[1] Saulės energijos spinduliavimo tankis , pasiekiantis Žemės atmosferos paviršių ( 1367 W/ m² )

1.diagrama: Metinis Saulės energijos , krentančios i horizontalų paviršių,paiskirstymas Lietuvos centrinėje dalyje.

Didelę įtaką Saulės energijos intensyvumui turi klimatinės sąlygos.Meteorologiniai stebėjimai rodo ,kad saulėtų dienų skaičius Lietuvoje pasiskirstęs nevienodai.Daugiausia saulėtų valandų per metus Nidoje – 1900, mažiausia – rytiniame šalies pakraštyje – 1650.

2.diagrama: Saulės spinduliavimo į horizontalų paviršių galios kitimas per parą birželio mėnesį Vidurio Lietuvoje;——- energija esant giedram dangui, —– energija esant vidutiniškai saulėtai dienai.—– esant ištisai apsiniaukusiai dienai.

1.1    Saulės elementai

1.1.1    Saulės elemento veikimo principas ir konstrukcija

  Saulės elementas [1] (SE) – tai prietaisas , kuris, panaudojamas šviesos elektros efektą, Saulės šviesos energiją paverčia tiesiogiai į elektros energiją.

Šiuo metu rinkoje funkcionuoja įvairių tipų saulės elementai. Daugiau nei pusę rinkos užima monokristalinio silicio elementai.Kita dalis tenka amorfiniam siliciui ir silicio juostoms. Kadmio teluridui ir daugiasluoksniams vario indžio selenito plonoms plėvelėms saulės elementams tenka tik simbolinė vieta.

4.lentelė: Saulės elementai

Gaminant monokristalinius saulės elementus naudojamas visiškai grynas silicis. Jų efektyvumas siekia ~ 24% (iš vieno kW krintančios saulės šviesos pagamina 240 W elektros energijos)    Monokristaliniai saulės elementai

Gaminant polikristalinius saulės elementus gamybos procese pakinta dalies silicio kristalų struktūra. Jų mažesnis efektyvumo lygis ~ 18%.     Polikristaliniai saulės elementai

Fotovoltiniai moduliai EA G-60, gaminami pagal plėvelinę technologiją. Šios rūšies moduliai, nežiūrint gero kainos ir kokybės santykio, puikiai generuoja elektros energiją net esant aukštoms temperatūroms. I   Fotovoltiniai saulės elementai

Amorfiniai arba plonų celių elementai gaminami siliciu padengiant stiklą ar kitą skaidrų paviršių. Jų gamybos procesas yra pats pigiausias, efektyvumo lygis ~ 13%. Naudojami tik mažos galios įrenginiuose (laikrodžiuose, kišeniniuose kalkuliatoriuose).    Amorfiniai saulės elementai

3.diagrama: Saulės elementų technologijų pasiskirstymas 2003m rinkoje(Euroserv‘ER2004.Photovoltaic Barometr 2004)

Daugiau nei 98% visų rinkos saulės elementų gamybos pagrindinė medžiaga yra silicis (Si).Tai – antras pagal gausumą Žemės elementas. Kristalų pavidalo silicio randama smėlyje ,smiltainyje bei granite. Dažnai jis sudaro ir nemaža molio ar skalūnų dalį.Randama ir kreidoje,klintyse ir kitose uolienose bei dirvoje.

Silicis yra puslaidininkė medžiaga.Tai viena iš pagrindinių priežasčių, kodėl ši medžiaga plačiai naudojama saulės elementų gamyboje,yra ta ,kad elektroninės jo savybės gali būti keičiamos norima linkme, įdėjus šiek tiek priemaišų. Į silicį įmaišius fosforo, jis turi elekronų perteklių ir tampa n-laidumo puslaidininkiu.Silicis su boro priemaiša turi skylių perteklių ir tampa p- laidumo tipo puslaidininkiu.

Saulės šviesa, krentanti į saulės elementą , jonizuoja silicio atomus. Šie, veikiami p-n jungties potencialų skirtumo , poliarizuojasi į dvi priešingo krūvio zonas. Laisvieji elektronai kaupiasi n- sluoksnyje prie viršutinio kontakto, atomai , netekę elektrono ,kaupiasi p- sluoksnyje, prie apatinės kontaktinės plokštelės. Šiuos sluoksnius sujungus išorine grandine , laisvieji elektronai keliauja į p- silicio sluoksnį ir ten rekombinuojasi su skylėmis , išlaisvindami savo krūvio energiją. Elektronų srautas išorinėje grandinėje ir yra elektros srovė, kuri gali atlikti tam tikrą naudingą darbą.

1.1.1    Saulės elemento charakteristikos

Pagrindinės SE savybes apibūdina jo voltamperinė charakteristika ir srovės bei galio priklausomybės nuo Saulės spinduliavimo intensyvumo kreivės.

