Alternatyvioji energija
5 (100%) 1 vote

Alternatyvioji energija

Projektinis darbas

„Alternatyvioji energija“

Saulės Energija

Saulės galybė

Tik truputį daugiau kaip per 8 minutes saulės spinduliai, nuskrieję 150 milijonų kilometrų, pasiekia žemės paviršių. Didžiąją dalį saulės spindulių sudaro trumposios (bangų ilgis 0,3 – 3,0 mm) elektromagnetinės bangos. Apie 35 proc. šios energijos Žemė atspindi atgal į kosmosą, o likusioji dalis sunaudojama žemės paviršiui šildyti, išgarinimo-kondensacijos ciklui, bangoms jūrose, oro ir vandenynų srovėms bei vėjui atsirasti. Lietuvoje vidutinis metinis spindulinės energijos kiekis, krentantis į horizontalų paviršių, yra apie 1000 kWh/m2. Per parą į horizontalų 1 m2 paviršių tokios energijos kiekis birželio mėnesį siekia 5,8 kWh, o sausį 0,55 kWh. 1840-1900 val. per metus saulė šviečia pajūryje, o šalies rytiniame pakrašty tik 1700 valandų.

Didėjant organinio kuro suvartojimui pasaulyje, didėja ir atmosferos užterštumas CO2. Jo kiekis atmosferoje yra beveik 25 proc. didesnis negu prieš šimtą metų. Išsivysčiusiose pasaulio šalyse dedama daug pastangų sumažinti CO2 išsiskyrimą ir atitolinti ekologinę katastrofą. Vienas kelių šiam tikslui pasiekti – kuo plačiau naudoti saulės energiją.

Energetika, pagrįsta atsinaujinančiais energijos šaltiniais, jų tarpe ir saulės, yra reali ir perspektyvi. Pasipriešinimas branduolinės energijos naudojimui kasdien didėja, organinio kuro ištekliai labai netolygiai išsidėstę pasaulyje, o Lietuvoje jų beveik nėra. Todėl naudoti saulės energijos įrenginius yra būtina. Vienas paprasčiausių būdų – saulės viryklių ir krosnių naudojimas maistui gaminti. Daugelyje pasaulio vietovių saulės gėlintuvais gėlinamas vanduo, saulės džiovyklose džiovinami įvairūs maisto produktai.

Dabar saulės energija daugiausia paverčiama šiluma ir elektra (žr. 1 pav.).

Pasaulyje ir Lietuvoje saulės energija plačiausiai naudojama vandeniui ir pastatams šildyti. Panagrinėkime, kaip saulės energiją galima versti į šiluminę. 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. Fokusuojančiuose saulės kolektoriuose saulės spinduliai patenka į išgaubtą veidrodinį paviršių, nuo kurio atsispindėję koncentruojasi ant absorberio su šilumos nešėju ir sušildo jį iki vidutinių ir aukštų temperatūrų.

Šie saulės kolektoriai priima tik tiesioginę saulės spinduliuotės dedamąją, o nepriima sklaidžiosios, kuri mūsų platumose gali sudaryti iki 40 proc. visos spinduliuotės. Tai – didžiausias jų trūkumas. Kad toks koncentratorius efektyviai veiktų, būtina įrengti sekimo sistemą. Daug paprastesni ir pigesni, sugeriantys visą patenkančią spinduliuotę, yra plokštieji kolektoriai. Jų sudėtinės dalys yra šios:

a) skaidri apsauginė danga (stiklas, organinis stiklas, plastmasinės plėvelės) trumpabangiams Saulės spinduliams praleisti ir sulaikyti infraraudoniesiems, taip pat apsaugoti šilumą sugeriančią plokštę nuo atmosferos poveikio. Stiklas yra geras šviesos laidininkas, ilgaamžis, tačiau sunkus ir neatsparus smūgiams. Skaidrios plastmasės yra lengvos ir nebrangios, bet veikiamos ultravioletinių spindulių po kelerių metų darosi mechaniškai nepatvarios, be to, jos neatsparios ir aukštoms temperatūroms;

