Saules enerģijas izmantošanas iespējas Latvijā

1. Saules enerģijas izmantošanas iespējas Latvijā Fizikālās Enerģētikas Institūts Enerģijas resursu laboratorija Laboratorijas vadītājs Akad., Prof., Dr.habil.sc.ing. Pēteris Šipkovs

2. Latvijas Republika nav bagāta ar dabiskajiem energoresursiem - ap 70% energoresursu tiek importēti, tāpēc vietējo un atjaunojamo energoresursu plašākas izmantošanas veicināšanai ir sevišķi būtiska nozīme Latvijas apstākļos. Ņemot vērā prasības samazināt vides piesārņojumu, Kioto protokola ietvaros, pasaules valstīm ir izvirzīta prasība nākotnē pakāpeniski pāriet uz atjaunojamiem enerģijas avotiem, tai skaitā uz elektroenerģijas ieguvi, izmantojot saules elementus (PV). Arī Latvijai Eiropas Parlamenta un Padomes direktīvas 2009/28/EK (23.04.2009) par atjaunojamo energoresursu izmantošanas veicināšanu ietvaros izstrādāta mērķprogramma līdz 2020. gadam bruto enerģijas galapatēriņā palielināt no AER saražotas enerģijas daudzumu līdz 40%.

3. Primāro resursu piegādes struktūra un atjaunojamo resursu daļa Galvenie AER, kas tiek plaši izmantoti, ir koksne un hidroresursi, bez tam tiek izmantota arī vēja enerģija un atkritumi. AER daļa primāro energoresursu patēriņā ir pieaugusi no 30,42% (2001.) līdz 30,90 % (2010.), galvenokārt pateicoties koksnes resursu plašākai izmantošanai, kas augusi vidēji par 3% gadā.

4. Atjaunojamo energoresursu izmantošanas struktūra 2009. g. Pieaugošais pieprasījums pēc enerģijas, fosilā kurināmā krājumu trūkums, kā arī vides piesārņojums un globālās klimata pārmaiņas pēdējos gados pasaulē radīja pastiprinātu interesi par atjaunojamiem resursiem. Atbalsts atjaunojamo resursu izmantošanai ir kļuvis par svarīgu Latvijas attīstības koncepcijas sastāvdaļu.

5. Saules enerģijas izmantošanas veidi Pasaules vajadzība pēc enerģijas ir pamatojusies uz saules enerģiju. Visi fosilie kurināmie (nafta, gāze, ogles) būtībā ir pārvērsta saules enerģija. • pasīva saules enerģijas izmantošana (ēku novietojums, speciālo materiālu izmantošana, kuri labi absorbē saules radiāciju); • saules starojuma izmantošana saules kolektoros; • saules starojuma pārveidošana tiešā elektriskajā enerģijā (PV – saules baterijas); • saules starojuma izmantošana Saules Enerģijas Stacijās (saule → tvaiks → tvaika turbīna → elektrība). • hibrīdās saules sistēmas – kolektors & baterija; • saules siltuma izmantošana aukstumapgādē (siltums → termiski darbināms dzesēšanas process → aukstais ūdens).

6. Globālā saules radiācija Saules radiācijas ilgums un intensitāte ir atkarīga no gadalaika, klimatiskiem apstākļiem un ģeogrāfiskā stāvokļa. Gada globālais starojums uz horizontālas virsmas saules joslas reģionos var sasniegt 2200 kWst/m². Ziemeļeiropā saules starojuma maksimālais lielums ir 1100 kWst/m². Reāli, ņemot vērā siltuma pārvadi un lietderības koeficientu, 400 – 450 kWst/m ². Latvijā tas arī atšķiras pa reģioniem. Saules spīdēšanas karte

7. Saules enerģijas potenciāls Latvijā

8. Saules radiācija Latvijā

9. Mēneša un gada vidējās globālās saules radiācijas lielumi uz horizontālas plāksnes kWst/m² Ziemeļeiropā Atkarībā no atrašanās vietas gada globālais starojums uz horizontālas virsmas Baltijas jūras valstīs var mainīties robežās no 900 līdz 1100 kWh/m², turklāt 80% no tā sastāda vasaras laikā.