Se įtampos – srovės charakteristika turi keletą būdingų taškų:

Ik – Saulės trumpojo jungimo srovė;

Ipm – maksimalios galios srovė;

Uo- Saulės elemento atviros galio įtampa;

Upm – maksimalios galios įtampa.

Maksimalią galią Pm saulės elementų charakteristikose priimta vadinti saulės elemento pikine galia ir ją reikšti galios vienetais Wp.

Tipinio dažniausiai pasitaikančio rinkoje SE darbo srovė , esant 1000W/m²  Saulės intensyvumui, pasiekia 3A.

5.lentelė: Monokristalinio silicio saulės elemento PSQ techninės charakteristikos.

1.1.2    Saulės elementų panaudojimo sritys ir būdai

Pagal integravimo į esamą infrastruktūrą būdą visų saulės elektros įrenginių veikia įjungti į vietinį elektros tinklą, ir tik 15% dirba kaip autonominiai elektros energijos šaltiniai.

Visų galimų jungimo variantų bendras bruožas yra tarpinė grandis – srovės keitiklis , kuris saulės elementų nuolatinę srovė paverčia i kintamąją 50 Hz dažnio srovę, tinkamą standartiniams elektriniams prietaisas maitinti ir suderinamą su elektros tinklų parametrais.( 2 Pav.) Autonominis įrenginys , be šių pagrindinių elementų,  turi turėti dar ir elektros akumuliatorių tam tikslui , kad elektros imtuvai galėtų veikti tuo metu, kai Saulė nešviečia , ara šviesos intensyvumas yra nepakankamas.(3 Pav.)

3.Pav: Individualaus vartotojo saulės elektros įrenginių ir jų integravimo į esamą visuomeninį elektros tiekimo tinklą įgyvendinimo pavyzdys.

Didesnės galios saulės plokščių laukai užima nemažus plotus, ir jų išsidėstymas sukuria sunkumų.Priimtiniausias tų sunkumų sprendimas – juos išdėstyti ant pastatų stogų. Ypač patogu saulės panelius išdėstyti plokščių daugiaaukščių pastatų stogų.).Šiam tikslui taip pat tinka nenaudojamos žemės plotai.

1.1.1    Saulės elementų ekonominiai aspektai

Vienas iš SE ekonominio vertinimo kriterijų yra Saulės elementų modulių energijos grąžos laikas[1].

Energijos kiekis vadinamas specifine energija Wsp.

Šį rodiklį lemia du parametrai:

• Saulės elementų modulio gamybos technologijos;
• Saulės elementų modulio eksploatavimo sąlygos.

SE gamybos technologija ir jų eksploatavimo sąlygos labai priklauso nuo daugelio faktorių, todėl ir jų energijos grąžos laikas yra šių faktorių funkcija.

Rinkos saulės elementai taikomi keturiose srityse:

Vartojimo prietaisuose: kalkuliatoriuose, laikrodžiuose, ir pan.- 30MW (7%);

Autonominiuose elektros energijos tiekimo įrenginiuose, skirtuose individualiems energijos vartotojams;

Elektros tiekimo sistemose, integruotuose į pastatus ir esamas elektros energijos tiekimo sistemas;

Integruotose didelės galios generavimo sistemose.

Dabartiniu metu moksliniai tyrimai ir technologijų vystymas nukreipti trimis pagrindinėmis kryptimis:

Mažinti integruojamų į pastatus SE įrenginių kainas;

Vystyti intelektualias ir labai pigias valdymo sistemas;

Tirti elektros energijos akumuliavimo ųrenginius ,pritaikytus dirbti SE sistemose.

4.Diagrama.

Saulės modulius sc- Si SP75 ir CIS ST40 gaminant suvartota elektros energija ir ti energijos kiekio grą-os laikas, kai moduliai dirba 1700kWh/( m2  * a), Saulės spinduliavimo intensyvumo zonoje [ 2.13]:M – suvartota energija moduliui panaudotoms medžiagoms;   G – suvartota energija paties modulio gamybos metu; Si – suvartota energija siliciui paruošti; SE ir Mod – suvartota elektros energija Saulės elementui ir moduliui gaminti.

1.1    Saulės šiluma

1.1.1    Saulės šildymo sistemų rūšys

Saulės šilumos įrenginiai skirstomi į:

• Mažas sistemas: saulės kolektoriai ant gyvenamojo namo stogo ar įmontuoti į jo fasadą.
• Dideles sistemas: centralizuoti dideli saulės kolektorių laukai integruoti į grupinio ar rajoninio šildymo sistemas.

Pagal panaudoti reikalingą šilumos temperatūrą saulės šilumos įrenginiai skirstomi į tris grupes:

• Žemos temperatūros;
• Vidutinės temperatūros;
• Aukštos temperatūros.

Pagal panaudojimo paskirtį skirstomi:

• Vandens šildymo įrenginius;
• Patalpų oro šildymo įrenginius;
• Gamybines arba technologines šilumos įrenginius.

7.Pav:Vandens saulės šildymo sistema individualiam namui.

8.Pav: Vandens saulės šildymo sistema integruota su papildomo pašildymo katilu.