b) saulės energiją sugerianti plokštė (absorberis) paverčia saulės spindulinę energiją šiluma ir perduoda šilumos nešėjui. Absorberiui tinkamiausios medžiagos yra varis, aliuminis, įvairių rūšių plienas. Absorberį galima pagaminti iš juodų plastmasinių vamzdžių išdėstant juos lygiagrečiai tam tikru atstumu vienas nuo kito arba iš vieno ilgo vamzdžio, susukant jį į plokščią spiralę. Toks kolektorius net ir apsiniaukusią dieną gali duoti nors ir nedaug, bet reikiamos temperatūros karšto vandens. Absorbuojančios plokštės paviršinis, dengiamasis sluoksnis turi gerai sugerti trumpųjų bangų spinduliavimą ir mažai išspinduliuoti ilgąsias bangas. Tam naudojamos selektyvios dangos, kurios padengiamos galvaniniu, cheminiu ar mechaniniu būdu. Selektyvioms dangoms tinkamiausios cheminės medžiagos yra amonio sulfatas, nikelis, cinkas ir kt. Pats paprasčiausias ir pigiausias padengimo sluoksnis kol kas yra juodi dažai;

c) šilumos izoliacija, neprarandanti savybių iki 80-100oC ir nesugerianti drėgmės, dedama po saulės energiją sugeriančia plokšte. Norint sumažinti šilumos nuostolius spinduliavimu, izoliacija dažnai dengiama aliuminio folija;

d) saulės kolektoriaus korpusas gaminamas iš plieno, aliuminio, plastmasių arba medienos.

Plokštieji kolektoriai sugers per metus maksimalų energijos kiekį (400 – 550 kWh/m2), jei bus orientuojami pietų kryptimi, o optimalus kolektoriaus polinkis į horizontą bus apie 45o.

Naudojant plokščiuosius kolektorius vandeniui šildyti buitiniams reikalams jų plotas vienam žmogui turėtų siekti 1,0–1,5 m2. Tokio Lietuvoje pagaminto kolektoriaus su selektyvine danga kaina būtų 500–700 Lt/m2.

Vasarą plaukymo baseino vandeniui šildyti naudojami
absorberiai be apsauginės skaidrios dangos ir korpuso. Absorberiai paprastai konstruojami iš ultravioletiniams spinduliams atsparių plastmasių, gumos ar metalų. Tokioje sistemoje baseino vanduo yra šilumos akumuliatorius. Šiuo atveju nebūtina įrengti ir šilumokaitį. Geriausias saulės kolektoriaus polinkio į horizontą kampas yra 30-45o. Viso reikalingo komplekto kaina – 300–400 Lt vienam m2 baseino ploto. Kasmet apie 35 000 m2 jų yra įrengiama Anglijoje, Vokietijoje, Olandijoje. 2 pav. parodytas pastatas su saulės kolektoriais ir fotoelementais ant nuožulnios sienos.

Be šių dviejų saulės kolektorių tipų, naudojami stikliniai vakuuminiai kolektoriai. Šiuo metu pasaulyje gaminamų plokščiųjų vakuuminių kolektorių naudingumo koeficientas yra didesnis už plokščiųjų ir siekia 60 procentų. Tačiau jų kaina yra didesnė už plokščiuosius. Vakuuminio kolektoriaus darbo temperatūra siekia iki 200oC. Vakuumas labai sumažina šilumos nuostolius dėl konvekcijos ir šiluminio laidumo. Vakuuminių saulės kolektorių svarbiausia ypatybė ta, kad vamzdis, kuriame cirkuliuoja šilumos nešėjas, yra vakuume.

Realiai plokščiuosius saulės kolektorius galima naudoti dviejų tipų vandens šildymo sistemose. Tai sistemos su natūralia ir priverstine šilumos nešėjo cirkuliacija. Esant natūraliai cirkuliacijai, akumuliuojančio rezervuaro apačia vidutiniškai būna 0,3-0,5 m aukščiau už viršutinį kolektoriaus tašką. Vanduo tokioje sistemoje cirkuliuoja dėl skirtingo karšto ir šalto vandens tankio, vandens lygis bake palaikomas plūdiniu vožtuvu.

Esant priverstinei cirkuliacijai kolektoriaus ir rezervuaro tarpusavio padėtis gali būti bet kokia, nes vandenį varinėja periodiškai veikiantis siurblys. Kai temperatūra viršutinėje kolektoriaus dalyje tampa aukštesnė negu akumuliaciniame bake, elektroninis reguliatorius įjungia siurblį. Tokioje sistemoje gali būti sumontuotas rezervinis elektrinis kaitintuvas ar vanduo bake esant reikalui pašildomas ir iš katilinės. Sistema su priverstine cirkuliacija brangesnė, nes jai įrengti būtini papildomi įrenginiai. Norint tokias sistemas naudoti ir žiemą reikalingas šilumokaitis, o sistemą būtina pripildyti neužšąlančio skysčio.