10. Saules enerģijas SEG izmešu samazinājums Izmeši un piesārņojums, kas rodas no fosilā kurināmā sadedzināšanas, izraisa SEG izmešus un skābos nokrišņus. Pašlaik izmantojamie enerģijas avoti ir arī ierobežoti, tāpēc šo problēmu risinājums varētu būt plašāka saules enerģijas izmantošana, lietojot pasīvās un aktīvās saules enerģijas izmantošanas sistēmas. Saules enerģijas aktīvās izmantošanas gadījumā saules radiācijas enerģija tiek pārvērsta elektroenerģijā ar saules elementu PV vai siltumenerģijā ar saules kolektoru palīdzību.

11. Saules kolektori Saules kolektori ir tehniskas iekārtas, kuras absorbē saules starojumu, pārvēršot to siltumenerģijā, ko pēc tam saņem patērētāji – karstā ūdens sagatavošanai un uzglabāšanai akumulatorā, telpu apkurei, peldbaseinu apsildīšanai, lauksaimniecības produktu žāvēšanai u.c. Kolektoru konstrukcija, dizains, izmantotie materiāli, lietderības koeficients un efektivitāte ir visdažādākie un atkarīgi no ražotājiem.

12. Saules kolektora uzbūveSaules kolektori iedalās: plakanie un vakuumcauruļu 4 1 2 3 5 Saules kolektors sastāv no kolektora apvalka (1), absorbera (2), siltumizolācijas (3) un caurspīdīgas virsmas – parasti stikla (4). Apvalkā novietotas caurules (5), pa kurām plūst siltuma nesējs. Tas varētu būt ūdens (ūdens ziemas laikā jāizlaiž no sistēmas), etilenglikols (indīgs), propilēnglikols – nav indīgs, vai citi antifrīzi.

13. Vakuuma cauruļu saules kolektors • Vakuumcauruļu savienojums ar kolektoru un nelielais ūdens tilpums kolektorā nodrošina īpaši augstu darbības drošību. • Lai nodrošinātu maksimālu saules enerģijas pārvēršanu siltumā, kolektorā katru cauruli var pagriezt optimāli pret sauli un līdz ar to palielināt enerģijas izmatošanu. Augsti efektīva kolektora korpusa siltumizolācija samazina siltuma zudumus.

14. Apkures un siltā ūdens apgādes sistēma Saules starojuma enerģija iziet cauri kolektora stikla virsmai, tiek uztverta absorberā un pārveidota siltuma enerģijā. Iegūtā siltuma enerģija tiek izmantota caur kolektoru plūstošā siltuma nesēja (ūdens vai antifrīzs) uzsildīšanai. Kolektori konstruēti tā, lai enerģija tiktu uztverta un izmantota pēc iespējas lietderīgi. Šādu energosistēmu lietderības koeficients ir apmērām 75%. Sistēma sastāv no sekojošiem mezgliem: • saules kolektoriem, • akumulācijas tvertnes, • izplešanās tvertnes, • vadības bloka un • cirkulācijas sūkņa.

15. Saules kolektori privātmājām Izmantojot saules enerģiju vasaras sezonā, naftas produktu, gāzes vai elektriskos katlus var neizmantot, tāpēc, ka saules sistēma var saražot visu nepieciešamo silto ūdeni. Saules enerģijas sistēma var būt savienota ar naftas produktu, malkas vai gāzes katlu, elektrisko apkuri, izmantojot kopējo akumulācijas tvertni.

16. Saules kolektoru izmantošana Saules kolektoru izmantošana Latvijā, kā parādīja eksperimentālie pētījumi veiktie FEI, ir iespējama ar labiem rezultātiem. Saules radiācijas enerģiju Latvijā var izmantot 1700-1900 stundas gadā. Saules globālā radiācija mūsu platuma grādos mainās atbilstoši laika sezonām no maija līdz septembrim no 1 m² saules kolektora var iegūt 700-740 kWst/m², no oktobra līdz aprīlim – 200-240 kWst/m², no novembra līdz februārim - 40-50 kWst/m². Trīs - četru cilvēku ģimenei pietiek ar 5 - 6 m² saules kolektoriem. Plakano kolektoru izmaksas kopā ar automātiku – aptuveni Ls 2000 – 2500 bez uzstādīšanas izmaksām. Uzturēšanas izmaksas pirmos piecus gadus varbūt 1% no kopējām izmaksām. Ņemot vērā, ka saules kolektori dod iespēju segt līdz 70% karstā ūdens ikgadējā patēriņa ģimenes mājai un apmaksa par karstā ūdens sagatavošanu patērētāju rēķinos, kopsummā no mājas saimniecības izmaksām ieņem lielu salīdzinoši daļu (no 10 – 20%), saules enerģijas izmantošana var dot ievērojamu naudas ietaupījumu.