1.1.1    Centralizuotos rajoninio šildymo sistemos

Saulės šildymo sistemos taip pat gali būti nadojamos centralizuotam rajoniniam šildymui.Vienas tokių pavyzdžių Ry (Danija) miestelio, turinčio 3000 gyventojų ir 1300 individualių namų, centralizuotos šildymo sistemos grįžtamojo vandens saulės pašildymo sistema.

1.1.1    Saulės kolektoriai

Naudojami 4 tipų saulės kolektoriai:

• Plokštieji;
• Vakuuminiai;
• Koncentruotieji;
• Oro šildymo.

 Plokštieji saulės kolektoriai

Plokščiąjį kolektorių sudaro absorbuojasi, šiluminė izoliacija ir vamzdelis, kuriuo teka šilumnešis. Gera šiluminė izoliacija užtikrina didesnį kolektoriaus naudingumo koeficientą ir apsaugo nuo šilumos praradimo. Saulės kolektorių nuo žalingo aplinkos poveikio saugo specialus smūgiams atsparus stiklas, kuris taip pat gerina ir elemento izoliacines ypatybes.

Vakuuminiai saulės kolektoriai

Vakuuminis saulės kolektorius yra sudarytas iš sandarių vamzdelių.Jų viduje yra saulės radiaciją absorbuojančios aliumininės plokštelės, kontaktuojančios su šilumokaičiai (šilumos pernešėjais).

Vakuuminiai saulės kolektoriai gali būti dviejų rūšių

Tiesioginės cirkuliacijos kolektoriuje  skystis paima šiluma tiesiogiai nuo šilumos absorberio. Tokio konstrukcinio tipo pranašumas yra betarpiškas šilumos perdavimas cirkuliuojančiam skysčiui. Bendras šiluminių nuostolių koeficientas yra labai mažas. Tokio tipo kolektoriuje darbinė temperatūra gali siekti 120-180 laipsnių.

Vamzdelinio-vakuuminio tipo saulės kolektoriaus konstrukcija panaši į buitinio termoso.  Metalinis kolektoriaus vamzdelis (šilumokaitis) yra įstatytas į  stiklinę vakuuminę kolbą. Stiklinėje kolboje yra vakuumas, kuris yra puikus šilumos izoliatorius. “Sauso” tipo jungtys leidžia pasukti arba keisti vamzdelius “po slėgimu”. Pagrindinis šios sistemos privalumas yra galimybė dirbi žemose temperatūrose, iki -45 laipsnių. Šiuose kolektoriuose nėra jokios izoliacinės medžiagos, kadangi kiekvienoje kolboje yra vakuumas, tampantis pačia efektyviausia šilumos izoliacija, taigi šilumos nuostoliai iš viso nepatiriami. Vakuuminiai saulės kolektoriai geriausiai tinkami naudoti šaltesnio klimato juostose, kur saulės kiekis yra ne toks didelis.

Koncentruojantys kolektoriai

Koncentruojamieji kolektoriai –plačiai naudojami saulės šilumos elektros gamybos sistemose, kuriuose reikalingas aukštų parametrų garas garo turbinai sukti.Toks kolektorius gali būti panaudotas apdirbamojoje pramoneje technologiniam garui gaminti..

1.1.1    Akumuliatorius

Saulės šildymo įrenginiuose kitas pagal svarbą po saulės kolektoriaus yra šilto vandens saugojimo bakas – akumuliatorius. Tai – metalinis cilindro formos indas dvigubomis sienelėmis su šilumos izoliacijos sluoksniu tarp jų. Tipinėje saulės sistemoje vandens bako talpa – nuo 300 iki 1200 litrų, priklausomai nuo sistemos dydžio, t.y nuo žmonių skaičiaus šeimoje( 3-8 žmonės).

1.1.2    Saulės šilumos ekonominiai aspektai

Pagrindinės saulės sistemų komercializavimo tempų kliūtys šiuo metu yra ekonominės – aukštos įrenginių ir pagamintos šilumos energijos kainos.

Pagrindinės problemos , sąlygojančios ekonominį nekonkurencingumą:

1. Palyginti mažas energijos tankis ploto viene, retai siekiantis 950W/ m^2. .
2. Saulės energijos generavimo laiko (dieną) nesutapimas su jos poreikio laiku (naktį ir mažo saulėtumo periodais) , o dėl to reikia šilumos energijos išsaugojimo įrenginių.
3. Neišvengiamas šilumos energijos gamybos neprognozuojamas nutrūkimas dėl debesuotumo , lietaus ir panašiai.

Rinkai plėsti reikia aktyvių priemonių:

1. Sistemų techninį ir ekonominį optimizavimą;
2. Sistemų integravimą į pastatus ir kitas struktūras;
3. Oro sistemų kaštų mažinimą;
4. Kombinuotų aušinimo sistemų vystymą;
5. Aptarnaujančių įrenginius sistemų statybos vystymą.

