SOLTRAIN – Лекция А01

Самостоятелно електрозахранване посредством фотоволтаика - въведение

Лекция А01

Самостоятелно електрозахранване посредством 

фотоволтаика – въведение

1.

Въведение

Самостоятелните, несвързани с електрическата мрежа енергодоставящи системи 
за потребители със средно потребление от няколко вата до няколко хиляди вата 
се състояха от електрохимична акумулираща система или от машини захранвани 
от изкопаеми горива, задвижващи генератор. Краткият живот на подобни системи, 
влиянието   върху   околната   среда   и   скъпо   струващата   употреба   на   първични 
батерии направиха електрохимичното акумулиране на енергия непривлекателно. 
Недостатъците   на   употребата   на   двигатели   с   вътрешно   горене   обикновено 
включва употребата на изкопаеми горива, шум и токсични емисии, необходимост 
от доставка на гориво и скъпо струващи разходи за поддръжка. Недостатъците на 
класическите   самостоятелни   електрозахранващи   системи   вече   дадоха   на 
фотоволтаика   (PV)   стабилна   пазарна   позиция   за   търговско   ориентирано 
доставяне   на   енергия   извън   електрическата   мрежа.   Например,   много 
телекомуникационни   продукти   и   системи,   защита   от   катодна   корозия, 
измервателна   технология   и   сигнални   системи   се   захранват   от   фотоволтаика. 
Употребата   на   фотоволтаика   за   електрифициране   на   провинциалните   райони 
също   осигурява   големи   размери   на   продажбите.   В   държави   като   Индонезия, 
Мексико и Кения са създадени стабилни пазари, водещи до инсталиране на много 
“Системи Слънчеви Домове”.
В   изложението   ще   бъдат   дефинирани   няколко   условия.   След   това   ще   бъде 
представен   пазарния   потенциал   на   несвързаните   с   електрическата   мрежа 
фотоволтаични   електрозахранващи   системи.       Ще   бъде   показана   в   блокови 
диаграми структурата на разнообразен дизайн на системите за несвързана към 
електрическата   мрежа   фотоволтаична   мощност.   След   това   ще   бъде   детайлно 
дискутиран принципът на работа и структурата на хибридните системи. На края 
ще бъдат обяснени задачите на системата за енергийно управление и подчертани 
нейните предимства с използване на   конкретен пример.

2.

Определяне на условията за очертаване на разнообразните 
фотоволтаични приложения

Спектърът от фотоволтаични приложения може да бъде разделен в две категории 
– свързани и несвързани с електрическата мрежа. Категорията на несвързаните 
към електрическата мрежа приложения може да бъде разделена на приложения 
без достъп до електрическата мрежа и приложения с достъп до електрическата 
мрежа. Допълнителен критерий е производителността на системите, най-големите 
системи се наричат фотоволтаични съоръжения за производство на мощност. Все 
пак   категориите   се   припокриват,   както   е   показано   на   Фиг.   1.   Приложенията   с 
достъп   до   електрическа   мрежа   използват   фотоволтаично   енергозахранване   с 
оглед   икономическа   ефективност,   съвместимост,   безопасност   или   защита   на 
околната среда като алтернатива на обществената електрическа мрежа, въпреки 
че електрическата е с възможен достъп. Ако се използват на закрито (дневна или 

