Fotovoltaika (PV) - tai elementų, kuriuose yra fotovoltinės medžiagos, masyvai, saulės spinduliuotę arba saulės energiją paverčiantys nuolatinės srovės elektros energija. Dėl didėjančios atsinaujinančiųjų energijos šaltinių paklausos pastaraisiais metais saulės elementų ir fotovoltinių matricų gamyba gerokai pažengė į priekį, o jų kaina sumažėjo.

Saulės fotovoltinė energija sparčiai auga - nuo nedidelės bazės iki 130 000 MW pasaulinės galios 2013 m. pabaigoje. Daugiau nei 100 šalių naudoja saulės fotovoltinę energiją. Įrenginiai gali būti montuojami ant žemės (kartais integruojami su žemės ūkiu ir ganyklomis) arba įmontuojami į pastato stogą ar sienas.



Kaip veikia fotovoltaika?

Fotovoltinis efektas yra pagrindinis principas: saulės šviesa (fotonai) pataiko į puslaidininkinį elementą (dažniausiai silicio), išmuša elektronus ir sukuria judančią krūvio srovę. Kiekvienas atskiras saulės elementas generuoja žemą įtampą (DC). Keli elementai sujungiami į modulius (saulės plokštes), o moduliai – į sistemas, kurių galia atitinka reikalingą poreikį.

Pagrindinės fotovoltinės sistemos sudedamosios dalys

  • Saulės elementai (cells) – pagrindiniai fotovoltiniai komponentai, kuriuose vyksta energijos konversija.
  • Moduliai (panels) – keli elementai sujungti į vienetą su apsaugine stiklo ir rėmo konstrukcija.
  • Matrica arba lauko sistema (array) – keli moduliai sujungti didesnei galią generuoti.
  • Inverteris – keičia nuolatinę srovę (DC) į kintamąją (AC), tinkamą namų ūkiams ir elektros tinklui.
  • Montavimo konstrukcija – stogų arba žemės rėmai, leidžiantys optimizuoti kampą ir kryptį.
  • Baterijų saugykla (nebūtina) – kaupikliai, leidžiantys kaupti pagamintą energiją nakties ar debesuotumo metu.

Technologijų tipai

  • Monokristalinis silicis – aukštesnio efektyvumo, gerai veikia esant ribotai vietai.
  • Polikristalinis (multikristalinis) silicis – dažnai pigesnis, šiek tiek mažesnis efektyvumas.
  • Plonos plėvelės (pvz., CIGS, CdTe) – lengvesnės ir lankstesnės, tinka BIPV (integracija į pastatu).
  • Perovskito ir kitos naujos medžiagos – pažangios, pasižymi sparčiu efektyvumo augimu, bet reikalauja tolesnio vystymo dėl stabilumo ir ilgaamžiškumo.

Panaudojimo sritys

  • Namų ir komerciniai stogai – tiek mažos, tiek didesnės instaliacijos.
  • Didelės komercinės ir vartotojų elektrinės (utility-scale) – žemėje montuojamos saulės fermos.
  • BIPV (Building Integrated Photovoltaics) – plokštės, integruotos į fasadus, stogus ar langų sistemas.
  • Off-grid sprendimai – nuotolinėse vietovėse be elektros tinklo, kartu su baterijomis.
  • Hibridiniai sprendimai – su vėjo ar dyzeliniais agregatais, dažniausiai įmonėse ar salose.
  • Nešiojamieji sprendimai – stovyklavimui, laivams, elektriniams įrankiams.

Privalumai

  • Švari, atsinaujinanti energija be tiesioginių CO2 išmetimų eksploatacijos metu.
  • Nuslopinamos eksploatacijos sąnaudos po įrangos įsigijimo.
  • Galimybė sumažinti elektros sąskaitas ir tapti energijos nepriklausomu (ypač su saugyklomis).
  • Greitas diegimas ir modulinis išplėtimas pagal poreikį.

Iššūkiai ir apribojimai

  • Intermitentiškumas – energijos generacija priklauso nuo saulės, todėl reikia saugojimo arba tinklo sinchronizacijos.
  • Efektyvumas – dalis saulės spindulių neišnaudojama; technologijos nuolat gerėja, bet vietos ir sąnaudų apribojimai išlieka.
  • Priklausomybė nuo vietovės sąlygų – šešėliai, geografinė platuma ir orai lemia pagaminamą energiją.
  • Žemės naudojimo klausimai – didelės saulės fermos užima plotą, tačiau derliaus su žemės ūkiu praktikos (agrivoltaika) gali sumažinti konfliktus.
  • Atliekų tvarkymas – reikalingos technologijos ir infrastruktūra saulės modulių perdirbimui ir atliekų mažinimui.

Ekonomika ir paskatos

Per pastaruosius metus fotovoltikos kaina ženkliai sumažėjo. Investavimo grąža priklauso nuo modulių kainos, montavimo išlaidų, vietinių elektros tarifų bei valstybės paskatų (subsidijos, parama, tarifų struktūros, mokesčių lengvatos). Daugelis šalių teikia finansinę paramą arba supaprastintą prijungimą prie tinklo, kad paskatintų namų ūkius ir verslus diegti PV sistemas.

Priežiūra ir tarnavimo laikas

Saulės moduliai paprastai tarnauja 25–30 metų ar daugiau. Reguliari priežiūra apima paviršiaus valymą nuo dulkių ir lapų, periodinę elektros instaliacijos patikrą ir inverterių priežiūrą. Daugeliui modulių gamintojų suteikiama darbo ir efektyvumo garantija.

Aplinkos poveikis ir tvarumas

Nors fotovoltaika generuoja energiją be vietinių emisijų, reikia atsižvelgti į gamybos ir perdirbimo poveikį. Šiuolaikinės praktikos stengiasi mažinti naudojamų medžiagų toksiką, gerinti modulių perdirbamumą ir diegti ilgaamžes sistemas. Agrivoltaika (fotovoltika derinama su žemės ūkiu) gali padėti išnaudoti teritoriją efektyviau ir sumažinti žemės naudojimo prieštaras.

Ateities tendencijos

  • Efektyvumo kėlimas ir naujos medžiagos (pvz., perovskitai) leidžia mažinti kaštus ir didinti galimybes.
  • Baterijų kaupimo plėtra leis dar labiau sumažinti intermitentiškumo problemą.
  • Skaitmeninimas ir valdymo sistemos gerins energijos paskirstymą ir integraciją su tinklu.
  • Platesnis BIPV ir integruotų sprendimų naudojimas miestuose ir naujuose pastatuose.

Fotovoltaika jau šiandien yra vienas pagrindinių atsinaujinančios energetikos komponentų ir, derinant technologijų pažangą su tinklų modernizavimu bei saugyklomis, vaidins dar svarbesnį vaidmenį pereinant prie žemesnio anglies dioksido kiekio energetikos sistemos.