Най-природосъобразният възобновяем енергиен източник, без съмнение, е слънцето. Трансформацията на естествената дневна светлина в електрически ток, чрез фотоволтаични модули, е най-екологичният начин на преобразуване на слънчевата светлина в електричество. Казваме "светлина", за да подчертаем, че не е необходимо, нито пряко слънчево греене, нито е задължително южно изложение на фотоволтаиците, за да могат те да генерират електроенергия. В Република България, като пълноправна държава в Европейския съюз, дългосрочно нормативно е гарантирано успешното развитие на възобновяемите енергийни източници, посредством мощни икономически и административни стимули и преференции. От инвестиционна гледна точка всички видове фотоволтаични проекти са привлекателни за средносрочни и дългосрочни капиталовложения. От 1 януари 2007 г. са в сила новите преференциални тарифи за изкупуване на генерираната електроенергия от фотоволтаични генератори, които достигат до 40 евроцента за произведен киловатчас, и то без никакви квотни или други ограничения. Повече за печелившите инвестиции в частни и общински фотоволтаични електроцентрали вижте тук.


Без съмнение, инвестициите във фотоволтаичните генератори и системи, както и в соларни паркове са новата печеливша вълна за законово гарантираните капиталовложения у нас, както преди се случи вече с ВЕЦ и понастоящем - с вятърните електроцентрали. Но дотолкова, доколкото изкупната цена на тока от ВЕЦ значително изостава от преференциите за вятърните и слънчевите електроцентрали, то развитието на вятърните и фотоволтаичните електроцентрали ще се става със силно ускорени темпове. Продължаващият и задълбочаващ се глобален енергиен дефицит на изкопаеми горива, както и в европейските държави, включително и в нашата, нараства. Увеличава се икономическата зависимост на евродържавите от страните - износители на петрол, природен газ и други дефицитни първични енергоизточници. В тази връзка започна подготовката на нова програма за развитие на възобновяемите енергийни източници в Европа. Тя предвижда рязко нарастване на дела на алтернативните и възобновяемите източници при покриване на енергийните и горивните нужди на евродържавите. В унисон с вече съществуващата и новата (от 2007 г.), още по-строга политика на ограничаване на изкопаемите неекологични източници на енергия е и българската вътрешна икономическа политика, която стимулира развитото на сектора на естествено възстановяеми енергийни източници.

Енергията е двигател на цивилизацията. Но човечеството е изправено пред опасността източниците за нея да се изчерпят. Полезните изкопаеми - нефт, газ, въглища - намаляват. Образували се в продължение на милиони години, за 200 години ние ги изровихме, изкопахме, изсмукахме със сонди. Според прогнозите на петролните магнати нефтените залежи биха стигнали за още 40-50 години, а според актуално проучване на фирмата Ludwig Bolkow Systemtechnik - само за още 20-30 години. Банковите институции смятат, че при тази ситуация цените на петрола ще скочат още един път двойно през следващите пет години. Бъдещето на човечеството зависи от това, с какво количество енергия то ще разполага. Отговорите на този въпрос трябва да бъдат намерени още сега - в краткосрочен, както и в дългосрочен план. Например, фотоволтаиците навлизат и в масовия транспорт. Много европейски железници вече са започнали да монтират слънчеви батерии на покривите на някои гари. В Германия е създадена е специална група за проектиране “Солар”, която започна използването на придобитата от слънцето енергия за нуждите на железницата.

С оглед на новите цени на тока, генериран от фотоволтаици, вече в сила у нас, стават много изгодни инвестициите, както в малки домашни фотоволтаични инсталации, така и в големи соларни фотоволтаични паркове. И двата вида обекти се субсидират с 50% грант по евро програмите. А когато става въпрос за обекти на общините или публично частни партньорства - то финансирането е изцяло безвъзмездно - повече за това вижте на http://pres.solextra.eu

Дефицитът на фосилните енергоизточници неминуемо се увеличава, независимо от конюнктурните цени на петрола. Затова е нереалистично е да се очаква, че енергията някога ще поевтинее. Атомната енергия е свързана с проблема за съхраняване на радиоактивните отпадъци. Вятърът и водата не достигат, за да бъде задоволен гладът на човечеството за енергия. Крайно време е да се обърне повече внимание на единствения засега неизчерпаем източник на енергия: слънцето.