Lietuvoje yra tik keletas vandens šildymo saulės kolektoriais sistemų, kurių plotas apie 100 m2. Padedant Danijos energetikos agentūrai ruošiamasi įgyvendinti pavyzdinį projektą saulės kolektoriais šildyti vandenį Kačerginės vaikų sanatorijoje.

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. Absorberiai juose gali būti plokšti ir ovaliniai, rifliuoti, korėto ar poringo paviršiaus bei kitokių formų – priklausomai nuo gamybai naudojamos medžiagos. Saulės kolektoriuose, kurie montuojami ant gamybinių pastatų stogų ar sienų, dažnai absorberiai būna statybinės konstrukcijos. Neseniai buvo sukurti ir pradėti naudoti plėveliniai saulės kolektoriai. Vasarą tokio kolektoriaus našumas siekia iki 200 kWh/m2. Jie atsiperka greičiau kaip per 2 metus.

Plačiai paplitę kilnojami saulės kolektoriai. Jų paprasta konstrukcija, nesudėtinga gamyba, naudojamos nebrangios medžiagos. Švedijoje daugiau kaip 200 000 m2 saulės kolektorių džiovina daržinėse sukrautas gėrybes.

Tą patį galima pasakyti ir apie medienos džiovinimą, nes paprastai nukirstas apvalus miškas laikomas atvirose miško aikštelėse, kur natūraliai padžiovinamas ir parduodamas vartotojams. Tačiau neretai vartotojui patenka ir šviežiai nukirsta mediena, kurios drėgmė yra apie 50 procentų. Medieną galima būtų džiovinti saulės džiovyklose. Jos turėtų būti įrengtos iš pigių vietinių statybinių medžiagų, paprastos konstrukcijos, lengvai surenkamos ir išardomos.

Po pirmosios energetinės krizės Europos Sąjungos šalyse suintensyvėjo saulės energijos naudojimas. 1980 m. saulės kolektorių plotas jau siekė 300 000 m2. Šiuo metu jis viršija 3,3 mln. m2.

Pagrindinė Europoje gaminamų saulės kolektorių (apie 90 proc.) paskirtis yra šildyti vandenį. Kolektorių sistemos gali paversti šiluma nuo 35 proc. iki 45 proc. visos gaunamos per metus saulės energijos. Sistemos efektyvumas labai priklauso nuo kolektoriaus tipo, temperatūros skirtumo tarp kolektoriaus ir aplinkos, saulės spinduliuotės, sistemos vamzdynų, izoliacijos ir šilumos akumuliavimo galimybių.

Saulės energija naudojama ir pastatų šildymo sistemose, kurios skirstomos į pasyviąsias, aktyviąsias ir mišrias. Bet kokia šildymo sistema turi įvykdyti tris pagrindines funkcijas: sugerti ir paversti saulės radiaciją šiluma; akumuliuoti šilumą, nes saulės radiacija nepastovi, per parą kinta; paskirstyti šilumą, t.y. tiekti norimą kiekį šiluminės energijos į šildymo zonas.

Pasyviosiose šildymo sistemose šios trys funkcijos yra atliekamos spontaniškai, vykstant natūraliems procesams. Jose gali būti naudojami įvairūs šilumos nuostolius mažinantys elementai: slankiojančios ir susisukančios užuolaidos, ekranai, reguliuojantys vožtuvai ir t.t. Jeigu sistemoje šilumos cirkuliacijos intensyvumui didinti yra naudojamas ventiliatorius arba siurblys, tai tokia sistema yra vadinama mišria.

Aktyviosiose
sistemose visos trys minėtos funkcijos atliekamos skirtingomis priemonėmis. Šiluminė energija iš sugėrimo zonos į akumuliatorių arba vartotojui yra perduodama šilumos nešėju.

Pasyviojoje šildymo sistemoje saulės energiją maksimaliai išnaudoti galima tik tinkamai parinkus pastato vietą, formą ir jo orientaciją pasaulio šalių atžvilgiu, taip pat pritaikius šios šildymo sistemos konstrukcinius elementus.

Pasyviąsias šildymo sistemas galima skirstyti į sistemą su tiesioginiu saulės šildymu ir į sistemą “masyvioji siena”.

