XX ғасырдың басындағы Ресейдегі революциялар және олардың Қазақстанға әсері

 

1.7  Есептің қойылымын негіздеу

 

Зерттеу нысанасы іретінде  фотоэлектірлік стансаның (ФЭС) техникалық көрсеткіштерін ала отырып есептік зерттеу жұмыстарын орындау. 

Бұл зерттеу жұмысының  нєтижесін болашақта салынатын  дәстүрлі емес энергия көздеріне негізделген  стансасалардың  энергетикалық көрсеткіштерін анықтауға  мүмкіндік береді атап айтқанда:

-Қондырғыларды құрайтын негізі элеметтерінің жұмыс істеу тәртібінің анықтау;

-ФЭС қондырғыларының физика-энергетикалық көрсеткіштерін зерттейтін математикалық үлгісін жасау;

-Қондырғылардың оптика-энергетикалық көрсеткіштерінің есептік зерттеу алгоритмін құру;

-Қондырғылардың электрлік сұлбасын және   элементтерін таңдау.

     - Дербес  тұтынушыларды фотоэлектірлік стансаның  көмегімен электр 

энергиясымен қамтамасыз етудің жолдарын қарастыру;

 

2 КҮН ЭНЕРГИЯСЫМЕН ЖҰМЫС ІСТЕЙТІН ФОТОЭЛЕКТРЛІК      ЖҮЙЕЛЕР

 

2.1 Жазық бетті фотоэлектрлік жүйелер

 

Өндірісті немесе дербес тұтынушыларды электр энергиясымен қамтамасыз ететін күн фотоэлектрлік  жүйер үш топқа бөлінеді:

1. Автономды дербес фотоэлектрлік жүйе;
2. Құрамалы фотоэлектрлік жүйе;
3. Электр желілеріне түйістірілген фотоэлектрлік жүйе.

2.1 сурет Автономды дербес фотоэлектрлік жүйе

2.2 сурет Құрамалы фотоэлектрлік жүйе ЖЭС- ФЭС

 

     

2.3 сурет Электр желілеріне түйістірілген фотоэлектрлік жүйе

 

 

 2.2 Парабола-цилиндрлі гелиожүйелер

 

Ең жоғарғы қуатты жалпақ әйнекті концентраттары бар  дербес гелеоэлектрлі қондырғы 2.4 суретте көрсетілген, ГЭУ-1,5 жеке тұтынушыны электрмен қамту үшін арналған .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Сурет Жалпақ әйнекті концентраттары бар дербес

гелеоэлектрлі қондырғы ГЭУ-1,5

 

Қондырғының артықшылықтары фотоэлектрлі модульдердің жалпақ әйнекті  концентраторлармен сәйкестеніп қолданылуында  болып табылады.

Бұл концентраторлар  күн энергиясын электрліге түрлендіру тиімділігін 1.5– 2 есеге арттырады, сонымен қатар Күннің аспандағы шығысынан батысына дейінгі автоматты түрде бақылауын қамтамасыз ететін, жүйені сақтайды.

ГЭУ-1,5 қондырғысы құрылымдық жағынан біросьті тіректі - бұралатын

қондырғыдан, әрқайсысы 40 Вт электр энергиясын өңдеп шығаратын жоғарғы қуатты 25 фотоэлектрлі МС-40 модульдері бар торлы құрылымды негізгі бөліктен тұрады. Тіректі - бұралатын қондырғының айналуы вертикалды ось бойымен (азимут) бойымен, тіректі - бұралатын қондырғының станинасы мен торлы рама-негізінде орналасатын, Күннің орналасу жағдайының оптикалық электронды датчигі бар бақылаушы жетектер жүйесімен орындалады.

МС-40 маркалы 25 модульдердің электрлі шығыстары диодты бекітуші жүйе арғылы бір бірімн параллель  жалғанған. Жүйенің өзі тіректі - бұралатын қондырғының қозғалмайтын бөлімінде орналасқан таратушы құрылғыда орналасады. Осылайша, қондырғының шығысынан, номиналды кернеуі 24 - 25 В және соммарлы тоғы 30-60 А тең болатын электрлі энергия мөлшері түсіріледі.