Вероятно децата ни, но със сигурност нашите внуци ще бъдат свидетели на края на епохата на нефта. Търсят се алтернативни решения за намиране на енергийни източници, защото всички досегашни традиционни форми за добиване на енергия имат своите недостатъци. Те или оставят след себе си опасни радиоактивни отпадъци (атомната енергия), или променят климата на планетата (въглищата). Има достатъчно ветрени, водни и слънчеви източници на енергия, но техниката за производството є чрез тях е много скъпа, затова засега те покриват едва 2,5 % от енергийните нужди на планетата.

Освен това не бива да се пропуска фактът, че населението на земята непрекъснато се увеличава. Ако преди 100 години то е наброявало един милиард, през 2000 г. земните жители са вече около шест милиарда, а през 2010 г. се очаква броят им да достигне около осем милиарда. За да разберем какво означава това, можем да дадем за пример Китай, където 1,3 млрд. души се придвижват през огромната страна с три-четири милиона автомобила. Ако там съотношението между населението и броя на колите е като в развитите страни, би трябвало да има 730 млн. леки коли. И неизбежно възниква въпросът: откъде ще се вземе горивото за тях?

За първи път явлението фотоелектродвижеща сила е наблюдавано от Адамс и Дей през 1876 г. при осветяване на селенови пръчки, но фотоелемент за практическо използване е създаден едва през 1954 г. в лабораториите на фирмата “Бел”.

До първата нефтена криза през 1973 г., освен за някои приложения във военното дело, фотоелементите се изследват, разработват и произвеждат единствено за космически цели. “Крилата” на спътниците и космическите станции са такива фотоелектрически модули.

В периода между първата и втората нефтена криза през 1978 г. масово се изработват фотоелементи за калкулатори, часовници и детски играчки. Отново само военните влагат средства за разработване на маломощни автономни източници за захранване на преносими радиостанции, ретранслатори и крайбрежна сигнализация.

Най-значително в този период инвестиране за граждански цели е при разработването на фотоелементи за корозионна защита на нефтопроводите.

След втората нефтена криза много правителства, но най вече на Япония и САЩ, влагат средства в програми за фотоелементи и фотоволтаични системи за голямата енергетика. Освен като независими източници на енергия, тези системи могат да се включват в електрическите мрежи.

Днес това се смята като много перспективно направление, защото се избягват допълнителното акумулиране на получаваната през деня и лятото енергия.

През периода 1982 – 1985 г., когато президент на САЩ е физикът Картър, са финансирани много проекти, включително и за изграждането на големи фотоволтаични централи. Поради понижаване цените на петрола през осемдесетте години на миналия век интересът към фотоелектричеството намалява.

Днес опасността от екологични катастрофи прави използването на слънчевата енергия отново актуална необходимост. Фотоелектричеството е най-чистият източник на енергия.

В момента неявно с новите отоплителни уреди съвременната цивилизация вече използва слънчева енергия. Всички климатизатори, които са на принципа еъркандишън са термопомпи. При един киловат електрическа мощност на агрегата в стаята се вкарват 3 киловата топлинна мощност. Няма друго нагревателно средство, чието КПД да е повече от единица.

Това не е перпетуум мобиле, а е инсталация, която изпомпва топлина от околната среда. Тази топлина е резултат от слънчевата радиация, която е неизчерпаем резервоар на енергия.

Употребата на биомасата за гориво също е използване на слънчева енергия. Дали са растителни отпадъци или дървета - те са концентрирана слънчева енергия. Дори има начин за получаване на гориво за двигатели от слънчева енергия чрез използване на растения.

Култивират се и се отглеждат маслодайни култури, които произвеждат масло, което изгаря като дизеловото гориво. Това е слънчева енергия преобразувана чрез фотосинтеза.

Засега слънчевата енергия не е алтернатива на горивата, които масово употребяваме, но може да бъде добавката, която да се използва пълноценно.

