8. Klimats un enerģētika

Klimats un ilgtspējīga attīstība

Redaktori: Māris Kļaviņš un Jānis Zaļoksnis.

Rīga: LU Akadēmiskais apgāds, 2016, lpp

Grāmata “Klimats un ilgtspējīga attīstība” izstrādāta un izdota Eiropas Ekonomikas zonas finanšu instrumenta 2009.–2014. gada perioda programmas “Nacionālā klimata politika” neliela apjoma grantu shēmas projektu “Kapacitātes celšana pētījumiem un pasākumiem sabiedrības zināšanu uzlabošanai par klimata pārmaiņām un to radītajām sekām” projekta “Klimata pārmaiņu izglītība visiem” ietvaros.

8.3. Atjaunojamo energoresursu tehnoloģijas

8.3.2. Saules enerģija

Saules enerģijas izmantošanas tehnoloģiju straujā attīstība Eiropā un pasaulē, ir saistīta ar problēmas risinājumu par siltumnīcefekta gāzu emisiju pieaugumu gaisā.

Visas Saules izmantošanas tehnoloģijas ir klimata tehnoloģijas, ja ar tām saražotā enerģija aizvieto fosilā energoresursa tehnoloģijas. Tās ir SEG neitrālas enerģijas tehnoloģijas.

Ilggadīgs Eiropas ekspertu monitorings un datu apstrāde liecina, ka Latvijā izmantojamā ikgadējā Saules radiācija ir 1100 kWh/m2. Nedaudz zemāks radiācijas līmenis ir Ziemeļvalstīs. Tomēr Saules enerģijas izmantošanā Skandināvijas valstis ir mūs apsteigušas, ne tikai uzstādot individuāli pāris kvadrātmetru nelielus saules enerģijas kolektorus, bet arī uzbūvējot lielus Saules kolektoru vai saules fotoelementu laukus.

Saules enerģijas tehnoloģijas atšķiras pēc saražotās enerģijas veida. Saules tehnoloģijas izmanto abu enerģijas veidu ražošanai:

  • elektroenerģijas ražošanai izmanto Saules paneļus (fotoelementus jeb Saules baterijas);

  • siltumenerģijas ražošanai izmanto Saules enerģijas kolektorus;

  • kombinētās sistēmās – Saules baterijas izmanto kombinācijā ar Saules enerģijas kolektoriem. Saules baterijas tiek izmantotas, lai darbinātu Saules enerģijas kolektora cirkulācijas sūkni.

No Saules enerģijas iegūtās elektroenerģijas lietderīga izmantošana ir saistīta ar šīs enerģijas uzglabāšanu. Ļoti bieži tas kļūst par vienu no svarīgākajiem elementiem Saules enerģijas tehnoloģiskajās sistēmās.

Saules kolektori

Saules enerģijas kolektoru izmantošanas pirmsākumi meklējami jau pirms tūkstots gadiem, kad cilvēki Saules enerģiju izmantoja, sildot ūdeni mucās vai citos tilpumos. Cilvēki gribēja izmantot pēc iespējas vairāk enerģijas, tāpēc palēnām sākās fizikas atziņu izmantošana, piemēram, mucas tika nokrāsotas melnā krāsā.

Šobrīd lieto četrus Saules enerģijas kolektoru veidus ar atšķirīgām saules enerģijas absorbcijas virsmu konstrukcijām:

  • tilpuma kolektorus – tvertnes ar Saules enerģijas absorbēšanas virsmu;

  • plakanos kolektorus – absorbēšanas virsmas tajos ir plāksnes, kas izveidotas no dažādiem materiāliem un pārklājumiem,

  • caurulīšu kolektorus – absorbcijas virsmas izveidotas no stikla vai cita materiāla caurulītēm ar dažādiem pārklājumiem;

  • koncentrēšanas kolektorus – Saules enerģijas uztveršanai tie veidoti no augstas temperatūras izturīgiem materiāliem vai to pārklājumiem.

Zinātniskā izpēte šajā jomā attīstās saules kolektoru energoefektivitātes paaugstināšanas virzienā, meklējot efektīvākus Saules enerģijas absorbcijas virsmu materiālus vai pārklājumus.


8.14. att. Saules kolektoru sistēmas integrācija centralizētās siltumapgādes sistēmā.

Saules kolektorus uzstāda ne tikai individuāli uz ēku jumtiem vai pie sienām, bet arī īpaši izveidotos laukos (vairāki desmiti tūkstošu kvadrātmetru Saules kolektoru). Saules kolektoru lauki kļūst arvien plašāk veidoti Eiropā, jo Saules enerģijas nozīme centralizētās siltumapgādes sistēmās strauji pieaug. Atkarībā no izraudzītā Saules kolektoru novietojuma pilsētā vai novadā ir jāizvēlas arī saules kolektoru pieslēguma veids centralizētās siltumapgādes sistēmai. Centralizētas siltumapgādes sistēmas saņem siltumenerģiju no Saules kolektoriem, kas izvietoti uz ēku jumtiem un saules kolektoru lauka. Uz ēku sienām izvietoti saules paneļi, kuros saražoto elektroenerģiju izmanto katlu māju ūdens sasildīšanai un padevei siltuma tīklos.