ГЭУ-1,5 қондырғысы келесі техникалық параметрлермен сипаттамалады:

-1 кВт/м² инсоляциясы кезінде ең жоғарғы шығыстық электрлі қуаты 1,5 кВт дейін болады;

-күннің сәуле шығаруын қабылдайтын жазық бетінің ауданы 25 м² тең болады;

-құлама күн энергиясының электрлі энергияға түрленуінің ПӘК 12 % тең болады;

-концентрация коэффициенті  1,7 -2 ааралығында болады;

-Күн тәртібінің бақылануы -2° төмен емес автоматты түрде болады;

-ГЭУ-1,5 қондырғысымен бір тәулікте электр энергиясын өңдеп шығаруы, қозғалмайтын күн модульдері орналастырылған қондырғымен салыстырғанда үш есе жоғары болады.

2004 ойлап шығарылған төмен қуатты эксперименталды ГЭУ-250 қондырғысы  ГЭУ-1,5 қондырғысын шығарудағы идеясының жалғасы болып шықты оның құрылымы  2.4 суретте берілген.

 

Қонрырғының артықшылықтары күн энергиясын электрліге түрлендіру тиімділігін 1,5 – 2 есе арттыратын күн спектрінің ультра күлгін бөліміндегі селективті жабындары бар жайпақ әйнекті концентраттарының, фотоэлектрлі модульдермен сәйкестендіріп пайдалануына, сонымен қатар күн спектрінің инфрақызыл бөлігін утилизациялайтын күн коллекторларын пайдалануына негізделген.

ГЭУ-250 қондырғысында  әрқайсысы тұрақты  тоқты 40 Вт дейін электрлі қуатты (U_ном = 24 В; I_макс = 1,7 А) бөліп шығыруға есептелген МС-40 типті фотоэлектрлі күн модульдері қолданылады. Күн коллекторы ретінде тоңазытқыш қондырғылардың мұздатқыш камераларының панельдерін өндіру технологиясы бойынша жасалған, пресстелген екіқатпарлы аллюминийлі панель қолданылады.

Әйнекті концентраторлар вакуумды көпқатпарлы тозаңдату әдісімен жабылған селективті жабыны бар, әрқайсысының мөлшерлері 1,2 х 0,5 м² сегіз жалпақ фрагменттерден орындалады. Күн спектрінің көрінетін бөліміндегі қайталама түрінің коэффициенті 86 % , спектрдің инфра қызыл бөлігінің өткізу коэффициенті ≥ 70% тең болады. Қондырғының фотоэлектрлі бөлігінде, жұмыс циклнда зарядтық тоқ пен кернеуді автоматты реттеу үшін, сонымен қатар жүктеме тоғын бақылау үшін тағайындалған аккумуляторлы батареялардың, майдасериялы шығарылатын бақылаушылар қолданылады[17].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.5 сурет  Төмен қуатты эксперименталды ГЭУ-250 қондырғысы

 

ГЭУ-250 гелеоэнергетикалық қондырғысы келесі техникалық параметрлермен сипатталады:

-қондырғының ең жоғарғы шығыстық электрлі қуаты - 250 Вт;

-ең жоғарғы шығыстық  жылулық қуаты - 400 Вт;

-күннің сәуле шығаруын  қабылдайтын, қондырғының жазық  бетінің ауданы - 5 м² ;

-құлама күн энергиясының электрлі энергияға түрленуінің ПӘК 12 % тең болады;1000 Вт/м² инсоляция кезінде ең жоғары қуаты 40 Вт тұрақты тоқты электрлі энергиясын бөліп шығаруға есептелген фотоэлектрлі модульдерінің саны - 4 дана;

-жылулық коллекторының  тиімді ауданы 1 м².

Электрлі күн қондырғыларының  келесі тобы, жоғарыда қарастырылған  қондырғылармен салыстырғанда, концентрация коэффициенті біршама жоғары болатын, парабола-цилиндрлі пішінді қайталама бетін көрсетуші концентраторларды қолданады. Олардың да бірнеше түрін қарастырып өтейік.

2000-2002 жылдар аралығында ГНЦ ГУП "НПО Астрофизика" кәсіпорнында эксперименталды СФЭУ-1 күн фотоэлектрлі қондырғысы ойлап табылған 2.5 сурет.