Немската програма за енергетика залага на следната ясна последователност при осъществяването с:

Първата стъпка за осигуряване на едно по-добро енергийно бъдеще трябва да бъде направена още сега и всеки може да допринесе за това: става въпрос за по-ефективното използване на енергията при строителството на жилища. Вероятно това е последният ни шанс, за да можем да спазим обещанието си за опазване на околната среда. До 2012 г. вредните емисии на въглероден двуокис, които водят до повишаване на температурата на земята, трябва да бъдат намалени с 21 % спрямо 1990 г. В техническо отношение отоплителните системи на жилищата под наем са в много по-лошо състояние, отколкото в собствените жилища. За да може този проблем да бъде решен, трябва да бъдат намерени необходимите средства.

Около 80 % от енергията, изразходвана за битови нужди, все още отива за отопление, като голяма част от нея просто излита през прозорците. Около две трети от тази енергия би могла да бъде икономисана чрез по-добра топлоизолация на външните стени, пода и мазетата на сградите, както и чрез използването на прозорци с топлоизолационни стъкла. В съвременните условия с помощта на висококачествена топлоизолация е възможно да бъдат построени сгради, които могат да минат и без отопление. За уточнение - става дума само за ново строителство. Оптималната топлоизолация на сградите е един от пътищата. Другият е внедряването в тях на отоплителни системи от напълно нов тип.

Втората стъпка трябва да бъде направена през следващите три-четири години. “Тогава на пазара ще станат конкурентоспособни децентрализираните системи като електрохимичните генератори, които произвеждат електричество и топлина с много по-висок КПД”. Отказът от ядрена енергия ще започне от мазетата на сградите. Реакцията на гърмящия газ, която е в основата на електрохимичния генератор, е известна на всеки от учебника по химия - водородът и кислородът се съединяват и при реакцията се отделя голямо количество енергия.

Описаният факт е открит още през 1839 г. (много преди теорията за деленето на атома), но едва сега, благодарение на модерната техника, “големият взрив” може да бъде овладян. Тъй като производителите на автомобили също са заинтересовани от електрохимичния генератор (горивните клетки, както по-често се нарича напоследък и затова това наименование е избрано в изложението в тази книга), съществува голяма конкуренция при научните изследвания, която скоро ще създаде предпоставки за икономичното є прилагане в стационарни и мобилни съоръжения.

С високия си коефициент на полезно действие - над 80 %, електрохимичният генератор (горивната клетка) е с “няколко дължини” пред другите методи за превръщане на енергията. При модерните електроцентрали, които работят на въглища, той например е два пъти по-нисък. Но в случая само “пещта” е нова: необходимото гориво - газът водород, и за напред трябва да се добива от подземните енергоизточници (предимно от природния газ). Но също така и чрез електролиза на вода, която засега се ползва за производство на около 5% от световнато производство на водород. В книгата, по-специално в глави 11 и 12 са представени иновативни инсталации за производство на водерод.

Като трета стъпка - на дневен ред идва слънцето: лъчите му могат да произвеждат топла вода, но също така директно и ток. За това е необходим друг елемент - слънчевата батерия, върху която се работи от десетилетия. Налагането є като масов продукт се очаква да стане до 2020 г., най-късно до 2030 г., макар че пътят за разработването и усъвършенстването є продължава да е труден и много от първоначалните очаквания не са изпълнени. “Във всеки случай през последните 15 години цената на съоръженията със слънчеви батерии е паднала с близо 50 %”, споделя Ролф Диш, водещ архитект в областта на соларната техника в Германия. Собственото му жилище, наречено “хелиотроп”, не само изглежда като пренесено от бъдещето, но доказва, че днес могат да бъдат осъществени строителни обекти, които произвеждат повече енергия, отколкото консумират.

Но слънчевата енергия не бива да остане само на покрива на “хелиотропа” на Диш, затова четвъртата стъпка е оборудването на големи площи със съоръжения за “улавяне” на слънчевите лъчи в регионите, където излъчването на нашия основен светлинен и топлинен източник е най-силно и където блестящите синкави ареали биха пречили най-малко на населението.