Esminis tiesioginės saulės šildymo sistemos ypatumas – tinkamas langų orientavimas į pietus. Įprastas lango stiklas labai gerai praleidžia saulės spindulius, kurių bangos ilgis yra nuo 0,4 iki 3 mm, bet praktiškai nepraleidžia infraraudonųjų spindulių (bangos ilgis apie 10 mm), kuriuos skleidžia patalpoje esantys kūnai. Tai gerai žinomas šiltnamio efektas, kuriuo remiamasi įrengiant įvairias pasyviąsias šildymo sistemas. Kambario viduje turėtų būti tamsūs, sugeriantys saulės spindulius paviršiai, gerai akumuliuojantys šilumą ir turintys didelį šiluminį talpumą. Tam labai tinka betoninės grindys, dengtos tamsiomis plytelėmis. Šilumos absorbavimui pagerinti naudojami ir patalpų viršutiniai langai. Tais atvejais galinė kambario siena tampa irgi šilumos akumuliatoriumi ir gali perduoti šilumą kambariui šiaurės pusėje.

,,Masyviosios sienos” saulės šildymo sistema – tai stora (0,2-0,4 m) šilumai laidi siena iš akmenų, plytų, betono ir apsaugota nuo išorės poveikių vienu ar dviem stiklo sluoksniais. Saulės spinduliai sugeriami juodai dažyto arba selektyvine danga padengto sienos paviršiaus. Šyla pastato siena ir šildo orą, esantį tarp sienos ir stiklo. Oras plečiasi, lengvėja, prasideda termosifoninė oro cirkuliacija pro sienos viršuje ir apačioje įrengtas angas, kurios uždaromos suvienodėjus šildomos patalpos ir sienos temperatūroms. Optimalų 0,1-0,15 m atstumą tarp stiklo ir sienos padidinus iki 2 ir daugiau metrų, tokią patalpą (dar vadinamą žiemos sodu) galima naudoti ne tik įvairiems augalams auginti, bet ir šildyti už jos įrengtoms patalpoms (žr. 3 pav.). Perteklinei šiluminei energijai kaupti galima naudoti akumuliatorius (tai gali būti paprastos statinės su vandeniu), kurie padeda išlyginti patalpos oro temperatūros svyravimus. Tinkamai suprojektavus ir įrengus tokią šildymo sistemą, Lietuvoje galima sutaupyti 10-30 proc. pastato šildymui reikalingos šilumos.

Saulės energiją galime tiesiogiai versti elektra. Tai atliekama puslaidininkiuose. Jei į 1 cm2 fotoelementą krinta 100 mW šviesos srautas, galima gauti 10-18 mW elektros galią. Šiuo metu pramoninės gamybos fotoelementų efektyvumas siekia 13-15 proc., o eksperimentinių pavyzdžių – 30 procentų. Saulės elementai gali būti formuojami bet kokiame puslaidininkyje. Daugiausia paplitę silicio saulės elementai, nes gerai ištirtos jo fizinės ir technologinės charakteristikos. Saulės elementai gali būti gaminami iš monokristalinio, polikristalinio bei amorfinio silicio.

Saulės elementams gali būti naudojami galio arsenidas (GaAs), indžio fosfidas (InP), kadmio telūridas (CdTe). GaAs saulės elementai savo parametrais pralenkia monokristalinio silicio saulės elementus, nes jų didesnė įtampa, stipresnė absorbcija, todėl galima naudoti plonesnį sluoksnį. GaAs brangus, todėl dažniausiai naudojamas tik kosmose ir eksperimentinėse sistemose su koncentratoriais. Tokių laboratorinių pavyzdžių efektyvumas siekia 28 procentus.

Daugiau kaip prieš dešimtį metų pradėti tyrimai, siekiant surasti organinę medžiagą, kuri būtų jautri saulės šviesai ir tiktų saulės elementų gamybai. Dauguma organinių medžiagų trumpaamžės ir mažai efektyvios. Tačiau jau pavyko sukonstruoti saulės elementus, kurių efektyvumas siekia 10 proc. ir veikimo laikas ne mažesnis kaip 10 metų. Jų šviesos absorbcija ir krūvių separavimas yra atskirti. Saulės šviesą sugeria chemiškai absorbuotas organinio dažo monosluoksnis – fotoelektrocheminis elementas. Tikimasi, kad pramoniniu būdu gaminant šiuos elementus jų instaliuoto galingumo 1 W kaina būtų apie 0,6 dolerio.

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.

Pasaulyje yra daugiau kaip pusšimtis firmų, gaminančių tokius modulius.

Pagrindinės modulių taikymo sritys yra šios: žemės ūkis (vandens pumpavimas); kaimo ir nuošalių vietovių elektrifikacija; vandens gėlinimo įrenginiai; apšvietimas; signalizacijos ir telekomunikacinės sistemos; elektros jėgainės.