Бұл қондырғы электрлі және жылулық энергияның бірігіп өңделуін қамтамасыз етеді және де блок- модульді құрылымды күн электрлі станциясы ретінде пайдалану үшін, сонымен қатар жеке пайдалануға арналған автономды гелеоэнергетикалық қондырғы ретінде пайдалану үшін тағайындалған.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.6 Сурет   СФЭУ-1 автономды күн фотоэлектрлі қондырғысы

 

Күннің қозғалысыын  автоматты бақылайтын жүйесі бар, біросьті тіректі айналмалы қондырғысында Бір концентратор (суреттің оң жағы) жалпақ айналар жиынтығынан құрылған. Олардың жазық бетінің ауданы мен пішіні, Фототермиялық қабылдағыш- түрлендіргіштің жазық бетінің пішініне сәйкес келеді. фототермиялық қабылдағыш-түрлендіргіші, тізбектеп жалғанып, фотобатареяны құрайтын монокристаллды кремний элементтерінің жиынтығынан ұүралады. Концентратор фототермиялық қабылдағыштың барлық элементтерінің тепе тең жжарықтануын қамтамасыз етеді және де оның жарық беруін 13 есе жоғарылатады[11].

СФЭУ-1 автономды күн фотоэлектрлі қондырғысының негізгі техникалық сипаттамалары:

-шығыстық шыңдық электрлі қуаты  - 0,5 кВт;

-шығыстық шыңдық жылулық  қуаты  - 17 кВт;

-фотоэлектрлі бөлігндегі  күн сәулесін қабылдайтын концентрациялаушы  жүйенің ауданы - 24 м² ; су жылутышы бөлігіндегі күн сәулесін қабылдайтын концентрациялаушы жүйенің ауданы - 32 м² .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Күн фотоэлектрлік стансанының элементтерін жасауға арналған негізгі материалдарды таңдау және  құрастыру

 

 

Есептеулер көрсеткендей, күн сәулесі ағынының тұрақсыздығы және берілген аймақтың жоғары температуралық жағдайынан, бұл жерге ФЭҚ  және ФЭС–ы салу үшін  кремнилік күн элементтерін пайдаланған дұрыс.

Сол себепті, ФЭҚ және ФЭС салғанда, климаттық факторларды  ескере отырып, әртүрлі жоғары технологиялық материалдарды және технологиялық сүлбелерді қолдану мүмкіндігін қарастырамыз.

Күн энергетикалық қондырғыларды  комплектовать етуде қолданылатын бірдей күн элементтерінің комплексінен тұратын ФЭҚ – ны жерде және космостық жағдайда да қолдануға  икемді қылып жасау үшін, нақты  КЭ және ФЭҚ–ға қойылатын талаптарға байланысты, бірқатар нақты технологиялық және конструкторлық мәселелерді шешуіміз қажет.

Сонымен, өзгермейтін  талаптардың бірі максимал арзан  болумен қатар, әрине КЭ және ФЭҚ–ң  берілген параметрлерінің  талабын  орындау, яғни олар максимал сенімді, ұзақ өмірлік және тиімділігі жоғары болу.

Біз негізге, тәжірибелік  өндірісте жасалып және қолданылатын ФТИ аламыз, оған төменомды кремний  р- және n- типті пластинкалар мен  пленкаларда фосфор немесе бормен диффузионды  легірлеу әдісімен мелкозалегающий  р- және n- ауысуларды жасау, фронталь және тылды контактарды көпқабатты металл құрылымдармен вакуумді шашырату әдісімен жасау(бағалы металдарсыз), кремний моноокисінің вакуумде булануын қолданып просветляющий қабаттарды жағу жатады.

Таңдаған элементтің ерекшелігі болып, оның арзан және қол жетерлігінде, ол стандарт қымбат емес қондырғыны және арзанырақ төменомды кремнийді пайдалану арқасында орындалады.

Қолданылатын  әдістің  екінші қызығарлық қасиеті оның икемділігі, ол дегеніміз операция режимдерінің, олардың қайталануының, ауыстыруының және т.б. вариациялау мүмкіншілігі.