17. 12 1 1. Saules kolektors 2. Caurules 3. Katls (boilers) 4. Siltummainis 5. Papildsildītājs (elektriskais) 6. Cirkulācijas sūknis 7. Vadības iekārta 8. Termometrs 9. Izplešanās trauks 10. Spiediena ventilis 11. Gravitācijas reduktors 12. Gaisa noplūdes ventilis 2 10 11 9 7 5 4 6 8 3 Dzīvojamā mājā ar kombinēto siltumapgādes sistēmu • Saules kolektorus var izmantot dažādās kombinētās sistēmās: • Saules kolektori + biomasas katls (granulu, brikešu u.c.); • Saules kolektori + gāzes vai dīzeļdegvielas katls; • Saules kolektori + siltumsūkņi u.c.

18. Nosacījumi, kuri padara saules kolektoru izmantošanu pievilcīgāku un piemērotāku: • Augsts siltā ūdens patēriņš vasaras laikā. Tas ietver dzīvojamās ēkas un tādas iestādes, kā slimnīcas, viesnīcas un kempingi, sporta un vasaras nometnes, u.c. • Energoresursu cenu paaugstināšanās tendence. • Notiek plaša jauno ēku celtniecība, kurās jau no arhitektoniskā viedokļa var tikt izmatotas saules enerģijas iekārtu uzstādīšanai un kurās saules kolektorus un PV baterijas varētu iemontēt celtniecības laikā. • Daudzas ēkas tagad remontē vai atjauno un notiek siltumsistēmas renovācija, kurās var integrēt solārās sistēmas.

19. Saules kolektoru salīdzinājums (kWh/m2gadā)

20. Saules enerģijas izmatošanas piemēri Latvijā • Aizkrauklē realizēts pirmais lielākais saules kolektoru projekts Baltijā ar kopējo saules kolektoru platību 155 m ² – uz ģimnāzijas jumta 35 m ² un uz katlumājas 120 m ². • Iecavas internātskolā (9,2 m ²). Saules kolektori nodrošina silto ūdeni un paralēli darbojas arī granulu katls, nodrošinot ēkas apkuri un siltā ūdens sagatavošanu. • Saules kolektori uzstādīti Īslīces SOS bērnu ciematā, kopā ar saules baterijām (PV). • Saules kolektori uzstādīti arī Valmieras Valsts ģimnāzijā 6 m², kopā ar PV, galvenokārt skolēnu apmācībai.

21. Saules kolektori uz Aizkraukles novada ģimnāzijas jumta un Aizkraukles katlu mājas jumta

22. Saules kolektori Iecavas internātskolā Kombinācijā ar koka granulu katlu, kurš darbojas automātiskā režīmā.

23. Saules kolektori Īslīces SOS bērnu ciematā

24. Saules kolektori un PV Valmieras ģimnāzijā

25. Saules kolektoru uzstādītā jauda Eiropā 2010.g. Saules kolektori ir videi draudzīgākais enerģijas ieguves veids, jo netiek radīts nekāds piesārņojums: ne ķīmiskais, ne fizikālais, ne radiācijas un pat ne estētiskais. Tāpēc saules kolektoru izmantošana kļūst populārāka ES valstīs saules kolektoru uzstādītā jauda 2010.g. ir 50 kWth/1000 iedzīvotāju, bet 2007.g. bija 27 kWth/1000 iedzīvotāju.

26. FEI saules kolektoru un saules bateriju izmēģinājumu poligons Pašlaik uz FEI jumta izveidots saules kolektoru un saules bateriju izmēģinājumu poligons, kurā ietilpst labākie firmas “Viessmann” izstrādātie kolektori, mūsu pašu firmu “Energi-R”, ‘’AVA-Termo’’ kolektori, kā arī firmas “Buderus” ražotie kolektori un citu firmu kolektori, lai salīdzinātu to jaudas un izmaksas, kā arī darbību Latvijas apstākļos. FEI poligonā uzstādītas saules baterijas, lai noteiktu to darbības efektivitāti Latvijā. Bez tam poligonā uzstādīta jaunākā hidrometeoaparatūra, kā arī saules radiācijas un iradiācijas un citas mēriekārtas.

