Карта за Технически потенциал на ветровата енергия в България

Водата, която се процежда в почвата, може да се превърне в подземна (подпочвена), като част от нея също се влива във водните басейни чрез извори и подводни реки. Останалата част се придвижва нагоре през почвата и се изпарява в атмосферата по време на сухите периоди. Водните пари преминават в атмосферата чрез изпарение, циркулират и кондензират в облаците и част от тях се връщат под формата на валежи. По този начин водният цикъл е завършен. Природата се грижи водата да е възобновяем източник.

Малките ВЕЦ са най-големият доставчик на енергия от възобновяемите източници в европейски и световен мащаб. На световно ниво инсталираната мощност достига до 47 000 MW с потенциал, икономически и технически, достигащ до приблизително 180 000 MW.

Малките ВЕЦ са най-често руслови ВЕЦ (използват течението на реката), т.е. не използват допълнително събиране на вода и по този начин не изискват конструирането на големи бентове и басейни, които в някои случаи са от полза за системата. В световен мащаб няма консенсус за определение на „малък ВЕЦ”. В различните държави мощността варира между 2.5 и 25 MW, но 10 MW започва да се възприема по-масово и също така е приета от Европейската асоциация за малки водноелектрически централи (ESHA - European Small Hydro Association).

Определението за малка ВЕЦ ще се използва по-надолу за всяка централа с мощност до 10 MW. Малките ВЕЦ също могат да бъдат разделени на „мини” - за централи с мощност < 500kW и „микро” с < 100kW. Независимо от формата, която се използва, малките ВЕЦ са едни от най-щадящите природата форми на производство на енергия, използвайки възобновяем източник, който не отделя вредни емисии в атмосферата и изграждането им изисква най-малко промени в околната среда.

Също така този вид генериране на електричество има потенциала да замени изкопаемите горива, тъй като за разлика от другите ВЕИ, ВЕЦ могат да произвеждат електричество по всяко време и не се нуждаят от системи за съхраняване на енергията и резервни мощности.

Това е възможно при периодите на постоянно течение на реката и по този начин тези централи са конкурентноспособни на централите на твърдо гориво.

Малките ВЕЦ са едни от най-икономически ефективните и надеждни енергийни технологии, който произвеждат „чиста” енергия. По-конкретно - предимствата на водната енергия, които има пред вятъра, вълните и слънцето, са:

- Висока ефективност (70 - 90%), една от най-добрите сред всички енергийни технологии;

- Висок фактор на мощността (обикновено >50%) в сравнение с 10% за слънцето и 30% за вятъра;

- Висока предвидимост, варираща според отчитането на годишните валежи;

- Ниско ниво на промяна, изходящото електричество варира постепенно от ден на ден, не от минута на минута;

- Добра връзка с нуждите на потребление – през зимата генерираната енергия е най-много;

- Централите използват дългосрочна и здрава технология, системите могат да бъдат използвани над 50 години.

Използването на ВЕЦ е и природосъобразно. Малките централи най-често са руслови или с други думи съхраняването на вода е много малко, обикновено има само бент и малко или никаква вода не се събира. По този начин русловите ВЕЦ оставят по-малки отпечатъци върху околната среда в сравнение с големите водноелетрически централи.

Принципът на работа при производството на енергия от вода е да се превърне потенциалната енергия на количеството вода чрез дебита ѝ, който пада от определена височина, в електрическа енергия на по-ниско ниво в схемата, където се намира електрическата централа.

Един от най-важните параметри при това производство на енергия е напорът водата. По същество бързотечащата вода не е достатъчна за пълноценно производство, освен при големи централи в моретата и океаните, където се иползват теченията. Следователно два параметъра се отчитат: напорът на водата (Q) и падът, откъдето тръгва водата (H). В основни линии е по-добре да има по-голям пад, отколкото напор, тъй като това прави инсталацията по-малка.

Общият пад (H) е максималната възможна височина за падане на водата от горното ниво на течение до долното ниво на течение. Реалната височина обаче ще е малко по-малка от общата, поради загубите, породени от пренасянето на вода в и извън машината.

Напорът (Q) в реката е обемът вода пренесен през дадено сечение за секунда, измерва се в м3/сек. За малките инсталации може да бъде разглеждан в литра/сек като 1000л/сек са равни на 1 м3/сек.

Според височината централите могат да се класифицират в три категории:

• с голяма височина: 100 м и повече

• със средна височина: 30 - 100 м

• с малка височина: 2 - 30 м.