Получената по този начин електрическа енергия би могла да служи за разделяне на водата на водород и кислород, като полученият водород бъде транспортиран с кораби или магистрални тръбопроводи до потребителите. Специалистите предполагат, че това ще бъде осъществено до 2050 г., а по някои по-нови оценки - значително по-рано.

В момента в Исландия и на редица други места, включително и от екип на фондация “Ековат технологии”, се изпитват възможностите за производство, съхраняване и оползотворяване на водорода, макар и на основата на топлината, отделяна от земята, водната сила, слънчевото греене и вятъра.

Очевидно е, че с поскъпването на петрола идва редът на по-широкото настъпване на слънчевата енергетика, която все още е най-скъпият начин за получаване на електричество от всички възобновяеми енергоизточници. Затова в западна Европа, 1 киловатчас произведена енергия от фотоволтаик се заплаща по преференциална цена, варираща от 35 до 50 евроцента, в зависимост от държавата и мощността на инсталацията. Благодарение на тези преференции в Германия, Испания и други страни вече се експлоатират фотоволтаични електроцентрали с мегавати инсталирани мощности. Капиталовите разходи на такива електроцентрали варрат от 4.2 до 4.8 евро на ват инсталирана мощност, но благодарение на преференциалните изкупни цени, такива инвестиции се възвръщат за време, съизмеримо с това на възвръщане на инвестициите във вятърни електроцентрали. Очевидна е тенденцията, чрез преференциални изкупни цени, да се дадат приблизително равни икономически перспектви за развитието на различните ВЕИ. За съжаление у нас този процес се забавя по различни причини.

За масовото внедряване на фотоволтаиците предстои да бъде извършена още много изследователска работа. Слънчевата батерия трябва да стане по-ефективна, по-надеждна и преди всичко да функционира по-икономично. При това в бъдеще размерът на елементарните частици ще играе решаваща роля. Благодарение на най-новите покрития с полупроводникови наночастици, чиято големина е само една милионна част от милиметъра, може да се очаква икономия на разходи в размер на 80 % в сравнение с използваните днес силициеви технологии за производството на слънчеви батерии. Разработена е нова концепция за чувствителни на цветове нанокристални полупроводникови покрития, която е довела до увеличаване на КПД дори при слабо дифузно осветление - решение, което е идеално за региони с оскъдно слънце.

Поощрение за производството на повече ток от слънчева енергия представлява програмата на федералното правителство на Германия “100 000 покрива със слънчеви батерии”. Заявки за инсталации с обща мощност от 50 MW се подкрепят с изгодни кредити от Кредитния институт за възстановяване. Други заеми се отпускат по Извънредната програма за производство на електроенергия от слънцето. Строителите на къщи със слънчеви батерии също получават отстъпки съгласно енергийния закон.

Така например големите потребители трябва да плащат по 45 евроцента за KWh на дребните производители. Тези, които досега са имали на покрива си инсталация със слънчеви батерии като източник на алтернативна енергия, са допринасяли повече за опазване на околната среда, отколкото за увеличаване на финансите си, защото инвестирането в такава инсталация се е оказало нерентабилно. Но от април 2000 г. всеки kWh, който те произвеждат с инсталациите си със слънчеви батерии, но не използват за собствени нужди, а подават в националната електрическа мрежа им се заплаща по 45 евроцента. Ако бъде ползван кредит от правителствената програма “100 000 покрива”, инсталацията би се изплатила от само себе си. Съгласно тази програма на покривите на домовете могат да бъдат инсталирани съоръжения за слънчева енергия с мощност 300 MW. Едно 4-членно семейство се нуждае годишно от около 300 kWh. Тази нужда може да бъде покрита от фотоволтаична инсталация за 4 kW.

За немската програма “100 000 покрива” е писано и говорено много, но от нея произлиза едно важно сравнение: В Германия пресмятанията на цената на фотоелектричеството са направени за 800 часа слънчево греене в годината. За България годишното слънчево греене е 2000-2500 часа. В София средният годишен добив на електроенергия от 1 kW инсталирана мощност е повече от два пъти по-висок отколкото в Германия. При това районът на столицата е с най-ниска за България плътност на слънчевата радиация.

