Žinoma, išnaudoti saulės teikiamą energiją nėra taip paprasta. Lengviausia ją pasiimti šildymui – saulėkaitoje pastatytas objektas sušyla, taip galima netgi pasišildyti vandens namų reikmėms. Neblogai saulės energija minta ir augalai – keli procentai energijos, kuri pasiekia lapus, pavirsta chemine energija augalui gaminant gliukozę. Bet norėdami patys pasigaminti elektros energijos turime naudotis sudėtingesniais mechanizmais.
Bene seniausiai žmonių praktikuojamas saulės energijos panaudojimo būdas – medienos (biomasės) deginimas. Skamba keistai, nes įprastai to nevadiname saulės energetika, bet žvelgiant iš fizikinio požiūrio taško tai yra visiška tiesa: medis auga, naudodamas saulės energiją, o žmonės medį vėliau sudegina ir gauna iš jo šilumos.
Lygiai taip pat saulės energija panaudojama ir deginant akmens anglis ar naftą – medžiagas, susidariusias iš gyvų organizmų. Tik šie saulės energijos panaudojimo būdai turi didelę problemą: juos degindami, su kadaise sukaupta energija išlaisviname ir kartu sukauptus anglis.
Nemažai jų patenka į atmosferą kaip anglies dioksidas ir prisideda prie šiltnamio efekto – nuolatinio vidutinės pasaulio temperatūros didėjimo. Ir puikiai žinome, kad tai siutina Gretą ir milijonus jaunų žmonių, kartais net politikus. Be to, šiltnamio efektas sukelia daugybę nemalonių ar net katastrofiškų padarinių: nuo sausrų ir gaisrų iki padažnėjusių potvynių ir kitokių kataklizmų. Taigi žmonija vis labiau stengiasi pakeisti energijos išgavimo procesus į tokius, kurie kuo mažiau išmestų anglies dioksido.
Vienas iš jų yra saulės elementų naudojimas elektrai gaminti. Saulės elementu vadiname prietaisą, kuris saulės šviesos energiją paverčia elektros energija. Tą padaryti leidžia vadinamasis fotovoltinis efektas.
Saulės elementą sudarančiai medžiagai sugėrus tinkamo bangos ilgio fotoną, joje esantys elektronai įgyja daugiau energijos. Tai jiems leidžia gana laisvai judėti medžiagoje. Šių elektronų judėjimas sukuria elektros srovę. Fotovoltiniu efektu dažniausiai pasižymi įvairūs puslaidininkiai. O tai yra tokios medžiagos, kurios savo ypatybėmis yra tarpinės tarp laidininkų (pavyzdžiui, tokie yra įvairūs metalai) ir izoliatorių (pavyzdžiui, keraminių plokštelių). Laidininkuose yra daugybė lengvai galinčių judėti elektronų, o izoliatoriuose visi elektronai labai tvirtai prikibę prie savo atomų. Puslaidininkiuose elektronai irgi prikibę prie atomų, bet ne taip tvirtai, todėl išorinis veiksnys, pavyzdžiui, šviesa, gali juos išlaisvinti.
Pirmieji komerciniai saulės elementai buvo pagaminti iš silicio.
Pirmieji komerciniai saulės elementai buvo pagaminti iš silicio. Šis cheminis elementas yra plačiausiai pasaulyje naudojamas puslaidininkis, sutinkamas daugybėje elektroninių prietaisų, taigi visiškai nestebina, kad nuo jo prasidėjo ir saulės energijos panaudojimo bandymai bei praktika. Absoliuti dauguma šiuo metu naudojamų saulės elementų vis dar yra pagaminti būtent iš kristalinės struktūros silicio. Tačiau yra ir alternatyvų. Viena jų – vadinamieji antrosios kartos, arba plonasluoksniai, saulės elementai, pradėti vystyti panašiu metu kaip ir pirmieji, tačiau komercializuoti vėliau. Tai yra įvairių puslaidininkių – to paties silicio, kadmio telūrido, vario, indžio ir galio selenido (tarptautinė santrumpa CIGS) bei kitų – pagrindu gaminami labai ploni fotovoltiniai sluoksniai.
Kitos alternatyvos, šiuo metu dar netiekiamos į rinką, bendrai vadinamos trečiąja saulės elementų karta. Tai yra įvairūs junginiai: nuo sudėtingų organinių molekulių iki mineralų perovskitų, o šie dažnai turi įvairių privalumų, palyginti su silicio kristalais. Kai kuriuos iš jų lengviau pagaminti, kitiems reikia mažiau retų cheminių elementų, treti gali būti skaidrūs ir lankstūs. Be to, kai kurie trečiosios kartos saulės elementai gali pasiekti ir labai didelį efektyvumą.
Štai perovskitais paremti elementai pirmą kartą išbandyti 2009 metais, o jau po dešimtmečio išgavo 25 proc. efektyvumą; kad silicio kristalai pasiektų tokį lygį, prireikė 20 metų. Beje, prie perovskitinių saulės elementų vystymo daug prisideda ir Lietuvos mokslininkai: 2018 metais mokslininkų grupė iš Fizinių ir technologijos mokslų centro buvo apdovanota Lietuvos mokslo premija (lietuviškąja Nobelio premija) už darbų ciklą nagrinėjant krūvininkų dinamiką organiniuose ir perovskitiniuose puslaidininkiuose bei naujos kartos saulės elementuose. Šie darbai padėjo detaliau suprasti fundamentinius principus, kaip ir kodėl teka srovė šiose medžiagose. O 2019 metais Kauno technologijos universiteto komanda reikšmingai prisidėjo prie vienos elementų rūšies ⎯ tandeminių perovskitinių-CIGS ⎯ efektyvumo rekordo. FTMC fizikai nagrinėja, kokie struktūriniai pokyčiai lemia saulės elementų suirimą ⎯ tą žinodami, jie galės pasiūlyti modifikacijų, užtikrinančių didesnį patvarumą.