Namų ūkyje ir plaukymo baseinų vandens šildymo sistemose numatoma:

1. Technologijų vystymas;
2. ES standartų įdiegimas;
3. Sistemų projektuotojų  ir statytojų mokymas ir sertifikavimas;
4. Trečiosios šalies finansavimo propagavimas;
5. „Pats įsirengiu“ grupių protegavimas ES mastu.

1.2    Saulės šilumos elektros technologijos

Saulės šilumos elektros sistemose elektros energiją generuoja įprastiniai generatoriai., kuriuos suka įprastinės garo turbinos arba šilumos varikliai. Šios sistemos skiriasi nuo įprastinių šiluminių ir atominių elektrinių tik tuo, kad garas turbinomis gaminamas ne įprastinėse organiniu kuru kūrenamose katilinėse ar atominiuose reaktoriuose, o garo turbinose, kuriuos įkaitina koncentruoti saulės spinduliai.

Tokie įrenginiai galimi tik didelio Saulės intensyvumo sausringose ir aukšto Saulės aktyvumo šalyse. Šiems tikslams naudojami trijų tipų Saulės energijos koncentravimo įrenginiai:

1. Parabolinių reflektorių su vamzdžio formos absorberiu.
2. Parabolinės diskinės sistemos,naudojančios įgaubtus diskinius veidrodžius su taškiniu absorberiu;

Elekrinės su plokščiaisiais reflektoriais ,nukreiptais i bokšto viršūnėje esantų absorberį.

Didžiausia pasaulyje saulės energijos jėgainė. CS500 jėgainės lėkštė yra sudaryta iš 112 kvadratinių veidrodžių. Saulei pakilus penkis laipsnius virš horizonto, lėkštė pradeda sekti jos kelią.

Abengoa Solar įrengė ir pradėjo eksploatuoti didžiausią pasaulyje 20 MW galios komercinį saulės energijos parką. Pasak kompanijos atstovų testavimo metu PS20 saulės energijos parko galia viršijo projekte numatytą galią.

Šalia Sevilijos Ispanijoje įsikūręs Solucar platformoje PS20 yra antras komercinis saulės energijos parkas, turintis daug technologinių pranašumų palyginus su jo pirmtaku PS10. Naujajame parke buvo patobulintos aukšto efektyvumo energijos surinkimo, valdymo ir aptarnavimo, terminės energijos akumuliavimo sistemos.

PS20 sudaro 1255 heliostatų lauko, kurių kiekvieno paviršiaus plotas sudaro apie 400 kvadratinių metrų. Jie atspindi saulės spindulius tiesiai į energijos surinkėją, kuris randasi 160 metrų aukščio bokšto viršūnėje. Čia saulės spinduliai gamina garą, kuris generatoriaus pagalba paverčiamas į elektros energiją.

1.1    Pasyvus saulės šildymas

Pati pasyviojo šildymo paskirtis kelia kitokių reikalavimų saulės energijai panaudoti, negu šilumos ir elektros gamyba iš saulės energijos. Pasyviam šildymui visai neaktualus saulės energijos naudojimas nešildymo sezono metu, bet aktualus maksimalus jos išnaudojimas tik šildymo sezono metu, t.y. mažiausio saulės spinduliavimo periodu.

Pasyviojo saulės šildymo sistema apima namo sudedamųjų dalių ( langų, sienų, grindų ir kt. ) konfiguraciją ir išdėstymą taip, kad saulės energija būtų maksimaliai kaupiama, išsaugoma ir tinkamai paskirstoma.

Į namą patenka ne tik tiesioginė saulės šviesa, bet dar dalis išskaidytos atmosferoje bei atsispindėjusiosnuo žemės paviršiaus ir kitų daiktų šviesa.Į namo vidų patenka ir namo išorėje esančių saulės įkaitintų daiktų šiluma. Ji patenka laidumo, konvekcijos ir spinduliavimo būdais.

Be tiesioginio bei išsklaidyto saulės šviesos šilumos patekimo i šildomą erdvę, projektuojamos ir specialios pasyviojo šildymo priemonės:

1. Saulės siena;
2. Trombinė siena;
3. Saulės erdvė.

Tiek saulės siena ,tiek ir trombinėsiena vadinama i pietus nukreipta masės siena, atliekanti šilumos akumuliatoriaus funkciją. Tiek viena, tiek ir kita siena gali būti iš betono , plytų, ar statybinių blokų. Ji turi tamsų matinį paviršių ir efektyviai sugeria Sulės spindulius.

  Trombinė siena skiriasi nuo saulės sienos ,tuo, kad papildomai turi angas į šildomą patalpą apačioje ir viršuje. Dėl šios priežasties trombėsiena sukuria uždarą oro cirkuliavimo kilpą veikiančių oro konvekcijos principu.

