbilstošu pārstrādi.

Enerģijas uzkrāšana un integrācija

Lai pārvarētu ražošanas svārstības, saules sistēmas bieži savieno ar akumulatoriem (svina-skābes, litija jonu, redoks-flow u.c.) vai ar tīkla pieslēgumu, izmantojot neto uzskaiti. Hibrīdinvertori ļauj vadīt ražoto enerģiju mājas patēriņam, uzglabāt pāri palikušo enerģiju baterijās vai eksportēt to uz tīklu.

Vides un ekonomiskie aspekti

Saules baterijas palīdz samazināt siltumnīcefekta gāzu emisijas ekspluatācijas laikā, bet to ražošana prasa enerģiju un materiālus. Paneļu utilizācija un pārstrāde kļūst arvien svarīgāka — daļā paneļu ir vērtīgas izejvielas (stikls, alumīnijs, silīcijs, vara savienojumi), bet dažas plānslāņu tehnoloģijas var saturēt elementus, kuriem nepieciešama īpaša apstrāde (piem., kadmijs). Tāpat attīstās iniciatīvas ap aprites ekonomiku un ražošanas CO2 pēdas samazināšanu.

Tendences un nākotne

Fotovoltāžas tehnoloģija turpina attīstīties: paaugstinās moduļu efektivitāte, samazinās izmaksas, attīstās bifaciālie paneļi, uzlabotas sekotāju sistēmas (tracking) un integrēta bateriju uzglabāšana. Pētniecība pievēršas ilgstspējīgākiem materiāliem un pārstrādes risinājumiem, kā arī jaunām šūnu tehnoloģijām (piem., perovskīti), kas var būtiski paaugstināt ražību nākotnē.

Kopsavilkumā, saules baterijas ir viena no galvenajām tehnoloģijām ilgtspējīgas energoapgādes nodrošināšanai. Pareizi projektēta un uzstādīta sistēma spēj būtiski samazināt elektroenerģijas izmaksas un oglekļa emisijas, vienlaikus nodrošinot enerģijas pieejamību gan atsevišķos objektos, gan tīkla mērogā.

Meklēt pēc burta