Concentrated PV (CPV) sistemos: ar jos tinkamos Lietuvai ir Baltijos šalių regionui?

Saulės energetikos sektorius nuolat ieško naujų sprendimų, kurie leistų efektyviau išnaudoti saulės spinduliuotę. Vienas tokių technologinių sprendimų – koncentruotos fotovoltinės (CPV) sistemos, kurios naudoja lęšius ar veidrodžius saulės šviesai sukoncentruoti ant mažų, bet itin efektyvių fotoelementų. Šios sistemos žada aukštesnį efektyvumą nei tradicinės saulės elektrinės, tačiau ar jos tinka Lietuvos ir kitų Baltijos šalių klimato sąlygoms?

Kaip veikia CPV technologija ir kuo ji skiriasi nuo įprastų saulės elektrinių

Koncentruotos fotovoltinės sistemos veikia pagal gana paprastą principą – optiniai elementai (dažniausiai Fresnelio lęšiai) sukoncentruoja saulės šviesą 100-1000 kartų ir nukreipia ją ant mažų, bet labai efektyvių daugiasluoksnių fotoelementų. Šie fotoelementai gaminami iš III-V grupės puslaidininkių, tokių kaip galio arsenidas (GaAs), ir gali pasiekti 40-46% efektyvumą laboratorijos sąlygomis.

Pagrindinis skirtumas nuo tradicinių silicio saulės baterijų – CPV sistemos turi sekti saulę. Jos naudoja dviejų ašių sekimo sistemas, kurios užtikrina, kad koncentratoriai visada būtų nukreipti tiesiai į saulę. Be to, šios sistemos efektyviai veikia tik su tiesioginiu saulės spinduliuotės komponentu – difuzinė šviesa, kuri atsiranda debesuotomis dienomis, neprisideda prie energijos gamybos.

Kitas svarbus aspektas – aušinimas. Kadangi ant fotoelementų patenka labai koncentruota šviesa, jie stipriai kaista. Todėl CPV sistemos turi turėti efektyvų aušinimo sprendimą, dažniausiai pasyvų radiatorių arba aktyvų vandens aušinimą.

Baltijos šalių klimato ypatumai ir jų poveikis CPV efektyvumui

Lietuvos, Latvijos ir Estijos klimatas kelia rimtų iššūkių CPV technologijai. Pagrindinė problema – santykinai mažas tiesiogiojo saulės spinduliuotės kiekis. Mūsų regione vyrauja jūrinis klimatas su dažnais debesimis, rūkais ir krituliais, o tai reiškia, kad didžioji dalis saulės energijos pasiekia žemės paviršių kaip difuzinė spinduliuotė.

Statistikos duomenys rodo, kad Lietuvoje tiesiogioji saulės spinduliuotė sudaro tik 35-45% bendros saulės energijos, palyginti su 60-80% sausose pietų regionuose. Vasaros mėnesiais, kai saulės spinduliuotė intensyviausia, dažni trumpalaikiai lietūs ir debesų masyvai gali drastiškai sumažinti CPV sistemų našumą.

Be to, žiemos mėnesiais saulės kampas virš horizonto yra labai mažas – gruodžio mėnesį Vilniuje saulė pakyla tik iki 7-8 laipsnių. Tokiomis sąlygomis net ir giedromis dienomis saulės spinduliuotė turi praeiti per storą atmosferos sluoksnį, o tai sumažina tiesiogiojo komponento intensyvumą.

Ekonominiai aspektai: investicijos, eksploatacijos kaštai ir atsipirkimas

CPV sistemų ekonomika Baltijos šalyse atrodo problematiška. Šių sistemų pradinės investicijos yra 2-3 kartus didesnės nei tradicinių saulės elektrinių. Vieno kilovato CPV sistemos kaina svyruoja nuo 3000 iki 5000 eurų, palyginti su 800-1200 eurų už tradicines saulės baterijas.

Eksploatacijos kaštai taip pat aukštesni. Sekimo sistemos turi judančių dalių, kurios reikalauja reguliaraus techninio aptarnavimo. Optiniai elementai turi būti reguliariai valomi – net mažas dulkių ar sniego sluoksnis gali drastiškai sumažinti sistemos efektyvumą. Žiemos mėnesiais, kai ant lęšių užšąla ledas arba prisninga sniego, sistema gali visiškai nustoti veikti.