1       Vėjo energija

1.1    Vėjo energija Europoje – 70 000 MW 2010 m.

Vėjo energija pastarąjį dešimtmetį pradėta vertinti kaip nacionalinį kiekvienos valstybės turtą, lygiai taip pat kaip organinio kuro(naftos, dujų) išteklius. Šie energijos resursai, skirtingai negu organinio kuro, yra neišsibaigiantys. Jų panaudojimas duoda didelę ekologinę, socialinę ir politinę naudą, o artimoje ateityje tieks  neabejotinai ir ekonominę naudą.

Vėjo energijos technologijos pastarąjį dešimtmetį tapo labiausiai besivystančiomis technologijomis visame pasaulyje. 2005 m. elektrinių pasaulyje jau buvo įrengta      57 837 MW. Didžioji jų dalis – 70,6% -, t.y. 40 455 MW, įrengta  Europoje, 16,8% – Šiaurės Amerikoje ir  12, 6% likusiame pasaulyje

ES 2005 m. iš vėjo energijos buvo pagaminta  69,5 TWh elektros energijos, arba daugiau 21,7% negu 2004 m. Tai daugiau negu 2% viso elektros energijos generavimo ES

5.diagrama:

Pagal vėjo elektrinių įrengta suminę galia ES dominuoja Vokietija ir Ispanija, tačiau pagal vėjo elektrinių lyginamąją galią t.y galią tenkinančių 1000 šalies gyventojų, pirmauja Danija, pralenkdama Vokietija daugiau nei du kartus.

2005 m. Danijoje jau veikė per 5000 vėjo turbinų. Daugiau kaip 80% jų priklauso vėjo energijos kooperatyvams arba individualiems fermeriams. Per 100 tūkts. Danijos šeimų vėjo turbinų arba kooperatyvų akcijų savininkai. Danijos energijos vartojimo krepšelyjen vėjo energija sudaro 7% . Danijoje ir Švedijoje investuoti pinigus į vėjo energetika yra pelningiau nei laikyti juos banke.

1997 m. Europos Komisijos Atsinaujinančių energijos šaltinių Baltojoje knygoje buvo numatyta, kad vėjo elektrinių įrengtas galingumas iki 2010 m. išaugtų iki 40 000 MW, o jų pagamintos elektros energijos kiekis pasiektų 80  TWh per metus. Toks vėjo elektrinių pagamintos energijos kiekis leistų sumažinti kasmet CO₂ dujų energijos sektoriuje 72 mln. tonų.

Tačiau Europos vėjo asociacija (EWEA), aprobavusi 1997 m. Baltosios knygos numatytus tikslus, po trejų metų tuos tikslus peržiūrėjo ir įžvelgė papildomų galimybių numatytą galią padidinti iki 60 000 TWh , o iki 2010 m. įrengtą galią padidinti iki 150 000 MW.

To laikotarpio vėjo energijos rinkos augimas ir vėjo elektrinių gamybos bei statybos technologijų tobulėjimas buvo tokie spartūs, kad jie davė pagrindą EWEA’ ai 2003 m. dar kartą revizuoti vėjo elektrinių plėtros tikslus ir juos dar kartą padidinti. EurObserv’ER 2006 skelbiamais duomenimis, prognuozojama, kad 2010 m. Įrengta vėjo elektrinių galia ES pasieks 70 000 MW.

Intensyvus vėjo energijos rinkos augimas ir technologijų pažanga leidžia teigti, kad šie uždaviniai yra višiškai pagrįsti ir pasiekiami

2010 m. planuojamos vėjo pramonės charakteristikos apibūdinamos tokiais skaičiais

• Įrengta galia – 70 000 MW, iš jų10 000MW atviroje jūroje
• Metinės pagamintos elektros energijos kiekis  – 167 TWh, t.y 50% visos elektros energijos, numatytos pagaminti iš atsinaujinančių energijos šaltinių ir 5,5 % bendro elektros energijos kiekio; šis kiekis ekvivalentiškas 34,27 milijono Europos šeimų, arba 85,7 milijonų milijonų žmonių, metiniams poreikiams.
• Suminės investicijos į vėjo pramonę – 49 mlrd. EUR.

Nauda, kurią suteikia vėjo energijos galingumų išvystymas, yra visapusė: ekonominė, ekologinė, socialinė ir politinė. Numatytas vėjo energijos pramonės išvystymas  leis per dešimtmetį :

• Išvengti 13,2 mlrd. EUR  išlaidų organiniam kurui pirkti ;
• Sutaupyti 9,4 – 24 mlrd. EUR  išorinių išlaidų
• Sumažinti CO₂  emisiją 523 Mt, t.y. EB įvykdyti 30%  Kioto protokolo įsipareigojimų
• Padidinti naujų sukurtų darbo vietų skaičių iki 3 400 000.

