Күн электр станцияларының түрлері және оны модернизациялау

1 Күн электр станцияларының түрлері және оны модернизациялау

 

Қазақстанның барлық аумақтарындағы негізгі проблема қашықта орналасқан ауылшаруашылық тұтынушыларын электрмен жабдықтау болып табылады. Қазақстанның аумағының үлкен болуы және ауыл тұрғындарының орналауының тығыздығының төмен болуы 360 мың км созылатын әуе тарату сымдарын қажет етеді. Ұзақ қашықтықтағы ауыл шаруашылық электр желілерін құруда оның шығындары (25-50%) артуы электр энергия

құнының да артуына септігін тигізеді, бұл қашықта орналасқан ауыл шаруашылық тұтынушыларын электрмен жабдықтау желілерін тиімсіз етеді. Сондықтан қашықта орналасқан ауыл шаруашылықы тұтынушыларын дәстүрлі емес энергия көздерімен жабдықтау тиімді болып саналады.

Жылу энергетикасы, әсіресе  көмір энергетикасы қоршаған ортаға және тұғындар денсаулығына едәуір зиян келтіреді. Қазақстандағы отыны көмір болып табылатын электр станциялардағы түтінді газдардағы зиянды заттар концентрациясы халықаралық стандарттан бірнеше есе жоғары болады. Электр станциялардың атмосфераға тастайтын зиянды заттары жылына 1 млн. тонна, ал жалпы қоршаған ортаға тасталатын зиянды заттар көлемі жылына 11 тонна болады. Қазақстандағы эксперттер жасаған баға бойынша

энергия құнының өзінен асып түседі. Қазақстан Республикасы климаттың өзгеруіне байланысты БҰҰ Рамалық Конвенция мүшесі болып табылады және энергетиканың оның әсерінің төмендеуіне міндеттеме алған. Осыған байланысты энергосектор арқылы зиянды парниктік газдарды тастауды қысқарту талаптары генерацияланатын қуаттардың құрылымын өзгерту, оның энергия тиімділігін арттыру және дәстүрлі емес энергия көздерін қолдануды арттыру арқылы орындалады.

Табиғи ресурстарды аз қолдануда, қоршаған ортаның деградациялық  азаюында күн энергиясына елеулі үлес қосу керек.

Қазақстан Республикасында  күннің нұр шашу ұзақтығы 1280-2300 кВт с/м2

аралығында бір жыл ішінде барлық 8760(8736) сағаттан 2000-нан 3000 дейінгі сағатты құрайды. Қазақстан территориясындағы бір жыл ішіндегі суммарлық күн энергиясының потенциалы 340 млрд.тонна меншікті отынды құрайды. Сәулелі энергия көзі-Күн-радиусы 696 мың км тесілген плазмалық шар.Казақстан өз аумағындағы күн энергиясының жоғары техникалық потенциалынa жуық, химиялық құрамы: сутегі-90% жуық, гелий – 10%, басқа элементтер –0,1% кем.

Күн энергиясының көзі –  температурасы 15 млн. К құрайтын күннің ортаңғы

ауданында сутегінің гелииге  ядролық айналуы. Энергия күн қойнауынан оның бетіне сәулелену арқылы, содан кейін сыртқы қабатында конвекция арқылы тасымалданады. Күн бетінде болатын плазмалық процестер қарқындылығы 11 жыл сайын өзгеріп тұрады.

Күннен 149млн. км арақашықтықта орналасқан Жер бетіне күн энергиясының сәуле Күн сәулесінің спектрі гамма сәулелерінен метрлік радиотолқындарға дейінгі диапазонды қамтиды. Күн спектрі көрінетін ауданда температурасы 6000 К абсолютті қара дененің сәулеленуіне жуық болып келеді және энергетикалық максимумы 430-500 нм.

 

 

 

Толқын ұзындығы 400 ден 700 нм аралығындағы сәулелену «Жарық» мағынасын білдіреді, грекше-Фотос. Бұл диапазон аралығына ұзынтолқынды инфрақызыл сәулелену және қысқатолқынды ультракүлгін сәулелену кіреді. Атмосфералық массаның сәулеленуді жұту ,яғни су парларымен-бұлттармен (инфрақызыл сәулелену), озонмен (ультракүлгін сәулелену), шаң бөлшектерімен, күлмен, түтін және аэрозольмен, негізінде күннің жарығы атмосфера арқылы өткенде босаңсиды. Бұл сәуле жұтулардың барлығы –

атмосфераның оптикалық тығыздығы мәнін береді. Атмосфераның жоғарғы шекарасында және ғарыш кеңістігінде сәулелену мынаған тең = 1360 Вт\м².