Atsipirkimo laikas Lietuvos sąlygomis siekia 15-20 metų, palyginti su 8-12 metų tradicinėms saulės elektrinėms. Tai reiškia, kad CPV sistemos ekonomiškai nekonkurencingas sprendimas mūsų regione, ypač atsižvelgiant į tai, kad technologijos vystosi sparčiai ir per tokį laikotarpį gali atsirasti daug efektyvesnių sprendimų.

Technologiniai iššūkiai šiaurės klimato sąlygomis

Šiaurės klimatas kelia specifinius techninius iššūkius CPV sistemoms. Pirmiausia, temperatūros svyravimai nuo -25°C žiemą iki +30°C vasarą reikalauja ypač patvarių medžiagų ir konstrukcijų. Optiniai elementai turi išlaikyti savo tikslumą visose temperatūrose, o tai techniškai sudėtinga.

Drėgmės poveikis taip pat reikšmingas. Kondensatas ant lęšių gali smarkiai sumažinti sistemos efektyvumą, o šerkšno susidarymas žiemą gali sugadinti optinius elementus. Reikia specialių anti-kondensacinių dangų ir šildymo sistemų, o tai dar labiau didina kaštus.

Vėjo apkrovos – dar vienas svarbus faktorius. CPV sistemos turi dideles plokštumas, kurios veikia kaip burės stipraus vėjo metu. Baltijos regione, kur vėjai gali siekti 25-30 m/s, reikia ypač tvirtų konstrukcijų ir patikimų sekimo sistemų, kurios galėtų atlaikyti tokias apkrovas.

Sniego krūvis žiemą gali būti kritinis. Jei sekimo sistema nesugebės „nupurtyti” sniego arba jis užšals ant lęšių, sistema gali būti nepasiekiama kelis mėnesius. Reikia papildomų šildymo sistemų arba mechaninio valymo įrangos.

Alternatyvūs sprendimai ir jų tinkamumas Baltijos regionui

Atsižvelgiant į CPV sistemų trūkumus, Baltijos šalims geriau tinka keletas alternatyvių sprendimų. Pirmiausia, šiuolaikinės monokristalinio silicio saulės baterijos su PERC technologija pasiekia 20-22% efektyvumą ir puikiai veikia su difuzine šviesa. Jos nereikalauja sekimo sistemų ir yra daug patikimesnės.

Bifacialinės saulės baterijos, kurios gali generuoti energiją iš abiejų pusių, ypač efektyvios žiemą, kai sniegas atsispindi nuo žemės paviršiaus. Šios sistemos gali padidinti energijos gamybą 10-20%, o tai iš dalies kompensuoja mažesnę saulės spinduliuotę žiemos mėnesiais.

Hibridiniai sprendimai, sujungiantys saulės baterijas su vėjo energija, gali būti ypač tinkami Baltijos regionui. Kai saulės energijos trūksta (debesuotomis dienomis), vėjo energija gali kompensuoti šį trūkumą. Tokios sistemos užtikrina stabilesnę energijos gamybą per metus.

Agrovoltinės sistemos, kur saulės baterijos montuojamos virš žemės ūkio pasėlių, leidžia efektyviai naudoti žemę ir generuoti energiją. Tokios sistemos gali būti ypač aktualios Lietuvoje, kur žemės ūkis yra svarbi ekonomikos šaka.

Ateities perspektyvos: kada CPV galėtų tapti patraukliu sprendimu

Nors šiuo metu CPV sistemos nėra optimalus sprendimas Baltijos šalims, ateityje situacija gali keistis. Technologijų plėtra gali padaryti šias sistemas ekonomiškai patrauklesnes ir techniškai tinkamesnes mūsų klimatui.

Vienas perspektyvių krypčių – hibridinės CPV sistemos, kurios gali veikti ir su difuzine šviesa. Mokslininkai dirba su specialiais optiniais elementais, kurie gali sukoncentruoti ne tik tiesiogiąją, bet ir dalį difuzinės spinduliuotės. Jei tokia technologija bus sukurta, CPV sistemos galėtų tapti konkurencingos ir debesuotose šalyse.

Kitas svarbus aspektas – kaštų mažėjimas. Jei CPV sistemų gamyba taps masiškesnė, jų kaina gali smarkiai sumažėti. Ekspertai prognozuoja, kad per ateinančius 10-15 metų CPV sistemų kaina gali sumažėti 50-70%.