Tolesnėje perspektyvoje, t.y. 2020 m. proguozojama, kad vėjo elektriniu įrengtoji galia sieks 180 000 MW, ir jos generuos 425 TWh elektros energijos per metus. Šis kiekis sudarys 12,1 % viso ES elektros energijos poreikio

Europos šalys, naujai prisijungusios prie Europos Sąjungos, vėjo pramonės vystymu taip pat nebus paliktos nuošalyje. 2003 m. pavasarį į Europos Tarybos susitikimą pakviesti šalių kandidačių vadovai buvo paraginti prisidėti prie ES tikslų įgyvendinimo paspartinimo, suintensyvinti pastangas didinant elektros energijos gamybą iš atsinaujinančių energijos šaltinių, nustatyti savo nacionalinius tikslus šioje srityje kiekvienai šaliai atskirai.

1.1    Vėjo energijos charakteristikos

Vėjas – tai horizontalus atmosferos oro masių judėjimas, sąlygotas Saulės energijos, išspinduliuotas į Žemės paviršių, ir Žemės rutulio sukimosi jėgų.

Oro masių judėjimas kyla dėl nevienodo Žemės ir vandenynų paviršiaus, o kartu ir dėl paviršinio oro įšilimo veikiant Saulės spinduliams. Apie 1-2%   Saulės energijos, spinduliuojamos i Žemę, tenka globaliniam oro masių judėjimui sukelti.

Oro masių judėjimas prasideda todėl, kad įšilęs oras tampa lengvesnis ir kyla į viršų, šaltas oras – priešingai: leidžiasi į apačią. Kita priežastis, dėl kurios oro masės pradeda judėti, – tai slėgių skirtumas tarp dviejų viename horizonte esančių skirtingo oro masių. Oro masės juda iš aukštesnio slėgio zonos į žemesnio slėgio zoną tol, kol slegiai išsilygina. Žemės atmosfera , t.y dujinis jos apvalkalas susideda iš 5 sluoksnių: troposferos, stratosferos, mezosferos, termosferos ir egzo sferos.   Kiekvieną sluoksnį nuo kito skiria pereinamasis sluoksnis – pauzė, kuriame atmosferos parametrai išlieka mažai tepakitę.

Nors atmosfera susideda iš keleto sluoksnių, tačiau vėjų sistema formuojasi apatiniame, pačiame  tankiausiame atmosferos sluoksnyje – troposferoje. Troposferą nuo stratosferos  skiria pereinamasis sluoksnis – tropopauzė. Troposferos aukštis ties pusiauju 17 km, poliarinėse srityse 7km. Ties Lietuva viršutinė troposferos riba  svyruoja nuo 9,8 km žiemą iki  11,2 km vasarą.

Troposferoje yra susikaupe apie  80% visos oro masės. Kylant aukštyn, oro tankis sparčiai mažėja. Troposfera savo ruožtu skirstoma į paribio sluoksnį – nuo Žemės paviršiaus iki 1,5km, ir laisvąją atmosferą. Paribio sluoksnyje oro savybės priklauso nuo apačioje esančio Žemės paviršiaus vietinių savybių.

Paribio sluoksnyje dar išskiriami du posluoksniai: pažemio – nuo žemės paviršiaus iki 2 m aukščio ir priežemio – nuo 2 m iki 100 m. pažemio sluoksnyje oro temperatūros, drėgmės, vėjo greičio gradientai yra didžiausi.

Vėjų sistema pagal vertikalę skirstoma i geostrofinį vėją ir paviršinį vėją. Geostrofiniu vadinamas vėjas, kuris susidaro aukščiau  kaip 1000 m aukštyje.  Vėjas, kuris veikia žemiau šios ribos, vadinamas paviršiniu vėju. Geostrofiniam vėjui Žemės paviršiaus sąlygos praktiškai neturi įtakos. Tačiau paviršinis vėjas yra labai stipriai veikiamas Žemės paviršiaus  geografinių sąlygų. Vėjui iki 100 m aukščio labai didelę įtaką turi Žemės paviršiaus nelygumai, įvairios kliūtys, kurios vadinamos paviršiaus šiurkštumu.

Vėjų klasifikacija:

Vyraujantys (reguliarūs) vėjai yra globalinio masių judėjimo apraiška. Šiai kategorijai priskiriami:

▪     Pasatai (trade winds) – neskaitant tam tikrų vėjų Antarktikos bei Grenlandijos ledynuose, šie pusiaujo regiono vėjai yra patys pastoviausi planetoje. Šiais vėjais vadovaudavosi laivai, ankstyvosiose kelionėse iš Europos į Šiaurės ir Pietų Ameriką. Jie siejasi su Hedlio cirkuliacijos modeliu (Hadley cell). Šie vėjai pučia iš šiaurės rytų link pusiaujo šiaurės pusrutulyje ir iš pietryčių pietų pusrutulyje.

▪     Vakariniai (westerlies) – vidutinių platumų vėjai, susiję su Ferelo cirkuliacijos modeliu (Ferrel cell) ir pučiantys link ašigalių: iš pietvakarių šiaurės pusrutulyje ir šiaurės rytų pietiniame pusrutulyje. Šie vėjai gali būti labai stiprūs, ypatingai pietiniame pusrutulyje (40–50 laipsnių platumose), kur yra mažiau vėjams kliudančios sausumos.