Следователно, ако имахме правителствена програма ”100 000 покрива в България”, бихме изразходвали по-малко средства за получаването на по-евтина електроенергия от тази в Германия.

За една година Земята получава от слънцето около 1,96.10²¹ килокалории лъчиста енергия, която е около 10 пъти повече от всички нейни енергийни запаси взети заедно. На практика количеството електроенергия, която би могла да се получи чрез фотоелементи, е физически неограничено.

Проблемът е в площта, върху която ще бъдат разположени тези фотоелементи. В Италия върху 15 дка работи слънчева електроцентрала с мощност 1 MW.

За сравнение, ТЕЦ-овете на Марица-Изток са унищожили досега повече от 160 000 дка земеделска земя. Върху тази площ могат да се разположат фотоелементите на слънчева електростанция с мощност 10 000 MW. В такъв случай годишният добив на електроенергия за Югоизточна България, само от тази електростанция, ще бъде 10 милиона MWh.

Могат да бъдат направени и много други сравнения, но и тези са достатъчни, за да се убедим в ползата от екологичната и напълно безплатна слънчева енергия. За практическата реализация на тези цели екип на фондация “Ековат технологии” разработи първият фотоволтаичен генератор с мощност 100 kW, който предстои да бъде монтиран в района на град Пазарджик.

За по-детайлно представяве на процедурата по проектиране на фотоволтаични ситеми в тази книга се използва примерeн обект. Това обхваща четвърта, пета, шеста и седма глави. Такъв начин на изложение ни най-малко не намалява универсалността на избора представеното. Напротив, такъв подход има предимството на конкретната илюстрация и дава възможност за навлизане по-детайлно в темите на изброенети по-горе глави. Без това – изложението би било по-абстрактно и по-трудно за осмисляне, в сравнеие със случая на общо представяне. Смятаме, че в началните три глави темите са достатъчно универсално представени, което дава основание в четвърта, пета, шеста и седма глави да бъде детайлизирано изложението, именно, чрез разглеждането на параметрите на конкретен проект. Освен това, такъв начин на изложение намалява обема на текста, а с това се надяваме, че ще бъдат улеснени и читателите.

Както казахме в началото, оптималният проект за независимо енергозахранване на на какъвто и да било обект следва да започне с енергоефективността на консумацията, да мине през оценка на потенциала на естествено възобновяемите енергоизточници, през избора на съответните технически решения с търсене на максимизиращи когенерационни и да завърше с оценката на експлоаатационната и икономическата целесъобразност. Процедурния алгоритъм, само на проектирането на фотоволтаична електроцентрала, е представен в глава 7.

В осма и девета глава са разгледани две конкретни иновативни технически решения, които са изобретения. При тях се използват не само фотоволтаици, но и енергоакумулация, както и двойна когенерация.

Използваненото на възобновяеми енергоизточници (ВЕИ) предпоставя генерален проблем. Той произтича от факта, че те са максимално ефективни, когато генерираното от тях електричество и/или други видове полезна енергия, непосредствено се консумират. Но това е невъзможно да става по всяко време, тъй като консумацията не съвпада с графика на генерацията, нито по време, нито по количество. Без съмнение, големите енергийни системи, част от които е и нашата, са обединени, което подпомага решението на генералния проблем, но не го решава напълно. Още по-малко, генерираната от ВЕИ енергия може директно да се ползва за автономни превозни средства.

От гореказаното става ясно, че, за да се употреби генерираната енергия от ВЕИ e необходимо тя да се акумулира и/или трансформира. Ефективното решаване на енергоакумулацията и енерготрансформацията е предмет на глава 10, по-специално, това което е характерно за фотоволтаичната генерация.

В последните две глави на книгата (11 и 12) са описани иновативни слънчеви инсталации за производсдтво на водород, който се смята, че е чистото гориво на бъдещето, защото при неговото изгаряне се получава водна пара (произхода на думата водо – род, в повечето езици означава едно и също – ражда вода), която е и суровина за получаването на самия водород. Водородът има преимуществата на 100% природосъобразно, не само енергийно, но и транспортно гориво.

