Atsinaujinantys energijos šaltiniai - tai gamtos ištekliai, kurių atsiradimą ir atsinaujinimą sąlygoja gamtos ar žmogaus sukurti procesai. Tai saulės, vėjo, geoterminė, hidro, biomasės energija. Beveik visų atsinaujinančių išteklių pradinis šaltinis yra Saulės energija. Dauguma jų egzistuoja dėl saulės ir žemės sąveikos: pvz., vėjas pučia, nes skirtingai įkaista žemės paviršius.

Per metus viršutinę Žemės atmosferos ribą pasiekia 5,6x1024 J saulės energijos srautas. Žemės atmosfera atspindi 35 proc. šios energijos atgal į kosmosą, o likusi energija sušildo žemės paviršių, naudojama garavimo - kritulių cikle, bangų, vėjo, oro ir vandenyno srovių susidarymui. Metinis pasiekiančios žemę saulės energijos kiekis yra 1,05x1018 kWh, sausumai tenka 2x1017 kWh. Be ekologinio pakenkimo aplinkai galima panaudoti 1,5 proc. m² šio kiekio (1,62x1016 kWh/) . Tai ekvivalentu 2x1012 t sąlyginio kuro. Visas šiuo metu pasaulyje išgaunamas organinis kuras taip pat susidarė fotosintezės reakcijų metu, veikiant saulės energijai. Saulės radiacijos srautas žemės paviršiuje pasiskirsto labai netolygiai. Vidutinis srauto tankis yra 210 - 250 W/m2 subtropiniuose rajonuose ir dykumose, 130 - 210 W/m² vidutinėse platumose ir 80 - 130 W/m² šiaurėje.

Daugiamečių stebėjimų duomenimis, vidutinis metinis suminės saulės radiacijos kiekis, krintantis į horizontalų paviršių Lietuvoje yra apie 1000 kWh/m². Saulės švietimo laikas yra ilgiausias pajūryje ir trumpėja rytinės sienos link. Vidutiniškai saulėtų valandų skaičius pajūryje siekia 1840-1900 val. kasmet. Šalies rytiniame pakraštyje jis neviršija 1700 val./m. Maksimali saulės švietimo trukmė yra Nidoje ir siekia 1908 val. per metus.

Vilniuje vidutinis suminis Saulės energijos kiekis horizontalioje plokštumoje yra apie 3500 MJ/m² per metus, tai tik šiek tiek mažiau nei Centrinėje Europoje. Lietuvą pasiekiantis saulės energijos kiekis yra pakankamas, kad būtų galima gaminti šiluminę energiją bei taikyti saulės architektūros principus naujiems ir renovuojamiems statiniams.

Apie 88 proc. metinės Saulės energijos, krintančios statmenai Žemės paviršiui, tenka septyniems mėnesiams - kovui, balandžiui, gegužei, birželiui, liepai, rugpjūčiui ir rugsėjui. Pavasarį nustatyti didesni Saulės energijos kiekiai nei rudenį, nors vidutinė oro temperatūra pavasarį yra žemesnė.

Elektros energija iš saulės yra labai perspektyvi sritis, nes sparčiai vystosi technologijos, o auganti paklausa pasaulio mastu sparčiai pigina fotoelementus. Taigi, neilgai trukus ir Lietuvos sąlygomis fotoelektra taps ekonomiškai patraukli. Jau yra sėkmingų saulės energijos naudojimo Lietuvoje pavyzdžių: SOS vaikų kaimelis, Kačerginės vaikų sanatorija, privatūs namai, dujotiekio sistemos bei kita.

Panašiu kaip augaluose fotozintezė, - elektrono išlaisvinimo principu, pagrįstas fotoelementų veikimas. Fotoelementai - tai įrengimai, kurie šviečiant saulei, net debesuotą dieną, generuoja elektros energiją. Fotoelementų naudingumo koeficientas jau siekia 15-20 proc., o artimoje ateityje dėl spartaus nanotechnologijų vystymosi jis dar išaugs. Kadangi atominė ar deginant įvairias kuro rūšis išgauta energija iki šiol buvo pigesnė už fotoelektrą, tai savotiškai blokavo spartesnę jos plėtrą, technologijų vystymąsi. Tačiau tai, ką pavyko pasiekti nuo 1954 metų - pirmojo fotoelemento sukūrimo Bello laboratorijoje, įkvepia entuziastus, pramonininkus bei skatina apsispręsti politikus.

Kaip naudojama saulės šiluma

Šiluma, kurią išspinduliuoja saulė, gali būti naudojama karšto vandens gamybai ir pastatų šildymui. Pirmuoju atveju reikalingi įrenginiai - saulės kolektoriai, kurie absorbuoja ir nukreipia saulės šilumą į karšto vandens gamybos sistemą. Antruoju atveju gali būti naudojami saulės kolektoriai, kurie šiltą vandenį tiekia į šildymo sistemą, arba pats pastatas gali būti "saulės kolektorius". Tuomet jis turi atitikti tam tikrus reikalavimus:

• įleisti saulės spindulius, kai reikia šilumos, ir sulaikyti, kai  nereikia, - tai pasiekiama, tinkamai orientuojant pastatą;
• akumuliuoti saulės energiją - masyviose konstrukcijose sukaupti šilumą, kurią galima naudoti, kai saulė nešviečia;
• būti efektyvi saulės spindulių gaudyklė: surinkti kuo daugiau saulės energijos ir lėtai ją išsklaidyti. Tą daugiausia sąlygoja gera pastato šilumos izoliacija, sumažinanti šilumos nuostolius, bei efektyvi vėdinimo sistema.