Тези разделения не са строго определени, но дават сравнителна категоризация на местата за производство.

Централите могат да бъдат разделени още на:

• използващи течението на водата;

• с централа, разположена в основата на бента;

• вградени в канал или във водоносна тръба.

На практика ВЕЦ с висок пад Н са по-евтини за изграждане в сравнение с тези, които имат малка височина на потока. Това се дължи на еднаквото количество вода, което постъпва в турбината и на по-малките по размер станции. В случай на реки със сравнително стръмни наклони на части от течението ѝ се използва отклоняване на част или на цялата река, след което се връща обратно след като водата е преминала през турбината. Водата може да бъде доставена директно в турбината чрез тръба под налягане.

Водните турбини преобразуват водното налягане в механична работа, което се използва за задвижване на електрически генератор или друг вид електрическа машина. Наличната сила е пропорционална на височината и напора.

Основният елемент в малката ВЕЦ е водната турбина. Всички тези турбини превръщат енергията от напора на водата във въртящ момент, но според различните обстоятелства се използват различен вид турбини. Изборът се прави според характеристиките на мястото, височината и големината на потока, желаната скорост на въртене на генератора и дали се очаква турбината да работи и на по-ниска скорост на водата.

Съществуват два основни типа турбини – активни и реактивни. Активната превръща потенциалната енергия на водата в кинетична чрез струя вода, идваща от дюза и задвижваща витлата на турбината. Реактивната от своя страна използва налягането на водата, както и скоростта ѝ, за да създаде енергия. Работното колело е напълно потопено и по този начин и налягането, и скоростта намаляват при излизане от турбината.

Планирането играе важна роля в растежа и развитието на хидроенергетиката. Стойността на достижимата водна сила, на което и да е място, е функция от напора в турбината и границите на потока. По този начин, за да се оползотвори този потенциал, е необходимо да се оцени водния ресурс, което зависи от природните характеристики на терена и възможностите, които предоставя. Правилната и надеждна оценка води до успешно планиране, но така или иначе, изпълнението ѝ все още е много трудно. Това по-специално се отнася за неиндустриализирани и неразвити региони и това е един от факторите за липсата на развитие на хидроенергетиката в тях.

Традиционно историческите данни за източването на вода на определено място от водния басейн се използват за оценяване на водния ресурс. Министерствата на околната среда и водите, Агенциите по околната среда и водите (национални/регионални/местни) или други подобни институциите обикновено са източник на информация за измервания на потока за по-големите реки и басейни в европейските държави. Записките може да служат за оценка на потока, докато се направят нужните поправки/допустими отклонения, които отговарят на конкретното местоположение.

В повечето случаи обаче записите на измерванията са за определени места. Тъй като хидрологията на мястото се променя с времето, бъдещите оценки, базирани на минали изследвания пораждат съмнения за коректността и точността им. Съществуват няколко последствия от такъв вид ненадеждна информация при оценка на водния ресурс:

1. Подценяването на възможностите може да е основен източник на демотивация за оползотворяване на потенциала – дори моментната възможност може да подейства окуражаващо;

2. Оценката, базирана на изследване на определено място, може да е предпоставка за пропускане на други места с по-голям потенциал, което също може да причини грешно планиране;

3. Събирането на данни от много на брой институции и места, покриващи широко пространство, струва пари и време при оценката.

С предимството на модерните компютърни инструменти като Географската информационна система (ГИС/GIS), дистанционната чувствителност и хидроложките модели, пречките, споменати по-горе, могат да бъдат определени по-точно. Реалистичните представяния на: а) съществуващия модел, б) комплексните хидроложки явления и в) променящия се климат са част от възможностите за предвиждане на пространствените програми и техники за моделиране. По този начин не само пространството, но и моментното симулиране на сегашната хидрология е възможно да се разглеждат за даден регион.

Хидроложките модели са опростени, концептуални представяния на част от хидроложкия цикъл. Предимно се използват за предвиждания и за по-правилно разбиране на кръговрата на водата. Тази техника е мощен инструмент за проучване, който се използва от хидролози с цел проучвания, както и от специалисти, работещи с източниците на вода. Тези модели основно използват математически и статистически концепции, които служат за свързване на входните данни (например валежи, температура и др.) с модела на изходните данни (например оттичането на водата).

В последните години стана възможно да се интегрират всички физически явления, което води до по-добри симулации на физическия свят посредством ГИС и хидроложките модели.