Moduliai naudojami stogo ir sienų konstrukciniuose elementuose (2 pav.) ir privalo būti atsparūs drėgmei, šalčiui, estetiški. Tokie moduliai vis labiau populiarėja Europoje. Vokietija, Austrija, Šveicarija yra paskelbusios “1000 stogų” programas, kuriose valstybė įsipareigoja remti individualių namų savininkus, įsirengusius fotoelektrines saulės jėgaines. Nepaisant fotoelektros naudojimo privalumų, platų jos pritaikymą stabdo gan didelės pagamintos elektros energijos kainos.

Lietuvoje fotoelektrinė saulės energija bent kiek plačiau dar netaikoma. Tačiau
darbai jau vykdomi. Lietuva turi pramoninę bazę – mikroelektronikos įmonę AB “Vilniaus Venta”, kurioje išplėtotos technologijos, yra aukštos kvalifikacijos mokslininkų ir inžinierių. Lietuvoje buvo sukonstruoti ir gaminami saulės elementai, kurių vidutinis efektyvumas siekė 14 procentų.

Realiai šiuo metu saulės energiją galima naudoti tik šiluminiams tikslams – įrengti saulės kolektorius vandeniui, patalpoms šildyti ir žemės ūkio produkcijai džiovinti. Nesant skatinimo ir rėmimo naudoti saulės kolektorius vandeniui šildyti ekonomiškai neapsimoka. Pradėti tyrimai norint pagrįsti saulės energijos naudojimą patalpoms šildyti. Tačiau realiai veikiančių šildymo sistemų kol kas neturime.

Du energetikos augimo pavojai

1. Visa šiuolaikinės civilizacijos didybė – prekių įvairovė ir gausa, transporto ir ryšių priemonės, kosmoso užkariavimas, galimybė daugeliui žmonių užsiimti mokslu, kultūra, menu ir t.t. – tai vis milžiniško energijos kiekio gamybos ir vartojimo pasekmė.

Žmonės, gyvendami ne Saulės energija, kaip augalai ir gyvūnai, eikvoja tas angliavandenilių atsargas (naftą, dujas, anglis, skalūnus), kurias biosfera sukaupė per šimtus milijonų metų. Mes gausiai eikvojame neatsikuriančiąsias atsargas ir visų mūsų likimas priklauso nuo to srauto, kuriuo šios atsargos išgaunamos iš Žemės gelmių į jos paviršių. Ir jeigu vieną kartą jis baigsis, jeigu naftos ir dujų atsargos išseks, tai kartu su tuo sustos automobiliai ir lėktuvai, traukiniai, gamyklos, nutruks energijos tiekimas ir iškils visos su tuo susijusios bėdos. Sustos ne tik pramonės gamyba, bet ir kris žemės ūkio produkcija, nes ir jis aprūpinamas dirbtine energija, kuria varomos žemės ūkio mašinos, gaminamos trąšos ir t.t. Palikime visas tas nelaimes ir krizes, kurios kilt&o lash; pritrūkus energijos, įsivaizduoti rašytojams ir fantastinių filmų kūrėjams…

Mums tuoj pat paprieštaraus, kad senkančios angliavandenilinio kuro atsargos (žr. lent.) ilgainiui bus pakeistos branduoliniu kuru, kad jau veikia greitųjų neutronų reaktoriai, kad ne už kalnų ir valdoma termobranduolinė reakcija. O visa tai reiškia neribotą energijos išteklių atsiradimą – tada žmonija visada galės gaminti energijos tiek, kiek jai jos reikės.

Žinoma, šiame teiginyje nemažai tiesos. Išties, greitųjų neutronų reaktoriai daug kartų padidins žmonijos potencinius branduolinės energijos išteklius. Taip pat galima sutikti, kad ir valdoma termobranduolinė sintezė kada nors atsidurs žmonių rankose. Tačiau tikra ir tai, kad pavojų kelia ne Saulės kilmės energijos gamybos kiekis.

2. Žemė iš Saulės gauna nepaprastai daug energijos ir kartu išsaugo kone pastovią temperatūrą. Vadinasi, beveik tiek pat energijos Žemė išspinduliuoja atgal į kosmosą. Pajamos ir išlaidos turi būti subalansuotos, antraip sistema netektų pusiausvyros. Žemė arba įkaistų, arba užšaltų ir virstų planeta be gyvybės.

Šiuo metu Jūs matote 30% šio straipsnio.
Matomi 2745 žodžiai iš 9087 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.