1

Самостоятелно 

захранване

Промишлени 

приложения

Отдалечени 

населени места

Консумативни

приложения

Електрически 

осветителни 

тела

Домашни 

соларни с-ми

системи

Електрическо 

захаранване на 

селища

Зарядни у-ва за

батерии

Пречистване на

вода

Напояване

Улично 

осветление

Училища

Телекомуникаци

я

Пътни знаци

Телематика

Дисплей

Навигационни 

светлини

Катодна 

защита

Дистанционно

наблюдение

Планински 
ресторанти

и хотели

Охлаждане на 

ваксини

Вътрешна 

употреба

Външна 

употреба

Калкулатори

Баланс на

електроенергия

Часовници

Електрически

части

Мобилни 

телефони

Зарядни 

устройства

Фонтани

Осветителни 

тела

Градинско 

осветление

Осветление

на къщи

Вентилация на

превозни 
средства

Плавателни 

съдове

SOLTRAIN – Лекция А01

Самостоятелно електрозахранване посредством фотоволтаика - въведение

изкуствена   светлина)   говорим   за   приложения   на   закрито.   Може   да   се   направи 
друго   разграничение,   а   именно   между   индивидуалния   потребител   и 
индустриалните приложения.
Фотоволтаичните   енергодоставящи   системи   извън   електрическата   мрежа   се 
използват, когато достъпът до обществената електрическа мрежа е невъзможен 
като при високопланинските хижи или държави с малка инфраструктура. Когато 
подобни системи са големи, се използват термините “микромрежа” и “автономна 
система”. 
Свързаните   с   електрическата   мрежа   ниско   напрежение   елементи   разпределят 
произведената си мощност към обществената електрическа мрежа чрез инвертор. 
Подобни системи могат да бъдат малки, разпределени системи, инсталирани на 
покривите   с   производителност   само   няколко  kW,   или   централни   системи   с 
производителност достигаща мегавати.
Фотоволтаичните   системи   за   електрозахранване   извън   електрическата   мрежа, 
описани   в   изложението   са   предназначени   за   потребители   от   мощностния 
диапазон   от   няколко   вата   до   няколко   киловата:   неподвижни   или   мобилни 
електрически или електронни промишлени продукти (като устройства за пропуск, 
системи   за   осветяване   на   автобусни   спирки),   разпространените   компоненти   за 
телекомуникационни мрежи (аварийни телефони, повторители), разпространените 
телематични компоненти (устройства, отчитащи трафик, системи за ориентиране 
на трафика), както и всички електрически и електронни устройства за бита (лампи, 
водни помпи, системи за пречистване на вода, кухненски пособия).

2

Свързани с 

мрежата 
системи 

Разпределени

Централизирани

Частна покривна 

площ

Тренировъчни

школи

Фасадно 

интегрирани

Мощност за 

модули

Съвместно

владение

Звукови

бариери

SOLTRAIN – Лекция А01

Самостоятелно електрозахранване посредством фотоволтаика - въведение

Фигура   1:   Приложения   на   фотоволтаиката,   (Източник:   Fraunhofer   ISE,   Freiburg,   Germany; 
Solarpraxis AG, Berlin, Germany).

3.

Пазарът   на   несвързаните   с   електрическата   мрежа   ниско 
напрежение енергодоставящи системи

3.1. Пазарът днес

Фотоволтаиката   е   вече   много   интересен   източник   на   енергия   –   дори   от 
икономическа гледна точка за много приложения, несвързани към електрическата 
мрежа.
Един   пример   за   промишлени   приложения   за   фотоволтаика   е   устройство   за 
пропуски. Тук фотоволтаиката спечели огромно предимство пред традиционните 
енергодоставящи системи – като батерии или обществената електрическа мрежа, 
благодарение на множеството предимства.
Фотоволтаиката   за   телекомуникациите   включва   системи   за   сателити, 
предавателни единици, както и микровълнови свързващи станции.
В провинцията на неиндустриализираните държави, малки PV системи осигуряват 
мощност за осветление и радио за хижи и домове, водни помпи и пречистващи 
водата   системи.   Често   пъти,   разрстването   на   мрежата   е   по-скъпо,   ако   преди 
всичко географските условия го позволяват. 

Фигура 2:  Разпределение на слънчевите клетки  произведени  в световен мащаб през  2002, [1], 
(Източник:  Paul  Maycock,  Renewable  Energy  World,  July-August  2003),   (Схема:  Fraunhofer  ISE, 
Freiburg, Germany).

Както е показано на Фиг.2, през 2002,  47% от слънчевите клетки произведени в 
световен   мащаб   са   били   използвани   в   несвързани   с   електрическата   мрежа 

Потребителски продукти 

11%

US несвързани с електрическа
 мрежа – жилищен 
5%

Несвързани с електрическа
 мрежа –в света – в покрайнини
11%

Комуникации и сигнална
 техника   - 11%

PV Дизел, 
търговски
9%

Свързани с електрическата 
мрежа – жилищен - търговски

-

52%

Свързан с електрическата 
мрежа – централизиран
 (> 100 kW) 
 1%

-

3

SOLTRAIN – Лекция А01

Самостоятелно електрозахранване посредством фотоволтаика - въведение

фотоволатични системи, при цялостно производство от 525  MWp, което възлиза 
на около 250 MWp.

3.2. Бъдещ пазарен потенциал

В много енергодоставящи системи за индустриални продукти, тенденцията е към 
разпределени   безжични   системи.   Телекомуникациите   напускат   стационарните 
мрежи.   В   провинциалните   региони   на   неиндустриализираните   държави,   хората 
имат нужда от осветление, електрически прибори и радиоприемане.
Безжичните   системи   имат   нови   изисквания   към   енергодоставянето.   Където 
основните   са   с   голяма   гъвкавост,   надеждност   и   екологичност,   фотоволтаиката 
има   предимства   спрямо   традиционните   енергодоставящи   системи.   Например, 
фотоволтаиката увеличава мобилността на преносимите устройства, свободата 
за разполагане на електронните системи, позволява енегията да бъде доставяна 
до   отдалечените   хижи   и   домове,   осигурява   евтино   струваща   поддръжка   и 
безопасна енергия.
Няколко   примера   ще   илюстрират   колко   привлекателен   ще   бъде   пазара   за 
фотоволтаика   и   несвързано   към   електрическата   мрежа   енергодоставяне.   Тук 
потенциалът на разнообразните области и продукти ще бъдат подчертани; освен 
това   ще   бъде   определена   крайната   необходимост   за   фотоволтаично 
енергодоставяне и слънчеви генератори.