27. PV sistēma, kura seko Saulei Laika novērošanas sensori Kolektoru sistēma Laboratorija PV sistēma pievienota tīklam

28. Mēriekārtas FEI poligonā: • Piranometrs – saules radiācijas mērīšanas iekārta; • Saules spīdēšanas ilguma mērīšanas iekārta; • Radiācijas mērītājs – ieejošās un izejošās radiācijas mērīšanas iekārta; • Pirheliometrs – tiešā saules izstarojuma mērīšanas iekārta; • Pirgeometrs – infrasarkanā saules starojuma mērīšanas iekārta; • Saules enerģijas izmantošanas sistēma silta ūdens iegūšanai; • Datu apkopošanas komplekts no saules kolektoriem ar programmnodrošinājumu; • Automātikas komplekts saules kolektoru sistēmai ar 16 ieejām un 8 izejām; • Metroloģiskā stacija u.c.

29. Saules baterijas (PV) Saules baterijas ir otra veida sistēma, kura tiek pielietota saules enerģijas izmantošanai. Saules bateriju (Photovoltaic) pamatā ir solārās šūnas - elektriskās sistēmas ierīces, kas Saules enerģiju pārvērš elektrībā. Šūnas ir visbiežāk zilā vai melnā krāsā, segtas ar neatstarojošu pārklājumu, kas uzlabo gaismas absorbēšanu. Solārās šūnas spēj pievadīt elektrību akumulatoru baterijām, sūknim vai nodot elektrotīklam, tās apkopotas solārajā panelī, kas iekapsulēts stiklā vai plastikātā. Panelis lielākoties tiek ietverts alumīnija ietvarā. Solārā moduļa ģenerētās enerģijas daudzums atkarīgs no tā virsmas, moduļa efektivitātes, novietojuma pret Sauli un Saules radiācijas.

30. PV uzbūve Fotoelements sastāv no plāna plākšņveida n tipa pusvadītāja, kas ir ciešā kontaktā ar biezāku p tipa pusvadītāju. Uz pusvadītāju saskarvirsmu rodas p – n pāreja. Apakšējā elementa virsma noklāta ar metāla kontaktu, parasti alumīnijs. Lai nodrošinātu Saules gaismas nokļūšanu uz n tipa pusvadītāju, tā virsmu noklāj ar tīklam līdzīgu metāla kontaktu. Fotoelements vēl ir pārklāts ar antireflektējošu slānīti, kas novērš gaismas atstarošanos no fotoelementa.

31. Procesi, kuri notiek fotoelementā

32. PV baterijas Pašlaik PV bateriju ražošanā tiek izmantoti dažāda veida solārās šūnas, kurām ir dažādi lietderības koeficienti: • Monokristaliskie (Si) – 12-15 %; • Polikristaliskie (Si) – 11-14 %; • amorfie – 6-7 %; • kadmija telurīds (CdTe) – 7-8%.

33. PV darbība PV baterijas ražo līdzstrāvu, ko pēc tam nepieciešams pārvērst maiņstrāvā - šim nolūkam izmanto inventorus, kā arī enerģijas uzkrāšanai izmanto akumulatorus, tāpat nepieciešama arī automātika. Var izmantot dažādas PV slēgumu shēmas.

34. Saules bateriju izmantošanas sistēmas: Autonomā sistēma: 1- saules paneli; 2 - konrolieris; 3 – akumulators; 4 - patēriņš

35. Pievienota tīklam sistēma : 1- saules paneli; 2 - invertors; 3 – el. tīkls; 4 - patēriņš

36. Rezerves sistēma: 1- saules paneli; 2 - invertors; 3 – akumulators; 4 - el. tīkls; 5 - patēriņš

37. Saules baterijas jeb PV (photovoltaics) sākotnēji uzskatīja par samērā eksotisku tehnoloģiju, ko pielietoja galvenokārt kosmosā vai ļoti attālos apvidos. Tomēr 20. gadsimta pēdējā desmitgadē strauji pieauga šo tehnoloģiju izmantošana elektroenerģijas ražošanā, un ir parādījušās perspektīvas nākamo 20 gadu laikā samazināt PV tehnoloģiju izmaksas un panākt vēl lielāku to izplatību. Statistika rāda, ka laika posmā no 1990.-2000. gadam PV izaugsme bijusi vidēji 20% gadā, pēc 1997. gada sasniedzot pat 30%. Plānots, ka šī tendence saglabāsies arī turpmāk. Līdz 2000. gadam kopējā uzstādīto PV jauda pasaulē tika rēķināta ap 1000 MWp (iegūtās solārās enerģijas mērvienība) un šobrīd attīstītajās valstīs vairāk nekā pusmiljons mājokļos tiek izmantota PV iegūtā elektroenerģija.