Осыған байланысты қазіргі  уақытта күн сәулесін қолданудың тұрақты тенденциясы қабылданған, яғни жылу энергиясын да электр энергиясын алу үшін де қолданылады. Әртүрлі елдерде қуаты 1 кВт-қа дейінгі он мыңдаған фотоэнергетикалық қондырғылар,электромобильдер үшін күн заправкалық станциялар пайдалануға берілген. Қуаты 100 кВт-қа дейін күн электр станциялары жобалануда. Гелиоқондырғылар үлкен емес қашықтағы орталықтарды электрмен жабдықтау үшін табысты қолдануда. Гелиоэнергетика мен гелиотехниканы дамыту туралы ұлттық бағдарламалар 70-тен жоғары елдерде қабылданған. Басқа энергиямен қоректендіретін көздермен салыстырғанда негізгі тоқталатын жай, ПӘК төмен болуы және фотоэлектрлік приборлардың құнының жоғары болуы. Сонымен бірге кейінгі жарты ғасыр уақыттан бері ФЭП құны 50 % -ке әрбір 5 жыл сайын түсіп отырады, ал ПӘК артуы 4-6 %-тен 28,2 %- ке дейін болды. Алғашқы ФЭП 1 мың доллар 1 Вт-қа болса, ал қазіргі уақытта 5 доллар 1 Вт-қа болады. Поликристалдық кремниийден керамикалық подложкадағы ФЭП (АҚШ)

өндірудің конвейерлік технологиясы оның ПӘК 15 % болғанда 2 доллар 1 Вт құнын алуға құнын 1 доллар 1 Вт-қа төмендетуге мүмкіндік береді. Оптикалық элементтерді (линзалар, сфер алық айналар, Френел торлары) қолданатын түрлендіргіштердің ПӘК 20 % болады. /8/

Сонымен бірге Қазақстанның басқа өнеркәсіптік салаларында да күн энергиясын қолдану мүмкін болады.

Күн радиациясын электр энергиясына  айналдыру біршама шығындармен

жүргізіледі, олар концентраторлардың толық зерттелмегенімен және олардың  толқын ұзындығы бойынша сәулелерді дифференциялай алмайтын қабілеттерімен белгілі, ол күн сәулесімен жарық ағынының белгілі бір ұзындығында тиімді жұмыс істейтін жартылай өткізгішті түрлендіргіштердің жұмысы үшін қажетті болып табылады. Күн энергетикалық қондырғылардың төмендегідей ерекшеліктері бар:

- электр энергиясын экологиялық  таза өндіру, парник газдарының  қалдықтарының

толығымен болмауы;

- қолданудың көп салалығы;

- құрылымының қарапайымдылығы  мен салмағының аздығы;

- жұмыс істегенде шудың болмауы;

- қуат жинақтаудың модульдік принципі;

- жоғaры сенімділік.

Күн батареясы – күн  электр магнитті сәулесін электр энергиясына  түрлендіретін альтернативті энергия түрінің бір генераторы болып табылады.

Ең тиімді қондырғы ретінде  энергетикалық көзқараспен қарайтын болсақ, күн энергиясын электр энергиясына айналдыратын құрылғы жартылай өткізгішті фотоэлектрлік түрлендіргіштер болады, себебі олар тікелей, бір сатылы энергияның өтуін қарастырады. ФЭП-та біртекті емес жартылай өткізгіштік құрылымдағы оларға күн сәулесі әсер еткендегі ФЭП оптикалық қасиеттері мен біртекті емес жартылай өткізгішті құрылымның фотовольттік тиімділіктің энергияның түрлену тиімділігіне негізделген электр физикалық сипаттамаларына байланысты болады. Теориялық ФЭП ПӘК ФЭП-қа қарағанда жоғары болады, себебі олардағы тиым салынған аумақтың қалыңдығы күн энергиясын жартылай түрлендіргіштер үшін, тиым салынған аумақтың тиімді енімен 25 °С-тан бір градус қызғанда ол кернеудің 0,002 В жоғалтады, яғни 0,4 %/градус.Кремний элементтері 60–70 °С температураға дейін қызғанда олардың әр қайсысы 0,07– генерацияланатын элементінің төмендеуіне әкеледі.Заманауи күн энергия қондырғыларын құру концепциясы – концентрацияланған сәулелердің фотоэлектрлік түрлендіргіштері үшін, наногетероқұрылымы негізінде жаңа заманғы каскадты күн элементтерін қолдану болып табылады. Гелиоқондырғылар үшін күн энергиясының концентраттары – бұл бірнеше айналар (сәуле шағылтқыштар),олардың ауданы күн панельдерінң ауданынан бірнеше есе төмен болады. Олар күн панельдерінде әр түрлі иілу бұрыштарымен монтаждалады, сәулелік ағындарды концентрациялап және ФЭП-қа (гелиоэлемент) бағыттау бойынша таңдалады.Гелиоқондырғыларда сәулелік энергия ағыны концентраторларын қолдану күн энергиясын 40 %-тен жоғары ұстауға мүмкіндік береді, бірақ концентрациялауда температура 100 °С-н жоғары көтеріледі. Арсенид-галлий ФЭП гетероқұрылымдары кремниий ФЭП-на қарағанда жоғары температураларға (180 °С-қа дейін) төзімді