Taip pat svarbu šiuos elementus iš laboratorinių prototipų paversti realiai pritaikomais praktikoje ⎯ KTU tyrėjai vysto gamybos technologijas, leisiančias gaminti didelio ploto organines saulės
Lietuvoje pastaruoju metu vyksta saulės energetikos bumas.
baterijas. Paminėtina, kad tokie procesai aktualūs ne tik Lietuvoje, kur pastaruoju metu vyksta saulės energetikos bumas, bet ir pasaulyje, mat tandeminių saulės elementų efektyvumo padidinimas yra daugelio mokslo grupių iš viso pasaulio tyrimų objektas.
Saulės baterijos gali būti įrengiamos kone bet kur, o jų galia parenkama pagal naudotojų poreikius. Saulės baterijos ant namų stogų jau tampa įprastu reiškiniu; didesni saulės energijos parkai gali aprūpinti elektra ištisus miestus. Šiuo metu galingiausia pasaulio saulės jėgainė yra šiaurės vakarų Indijoje įrengtas „Bhadla“ saulės parkas, užimantis daugiau nei 40 kvadratinių kilometrų, o galios generuoja daugiau, nei galėjo sukurti Ignalinos atominė elektrinė. Visgi saulės energetika susiduria ir su viena didžiule problema: gamybos ir panaudojimo neatitikimu. Elektros gaminimo sparta priklauso nuo paros laiko (naktį saulė nešviečia) ir nuo oro sąlygų. Daugiausia elektros pagaminama saulėtomis dienomis.
Šiuo metu galingiausia pasaulio saulės jėgainė užima daugiau nei 40 kvadratinių kilometrų.
O štai elektros sąnaudos išauga vakare, kai įjungiamos lempos. Be to, vakarais daugiau elektros naudoja gyvenamųjų namų rajonai, dienomis – pramonės objektai. Gamybos ir sąnaudų pikai yra labai skirtingi. Taigi norint išnaudoti saulės energijos potencialą, reikia mokėti ne tik pagaminti elektrą, bet ir ją sukaupti akumuliatoriuose.
Būtent tai yra pagrindinė saulės energetikos vystymo problema, tačiau ir ją pastaraisiais metais vis sėkmingiau pavyksta išspręsti – galingos baterijos leidžia kiekviename name sukaupti pakankamai energijos, kad visą naktį jos nepritrūktų.
Kol kas saulės jėgainės teikia mažiau nei 3 proc. pasaulio elektros. Tiesa, šis skaičius gana sparčiai auga – nuo tada, kai prieš tris dešimtmečius atsirado komercinės saulės jėgainės, jų bendra galia auga eksponentiškai: kasmet padidėja kone ketvirtadaliu.
Prognozuojama, kad iki šio amžiaus vidurio saulės energija gali tapti pagrindiniu elektros energijos šaltiniu pasaulyje. Lietuva nuo pasaulio vidurkio atsilieka – 2017 metais saulės energija pagamino mažiau nei procentą viso elektros poreikio. Bet žinodami saulės nutviekstos Lietuvos fizikų sugebėjimus galime būti ramūs – kai kalbame apie saulę ir jos magiškąsias galias, galime tikėtis dar daug proveržio.
„IPhO“ – Tarptautinė fizikos olimpiada yra kasmetinis individualus fizikos konkursas, skirtas vidurinių mokyklų ir gimnazijų mokiniams. 2021 m. liepos 17–25 dienomis ši olimpiada pirmą kartą vyks Lietuvoje – Vilniuje ir nuotoliniu formatu!
Olimpiadą organizuoja Švietimo, mokslo ir sporto ministerija, Lietuvos mokinių neformaliojo švietimo centras ir Vilniaus universitetas.
Daugiau apie IPhO 2021 informacijos rasite ČIA.
Šaltiniai:
- https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell
- https://www.pilkington.com/en/global/commercial-applications/types-of-glass/solar-energy/solar-technologies/crystalline-silicon-photovoltaics
- https://en.wikipedia.org/wiki/Perovskite_solar_cell
- http://www.lma.lt/susipazinkite-2019-m-lietuvos-mokslo-premijos-laureatai
- https://ktu.edu/news/ktu-sukurtos-medziagos-padejo-pasiekti-rekordini-tandeminiu-saules-elementu-efektyvuma/
- https://mercomindia.com/karnatakas-pavagada-solar-operational/
- https://iea-pvps.org/snapshot-reports/snapshot-2020/
- https://www.iea.org/news/how-solar-energy-could-be-the-largest-source-of-electricity-by-mid-century
- https://www.15min.lt/verslas/naujiena/energetika/saules-energetikos-ekspertas-apie-isirengianciu-elektrines-motyvus-rupi-ne-tik-taupymas-bet-ir-mazesne-tarsa-664-1307830