Примери за промишлени продукти :

•

В Германия, около 3,500 до 4,000 устройства за пропуски са инсталирани 
отново   или   са   подменени.   Ако   70%   от   тези   устройства   получават 
захранване   от   слънчеви   клетки   и   размера   на   използвания   слънчев 
генератор е около 20 Wp на устройства за пропуск, годишната потребност 
от слънчеви клетки ще бъде 50 kWp.

•

Нивомерите се използват край реки, блата, язовири и езера. По принцип, 
един   10  Wp  генератор   осигурява   достатъчно   енергия.   Световният 
потенциал е определен на 10,000 измерващи устройства [2]. Ако всички 
елементи   се   захранват   от   фотоволтаика,   потребността   ще   възлиза   на 
около 100 kWp.

•

Клетъчните телефони позволяват на хората да купуват дребни стоки от 
автомати, да плащат пропуски, да имат достъп до обществени тоалетни и 
да отварят бариери (“клетъчно пазаруване”). Счетоводството се извършва 
чрез доставчика на телефонната услуга. PV има шанс да осигури мощност 
на автоматите и релейните устройства, които обикновенно са отдалечени. 
Само в Германия са инсталирани повече от 2 милиона автомата. От тях 
800, 000 са за цигари [3]. Ако само половината от автоматите в Германия 
са оборудвани да работят с клетъчни телефони и мощност осигурявана от 
фотоволатикa, потребността ще бъде между 3 и 10 MWp. 

•

В   местния   обществен   транспорт,   фотоволтaиката   може   не   само   да 
осигурява мощност за електронните табели и бордове, а и осветление на 
спирките.   В   зависимост   от   това   колко   голяма   е   спирката   и   колко 
осветление   и   с   каква   продължителност   е   необходимо,   ще   бъдат 
инсталирани слънчеви генератори  между  50  Wp  и 500  Wp.  Световният 
потенциал   е   определен   на   100,000   спирки   [2].   Резултатната   възможна 
потребност е между 5 MWp и 50 MWp.

4

SOLTRAIN – Лекция А01

Самостоятелно електрозахранване посредством фотоволтаика - въведение

Примери в областта на телекомуникациите:

•

Само   в   Западна   Европа   ще   бъдат   инсталирани   до   2007   година   около 
400,000   нови   повторителни   станции   за   мобилни   телефонни   мрежи.   До 
20% от тях ще бъдат в области с ограничен достъп или без достъп до 
електрическата   мрежа.   Ако   приемем,   че   около   10%   от   новите 
повторителни станции ще бъдат захранвани от фотоволтaични хибридни 
системи и 1 до 2 kWp  от слънчевите клетки бъдат инсталирани на всяка 
повторителна станция, потребността ще бъде между 40 и 80 MWp.

•

В   енергодоставящите   мрежи,   главните   прекъсвачи   се   използват   за 
повишаване   на   безопасността.   Фотоволтaичната   мощност   дава   повече 
свобода при разполагането на тези елементи и понижава разходите при 
разширяване на електрическите мрежи. Тези елементи са поставени чрез 
съществуващите мобилни телефонни мрежи, мобилни радиомрежи, или 
ведомствени   мобилни   мрежи.   Световният   потенциал   е   определе   при 
100,000 елемента [3]. Ако слънчевият генератор е фиксиран на 40  Wp, 
потребността ще бъде около 4 MWp.

Примери от телематиката :

•

В Германия, компанията DDG е инсталирала около 4,000 фотоволтaично 
захранвани стационарни сензори около 4 km един от друг на магистрала 
за   да   отчитат   данни   за   трафика   (скорост,   обем,   вид   МПС).   Ще   бъдат 
добавени други системи – като този от  Traffic  Master. Ако трябва да се 
отчетат данни за всички улици извън градовете и селата, приблизително 
на всеки 4 km, тогава ще са необходими около 55,000 системи за отчитане 
на данни за да се покрие 219,240 km път [4]. Това изчисление показва че 
тази малка област от телематиката, ще доведе до нужда от 0,5 до 1 MWp 
фотоволтaична мощност само в Германия.

•

Световната   жп   мрежа   е   с   дължина   около   1,25   милиона  km  [5].   Много 
сигнални елементи все още се захранват с газ – дори в Северна Америка 
и Европа. Електрическата мрежа е разширена до нови области в няколко 
развиващи   се   държави   (като   Китай,   Индия   и   Латинска   Америка).   Ако 
приемем,   че   само   100,000   от   съществуващите   и   новите   сигнални 
елементи ще бъдат оборудвани с фотоволатикa и PV модулите ще бъдат 
50 Wp на сигнален елемент, потребността тук ще е 5 MWp.