No Saules kolektoriem pienākošo siltumenerģiju novirza gan uz akumulācijas tvertni, gan siltumenerģijas patērētājiem. Citas šī slēguma alternatīvas ir gadījumā, kad katlu māja atrodas tālu no Saules kolektoru lauka. Tad Saules kolektori ir pievienoti siltumenerģijas akumulācijas tvertnei, savukārt tvertne ir savienota ar pilsētas vai pašvaldības centralizētās siltumapgādes tīklu.
Saules siltumenerģijas sezonālās uzglabāšanas metodes izmanto divus atšķirīgus veidus: zem zemes izveidotas krātuves vai pazemes rezervuārus. Izplatītais veids, kā uzglabāt Saules siltumenerģiju, ir zemē ierakti rezervuāri.

8.15. att. Saules siltumenerģijas sezonālās uzglabāšanas veidi. Zem zemes izveidotas krātuves – a un b, pazemes rezervuāri – a un d.

Bedres tipa akumulācijas tilpums (8.15. att. b) tiek izveidots, izklājot ar necaurlaidīgu materiālu izraktās krātuves sienas. Pārklājumam ir pludiņa tipa vāks, kas hermētiski noslēdz bedres augšējo daļu.

Līdzīgi veidotas arī akumulācijas betona tvertnes, kas novietotas zem zemes. Zemākās izmaksas ir virszemes akumulācijas tvertnēm. Tādas tvertnes būvē, ja tās labi iederas ainavā.

Pareizi izveidota siltumenerģijas akumulācijas tvertne nodrošina arī labākus akumulētās siltumenerģijas blīvuma rādītājus uz 1 m3. Akumulētās siltumenerģijas blīvuma rādītājs pazemes rezervuāros ir 60–80 kWh/m3.

Citi siltumenerģijas uzglabāšanas tehnoloģiskie risinājumi ir saistīti ar pazemes ūdeņu slāņa izmantošanu (8.15. att. a) ar zemāku akumulētās siltumenerģijas blīvumu 30–60 kWh/m3 vai speciālu urbumu izveidi (8.15. att. d) ar zemu akumulētās siltumenerģijas blīvumu 15–30 kWh/m3. Tādā gadījumā siltumenerģijas akumulācijai ir nepieciešami lielāki tilpumi.

Saules kolektoru lauka integrācija centralizētās siltumapgādes tīklos vizuāli ilustrēta 8.16. attēlā. Nīderlandē Almeres pilsētā izveidota „Saules sala”, kas ietver pilsētas tuvumā novietotu saules kolektoru lauku ar lielu akumulācijas tvertni. „Sala” nozīmē,  ka apkārt ir izveidota virszemes ūdens tilpne. Visbiežāk apkārt kolektoru laukam ir apjozts žogs un par mauriņa uzkopšanu rūpējas teritorijā ielaistie truši vai aitas.


8.16. att. „Saules sala” Almerē, Nīderlandē.

Avots – Solar District Heating Guidelines

Saules paneļi

Saules paneļus veido no fotoelementiem – elektriskās sistēmas ierīcēm, kas Saules enerģiju pārvērš elektroenerģijā. Fotoelementi elektroenerģiju var nodot elektrotīklam, pievadīt elektroenerģijas patērētājam vai akumulatoru baterijām. Fotoelementi apkopoti panelī, kas iekapsulēts stiklā un plastikātā. Panelis parasti ir ievietots alumīnija ietvarā. Panelī ģenerētās enerģijas daudzums atkarīgs no tā virsmas lieluma, radiācijas līmeņa, fotoelementu efektivitātes un novietojuma pret Sauli. Paneļi visbiežāk ir zilā vai melnā krāsā, pārklāti ar neatstarojošu materiālu, kas uzlabo gaismas absorbēšanu.

Saules paneļu energoefektivitāte vēl joprojām ir zema. Vismodernākie paneļi spēj nodrošināt 25% energoefektivitāti, bet masveidā ražoti – 16–18%. Parasti no 1 m2 var iegūt vidēji 80–85 W, bet iekārtās ar augstāku efektivitāti – līdz pat 130 W. Fotoelementi ražo līdzstrāvu, ko pēc tam nepieciešams pārvērst maiņstrāvā.

Viens no svarīgākajiem jautājumiem energoefektīvu saules paneļu izveidē ir fotoelementu materiāls. Šobrīd galvenokārt lieto uz silīcija bāzes veidotas sistēmas. Uz organiskiem materiāliem balstītu fotoelementu izveide ir perspektīvs un inovatīvs novirziens.
Latvijā saules paneļu ieviešana ir sākuma attīstības stadijā. Daži individuālo māju īpašnieki ir uzstādījuši Saules paneļus dažu kvadrātmetru platībā. Pirmais lielākais Saules fotoelementu lauks ir izveidots Minhauzena muzejā Duntē.


8.17.att. Saules fotoelementu lauka atklāšana Minhauzena muzejā Duntē.