Klimato kaitos kontekste CPV sistemos gali tapti aktualesnės, jei Baltijos regione padidės saulėtų dienų skaičius. Kai kurie klimato modeliai rodo, kad ateityje mūsų regione gali sumažėti debesuotumas ir padidėti tiesiogioji saulės spinduliuotė.

Praktiniai patarimai ir rekomendacijos energetikos sektoriui

Šiuo metu Lietuvos ir kitų Baltijos šalių energetikos sektoriui rekomenduojama sutelkti dėmesį į kitas saulės energetikos technologijas. Vietoj CPV sistemų investicijos turėtų būti nukreiptos į:

Aukšto efektyvumo tradicines saulės baterijas – šiuolaikinės monokristalinio silicio baterijos su PERC ar TOPCon technologijomis yra patikimas ir ekonomiškas sprendimas. Jų efektyvumas nuolat didėja, o kainos mažėja.

Energijos kaupimo sistemas – baterijų technologijos sparčiai tobulėja, o jų integravimas su saulės elektrinėmis leidžia efektyviau naudoti pagamintą energiją. Tai ypač aktualu žiemos mėnesiais, kai saulės energijos gamyba sumažėja.

Išmaniuosius energijos valdymo sprendimus – dirbtinio intelekto ir IoT technologijų naudojimas gali padidinti saulės elektrinių efektyvumą 5-10%. Tokie sprendimai gali prognozuoti oro sąlygas ir optimizuoti energijos gamybą bei vartojimą.

Vyriausybės lygmeniu svarbu formuoti palankią politiką tradicinėms saulės elektrinėms, o ne investuoti į eksperimentines technologijas, kurios dar nėra subrendusios mūsų klimato sąlygoms. Subsidijos ir mokesčių lengvatos turėtų būti nukreiptos į sprendimus, kurie gali duoti greitą ir patikimą rezultatą.

Mokslo ir plėtros srityje verta stebėti CPV technologijų raidą, bet ne investuoti į jų komercinį diegimą. Galima dalyvauti tarptautiniuose tyrimuose ir palaikyti ryšius su technologijų kūrėjais, kad ateityje, technologijoms subrendus, būtų galima greitai jas adaptuoti.

Realybės patikra: kodėl šiandien geriau rinktis tradicinius sprendimus

Apibendrinant galima teigti, kad CPV sistemos šiuo metu nėra tinkamas sprendimas Lietuvai ir Baltijos šalių regionui. Mūsų klimato sąlygos – dažni debesys, mažas tiesiogiojo saulės spinduliuotės kiekis, žiemos šerkšnas ir sniegas – daro šias sistemas neefektyvias ir neekonomiškas.

Praktika rodo, kad regionai, kuriuose CPV sistemos sėkmingai veikia – Ispanija, Kalifornija, Čilės Atakamos dykuma, Australijos centrinės dalys – pasižymi visiškai kitokiu klimatu. Ten vyrauja saulėtos dienos, mažas debesuotumas ir stabili temperatūra. Bandymas pritaikyti tokias technologijas Šiaurės Europoje būtų panašus į bandymą auginti tropikinius vaisius lauke Lietuvoje.

Vietoj to, Baltijos šalys turėtų sutelkti dėmesį į sprendimus, kurie realiai veiks mūsų sąlygomis. Tradicinės saulės baterijos, kombinuojamos su vėjo energija ir energijos kaupimo sistemomis, gali užtikrinti patikimą ir ekonomiškai efektyvų atsinaujinančios energijos šaltinį.

Tai nereiškia, kad reikia visiškai atsisakyti CPV technologijų stebėjimo. Technologijos vystosi, ir ateityje gali atsirasti sprendimų, tinkamų ir mūsų klimatui. Tačiau šiandien protingiausia investuoti į patikrintus, veiksmingus sprendimus, kurie gali realiai prisidėti prie šalies energetikos nepriklausomybės ir klimato tikslų įgyvendinimo.

Energetikos sektorius turi būti pragmatiškas – geriau turėti veikiančią tradicinę saulės elektrinę nei neveikiančią pažangią CPV sistemą. Ypač dabar, kai kiekvienas žingsnis link energetikos nepriklausomybės yra strategiškai svarbus.

Į viršų