▪     Poliariniai rytiniai (polar easterlies) – vėjai, vyraujantys poliarinėse platumose, pučiantys nuo aukšto slėgio regionų ašigaliuose (į pietus šiauriniame pusrutulyje ir į šiaurę pietiniame). Jie yra paprastai silpni ir nereguliarūs.

▪     Atmosferos sraujymės (jet stream) – tai palyginus siauros, vingiuojančios formos, nutrūkstančios oro srovės, greitai judančios atmosferoje maždaug 11 km aukštyje, dažniausiai iš vakarų į rytus abiejuose pusrutuliuose.

Sezoniniai vėjai – tai vėjai, kurie egzistuoja tik tam tikro sezono metu, pvz., Indijos musonai.

Sinoptiniai vėjai susiję su didelio masto reiškiniais, tokiais kaip šilti ar šalti atmosferos frontai, ir yra kasdieninių orų sudėtinė dalis. Prie šių vėjų priskiriami geostrofiniai (pučiantys išilgai izobarių, dėl slėgio gradiento ir Koriolio efekto sąveikos), gradientiniai ir ciklostrofiniai vėjai (uraganai, tornadai).

1.2    Vėjo energijos ištekliai Lietuvoje

Vėjo greitis – svarbiausias jo parametras vėjo energijos panaudojimo požiūriu. Tuo tikslu sudaromi atskirų valstybių ir kontinentų vėjo atlasai.

   Lietuvos vėjo atlasą pagal UNDP/GEF Regioninę Baltijos vėjo energijos programą (The UNDP/GEF Regional Baltic Wind Energy Program) sudarė Danijos Riso Nacionalinė laboratorija(Riso National Laboratory, Roskilde, Denmark) 2003 m.

Atlase daugiamečiai vidutiniai vėjų greičiai parodyti standartiniame aukštyje (50 m.) standartinio šiurkštumo (antros klasės paviršiuje). Atskiriems šalies regionams pateikti daugiamečiai vidutiniai vėjo greičiai 10 ir 50 m aukščiuose5.lentelė:

1.1    Jėgainių tipai

Vėjo jėgainės pagal vėjaračio ašies orientaciją erdvėje skirstomos į du tipus: horizontalios arba vertikalios ašies.

Vėjo jėgainės, kurios sukasi ant Horizontalios ašies yra žymiai labiau paplitusios. Horizontalios ašies vėjo jėgainės greitaeigiškesnės, mažesnio svorio, vieno instaliuoto kilovato kaina paprastai yra mažesnė negu vertikalios ašies jėgainių. Pagrindinės horizontalios ašies vėjo jėgainių dalys yra vėjaratis, greičių dėžė, generatorius, gaubtas, bokštas. Vėjaratis gali turėti įvairų skaičių sparnų ir suktis kintamu arba pastoviu greičiu. Plačiausiai paplitusios dviejų – trijų sparnų horizontalios ašies vėjo jėgainės. Vertikalios ašies nedidelės vėjo jėgainės, nors ir paprastos konstrukcijos, turi gana daug trūkumų. Jos lėtaeigės, didelių gabaritų, vėjo energijos kiekis, pratekantis per besisukančių sparnų užimamą plotą, vėjaračio mažai panaudojamas (neviršija 18 proc.). Pagrindinis jų privalumas, kad nereikalinga orientacijos sistema pagal vėjo kryptį, o svarbūs jėgainės elementai – greičių dėžė, generatorius gali būti sumontuoti ant jėgainės pamato.

1.1    Vėjo jėgainės Lietuvoje

Pramoninė vėjo energetika pradėjo plėtotis 2002 metais, kai Skuode buvo įrengta pirmoji Lietuvoje vėjo elektrinė. Tai buvo naudota iš Danijos atgabenta 160 kW galingumo vėjo elektrinė.

2004 metais „su dievo pagalba” buvo pastatyta bei prijungta prie elektros tinklo 630 kW galingumo vėjo elektrinė Vydmantuose (šalia Palangos), priklausanti Kaišiadorių vyskupijai.

Pirmas vėjo elektrinių parkas buvo įrengtas netoliese, Lankučių kaime. Tačiau danams priklausančios bendrovės UAB BNE 5,4 MW vėjo elektrinių parkas taip ir nebuvo prijungtas prie elektros tinklo. Po kelių teismų įmonės savininkai nusivylė Lietuvos požiūriu į pažangias technologijas ir išsivežė vėjo elektrines į Lenkiją, kur jos sėkmingai dirba iki šiol.

Stambiausias vėjo elektrinių parkas įrengtas 2006 metais Kiauleikių, Kviečių ir Rudaičių kaimuose (tarp Palangos ir Kretingos). Jo galingumas siekia 30 MW, o per metus pagaminama apie 64 000 000 kWh.