Осы таңдаудың дұрыстығына  базалық өндірістің тәжірибесі де куә  бола алады: аталған материалдар  негізінде КПД –ы 16%-ға дейінгі  КЭ- ның үлгілерін  жасаған.

Осыдан:

1.ФЭҚ –ң орналасқан  райондарының орташастатистикалық  климаттық характеристикасын біле отырып, Оңтүстік Қазақстанның географиялық   ендіктеріне гелиоқорын анықтауға мүмкіндік береді;

2. Базалық нұсқа ретінде  КЭ-ның технологиясы қабылданған  (төменомды кремний пластинкалармен  пленкаларды легірлеу әдісі), ол  жоғары технологиялық КЭ және ФЭҚ құрастыруға мүмкіндік береді.

ФЭҚ-ның меншікті қуаттылығы мен эксплуатациялық сенімділігін арттыру үшін, ФЭҚ –ы құрастыру  процесін автоматтандыру және әртүрлі  типті өткізгіш кремниден жасалған КЭ-ның  кезектесуі негізінде ФЭҚ  ықшамдығын арттыру қажет. Ойлап табылған КЭ –ң базасында, ФЭҚ – ң фотоэлектрлі қоректену көздерін жасау және ыстықклиматтық жағдай үшін эксплуатациялық характеристикасын зерттеу керек[12].

Осы аталғанның барлығы  қазіргі уақытта Орталық Азия мен Қазақстан үшін актуалды мәселелер болып табылады.

Фотоэлектр қондырғылар (модуль) және күн батареясы бұл  тізбектей және параллель қосылған КЭ (ФЭҚ) немесе модуль (ФЭБ) тізбектерінің  негізінде құрастырылған электр қайратының генераторлары. Бұл тізбектер  біркелкі диэлектрлі болып жиналады (печатный платада, шыны пластинада және т.б.).

Жеке КЭ-ң және ФЭҚ-ң  электр қосылыстары, фотогенератор  кедергісін нашарлатпайтын металл өткізгіштермен немесе шиналары арқылы жүзеге асады. Осыдан ФЭҚ және ФЭБ классикалық  нұсқасында, бұл бір-бірімен қосылған КЭ-і жалпақ панелге орналастырады.

ФЭБ міндетті атрибуттары  күштік  контрукциялар, олар панельдерге  қажетті қаттылық қамтамасыз етеді, және конструктивті элементтер ,  КЭ –н  әр түрлі  атмосфералық әсерлерден  қорғайды.

Жалпы жағдайда ФЭҚ-ға келесі негізгі талаптар қойылады:

-жоғары энергетикалық нәтижелілік , ол  ФЭҚ шығатын жоғары қуаттылығының, өзін құрайтын   КЭ-ң жиынтық қуаттылығына қатынасы;

-функционирования барысында   ФЭҚ шығатын параметрлерінің  тұрақтылығы;

-бүтін ФЭҚ сенімділігі, оның компоненттерінің де : КЭ , электр қосылыстарының, қорғаныс қабаттарының, және т.б.;

-конструкцияның және  құрама бөліктерінің қызуға төзімділігі,  механикалық  жүктеулерге   мен әртүрлі атмосфералық факторларға 

(термоциклдену, ылғал,  шаң және т.б.);

-барынша  құнының арзандығы;

-даярлаудың  технологиялықтығы.

Әрбір нақты жағдайда ФЭБ және ФЭҚ-ы құрастыруға  басқа  талаптар да қосылуы мүмкін, сонымен  қатар жалпы кешенде аталған  талаптардың әрбірінің ара салмағы  өзгертіледі.

Жерде қолданылатын аса  тиімді ФЭБ-ы даярлау,  ғарыштық аппараттарға арналған қоректену одақтарының жасаудан оңай іс емес.

Атмосфералық жағдайлардың (ылғалдылық,шаңдығы, жарықтылығының өзгергіштігі) ФЭС-ның нәтижелі жұмыстарына әсерін,ғарыштық  факторлардың әсерімен (жоғары температуралы қыздыру,терең салқындау, иондайтын сәулеленулердің әсері) салыстырғанда кем емес, ал бір қатар жағдайларда мүлдем істен шығаруы мүмкін.