38. FEI arī veic fundamentālos pētījumus par organisko materiālu izmantošanu saules bateriju (PV) izstrādei. Institūtā tiek izstrādāti jauni organisko saules elementu paraugi, kuri spēj pārvērst no saules nākošo gaismas enerģiju elektriskā enerģijā ar lielāku efektivitāti, nekā patreiz pasaulē esošajiem labākajiem optoelektroniskajiem elementiem, saules starojuma 330-800 nm spektra diapazonā. Veikti darbi šo elementu lietderības koeficientu tuvināšanai, lai būtu ekonomiski izdevīgi tos ieviest rūpnieciskajā ražošanā un izmantot kā alternatīvu esošajiem dārgajiem silīcija optoelektroniskajiem elementiem. Ar silīcija saules elementiem teorētiski iespējams iegūt lietderības koeficientu 28 – 30 %. Ar organiskajam - 60 - 80 %. Organiskie saules elementi attīstīsies pēc 2020 – 2030 g.

39. Kopējā PV uzstādītā jauda Eiropas jaunajās dalībvalstīs 2010.gadā 2007.gadā PV pasaulē uzstādīta jauda bija 2 513 MW un 2010. – 16 629 MW.

40. Saules bateriju (PV) izmantošana Latvijā Saules baterijas tiek izmantotas Latvijā: • Elektroenerģijas ražošanai; • uz bākām un bojām Baltijas jūrā; • ielu apgaismojumam u.c. Saules baterijas var izmantot elektrotīklam pievienotās vai autonomās sistēmās (autonomās sistēmas parasti papildina dīzeļa ģeneratora vai vēja spēkstacijas ražotu elektroenerģiju, kas var būt aktuāli lauku apvidos, atpūtas mājās u.c.). Iespējas ir plašas, piemēram, Saules akmens – Swedbankas galvenā ēka u.c. objekti, jaunās Bibliotēkas ēka.

41. Elektroenerģijas tarifu struktūra (Ls/kWh) bez PVN 0,08030 Sistēmas pakalpojumi Obligātās iepirkuma komponentes Elektroenerģija 0,03292 0,03292 0,05100 0.01559 0,01170 0,00563 0,03568 0,02978 Līdzšinējā tarifa struktūra Jaunā regulēto tarifu struktūra

42. Saules enerģijas izmantošanas svarīgākie faktori Latvijā: • energoresursu cenu pieaugums ir aktuāla problēma, tāpēc saules enerģija varētu būt laba alternatīva; • saules kolektoru izmantošana, kā parādīja eksperimentālie pētījumi, ir iespējama ar labiem rezultātiem. Saules enerģija jāizmanto karstā ūdens sagatavošanai vasaras periodā, jo karstā ūdens pieprasījuma nosegšanai visu gadu ir nepieciešams kombinēt ar tradicionāliem siltumenerģijas iegūšanas veidiem, tas savukārt palielina kapitālieguldījumus un ekspluatācijas izmaksas; • saules enerģija nepiesārņo dabu. 20 gadu laikā 1 m² saules kolektoru novērš līdz 3 t CO2 kaitīgo izmešu; • relatīvi ilgs kalpošanas laiks – 25-30 gadi (nolietojas automātika, sūkņi) un zemas ekspluatācijas izmaksas. • saules enerģija Latvijā pašlaik nevar konkurēt ar citiem enerģijas veidiem augsto izmaksu dēļ (pašreizējās siltuma enerģijas cenas, salīdzinot ar saules enerģijas izmantošanas iekārtām, ir 2,5-3 reizes mazākas), tomēr saules enerģijas resursi Latvijā ir pietiekami tās praktiskai izmantošanai.

43. Paldies par uzmanību! Prof., Dr.habil.sc.ing., LZA īst.loc. Pēteris Šipkovs Fizikālās Enerģētikas institūta Enerģijas resursu laboratorijas vadītājs Aizkraukles iela 21, Rīga, LV-1006, Latvija Tel./Fax: + 371 67 553537 E-mail- shipkovs@edi.lv http:/www.innovation.lv/fei http:/www.lza.lv/scientists/shipkovs.htm