Didžiausios vėjo elektrinės įrengtos 2006 metais šalia Bėnaičių ir Žinialių kaimų. Kiekvienos iš 6 vėjo elektrinių aukštis siekia 100 metrų, o vieno sparno ilgis – apie 50 m. 2,75 MW galingumo vėjo elektrinės pagamintos pasaulio vėjo energetikos pramonės lyderio, Danų kompanijos Vestas. Tai buvo tuo metu galingiausios vėjo elektrinės visoje Europoje.

6.lentelė:Vėjo energetikos plėtros Lietuvoje statistika, išreikšta skaičiais.

1.2    Vėjo turbinos įtaka aplinkai

Vėjo turbinos pakeičia organinį kurą, naudojamą elektros energijai gaminti. Organinis kuras deginamas išskiria daug teršalų, anglies dioksidą, metaną, sieros dioksidą, azoto oksidus, chloro-fluoro anglies junginius, sunkiuosius metalus. Į atmosferą išleisti teršalai sąlygoja daugelį aplinkos kitimo problemų: sukelia šiltnamio efektą ir globalinę klimato kaitą, smogus, rūgščiuosius lietus, naikinančius augaliją ir oksiduojančius dirvožemį.

Dėl to vėjo energijos panaudojimas yra labai svarbus veiksnys aplinkosaugos problemoms spręsti: šiltnamio efektui mažinti, rūgštiesiems lietums mažinti ir kt. Vėjo turbinos pagamina 1 kWh elektros energijos leidžia išvengti :

CO₂                                    850,0 g

SO₂                                                      2,9 g

NO₂                                   2,6 g

Dulkių                               0,1 g

Šlako ir lakiųjų pelenų      550 g.

Vėjo energijos panaudojimas leidžia atsisakyti organinio kuro importo ir tuo mažinti ekonominę, o kartu ir politinę priklausomybę nuo šalies kuro importuotojos, stiprinti šalies suverenitetą ir nepriklausomybę.

Moderniu aplinkosauginiu supratimu, bet kokios energijos tiekimo sistemospoveikis aplinkai turi būti vertinamas per visą šios sistemos gyvavimo ciklą, apimantį paties energijos šaltinio utilizavimą.

Nors vėjo energijos naudojimui būdingi principiniai aplinkosauginiai privalumai, jis sukelia kai kurių specifinių aplinkosauginių problemų, kurios nebūdingos kitiems energijos šaltiniams. Tai vizualinis poveikis, triukšmas, galimos kliūtys skrendantiems paukčiams. Europoje galioja normos , pagal kurias vėjo turbinos turi stovėti ne arčiau kaip 150 m nuo gyvenamojo namo, o turbinos, kurių galia didesnė nei 1 MW, – ne arčiau kaip per 200-300m.

1.3    Vėjo energijos ekonominiai ir socialiniai aspektai

Vėjo energijos ekonominį gyvybingumą nusako pagamintos elektros energijos gamybos kaštai. Gamybos kaštai savo ruožtu nėra pastovus dydis. Juos labai veikia keletas svarbiausių parametrų:

• Vėjo režimas turbinos įrengimo vietoje
• Kapitalinės investicijos vėjo turbinai įrengti dydis
• Kapitalo palūkanos
• Vėjo turbinos efektyvumas
• Turbinos eksploatacijos kaštai

Lyginamoji vėjo elektros energijos kaina pastarąjį dešimtmetį smarkiai sumažėjo ir prognozuojama ją toliau mažėsiant.

Lemiamas faktorius pagamintos elektros energijos gamybos kaštams pirmiausia  yra tos vietovės režimas turbinos bokšto aukštyje. Elektros energijos gamybos kaštams pastebimą įtaką turi vieta, kurioje vėjo turbina įrengta. Jūroje įrengtų turbinų jie pastebimai mažesni.

Vėjo energijos lyginamųjų kaštų sumažėjimui esminę įtaką turėjo spartus kapitalinių išlaidų turbinų gamybai mažėjimas per pastaruosius dešimtmečius. Per 10 metų jos sumažėjo  50%. Investicijos vėjo turbinai kaina sudaro apie 80% visos investicijos.

Europos vėjo energijos asociacijos ir Greenpeace paskelbtame bendrajame dokumente prognozuojamas tolesnis vėjo pramonės spartus augimas, lyginamųjų investicijų mažėjimas, vėjo elektros kainos mažėjimas ir spartus naujų darbo vietų augimas vėjo pramonėje.

Europos Komisijos paskelbti tyrimų pagal projektą ExternE rezultatai leido išsamiai įvertinti visus elektros energijos gamybos būdus ir juos palyginti. Visa tai įvertinus, matyti, kad vėjo energijos panaudojimas reikalauja beveik tokių pačių  kapitalo investicijų kaip ir branduolinės energijos, tačiau nereikalauja jokių kuro sąnaudų. Pagal gamybinių kaštų lygį vėjo elektros energija konkurencinga įprastiniu būdu pagamintai elektros energijai. Tačiau, įvertinus išorinius kaštus, ji akivaizdžiai pranašesnė prieš kitus jos gamybos būdus.