Според указанията на Министерството на икономиката на Холандия при изчисление на редукцията на парниковите газове при производството на чиста електроенергия се ползват данните от долната таблица. От нея се вижда, че 1 КВтч. Електроенргия, произведен он фотоволтаик намалява емисиите парникови газове средно с 743 грама за периода 2006-2012 година. Това се отнася не само за тока, получен за сметка на слънцето, но и за другите ВЕИ.

В това направление има голям потенциал за чужди инвестиции в енергетиката у нас, с експлоатация на ВЕИ. Досега в тази сфера са инвестирани над 340 милиона евро, предимно от Австрийски и Холандски инвеститори. Мотивите за такива инвестиции са задълженията на съответните държави за намаляване на парниковите газове, които са глабален проблем. И затова намаляването им, където и да е по-света, в това число и у нас, се оценява по еднакъв и достоен начин, което стимулира редица инвеститори да се насочат към енергетиката на ВЕИ у нас.

В приложение към книгата са представени данни с технически параметри на фотоволтаици и инвертори на водещи световни производители, в помощ на проектантите на фотоволтаични системи.

В тази книга, освен на авангардните технологии във фотоволтаичната техника, е акцентирано и на слънчевата когенерация, при което ефективността на трасформацията на слънчевата енергия надхвърля 80%.

В книгата са представени редица иновации, повечето от които са на специалистите от фондация “Ековат технологии”, както и от фирмите “Стартон инженеринг” АД, “Ександас София” АД, “Ековат инженеринг” АД и “Ековат” АД. А в приложение 2 са дадени основите на ное-хау-то (на английски език), разработено и изпитано във фондация ”Ековат технологии”.

Литература към книгата “Фотоволтаични електрогенератори”

Авторка Райна Младенчева

1. Тончев Г., “Фотоволтаична електропомпена инсталация” съгласно регистрация №108298/2004 г. в Патентно ведомство на Р България

2. Тончев Г., “Автоматизирана система за климатизация и електрозахранване на сгради” съгласно регистрация № 107 507 / 2003 в Патентно ведомство на Р България

3. Младенчева Р., “Слънчево-ветрова инсталация за производството на водород”, съгласно регистрация №109 359/2005 г. в Патентно ведомство на Р България

4. Тончев Г . “Автономна понтонна инсталация за производство на водород и кислород”, съгласно регистрация №109 338/2005 г. в Патентно ведомство на Р България

5. Тончев Г . “Компактна вятърно-слънчева електроцентрала”, съгласно регистрация №109 315/2005 г. в Патентно ведомство на Р България

6. Тончев Г . “Комбинирана ветро-фотоволтаична енергийна инсталация”, съгласно регистрация №109 313/2005 г. в Патентно ведомство на Р България

7. Тончева М . “Система за форсирано охлаждане на загряващите се работни устройства при натоварване на хибридни автомобили “съгласно регистрация № 109 360 / 2005 в Патентно ведомство на Р България

8. Тончев Г . “Автоматизирана силова система за хибридни и електроавтомобили”, съгласно регистрация №109 304/2004 г. в Патентно ведомство на Р България

9. Тончев Г . “Двустепенна двигателна система за хибридни автомобили”, съгласно регистрация №109 358/2005 г. в Патентно ведомство на Р България

10. Тончев Г., Стойков В., “Стоманобетонов фундамент за нескална земна основа ”, Авторско свидетелство за изобретение 33376/1982 г

11. Стойков В ., Тончев Г., Тошев П.,, “Единичен стоманобетонов фундамент”, Авторско свидетелство за изобретение 36445/1983 г.

12. Тончев Г., “Мълниезащитни заземления на въздушни електропроводи високо напрежение” докторска дисертация, ТУ-София, 1987 г.

13. Тончев Г., “Скоба за проводници и фиброоптични кабели и метод за полагането им”, съгласно регистрация №106 857/2002 г. в Патентно ведомство на Р България

14. Тончев Г., “Предпазна тръба за фиброоптични кабели” съгласно регистрация №106 824/2002 г. в Патентно ведомство на Р България