Предимствата на тези модели са възможностите да се симулира водното съдържание в три различни потока при освобождаването на водата на дадено ограничено пространство, а именно на сушата, повърхностните и канални потоци. Използването на такива хидроложки модели се увеличава в сравнение с традиционните методи.

В последно време ГИС и дистанционните чувствителни апарати също все по-често се използват за оценка енергийния потенциал на водата. Ползата от тези програми е, че след моделирането може да се интегрират в едно. Други ползи на географската информационна система са възможностите за поставяне на ограничения в интегрираните модели като на едно място се вземат предвид предназначението на земята, почвата, климата и др.

Включването на много подмодели като ограничения е доказана необходимост за някои специфични ситуации. Тези подмодели могат да се използват за изясняване на неясните величини в модела. Така или иначе този тип променливи могат да бъдат минимизирани чрез стандартни процедури за калиброване и валидиране.

Безспорно е, че слънцето дава практически неограничени възможности за използването му като напълно възобновяем енергиен източник. Когато се оценява въздействието на различни слънчеви енергийни системи винаги се пресмята какви дефицитни материални ресурси, какви изчерпаеми горива и каква енергия от невъзобновяеми енергийни източници се влагат за тяхното производство. В това отношение, без никакво съмнение, ползите от слънчевите енергийни системи са многократно по-големи от техните недостатъци. Затова се смята, че сравнена с всички други начини за производство на енергия, именно слънчевата енергетика е най-природосъбразното енергопроизводство. Наред с вятърната енергетика и добиването на енергия от водните течения, включително приливите и отливите, слънчевата енергетика заема водещо място в световната енергетика в настъпилата вече епоха на петролен дефицит.

Слънчевата енергия се произвежда от Слънцето като лъчиста енергия, в резултат на ядрено-съединителни реакции. Слънцето е възникнало преди 4.6 милиарда години и е звезда с диаметър 1,392.106 км, площ 6,09.1012 км2, обем 1,41.1018 км3, маса 1,9891.1030 кг и температура на слънчевата корона 60000С. Слънцето обикаля около центъра на Млечния път на разстояние 25-28 хиляди светлинни години и извършва една обиколка за около 226 млн.години със скорост 217 км/сек. Слънцето е съставено от 73,46% водород, 24,85% хелий и 1,69 % кислород, въглерод, неон, азот, желязо, силиция, сяра, магнезий. В ядрото на Слънцето протичат термоядрени реакции, които превръщат водорода в хелий. Около 8,9.1037 водородни ядра се превръщат в хелий всяка секунда и отделят енергия, равна на 3,15.1010 мегатона тротилов еквивалент. Слънцето е източник на нискоентропийна енергия, т.е. излъчва фотони с енергия, която е по-висока от енергията на фотоните, които Земята излъчва в Космоса. За една година Земята получава от Слънцето около 1,96.1021 килокалории лъчиста енергия, което е десет пъти повече от всички нейни енергийни запаси взети заедно. За да е възможен живот на Земята, почти същото количество енергия се излъчва от нея обратно в Космоса. Разстоянието между Земята и Слънцето определя количеството енергия, което тя получава. С отдалечаването на Слънцето, интензитетът на слънчевата радиация намалява с квадрата на разстоянието. Орбитата на Земята е елипсовидна и разстоянието е различно през всеки ден от годината. Най-малко е на 3 Януари (147098074км), а най-голямо на 4-ти Юли (152097701 км).

Количество слънчева радиация

Количеството слънчева радиация може да се определи, като се определят следните фактори: Соларна константа – това е слънчевата радиация в горните слоеве на атмосферата. Тя се определя от количеството на лъчистата енергия, излъчена от Слънцето в целия електромагнитен спектър, получена за единица време върху единица площ, перпендикулярна на слънчевите лъчи. Стойността й е в порядъка 1365-1368 W/m2.

Достигайки до повърхността на атмосферата, част от слънчевата енергия се отразява обратно в Космоса (около 10%), около 30% се задържа в нея, нагрявайки горните слоеве на атмосферата, а около 37% се акумулира от световния океан. Част от тази енергия се запазва чрез биосинтеза. Биосферата използва близо 0,08% от слънчевата радиация.

До земната повърхност достигат лъчи в спектъра 0,3 до 3 μm (ултравиолетови, видими и инфрачервени). Слънчевата енергия има три компоненти: директна, дифузна и отразена слънчева радиация.