Atsižvelgiant į aukščiau išdėstytus ir kitus saulės architektūros principus, galima sutaupyti 30-100 proc. šildymui reikalingų lėšų netgi mūsų platumoje. Pastatų be šildymo sistemos yra pastatyta Švedijoje, Lindas miestelyje šalia Gioteburgo. Kartais tokie pastatai vadinami pasyviais pastatais arba mažai energijos naudojančiais pastatais.

Saulės energiją šildymuisi žmonės naudoja labai seniai. Saulės kolektorius - žinomiausias įrenginys, naudojantis tiesioginę saulės energiją, sugalvotas maždaug prieš 200 metų. Jis saulės energiją paverčia šilumos energija.

Saulės kolektoriai gali būti įrengiami ant pastato stogo ar kitoje vietoje. Svarbi yra jų orientacija pasaulio šalių atžvilgiu (geriausia - pietūs), kolektoriaus plokštumos pasvirimo kampas (apytiksliai lygus platumai - pvz., 54º Vilniuje, jei naudojama ištisus metus) ir kolektoriaus plotas (priklauso nuo gyventojų skaičiaus). Lietuvos klimato sąlygomis, vanduo kolektoriuose vasarą sušyla iki 70-100ºC, žiemą iki 30-50ºC. Nepaisant to, kad žiemą reikia vandenį papildomai šildyti, sutaupoma nemažai išteklių, nes pakelti vandens temperatūrą nuo +5ºC (temperatūra vandentiekyje) iki +30ºC irgi reikalinga energija bei lėšos.

Saulės kolektorių tipai

Plokščias saulės kolektorius

Labiausiai paplitęs - plokščias kolektorius. Buityje jis naudojamas vandeniui ir patalpoms šildyti. Kolektorių sudaro apšiltinta plokštė su stiklu, kurioje įrengtas šilumos kaupiklis. Jis gaminamas iš šilumai laidaus metalo (dažniausiai - vario ar aliuminio; dažniau naudojamas varis, nes geriau praleidžia šilumą ir yra atsparesnis korozijai). Kaupiklio plokštė padengiama specialia selektyvine danga, kuri geriau sulaiko sugeriamą saulės šviesą. Dangą sudaro labai plonas amorfinio puslaidininkio sluoksnis, užpurkštas ant metalinio pagrindo. Jis puikiai sugeria matomo spektro spindulius ir mažai išspinduliuoja ilgųjų bangų infraraudonųjų spindulių. Plokštiems kolektoriams paprastai naudojamas matinis, tik šviesą praleidžiantis stiklas, sudėtyje turintis mažai geležies, todėl sumažinami šilumos nuostoliai. Dugnas ir sienelės dengiami šilumą izoliuojančiomis medžiagomis.

Vakuuminis tiesioginio srauto vamzdinis kolektorius

Kiekviename vakuumo vamzdelyje sumontuotas varinis kaupiklis su helio ir titano danga. Jis sugeria labai daug saulės energijos, tačiau išspinduliuoja nedaug šilumos. Vakuumas leidžia beveik visiškai panaikinti šilumos nuostolius. Koaksialinis vamzdinis tiesiaeigis šilumokaitis išeina į kolektorių. Per jį tekantis šilumos nešiklis paima šilumą iš kaupiklio. Vienas iš sistemos privalumų - šiluma tiesiogiai perduodama vandeniui. Šilumos nuostolių koeficientas vakuume labai mažas, todėl šilumos nešiklį galimą pašildyti iki 120-160°С.

Vakuuminis vamzdinis kolektorius su šilumos vamzdeliu

Tai sudėtingesnis ir brangesnis kolektorių tipas. Jų konstrukcija panaši į termoso: vienas stiklinis ar metalinis vamzdelis įstatytas į kitą, esantį didesnio skersmens. Tarp jų - vakuumas. Tai puiki šilumos izoliacinė medžiaga, taigi, šilumos nuostoliai minimalūs. Kiekviename vakuumu apsuptame vamzdelyje įmontuota kaupiklio plokštė su helio ir titano danga. Ji sugeria labai daug saulės energijos, tačiau išspinduliuoja nedaug šilumos. Po kaupikliu eina šiluminis vamzdis, pilnas garuojančio skysčio. Lanksčia jungtimi šiluminis vamzdis sujungiamas su kondensatoriumi. Pastarasis yra šilumokaityje (lyg vamzdis vamzdyje). Tai vadinamoji sausoji jungtis, todėl galima keisti vamzdelius net tuomet, kai įrenginys pilnas. Svarbiausias sistemos privalumas - galima dirbti net kai temperatūra - 30°С (kolektoriai su stikliniais šiluminiais vamzdeliais) ar - 45°С (kolektoriai su metaliniais šiluminiais vamzdeliais).