болады, сондықтан оларды күн сәулесінің концентраторларымен, жылу

қозғалтқыштарымен және бу турбиналармен пайдалануға болады, олар өз ПӘК ФЭП арсенид-галлиевых гетероқұрылымдарын 30 %-тен (150 °C-та) 50–60 %-ке дейін көтеруге мүмкіндік береді.

Бірақ кремний арсенид  галлийға қарағанда арзан, табуға оңай және өндірісте

игерілген. ФЭП арсенид галлий негізінде төмендету тәсілдері қарастырылуда. Арсенид галлий гелиоэлемент қалыңдығы бірнеше микрон құрайтын және каскадтар саны материал шығынына әсер етпейтін каскадты жүйелерде қолданылады. Қазіргі уақытта күн энергиясы фотоэлементтерінің түрлендіру ПӘК гелиоқондырғыларды құрудағы шығындары тек қана фотоэлементтерді өндірудегі шығындарды ескергенде катом, жылу,гидроэлектр станцияларды құрудағы шығындардан асып түседі. Бұл күн сәулесінің төмен тығыздығымен түсіндіріледі. Күн сәулесін үлкен

аудандарда жинақтау және оларды қымбат тұратын фотоэлементтермен  жабдықтау қажет.

Өндірілетін электр энергия құны дәстүрлі түрде өндірілетін электр энергия құнына қарағанда жоғары болады. Уақыт өте келе күн элементтерінің құны төмендейді, ең бастысы жартылай өткізгішті материалдарының құнының төмендеуіне байланысты Күн электр энергиясының құнын төмендету тәсілдерінің бірі сәулелену концентраторларын қолдану болып табылады. Бұл жағдайда қажетті күн элементтерінің ауданы және олардың құны күннің айналармен немесе линзалармен шағылуының әсерінен концентрациялау еселігіне пропорционал түрде төмендеуі мүмкін.Бірақ бұл жағдайда бірнеше проблемалар болуы мүмкін. Ең алдымен сәулелену қуаты артқанда генерацияланатын фототоктың тығыздығы артуы мүмкін, ол омдық

шығындарды төмендету  үшін, күн элементтерінің құрылымын  қиындатуды талап етеді. Екіншіден күн элементтеріне жылу жүктемесі арттырылады, ол жылу бөлудің тиімді жүйесін құруды талап етеді. Үшіншіден тиімділігі жоғары және арзан сәулелену концентраторларын өңдеу талап етіледі. Төртіншіден күнді жоғары дәлдікте бақылау қажет етіледі. Сонымен концентраторлар тиімділігін анықтауда жоғарыда көрсетілген проблемаларды шешуде анықталған шығындар мен фототүрлендіргіштердің ауданын төмендету есебінен құралдардың экономиясының айырмашылығын анықтау қажет. Қазіргі уақытта жылу қозғалтқыштарын қолданатын күн электр станцияларын мұнаралық түрдегі КЭС немесе турбогенераторлық түрдегі КЭС ретінде құрады. Мұнаралық КЭС күн сәулесін концентрациялаудың жоғары дәрежесін қамтамасыз ететін

гелиостат өрістері бар орталық қабылдағыш қолданылады. Жүйені басқару

компьютор көмегімен жүргізіледі. Жылу қозғалтқышта жұмыс денесі ретінде

температурасы 550°С-қа дейін су буы, ауа және басқа газдар 1000°С-қа дейін, төмен қайнайтын органикалық сұйықтықтар (сонымен бірге фреондар) − 100°С-қа дейін, сұйық металлдағы жылу тасымалдағыштар – 8000°С-қа дейін қолданылады.

Модульдік түрдегі КЭС  көптеген модульдер санын қолданады, олардың әр

қайсысында күн сәулесінің параболоцилиндрлік концентраторы  және концентратор фокусында орналасқан, жұмыс сұйықтығын қыздыру үшін қолданылатын, электр генераторымен жалғанған жылу қозғалтқышқа берілетін қабылдағыш бар. Қуаты жоғары болмаса модульді типтегі КЭС мұнаралық түрдегі КЭС-қа қарағанда тиімді болып саналады. Модульды түрдегі КЭС-та максималь концентрациялау дәрежесі бар күн энергиясының сызықты концентраторлары қолданылады. фотоэлектрлік түрлендіргіштер

Жартылай өткізгішті фотоэлектрлік түрлендіргіштер – бұл приборлар, олардың жұмыс принципі фотогальваникалық эффектіде негізделген, яғни электрлік р-n өткелдегі оны жарық ағынымен сәулелендіргендегі фотоЭҚК пайда болу құбылысы арқылы сипатталаады. Ең көп қолданысқа кремний мен арсенид галлийден жасалынған күн фотоэлементтері болып табылады

Ең жақсы монокристалдық кремниилік күн фотоэлементтерінің ПӘК 10-15%-ті құрайды. Мұндай төмен ПӘК-і түрлендіргіш қондырғы ретінде күн фотоэлементінің жақсы дамымағаны болады, онда пайдалы түрлендірумен бірге пайдасыз оның шашырауымен болатын үрдістер болады.