Примери от бита:

•

В областите извън електрическата мрежа на слабо индустриализираните 
държави,   всяка   вечер   бензинови   лампи   изгарят   огромно   количество 
гориво [6]. Простата смяна на 100 милиона от тези лампи с 5Wp слънчев 
модул ще произведе потребност от около 500MWp.

•

Два милиарда хора нямат достъп до обществената електрическа мрежа; 
половината   от   тях   нямат   изобщо   електричество.   Ако   техните   основни 
нужди от електроенергия бъдат покрити чрез слънчев генератор само с 10 

5

SOLTRAIN – Лекция А01

Самостоятелно електрозахранване посредством фотоволтаика - въведение

Wp  на човек и необходимите съоръжения се инсталират за следващите 
20 години, резултатната годишна нужда ще бъде 1000 MWp [7].

Ако   се   разработят   подходящи   финансови   стратегии   за   електрифициране   на 
провинциалните   райони   чрез   фотоволтaикa,   както   и   необходимата 
инфраструктура   за   инсталиране,   работа   и   поддържане   на   подобни   изградени 
системи   и   се   вземат   предвид   специфични   социални   аспекти,   ще   се   разкрие 
огромен пазар и провинциалното електрифициране би послужило като трамплин 
за   широкото   разпространение   от   икономическа   и   енергийна   гледна   точка   на 
фотоволтaиката.

4.

Теоретичен дизайн на несвързани с електрическата мрежа 
енергодоставящи системи

Модулният   дизайн   на   фотоволтaичните   генератори   позволява   на 
енергодоставящите   системи   да   бъдат   настроени   при   необикновено   голям 
мощностен   диапазон.   Но   независимо   от   производителността   на   системите, 
техният основен дизайн е много прост.

4.1.

Основен дизайн на чистo фотоволтaичните системи

4.1.1.

Фотоволтaични системи, захранващи постояннотокови товари

По принцип една фотоволтaична система, захранваща постояннотокови товари се 
състои от слънчев генератор, регулатор на заряд и енергосъхраняващ компонент. 
Ако   напрежението   на   батерията   и   това   на   генератора   не   съответстват,   между 
батерията   и   регулатора   на   заряд   се   поставя  DC/DC  трансформатор   (Фиг.   3). 
Специално   тези   системи   за   фотоволтaична   мощност   са   най-използваните   в 
централна   Европа   за   захранване   на   товари   с   ниско   енергопотребление   (като 
машини   за   пропуск,   аварийни   телефони,   осветление   за   спирки)   или   за 
приложения,   използвани   преди   всичко   през   шестте   слънчеви   месеца   (като 
например   градински   колиби   или   водни   помпи   за   напояване).   В   близост   до 
екватора, където слънчевата радиация е в общи линии постоянна през цялата 
година,   подобни   системи   могат   да   захранват   надеждно   и   икономично   големи 
товари (като предавателни елементи и повторители).

Акумулираща  
    батерия 

 Регулатор  
      на  
напрежение 

PV генератор 

Регулатор 
на заряд 

Товар 

Фигура   3:   Основен   дизайн   на   фотоволтaична   система   за   постояннотокови   товари,   (Източник: 
Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

6

SOLTRAIN – Лекция А01

Самостоятелно електрозахранване посредством фотоволтаика - въведение

4.1.2.

Фотоволтaични системи без енергосъхраняваща единица

Когато   потребността   и   доставката   съвпадат   по   време,   за   уредите   и   малките 
товари съхраняваща батерия не е необходима (Фиг. 4). Напрежението на товара 
може   да   изисква  DC/DC  трансформатор   за   да   адаптира   напрежението   към 
слънчевия   генератор.   Примери   за   такива   товари   са   джобните   калкулатори, 
вентилатори, водни помпи.

    Регулатор 
 на напрежение

       PV 
генератор 

Потребител 

Фигура 4: Основен дизайн на фотоволтaична система без енергосъхраняваща единица, (Източник: 
Fraunhofer ISE, Freiburg, Germany).

4.1.3.

Фотоволтaични системи, захранващи променливотокови товари

Акумулираща  
    батерия

Инвертор

PV генератор

 Регулатор 
  на заряд

   Домашна  
електрическа  
     мрежа

Фигура 5: Основен дизайн на фотоволтaична система за променлив ток, (Източник: Fraunhofer ISE, 
Freiburg, Germany).

Ако са необходими по-големи нива на производителност или ако ще се използват 
традиционни домашни или промишлени уреди, системното напрежение трябва да 
бъде 230V

∼

. За да се достигне това напрежение, трябва да се прибави инвертор 

към системата (Фиг. 5).

7