Saulės kolektorių veikimo principas

Plokščio kolektoriaus veikimo principas

Saulės šviesa pereina stiklą ir patenka ant kaupiklio plokštės, kuri įšyla ir saulės energiją paverčia šilumine. Ši šiluma perduodama šilumos nešikliui - vandeniui ar antifrizui, cirkuliuojančiam saulės kolektoriumi. Šilumos nešiklis įšyla ir per šilumokaitį šilumą atiduoda vandens šildytuve esančiam vandeniui. Jei vandens šildytuvo nėra, galima sumontuoti elektrinį šildytuvą, kad, sumažėjos temperatūrai, būtų galima pašildyti vandenį iki reikiamos temperatūros.

Vakuuminis tiesioginio srauto vamzdinio kolektoriaus veikimo principas

Saulės radiacija pereina visą vakuumu apsuptą stiklinį vamzdelį, patenka į kaupiklį ir virsta šilumos energija. Šiluma perduodama skysčiui, tekančiam koaksialiniu vamzdiniu tiesiaeigiu šilumokaičiu. Kiekvienas vamzdelis sujungtas su kaupiamuoju baku. Tai iš dviejų varinių vamzdelių sudaryta sistema. Vienu jų pašildytas vanduo teka į kaupiamąjį baką, kitu atšalęs vanduo iš bako teka šildytis į vakuumu apsuptus vamzdelius.

Vakuuminio vamzdinio kolektorius su šilumos vamzdeliu veikimo principas

Šiluminis vamzdelis - uždaras varinis ar stiklinis vamzdelis. Jame yra nedaug lengvai užverdančio skysčio. Veikiamas šilumos, skystis garuoja ir pasiima vakuuminio vamzdelio šilumą. Garai kyla į viršų, kur kondensuojasi ir perduoda šilumą pagrindinio vandens naudojimo kontūro šilumos nešikliui ar neužšąlančiam šildymo kontūro skysčiui. Kondensatas suteka žemyn, ciklas kartojasi. Saulės kolektoriaus kaupiklis - varinis su šilumos izoliacija. Šiluma perduodama varine gilze, todėl šildymo kontūras yra atskirtas nuo vamzdelių. Pažeidus vieną vamzdelį, kolektorius dirba toliau. Prireikus vieną vamzdelį nesunkiai galima pakeisti, nes iš šilumokaičio nereikia išleisti skysčio.

Saulės kolektoriaus montavimas

Saulės kolektoriaus sukuriamos šiluminės energijos kiekis priklauso nuo kelių veiksnių. Galima keisti palinkimo kampą ir įrangos orientaciją (azimutą).

Palinkimo kampas - tai kampas tarp horizontalios linijos ir akumuliatoriaus. Montuojant ant šlaitinio stogo, palinkimo kampo dydį lemia dangos nuolydis. Daugiausia energijos kolektoriaus plokštė gauna tuomet, kai jos plokštuma yra sumontuota tiesiu kampu saulės spindulių atžvilgiu. Kadangi kampas kinta pagal metų ir paros laiką, kolektoriaus plokštumą reikia pakreipti taip, kad ji būtų pasukta į saulę didžiausiu jos aktyvumo metu.

Mūsų platumoje optimaliausias palinkimo kampas - tarp 30 ir 45º.

Azimutas nurodo kolektoriaus plokštumos nukrypimą nuo pietų krypties; jei kolektoriaus plokštuma orientuota į pietus - azimutas lygus 0º. Mūsų platumoms priimtini nukrypimai pietų kryptimi iki 45º į pietryčius ar pietvakarius.

Naudingiausia, kai kolektorius montuojamas pietų kryptimi ir 30-35º nuolydžiu. Tokias sistemas rekomenduojama montuoti tik tuomet, kai nuolydis būna nuo 25 iki 55º.

Renkant vietą, kur stovės kolektorius, reikėtų atsižvelgti į tai, kad jo neužstotų gretimi pastatai, elektros laidų linijos, kad ant jo nekristų dideli šešėliai.

Svarbi įrangos dalis - saulės kolektorių laikanti konstrukcija. Ji užtikrina tinkamą nuolydžio kampą ir būtiną sistemos patikimumą. Ši konstrukcija ir saulės moduliai turi atlaikyti vėjo gūsius ir kitą nepalankų aplinkos poveikį.

Sistemos montavimo variantai:

• Su nuolydžiu (ant bet kokio nuolydžio stogo);
• Horizontalus (ant plokščio stogo);
• Laisvas (saulės kolektorius su atramine konstrukcija).

Straipsnyje panaudota Atsinaujinančios energijos informacijos konsultacinio centro inf.

Statybų ir būsto gido Asa.lt informaciją atgaminti visuomenės informavimo priemonėse bei interneto tinklalapiuose be raštiško UAB "IKS" sutikimo draudžiama.