Күн фотоэлементіндегі барлық шығындар түрін екі топқа бөлуге болады:

- түрлендірілетін энергия сәулелік энергия болатын үрдістермен байланысқан

энергия шығындары – сәулелену  шығындары;

- жартылай өткізгіштің ішінде болатын қозғалыс уақытында болатын электрондар

мен тесіктердің сәулелену  генерациялануындағы энергия шығындары;

- электр шығындары.

Бірінші топтың шығындары фотоэлементтің жазықтығынан түсетін сәуленің

кескінінің нәтижесінде  болады, сәуленің өтуі тең салмақты емес заряд тасығыштарының диффузиялық ұзындықтан жоғары тереңдікте, өткізгіштегі сәулеленуді фотоэлектрлік емес жұту, тең салмақты емес заряд тасығыштарының жұп құрылмай жұтуы.

Кремнийден жасалынған күн  элементі үшін, фотоэлектрлік емес жұтынуға толқын сәулесінің фотоэлектрлік емес жұтынуна байланысты шығындарды төмендету үшін, тиым салынған аумақтың әр түрлі қалыңдығында жартылай өткізгіштердің арасында гетероөткізгіштер өңделуде. Күн фотоэлементтерінің спектрлік сипаттамаларын кеңейту саласы тиым салынған аумақтың енін бірқалыпты өзгерту жүйесін қолдану арқылы

жеткізуге болады. Екінші топтың шығындары:

- тордың энергия тасымалдауымен  жүргізілетін заряд тасымалдағыштарының

жұбының генерацияланатын сәулелерінің рекомбинациялары ;

- тең салмақты емес  заряд тасымалдағыштарымен энергияның  шашырауы;

- жүктемеде кернеуді төмендететін фотоэлементтің ішкі, тізбектей кедергілерінің болуы;

- өткелді шунттайтын резистор  кедергісінен болатын фототок ағымдары.

Рекомбинацияға шығындарды төмендету үшін, тең салмақты емес заряд

тасымалдағыштарының жұптары  құрылатын қабаттың қалыңдығы негізгі емес заряд тасымалдағыштарының диффузиялық ұзындығынан артпауы қажет. Бірақ жартылай өткізгіштің жіңішке сыртқы қабатында сәулелену аз жұтылады. Екі талаптарды да қанағаттандыру үшін күн элементтерін жартылай өткізгіштің жиілігі мен оның құрылымының реттелетінімен байланысты негізгі емес заряд тасымалдағыштарының диффузиялық ұзындықтарынан үлкен материалдарынан орындау қажет. Сонымен бірге

жазықты рекомбинация жылдамдығын  минимумға келтіру қажет. Барлық электрлік шығындар түрлері 50-55% құрайды. Фототүрлендіргіштердің

қысқа тұйықталуының ток  тығыздығы 200-250 А/м2, тиімді жүктемедегі ток тығыздығы Монокристалдар базасындағы күн фотоэлементтер кемшілігі жоғары жұмыс жазықтықтарын алу мүмкіндігінің жоқтығы, салмағына шығыс қуатының төмен қатынасы және де құнының жоғары болуы. Мұндай көрсеткіштеріне байланысты пленкалық фотоэлементтерден олар қалып отырады. Сульфид кадмий мен теллурид кадмийден тұратын пленкалық фотоэлементтер жоғары қуатының оның салмағына қатынасы арқылы (айырмашылығы 4 есе жоғары) анықталады, монокристалды кремний фотоэлементтеріне арзан, жоғары радиациялық тұрақтылығы жеткілікті және қызмет ету мерзімі жоғары. Бірақ олардың ПӘК монокристалдық фототүрлендіргіштерге қарағанда жоғары болады. Кремниийдің төмен оммдық арзан положкадағы зерттелетін жоғары Oммдық эпитаксиалдық кремний құрылымы жоғары тиімділікті және арзан фототүрлендіргіштердің құру негізі болуы мүмкін.Эпитаксиалдық құрылым негізіндегі фотоэлементтердің төмендегідей ерекшеліктері бар: жоғары фотосезгіштігі,