Слънчевата енергия се използва още от древността, тъй като представлява неизчерпаем възобновяем ресурс. Използвана е предимно за затопляне на вода и за осветление, докато през 1839 г. А. Е. Бекерел не открива фотоелектричния ефект и през 1883 г. Чарлз Фритс не изобретява първата слънчева батерия. Той покрива полупроводниковия елемент селен с тънък слой злато и слънчевата енергия започва да се използва, и за производство на електрическа енергия.

Осъществява се чрез директно преобразуване на светлинна енергия в електрическа на база фотоелектричния ефект. Производството на електрическа енергия се осъществява от фотоволтаична клетка, наричана още слънчева (соларна) клетка, фотоелемент, фотодиод и други. Нейната функция е да генерира токоносители (електрони и дупки) в светлинно-абсорбиращ материал и разделяне на токоносителите към проводящ контакт, който да проведе електрическите заряди.

Това преобразуване, всъщност представлява фотоелектричния ефект.

Фотоволтаиците генерират електричество в резултат от облъчването им от сравнително тесни ленти от пълния слънчев спектър. За да можем да оценим диференциално слънчевия потенциал, с оглед най-пълното му оползотворяване по-отношение на електропроизводството на фотоволтаиците, използваме термина „електрозначима стойност” на слънчевото греене. Основната електрозначима спектрално-енергийна лента включва всички дължини на вълните в слънчевия спектър и съответните им енергийни нива, които имат принос за протичането на ток в различните видове фотоволтаици. Точно тази лента носи електрозначимата енергия за електропроизводството на слънчевите клетки.

За първи път думата photovoltaic се среща в края на осемнадесети век. Състои се от две части - "фото", произхождаща от гръцката дума за светлина, и "волт", в чест на откривателя на електричеството Алесандро Волта. Следователно, терминът photovoltaic, или на български - фотоелектрически, буквално преведен означава светлинно-електрически. Затова новоизобретеният когенератор, който по синергичен начин произвежда едновременно електричество и топлина нарекохме термо-фотоволтаичен или термо-електрически.

Развитието на фотоволтаиката до момента преминава през три поколения соларни клетки: Първото поколение фотоелементи се състоят от еднослоен силициев p-n преход с голяма площ, който при наличие на слънчева светлина е способен да генерира използваемата електрическа енергия. Фотоелементите от второ поколение се основават на многослойни p-n преходи. Всеки един слой абсорбира светлинни вълни с нарастваща дължина на вълната и с намаляваща енергия. Това позволява да се увеличи сумарното количество слънчева енергия, тъй като се поглъща по-голяма част от слънчевия спектър. Третото поколение не използва традиционния p-n преход, а включва слоеве от органични полимери, фото-електрохимични клетки и клетки с полупроводников нанокристал.

Според използваната технология, фотоволтаичните клетки се делят на следните видове: Кристални клетки – основен материал, използван при тази технология е силицият. Той бива монокристален и поликристален. Клетките, изработени от монокристален силиций, представляват един – единствен кристал и имат КПД до 20%. Монокристалните фотоволтаични клетки се изградени от структура с множество кристали. Тяхното КПД е до 16% и съответно са по-евтини от монокристалните. Третата технология са тънкослойните клетки. Материалите, от които се изработват, са: аморфен силиций, кадмиев телурид и медно-индиев диселенит, като най-разпространени са изработените от аморфен силиций. Основното предимство на аморфния силиций е в това, че преобразува светлината около 40 пъти по-ефикасно от монокристалният силиций, което позволява използването им на тънки слоеве, нанесени върху основа от стъкло, стомана, пластмаса и други. Те са значително по-евтини от останалите две технологии, но това се дължи на по-малкият КПД със стойности до 7%. Съществуват и други комбинации на технологиите за изработване на фотоволтаични клетки, и изработване на изделия от тях, но към момента нито един от тях не е масово разпространен, поради съществуващи технологични, икономически и други проблеми. Като това са: тънкослоен кристалий силиций върху стъкло, който се използва за стъкла за прозорци, многослойни клетки от различни полупроводници, двойни клетки с два тънки слоя – горния от аморфен силиций, а долния от нанокристален силиций и т.н.
Фотоволтаичните клетки се групират в готово изделие, което се нарича фотоволтаичен модул. Той представлява 36 или 72 клетки, поставени между два носещи прозрачни материали. Например за предно стъкло могат да служат закалено стъкло, акрилно стъкло или тефлон, а за задната част – матови синтетични листове, метални повърхности и други. Най-разпространените модули се състоят от клетки, свързани последователно, капсуловани в ЕВА (етил винил ацетат) и ламинирани в рамки.